生物化学教学课件：16-RNA的生物合成

第十六章RNA的生物合成（转录）RNABiosynthesis,Transcription生物界RNA的合成方式DNA指导的RNA合成，也叫转录。由RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependentRNApolymerase)催化，常见于病毒，是逆转录病毒以外的RNA病毒在宿主细胞以病毒的单链RNA为模板合成RNA的方式。RNA指导的RNA合成，也叫RNA复制。主要转录过程与特点转录过程是RNA生物大分子的合成，促进RNA合成的酶称为RNA聚合酶。转录过程是从特定一段DNA取出信息，合成一段RNA的过程，不像DNA复制是全部DNA信息的复制。被取出信息的DNA序列称为模板DNA。哪一段DNA信息被取出用于转录RNA，取决于被转录DNA片段前的DNA序列结构及其与蛋白质的相互作用1.模板均为DNA2.延长机理都是形成磷酸二酯键3.方向均为5'→3'转录与复制的相似点复制和转录的区别复制转录模板两链均复制模板链转录（不对称转录）原料dNTPNTP酶DNA聚合酶RNA聚合酶(RNA-pol)产物子代双链DNA（半保留复制）mRNA，tRNA，rRNA配对A→T，G→CA→U，T→A，G→C转录体系（参与转录的物质）模板:DNA原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)酶:依赖DNA的RNA聚合酶(简写RNA-pol)其他蛋白质因子原核生物转录的模板和酶Templates&EnzymesinProkaryoticTranscription第一节一、原核生物转录的模板编码蛋白质或其他RNA的DNA序列，称为结构基因

(structuralgene)DNA双链中能够按照碱基互补规律指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链

(templatestrand)

<有意义链，正义链>；另一股单链称为编码链

(codingstrand)<无意义链，反义链>。转录具有选择性，称为不对称转录

(asymmetrictranscription)编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译DNAGCAGTACACTGT……cgtcatgtgaca……Ala·Val·His·Val……53GCAGUACACUGU……转录是以模板链DNA序列为基础合成RNA的过程，而产物RNA序列与编码链DNA序列更相似RNA产物最终可以是蛋白质，也可以是其他RNA55N33C结构基因编码链(codingstrand)编码链模板链模板链(templatestrand)不对称转录模板链并非永远在同一条单链上。在DNA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；5'3'3'5'二、RNA聚合酶（一）RNA聚合酶能直接启动RNA链的合成RNA聚合酶DNA聚合酶DNA依赖的RNA聚合酶DNA依赖的DNA聚合酶合成RNA合成DNA(NMP)n+NTP→(NMP)n+1+PPi<n=1~…>(dNMP)n+dNTP→(dNMP)n+1+PPi<n常为几十>不需要引物需要引物（二）RNA聚合酶由多个亚基组成（以E.

coli为例）亚基分子量功能36512决定哪些基因被转录150618催化功能155613结合DNA模板70263辨认起始点RNA聚合酶(DDRP)1.原核生物的RNA聚合酶E.coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的五聚体（2）

热休克蛋白在体内有着广泛的功能、涉及了应激、免疫、蛋白质折叠等多方面。

热休克蛋白（heatshockproteins,HSPs）是指细胞在高温（热休克）或其他应激原作用下所诱导生成或合成增加的一组蛋白质。当温度升高到一定程度时，大部分蛋白质已经停止合成，而HSPs仍能继续合成，原因就在于HSPs使用与一般蛋白质不同的σ亚基（

σ32，本身也是一种HSPs）识别DNA分子中转录的起始部位。识别转录终止信号，停止聚合反应。参与转录水平的调控。催化NTP的聚合，完成一条RNA链的聚合反应。促进与模板链结合，并使DNA双链打开17bp。RNA聚合酶的作用RNA聚合酶的特点缺乏外切酶活性,无校对功能，错误率10-6。不同的识别不同的启动子。聚合速率慢，30~85NTP/秒。可被药物抑制（利福平）。人的RNA聚合酶对利福平不敏感。利用此特点可研制杀菌药物。全酶仅在起始阶段存在，延长阶段只有核心酶。结构基因之前一段DNA为调节序列，结构基因DNA与调节序列DNA共同组成一个转录单位，称为操纵子

(operon)三、酶对模板的辨认和结合5335调控序列结构基因原核生物以RNA聚合酶全酶结合到DNA的启动子上而启动转录，其中由亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。启动子：指RNA聚合酶结合模板DNA的部位。是调控转录的关键部位。原核生物启动子序列按功能的不同可分为三个部位，即识别部位、结合部位、起始部位。RNA聚合酶保护法用于研究启动子开始转录TTGACAAACTGT-35区PribnowboxTATAATATATTA-10区1-30-5010-10-40-205335原核生物启动子保守序列55结构基因33RNA-pol辨认位点(recognitionsite)起始部位：指DNA分子上开始转录的部位，该部位含有与转录生成新生RNA链的第一个核苷酸互补的碱基，将该碱基的序号定为+1。识别部位：RNA聚合酶因子的识别部位。中心部位在-35bp处，碱基序列具有高度保守性，该序列的一致性序列为TTGACA。结合部位：RNA聚合酶的结合的部位，其长度为7bp中心部位在-10bp处，一致性序列为TATAAT序列，称为Pribnow盒。原核启动子原核生物的转录过程TheProcessofTranscriptioninProkaryote第二节一、原核生物的转录起始需解决两个问题：1、RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域2、DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。转录起始需要RNA聚合酶全酶E.coli的转录起始和延长2.DNA双链解开（20bp以下，17bp左右）1.RNA聚合酶全酶(2)

与模板结合3.在转录的起始位点，RNA聚合酶催化发生第一次聚合反应，形成四磷酸二核苷酸，与全酶、DNA模板共同组成转录起始复合物。RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH转录起始复合物5-pppG-OH-3(GTP)+NTP→

5-pppGpN-OH-3+PPi转录起始过程（不需要引物）4.亚基从转录起始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸，沿DNA链前移，进入延长阶段。二、原核生物的转录延长1.亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；2.在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。(NMP)n+NTP

→

(NMP)n+1+PPi3.原核生物转录延长时蛋白质的翻译也同时进行第一个磷酸二酯键生成后，亚基从转录起始复合物上脱落，形成转录空泡。核心酶沿模板DNA前移，转录进入延长阶段。RNA-pol（核心酶）-DNA-RNA转录空泡

(transcriptionbubble)：也称转录复合物，是由RNA聚合酶的核心酶、DNA模板和转录产物RNA三者结合在一起的复合体。53DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行；原核生物的mRNA无需加工；转录尚未完成，翻译已在进行。转录与翻译偶联。三、原核生物的转录终止转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为：依赖(Rho)因子的转录终止非依赖(Rho)因子的转录终止1.依赖Rho因子的转录终止

Rho因子是rho基因的产物，广泛存在于原核和真核细胞中，由6个亚基组成，分子量300kD。Rho因子结合在新生的RNA链上，由5'端向3'端利用ATP水解供能快速移动。Rho因子有ATP酶的活性和解螺旋酶的活性因子的作用原理因子

DNARNARNA聚合酶2.非依赖Rho因子的转录终止①转录出的新RNA形成稳定的茎环结构，阻碍RNA聚合酶前移。②转录产物茎环结构之后有一串寡聚U。rU:dA最不稳定，

RNA-DNA杂交双链解开，RNA脱离，转录终止。DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列（终止子），使得RNA产物形成特殊的结构来终止转录。终止子

(terminator)：DNA模板上能够在转录即将结束时，提供终止信号的序列。通常为一段被间隔开的回文序列，存在于RNApol已经转录过的序列中。5’5’3’3’回文序列海上游客游上海关下守将守下关模板链RNA链茎环结构使转录终止5´pppG5335RNA-pol近终止区的转录产物形成发夹结构（茎环结构），使RNA聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。转录的特点：1、不对称性2、连续性3、单向性4、有特定的起始和终止位点小结真核生物的RNA聚合酶

增强子

调控序列结构基因-GCGC---CAAT---TATATATA盒CAAT盒GC盒

转录起始真核生物启动子保守序列

真核生物编码基因两侧的DNA序列，可影响自身基因的表达活性，通常是非编码序列，包括启动子、增强子、沉默子真核生物转录起始前的上游区段

顺式作用元件(cis-actingelement)转录因子能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，统称为反式作用因子(trans-actingfactors)。反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(transcriptionalfactors,TF)。Post-transcriptionalModificationofEukaryoticRNA第四节真核生物RNA的加工真核生物转录生成的RNA分子是初级RNA转录物(primaryRNAtranscript)，几乎所有的初级RNA转录物都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的RNA。加工主要在细胞核中进行。如5端形成帽子结构(m7GpppGp—)如3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)（1）剪接(splicing)（2）剪切(cleavage)（3）修饰(modification)（4）添加(addition)几种主要的修饰方式一、真核生物mRNA的转录后加工转录生成：hnRNA（非均一核RNA，前体mRNA）翻译需要：成熟mRNA断裂基因(splitegene)编码区A、B、C非编码区真核生物结构基因，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。CABAA外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNA成熟mRNAE1I1E4E2E3I3I2DNAhnRNAmRNAm7Gppp——AAAAAAnE1E4E2E3E1I1E4E2E3I3I2

3535531、前体mRNA在5-末端加入“帽”结构2、前体mRNA在3端特异位点断裂并加上多聚腺苷酸尾3、前体mRNA的剪接主要是去除内含子4、mRNA编辑是对基因的编码序列进行转录后加工1.前体mRNA在5-末端加入“帽”结构大多数真核mRNA的5-末端有7-甲基鸟嘌呤的帽结构。这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种酶催化完成：鸟苷酸转移酶(cappingenzyme)、甲基转移酶(methyltransferase)5pppGpN…5GpppGpN…pppGPPi鸟苷酸转移酶5

m7

GpppGpN…甲基转移酶SAM帽子结构的生成5ppGpN…磷酸酶

Pi帽子结构557m7GpppNpO‖HNH2NN︳︳︳CH3︳N+

︳OH

O

O

O

‖

‖

‖H2C—O—P—O—P—O—P—O—CH2︳︳︳︳︳︳

O-O-

O-

︳

︳O‖O—P—O-︳O︴AAA-OHNO

︳OHO鸟嘌呤

︳OCH3︳帽子结构的意义：可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；能与帽结合蛋白质复合体结合，并参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。2.前体mRNA在3-末端加上多聚腺苷酸尾尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。polyA的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其polyA长度为100至200个核苷酸之间，也有少数例外。核内的初级mRNA称为杂化核RNA，即hnRNA3.前体mRNA经剪接除去内含子除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录后修饰4.mRNA的编辑(mRNAediting)人类apoB基因mRNA（14500个核苷酸）肝脏apoB100（4536AA）（分子量为500kD）肠道细胞apoB48（2152AA）（分子量为240kD）mRNA编辑RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可以有多种用途的，因此也称