核酸代谢转录与加工

核酸代谢转录与加工第1页，共69页，2023年，2月20日，星期五8.3.2RNA的生物合成---转录掌握原核生物转录的基本过程和参与转录的相关因子的功能理解真核生物转录和原核转录的异同，掌握真核生物mRNA转录后的加工过程了解tRNA和rRNA的转录后加工过程。重点、难点：RNA的转录过程和转录相关因子的功能；真核mRNA转录后的加工过程；RNA转录后的加工与修饰。〔目的要求〕第2页，共69页，2023年，2月20日，星期五RNA合成两个方式：转录、RNA的复制（某些病毒）

转录（transcription）：在RNA聚合酶催化下,以一段DNA为模板合成出对应RNA的过程。（在DNA指导下合成RNA。）转录产物有mRNA、rRNA、tRNA和小RNA。除某些病毒基因组RNA外，生物体内绝大多数RNA分子都来自DNA的转录产物。第3页，共69页，2023年，2月20日，星期五

复制与转录的比较相同：①要有模板，②新链延伸方向5’3’，③碱基的加入遵循碱基配对原则。不同：①复制需要引物，转录不需引物。②转录时，模板DNA的信息全保留复制时模板信息是半保留。③RNA聚合酶只有5’3’聚合活性，无5’3’及3’5’外切活性。第4页，共69页，2023年，2月20日，星期五

转录起始于DNA模板的一个特定位点，并在另一特定位点终止。此区域称为一个转录单位。转录的起始由DNA上的启动子区控制，DNA上的终止子控制转录的终止。一个转录单位可以是一个基因（真核），也可以是多个基因（原核）。

Gene是遗传物质的最小功能单位，只相当于DNA的一个片断。

第5页，共69页，2023年，2月20日，星期五

转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。基因表达的产物：①RNA②蛋白质

DNA正链：与mRNA序列相同的DNA链（有意链Sensestrand）。

负链：与正链互补的DNA链（模板链）（与mRNA序列相同,仅T、U互换）Antisensestrand转录起点核苷酸为+1起点右边为下游（转录区），用正数表示。转录起点左侧为上游，用负数表示：-1，-2，-3。

第6页，共69页，2023年，2月20日，星期五Fig.SensestrandandAntisensestrand第7页，共69页，2023年，2月20日，星期五

转录的特点：1）基因的转录是局部转录2）基因的转录有选择性细胞不同生长发育阶段和细胞环境条件的改变，将转录不同的基因。3）

转录是不对称性的不对称转录有两方面的含义：一是

DNA一条单链可转录，另一条单链不转录；二是

模板链并非永远在同一单链上。第8页，共69页，2023年，2月20日，星期五Fig.Templatestrands第9页，共69页，2023年，2月20日，星期五8.3.2.1RNA聚合酶RNA合成的基本特征：底物（ATP、GTP、CTP、UTP）NTPRNA链延伸方向5’3’，RNA聚合酶无5’3’及3’5’外切活性不需要引物需要DNA模板第10页，共69页，2023年，2月20日，星期五1.E.coliRNA聚合酶（原核）E.coli和其它原核细胞一样，由一种RNA聚合酶合成各种RNA（mRNA、tRNA、rRNA）。一个E.coli细胞中约有7000个RNA聚合酶分子，在任何时刻，大部分聚合酶（5000左右）正在参与RNA的合成，具体数量依生长条件而定。RNA聚合酶分子量46万Da，由六个亚基组成，α2ββ’σω及2个Zn2+。

σ因子与其它部分的结合不是十分紧密，它易于与β’βα2分离。第11页，共69页，2023年，2月20日，星期五无σ亚基的酶（α2ββ’ω）叫核心酶。核心酶(coreenzyme)只能使已开始合成的RNA链延长，而没有起始合成活性，加入σ亚基后，全酶才具有起始合成RNA的能力。σ亚基的功能：核心酶在DNA上滑动，σ亚基能增加酶与DNA启动子的结合常数，增加停留时间，使全酶迅速找到启动子并与之结合，σ亚基自身无催化活性。第12页，共69页，2023年，2月20日，星期五五种亚基的功能分别为：

α亚基：与启动子结合功能。

β亚基：结合NTP和新生RNA链，含催化部位，起催化作用，催化形成磷酸二酯键。

β’亚基：与DNA模板结合功能。

亚基：在全酶中存在，功能不清楚。

σ亚基：识别起始位点。

不同的原核生物，都具有相同的核心酶，但σ亚基有所差别，识别不同的启动子，从而表达不同的基因，决定了原核基因表达的选择性。第13页，共69页，2023年，2月20日，星期五RNA聚合酶第14页，共69页，2023年，2月20日，星期五图RNA聚合酶第15页，共69页，2023年，2月20日，星期五核心酶覆盖60bp的DNA区域，其中解链部分17bp左右，RNA-DNA杂合链约10bp。纯的RNA聚合酶，在离体条件下可转录双链DNA。解旋和重新螺旋化也是RNA聚合酶的内在特性，在酶的前端解螺旋，在后端重新螺旋化。活体状况中，可能还有其它酶活性来帮助调整DNA拓扑学性质。37℃时，反应速度可达40核苷酸/秒。第16页，共69页，2023年，2月20日，星期五图：RNA聚合酶的催化活性

核心酶覆盖60bp的DNA区域，其中解链部分17bp左右，RNA-DNA杂合链约10bp。RNA聚合酶，还可在酶的前端解螺旋，在后端以相反方向重新螺旋化。第17页，共69页，2023年，2月20日，星期五

2.真核生物RNA聚合酶真核生物的转录机制要复杂得多，三种RNA聚合酶，在细胞核中起不同的作用。依其对α-鹅膏蕈碱的敏感性，可分为三种。分类、分布及各自的功能见表：

第18页，共69页，2023年，2月20日，星期五

真核细胞的RNA聚合酶酶类分布功能α-鹅膏蕈碱对酶的作用

ⅡI

Ⅲ核仁核质

核质rRNA

mRNAtRNA5SrRNA不抑制低浓度抑制高浓度抑制第19页，共69页，2023年，2月20日，星期五1.起始（initiation）

RNA聚合酶全酶扫描，与启动子结合，在局部解链区找到起始点，然后结合第一个核苷酸，即启动子、全酶和核苷酸形成三元起始复合物。加入的第一个核苷酸常是GTP或ATP，很少是CTP，不用UTP。第一个核苷酸一旦掺入到转录起始点，σ亚基就会被释放脱离核心酶。因子仅与起始有关，RNA的合成一旦开始，因子便被释放。E-35-10pppG或pppA5‘5‘3‘3‘模板链8.3.2.2基因转录过程----由RNA聚合酶催化第20页，共69页，2023年，2月20日，星期五

2.延长(elongation)σ亚基离开核心酶，使核心酶的β’亚基构象变化，与DNA模板亲和力下降，（σ亚基与β’结合时，β’亚基的构象有利于核心酶与启动子紧密结合）在DNA上移动速度加快，使RNA链不断延长。3.终止（termination）RNA聚合酶到达转录终止点时，在终止辅助因子的帮助下，RNA链和聚合酶脱离DNA链。第21页，共69页，2023年，2月20日，星期五转

录

过

程第22页，共69页，2023年，2月20日，星期五4、启动子和转录因子启动子（promoter）：RNA聚合酶识别、结合并开始转录所必需的一段DNA序列。转录因子：RNA聚合酶在进行转录时，常需要一些辅助因子（蛋白质）参与作用，此类蛋白质称为转录因子。

第23页，共69页，2023年，2月20日，星期五a.原核启动子结构与功能启动子都存在保守序列，包括RNA聚合酶识别和结合位点。（1）-10序列（Pribnow框）转录起点上游约-10处,6bp的保守序列TATAAT，称Pribnowbox。出现在-

4到-

13bp之间，每个位点的保守性在45%-96%。第24页，共69页，2023年，2月20日，星期五目前认为，Pribnowbox决定转录方向。酶在此部位与DNA结合形成稳定的复合物，是RNA聚合酶牢固的结合位点，是启动子的关键部位。RNA聚合酶结合后，诱导富含AT的Pribnowbox的双链解开，然后进一步扩大成17个核苷酸长度的泡状物，在泡状物中RNA聚合酶从模板链开始转录RNA产物。

第25页，共69页，2023年，2月20日，星期五（2）-35序列（Sextamabox）（识别区域）只含-10序列的DNA不能转录，在-10序列上游还有一个保守序列，其中心在-35位置，称为-35序列(TTGACA)，此序列为RNA聚合酶识别区域。各碱基出现频率：T85T83G81A61C69A52。其中TTG十分保守。

-35序列的功能：它是σ因子的初始识别位点。因此，-35序列对RNA聚合酶全酶有很高的亲和性。-35序列的核苷酸结构，在很大程度上决定了启动子的强度，RNA聚合酶易识别强的启动子。

第26页，共69页，2023年，2月20日，星期五-35序列提供RNA聚合酶识别信号。-10序列有助于DNA局部双链解开。启动子结构的不对称性决定了转录的方向。与保守序列接进的启动子较强，反之则弱。不含-35序列的启动子几乎不转录。不同的σ因子识别不同的启动子。第27页，共69页，2023年，2月20日，星期五图：启动子共有序列的功能

Pribnowbox（-10区）：RNA聚合酶牢固结合位点，此处AT含量多，是DNA双链局部解开位点。Sextamabox(-35区)：RNA聚合酶识别位点，该序列提供了RNA聚合酶识别的信号。第28页，共69页，2023年，2月20日，星期五b真核启动子真核基因的转录十分复杂，启动子有三类，分别由RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ进行转录。

①类别Ⅰ启动子可被RNA聚合酶Ⅰ识别，

只控制rRNA前体转录②类别Ⅱ启动子可被RNA聚合酶Ⅱ识别，由基本启动子、起始子、上游元件和应答元件组成。第29页，共69页，2023年，2月20日，星期五RNA聚合酶Ⅱ识别类别Ⅱ启动子，转录mRNA。基本启动子

A.TATA框（Hognessbox）中心-25至-30，长度7bp。频率：T82A97T93A85A63

（A37

）A82A60（T37

）功能：DNA双链解开，并决定转录的起点位置，失去TATA框，转录将可能在许多位点上开始。第30页，共69页，2023年，2月20日，星期五TATA框的改变或缺失，直接影响DNA与酶的结合程度，使转录起始点偏移。因此，TATA是许多数真核基因正确表达所必需的。由于RNA聚合酶分子有相对固定的空间结构，同TATA框的结合位点和转录反应催化位点的距离，决定了起始位点的正确选择。启动子特定序列和酶的正确结构，这两者把酶置于一种正确的构象中，决定了识别的正确性和转录起始的正确性。第31页，共69页，2023年，2月20日，星期五B.CAAT框中心在-75处，9bp，共有序列GGT（G）CAATCT功能：与RNA聚合酶结合。可与CTF结合，控制转录起始活性。CTF:CAAT-bindingtranscriptionfactorC.GC框（GCisland）在CAAT框上游，序列GGGCGG，与某些转录因子结合，CAAT和GC框均为上游因子，对转录的起始频率有较大影响。第32页，共69页，2023年，2月20日，星期五真核启动子区第33页，共69页，2023年，2月20日，星期五类别Ⅲ启动子RNA聚合酶Ⅲ识别的启动子，转5SrRNA、tRNA和胞质小RNA（scRNA），在转录区内部。核内小RNA（snRNA）的启动子在转录起点上游。第34页，共69页，2023年，2月20日，星期五5、终止子和终止因子提供转录终止信号的一段DNA序列称为终止子(terminator)。协助RNA聚合酶识别终止子的辅助因子称为终止因子（属于蛋白质）。

有些终止子的作用可被特异的因子阻止，使酶越过终止子继续转录（通读）。这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子。

终止子位于已转录的序列中，DNA的终止子可被RNA聚合酶或其辅助因子识别。第35页，共69页，2023年，2月20日，星期五（1）强终止子--不依赖于ρ的终止子具有发夹结构及polyU。回文对称区富含G.C，polyU可能提供使RNA聚合酶脱离模板的信号。（2）依赖ρ的终止子必需在ρ因子存在时才能引发终止，回文结构不富含G.C，无polyU结构。ρ因子：55000蛋白质，可水解三磷酸核苷。ρ因子能与RNA聚合酶结合但不是酶的组分，它的作用是阻止RNA聚合酶向前移动，于是转录终止，并释放出已转录完成的RNA链。

通读往往发生在强启动子、弱终止子的基因上。第36页，共69页，2023年，2月20日，星期五终止子第37页，共69页，2023年，2月20日，星期五8.3.2.3RNA转录后的加工

转录后加工：RNA聚合酶合成的原初转录产物，经过剪切、修饰、拼接等过程，转变成成熟的RNA分子。第38页，共69页，2023年，2月20日，星期五1、mRNA前体的加工：

原核生物mRNA转录后一般不需要加工，转录的同时即进行翻译（半寿期短）。亦有少数多顺反子的mRNA需要核酸酶切成小单位，然后再翻译。

真核生物mRNA（半寿期较长）原初产物很大，被称为核内不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA)，需要进一步进行加工修饰转化为mRNA。第39页，共69页，2023年，2月20日，星期五真核生物mRNA加工顺序：5’端连接“帽子”结构3’端切除，添加polyA“尾巴”

hnRNA被剪接，剪掉内含子（introns），拼接外显子（exon)分子内部的核苷酸甲基化修饰RNA编辑（RNAediting）

第40页，共69页，2023年，2月20日，星期五3’端切除，添加polyA“尾巴”第41页，共69页，2023年，2月20日，星期五mRNA的剪接（Splicing)

多数真核基因是不连续的、断裂基因（interruptedgene)，其转录产物需要剪接。mRNA的剪接包括3种类型：

类型I自我拼接类型II自我拼接

mRNA前体的拼接第42页，共69页，2023年，2月20日，星期五Fig.真核mRNA第43页，共69页，2023年，2月20日，星期五hnRNA的拼接第44页，共69页，2023年，2月20日，星期五RNA的编辑（Editing）RNA的编辑：mRNA转录后通过插入或删除核苷酸，或者通过脱氨和氨基化改变碱基的方式，改变和扩大原来模板DNA的遗传信息的过程。例如：人的载脂蛋白B（ApoB）有两种形式：ApoB-100和ApoB-48

。ApoB-48是由ApoB-100

mRNA第2153位密码子CAA（Gln）变成UAA（终止子）所致。由于催化C变成U的脱氨酶只存在于小肠，故ApoB-48只在小肠合成。RNA编辑极大地增加了mRNA的遗传信息量。

RNA的编辑的信息来自gRNA（guideRNA）或被编辑RNA自身。第45页，共69页，2023年，2月20日，星期五

2、tRNA前体的加工：原核与真核生物的tRNA转录后都需要加工。包括：（1）由核酸内切酶（RNaseP)将tRNA前体3和5端上多余的序列切断（cutting）；（2）由核酸外切酶(RNaseD)逐个在3端切去附加序列，进行修剪（trimming）。（3）3’端添加CCAOH序列，有些生物自身带有CCAOH。（接受活化AA）

（4）核苷的一些特定的碱基和戊糖进行修饰（modifying）。

第46页，共69页，2023年，2月20日，星期五核酸内切酶（RNaseP)核酸外切酶(RNaseD)第47页，共69页，2023年，2月20日，星期五

原核与真核生物的rRNA转录后也都需要进行加工。E.coli共有三种rRNA（23S、16S和5S）。刚转录的rRNA为30S，先在特定的碱基上进行甲基化（核糖2-羟基）修饰，后逐步裂解（核酸酶的切割）。

P16P23P516S23S5S（一般不含甲基化）3、rRNA前体的加工：rRNA30S第48页，共69页，2023年，2月20日，星期五图：大肠杆菌rRNA加工过程

第49页，共69页，2023年，2月20日，星期五真核rRNA前体的加工：真核rRNA基因拷贝数较多，几十至几千个之间。哺乳动物：45SrRNA前体，含18S、5.8S、28SrRNA。果蝇：38SrRNA前体，含18S、5.8S、28SrRNA。酵母：37SrRNA前体，含17S、5.8S、26SrRNA。以上均由RNApolⅠ转录。5SrRNA由RNApolⅢ转录。第50页，共69页，2023年，2月20日，星期五

rRNA在成熟过程中可被甲基化，位点主要在核糖2’-OH上。真核rRNA甲基化程度比原核的高，约1-2%的核苷酸被甲基化。真核生物的核仁是rRNA合成、加工和装配成核糖体的场所。第51页，共69页，2023年，2月20日，星期五8.3.2.4转录的调控基因组：cell或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。

细胞的全能性:

生物体的每一个细胞都包含该物种所特有的全套遗传物质。

基因表达：时间特异性（阶段特异性）与空间特异性（又称细胞特异性或组织特异性）第52页，共69页，2023年，2月20日，星期五基因表达的调节：⑴转录水平⑵转录后加工⑶翻泽水平⑷翻译后加工转录水平的调控是关键。第53页，共69页，2023年，2月20日，星期五5’AB3’CAATboxTATAbox翻译起始翻译停止TAA/TAG/TGA加Poly(A)信号加帽，转录起始信号肽序列UTR1321,、2、3：外显子A、B：内含子真核基因的结构示意图真核生物转录水平的调控：第54页，共69页，2023年，2月20日，星期五1、顺式作用元件调控作用：顺式作用元件：是指DNA分子中具有转录调节功能的特异DNA序列。按功能特性，真核基因顺式作用元件分为启动子、增强子及沉默子。a.

启动子：决定转录起始点和转录频率。如：TATAbox，GCbox和CAATbox。

第55页，共69页，2023年，2月20日，星期五b.增强子：由若干机能组件组成，为增强启动子转录活性的DNA序列，位于转录起始点上游（多数）、下游、内含子，长度1~30kb。与转录激活子结合，在合适转录因子存在时表达某一基因，决定基因的时间、空间特异性表达。c.沉默子：某些基因含有的一种负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。第56页，共69页，2023年，2月20日，星期五2、反式作用因子调控作用：反式作用因子:指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。这些调节蛋白又称转录调节因子，简称转录因子反式作用因子（转录因子）的功能结构域：

I.DNA结合结构域（DNABindingDomain）螺旋－转角－螺旋（HTH）

锌指（zincfinger）：碱性亮氨酸拉链（bZIP）

II.转录激活结构域（Transactivatingdomain）：与RNA聚合酶或者其它转录因子结合，激活转录。第57页，共69页，2023年，2月20日，星期五

DBD（DNA结合结构域（DNABindingDomain）：螺旋－转角－螺旋（HTH）第58页，共69页，2023年，2月20日，星期五DBD：锌指（ZincFinger）第59页，共69页，2023年，2月20日，星期五DBD（DNA结合结构域（DNABindingDomain）：碱性亮氨酸拉链（bZIAP）第60页，共69页，2023年，2月20日，星期五

有些RNA病毒，进入寄主细胞后，借助复制酶而进行RNA病毒的复制。复制酶的模板特异性很高，只识别病毒自身的RNA。

8.3.2.5RNA的复制第61页，共69页，2023年，2月20日，星期五病毒RNA复制的主要方式

1.正链RNA病毒（mRNA）进入寄主细胞后，利用寄主的翻译系统，先合成复制酶及有关的蛋白质，然后进行病毒RNA的复制，最后由病毒RNA和蛋白质装配成病毒颗粒。噬菌体Qβ、灰质炎病毒等。第62