生物化学 第十六 RNA的生物合成

1、目目 录录RNA的生物合成的生物合成（转录转录）RNA Biosynthesis, Transcription目目 录录目目 录录转录转录 (transcription) 生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 。 转录转录RNADNA 目目 录录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配配对对mRNA，tRNA，rRNA子子代代双双链链DNA（半半保保留留复复制制）产产物物RNA聚聚合合酶酶（RNA-pol）DNA聚聚合合酶酶酶酶NTPdNTP原原料料模模板板链链转转录录（不不对对称称转转录录）两两股股链链均均复复制制模模板板转转录录复复制

2、制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配配对对mRNA，tRNA，rRNA子子代代双双链链DNA（半半保保留留复复制制）产产物物RNA聚聚合合酶酶（RNA-pol）DNA聚聚合合酶酶酶酶NTPdNTP原原料料模模板板链链转转录录（不不对对称称转转录录）两两股股链链均均复复制制模模板板转转录录复复制制目目 录录参与转录的物质参与转录的物质原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板: : 单链单链 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目目 录录模板和酶模板和酶Templates and E

3、nzymes第一节第一节目目 录录目目 录录5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 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目目 录录5 5 3 3 3 3 5 5 模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目目 录录不对称转录含义不对称转录含义 在在DNA分子双链上某一区段，一股链分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录用作模板指引转录，另一股链不转录 模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非

4、永远在同一条单链上。目目 录录 （一）原核生物的（一）原核生物的RNA聚合酶聚合酶目目 录录目目 录录 36512 决决定定哪哪些些基基因因被被转转录录 150618 催催化化功功能能 155613 结结合合DNA模模板板 70263 辨辨认认起起始始点点亚亚基基分分子子量量功功 能能原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶目目 录录RNARNA聚合酶的特点：聚合酶的特点：1 1、反应底物：、反应底物：NTPNTP，DNADNA为模板、为模板、Mg2+Mg2+促进聚合促进聚合反应。反应。 RNARNA聚合酶不需要引物，合成方向聚合酶不需要引物，合成方向5 53 3 。2 2、真核生物与原核生物的

5、、真核生物与原核生物的RNARNA聚合酶结构不同。聚合酶结构不同。3 3、利福平利福平抑制原核生物抑制原核生物RNARNA聚合酶活性；聚合酶活性； -鹅鹅膏蕈碱膏蕈碱 抑制真核生物抑制真核生物RNARNA聚合酶活性。聚合酶活性。目目 录录核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 目目 录录RNA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 目目 录录（二）真核生物的（二）真核生物的RNA聚合酶聚合酶 种种 类类对对 鹅鹅 膏膏 蕈蕈 碱碱的的 反反 应应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐耐 受受极极 敏敏 感感中中 度度

6、敏敏 感感转转 录录 产产 物物目目 录录u 真核细胞的真核细胞的RNARNA聚合酶聚合酶酶类分布产物-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱对酶的作用对酶的作用分子量反应条件I核仁核质核质rRNA5.8SrRNA18SrRNA28SrRNAmRNAtRNA 5SrRNA不抑制低浓度抑制高浓度抑制500 000700 000700 000_低离子强度,要求Mg2+或Mn2+高离子强度高Mn2+浓度目目 录录三、模板与酶的辨认、结合三、模板与酶的辨认、结合原核生物一个转录单位可视为一个转录单原核生物一个转录单位可视为一个转录单位，称为位，称为操纵子操纵子(operon)，包括若干个，包括若干个结构基因结构基因及其上游

7、及其上游(upstream)的的调控序列调控序列。 5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-pol与与RNA聚合酶结合启动基因转录的聚合酶结合启动基因转录的DNA序序列，称为列，称为启动子启动子(promoter)。目目 录录目目 录录开始转录开始转录T T G A C AA 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 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动子保守序列原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site) 5 5 RNA聚

8、合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 目目 录录 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列目目 录录转录过程转录过程The Process of Transcription 第二节第二节 目目 录录目目 录录（一）转录起始（一）转录起始1. RNA聚合酶必须准确地结合在转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。2. DNA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。一、原核生物的转录过程一

9、、原核生物的转录过程转录起始需解决的问题：转录起始需解决的问题：2. DNA双链解开双链解开1. RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)与模板结合与模板结合 3. 在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物形成转录起始复合物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转录起始过程转录起始过程目目 录录（1 1）起始位点的识别）起始位点的识别 RNARNA的合成不需要引物的合成不需要引物。体外实验证明，不含。体外实验证明

10、，不含亚基的核亚基的核心酶会随机地在一个基因的两条链上启动，当有心酶会随机地在一个基因的两条链上启动，当有亚基时就会亚基时就会选择正确的起点。选择正确的起点。 亚基起着识别亚基起着识别DNADNA分子上的起始信号分子上的起始信号（启（启动子动子指指RNARNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNADNA序列）序列）的作用。启动子的结构至少由三部分组成：的作用。启动子的结构至少由三部分组成：-35-35序列提供了序列提供了RNARNA聚合酶全酶识别的信号；聚合酶全酶识别的信号；-10-10序列是酶的紧密结合位点（富含序列是酶的紧密结合位点（富含ATAT碱基，利于双

11、链打开）；第三部分是碱基，利于双链打开）；第三部分是RNARNA合成的起始点。合成的起始点。AACTGTATATTATTGACATATAAT+1转录起始点转录起始点5335 35序列序列 Sextama 框框 10序列序列Pribnow框框目目 录录（2 2）转录起始）转录起始 RNARNA聚合酶全酶扫描解链区，找到起始点，然后结合聚合酶全酶扫描解链区，找到起始点，然后结合第一个核苷三磷酸。加入的第一个核苷三磷酸常是第一个核苷三磷酸。加入的第一个核苷三磷酸常是GTPGTP或或ATPATP，很少是，很少是CTPCTP，不用，不用UTPUTP。所形成的。所形成的启动子、全酶和核启动子、全酶和核苷三

12、磷酸复合物称为三元起始复合物苷三磷酸复合物称为三元起始复合物，第一个核苷三磷，第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点，酸一旦掺入到转录起始点， 亚基就会被释放脱离核心亚基就会被释放脱离核心酶。酶。 因子仅与起始因子仅与起始有关，有关，RNARNA的合的合成一旦开始成一旦开始，便被释放便被释放 E-35-10pppG或pppA55553333模板链模板链目目 录录（二）转录延长（二）转录延长1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变聚合酶核心酶变构，沿着构，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链不断延长。链不断延长。(NM

13、P) n + NTP (NMP) n+1 + PPi目目 录录目目 录录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聚合酶聚合酶目目 录录（三）转录终止（三）转录终止指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿下模板上停顿下来不再前进，转录产物来不再前进，转录产物RNA链从转录复链从转录复合物上脱落下来。合物上脱落下来。 分类分类目目 录录转录终止转录终止 在在DNADNA分子上（基因末端）提供转录停止信号的分子上（基因末端）提供转录停止信号的DNADNA序列序列称为终止子（称为终止子（terminators),terminators),它能

14、使它能使RNARNA聚合酶停止合成聚合酶停止合成RNARNA并释放出并释放出RNARNA。 需要需要因子（因子（终止因子终止因子，协助，协助RNARNA聚合酶识别终止聚合酶识别终止信号）帮助，信号）帮助， 因子能与因子能与RNARNA聚合酶结合但不是聚合酶结合但不是酶的组分，它的作用是阻止酶的组分，它的作用是阻止RNARNA聚合酶向前移动，聚合酶向前移动，于是转录终止，并释放出已转录完成的于是转录终止，并释放出已转录完成的RNARNA链。链。不依赖于不依赖于因子。强终止子序列有两个明显的因子。强终止子序列有两个明显的特征：（特征：（ 1 1 ）在终止点之前具有一段富含）在终止点之前具有一段富含

15、G-CG-C的回文区域。（的回文区域。（2 2）富含）富含G-CG-C的区域之后是一连的区域之后是一连串的串的dAdA碱基序列，它们转录的碱基序列，它们转录的RNARNA链的末端为一链的末端为一连串连串U U（连续（连续6 6个）个）。弱终止子弱终止子：缺少回文结构缺少回文结构强终止子强终止子：有回文结构有回文结构目目 录录A T P1. 依赖依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止目目 录录2. 非依赖非依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止DNA模板上靠近终止区，有些特殊模板上靠近终止区，有些特殊的碱基序列，转录出的碱基序列，转录出RNA后，后，RNA产物产物形成特殊的结构来终止转录。形

16、成特殊的结构来终止转录。目目 录录5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3茎环茎环(stem-loop)/发夹发夹

17、(hairpin)结构结构目目 录录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，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 pppG5 3 3 5 RNA-pol目目 录录新合成的新合成的RNARNA分子中分子中典型的回文结构（发夹结构）典型的回文结构（发夹结构）目目 录录目目 录录目目 录录二、真核生物的转录二、真核生物的转录（一）转录起始（一）转录起始转录起始时，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板。不直接结合模板。目目 录录转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增强子增强子顺式

18、作用元件顺式作用元件(cis-acting element)1. 转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 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八聚体八聚体目目 录录反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors)：能能直接或间接辨认、结合顺式作用元件并反直接或间接辨认、结合顺式作用元件并反式激活另一基因转录的蛋白质，统称为式激活另一基因转录的蛋白质，统称为反反式作用因子式作用因子。 目目 录录2. 转录因子转录因子 反式作用因子中，直接或间接结合反式作用因

19、子中，直接或间接结合R N A 聚 合 酶 的 ， 则 称 为聚 合 酶 的 ， 则 称 为 转 录 因 子转 录 因 子(transcriptional factors, TF)。 目目 录录 锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒目目 录录ZnCysHis目目 录录参与参与RNA-pol转录的转录的TF 蛋蛋白白激激酶酶活活性性，使使CTD磷磷酸酸化化TFHATPase57（ ） 34（ ）TFE解解螺螺旋旋酶酶30，74TFF促促进进RNA-pol结结合合及及作作为为其其他他因因子子结结合合的的桥桥梁梁33TFB稳稳定定TFD-DNA复复合合物物12，

20、19，35TFA辅辅助助TBP-DNA结结合合TAF*结结合合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亚亚基基组组成成，分分子子量量(kD)转转录录因因子子蛋蛋白白激激酶酶活活性性，使使CTD磷磷酸酸化化TFHATPase57（ ） 34（ ）TFE解解螺螺旋旋酶酶30，74TFF促促进进RNA-pol结结合合及及作作为为其其他他因因子子结结合合的的桥桥梁梁33TFB稳稳定定TFD-DNA复复合合物物12，19，35TFA辅辅助助TBP-DNA结结合合TAF*结结合合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亚亚基基组组成成，分分子子量量(kD)转转录录因因子子目目 录录3. 转录起始前复合物转

21、录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC) 真核生物真核生物RNA-pol不与不与DNA分子直分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。接结合，而需依靠众多的转录因子。 目目 录录POL-TFFAB由由RNA-Pol 催化转录的催化转录的PIC Pol-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化目目 录录4. 拼板理论拼板理论(piecing theory) 一个真核生物基因的转录需要一个真核生物基因的转录需要3至至5个个转录因子。转录因子之间互相结合，生

22、转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与成有活性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。录相应的基因。 目目 录录（二）转录延长（二）转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大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，没有转录与翻致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。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转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。位和解聚现象。 目目 录录RNA-PolRNA-PolRNA-P

23、ol核小体核小体转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目目 录录5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-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（三）转录终止（三）转录终止 和转录后修饰密切相关和转录后修饰密切相关目目 录录真核生物的转录后修饰真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification第三节第三节目目 录录一、真核生物一、真核生物mRNA的转录后加工的转录后加工（一）首、尾的修饰（一）首、尾的修饰 5 端形成

24、端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppGp ) 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)目目 录录目目 录录5 pppG5 GpppGpppG pi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5 m7GpppG甲基转移酶甲基转移酶SAM帽帽子子结结构构的的生生成成5 pG磷酸酶磷酸酶 PPi目目 录录目目 录录（二）（二）mRNA的剪接的剪接1. hnRNA 和和 snRNA 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蛋白体小分子

25、核糖核蛋白体（snRNPsnRNP）snRNA目目 录录真核生物结构基因，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非编码区非编码区目目 录录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

26、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DNAmRNA目目 录录目目 录录3. 3. 内含子的分类内含子的分类 根据基因根据基因类型类型和和剪接方式剪接方式，内含子分，内含子分4 4类：类： I I： 线粒体、叶绿体及低等真核生物

27、线粒体、叶绿体及低等真核生物rRNA基因基因；II II： 线粒体、叶绿体线粒体、叶绿体mRNA基因基因； IIIIII：是常见的形成套索结构后剪接，大多数是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA 基因基因有此类内含子；有此类内含子； IVIV：tRNA基因基因，剪接过程需酶及，剪接过程需酶及ATP。4. mRNA的剪接的剪接 除去除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。中的内含子，将外显子连接。 snRNP与与hnRNA结合成为结合成为剪接体剪接体目目 录录UACUACA - AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA - AGUGU6E1E2U1、U4、U5目目 录录pG-OH(

28、ppG-OH, pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第一次转酯反应第二次转酯反应第二次转酯反应UpAGpU外显子外显子1内含子内含子外显子外显子2G-OHUpUpGpA剪接过程的二次转酯反应剪接过程的二次转酯反应 (twice transesterification) 目目 录录5. mRNA的编辑的编辑(mRNA editing) 人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏apo B100（分子量为（分子量为500 000）肠道细胞肠道细胞apo B48（分子量为（分子量为240 000）mRNA编辑编辑二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、内切酶内切酶tRNA核苷酸转移酶、核苷酸转移酶、连接酶连接酶ATPADP碱基修饰碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）目目 录录三、三、rRNA的转录后加工的