第十章RNA的生物合成

1、第十章第十章RNARNA的生物合成的生物合成 学习目标学习目标 掌握：掌握：转录的概念；转录的不对称性；原转录的概念；转录的不对称性；原核生物核生物 RNA 聚合酶的组成和各亚基的功聚合酶的组成和各亚基的功能。能。 熟悉：熟悉： 熟悉真核生物熟悉真核生物RNA 聚合酶的类型聚合酶的类型与功能，结构基因、模板链和编码链的含与功能，结构基因、模板链和编码链的含义；几种义；几种RNARNA转录后加工修饰；核酶概念。转录后加工修饰；核酶概念。 了解：了解：转录的特点；转录的特点；RNA 转录过程。转录过程。& DNARNA 转录转录& RNARNA RNA复制复制RNA的生物合成的生物

2、合成两种方式两种方式存在于绝大多数生物体存在于绝大多数生物体存在于某些病毒体内存在于某些病毒体内一、转一、转 录录 概念概念 在在DNADNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶催化下，以催化下，以DNADNA的模板链为的模板链为模板模板，4 4种种NTPNTP为为原料原料，按，按碱基碱基配对规律配对规律( (T-A,A-U,G-C)T-A,A-U,G-C)合成一条合成一条与模板链与模板链互补的互补的RNARNA链的过程链的过程。 生物体以生物体以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程的过程 。 DNA DNA的遗传信息传递给的遗传信息传递给RNARNA的过程。的过程。 DNA 转

3、录转录RNA 反应体系反应体系： DNA模板模板, ,NTP, ,酶，酶，Mg2+,Mn2+， 合成方向合成方向5 533 。 连接方式连接方式-3,5-3,5磷酸二酯键磷酸二酯键 原料：原料： 四种磷酸核苷四种磷酸核苷NTP， DNA中的中的T在在RNA合成中变为合成中变为U。 合成过程合成过程: : 连续，方向：连续，方向：5353 合成部位：合成部位：细胞核内细胞核内5GCAGTACATGTC 33CGTCATGTACAG 55GCAGUACAUGUC 3NAla 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第一节第一节 参与转录的物质参与转录的

4、物质一、转录模板一、转录模板结构基因结构基因 ：能作为转录模板的：能作为转录模板的DNADNA区段。区段。 模板链模板链( (template strand) )有意义链有意义链 DNA双链中，能按碱基配对规律指引转录，双链中，能按碱基配对规律指引转录，生成生成RNARNA的一股单链。的一股单链。 编码链编码链( (coding strand) )反义链反义链 DNA双链中碱基序列与双链中碱基序列与RNA一致的一股链。一致的一股链。 由于基因分布于不同的由于基因分布于不同的DNA单链中，即某条单链中，即某条DNA单链对某个基因是模板链，而对另一个基因单链对某个基因是模板链，而对另一个基因则是编

5、码链。则是编码链。 反义核酸：反义核酸：以以编码链为模板编码链为模板合成的核酸，合成的核酸， 称为反称为反 义核酸（反义义核酸（反义RNA、反义、反义DNA）。序列与模）。序列与模 板链一致，能抑制板链一致，能抑制mRNA表达。表达。二、二、RNARNA聚合酶聚合酶定义：定义： 以以DNA为模板，催化三磷酸核苷（为模板，催化三磷酸核苷（NTP）聚）聚合形成合形成RNA的酶的酶 常称为转录酶。常称为转录酶。 全称为全称为 ：DNA依赖的依赖的 RNARNA聚合酶（聚合酶（DDRP）作用特点：作用特点： 1. 1. DNA为模板。为模板。 2. 2. 不需引物，不需引物，两游离两游离NTP或一游离

6、或一游离NTP与与RNA链聚合。链聚合。 3. 3. 3-OH与与5-P聚合形成磷酸二酯键。聚合形成磷酸二酯键。 4.4.方向：方向：53。一）原核生物的一）原核生物的RNARNA聚合酶聚合酶 组成：组成：RNARNA聚合酶由聚合酶由5 5个亚个亚基构成，基构成，22 为为全酶，全酶，22 为核心酶为核心酶 作用：作用：识别识别DNADNA分子中转分子中转录的起始部位。促进与模录的起始部位。促进与模板链结合，并使板链结合，并使DNADNA双链双链打开打开17bp17bp。催化。催化NTPNTP的聚的聚合，完成一条合，完成一条RNARNA链的聚链的聚合反应。识别转录终止信合反应。识别转录终止信号

7、，停止聚合反应，参与号，停止聚合反应，参与转录水平的调控转录水平的调控。全酶：转录起始全酶：转录起始2(核心酶核心酶) 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：能与能与DNADNA链链结合并启动转录，但结合并启动转录，但没有特异性，转录出没有特异性，转录出来的可能不是一个完来的可能不是一个完整的基因序列整的基因序列+因子因子2(全酶全酶)因子功能因子功能(1)(1)能帮助能帮助 DDRP识别终止信号并停止转录识别终止信号并停止转录

8、(2)(2)具有具有ATP酶和解链酶活性，使酶和解链酶活性，使RNA-DNA杂杂 化分子解链，从而释放转录产物化分子解链，从而释放转录产物RNA分子分子核心酶核心酶: :转录延长转录延长 原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶 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 能能二二) )真核真核RNARNA聚合酶聚合酶 真核较原核的酶复杂，已清楚的有真核较原核的酶复杂，已清楚的有RNA Pol,及及Mt四型四型 组成和功能：组成和功能：均由多亚基构成，聚合酶

9、均由多亚基构成，聚合酶主要负责主要负责mRNAmRNA的合成；的合成； Pol主要负主要负责责rRNArRNA的合成；的合成； Pol主要负责主要负责tRNAtRNA和和5srRNA的合成。的合成。 1. 1. 启动子（启动子（promoter） 确保转录精确而有效地起始的确保转录精确而有效地起始的DNADNA序列序列 是是RNARNA聚合酶与模板聚合酶与模板DNA结合的特定部结合的特定部位，是基因转录的开始部位。位，是基因转录的开始部位。两类两类DDRP DDRP 能直接识别的启动子能直接识别的启动子需蛋白质辅助因子的帮助，需蛋白质辅助因子的帮助，DDRP DDRP 才能识别的启动子才能识别

10、的启动子三、启动子及终止信号三、启动子及终止信号一般可分为：一般可分为：原核生物启动子的原核生物启动子的3 3个功能部位个功能部位 转录起始点转录起始点, , 常标以常标以+1+1，第，第1 1个核苷酸为嘌个核苷酸为嘌呤核苷酸呤核苷酸( (A或或G) )。上游或下游上游或下游, +, +或或- -表示表示 结合部位结合部位, , 长度为长度为7bp, , 位于位于-10bp处，有处，有一一共有序列共有序列(-TATAAT-) RNA聚合酶的识别部位聚合酶的识别部位, , 由约由约6bp, 位于位于 -35bp, 也有也有共有序列共有序列(-TTGACA-)编码链编码链 5 3 启动子启动子5

11、MeGPPPRNA产物产物原核生物启动子原核生物启动子转录起始部位转录起始部位+1基因转录区基因转录区-10-10区区TATAAT 结合部位结合部位TGTTGACA -35-35区区识别部位识别部位DNA模板链模板链 3 5 2. 2. 终止信号终止信号( (终止子终止子) ) DNA分子中决定分子中决定RNA聚合酶终止转录的特聚合酶终止转录的特定碱基序列。定碱基序列。 特点：特点：终止部位含终止部位含GC富集区与富集区与AT富集区富集区, ,它们分它们分别形成发卡结构和连续的别形成发卡结构和连续的U区，以终止转录。区，以终止转录。 蛋白蛋白因子辅助识别终止信号，参与终止。因子辅助识别终止信号

12、，参与终止。有反向重复序列有反向重复序列决定转录产物的回折形成决定转录产物的回折形成茎茎- -环环( (或称发夹或称发夹) )结构结构AT富集区富集区GC富集区富集区反向重复序列反向重复序列AT富集区富集区GC富集区富集区一般认为由终止子引导一般认为由终止子引导的转录终止是的转录终止是不依赖不依赖因子的因子的 四、四、 转录的特点转录的特点1. 1. 不对称性：不对称性：双链双链DNADNA分子中一条链转录分子中一条链转录时，另一条链不被转录，这一现象称为时，另一条链不被转录，这一现象称为不对称转录。不对称转录。2. 2. 连续性：连续性：RNARNA的转录不需要引物，从起的转录不需要引物，从

13、起始位点开始到终止位点为止，连续合成始位点开始到终止位点为止，连续合成RNARNA链。链。3. 3. 单向性：单向性：模板链的方向是模板链的方向是3535，聚，聚合时合时RNARNA链是沿链是沿5353方向延伸。方向延伸。4. 4. 有特定的起始和终止位点有特定的起始和终止位点第二节第二节 转录过程转录过程1转录的起始转录的起始2RNA链的延伸链的延伸3转录的终止转录的终止原核细胞的转录作用分三个阶段进行原核细胞的转录作用分三个阶段进行 ( (以大肠杆菌的转录为例）以大肠杆菌的转录为例）一、转录起始一、转录起始转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：RNARNA聚合酶必须准确地结合在转

14、录模聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。板的起始区域。1.1. DNADNA双链解开，使其中的一条链作为双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。转录的模板。 辨认起始位点辨认起始位点： 亚基辨认启动子的亚基辨认启动子的-35-35区，区，RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( ( 2 2) )与模板疏松结合。与模板疏松结合。 酶滑行到酶滑行到-10-10区，通过区，通过 亚基与模板牢固结合。亚基与模板牢固结合。 2. 2. DNA双链解开双链解开： RNA聚合酶挤入聚合酶挤入DNA双链中，解链长度约双链中，解链长度约 20 20个核苷酸，个核苷酸， 拓扑异构酶参与。拓扑异构酶参与。 转录起始过程：

15、转录起始过程：3. 3. 在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合聚合酶作用下发生第一次聚合 反应，反应，形成转录起始复合物形成转录起始复合物。RNApol ( 2) - DNA （启动子）（启动子）- 5pppGpN- OH 3 转录起始复合物：转录起始复合物： RNA聚合酶聚合酶- -DNA模板模板- -四磷酸二核苷酸四磷酸二核苷酸5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi1.RNA1.RNA聚合酶与启动子的结合聚合酶与启动子的结合（亚基辨认亚基辨认-35-35区）区）2.2.DNADNA双链的打开双链的打开RNA pol RNA pol （全酶移向（全酶

16、移向-10-10区区）3.3.RNARNA链上链上合成第一个合成第一个 磷酸二酯键磷酸二酯键5 -pppGpN-OH-3 亚基脱落亚基脱落（参与下一轮转录）（参与下一轮转录）由核心酶由核心酶( (2 ）催化链的延伸催化链的延伸二、转录延长二、转录延长1.1. 亚基脱落，亚基脱落，RNARNApolpol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着DNADNA模板前移；模板前移；2.2.核心酶核心酶沿模板链沿模板链3 3 55 方向移动，方向移动，RNARNA链链按按碱基配对规律碱基配对规律沿沿5 5 33 方向延伸方向延伸 ，NTPNTP不断不断聚合，聚合，RN

17、ARNA链不断延长。链不断延长。 新生新生RNARNA链与模板链形成杂化双链链与模板链形成杂化双链( (该杂化分该杂化分子结构不稳定，子结构不稳定，RNARNA链游离后，链游离后，DNADNA双链重新形成双链重新形成双螺旋结构双螺旋结构) ) 3.3.转录空泡的形成：转录空泡的形成：随随“转录泡转录泡”和和DDRPDDRP不断移不断移动动( (单链模板不断暴露单链模板不断暴露) )，转录连续不断地进行。，转录连续不断地进行。 转录空泡转录空泡(transcription bubble)： DNADNA解开的两条单链与解开的两条单链与RNARNA聚合酶及其转录产聚合酶及其转录产物物RNARNA构

18、成的转录复合物。构成的转录复合物。RNA-pol：40 bp以上；以上； 解链：解链：20 bp；RNA/DNA：12 bp。5 3 DNA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RNARNA聚合酶聚合酶三、转录终止三、转录终止 RNARNA聚合酶移到聚合酶移到DNADNA模板上终止信号时模板上终止信号时, ,酶酶不滑动，聚合停止不滑动，聚合停止, ,转录完成，转录产物转录完成，转录产物RNARNA链从转录复合物上脱落。链从转录复合物上脱落。 合成特点：合成特点：因子参与的终止：因子参与的终止：因子因子与与RNARNA产物中富含产物中富含C C的部位结合的部位结

19、合, ,并诱使并诱使RNARNA聚聚合酶构象改变停止滑动；合酶构象改变停止滑动； 因子的解螺因子的解螺旋酶活性旋酶活性, ,利于利于RNARNA产物的释放。产物的释放。因子因子机制：机制： 依赖依赖Rho ()Rho ()因子的转录终止因子的转录终止 非依赖非依赖RhoRho因子的转录终止因子的转录终止功能：功能：1.1.识别结合识别结合富含富含C C的的RNARNA链链2.ATPase2.ATPase活性活性3.3.解螺旋酶活性解螺旋酶活性1.1.依赖依赖 RhoRho因子的转录终止：因子的转录终止： 具有控制转录终止作用的蛋白质因子。具有控制转录终止作用的蛋白质因子。 机制：机制：RhoR

20、ho因子与因子与RNA3RNA3 -OH-OH的的poly Cpoly C结合，结合， 抑制聚合酶活性，激活解螺旋活性。抑制聚合酶活性，激活解螺旋活性。2. 2. 非依赖非依赖 RhoRho因子的转录终止：因子的转录终止： DNA DNA模板近终止处，有模板近终止处，有特殊的碱基序特殊的碱基序列列，转录出，转录出RNARNA产物产物形成特殊的结构形成特殊的结构终止终止转录。转录。 发夹结构：发夹结构：反向碱基互补序列。反向碱基互补序列。 末端末端PolyUPolyU：U:AU:A不稳定。不稳定。茎环结构终止转录的机理茎环结构终止转录的机理使使RNARNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停

21、顿；末端末端polyU polyU 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离， RNA RNA产物释放。产物释放。5 pppG5 3 3 5 RNA-pol复制和转录的区别复制和转录的区别相同点相同点: : DNA DNA 模板模板 依赖依赖DNADNA的聚合酶的聚合酶 碱基配对规律碱基配对规律 生成磷酸二酯键生成磷酸二酯键 链延长方向链延长方向5353复制和转录的不同点复制和转录的不同点 复复 制制 转转 录录 模板使用模板使用 两条全用、全部用完两条全用、全部用完 参与子代参与子代只用一条、只用一段只用一条、只用一段 反复使用反复使用合成原料合成原料 dATP dGTP dCTP dAT

22、P dGTP dCTP dTTP dTTP （dNTPdNTP）ATP GTP CTP UTPATP GTP CTP UTP (NTP)(NTP)合成酶类合成酶类 多酶催化多酶催化 DDDPDDDP单酶催化单酶催化 DDRPDDRP碱基互补碱基互补 A- A-T T、G-CG-CA-A-U U、T-AT-A、G-CG-C起始物质起始物质 RNARNA引物引物 3-OH3-OH全酶全酶-DNA-DNA复合物复合物合成方式合成方式 半保留复制半保留复制半不连续复制半不连续复制不对称转录不对称转录 连续进行连续进行 合成产物合成产物 子代双链子代双链DNA DNA mRNA tRNA rRNA mR

23、NA tRNA rRNA 第三节第三节 转录后的加工转录后的加工原核原核RNARNA不需加工，边转录边翻译不需加工，边转录边翻译真核真核RNA需要加工需要加工rRNAtRNAmRNA5 5 加帽加帽3 3 加尾加尾 剪接剪接在转录过程中在转录过程中转录后进行转录后进行一、一、mRNAmRNA的转录后加工的转录后加工 1. 5 1. 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构 ( (m7GpppGp) ) 7-7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤- -三磷酸鸟苷三磷酸鸟苷帽子结构的生成：帽子结构的生成：帽子结构的功能帽子结构的功能: : 核内生成核内生成, , 保护保护mRNAmRNA不被核酸外切不被核酸外切酶水解

24、。酶水解。 与翻译过程有关，与翻译过程有关，帽子结构结合蛋白帽子结构结合蛋白是翻译起始必需的是翻译起始必需的因子。因子。5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi5 GpppGppppG 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SAM5 pppGp2. 2. 3 3 - -末端末端 Poly A尾尾: : （长约（长约100-200bp100-200bp） 生成：生成：在核内修饰在核内修饰, , 与转录终止同时进行。与转录终止同时进行。 作用：作用：增加增加mRNAmRNA稳定性，维持翻译模板活性。稳定性，维持翻译模板活性。5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶

25、-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA 3. 3. mRNA的剪接的剪接 hnRNA被剪接体作用，剪除内含子、被剪接体作用，剪除内含子、连接外显子，产生成熟的连接外显子，产生成熟的mRNA的过程的过程 剪接剪接: :在细胞核内在细胞核内, hnRNA, hnRNA剪切掉内含子剪切掉内含子, ,将多将多个外显子连接为成熟个外显子连接为成熟mRNAmRNA的过程为剪接的过程为剪接 剪接的本质：剪接的本质：磷酸酯键的转移磷酸酯键的转移 剪接特点：剪接特点：剪接部位的结构为内含子末端的特剪接

26、部位的结构为内含子末端的特定序列，分布在内含子的三个部位，定序列，分布在内含子的三个部位，5 5 端剪切端剪切点为点为GUGU；3 3 端剪切点为端剪切点为AGAG；靠近；靠近3 3 端含端含A A序列的序列的分支点分支点外显子外显子内含子内含子DNAmRNA转录转录形成套索形成套索RNARNA，外显子靠近，外显子靠近剪接体剪接体去除套索去除套索RNARNA，外显子连接，外显子连接成熟成熟mRNAmRNAmRNAmRNA的剪接的剪接编码区和非编码区互相间隔编码区和非编码区互相间隔, ,又连续镶又连续镶嵌而成，这些基因称为断裂基因。嵌而成，这些基因称为断裂基因。 断裂基因断裂基因(splite

27、gene)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区 外显子外显子：（基因上的编码序列）（基因上的编码序列） 在断裂基因及其初级转录产物上出现，在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟并表达为成熟RNARNA的核酸序列。的核酸序列。 内含子：内含子：（基因上的非编码序列）（基因上的非编码序列） 在断裂基因及其初级转录产物上出现，而在在断裂基因及其初级转录产物上出现，而在剪接过程中被除去的核酸序列。剪接过程中被除去的核酸序列。4. 4. 碱基的修饰碱基的修饰 mRNAmRNA分子内含有少量稀有碱基，例如甲分子内含有少量稀有碱基，例如甲基化碱基是转录后经过甲基化修饰后形成。基化碱基

28、是转录后经过甲基化修饰后形成。二、二、tRNAtRNA转录后的加工转录后的加工 1.1.修剪和剪接修剪和剪接 5 5 - -端和端和3 3 - -端要通过修剪才能成熟。端要通过修剪才能成熟。 2. 2.添加添加CCACCA序列序列 tRNAtRNA必须有必须有3 3 -CCA-OH-CCA-OH末端才有活性。末端才有活性。 3. 3.碱基修饰碱基修饰 成熟的成熟的tRNAtRNA分子中包含许多修饰成分，分子中包含许多修饰成分， 而且不同的而且不同的tRNAtRNA修饰的内容和数目都不同。修饰的内容和数目都不同。 （1 1）甲基化）甲基化 如：如：A A A Am m （2 2）还原反应）还原反

29、应 如：如：U U DHU DHU （3 3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U U （4 4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A A I ItRNAtRNA的加工的加工内含子编码区内含子编码区内切核酸酶内切核酸酶外切核酸酶外切核酸酶P P P5 3 3 -OH 3 DNA内含子内含子初级转录物初级转录物3 3 端加端加CCA-OHCCA-OHP 除去内含子除去内含子（内切酶与连接酶（内切酶与连接酶）CCA-OH 3 成熟成熟 tRNA5 CCA-OH 3 内含子内含子 5 5 和和3 3 端的酶切端的酶切 3 3 加上加上CCACCA 去掉内含子去掉内含子 特异部位碱基的加工特异部位碱基的加工三、三、rRNArRNA转录后的加工转录后的加工1 1、剪切作用：、剪切作用： 需核酸酶参与，将前体切到一定长度。需核酸酶参与，将前体切到一定长度。 2 2、甲基化修饰：、甲基化修饰： 修饰在碱基上。修饰在碱基上。 3 3、自我剪接：、自我剪接： 一种核酶的作用。插入顺序一种核酶的作用。插入顺序 的去除，的去除，这是一个自我催化完成的过程。这是一个自我催化完成的过程。内含子内含子内含子