第十五章RNA生物合成

第十五章RNA生物合成第1页，共76页，2023年，2月20日，星期二主要内容第一节、转录第二节、转录后的加工第二节、基因转录调控第2页，共76页，2023年，2月20日，星期二转录转录：生物体以DNA为模板、NTP为原料，在RNA聚合酶催化下合成单链RNA的过程。RNADNA

DNA复制

(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi(NTP)n(NMP)n+PPi第3页，共76页，2023年，2月20日，星期二转录的体系底物(substrate):

ATP,GTP,CTP,UTP；模板(template):DNA单链；聚合酶(polymerase):

依赖DNA的RNA聚合酶；RNA的延长只可沿5‘→3’方向进行；其他辅助因子:转录因子（真核生物），延长因子（真核生物）。第4页，共76页，2023年，2月20日，星期二一、转录的模板5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtcatgtacag···5′编码链模板链5′···GCAGUACAUGUC···3′mRNAN······Ala·Val·His·Val······C蛋白质转录翻译第5页，共76页，2023年，2月20日，星期二模板链与编码链DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(templatestrand)，也称作有意义链或Watson链。与模板链进行碱基配对的另一股DNA单链称为编码链(codingstrand)，也称为反义链或Crick链。第6页，共76页，2023年，2月20日，星期二二、RNA聚合酶RNA聚合酶（RNApolymerase,RNApol）：催化DNA转录合成RNA的酶，也称DNA指导的RNA聚合酶（DNAdependentRNApolymerase）。第7页，共76页，2023年，2月20日，星期二二、RNA聚合酶1.原核生物RNA聚合酶（只有一种）亚基分子量亚基数功能a365002识别特异性转录基因b1510001催化RNA合成b'1550001DNA结合s700001启动子识别110001未知第8页，共76页，2023年，2月20日，星期二原核RNA聚合酶结构示意图核心酶

(coreenzyme)全酶

(holoenzyme)（转录起始阶段）（转录延长阶段）第9页，共76页，2023年，2月20日，星期二二、RNA聚合酶2.真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III对鹅膏蕈碱的敏感性耐受很敏感中度敏感转录产物45SrRNA不均一核RNA（hnRNA，即mRNA的前体)tRNA前体、5SrRNA、snRNA第10页，共76页，2023年，2月20日，星期二二、RNA聚合酶3.RNA的复制以RNA为模板，NTP为原料，在RNA复制酶的作用下合成新的RNA称为RNA复制。RNA复制酶又称为RNA指导的RNA聚合酶（RDRP）。第11页，共76页，2023年，2月20日，星期二RNA复制RNA复制酶RNA复制酶第12页，共76页，2023年，2月20日，星期二三、启动子启动子（promoter）：指的是RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段特定DNA序列，位于转录单位5’端上游区。

第13页，共76页，2023年，2月20日，星期二1．原核生物启动子原核生物启动子区域有3个功能部位：起始转录部位转录第一个核苷酸的碱基对（+1）、RNA聚合酶识别位点(-35)和结合位点（-10），其中后两项为启动子的核心区域。三、启动子第14页，共76页，2023年，2月20日，星期二3开始转录TTGACAAACTGT-35区RNA-pol结合位点(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205335RNA-pol辨认位点(Sextamabox)5RNA聚合酶保护区结构基因53原核生物启动子结构第15页，共76页，2023年，2月20日，星期二三、启动子2．真核生物启动子

真核生物有三种RNA聚合酶，每一种都有自己的启动子类型：RNA聚合酶I只转录rRNA，只有一种启动子类型；RNA聚合酶II转录mRNA，其启动子结构最为复杂；RNA聚合酶III负责转录tRNA和5SrRNA，其启动子位于转录的DNA序列之内，故称下游启动子。第16页，共76页，2023年，2月20日，星期二三、启动子2．真核生物启动子

真核生物RNA聚合酶II的启动子是多部位结构，主要有四个部位：帽子位点（capsite）：转录起始位点（+1）；TATA框:序列为TATA（A/T）A（A/T），决定了转录的起始点的选择；CAAT框:其一致的序列为GG（C/T）CAATCT，控制转录起始的频率；增强子（enhancer）：核心序列TGG（A/T）（A/T）（A/T），能使和它连锁的基因转录频率明显增加。第17页，共76页，2023年，2月20日，星期二真核生物启动子结构TATAbox（-25）CAATbox（-75）

增强子（>-100）

结构基因------------CAAT---TATA--转录起始点（+1）启动子转录方向第18页，共76页，2023年，2月20日，星期二四、转录过程（原核）（一）转录起始：1.RNA聚合酶通过识别位点并初步结合启动子；2.移动定位并牢固结合在结合位点上；3.在起始位点上建立一个开链式启动子复合物。第19页，共76页，2023年，2月20日，星期二转录起始过程闭链式二元复合物开链式二元复合物转录起始复合物RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3第20页，共76页，2023年，2月20日，星期二四、转录过程（原核）（二）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+PPi第21页，共76页，2023年，2月20日，星期二转录延长示意图编码链模板链核心酶转录方向第22页，共76页，2023年，2月20日，星期二转录延长（全貌）转录方向第23页，共76页，2023年，2月20日，星期二四、转录过程（原核）（三）转录终止终止子：提供转录停止信号的DNA序列。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。

原核生物有两种转录终止方式：依赖Rho(r)因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止第24页，共76页，2023年，2月20日，星期二四、转录过程（原核）（三）转录终止1.依赖r因子的转录终止模式ATPρ因子具有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。第25页，共76页，2023年，2月20日，星期二四、转录过程（原核）（三）转录终止2.非依赖r因子的转录终止模式 在转录后期，转录生成的RNA产物可形成特殊的“发夹（hairpin）”结构使RNA聚合酶变构，丧失其RNA聚合酶活性，导致转录终止。第26页，共76页，2023年，2月20日，星期二非依赖r因子的转录终止模式反向重复序列反向重复序列使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RNA-polRNA-pol第27页，共76页，2023年，2月20日，星期二原核生物转录过程总结1234567第28页，共76页，2023年，2月20日，星期二五、转录过程（真核）真核生物的转录过程也可以分为起始、延伸和终止三个阶段。真核生物转录起始需要各种转录因子（TF）与顺式作用元件相互结合，同时蛋白质因子之间也要相互识别、结合。能直接、间接辨认和结合真核生物基因顺式作用元件的蛋白质，统称为反式作用因子，直接或间接结合RNA聚合酶的反式作用因子，则称为转录因子。第29页，共76页，2023年，2月20日，星期二参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ*相应于RNA-polI、II、III的转录因子，分别称为TFI、TFII、TFIII。第30页，共76页，2023年，2月20日，星期二真核转录起始（动画）第31页，共76页，2023年，2月20日，星期二真核转录延长（动画）第32页，共76页，2023年，2月20日，星期二真核转录终止（动画）第33页，共76页，2023年，2月20日，星期二主要内容第一节、转录第二节、转录后的加工第二节、基因转录调控第34页，共76页，2023年，2月20日，星期二

基因转录的直接产物初级转录产物（primarytranscripts），必须经过转录后加工（post-transcriptionalprocessing），才会转变为有功能的RNA，即成熟RNA分子。一系列的加工修饰包括：RNA链的裂解5端与3端的切除特殊结构的形成剪接（splicing）碱基修饰和糖苷键改变第35页，共76页，2023年，2月20日，星期二一、原核生物mRNA的加工mRNA通常没有转录后的加工过程。rRNA需经剪切和修饰加工。剪切：将初级转录产物剪成16S、23S和5S三个片段修饰：核糖2’-羟基的甲基化tRNA的加工方式也是剪切和修饰。剪切：切除多余的核苷酸序列修饰：甲基化和3’-端加CCA第36页，共76页，2023年，2月20日，星期二二、真核生物mRNA的加工

真核生物的大多数基因都被插入序列（interveningsequence）即内含子（intron）所分隔而成为间断基因（interruptedgene）即外显子（exon）。内含子是真核细胞基因中的非编码序列，而外显子是指真核细胞基因中的编码序列。转录后需通过剪接反应去除非编码区（内含子）使编码区（外显子）成为连续序列。第37页，共76页，2023年，2月20日，星期二转录产物为hnRNA的真核基因结构示意图231转录起始点AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子

顺式作用元件结构基因1223112非编码序列非编码序列5′3′转录hnRNA231非编码序列非编码序列5′3′加工mRNA第38页，共76页，2023年，2月20日，星期二二、真核生物mRNA的加工由hnRNA转变成mRNA的加工修饰过程包括：（1）5’端形成特殊的帽子结构；（2）在链的3’端切断一段序列并加上多聚腺苷酸（polyA）尾巴；（3）通过剪接除去由内含子转录来的序列。第39页，共76页，2023年，2月20日，星期二帽子结构示意图“帽子”结构“帽子”结构N7甲基鸟苷酸（m7GpppX）“帽子”结构“帽子”结构核糖的2’OH同样可以被甲基化第40页，共76页，2023年，2月20日，星期二帽子结构的生成过程5pppGp…5GpppGp…pppGppi鸟苷酸转移酶5

m7GpppGp…甲基转移酶SAM5ppGp…磷酸酶Pi第41页，共76页，2023年，2月20日，星期二真核生物3’多聚腺苷酸生成过程第42页，共76页，2023年，2月20日，星期二加帽和加尾的意义加帽可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；也能与帽结合蛋白质复合体(cap-bindingcomplexofprotein)结合，并参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。加尾可以维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身的稳定性。第43页，共76页，2023年，2月20日，星期二RNA剪接

mRNA的前体（hnRNA）经过剪接体（spliceosome）加工处理，去除内含子，并将相邻外显子连接起来，形成有功能mRAN(成熟mRNA)，这一过程称为RNA剪接（RNAsplicing）。AB内含子外显子CDhnRNAABCD内含子（snRNA）mRNA第44页，共76页，2023年，2月20日，星期二剪接过程内含子外显子1外显子2hnRNA中间产物成熟mRNA降解第一次转酯反应第二次转酯反应第45页，共76页，2023年，2月20日，星期二剪接体的生成

剪接体（spliceosome）：是由细胞核小分子核糖核蛋白颗粒（snRNP）与hnRNA结合，使内含子形成套索并拉近上、下游外显子距离的复合体。hnRNA蛋白snRNA【U1、U2、U4、U5、U6】snRNP剪接体（spliceosome）成熟mRNA剪接体组分套索切下的内含子第46页，共76页，2023年，2月20日，星期二鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰hnRNA剪接、剪切及首尾修饰成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因第47页，共76页，2023年，2月20日，星期二RNA剪接（动画）第48页，共76页，2023年，2月20日，星期二大鼠降钙素基因的可变剪接甲状腺大脑第49页，共76页，2023年，2月20日，星期二真核mRNA转录后加工（动画）第50页，共76页，2023年，2月20日，星期二三、tRNA和rRNA加工（一）tRNA转录后的加工1.剪切与剪接RNase剪切剪接第51页，共76页，2023年，2月20日，星期二三、tRNA和rRNA加工（一）tRNA转录后的加工2.添加：添加3'氨基酸臂-CCAtRNA核苷酸转移酶、连接酶第52页，共76页，2023年，2月20日，星期二①②③④三、tRNA和rRNA加工（一）tRNA转录后的加工3.修饰①甲基化：GmG②还原：U

DHU③脱氨:A

I④转位:UΨ第53页，共76页，2023年，2月20日，星期二稀有碱基结构示意图第54页，共76页，2023年，2月20日，星期二三、tRNA和rRNA加工（二）rRNA转录后的加工1.甲基化：发生于45srRNA2.剪切：45S41S20S18S32S28S—5.8S28S5.8S（真核生物）DNA转录第55页，共76页，2023年，2月20日，星期二真核rRNA的加工过程甲基化甲基化群剪切45SrRNA成熟rRNA第56页，共76页，2023年，2月20日，星期二复制与转录的异同点相同点：需要DNA模板遵循碱基配对原则聚合反应形成磷酸二酯键合成方向为5'3'第57页，共76页，2023年，2月20日，星期二七、复制与转录的异同点不同点：DNA复制RNA转录模板两条链为模板其中一条链为模板合成方式半保留复制不对称转录聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶原料dNTPNTP碱基配对A:T/G:CA:U/G:C引物需要不需要产物双链DNA单链RNA第58页，共76页，2023年，2月20日，星期二主要内容第一节、转录第二节、转录后的加工第二节、基因转录调控第59页，共76页，2023年，2月20日，星期二一些基本概念基因（gene）：负载特定遗传信息的DNA片段，可以编码单个具有生物功能的产物，如RNA和多肽链，其结构包括由DNA编码序列、非编码调节序列和内含子组成的DNA区域。基因表达（geneexpression）：指基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物（如tRNA、rRNA等）的过程。基因表达调控（RegulationofGeneExpression）：指在不同时期和不同条件下，基因表达的开或关以及基因表达速率均受到调节和控制。第60页，共76页，2023年，2月20日，星期二一、原核细胞转录水平的调节—操纵子学说

操纵子（operon）：由几个功能相关的结构基因及其调控区组成一个基因表达单位。调控区由上游的启动子（promoter）和操纵区（operator）组成。操纵子有两种类型：

一类是诱导操纵子，即诱导基因，这些基因能因环境中某些物质的出现而被活化。

另一类是阻遏操纵子，即阻遏基因，一般情况下处于表达状态，但当其产物大量出现时即关闭。第61页，共76页，2023年，2月20日，星期二（一）乳糖操纵子1.乳糖操纵子的结构

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA第62页，共76页，2023年，2月20日，星期二（一）乳糖操纵子2.乳糖操纵子受到了阻遏蛋白的负性调控mRNA阻遏蛋白pol阻遏基因无乳糖存在时IDNAZYAOP第63页，共76页，2023年，2月20日，星期二（一）乳糖操纵子2.乳糖操纵子受到了阻遏蛋白的负性调控mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶IDNAZYAOP第64页，共76页，2023年，2月20日，星期二3.分解物基因激活蛋白（CAP）的正性调节有葡萄糖，cAMP浓度低，CAP未被激活，不能结合CAP位点无葡萄糖，cAMP浓度高，CAP被cAMP激活可结合CAP位点（一）乳糖操纵子++++

转录ZYAOPDNACAPCAPCAPsiteCAP第65页，共76页，2023年，2月20日，星期二CAP激活RNA聚合酶示意图

没有CAP结合CAP位点，RNA聚合酶仅具有低转录起始活性；但CAP结合CAP后，能显著提高RNA聚合酶的转录起始活性。第66页，共76页，2023年，2月20日，星期二（一）乳糖操纵子4.阻遏蛋白与CAP的协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对乳糖操纵子表达不起调控作用；当阻遏蛋白失活，基因开放时，无CAP的正性调控，乳糖操纵子仅处于低表达或不表达状态；当阻遏蛋白失活，基因开放时，CAP的正性调控使乳糖操纵子处于高表达状态。第67页，共76页，2023年，2月20日，星期二乳糖操纵子协调表达示意图mRNA低乳糖时高乳糖时葡萄糖低cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO【阻遏蛋白关闭基因】【基因高表达】【阻遏蛋白关闭基因】【无CAP，基因低表达】第68页，共76页，2023年，2月20日，星