《分子生物学》课件第六讲 RNA的转录与转录后加工

第六讲RNA的转录与转录后加工RNA转录概述以DNA为模板合成RNA的过程称为转录。转录以DNA的一条链作为模板合成RNA分子，合成以碱基配对的方式进行，产生的RNA链与DNA模板链互补。

转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做DNA指导的RNA聚合酶。RNA转录的特点以DNA双链的反义链为模板以4种三磷酸核苷(NTPs)为底物遵循碱基互补配对原则

RNA链从5’→3’连续合成转录过程需要Mn2+或Mg2+

转录过程不需要引物

RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性RNA转录的基本过程模板识别

RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。转录起始

RNA聚合酶的结合导致启动子附近的DNA双链解旋并解链，形成转录泡，促使RNA链第一个核苷酸键产生。转录延伸

RNA聚合酶沿模板DNA链移动并使新生RNA不断伸长。转录终止

RNA链延伸到转录终止位点时，转录进入终止过程。RNA聚合酶大肠杆菌RNA聚合酶亚基基因相对分子量亚基数组分功能αrpoA3.65×1042核心酶核心酶组装，启动子识别βrpoB1.51×1051核心酶β和β’共同形成RNA合成的活性中心β’rpoC1.55×1051核心酶ω?11×1041核心酶未知σrpoD7.0×1041σ因子存在多种σ因子，用于识别不同的启动子

σ因子的作用是负责模板链的选择和转录的起始,它是酶的别构效应物，使酶专一性识别模板上的启动子。在某些细菌细胞内含有能识别不同启动子的σ因子，以适应不同生长发育阶段的要求，调控不同基因转录的起始。大肠杆菌RNA聚合酶RNA聚合酶的结构 在电镜下观察RNA聚合酶，其外形犹如右手，拇指与食指间的凹槽正好结合DNA。RNA聚合酶很大，它与DNA结合，其覆盖DNA的范围大约是40bp。

RNA聚合酶

真核生物的RNA聚合酶酶的种类分布转录产物对α-鹅膏蕈碱的敏感性相对活性RNA聚合酶Ⅰ核仁45SrRNA不敏感50-70%RNA聚合酶Ⅱ核质hnRNA敏感20-40%RNA聚合酶Ⅲ核质tRNA,5SrRNA,snRNA存在物种特异性约10%线粒体RNA聚合酶线粒体线粒体RNA不敏感叶绿体RNA聚合酶叶绿体叶绿体RNA不敏感启动子与转录起始

RNA的转录单元

启动子是指为RNA聚合酶提供识别、结合位点并起始转录的DNA序列。为转录提供终止信号的DNA序列称为终止子。转录单元是一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。转录起始位点是指与新生RNA链第一个核苷酸相对应的DNA链上的碱基，通常为一个嘌呤。启动子的结构

大肠杆菌启动子的结构

真核生物启动子的结构原核生物启动子的共同点结构典型序列保守位置和距离都比较恒定直接和多聚酶相结合常与操纵子相邻都在其控制基因的5’端决定转录的启动和方向启动子与转录起始

启动子的识别一般认为，RNA聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过氢键互补的方式加以识别。这也表明，启动子功能既受DNA序列的影响，又受其构象的影响。启动子与转录起始

启动子的效率启动子有强弱之分，研究表明，强弱启动子的差别在于-35区，以及-10区与-35区之间的距离，其距离大约是16-19bp。真核生物启动子真核生物有三种RNA聚合酶，需要三类不同的启动子，它们都由转录因子而不是RNA聚合酶所识别。

Ⅰ型启动子

Ⅱ型启动子

Ⅲ型启动子

RNA聚合酶Ⅰ的启动子，它控制rRNA前体基因转录，其产物经剪接加工后生成各种成熟rRNA。

RNA聚合酶Ⅱ所识别，序列多样。涉及众多编码蛋白质基因表达的控制。

RNA聚合酶Ⅲ所识别分为两类：基因内启动子和转录起点上游启动子（也称基因外启动子）。真核生物启动子分析表明，绝大多数功能蛋白质启动子都具有共同的结构模式。除TATA区以外，还含有上游激活序列、应答元件等多种调控序列。基因转录实际上是RNA聚合酶、转录调控因子和启动子区各种调控元件相互作用的结果。

启动子的组成

TATA区上游激活序列应答元件

转录DNA序列5’端上游一段富含TA的序列，类似于原核生物-10区。

位于TATA区上游的保守序列，其存在与否，对该启动子的生物有明显影响。

对某些特殊的物质或外界刺激能迅速作出反应的调控元件。真核生物启动子转录因子是转录起始过程中RNA聚合酶所需的辅助因子（主要是蛋白质），其作用或识别DNA的顺式作用位点，或识别RNA聚合酶，或是识别其他因子。

启动子对转录的影响——转录因子转录的抑制某些核酸代谢的拮抗物和抗生素可抑制核苷酸或核酸的合成，因而可以用于抗病毒或抗肿瘤药物，也可以用于核酸的研究。

RNA转录的抑制剂根据其作用的性质主要可以分为两大类：第一类是DNA模板功能抑制剂，第二类是RNA聚合酶的抑制物。抑制剂靶酶抑制作用利福霉素细菌全酶和β亚基结合，抑制起始利迪链霉素细菌核心酶和β’亚基结合，抑制起始放线菌素D真核RNA聚合酶Ⅰ与DNA结合，阻止延伸α-鹅膏蕈碱真核RNA聚合酶Ⅱ与RNA聚合酶Ⅱ结合信使RNA（mRNA)原核生物mRNA的转录和翻译发生在同一个细胞空间里，两者间存在偶联。一个原核细胞的mRNA有时可以编码几个多肽。

原核生物mRNA的特征

mRNA的半衰期短绝大多数细菌mRNA半衰期很短，其降解紧随着蛋白质翻译过程发生。许多mRNA可能以多顺反子形式存在只编码一个蛋白质多肽的mRNA称为单顺反子，而能编码多个蛋白质多肽的mRNA称为多顺反子。

5’端无帽子结构，3’端没有或只有较短的polyA原核生物起始密码子AUG上游7-12个核苷酸处有保守序列能与16SrRNA3’端反向互补，在起始翻译过程时起重要作用，称为SD序列。真核生物mRNA的特征

mRNA的加帽是指mRNA转录后在其5’末端加上甲方基化鸟嘌呤，其反应由腺苷酸转移酶催化完成。

5’端的帽子结构帽子结构的种类

mRNA可能具有三种类型的帽子。帽子结构的功能有利于mRNA跨膜稳定mRNA

有利于翻译起始真核生物mRNA的特征除组蛋白基因外，真核生物mRNA的3’端都有polyA序列，其长度一般为40-200个左右。

3’端的多聚腺苷酸尾巴加尾信号

polyA上游11-30nt处的

AAUAAA为高度保守序列。

polyA的功能有利于mRNA跨膜稳定mRNA

有利于翻译调控转录的终止一般情况下，RNA聚合酶起始基因转录后，它就会沿模板5’→3’方向连续合成RNA，直到碰到终止信号才与模板相脱离并释放新生RNA链。

RNA合成终止发生在转录DNA特殊碱基顺序中,能提供转录终止信号的DNA序列称为终止子，协助RNA聚合酶识别终止信号的蛋白因子则称为终止因子。原核生物的转录终止模板上存在特殊的转录终止信号——内在终止子，其结构特点是：终止位点上游一般具GC丰富对称区；转录产物3’端为寡聚U。

ρ因子六聚体具有NTP酶和解螺旋酶活性，通过水解NTP促使新生RNA链的释放。真核生物的转录终止对于真核生物转录的终止信号和终止机制了解得很少，其主要困难在于很难确定原初转录物的3'末端，因为大多数基因在转录后很快进行加工，无论是mRNA、tRNA还是rRNA都是如此。对于RNA聚合酶Ⅲ，体外转录与体内转录产物相同，这就表明体内转录确实是在RNA末端处终止的。

转录的抗终止有些终止子的作用可被特异的因子阻止，使聚合酶能越过终止子继续转录，称为抗终止作用。这类引起抗终止作用的蛋白称为抗终止因子。抗终止作用主要有两种方式：

破坏终止位点RNA的茎环结构在一些控制氨基酸合成的操纵子结构基因前面的前导序列中具有终止信号，由于转录和翻译的偶联，核糖滞留在一定区域，使mRNA不能形成特定的二级结构。依赖于蛋白质因子的转录抗终止由于某些蛋白质的参与，使RNA聚合酶构象，从而对终止信号不敏感，转录继续进行。RNA转录与DNA复制的异同项目DNA复制RNA转录场所主要在细胞核中主要在细胞核中模板DNA的每一条链DNA的一条链原料dNTPsNTPs酶DNA解旋酶，DNA连接酶DNA指导的DNA聚合酶DNA指导的RNA聚合酶DNA解旋酶DNA指导的RNA聚合酶校正功能酶具有校正功能酶不具校正功能合成方向5’→3’，半不连续合成5’→3’连续合成产物子代DNA分子RNA分子碱基互补配对原则G→C，C→G,A→T，T→AG→C，C→G,A→U，T→A引物需要合成RNA引物不需要转录的调节控制操纵子是原核生物转录调控的主要形式，相关的基因排列成簇，由一个调节蛋白所控制，一开俱开，一闭俱闭，从而对环环境条件的改变作出相应的反应。环腺苷酸（cAMP）在原核生物的基因表达调控过程中有重要作用。

原核生物转录的调控转录的调节控制真核生物转录的调控真核细胞基因组DNA的含量非常大，因此，相似的DNA序列出现的次数增加，特异调控的难度加大。解决这个难题的途径有二个：由组蛋白封闭有关的DNA序列多个调控因子同时与邻近的特异DNA部位结合RNA的剪接真核生物的大部分基因都是不连续的断裂基因，这些被称为外显子的不连续编码区之间的序列称为内含子，它们需要在转录后通过RNA的剪接才能被去除。

RNA的剪接主要有3种方式：①核mRNA的剪接；②Ⅰ型自我剪接；③Ⅱ型自我剪接。RNA的剪接比较不同基因的核苷酸序列发现，mRNA前体中内含子的边接点处发现了高度保守序列，这些序列结构可能是产生mRNA前体剪接的信号。

mRNA的剪接大多数真核生物细胞核内存在着许多种类的核内小RNA(snRNA)，通常又称U-RNA。它们与蛋白质结合形成核内小核糖核蛋白颗粒参与hnRNA的剪接。

mRNA的剪接

mRNA的剪接体的剪接过程mRNA的剪接

mRNA的变位剪接形式mRNA的剪接

mRNA的变位剪接实例mRNA的剪接

反式剪接RNA的剪接Ⅰ型自我剪接RNA的剪接Ⅱ型自我剪接RNA的编辑

RNA的编辑是某些RNA，特别是mRNA前体的一种加工方式，如插入、删除或取代一些核苷酸残基，导致DNA所编码的遗传信息的改主，因此经过编辑的mRNA序列发生了不同于模板DNA的变化。

介导RNA编辑的机制有两种：位点特异性脱氨基作用引导RNA指导的尿嘧啶插入或删除

指导RNA上存在一些未能配对的腺嘌呤，形成缺口，为尿嘧啶的插入提供了模板。

mRNA中的C→U或A→I，都属于脱氨基作用，分别由胞嘧啶和腺嘌呤脱氨酶所催化，RNA编辑主要通过脱氨酶复合体中附加的RNA结合区辅助识别靶位点。位点特异性脱氨基作用尿苷酸的缺失和添加RNA的再编码某些有机体在进行蛋白质翻译时，mRNA的读码信号在tRNA、rRNA和其它蛋白因子的作