第13章-RNA生物合成

第十三章

RNA的生物合成（转录）

transcription转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA的过程。转录RNADNA

参与转录的物质底物(substrate):

NTP(ATP、UTP、GTP、CTP)模板(template)

:DNA酶:依赖DNA的

RNA聚合酶,

简称RNA聚合酶

(RNApolymerase,RNA-pol)其他：蛋白质因子、Mg2+、Mn2+第一节RNA合成中的模板和酶一、转录模板1结构基因(structuralgene):

能转录出RNA(mRNA、rRNA和tRNA)的DNA区段。2不对称转录(asymmetrictranscription):DNA的一些区段可以转录出RNA，另一些不能转录出RNA。在DNA双链上，一股链可转录，另一股链不转录；转录区不总是在同一单链上。5’3’5’3’2.方框内的DNA区段为结构基因为模板链(templestrand)

按碱基配对规律指导转录生成RNA1.箭头示转录产物及转录方向4.为编码链(codingstrand)5’…GCAGTACATGTC…3’3’…cgtcatgtacag…5’DNA5’…GCAGUACAUGUC…3’mRNAN…AlaValHisVal…C多肽链转录翻译编码链模板链*编码链又称为有意义链，模板链又称为反义链

RNA聚合酶(DNAdependentRNApolymerase,RNApol)

,全称依赖DNA的RNA聚合酶(DDRP),也称转录酶（transcriptase)

。原核生物（E.Coli）RNApol

由α2ββ′σ

共5个亚基组成。α

2ββ′核心酶(coreenzyme)二、RNA聚合酶α2ββ′

σ全酶(holoenzyme)σ亚基+σ全酶(holoenzyme)

核心酶(coreenzyme)

（一）原核生物的RNA聚合酶β

聚合酶功能σ辨认转录起始点β′结合DNA模板（开链）大肠杆菌RNA聚合酶亚基的功能α

决定哪些基因被转录类型主要功能被利福平结合而抑制ααββ’TTGACATATAAT-35原核生物的RNA聚合酶及其在转录起始区的结合σ-10σ70(典型)σ32（应激）Heatshockprotein(Hsp)热激蛋白（二）真核生物的RNA聚合酶真核生物RNApol的种类与功能种类转录产物对鹅膏蕈碱的敏感性

RNApolⅠ

RNApolⅡ

RNApol

Ⅲ45S是5.8S、18S和28SrRNA的前体hnRNA是mRNA的前体45SrRNA

不敏感hnRNA

极敏感tRNA、5S-rRNA中度敏感和snRNA

小分子核内核糖核酸(smallnuclearRNA，snRNA)

真核生物的RNA聚合酶亚基的功能50kD中亚基1α亚基小亚基Ⅰ(10)Ⅱ(7)

Ⅲ(11)

σ亚基(识别起始点)类型数目/每个酶对应于原核功能＞100kD大亚基2β和β′亚基(催化)★3种pol

的大亚基C末端aa序列均为(YSPTSPS)n;★

n=20-60,与种属有关,称羧基末端结构域(CTD);★含带羟基的Y(酪)\S(丝)\T(苏),可被磷酸化;★

polⅡ的磷酸化在从转录起始过渡到延长时重要。PS1S2S3启动子OPromoter调控序列结构基因

操纵子

结合RNA聚合酶表达功能蛋白?I三、RNA聚合酶与模板的辨认结合操纵子（operon）:

原核生物的转录单位RNA聚合酶保护法RNA聚合酶保护区结构基因终止点-10转录开始+1-35模板与酶的辨认结合TTGACATATAAT（Pribnowbox）RNApol辨认结合区转录起始区共有序列第二节RNA生物合成(转录)过程起始

(initiation)

延长

(elongation)

终止

(termination)（一）原核生物的转录起始σ亚基辨认-35区RNApol

全酶移向-10区合成第一个磷酸二酯键5’-pppGpN-OH-3’转录起始复合物RNApol(α2ββ′σ)—DNA—pppGpN-OHσ亚基脱落(进入延长阶段)（结合松弛）（结合较紧密）转录起始不需引物！pppG-OH

+pppN-OHγβαRNApol5´-pppGpN-OH-3´+PPi1.

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（二）转录延长转录空泡(酶-DNA-RNA形成的转录复合物）RNA稳定性：GC>AT>AUtranscriptionbubble

RNApol（核心酶）DNA原核生物转录延长与蛋白质合成同 时进行

多个转录同时进行原核生物转录的特点：多聚核糖体(polysome)

（三）转录终止1.依赖Rho（ρ）因子的转录终止2.非依赖ρ因子的转录终止ρ因子1.识别结合富含C的RNA链功能2.ATPase活性3.解螺旋酶活性ρ因子+ATP5′3′Polymerase富含C1.依赖Rho（ρ）因子的转录终止RNApol5′3′RNApol失活ρ因子解螺旋，使RNA脱落RNA转录后，形成特殊的结构，以终止转录。2.非依赖ρ因子的转录终止特点：1.RNA单链内部接近终止区域有富含G-C配对区，形成稳定的二级结构。2.在发夹结构的下游有polyU结构。茎环（stemloop）或发夹（hairpin）结构UUGCAGCCUGAGAAAUCAGGCUGAUGG…5′3′…5′3′自发形成发夹结构（E.coli

rpl-L3’末端）第1个茎环AUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUU5′3′UUUU……5′3′自发形成茎环结构第2个茎环UUUU………..5′3′1.茎环结构改变RNApol的结构，使其失活2.茎环结构的形成使转录复合物趋于解体，polyU加速这一过程。GpN结构基因RNApol识别结合生成起始复合物转录延长转录终止启动子终止点pppGpppG原核生物的转录过程σ二、真核生物的转录转录起始点上游-25bp区段多数有共同的TATA序列，称为Hogness盒或TATA盒。不同物种、不同细胞、不同的基因，可以有不同的上游DNA序列，但都可统称为顺式作用元件(cis-actingelement)。（一）转录起始1.转录起始点的上游序列(upstreamsquences)与基因表达调控有关的DNA非编码序列，统称为顺式作用元件。真正转录终止点GCGC-CAAT-TATA..ATGAATAAA修饰点外显子内含子翻译起始转录起始TATA盒(Hognessbox)CAAT盒GC盒增强子切离加尾真核生物RNApolⅡ转录的基因翻译终止能直接或间接辨认、结合顺式作用元件，从而调节基因表达的一类蛋白质因子。反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的蛋白质因子。2.反式作用因子(trans-actingfactor)转录因子(transcriptionalfactor,TF)参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ转录因子功能TFⅡA稳定TFⅡD-DNA复合物TFⅡB促进polⅡ结合TFⅡDTBP结合TATA盒TAF辅助TBP-DNA结合TFⅡEATPaseTFⅡF解螺旋酶TFⅡH蛋白激酶活性,使CTD磷酸化TAF：TBPassociatedfactorsTBP辅因子TBP：TATAbindingproteinTATA结合蛋白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。ⅡAⅡB由RNA-Pol

Ⅱ催化转录的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡECTD-PPIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化ⅡAⅡBTBPTAFTATA拼板理论(piecingtheory)一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间不同方案组合，生成有活性、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。

按不同组合，人类约３.５万个基因，估计需转录因子３００余个即可。（二）转录延长*polⅡ大亚基CTD被TFⅡH磷酸化才能离开起动子区域并进入延长阶段。*真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但没有转录与翻译同步的现象。*

RNA-pol前移处处都遇上核小体。

*转录延长过程中随RNApol前移，可以观察到核小体移位或解聚现象。转录延长中的核小体移位和解聚RNA-Pol核小体转录方向移位RNA-PolRNA-Pol解聚及弯曲（三）真核生物的转录终止AAUAAAGUGUGUGAATAAAGTGTGT3′processing（核酸内切酶）—AAUAAA—Poly(A)NucleaseHelicasehnRNA5’Release转录终止修饰点pausepolII（一）真核生物mRNA的剪接

1.hnRNA

(heterogeneousnuclearRNA)富含Ｕ不均一核RNA，核内未被剪接的有内含子的mRNA前体。2.

snRNA

(smallnuclearRNA)种类：U1，U2，U3，U4，U5，U6等。几个重要概念第三节RNA的转录后加工一、真核生物新生mRNA的剪接和修饰核内小RNAsnRNP（小分子核糖核蛋白体）

(RNA剪接的场所)

核内蛋白质snRNA4.断裂基因(splitgene)真核生物的结构基因中，外显子被内含子间隔开，但连续镶嵌，为一个连续完整的蛋白质编码。这种基因称为断裂基因。3.外显子(exon)和内含子(intron)真核生物结构基因中的编码序列，称为外显子，非编码序列称为内含子。SPreBCA成熟的mRNA5′——3′SPreBCCAhnRNA胰岛素基因断裂基因的概念内含子的分类

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。内含子的功能，两种观点：1.内含子是在进化中出现和消失的，是进化过程中的遗迹，无实质性意义。2.内含子影响剪切效率及剪切位置，在基因表达中有调控功能。真核生物mRNA的剪接过程剪接体(splicesome)识别结合hnRNA内含子5’及3’区域2.形成套索RNA(lariatRNA)，外显子靠近3.两步转酯反应，切去内含子，连接外显子（剪接体是snRNP与hnRNA结合）外显子内含子DNAmRNA转录形成套索RNA，外显子靠近剪接体去除套索RNA，外显子连接成熟mRNACAUUCAUAUGAUGU外显子1外显子2GUAAGUAUACUACAAG5’3’内含子分支点U1U2剪接体形成套索RNA外显子靠近GpUE1E2UpAI1U-OHE1GpUE2pAI1pG-OH第一步转酯第二步转酯intronexon1exon2UpUE1G-OHE2pAI1ppG\pppG（二）mRNA编辑☆mRNAediting是指转录后的RNA在编码区发生碱基的加入、删除或转换等现象。☆使翻译生成的蛋白质的氨基酸组成，不同于基因序列中的编码信息。☆使得一个基因序列有可能产生几种不同的蛋白质，这可能是生物在长期进化过程中形成的、更经济有效地扩展原有遗传信息的机制。☆基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工(differentialRNAprocessing)。图13-38

分化加工(differentialRNAprocessing)513kDApoB100ApoB485´GpppG…鸟苷酸转移酶5´…m7GpppG…RNA甲基转移酶磷酸酶PPi5´pG…5´pppG…RNAGTPSAMSAHhnRNA+nATPpolyA聚合酶Mg2+RNA-(A)n+nPPi加帽加尾Pi在hnRNA

5’端加上m7GpppG--在hnRNA

3’端加上polyA（三）mRNA首、尾的修饰加帽加尾的意义：1.蛋白质翻译起始所需2.mRNA稳定性所需3.polyA尾与mRNA转位、作为翻译模板及其稳定有关G二、tRNA的转录后加工DHU—loopT

looptRNA的初级转录产物RNApolIIIIntronExonAnticodonloop二氢尿嘧啶(反密码子环)加工

tRNA的初级产物成熟tRNA内切酶RNaseP连接酶转移酶氨基酸臂CCA—OH的生成：核苷酸转移酶催化碱基修饰（2）还原反应如：U

DHU（3）核苷内的转位反应如：U

ψ（4）脱氨反应如：A

I（1）（1）（3）（2）（4）如：A

mA

（1）甲基化

G

mG

三、rRNA的转录后加工真核生物rRNA的基因属于丰富基因族的DNA序列，也即高度重复的串联基因(tandemgene)，或称为高度重复序列DNA。45srDNA45srRNA18s，5.8s，28s

rRNARNApolI45srDNA间隔区(spacer)内含子外显子5srDNA5srRNARNApolIII转录(RNApolI)45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA内含子内含子28S5.8S18S最早发现四膜虫rRNA的剪接不需要任何蛋白质参与即可发生，说明rRNA本身就有酶的催化作用。概念：具有酶促活性(催化功能)的RNA。四、核酶(ribozyme)核酶发现的意义：1.对传统酶学提出挑战2.生物进化中的意义3.潜在的基因治疗的有力工具切割点槌头型(hammerheadstructure)核酶的结构GU

GNNNNNNNNNN

3'5'

N

C

A

A

NNNA

NNNA

C

N

A

N

C

U

G1.至少有3个茎2.1—3个环3.至少有13个一致性序列切割点切割点XXXNXXX5’