遗传信息传递-RNA的生物合成（生物化学课件）

RNA转录体系首先，认识RNA转录体系包括：DNA模板四种核糖核苷酸（NTP）RNA聚合酶某些蛋白质因子及必要的无机离子转录因子（TF）和ρ因子（一）RNA转录的特征以DNA一条链的片断为模板

称为模板链1.模板另一条链称为编码链转录的不对称性5CGCTATAGCGTTT3DNA编码链3GCGATATCGCAAA5

DNA模板链5CGCUAUAGCGUUU3RNA转录物模板链并非永远在同一条单链上5335模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向2.参与转录的酶原核生物只有1种RNA聚合酶真核生物具有3种不同的RNA聚合酶，RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ以大肠杆菌RNA聚合酶为例……核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)RNA聚合酶是多亚基酶大肠杆菌RNA聚合酶

亚基能特异性地识别DNA模板链上的起始部位。2.真核生物的RNA聚合酶：3种RNApolⅠ：催化rRNA前体的生成RNApolⅡ：催化mRNA前体—hnRNA生成RNApolⅢ：催化tRNA前体、5SrRNA和小RNA生成3.RNA转录的方向RNA聚合酶通过在RNA的3-羟基端加入核苷酸延长RNA链，以5

到3方向合成RNA。4.其它特征RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。在RNA合成中会形成RNA-DNA杂合双螺旋和转录泡的特殊结构。RNA聚合酶向前移动时，DNA双螺旋伴有拓扑学的结构变化。

RNA聚合酶和DNA的特殊序列——启动子结合后，就能启动RNA合成。（一）转录起始转录起始需解决两个问题：RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。一、原核生物的转录过程2.DNA双链解开1.RNA聚合酶全酶(2)与模板结合3.在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3转录起始复合物:5-pppG-OH+

NTP5-pppGpN

-OH3+ppi转录起始过程转录起始中的事件解链形成转录空泡为首的为三磷酸GTP或ATP转录起始复合物(RNA-聚合酶全酶-DNA-pppGpN’-OH)第一个磷酯键形成后，亚基从转录起始复合物中脱落下来。RNA聚合酶沿DNA链向前移动。转录空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）

····DNA

····RNA（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转录的延长转录的延长是以5’到3’的方向进行的。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi以G=C、A=U、T=A碱基配对。转录完成部分的DNA重新形成双链。较长的RNA链上有核糖体结合，说明在某些情况下，转录的同时，翻译已经开始进行了。转录的过程转录的延长53DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶（三）转录的终止转录终止：是RNA聚合酶在模板上的某一位置停顿，RNA链从转录复合物上脱离出来。分为依赖Rho因子的转录终止和不依赖Rho因子的转录终止。1、依赖Rho因子的转录终止Rho因子的左右是使RNA-DNA杂化双链的短链变性，从而有利于转录产物从转录复合物中释放出来。ATP1.依赖Rho因子的转录终止2.非依赖Rho因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。2、非依赖Rho因子的转录终止5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构茎环结构使转录终止的机理使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。5´pppG5335RNA-pol不依赖Rho因子的转录终止模式RNA链出现茎-环结构，促进转录的终止。1.这样的结构改变RNA聚合酶的构象，使酶不再向下移动。2.DNA和RNA各自形成自己的局部双链，使杂化链更加不稳定，以致转录复合物趋于解体。接着的一串寡聚U，则更是促进RNA新链从模板上脱落的促进因素。转录的过程RNA转录过程可分为起始、延伸、终止三个阶段1.起始包括四个方面σ亚基起着识别DNA分子上起始信号的作用识别启动子RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。生成封闭型启动子复合物

得到开放型的启动子复合物

σ亚基被释放脱离核心酶DNA构象活化

解开DNA双链，识别其中的模板链该部位应该富含A-T碱基对，有利于DNA解链

动画演示转录启动过程…...σσ形成闭合启动子复合体形成开放启动子复合体RNA聚合酶识别结合启动子转录开始启动子清除转录延伸5’3’3’5’-35-10+1

另外：在起始位点的全酶结合第一个三磷酸核苷常是GTP或ATP。形成的启动子、全酶和三磷酸核苷复合物称为三元起始复合物。第一个核苷酸掺入的位置称为转录起始点。5’3’

2.延伸

核心酶沿模板移动，并按模板序列选择下一个核苷酸，将核苷酸加到生长的RNA链3′-OH端，催化形成磷酸二酯键。RNA-DNA的杂交区5’3’

杂交区结合不太牢固，解链后，DNA又恢复双螺旋结构

3.终止在DNA分子上有引起终止转录的特殊碱基序列称为终止子。分为依赖ρ因子型和非依赖ρ因子型以非依赖ρ因子型为例说明……5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA

5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`茎环/发夹结构转录的过程RNA转录过程可分为起始、延伸、终止三个阶段1.起始包括四个方面σ亚基起着识别DNA分子上起始信号的作用识别启动子RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。生成封闭型启动子复合物

得到开放型的启动子复合物

σ亚基被释放脱离核心酶DNA构象活化

解开DNA双链，识别其中的模板链该部位应该富含A-T碱基对，有利于DNA解链

动画演示转录启动过程…...σσ形成闭合启动子复合体形成开放启动子复合体RNA聚合酶识别结合启动子转录开始启动子清除转录延伸5’3’3’5’-35-10+1

另外：在起始位点的全酶结合第一个三磷酸核苷常是GTP或ATP。形成的启动子、全酶和三磷酸核苷复合物称为三元起始复合物。第一个核苷酸掺入的位置称为转录起始点。5’3’

2.延伸

核心酶沿模板移动，并按模板序列选择下一个核苷酸，将核苷酸加到生长的RNA链3′-OH端，催化形成磷酸二酯键。RNA-DNA的杂交区5’3’

杂交区结合不太牢固，解链后，DNA又恢复双螺旋结构

3.终止在DNA分子上有引起终止转录的特殊碱基序列称为终止子。分为依赖ρ因子型和非依赖ρ因子型以非依赖ρ因子型为例说明……5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA

5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`茎环/发夹结构二、真核生物的转录起始（一）转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒

增强子顺式作用元件(cis-actingelement)1.

转录起始前的上游区段

AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体2.

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，现已发现数百种，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)。参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ

3.转录起始前复合物(pre-initiationcomplex,PIC)真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化转录的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化4.模板理论(piecingtheory)一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。（二）转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。RNA-pol前移处处都遇上核小体。转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体转录延长中的核小体移位转录方向5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA······3mRNA（三）转录终止——

和转录后修饰密切相关。真核生物转录终止的特点真核生物mRNA带有聚腺苷酸尾巴的结构，这是转录之后加上的。在模板链读码框架的3’端之后，常有一组共同序列AATAAA，再下游还有相当多的GT序列，这些序列称为转录终止的修饰点。转录与复制的相似之处都以DNA为模板需要核苷酸作原料，从5’到3’延长；生成磷酸二酯键以连接核苷酸都遵从碱基配对规律都需要依赖DNA的聚合酶产物都是很长的多核苷酸转录和复制的区别转录后的修饰转录生成的RNA，称为初级转录产物。无论在真核生物或原核生物中，初级转录产物都经过一定程度的修饰加工，才能表现其功能。几种主要的修饰方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修饰(modification)4.

添加(addition)一、真核生物mRNA的转录后加工（一）首、尾的修饰

5端形成帽子结构(m7GpppGp—)3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)帽子结构5pppGp…5GpppGp…pppG

ppi鸟苷酸转移酶5

m7GpppGp…甲基转移酶SAM帽子结构的生成5ppGp…磷酸酶

Pi真核生物mRNA的转录后加工5’和3’首尾的修饰剪接5’加帽转录产物的第一个核苷酸pppG水解成5’-ppG或5’-pG与另一个三磷酸鸟苷生成三磷酸双鸟苷第二个鸟嘌呤被甲基化加帽出现在hnRNA中，说明可能在细胞核中完成，并在剪接之前。3’端加上聚腺苷酸尾巴真核生物mRNA中polyA的出现是不依赖于DNA模板的。加入polyA之前，先由核酸外切酶切去3’末端一些过剩的核苷酸，然后加入polyA。3’端修饰也是在细胞核中，在剪接之前进行的。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本身的稳定性。3’端修饰示意图（二）mRNA的剪接1.

hnRNA

和snRNA

核内的初级mRNA称为杂化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体（并接体,splicesome）snRNA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。断裂基因(splitegene)CABD编码区A、B、C、D非编码区2.外显子(exon)和内含子(intron)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。鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA真核细胞mRNA的剪接DNA模板与hnRNA是完全配对的，而成熟的mRNA与hnRNA或DNA杂交都只是部分配对。因此真核生物的基因有断裂性。断裂基因真核生物的结构基因，由若干个编码区被非编码区相互间隔开，但又连续镶嵌而成，因此真核生物的基因称为断裂基因。外显子代表了基因上编码氨基酸的核苷酸序列。内含子表示相应的非编码序列。原核生物结构基因是连续的编码序列，不是断裂基因。内含子的种类线粒体，叶绿体转录初级rRNA基因线粒体，叶绿体的mRNA形成套索状结构的剪接，由SnRNA和核内蛋白形成的核小核糖核酸蛋白来完成。tRNA基因。3.

内含子的分类根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4类。I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA；III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。snRNP与hnRNA结合成为并接体①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第二次转酯反应UpAGpU外显子1内含子外显子2G-OHUpUpGpA