1、 上海市精品课程系列-生物化学第四章 RNA的生物合成 概述原核生物RNA的合成 真核生物RNA的合成转录后加工及其机制 概述转录的基本概念转录的方式转录与DNA复制的比较转录的基本概念以以DNA分子中一条链的分子中一条链的部分部分片段片段为模板，按照为模板，按照碱基配对碱基配对原则，按原则，按53方向方向合成出一合成出一条与模板条与模板DNA链链互补互补的的RNA分子的过程。分子的过程。 概述转录的部位 真核生物：真核生物：细胞核细胞核 原核生物：原核生物：核质区核质区 核仁：核仁：rRNA 核质：核质：mRNA，tRNA 原料：原料：NTP 模板：模板：DNA 酶：酶：RNA聚合酶聚合酶
2、其它蛋白质因子其它蛋白质因子参与转录的物质 概述转录的反应n1ATPn2GTP RNA聚合酶聚合酶 n3CTP DNAn4UTPRNA + (n1+n2+n3+n4) PPi底物或原料底物或原料酶酶模板模板产物产物 概述不对称转录：不对称转录：转录区只有一小段转录区只有一小段DNA的的一一条链条链作为模板链进行转录。作为模板链进行转录。转录的方式 概述模板链（反义链、负链）：模板链（反义链、负链）：可作为可作为转录模板转录模板的的DNA的一条链，与转录的一条链，与转录的的RNA反义，编码链是针对某一基因而言。反义，编码链是针对某一基因而言。编码链（有义链、正链）：编码链（有义链、正链）：不参与
3、转录不参与转录的的DNA的一条链，其序列与转的一条链，其序列与转录的录的RNA相同，只是编码链中的相同，只是编码链中的T在在RNA中为中为U。 概述模板链不固定在模板链不固定在DNA的某一条链的某一条链上，而是两条链中交互出现，使上，而是两条链中交互出现，使转录也转录也交替出现交替出现。转录单位：转录单位：DNA链上从启动子直链上从启动子直到终止子为止的序列。一个转录到终止子为止的序列。一个转录单位包括一个或几个基因。单位包括一个或几个基因。 概述比较点比较点 复复 制制 转转 录录 模板模板 两条母链两条母链DNADNA双链中反意义的一条链，双链中反意义的一条链，只发生在一部分基因上只发生在
4、一部分基因上合成原料合成原料 dNTP（A、G、C、T）NTP（A、G、C、U）合成产物合成产物 DNAmRNA、tRNA、rRNA引物引物 需要一段需要一段RNA引物引物不需要引物不需要引物配对配对 AT；CG；AU；TA；GC；调控区调控区 存在复制产物序列中存在复制产物序列中存在转录开始位点的上游存在转录开始位点的上游聚合酶聚合酶 DNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶（无校对功能）聚合酶（无校对功能）共同点共同点都以都以DNA作模板；都需核苷酸作原料，都从作模板；都需核苷酸作原料，都从5向向3延长；延长；产物都是长长的聚核苷酸链；都遵从碱基配对规律；产物都是长长的聚核苷酸链；都遵从碱基配对规律
5、； 都需要依赖都需要依赖DNA的聚合酶。的聚合酶。转录与复制的比较 概述 原核生物RNA的合成参与转录起始的关键酶与元件转录的基本过程RNA聚合酶特点特点 以以DNA为模板为模板 都以四种三磷酸核苷为底物和原料都以四种三磷酸核苷为底物和原料 都遵循都遵循DNA与与RNA之间的碱基配对原则之间的碱基配对原则 RNA链的延长方向是链的延长方向是53的连续合成的连续合成 需要需要Mg2+或或Mn2+离子离子 不需要引物不需要引物 缺乏缺乏35外切酶活性外切酶活性参与转录起始的关键酶与元件 原核生物RNA的合成大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶聚合酶启动子启动子 a a2bbbbs s（全酶全酶） = a
6、a2bbbb（核心酶核心酶） + s s 识别识别DNA上转录起始信号上转录起始信号的碱基序列（的碱基序列（启动子启动子） 与启动子结合，决定与启动子结合，决定哪个基因被转录哪个基因被转录与与DNA模板结合模板结合 催化磷酸二酯键的形成，催化磷酸二酯键的形成，与转录全过程有关与转录全过程有关 原核生物RNA的合成利福平和利福霉素可与利福平和利福霉素可与b b亚基结合，亚基结合，阻止阻止RNA链的延伸，从而抑制转链的延伸，从而抑制转录的发生。录的发生。肝素是一种多价阴子化合物，能肝素是一种多价阴子化合物，能与与b b亚基结合，从而在体外抑制转亚基结合，从而在体外抑制转录作用。录作用。 s s70
7、：转录大多数基因：转录大多数基因 原核生物RNA的合成启动子结构结构 原核生物RNA的合成RNA聚合酶聚合酶识别识别和和结合结合的的DNA上一段特殊上一段特殊的的核苷酸序列核苷酸序列，位于转录起点附近。，位于转录起点附近。RNA聚合酶聚合酶结合部位结合部位s s因子因子识别结合部位识别结合部位典型启动子典型启动子RNA聚合酶与启动子的结合聚合酶与启动子的结合 原核生物RNA的合成RNA聚合酶能与聚合酶能与-35和和-10区中的碱基及区中的碱基及DNA主链中的主链中的磷酸基磷酸基相接相接触；与触；与保守序列保守序列差别较远的启动子活性较弱；破坏启动子功能的差别较远的启动子活性较弱；破坏启动子功能
8、的突变中有突变中有75%是改变了保守序列中的碱基，其余是改变了保守序列中的碱基，其余25%为离保守序为离保守序列较近的。列较近的。s s因子与启动子因子与启动子 原核生物RNA的合成s s因子结构的不同区域分别参与了因子结构的不同区域分别参与了和编和编码链的接触码链的接触、熔链反应熔链反应以及以及与核心酶相与核心酶相互作用互作用。-35区作为启动子的识别域，区作为启动子的识别域，-10区为区为“解链域解链域”。s s70被证明其被证明其Tyr425、Tyr430、Trp433、Trp434等四个氨基酸残基直接与启等四个氨基酸残基直接与启动子动子-10区的区的TATAAT序列作用，解序列作用，解
9、开开DNA双螺旋。双螺旋。负超螺旋负超螺旋正超螺旋正超螺旋转录泡转录泡3 5 启动启动 起始起始 延伸延伸 终止终止 原核生物RNA的合成转录的基本过程 原核生物RNA的合成转录的启动启动子启动子由由RNA聚合酶全酶结合聚合酶全酶结合于启动子而被启动，形于启动子而被启动，形成闭合二元复合物。成闭合二元复合物。 原核生物RNA的合成转录的起始局部解链局部解链（约（约17个碱基对）个碱基对）第一个核苷三磷酸第一个核苷三磷酸结合到全酶上结合到全酶上“启动子启动子-全酶全酶-核苷三核苷三磷酸磷酸”三元复合物三元复合物第二个核苷三磷酸第二个核苷三磷酸参入，形成第一个参入，形成第一个磷酸二酯键磷酸二酯键s
10、 s因子从全酶上掉因子从全酶上掉下，核心酶在下，核心酶在DNA链上向下游滑动链上向下游滑动开放二元复合物开放二元复合物“核心酶核心酶-DNA-RNA”三元复合物三元复合物链的延伸转录泡转录泡编码链编码链RNA聚合酶聚合酶模板链模板链转录方向转录方向活性部位活性部位RNA-DNA杂合双链杂合双链解开螺旋解开螺旋恢复螺旋恢复螺旋 原核生物RNA的合成转录的终止 原核生物RNA的合成终止子：终止子： DNA分子上一段终止分子上一段终止转录的特殊核苷酸序列。转录的特殊核苷酸序列。终止依赖于终止依赖于RNA产物产物，而不是由，而不是由转录中转录中DNA序列来决定。序列来决定。 依赖依赖r r因子的终止因
11、子的终止不依赖不依赖r r因子的终止因子的终止 原核生物RNA的合成共同序列特征：在转录终止前有一段共同序列特征：在转录终止前有一段回文结构回文结构，之间由几个碱基隔开，因，之间由几个碱基隔开，因此转录的此转录的RNA片段会形成片段会形成茎环结构茎环结构，阻止阻止聚合酶前进。聚合酶前进。 原核生物RNA的合成不依赖不依赖r r因子的终止因子的终止 原核生物RNA的合成依赖依赖r r因子的终止因子的终止r r因子：因子：活性形式为六聚体，亚基具有一个活性形式为六聚体，亚基具有一个RNA结合域结合域和和ATP水解域水解域。六聚体具有依。六聚体具有依赖赖ATP的的解旋酶活性解旋酶活性。 真核生物RN
12、A的合成参与转录起始的关键酶与元件转录的基本过程 真核生物RNA的合成种类种类分布分布合成的合成的RNA类型类型对对a a-鹅膏蕈碱的敏感性鹅膏蕈碱的敏感性I 核仁核仁 rRNA 不敏感不敏感 II核质核质 hnRNA 低浓度敏感低浓度敏感III核质核质 tRNA，5S rRNA 高浓度敏感高浓度敏感Mt 线粒体线粒体 线粒体线粒体RNAs 不敏感不敏感 与与RNA聚合酶聚合酶II特异性结合，从而抑制磷酸特异性结合，从而抑制磷酸二酯键的形成。用于真核细胞二酯键的形成。用于真核细胞RNA聚合酶的聚合酶的识别或识别或RNA聚合酶聚合酶II的定量等。的定量等。 真核RNA聚合酶参与转录起始的关键酶与
13、元件 真核生物RNA的合成真核启动子TATA盒决定盒决定转录转录起点的选择起点的选择。 CAAT盒与盒与转录起转录起始频率始频率有关。有关。 真核生物RNA的合成增强子增强子能增强启动子的活性，可能增强启动子的活性，可存在于启动子上游或下游。存在于启动子上游或下游。 真核生物RNA的合成转录的起始转录的基本过程转 录 因 子转 录 因 子 可 与可 与RNA聚合酶聚合酶II形形成成转录起始复合转录起始复合物物，共同参与转，共同参与转录起始过程。录起始过程。 真核生物RNA的合成TFIID能与启动子结合，并吸引其能与启动子结合，并吸引其它转录因子及聚合酶进到转录启动它转录因子及聚合酶进到转录启动
14、区。区。 转录起始复合物转录起始复合物 真核生物RNA的合成转录的终止RNA聚合酶聚合酶II所转录的基因在最所转录的基因在最后一个外显子下游都具有一个加后一个外显子下游都具有一个加poly-A的信号的信号AATAAA序列序列，而，而RNA聚合酶聚合酶II一般在该位点下游一般在该位点下游停止转录停止转录。 转录后加工及其机制原核生物RNA转录后加工真核生物RNA转录后加工RNA的自我剪切与催化原核生物RNA转录后加工 转录后加工及其机制mRNA原核生物的结构基因是原核生物的结构基因是连续编码序列连续编码序列，转录形成的，转录形成的mRNA绝大数不需加工修饰。原核生物没有核膜，绝大数不需加工修饰。
15、原核生物没有核膜，转录和翻译转录和翻译是是偶联偶联的，往往转录还未完成已开始翻译。的，往往转录还未完成已开始翻译。 rRNA 转录后加工及其机制 7个个编码编码rRNA的操纵子的操纵子分散分散于基因组中，组成基本相于基因组中，组成基本相 同，均含有同，均含有16S-23S-5S的三个的三个rRNA分子。分子。 16S rRNA后有后有1-2个个tRNA基因基因，23S和和5SrRNA后有后有0、 1或或2个个tRNA基因。基因。 转录后加工及其机制 rRNA在修饰酶催化下进行碱基的在修饰酶催化下进行碱基的甲基化修饰甲基化修饰； rRNA前体被前体被RNase III、RNase E、RNase
16、 P、RNase F等等 剪切剪切成一定链长的成一定链长的rRNA分子；分子； rRNA与蛋白质结合形成与蛋白质结合形成核糖体核糖体的大、小亚基。的大、小亚基。 tRNA 转录后加工及其机制 tRNA前体被前体被tRNA剪切酶剪切酶切切 成一定大小的成一定大小的tRNA分子；分子； 成熟成熟tRNA分子中的分子中的稀有碱基稀有碱基 是通过修饰形成的；是通过修饰形成的； 3-末端加上末端加上CCA。真核生物RNA转录后加工与修饰 转录后加工及其机制mRNA真核真核mRNA被合成达到被合成达到20-40bp时就开始进入时就开始进入加工阶段加工阶段。 转录后加工及其机制 5-端加帽端加帽 3-端加尾
17、端加尾 甲基化甲基化 剪接剪接 转录后加工及其机制5-端加帽端加帽帽子结构帽子结构 是翻译起始所必要的，为核糖体是翻译起始所必要的，为核糖体 识别识别mRNA提供了信号；提供了信号； 协助核糖体协助核糖体与与mRNA结合结合使翻译使翻译 从从AUG开始；开始； 增加增加mRNA稳定性稳定性，免遭，免遭5外切外切 核酸酶核酸酶的降解。的降解。 RNA三磷酸酶三磷酸酶 mRNA鸟苷酰转移酶鸟苷酰转移酶 mRNA（鸟嘌呤（鸟嘌呤-7）甲基转移酶）甲基转移酶 mRNA（核苷（核苷-2）甲基转移酶）甲基转移酶 转录后加工及其机制帽子帽子0：7-甲基鸟苷以甲基鸟苷以5-5三磷三磷酸键与酸键与RNA的的5-
18、端相连形成端相连形成m7GpppN。 帽子帽子1：RNA的第的第1位核苷酸的位核苷酸的2 - O 位 也 甲 基 化 ， 形 成位 也 甲 基 化 ， 形 成m7GpppNm。 帽子帽子2：RNA的第的第1、2位核苷酸的位核苷酸的2-O位位均甲基化，形成均甲基化，形成m7GpppNmNm。 尾巴结构尾巴结构 转录后加工及其机制3-端加尾端加尾3端端AAUAA、YGUGUGYY（Y为嘧啶）序列作为为嘧啶）序列作为mRNA 3-端加端加polyA尾的尾的信号信号。RNaseIII在在加尾信号下游加尾信号下游11-30bp处切断磷酸二酯键。处切断磷酸二酯键。polyA聚合酶聚合酶催化在催化在3-OH
19、上逐上逐一引入一引入100-250个个A。 防止防止核酸外切酶核酸外切酶降解降解mRNA信信息序列，可能与息序列，可能与mRNA的的运输运输有关。有关。 转录后加工及其机制甲基化甲基化真核真核mRNA往往有甲基化位点，主要是在往往有甲基化位点，主要是在N6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤（m6A）。这种甲基化修饰对翻译没有必要，可能在）。这种甲基化修饰对翻译没有必要，可能在mRNA前体加工中起识别作用。前体加工中起识别作用。 转录后加工及其机制剪接剪接 内含子的切除内含子的切除 外显子的拼接外显子的拼接成熟成熟mRNA 单顺反子单顺反子 转录后加工及其机制GU-AG规律：规律：所有内含子都是以所有内含子
20、都是以GU开始，以开始，以AG告终的保守序列。告终的保守序列。 mRNA前体的内含子末端序列前体的内含子末端序列剪接位点突变剪接位点突变引起剪切错引起剪切错误，剪切位点突变导致误，剪切位点突变导致地中海贫血症地中海贫血症。 转录后加工及其机制U系列系列snRNA与蛋白质结合形成与蛋白质结合形成核糖核蛋白颗粒核糖核蛋白颗粒（RNP）。）。U-snRNA参与参与hnRNA的剪接过程，的剪接过程，U1、U2、U4、U5、U6可能都可能都与与hnRNA的加工有关。的加工有关。 snRNP和其他辅助蛋白共同组成和其他辅助蛋白共同组成一个一个剪接体剪接体，对内含子，对内含子3和和5剪剪接位点和分支点进行接
21、位点和分支点进行识别识别和和剪接剪接作用。作用。 转录后加工及其机制mRNA前体在前体在snRNP等参与下，内含等参与下，内含子中分支点部位的子中分支点部位的腺苷酸残基腺苷酸残基的的2-OH自动攻击内含子自动攻击内含子5端与外显子端与外显子1连接的连接的磷酸二酯键磷酸二酯键，切下切下外显子外显子1。 腺苷酸原来的腺苷酸原来的3,5-磷酸二酯键依然存磷酸二酯键依然存在，加上此在，加上此2,5-磷酸二酯键磷酸二酯键连接后，连接后，在腺苷酸处出现了一个在腺苷酸处出现了一个套索套索。 已被切下的已被切下的外显子外显子1的的3-OH攻击内含攻击内含子子3-端与外显子端与外显子2间的间的3,5-磷酸二酯键
22、磷酸二酯键使其断裂，内含子以套索的形式被使其断裂，内含子以套索的形式被切下切下。外显子外显子1和和2相互相互连接连接。 rRNA 转录后加工及其机制真核生物真核生物rRNA基因有几十至几千个拷贝数基因有几十至几千个拷贝数串联重复串联重复。其中。其中18S rRNA、28S rRNA和和5.8S rRNA基因基因成簇排列组成一个转录单位，彼此被成簇排列组成一个转录单位，彼此被间隔间隔区区分开，由分开，由RNA聚合酶聚合酶I转录成一个转录成一个rRNA前体。前体。 转录后加工及其机制5S rRNA基因也基因也成簇排列成簇排列，存在于另一个转录单位，存在于另一个转录单位，间隔区间隔区不被转录，由不被
23、转录，由RNA 聚合酶聚合酶III转录（内部启动子）。转录（内部启动子）。 转录后加工及其机制甲基化甲基化切割切割甲基甲基的存在是初级转录物转变成熟的的存在是初级转录物转变成熟的rRNA的的标志标志。 转录后加工及其机制人类的人类的45S rRNA与小鼠的与小鼠的45S rRNA加工方式不同加工方式不同。酵母酵母rRNA加工途径加工途径 tRNA 转录后加工及其机制 tRNA基因基因成簇排列成簇排列，被，被间隔区间隔区分开，由分开，由RNA聚合酶聚合酶III转录。转录。 真核生物转录生成的真核生物转录生成的tRNA前体需进行前体需进行加工修饰加工修饰才有生物活性。才有生物活性。 tRNA的剪接
24、需要独立的的剪接需要独立的核酸酶核酸酶和和连接酶连接酶活性。由内切酶保证内含活性。由内切酶保证内含子子识别的专一性识别的专一性，在内含子两个，在内含子两个末端进行末端进行tRNA的的剪接剪接。 转录后加工及其机制 核酸内切酶核酸内切酶切断内含子切断内含子- 外显子边界，产生外显子边界，产生2-3- 环形磷酸和环形磷酸和5-OH； 环形磷酸打开产生环形磷酸打开产生2-磷磷 酸酸和和3-OH，5-OH末末端端 磷酸化；磷酸化； 内含子内含子释放释放， tRNA半半 分子分子折叠折叠成一个含成一个含5-磷磷 酸及一个酸及一个3-OH 裂口的裂口的 类类tRNA结构；结构； 连接酶连接酶缝合裂口，缝合
25、裂口，磷酸磷酸 酶酶除去除去2-磷酸；磷酸； 碱基修饰碱基修饰； 3-OH连接连接CCA结构结构。 ACC 转录后加工及其机制RNA的自我剪切与催化 主要存在于核中，化学本质是主要存在于核中，化学本质是RNA； 大小从十几个大小从十几个bp到数百个到数百个bp； 底物多为底物多为RNA（也有（也有DNA、糖类、氨基酸酯等）；、糖类、氨基酸酯等）； 催化催化效率效率较酶（蛋白质）较酶（蛋白质）低低得多；得多； 必需有必需有Mg2+存在；存在； 具有催化作用的具有催化作用的专一性专一性； 作用方式有作用方式有剪切型剪切型和和剪接型剪接型两大类型，称为自我剪切两大类型，称为自我剪切 和自我剪接。和自
26、我剪接。核酶的特性 转录后加工及其机制相当于相当于核酸内切酶核酸内切酶和和连接连接酶酶两种酶的联合作用，催两种酶的联合作用，催化自身化自身RNA进行剪切和连进行剪切和连接。接。 剪接型核酶催化反应需催化反应需Mg2+和和鸟苷鸟苷或或5鸟苷酸鸟苷酸参与，鸟苷必须参与，鸟苷必须有游离的有游离的3-OH，剪下来，剪下来的内含子生成的内含子生成环状环状中间产中间产物。物。 413bp内含子内含子成熟成熟rRNA 转录后加工及其机制 转录后加工及其机制相当于相当于核酸内切酶核酸内切酶，可催化，可催化自身自身RNA或或异异体体RNA切除一段切除一段特异的核苷酸序列特异的核苷酸序列。 剪切型核酶 RNase
27、 P由蛋白质和由蛋白质和miRNA组成；组成； miRNA是一种剪切型核酶；是一种剪切型核酶； 特异水解特异水解tRNA前体前体5-端前导序列；端前导序列； miRNA的的5-端序列是维持其催化活性端序列是维持其催化活性 所必不可少的。所必不可少的。 转录后加工及其机制锤头状锤头状结构模型：无论是核酶结构模型：无论是核酶本身或核酶与底物本身或核酶与底物RNA间，若间，若具备锤头状结构和特定的具备锤头状结构和特定的13bp保守序列，剪切会在锤头结构保守序列，剪切会在锤头结构的的GUN序列的序列的3-端自动发生。端自动发生。N是除是除G的任意碱基，的任意碱基，N的的2-OH是剪切所必需的。是剪切所必需的。 13bp保守序列保守序列 底物链底物链酶链酶链1. 原核生物和真核生物启动子的主要差别。2. 大肠杆菌RNA聚合酶的组成和各亚基的功能。
