生物化学章合成加工

第十六章RNA的生物合成及转录后加工RNABiosynthesisandPost-transcriptionprocessingDNA依赖的RNA合成DNA-dependentRNASynthesis第一节转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA的过程。

转录RNADNA

复制和转录的比较原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他因子:Mg2+，Zn2+

等（一）RNA聚合酶能直接启动RNA链的合成一、RNA合成由RNA聚合酶催化参与转录的物质(NMP)n

+

NTP

(NMP)n+1

+PPi

RNA

延长的RNARNA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。总的反应可以表示为：DNA依赖的RNA聚合酶催化RNA的合成机制转录过程的特点:RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。RNA聚合酶和DNA的特殊序列——启动子(promoter)结合后，就能启动RNA合成。在RNA合成中会形成RNA-DNA杂合双螺旋和转录泡(transcriptionbubble)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。E.coli的RNA聚合酶催化的转录过程转录过程中DNA的超螺旋结构变化转录过程中DNA的超螺旋结构变化转录中起模板作用的只是两条互补DNA中的一条称为模板链(templatestrand)，与其互补的称为非模板链(nontemplatestrand)或编码链(codingstrand)

。5

CGCTATAGCGTTT3

DNA编码链3

GCGATATCGCAAA5

DNA模板链5

CGCUAUAGCGUUU3

RNA转录物DNA模板链、编码链和RNA转录本之间的关系不对称转录(asymmetrictranscription)

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；模板链并非永远在同一条单链上。腺病毒基因组编码信息的格局RNA转录3.6Х104bpDNA原核生物只有1种RNA聚合酶，催化合成mRNA、tRNA和rRNA。真核生物具有3种不同的RNA聚合酶，RNA聚合酶Ⅰ(RNAPolⅠ)、RNA聚合酶Ⅱ(RNAPolⅡ)和RNA聚合酶Ⅲ(RNAPolⅢ)。（二）原核生物有一种而真核生物有3种RNA聚合酶真核生物的RNA聚合酶核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

（三）RNA聚合酶是多亚基酶大肠杆菌RNA聚合酶

有证据表明，大肠杆菌RNA聚合酶还有第五个亚基(ω亚基)存在，其功能不详。所有真核生物的RNA聚合酶都有几个不同的大亚基和十几个小亚基酿酒酵母的聚合酶Ⅱ羧基末端结构域

(carboxyl-terminaldomain,CTD)RNA聚合酶Ⅱ最大亚基的羧基末端有一段共有序列为Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser重复序列片段这一序列在RNA聚合酶Ⅱ中是独一无二的。所有真核生物的RNA聚合酶Ⅱ都具有CTD，只是共有序列的重复程度不同。去磷酸化的CTD在转录起始中发挥作用。RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。二、RNA聚合酶通过结合启动子起动转录（一）原核RNA聚合酶的σ亚基能识别启动子开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205

3

3

5

原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点(recognitionsite)5

5

RNA聚合酶保护区结构基因3

3

-60富含A和T

UP元件E.coli的RNA聚合酶全酶(具有σ70

亚基)识别的典型启动子结构示意有些原核RNA聚合酶具有与σ70不同的σ亚基，这些RNA聚合酶所识别启动子的共有序列与含σ70亚基的RNA聚合酶所识别的启动子共有序列也不同。例如，识别和结合热休克基因(heat-shockgenes)启动子的RNA聚合酶具有的是σ32(分子质量32kD)，而不是σ70；识别与细胞移动和细胞化学趋化(chemotaxis)相关基因启动子的是σ28；识别与氮代谢相关基因启动子的是σ54。因子基因功用-35顺序间隔距离-10顺序σ70rpoD正常状态TTGACA10-18bpTATAATσ32rpoH热休克CNCTTGAA13-15bpCCCCATNTσ54rpoN氮的利用CTGGNA6bpTTCGAE.coli的不同σ因子识别不同的共同顺序通过不同的σ亚基，原核细胞能协同相关基因的表达，使细胞适应其所处的环境。原核生物转录的转录起始与延长1.RNA聚合酶识别结合启动子，形成闭合转录复合体

(closedtranscriptioncomplex)。2.闭合转录复合体变成开放转录复合体

(opentranscriptioncomplex)。3.转录复合体的构象发生改变，并离开启动子。4.当RNA聚合酶进入延长阶段，σ亚基即与RNA聚合酶解离。

σ

σ

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

E.coli的转录起始和延长（二）真核RNA聚合酶Ⅱ催化转录需要其他蛋白质因子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与模板的结合需要一些称为转录因子(transcriptionfactors)的蛋白质

，其起始过程比原核生物复杂。真核RNA聚合酶Ⅱ识别的启动子共有序列

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)。RNA聚合酶Ⅱ催化基因转录的过程可分为4个期：装配期起始期延长期终止RNA聚合酶Ⅱ转录起始和延长所需的蛋白质因子蛋白因子亚基数功能起始阶段TBP1特异识别TATA盒TFⅡA3稳定TFⅡB与TBP对启动子的结合TFⅡB1结合TBP,并结合聚合酶Ⅱ-TFⅡF复合体TFⅡE2结合TFⅡH,具有ATP酶和解旋酶的活性TFⅡF2紧密与聚合酶Ⅱ结合;也与TFⅡB结合;阻遏聚合酶Ⅱ和非特异的NA序列结合TFⅡH12有解旋酶的活性活性使DNA解开双链;使聚合酶Ⅱ的CTD磷酸化;结合核苷酸-切除修复蛋白真核生物的转录起始真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。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。POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡBPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-P闭合复合体组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化真核生物的闭合复合体的组装

真核生物的转录延长在整个延长期，TFⅡF始终与RNA聚合酶Ⅱ相连，并需要延长因子(elongationfactors)

。一旦RNA合成结束，转录即终止。RNA聚合酶Ⅱ去磷酸化，进入再循环，启动另一次转录。真核RNA聚合酶Ⅱ与通用转录因子的作用过程（三）真核RNA聚合酶Ⅰ和聚合酶Ⅲ启动转录与聚合酶Ⅱ基本相似RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ也有各自特异的通用转录因子，识别各自特异的DNA调控元件。聚合酶Ⅰ和聚合酶Ⅲ启动转录不需ATP，而聚合酶则Ⅱ需要水解ATP。真核生物RNA聚合酶Ⅰ启动的转录RNA-polⅠ识别的转录控制区两个：人rRNA基因上游调控元件和核心元件+1-100rRNA前基因上游调控元件核心元件转录区有两种DNA结合蛋白能使聚合酶Ⅰ准确地启动rRNA前体分子基因的转录，一种叫上游结合因子(upstreambindingfactor,UBF),UBF先与DNA结合，结合的部位是UCE和核心元件的上游部分，再由另一种叫选择性因子1(selectivityfactor1,SL1)结合，然后由聚合酶Ⅰ结合，并启动转录。SL1的一个亚基就是上面提到的TBP。UBF1SL1PolⅠ真核生物RNA聚合酶Ⅲ启动的转录RNA-polⅢ识别的启动子位于被转录的序列之中，称为内启动子

(internalpromoter)。

tRNA基因的内部启动子

tRNA基因AboxBbox5s-rRNA5sRNA基因的内部启动子Cbox起点boxAboxBTFⅢCTFⅢCTFⅢBPolⅢtRNA基因转录起始时，先由TFⅢC与A盒和B盒结合，然后TFⅢC和TFⅢB结合，后者再结合到转录起始点上游约30bp处，RNA聚合酶Ⅲ启动转录。5SrRNA基因转录起始时，先由另一个被称为TFⅢA的蛋白因子与C盒结合，然后TFⅢC与TFⅢA结合，再由TFⅢB与TFⅢC结合，RNA聚合酶Ⅲ启动转录。

boxAboxcTFⅢATFⅢATFⅢCTFⅢBPolⅢ起点5SrRNA基因转录tRNA基因转录RNA聚合酶缺乏有校读(proofreading)功能的3’至5’核酸外切酶活性，因此转录发生的错误率比复制发生的错误率高。但一个基因可以转录产生许多RNA拷贝，而且RNA最终是被降解和替代，所以转录产生错误RNA对细胞的影响远比复制产生错误DNA对细胞的影响小。RNA聚合酶缺乏校读(proofreading)功能三、不同的机制参与转录终止（一）ρ(rho)-不依赖转录终止发生在大肠杆菌特异的DNA序列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。5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5

TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构E.coli色氨酸操纵子mRNA转录物3

端的转录终止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

pppG53

35RNA-polATP（二）λ噬菌体和大肠杆菌的一些基因有ρ-依赖转录终止区富含CA的rut(rhoutilization)元件

真核生物的转录终止机制，迄今尚未阐明？RNA的加工RNAProcessing第二节一、真核mRNA成熟前经历首尾加工和中间剪接（一）mRNA前体在5

-末端加入“帽”结构5

端形成帽子结构(m7GpppGp—)加帽酶(cappingenzyme)有两个亚基，在加帽结构的过程中，此酶与RNA聚合酶Ⅱ的CTD结合在一起，一个亚基的作用是去除新生RNA的5

端核苷酸的γ-磷酸，另一个亚基的作用是将一个GTP分子中的GMP部分和新生RNA的5‘端结合，形成5

-5

三磷酸结构。真核mRNA5

-末端与7

-甲基鸟嘌呤核苷以5

，5

三磷酸连接键相连真核mRNA5

加帽过程（二）mRNA前体在3

部位特异位点断裂并聚腺苷酸化3

端加上多聚腺苷酸尾巴[poly（A）tail]5

------AAUAAA-5

------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点5

5

3

3

3加尾AAAAAAA······3mRNA

真核mRNA3

多聚腺苷酸化过程慢速多聚磷酸化AAUAAAG/UG/UG/UAAAAAAAAAAOHPAPAAAAAAAAAAOHAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAOHPoly(a)信号Poly(A)位点CPSFCPSFCPSFCFⅠ,CFⅡ,

CStFCF1CFⅡCStFPAPCStFCFⅡCF1CPSFPAP剪切CPSFOHPPAPCStFATPPPi降解PPABⅡPABⅡ快速多聚磷酸化PABⅡATPPPi真核mRNA3

多聚腺苷酸化过程真核生物结构基因，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。CABD编码区A、B、C、D非编码区（三）mRNA前体通过剪接去除内含子

外显子(exons)和内含子(introns)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。

70608010010095708045809080100808010010060GUA/GAGUCUA/GAC/UA/CAGNCAGG

出现几率(%)前体RNA5’外显子5’剪接位点分支点内含子3’剪接位点3’外显子嘧啶富含区（15b)20-50b内含子-外显子连接部位及内含子的特征序列真核mRNA前体剪接机制内含子-外显子连接部位及内含子的特征序列真核mRNA前体剪接机制大多数真核生物mRNA前体分子经过加工只能产生一种成熟的mRNA，翻译成相应的一种多肽。有些真核生物mRNA前体能被加工成不同的mRNA，这种真核生物mRNA前体分子具有一个以上的、加多聚腺苷酸的断裂和聚腺苷酸化的位点或/和选择性剪接(alternativesplicing)模式，这是一种真核生物mRNA前体分子产生一种以上mRNA的选择性加工机制的结构基础。

真核细胞转录物交替加工两种机制大鼠降钙素基因转录物交替加工二、rRNA和tRNA加工需要核酸酶催化（一）真核rRNA前体加工比原核复杂细菌的rRNA前体约有6，500个核苷酸，这个30SrRNA前体包含了16S、23S和5SrRNA以及tRNA序列，从rRNA基因转录而来。真核生物的45SrRNA前体约有14，000个核苷酸，含有18S、28S和5.8SrRNA序列，由rRNA基因编码，RNA聚合酶Ⅰ催化合成，而5SrRNA则由RNA聚合酶Ⅲ催化合成。细菌rRNA前体加工1标记的位置是RNaseⅢ作用位点2标记的位置是RNaseP作用位点3标记的位置是RNaseE的作用位点脊椎动物rRNA前体加工甲基化和断裂反应都需要小核仁RNA(smallnucleolarRNAs,snoRNAs)参与，snoRNAs和蛋白质形成小核仁核糖核蛋白颗粒(smallnucleolarribonucleo-proteinparticles,

snoRNPs)。45SrRNA前体分子合成后很快就与核糖体蛋白和核仁蛋白结合，形成80S前核糖核蛋白颗粒（pre-ribonucleo-proteinparticles，pre-rRNP），在细胞核内加工过程中形成一些中间核糖核蛋白颗粒，最后在细胞浆内形成核糖体的大亚基和小亚基。脊椎动物rRNA前体加工及形成核糖体过程（二）原核生物与真核生物tRNA前体加工基本相同RNAaseP、内切酶目录tRNA加工过程tRNA核苷酸转移酶、连接酶ATPADP目录碱基修饰（2）还原反应如：UD

（3）核苷内的转位反应如：Uψ（4）脱氨反应如：A

I

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）目录tRNA分子化学修饰产生稀有碱基tRNA前体内含子切除四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式三、RNA催化一些内含子的自剪接5

-端核苷酸序列四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式三、RNA催化一些内含子的自剪接自身剪接内含子的RNA具有催化功能，是一种核酶(ribozyme)。在其他单细胞生物体、线粒体、叶绿体的rRNA前体，一些噬菌体的mRNA前体及细菌tRNA前体也发现有这类自身剪接的内含子。按剪接机制的不同可分为组Ⅰ内含子(groupⅠintron)和组Ⅱ内含子(groupⅡintron)。组I、组II内含子的剪切四、有些mRNA经历编辑加工有些基因的蛋白质产物的氨基酸序列与基因初级转录物的序列并不完全对应，mRNA