第三章 RNA的转录机制

第3章生物信息的传递----

从DNA到RNA（转录）

本章主要内容1、转录是基因表达的中心环节2、转录涉及的酶与过程3、转录后的加工

转录（transcription）以DNA为模板，在RNA聚合酶（RNApolymerase）的作用下合成mRNA，将遗传信息从DNA分子上转移到mRNA分子上，这一过程称为转录。1转录是基因表达的中心环节

转录是以DNA为模板合成RNA,并且只是以单股DNA为模板，因此具有不对称性；用以转录的单链DNA,称为模板链,与复制不同，转录是局部的,从启动子开始到终止子结束,为一个转录单位;

转录不需要引物；转录首先得到RNA前体，然后再进行加工转变为成熟的RNA.被转录成单个RNA分子的一段DNA称为一个转录单位(transcript)由5种亚基组成：

全酶=核心酶（α2ββ’）+σ因子

α亚基决定转录的基因β亚基在5’——3’方向上延长多核苷酸链，其方式与DNA聚合酶相同，原料为NTP，没有纠错的功能。β’亚基结合DNA模板

σ因子识别“启动子”并与之结合2转录涉及的酶与过程1)原核的RNA聚合酶2.1RNA聚合酶（RNApolymerase）类型细胞内定位催化转录产物对鹅膏蕈碱的反应Ⅰ核仁rRNA前体耐受Ⅱ核质mRNA前体(hnRNA)极敏感Ⅲ

核质5SrRNAtRNA中度敏感2)真核的RNA聚合酶（注意：S)RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大，4.8×105dol小，1.09×105dol引物无有产物较短，游离较长，与模板以氢键相连作用方式一条链的某一段两条链同时进行外切酶活性无5’3’，3’5’校对合成能力无有修复能力无有

沉降系数S

生物大分子在离心场中沉降，受到三种力的影响，它们是离心力，浮力和摩擦力。物质在单位离心力场下的沉降速度是个定值，称为沉降系数（sedimentationcoefficient）。蛋白质、核酸等的沉降系数在1X10-13到200X10-13秒之间。为方便将10-13秒作为一个单位，称Svedberg单位，用S表示。其数值不仅与物质分子的质量有关，也与分子的形状有关。

2.2转录模板转录的模板：DNA双链中的一条模板链：DNA双链中具有转录功能的一条链（templatestrand）编码链：贮存有遗传信息与模板链互补的一条链（codingstrand）5/3/3/5/不对称转录：

1、RNA分子上只有一条可转录2、模板链并不总是在同一单链上RNA合成方向：5/→3/不对称转录（asymmetrictranscription）DNA5´……GGAGTACATGTC…3´（编码链，+,）

3´……CCTCAUGUACAG…5´（模板链，-，）↓（转录）5´……GGAGUACAUGUC……3´

mRNA

↓（翻译）N……Ala…Val…His…Val…C

多肽

RNA聚合酶的底物（RNA合成的原料）：ATP、GTP、CTP、UTP2.3底物

DNA上的转录起始序列，称为启动子，有序列保守性，不仅是转录起始的位置，而且影响转录的活性。RNA聚合酶结合在启动子上上游下游2.4启动子（promoter）注意原核启动子在-35和-10区域的保守序列Pribnowbox编码链AACTGTATATTA模板链TTGACATATAAT3’5’DNA转录起始点Probnow盒子启动子35

10

+1转录区5’3’RNA转录起点与新生RNA链第一个核甘酸相对应DNA链上的碱基。真核生物启动子的结构核心启动子（corepromoter）上游启动子元件（upstreampromoterelement，UPE）1、核心启动子

定义：指保证RNA聚合酶Ⅱ转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游TATA区作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始TATA常在-25bp左右，相当于原核的-10序列T85A97T93A85A63A83A502、上游启动子元件●包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等●作用：控制转录起始频率。CAAT：-70--80bpGGGCGG：-80--110bp转录起始复合物●原核生物转录起始复合物

转录因子转录复合体TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIFPolIITFIIERNApolⅡ的转录起始●真核生物转录起始复合物过程：启动子的选择、转录起始、RNA链的延伸、终止启动子的选择

包括RNA聚合酶全酶对启动子的识别，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭复合物——DNA链仍处于双链状态。接着，随着DNA构象上的变化，封闭复合物转变为开放复合物，聚合酶全酶所结合的DNA序列中有一小段双链解开。2.5转录过程及其特点2)转录开始

由σ因子辨认并且结合到启动子上，局部解链（10-20bp），拓朴异构酶等也参与。3)RNA链的延伸

由核心酶催化，以其中的一股DNA单链作为模板链，以NTP为原料，按照碱基互补配对的原则，通常是由5’ppp嘌呤核苷（G或A）开头向着3’方向延长多核苷酸链，合成开始后，σ因子从模板上脱离下来（可以重复利用）。核心酶覆盖双链DNA和RNA复合物，向前推进，一边解开螺旋，一边释放出新合成的RNA链，后面已经转录的区域中分开的DNA链又重新形成双螺旋。“转录泡（transcriptionbubble）”转录过程中的模板识别、起始和延伸

A.依赖ρ因子的终止

新生RNA上有ρ因子的识别位点。它与聚合酶-DNA-RNA复合物结合，向3’端移动，并解开DNA-RNA杂交体，需ATP。弱终止子－需要ρ因子B.依赖于特定序列的终止（不依赖ρ因子的终止）

转录终止区有特殊结构。终止区的上游有GC二重对称区，转录的RNA容易形成多个“发卡”结构,转录产物的3’端有polyU序列。这种特殊的二级结构阻止了转录向下游继续推进。强终止子－内部终止子4)转录的终止不依赖因子的终止终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的二重对称区，RNA形成发夹结构；在终止位点前面有一段由4-8个A组成的序列，RNA的3’端为寡聚U发夹式结构和寡聚U的共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关，长度效率依赖因子的终止因子：六聚体蛋白、水解各种核甘三磷酸促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。AB转录终止的两种方式

转录得到的只是RNA的初级产物，通常要经过加工，才能转变为成熟的RNA。tRNA和rRNA的转录后加工比较简单.

3RNA后的加工（post-transcriptionalprocessing）原核前体RNA的加工tRNA转录后的加工与修饰

注意tRNA上的修饰和稀有碱基

mRNA转录后的加工

原核生物的结构基因（编码的）是多顺反子（poly-cistron），通常是将几个相关的结构基因一起转录得到多个mRNA。（顺反子cistron一词可以视作基因的同义词）。而真核基因是单顺反子（mono-cistron），其mRNA的转录比较复杂,因为真核通常只转录出一个结构基因,而且其结构基因通常又是断裂基因,即是由编码的外显子（exon）和不编码的内含子（intron）间隔排开组成的。因此,转录得到的仅仅是mRNA的“毛坯”，称为核不均RNA（hnRNA），要进行转录后的加工-----------在其5’端加上鸟嘌呤“帽子”，3’端加上polyA的“尾巴”，再切除内含子，将外显子拼接，才能成为一个成熟的mRNA。真核mRNA前体转录后加工(以卵清蛋白mRNA的转录为例)外显子内含子5’3’真核生物mRNA的转录后加工，包括：

1.在5’端加鸟嘌呤“帽”结构

2.在3’端加polyA的“尾”

3.切除内含子；

4.拼接外显子。5’帽结构5’端的一个核苷酸总是7-甲基鸟核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5’端的这种结构称为帽子（cap）。1、在5’端加帽通过5′→5′磷酸二酯键在原初mRNA的5’端倒扣一个“G”。•在新生mRNA链达到50个核苷酸前，甚至可能在RNAPolII离开转录起始位点之前，帽子结构就已加到mRNA的第一个核苷酸上了。•5′末端加上鸟苷是由鸟苷转移酶催化的。•帽子结构是GTP和原5’三磷酸腺苷（或鸟苷）缩合反应的产物。•mRNA的帽子结构常常被甲基化。

真核生物mRNA的“帽子”结构

mRNA的帽子结构常常被甲基化零类帽子（cap0）：第一个甲基出现在所有真核细胞的mRNA中（单细胞真核生物mRNA主要是这个结构），由鸟苷酸-7甲基转移酶催化，称为零类帽子。1类帽子(cap1)：如在第二个核苷酸(原mRNA5’第一位)的2’-OH位上加另一个甲基，这步反应由2’-O-甲基转移酶完成。一般把有这两个甲基的结构称为1类帽子。真核生物中以这类帽子结构为主。2类帽子(cap2):在某些生物细胞内，mRNA链上的第三个核苷酸的2’-OH位也可能被甲基化，因为这个反应只以带有1类帽子的mRNA为底物，所以被称为2类帽子。只占有帽mRNA总量的10%-15%以下。帽子结构功能：①能被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核糖体的结合；②m7Gppp结构能有效地封闭mRNA5’末端，以保护mRNA免受5’核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定。2、3’端加尾多聚腺苷酸尾巴AAUAAA：★准确切割★加poly（A）多聚腺苷酸尾巴功能：提高了mRNA在细胞质中的稳定性。3、RNA的剪接（切除内含子，拼接外显子）地中海贫血病人的珠蛋白基因，1/4生物体内内含子的主要类型：

GU-AG、AU-AC、Ⅰ类内含子、Ⅱ类内含子

5’..AAGUAAGU…….CURAY..(10-40)…(U/C)11NCAGG….3’IntronexonexonPolyprimidineCAG=UAG>AAG>GAG参与RNA剪接的物质：snRNA（核内小分子RNA）snRNP（与snRNA结合的核蛋白）①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5Ⅰ类内含子的自我剪接Ⅱ类内含子的自我剪接4、RNA的编辑编辑（editing）是指转录后的RNA在编码区发生碱基的突变、加入或丢失等现象。C变为U碱基的突变尿苷酸的缺失和添加1986.R.Benne在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸，1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象。

锥虫coxII基因的编辑RNA的再编码4、原核生物与真核生物mRNA的特征比较

1）原核生物mRNA的特征●半衰期短●多以多顺反子的形式存在多顺反子mRNA：编码多个蛋白质的mRNA。单顺反子mRNA：只编码一个蛋白质的mRNA。结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透过酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA●5’端无“帽子”结构，3’端没有或只有较短的poly（A）结构。SD序列：mRNA中用于结合原核生物核糖体的序列。2）真核生物mRNA的特征●5’端存在“帽子”结构●多数mRNA3’端具有poly（A）尾巴（组蛋白除外）●以单顺反子的形式存在“基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核甘酸序列。原核生物和真核生物mRNA结构的比较

DNA和RNA生物合成的比较(1)

复制

转录1.原料dNTPNTP2.模板DNA两条链DNA一条链3.引物需要RNA引物不需引物4.新连延伸方向5ˊ→3ˊ5ˊ→3ˊ5.主要酶类DNA聚合酶RNA聚合酶解旋、解链酶类（α2ββˊσ）引物酶终止因子(ρ)DNA连接酶DNA和RNA生物合成的比较(2)

复制过程转录过程模板DNA解旋与解链，σ因子辨认起始点,

形成复制叉；带动全酶解开DNA双链,形成引发体，促使转录起动；合成RNA引物；σ因子随之脱落下来；3.按A=T、G=C碱基配对在核心酶催化下,

规则，合成DNA；使RNA链不断延长；切除引物、填补空隙、ρ因子终止链延长。形成冈崎片段；DNA连接酶连接封口，形成长链DNA；6.在Tus蛋白参与下，终止复制中国科学院2001年硕士研究生入学考试：名词解释：Transcription;Reversetranscription1、下列有关TATA盒(Hognessbox)的叙述,哪个是正确的:A.它位于第一个结构基因处

B.它和RNA聚合酶结合

C.它编码阻遏蛋白

D.它和反密码子结合

B

2.转录需要的原料是:

dNTPB.dNDP

C.dNMP

D.NTPE.NMPD3、DNA模板链为5’-ATTCAG-3’,其转录产物是:A.5’-GACTTA-3’B.5’-CTGAAT-3’C.5’-UAAGUC-3’D.5’-CUGAAU-3’

D4、DNA复制和转录过程有许多相同点,下列描述哪项是错误的?A.转录以DNA一条链为模板,而以DNA两条链为模板进行复制