第十一章RNA生物合成

1、第第11章章 RNA的生物合成的生物合成 RNA Biosynthesis ( Transcription ) n在生物界，在生物界，RNARNA合成有两种方式：合成有两种方式： 一是DNA指导的RNA合成，也叫转录，此为生物 体内的主要合成方式，也是本章介绍的主要内容。 另一种是RNA指导的RNA合成(RNA-dependent RNAsynthesis)，也叫RNA复制(RNAreplication), 由RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependentRNA polymerase)催化，常见于病毒，是逆转录病毒以 外的RNA病毒在宿主细胞以病毒的单链RNA为模 板合成RNA的方式。

2、转录转录 (transcription) 是是生物体以生物体以DNA为为 模板合成模板合成RNA的过程的过程 。 转转 录录 RNADNA 转录的知识是理解许多生物学现象和医学问题 所必需的。 对于RNA生物过程的调节可以导致蛋白质合成 速率的改变，以及由此而引发的一系列代谢变 化，因此，了解RNA代谢的基本原理就甚为重 要。这些原理既关系到所有生物是如何适应环 境变化的，也关系到细胞结构和功能的分化机 制。 复制和转录的区别复制和转录的区别 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对 mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA （半保留复制）半保留复制） 产物产物 RNA聚合酶（聚

3、合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶 NTPdNTP原料原料 模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板 转录转录复制复制 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对 mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA （半保留复制）半保留复制） 产物产物 RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶 NTPdNTP原料原料 模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板 转录转录复制复制 n参与转录的物质：参与转录的物质： 原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模

4、板: : DNA 酶酶 : : RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子其他蛋白质因子 原核生物转录的模板和酶原核生物转录的模板和酶 Templates & Enzymes in Prokaryotic Transcription 第一节第一节 一、原核生物转录的模板一、原核生物转录的模板 5GCAGTACATGTC 3 3 c g t g a t g t a c a g 5 5GCAGUACAUGUC 3 NAla Val His Val C 编码链编码链 模板链模板链 mRNA 蛋白质蛋白质 转录转录 翻译翻译 5 5 3 3 3 3 5 5 模

5、板链模板链编码链编码链 编码链编码链模板链模板链 结构基因结构基因 转录方向转录方向 转录方向转录方向 n不对称转录不对称转录 二、二、RNA合成由合成由RNA聚合酶催化聚合酶催化 （一）（一）RNA聚合酶能直接启动聚合酶能直接启动RNA链的合成链的合成 DNA依赖的RNA聚合酶催化合成RNA； RNA合成的化学机制与DNA依赖的DNA聚合酶 催化DNA合成相似。 ( NMP )n + NTP ( NMP ) n+1 + PPi RNA延长的延长的RNA DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存 在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动 RNA链的延长。 RNA聚合酶和DNA的特殊序列启动子

6、 (promoter)结合后，就能启动RNA合成。 （二）（二）RNA聚合酶由多个亚基组成聚合酶由多个亚基组成 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点 亚亚 基基分分 子子 量量功功 能能 核心酶核心酶 (core enzyme) 全酶全酶 (holoenzyme) 转录起始阶段转录起始阶段转录延长阶段转录延长阶段 三、三、RNA聚合酶结合到聚合酶结合到DNA的启动子的启动子 上起动转录上起动转录 转录是不连续、分区段进行的。 每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵 子(oper

7、on)。操纵子包括若干个结构基因及其上 游(upstream)的调控序列。 5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列 RNA-pol 调控序列中的启动子是RNA聚合酶结合模板DNA 的部位，也是控制转录的关键部位。原核生物以 RNA聚合酶全酶结合到DNA的启动子上而起动转 录，其中由亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。 对启动子的研究，常采用一种巧妙的方法即RNA 聚合酶保护法。 nRNA聚合聚合 酶保护法酶保护法 开始转录开始转录 T T G A C A A A C T G T -35 区区 (Pribnow box) T A T A A T Pu A T A T T A Py -10

8、 区区 1-30-5010-10-40-20 5 3 3 5 RNA-pol辨认位点辨认位点 (recognition site) 5 5 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因 3 3 n用用RNA聚合酶保护法研究转录起始区聚合酶保护法研究转录起始区 nRNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合: 原核生物的转录过程原核生物的转录过程 The Process of Transcription in Prokaryote 第二节第二节 RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的聚合酶必须准确地结合在转录模板的 起始区域。起始区域。 DNA双链解开，使其中的一条链作为转录

9、双链解开，使其中的一条链作为转录 的模板。的模板。 一、转录起始需要一、转录起始需要RNA聚合酶全酶聚合酶全酶 n转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题： nE.coli的转录起始和延长的转录起始和延长 2. DNA双链局部解开，形成双链局部解开，形成开放转录复合体开放转录复合体 (open transcription complex) ； 1. RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)与模板结合，形成与模板结合，形成闭闭 合转录复合体合转录复合体(closed transcription complex) ； 3. 在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形聚合酶作用下发生第一次聚合反应

10、，形 成转录起始复合物：成转录起始复合物： RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 转录起始复合物转录起始复合物: : 5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi n转录起始过程：转录起始过程： 第一个磷酸二酯键生成后，亚基即从转录起 始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸， 继续结合于DNA模板上，酶沿DNA链前移， 进入延长阶段。 二、二、 原核生物的转录延长时蛋白质原核生物的转录延长时蛋白质 的翻译也同时进行的翻译也同时进行 1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构， 与模板结合松弛，沿着与

11、模板结合松弛，沿着DNA模板前移；模板前移； 2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链链 不断延长。不断延长。 (NMP) n + NTP (NMP) n+1+ PPi 转录空泡转录空泡(transcription bubble)： RNA-pol （核心酶）（核心酶） DNA RNA n转录延长：转录延长： 5 3 DNA n原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象 核糖体核糖体 RNA RNA聚合酶聚合酶 在同一在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行；模板上，有多个转录同时在进行； 转录尚未完成，翻译已在进行。转录尚未完成，翻译已在进行

12、。 这种形状说明：这种形状说明： 依赖Rho因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止 三、原核生物转录终止分为依赖三、原核生物转录终止分为依赖(Rho)因因 子与非依赖子与非依赖因子两大类因子两大类 n依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物 转录终止分为：转录终止分为： 因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质， 亚基分子量46kD。 因子能结合RNA，又以对polyC的结合力最 强。 因子还有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的 活性。 （一）依赖（一）依赖因子的转录终止因子的转录终止 n因子：因子： n因子的作用原理：因子的作用原理： 目前认为，因

13、子终止转录的作用是：与RNA转 录产物结合，结合后因子和RNA聚合酶都可发 生构象变化，从而使RNA聚合酶停顿，解螺旋 酶的活性使DNA/RNA杂化双链拆离，利于产物 从转录复合物中释放。 （二）（二） 非依赖非依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止 DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱模板上靠近终止处，有些特殊的碱 基序列，转录出基序列，转录出RNA后，后，RNA产物形成特殊产物形成特殊 的结构来终止转录。的结构来终止转录。 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGC

14、UGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU. 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 近终止区的转录产物形成发夹近终止区的转录产物形成发夹(hairpin)结构结构 是非依赖是非依赖因子终止的普遍现象。因子终止的普遍现象。 n茎环结构使转录终止的机理：茎环结构使转录终止的机理： 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构

15、，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。 5 pppG 5 3 3 5 RNA-pol 真核生物的转录过程真核生物的转录过程 The Process of Transcription in Eukaryote 第三节第三节 真核生物的转录过程比原核复杂。二者的转录 起始过程有较大区别，转录终止也不相同。 一、一、 真核生物有三种真核生物有三种DNA依赖性依赖性 RNA聚合酶聚合酶 n 真核生物具有3种不同的RNA聚合酶: RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol） RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol） RNA聚合酶聚合酶（RNA Pol ） 种类种类 对鹅

16、膏蕈碱对鹅膏蕈碱 的反应的反应 45S-rRNAhnRNA5S-rRNA tRNA snRNA 耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感 转录产物转录产物 真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶 真核生物RNA聚合酶的结构比原核生物复杂，所 有真核生物的RNA聚合酶都有两个不同的大亚基 和十几个小亚基. RNA聚合酶由12个亚基组成，其最大的亚基称 为RBP1。 RNA聚合酶最大亚基的羧基末端有一段共有序 列(consensussequence)为Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro- Ser的重复序列片段，称为羧基末端结构域 (carboxyl-terminaldomain,CT

17、D)。CTD对于维持 细胞的活性是必需的。 二、转录起始需要启动子二、转录起始需要启动子 、RNA聚合酶聚合酶 和转录因子的参与和转录因子的参与 （一）转录起始前的上游区段具有启动子核心 序列 不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始 点上游可以有不同的点上游可以有不同的DNA序列，但这些序列都序列，但这些序列都 可统称为可统称为顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)。 n一个典型的真核生物基因上游序列一个典型的真核生物基因上游序列: 53 调控序列调控序列TATA盒盒Inr YYAN YY T A -30+1 TATAAA 顺

18、式作用元件包括启动子、启动子上游元件 (upstreampromoterelements)或promoter- proximalelements)等近端调控元件和增强子 (enhancer)等远隔序列。 起始点上游多数有共同的TATA序列，称为 Hognest盒或TATA盒(TATAbox)。通常认为这就 是启动子的核心序列。 许多RNA聚合酶II识别的启动子具有保守的共有 序列：位于转录起始点附近的起始子(intiator， Inr)。 启动子上游元件是位于TATA盒上游的DNA序列， 多在转录起始点约-40-100nt的位置，比较常见 的是GC盒和CAAT盒。 增强子是能够结合特异基因调节

19、蛋白，促进邻近 或远隔特定基因表达的DNA序列。 转录起始点转录起始点 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 n顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element) AATAAA 切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子翻译起始点翻译起始点 内内 含含 子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体 n真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶转录的基因及其转录转录的基因及其转录 起始上游序列起始上游序列 （二）（二） 转录因子转录因子 能直接、间接辨认和结合转录上游区段能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的的 蛋白质，现已发现数百种

20、，统称为蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因反式作用因 子子(trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或间接结合反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶聚合酶 的，则称为的，则称为转录因子转录因子(transcriptional factors, TF)。 参与参与RNA-pol转录的转录的TF 蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷 酸化酸化 TFH ATPase57（ ） 34（ ）TFE 解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF 促进促进RNA-pol结合及作结合及作 为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁 33TFB 稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12

21、，19，35TFA 辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF* 结合结合TATA盒盒TBP* 38TFD 功功能能亚基组成，分子量亚基组成，分子量(kD)转录因子转录因子 蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷 酸化酸化 TFH ATPase57（ ） 34（ ）TFE 解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF 促进促进RNA-pol结合及作结合及作 为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁 33TFB 稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA 辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF* 结合结合TATA盒盒TBP* 38TFD 功功能能亚基组成，分子量亚基组成，分子量(kD)转录因子转录

22、因子 RNA聚合酶II与启动子的结合、启动转录需要多 种蛋白质因子的协同作用。通常包括：可诱导因 子或上游因子与增强子或启动子上游元件的结合； 通用转录因子在启动子处的组装；辅激活因子和/ 或中介子在通用转录因子/RNA聚合酶II复合物与 可诱导因子、上游因子之间的辅助和中介作用。 因子和因子之间互相辨认、结合，以准确地控制 基因是否转录、何时转录。 型基因中的四类转录因子型基因中的四类转录因子 转录因子转录因子 具体组分具体组分 结合序列结合序列 功能功能 基本组分基本组分 TBP,TFA,B, E,G,F和和H TBP结合结合 TATA盒盒 转录起始定位；转录起始定位； 转转 录起始和延长

23、录起始和延长 辅激活因子辅激活因子 TAFs和中介和中介 子子 在可诱导因子和上游在可诱导因子和上游 因子与基本转录因子、因子与基本转录因子、 RNA聚合酶结合中聚合酶结合中 起联结和中介作用起联结和中介作用 上游因子上游因子 SP1、ATF、 CTF等等 启动子上游启动子上游 元件元件 协助基本转录因子，协助基本转录因子， 提高转录效率和专一提高转录效率和专一 性性 可诱导因子可诱导因子 如如MyoD、 HIF-1等等 增强子等远增强子等远 隔调控序列隔调控序列 时间和空间（组织）时间和空间（组织） 特异性地调控转录特异性地调控转录 （三）（三） 转录起始前复合物转录起始前复合物 真核生物真

24、核生物RNA-pol不与不与DNA分子直接结合，分子直接结合， 而需依靠众多的转录因子，形成而需依靠众多的转录因子，形成转录起始复合物转录起始复合物 (pre-initiation complex, PIC) 。 nPIC的形成的形成 （四）少数几个反式作用因子的搭配启动特定（四）少数几个反式作用因子的搭配启动特定 基因的转录基因的转录 为了保证转录的准确性，不同基因需不同转录 因子。 拼板理论(piecingtheory) ：少数几个反式作用 因子（主要是可诱导因子和上游因子）之间互 相作用，再与基本转录因子、RNA聚合酶搭配 而有针对性地结合、转录相应的基因。可诱导 因子和上游因子常常通过

25、辅激活因子或中介子 与基本转录因子、RNA聚合酶结合，但有时也 可直接与基本转录因子、RNA聚合酶结合。 三三 、真核生物转录延长过程中没有、真核生物转录延长过程中没有 转录与翻译同步的现象转录与翻译同步的现象 真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，真核生物转录延长过程与原核生物大致相似， 但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。 RNA-pol前移处处都遇上核小体。前移处处都遇上核小体。 转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚 现象。现象。 RNA-Pol RNA-Pol RNA-Pol 核小体核小体 转

26、转 录录 延延 长长 中中 的的 核核 小小 体体 移移 位位 转录方向转录方向 四、真核生物的转录终止和加尾修饰四、真核生物的转录终止和加尾修饰 同时进行同时进行 真核生物的转录终止，是和转录后修饰密切相真核生物的转录终止，是和转录后修饰密切相 关的。关的。 真核生物真核生物mRNA有聚腺苷酸有聚腺苷酸(poly A)尾巴结构，尾巴结构， 是转录后才加进去的。是转录后才加进去的。 转录不是在转录不是在poly A的位置上终止，而是超出数的位置上终止，而是超出数 百个乃至上千个核苷酸后才停顿。已发现，在百个乃至上千个核苷酸后才停顿。已发现，在 读码框架的下游，常有一组共同序列读码框架的下游，常

27、有一组共同序列AATAAA， 再下游还有相当多的再下游还有相当多的GT序列。这些序列称为序列。这些序列称为 转录终止的修饰点转录终止的修饰点。 n真核生物的转录终止及加尾修饰真核生物的转录终止及加尾修饰 真核生物真核生物RNA的加工的加工 Post-transcriptional Modification of Eukaryotic RNA 第四节第四节 真核生物转录生成的RNA分子是初级RNA转 录物(primaryRNAtranscript)，几乎所有的初级 RNA转录物都要经过加工，才能成为具有功能 的成熟的RNA。 加工主要在细胞核中进行。 n几种主要的修饰方式：几种主要的修饰方式：

28、1. 剪接剪接(splicing)2. 剪切剪切(cleavage) 3. 修饰修饰(modification) 4. 添加添加(addition) 一、真核生物一、真核生物mRNA的加工包括的加工包括 首、尾修饰和剪接首、尾修饰和剪接 （一）前体（一）前体mRNA在在5-末端加入末端加入“帽帽”结构结构 大多数真核大多数真核mRNA的的5-末端有末端有7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤 的帽结构。的帽结构。 这个真核这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种加工过程的起始步骤由两种 酶，酶，加帽酶加帽酶(capping enzyme)和和甲基转移酶甲基转移酶 (methyltransferase)催化完

29、成。催化完成。 n帽子结构：帽子结构： 5 pppGp 5 GpppGp pppG ppi 鸟苷酸鸟苷酸 转移酶转移酶 5 m7GpppGp 甲基转移酶甲基转移酶 SAM n帽子结构的生成过程：帽子结构的生成过程： 5 ppGp 磷酸酶磷酸酶 Pi n帽子结构的意义：帽子结构的意义： 可以使mRNA免遭核酸酶的攻击； 也能与帽结合蛋白质复合体(cap-binding complexofprotein)结合，并参与mRNA和核糖 体的结合，启动蛋白质的生物合成。 （二）前体（二）前体mRNA在在3端特异位点断裂并加上端特异位点断裂并加上 多聚腺苷酸尾多聚腺苷酸尾 1. hnRNA 和和 snRN

30、A 核内的初级核内的初级mRNA称为称为杂化核杂化核RNA (hetero- nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA) 核内的蛋白质核内的蛋白质 小分子核糖核酸蛋白体小分子核糖核酸蛋白体 （并接体（并接体, , splicesome） snRNA 尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。 polyA的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模 板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。 一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其polyA 长度为100至200个核苷酸之间，也有少数例外。 前体mRNA分子的断裂和加多聚腺苷酸尾是多步 骤过程。 AAUAAA

31、G/U53 Poly(A)信号信号Poly(A)位点位点 mRNA CPSF G/U53CPSF CFI,CFII,CStF CPSF CStF CFI CFII PAP CPSF CStF CFI CFII PAP ATP G/UP PPi CFII CFI CSt F 慢速多腺苷酸化慢速多腺苷酸化 PAB CPSFAAAAAAAAAAOHPAP ATP PPi PAB快速快速 多腺苷酸化多腺苷酸化 CPS F AAAAAAAAAA AAAAAAAAAA HOAAAAAAAAAA PAP CPSFAAAAAAAAAAOHPAP 真核生物结构基因，由若干个编码区和非真核生物结构基因，由若干个编

32、码区和非 编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非 编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成 的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。 断裂基因断裂基因(splite gene) CABD 编码区编码区 A、B、C、D 非编码区非编码区 2. 外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron) 外显子：外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出在断裂基因及其初级转录产物上出 现，并表达为成熟现，并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 内含子：内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过

33、程隔断基因的线性表达而在剪接过程 中被除去的核酸序列。中被除去的核酸序列。 鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白 基因基因 hnRNA 首、尾修饰首、尾修饰 hnRNA剪接剪接 成熟的成熟的mRNA 鸡鸡 卵卵 清清 蛋蛋 白白 基基 因因 及及 其其 转转 录、录、 转转 录录 后后 修修 饰饰 鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图 DNA mRNA 3. 内含子的分类内含子的分类 根据基因的类型和剪接的方式，通常把根据基因的类型和剪接的方式，通常把 内含子分为内含子分为4 4类：类： I I ：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物 的的 rRNA基因；基因； II II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA ； IIIIII：是常