11RNA的生物合成一、转录-RNA的生物合成

1、 二、二、RNARNA的生物合成的生物合成 （一）模板和酶（一）模板和酶 （二）以（二）以 DNADNA为模板合成为模板合成 RNA RNA 的过程的过程 （三）以（三）以 RNARNA为模板合成为模板合成 RNA RNA 的过程的过程 （四）（四）RNA RNA 的转录后加工的转录后加工 （一）模板和酶（一）模板和酶 1.1.转录模板转录模板 2.RNA 2.RNA 聚合酶聚合酶 3.3.酶与模板的辨认结合酶与模板的辨认结合 1.1.转录模板转录模板 基因中双链基因中双链 DNA DNA 中仅有一股链被转录。中仅有一股链被转录。 把被转录的一股链称为把被转录的一股链称为模板链模板链（temp

2、late strandtemplate strand）或称或称反义链（反义链（anti-anti-sense strandsense strand），另一股链因与合成的另一股链因与合成的 RNA RNA 有相同的编码而称为有相同的编码而称为编码链（编码链（coding coding strandstrand）或称或称有意义链（有意义链（sense strandsense strand） 。 生成的生成的 mRNAmRNA与模板链是互补的，与编与模板链是互补的，与编码链完全相同，只是其中以码链完全相同，只是其中以 U U 代替了代替了 T T。 DNARNA肽转录翻译G C A G U A C

3、A U G U C53c g t c a t g t a c a g53G C A G T A C A T G T C53NCAlaValHisVal35 1.RNA 1.RNA 聚合酶聚合酶 （1 1）原核生物的）原核生物的 RNA RNA 聚合酶聚合酶 （2 2）真核生物的）真核生物的 RNA RNA 聚合酶聚合酶 RNA RNA 聚合酶催化底物合成时形成磷酸二酯键。聚合酶催化底物合成时形成磷酸二酯键。合成的方向是合成的方向是 5 533：即：即 RNA RNA 聚合酶是沿着模板聚合酶是沿着模板链的链的 3 5 3 5 方向移动。方向移动。 RNA RNA 聚合酶需要的条件：聚合酶需要的条

4、件： （1 1）模板）模板 双链双链 DNA DNA 或单链或单链 DNA DNA 均可作模板；均可作模板； （2 2）活化的底物）活化的底物 需要需要 4 4 种三磷酸的核苷酸，种三磷酸的核苷酸，ATPATP、GTPGTP、UTP UTP 及及 CTP CTP 为反应底物；为反应底物； （3 3）二价金属离子）二价金属离子 主要是主要是 MgMg2+ 2+ 和和 MnMn2+ 2+ 。 RNA RNA 聚合酶聚合酶 PPi由RNA聚合酶催化的链延长反应的机制RH OOHHHOH2C碱基HHOH OOHHHOH2C碱基HHOH OOHHH2C碱基HH-OPOOOR DNA板链模 DNA板链模O

5、-OOOP-POOOOPO-OH OOHHHOH2C碱基HH （1 1）原核生物的）原核生物的 RNA RNA 聚合酶聚合酶 大肠杆菌的大肠杆菌的 RNA RNA 聚合酶（聚合酶（ 450Ku 450Ku ）它它由由 4 4 种，种，5 5个亚基个亚基组成。组成。 整个酶的亚基组成整个酶的亚基组成是是2 2，称为称为 全酶全酶 。没有。没有亚基的亚基的 RNA RNA 聚合酶称为聚合酶称为核心核心酶酶。 全酶的作用全酶的作用是识别起始，而是识别起始，而核心酶的作用核心酶的作用是延长转录及辨认转录终止。是延长转录及辨认转录终止。 各亚基的作用各亚基的作用 亚基亚基 决定哪些基因被转录；决定哪些基

6、因被转录； 亚基亚基 与转录过程有关（催化）；与转录过程有关（催化）； 亚基亚基 结合结合 DNA DNA 模板（开链）；模板（开链）； 亚基亚基 辨认起始点，参与解开辨认起始点，参与解开 DNA DNA 双双链，找到模板链链，找到模板链。 （2 2）真核生物的）真核生物的 RNA RNA 聚合聚合酶酶 在真核生物中则有在真核生物中则有 3 3 种类型的种类型的 RNA RNA 聚合酶。聚合酶。 RNA RNA 聚合酶聚合酶: : 定位核仁，转录定位核仁，转录18S18S、5.8S 5.8S 和和 28S 28S rRNArRNA。 RNA RNA 聚合酶聚合酶: : 定位核原生质，转录定位核

7、原生质，转录 mRNA mRNA 前前体体和和 hnRNAhnRNA 。 RNA RNA 聚合酶聚合酶 : : 定位核原生质，转录定位核原生质，转录 tRNAtRNA 和和 5S RNA5S RNA。 RNA RNA 聚合酶含有聚合酶含有两个核苷酸两个核苷酸结合位点结合位点 起始部位起始部位 结合底物结合底物 ATP ATP 或或 GTP GTP ，所以被转录的模板所以被转录的模板 DNA DNA 第一个碱基通常第一个碱基通常是是TTPTTP（胸腺嘧啶）。转录与复制不同，胸腺嘧啶）。转录与复制不同，不需要引物不需要引物，因而，因而合成的合成的 RNA RNA 第一个核第一个核苷酸常常是苷酸常常

8、是 5pppA 5pppA 或或 5pppG5pppG。 延伸部位延伸部位 结合下一个核苷酸底物。结合下一个核苷酸底物。 酶与模板的辨认结合酶与模板的辨认结合 转录是转录是不连续、分区段不连续、分区段进行的。进行的。每一转每一转录区段可视为录区段可视为一个一个转录单位转录单位，包括若干个包括若干个结构基因结构基因及其上游及其上游（upstreamupstream）的的调控序调控序列。列。 RNA RNA 聚合酶结合到特异聚合酶结合到特异 DNA DNA 序列上序列上（调控序列中，称为（调控序列中，称为启动子，启动子，promoterpromoter）。）。 转录起始时，转录起始时， RNA R

9、NA 聚合酶结合在被转录聚合酶结合在被转录的的 DNA DNA 区段上，结合的特定部位称为区段上，结合的特定部位称为启动子（启动子（promoterpromoter）。它是它是 20 20 至至 200 200 个碱基的特定顺序。个碱基的特定顺序。 通常将通常将 DNADNA上被转录的第一个碱基以十上被转录的第一个碱基以十1 1 代代表；第二个为表；第二个为 十十2 2 。十。十1 1 之前的碱基为之前的碱基为 1 1 ，第，第二个为二个为-2-2，。启动子的位置启动子的位置在被转录碱基之前所在被转录碱基之前所以顺序号均为负。以顺序号均为负。习惯上也将习惯上也将 + +1 1 以下的转录方向以

10、下的转录方向称称“下游下游”，-1 -1 以上称以上称“上游上游”，启动子在，启动子在转录转录单位单位的上游区。的上游区。 启启 动动 子子 原核生物的启动子原核生物的启动子 存在两个共同的顺序：存在两个共同的顺序： -10 -10 顺序顺序 也称为也称为 PribnowPribnow 顺序顺序（pribnowpribnow box box）, ,基本顺序：基本顺序：TATAATGTATAATG。被看被看作作是双螺旋打开是双螺旋打开, ,形成启动复合物的区域形成启动复合物的区域。 -35 -35 顺序顺序 被认为被认为是是酶结合的起始部位酶结合的起始部位。 RNA RNA popo与与 35

11、35 区辨认结合后，酶向下区辨认结合后，酶向下游移动，到达游移动，到达 10 10 区，酶已跨入了区，酶已跨入了转录起始转录起始点点，形成相对稳定的，形成相对稳定的酶酶DNADNA复合物复合物，就可以，就可以开始转录。开始转录。DNARNA 产物PPP5531+区-10区35-转录起始点基因转录区启动子无义链 编码链( )5有义链 模板链( )3TATAATTTGACA 反义链（模板链）35 有意义链（编码链）53A原核生物启动子模式图原核生物启动子模式图 存在两个共同的顺序：存在两个共同的顺序： -25 -25 区区 有有 TATA TATA 盒盒，又称为，又称为 HognessHognes

12、s盒盒，基本上都由基本上都由A A、T T 碱基所组成，其碱基所组成，其功能功能与聚合酶与聚合酶的定位有关的定位有关，DNA DNA 双链在此解开，并双链在此解开，并决定转录的决定转录的起始位点起始位点。 - 7 5- 7 5 区区 有有 C A A TC A A T 盒盒 ， 其 一 致 的 序 列 为， 其 一 致 的 序 列 为GGTCAATCTGGTCAATCT，CAAT CAAT 盒盒与转录的起始频率有关与转录的起始频率有关。 除启动子外，真核生物基因组中还有一个称除启动子外，真核生物基因组中还有一个称为为增强子增强子（enhancerenhancer）的序列，它能极大地促进的序列，

13、它能极大地促进启动子的转录活性启动子的转录活性。 真核生物的启动子真核生物的启动子 DNA转录起始点启动子基因转录区53区11040-区-25真核生物启动子模式图Hogness 能在能在很远距离很远距离（大于（大于几几kb）对启动子产生影响；对启动子产生影响； 无论位于启动子无论位于启动子上游或下游都能发挥作用上游或下游都能发挥作用。 增强子作用的主要特点增强子作用的主要特点（二）以（二）以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程的过程 1.1.原核生物的转录原核生物的转录 2.2.真核生物的转录真核生物的转录 （1 1）转录起始）转录起始 当当 RNA RNA 聚合酶聚合酶的的亚基

14、亚基找到其找到其识别位点识别位点时，时，全酶就与启动子的全酶就与启动子的-35 -35 区序列结合形成一个区序列结合形成一个封闭封闭的启动子复合物的启动子复合物。在这一区段，酶与模板的结合。在这一区段，酶与模板的结合很松弛，酶随即移向很松弛，酶随即移向-10 -10 区，并跨入了区，并跨入了转录起始转录起始点点，形成，形成开放的启动子复合物开放的启动子复合物。底物底物 ATP ATP 或或 GTP GTP 与与RNA RNA 聚合酶聚合酶起始部位起始部位结合结合，延伸部位延伸部位结合结合下一个核苷酸。下一个核苷酸。生成第一个磷酸酯键之后，生成第一个磷酸酯键之后，因因子从全酶解离下来，核心酶在子

15、从全酶解离下来，核心酶在 DNA DNA 链上向下游链上向下游滑动，进入滑动，进入延长阶段延长阶段。 1. 原核生物的转录原核生物的转录 （2 2）转录延长）转录延长 转录延长的化学反应，在原核生物和真转录延长的化学反应，在原核生物和真核生物之间没有太多的区别，只是核生物之间没有太多的区别，只是催化的催化的 RNA RNA 聚合酶不同聚合酶不同。转录的延长在转录的延长在“转录泡转录泡”上进行，上进行，转录泡转录泡 （transcription transcription bubblebubble）是一个是一个含有核心酶、含有核心酶、DNA DNA 和新生和新生 RNA RNA 的区域的区域，在

16、这个区域里含有一段解链，在这个区域里含有一段解链的的 DNA DNA “泡泡”。在转录泡里，杂交链中生。在转录泡里，杂交链中生成的成的 RNA 3-OH RNA 3-OH 不断结合新进来的核糖不断结合新进来的核糖核苷三磷酸，使链不断延长。核苷三磷酸，使链不断延长。转录示意图转录示意图(1)(1)恢复螺旋恢复螺旋解螺旋解螺旋转录示意图转录示意图(2)(2)编码链编码链模板链模板链 转录时，转录时，DNA DNA 双链中约有双链中约有 17 17 个个 bpbp 被解被解开开。原核生物原核生物延长速率大约是延长速率大约是每秒钟每秒钟 50 50 个核个核苷酸，转录泡移动苷酸，转录泡移动 170nm

17、 170nm 的距离的距离。在。在“泡泡”里里新合成的新合成的 RNA RNA 与模板与模板 DNA DNA 链形成一链形成一杂交的双杂交的双螺旋螺旋，此段双螺旋长约，此段双螺旋长约 12 12 bpbp。 在在 RNA RNA 聚合酶沿着聚合酶沿着 DNA DNA 模板移动的整个过模板移动的整个过程中形成的程中形成的 RNA-DNA RNA-DNA 杂交链杂交链的长度的长度及及 DNA DNA 未未解开的区域长度均保持不变解开的区域长度均保持不变。这表明。这表明：在在 RNA RNA 聚合酶后面的聚合酶后面的 DNA DNA 重新形成螺旋的速率和前面重新形成螺旋的速率和前面螺旋被酶解开的速率

18、是一样的。螺旋被酶解开的速率是一样的。 RNA RNA 聚合酶聚合酶没有没有核酸外切酶活性核酸外切酶活性，不能对进，不能对进入入RNA RNA 链的核苷酸进行校正，所以链的核苷酸进行校正，所以转录的错误转录的错误频率是每频率是每 10104 4 或或 10105 5 中有中有 1 1 个错误，是个错误，是 DNA DNA 复制中错误的复制中错误的 10105 5 倍。倍。这种准确性虽较这种准确性虽较 DNA DNA 复制低，但由于复制低，但由于 RNA RNA 转录产物很多，极少数有转录产物很多，极少数有缺陷的转录产物不会产生有害的影响。缺陷的转录产物不会产生有害的影响。 转录的错误频率转录的

19、错误频率 说明在说明在同一同一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。在。在RNA链上链上观察到的小黑点是多聚核糖体观察到的小黑点是多聚核糖体，即一条，即一条mRNA链连上多个核糖体，链连上多个核糖体，可见可见转录尚未完成，翻译已在进行转录尚未完成，翻译已在进行。真核生物有核膜把转录和翻译真核生物有核膜把转录和翻译隔成不同的细胞内区间，因此没有这种现象隔成不同的细胞内区间，因此没有这种现象。 在电子显微镜下观察原核生物的转录现象在电子显微镜下观察原核生物的转录现象DNA双链双链正在生长的正在生长的RNA链链 （3 3）转录终止）转录终止 RNA RNA 聚合酶聚合酶，遇

20、到，遇到 DNA DNA 中的中的转录终止转录终止信号信号终止终止子（子（terminatorterminator）时，时，RNARNA聚合聚合酶不再前进，转录产物酶不再前进，转录产物 RNA RNA 链从转录复合链从转录复合物上脱落下来，就是物上脱落下来，就是转录终止转录终止。 其一其一：是：是富含富含 GC GC ，转录产物极易形成转录产物极易形成二重对称性结构二重对称性结构； 其二其二：是紧接：是紧接 GC GC 之后有一串之后有一串 A A（大约大约6 6个）。个）。 因此，因此，按此模板按此模板转录出来的转录出来的 RNA RNA 以几以几个个 U U 残基而结束，极易自身互补，形成

21、残基而结束，极易自身互补，形成发夹状结构发夹状结构。该结构可使。该结构可使 RNARNA聚合酶聚合酶减慢减慢移动或暂停移动或暂停 RNA RNA 的合成。的合成。 原核生物模板终止子的显著特点原核生物模板终止子的显著特点模板链模板链编码链编码链A.B. 2.2.真核生物的转录真核生物的转录 上游上游 DNA DNA 序列，统称为序列，统称为顺式作用元件顺式作用元件。 能直接或间接辨认、结合转录上游区段能直接或间接辨认、结合转录上游区段 DNADNA的蛋白质，统称为的蛋白质，统称为反式作用因子反式作用因子。 转录因子转录因子 真核生物转录真核生物转录往往需要多种蛋白往往需要多种蛋白因子的协助，这

22、些蛋白因子统称为因子的协助，这些蛋白因子统称为转录因子转录因子，它，它们与们与 RNARNA聚合酶聚合酶形成形成转录起始复合物转录起始复合物，共同参，共同参与转录起始的过程。与转录起始的过程。 （1）转录起始）转录起始 （2 2）转录终止）转录终止 目前，真核生物转录终止过程仍不清楚目前，真核生物转录终止过程仍不清楚。转录示意图（转录示意图（1 1） 转录泡转录泡恢复螺旋恢复螺旋解螺旋解螺旋转录示意图转录示意图(2)(2)编码链编码链模板链模板链（三）以（三）以RNARNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程的过程 在有些生物中在有些生物中，RNA RNA 可以是遗传信息可以是遗传信息的基本

23、携带者，并能通过自我复制合成出的基本携带者，并能通过自我复制合成出与其自身相同的分子。如某些与其自身相同的分子。如某些 RNA RNA 病毒病毒，（ + + 链链 - - 链链 + + 链链RNARNA复制产物，复制产物，具有感染作用具有感染作用 ）正常兔的网织红细胞也）正常兔的网织红细胞也存在一种存在一种 RNA RNA 复制酶复制酶。 （四）四）RNARNA的转录后加工的转录后加工 1.mRNA 1.mRNA 的的转录后加工转录后加工 2.tRNA 2.tRNA 的的转录后加工转录后加工 3.rRNA 3.rRNA 的的转录后加工转录后加工 4.4.核酶核酶 在一些病毒中存在基因重叠的现象

24、。在一些病毒中存在基因重叠的现象。A 基因BCDEJFGHK 基基 因因 重重 叠叠 真核生物真核生物许多基因是不连续的，或称许多基因是不连续的，或称断列基断列基因（因（split genesplit gene），即一个完整的基因被一个即一个完整的基因被一个或多个插入的片段所间隔。这些插入片段可有几或多个插入的片段所间隔。这些插入片段可有几百乃至上千个碱基，它们不编码任何蛋白质分子百乃至上千个碱基，它们不编码任何蛋白质分子或成熟的或成熟的 RNARNA。把这些插入而不编码的序列称为把这些插入而不编码的序列称为内含子内含子（intronintron），而而把被间隔的编码蛋白质的把被间隔的编码蛋白

25、质的基因部分称为基因部分称为外显子（外显子（extronextron）。 不连续基因不连续基因 DNA DNA 的转录所转录的基因信息包括的转录所转录的基因信息包括内含内含子子和和外显子外显子部分。部分。 因而因而转录出来的所有转录出来的所有 RNA RNA 都必须经过都必须经过加工，除去其中的内含子，并经复杂的修加工，除去其中的内含子，并经复杂的修饰才能成为成熟的各种饰才能成为成熟的各种 RNARNA，如其中的如其中的 mRNA mRNA 成熟后才能成为合成蛋白质的模板。成熟后才能成为合成蛋白质的模板。 1.mRNA1.mRNA的转录后加工的转录后加工 （1 1）原核生物原核生物 mRNA

26、mRNA 的的转录后加工转录后加工 （2 2）真核生物真核生物 mRNA mRNA 的转录后加工的转录后加工 原核生物原核生物的的 mRNA mRNA 通常不用修饰，因通常不用修饰，因生成的生成的 mRNA mRNA 高度不稳定高度不稳定，当，当 mRNA mRNA 的的 3 3 末端合成尚未完成末端合成尚未完成时，时， 5 5 末端已经开末端已经开始降解。就是说始降解。就是说 mRNA mRNA 的转录和翻译是同的转录和翻译是同步发生步发生的的，mRNA mRNA 仅仅合成一部分时，翻仅仅合成一部分时，翻译就开始了。译就开始了。 （1 1）原核生物）原核生物 mRNA mRNA 的转录后加工

27、的转录后加工 （2 2）真核生物的）真核生物的mRNAmRNA的转录后加工的转录后加工 真核生物真核生物的的 mRNA mRNA 的转录后，先加上的转录后，先加上“帽子帽子”和接上和接上“尾巴尾巴”，后除去，后除去内含子内含子。 真核生物真核生物 mRNA mRNA 前体物的剪切加工，前体物的剪切加工，包括内含子的剪除、留下的片段拼接为成包括内含子的剪除、留下的片段拼接为成熟熟 mRNA mRNA 等过程，故称为等过程，故称为 RNA RNA 剪接剪接（RNA RNA splicingsplicing）。 整个剪接过程完成后，整个剪接过程完成后，5 5 端的端的“帽帽子子”和和 3 3 端的端

28、的“尾巴尾巴”并不丢失并不丢失。真核生物真核生物mRNA前体的剪接过程前体的剪接过程 2.tRNA2.tRNA的转录后加工的转录后加工 （1 1）原核生物的）原核生物的 tRNAtRNA转录后加工转录后加工 （2 2）真核生物的）真核生物的 tRNAtRNA转录后加工转录后加工 原核生物原核生物 tRNA 的成熟过程较为复杂，包括的成熟过程较为复杂，包括切割切割与与核苷酸的修饰核苷酸的修饰。多数多数 tRNA 的前体约比成的前体约比成熟分子大熟分子大 20，在，在 5 和和 3 端都含有多余的顺序。有些端都含有多余的顺序。有些 tRNA 基因的转录前体很大，它包含两基因的转录前体很大，它包含两

29、个或更多的由内含子分隔的个或更多的由内含子分隔的 tRNA 顺序。顺序。有些有些 tRNA 前体在前体在 3 端没有端没有 CCA 基，在成熟过程中需基，在成熟过程中需要加一个要加一个 CCA（氨基酸结合部位）。氨基酸结合部位）。所有所有 tRNA 分子中都含有百分率很高的所谓分子中都含有百分率很高的所谓“稀有碱基稀有碱基”，这些稀有碱基的形成是在转录后与切割同时完成的。这些稀有碱基的形成是在转录后与切割同时完成的。 （1 1）原核生物的）原核生物的 tRNAtRNA转录后加工转录后加工 （2 2）真核生物）真核生物的的 tRNAtRNA 转录后加工转录后加工 3.rRNA3.rRNA的转录后

30、加工的转录后加工 （1 1）原核生物的）原核生物的 rRNArRNA 转录后加工转录后加工 （2 2）真核生物的）真核生物的 rRNArRNA 转录后加工转录后加工 大肠杆菌大肠杆菌的的 rRNArRNA 是是由由 3 3 种种 rRNArRNA 丛集在丛集在一起形成一个转录单位一起形成一个转录单位，彼此由间隙区（内含彼此由间隙区（内含子）分隔开来子）分隔开来。 现在证明，在现在证明，在间隙区中还存在着间隙区中还存在着 tRNAtRNA。这些这些 rRNArRNA 和和 tRNAtRNA 基因同时转录，形成一个长的基因同时转录，形成一个长的RNA RNA 分子分子。在原核生物中，在原核生物中，

31、加工修饰与转录是加工修饰与转录是同时进行的，因此在细胞内从来不存在完整的同时进行的，因此在细胞内从来不存在完整的前体分子前体分子。 （1 1）原核生物的）原核生物的 rRNArRNA 转录后加工转录后加工 原核原核 rRNArRNA 前前体的加工体的加工甲基化甲基化6500个核苷酸个核苷酸核酸内切酶核酸内切酶RNase、P核酸外切酶核酸外切酶 在典型的在典型的动物细胞，动物细胞，核仁之中核仁之中有一段几百个有一段几百个拷贝的拷贝的 DNA DNA 顺序（顺序（ 核糖体核糖体 DNA DNA 或或 rDNArDNA ）编编码码 18s18s、5.8s 5.8s 和和 28s 28s rRNArR

32、NA 分子分子。5s 5s rRNArRNA 基基因位于因位于核仁之外核仁之外，处在另一个转录单位中，基因，处在另一个转录单位中，基因长长 24 000 24 000 个拷贝。个拷贝。 所有的所有的 rRNArRNA 转录物都需要加工，过程与原转录物都需要加工，过程与原核相似，即剪切核相似，即剪切 5 5 和和 3 3 末端和切除转录物中末端和切除转录物中不需要的区域。不需要的区域。 （2 2）真核生物的）真核生物的 rRNArRNA 转录后加工转录后加工 真核真核rRNArRNA前体的加工前体的加工 4.4.核核 酶酶 概念概念 把有酶促活性的把有酶促活性的 RNA RNA 命名为命名为核酶核酶（ribozymeribozyme）。）。 发现发现 1982 1982 年塞年塞克（克（T TCechCech）及其同及其同事发现事发现四膜虫四膜虫 rRNArRNA 的前体长的前体长4.6kb4.6kb，必须必须除去一段除去一段 414bp 414bp 的内含子，才能产生成熟的内含子，才能产生成熟的的 26s 26s rRNArRNA 。只