RNA的生物合成简明教程.ppt

第第14章章RNA的生物合成RNA Biosynthesis ( Transcription )转录转录 (transcription) 是生物体是生物体以以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程转录转录RNADNA 第一节第一节 RNA RNA生物合成的概况生物合成的概况一、什么是转录？一、什么是转录？二、二、参与转录的物质：参与转录的物质：Ø原料原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) Ø模板模板: DNAØ酶酶 : RNA聚合酶聚合酶 (RNA polymerase, RNA-pol)Ø其他蛋白质因子其他蛋白质因子5′···GCAGTACATGTC ···3′3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′5′···GCAGUACAUGUC ···3′N······Ala · Val · His · Val ······C编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译（一）转录模板（一）转录模板（一）转录模板（一）转录模板DNA的两条链中只有一条可转录，的两条链中只有一条可转录，可作为模板按可作为模板按碱基配对碱基配对规律指引转规律指引转录生成录生成RNA，，称为模板链，也称作称为模板链，也称作有反义链有反义链或或Watson链链或或负链。

负链1、模板链、模板链 (template strand)2、编码链、编码链(coding strand)与模板链相对的另一条互补链称与模板链相对的另一条互补链称编码编码链链，也称为，也称为有义链有义链或或Crick链链或或正链正链 6060年代以前的表示方法与此相反年代以前的表示方法与此相反) )不对称转录：不对称转录：DNA分子上一条链可转录，另一分子上一条链可转录，另一条链不转录；条链不转录；模板链并非永远在同一单链上模板链并非永远在同一单链上结构基因结构基因(structural gene)：：能转录出能转录出mRNA然然后指导蛋白质合成的区段其余的后指导蛋白质合成的区段其余的DNA可能转可能转录录(rRNA, tRNA)，也可能不转录也可能不转录3、不对称转录、不对称转录(asymmetric transcription) 5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向以大肠杆菌为例以大肠杆菌为例Ø全酶：全酶：分子量为分子量为480 kD，由五种亚基组成，由五种亚基组成α2ββ′ω σ ，，Ø去掉去掉σ亚基称为亚基称为核心酶核心酶Øω 亚基的功能还不清楚。

亚基的功能还不清楚一、原核生物一、原核生物RNA聚合酶聚合酶第二节第二节 原核生物的转录原核生物的转录（（识别、识别、起始、延长和终止起始、延长和终止））核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme)         转录起始阶段转录起始阶段转录延长阶段转录延长阶段 ωω • 用于转录的起始用于转录的起始 • 依靠空间结构与依靠空间结构与DNA模板结合模板结合 (σ亚基亚基与核心酶结合后引起的构象变化与核心酶结合后引起的构象变化) • 专一性地与专一性地与DNA序列序列(启动子启动子)结合结合 全酶（全酶（Holo Enzyme））• 作用于转录的延伸过程作用于转录的延伸过程（终止）（终止）• 依靠静电引力与依靠静电引力与DNA模板结合（蛋白质模板结合（蛋白质中碱性基团与中碱性基团与DNA的磷酸根之间）的磷酸根之间）• 非专一性的结合（与非专一性的结合（与DNA的序列无关）的序列无关） 核心酶（核心酶（Core Enzyme））RNA聚合酶各亚基的功能聚合酶各亚基的功能Ø原核生物原核生物RNA聚合酶结合到聚合酶结合到DNA的启动区的启动区开开始转录，靠始转录，靠σ亚基亚基辨认启动区，启动辨认启动区，启动RNA的的合成。

合成Ø启动子（启动子（promoter，也称启动基因），也称启动基因）是指是指RNA聚合酶能识别、结合和开始转录的一段聚合酶能识别、结合和开始转录的一段DNA序列启动区具有共有的序列称为启动区具有共有的序列称为保守保守序列或一致性序列序列或一致性序列二、转录的起始二、转录的起始（一）模板的识别（一）模板的识别RNARNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合: :开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1-30-5010-10-40-205  3  3  5  原核生物启动子保守序列原核生物启动子保守序列RNA-pol识别位点识别位点5 5 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 原核生物中转录起始区的共同序列原核生物中转录起始区的共同序列（（1））RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)与模板与模板DNA上启动子的上启动子的-35区域结合，区域结合，即形成了闭即形成了闭合转录复合体合转录复合体(closed trancription complex) ；；（二）转录的起始（二）转录的起始（（2））DNA双链局部解开，双链局部解开，形成开放转录形成开放转录复合体复合体(open transcription complex) ；； （二）转录的起始（二）转录的起始加入的第一个核苷三磷酸常是加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或或ATP。

3）在）在RNA聚合酶聚合酶(β亚基亚基)作用下发生作用下发生第一次第一次聚合反应聚合反应，形成转录起始复合物：，形成转录起始复合物： RNA pol ( 2ω ) -DNA-pppGpN-OH-3 E. coli的转录起始的转录起始nσ亚基脱落亚基脱落，核心酶构象改变，与模板结，核心酶构象改变，与模板结合松弛，沿着合松弛，沿着DNA模板前移；模板前移；n在核心酶作用下，在核心酶作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链不断延长链不断延长nRNA的的5′ 端伸展在转录空泡之外端伸展在转录空泡之外n模板为模板为A，转录产物相应为，转录产物相应为U三、转录的延伸三、转录的延伸转录空泡转录空泡(transcription bubble)：：RNA-pol （核心酶）（核心酶） ···· DNA ···· RNA 形成的三元复合物形成的三元复合物转录延长：转录延长：5 3 DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶Ø在同一在同一DNADNA模板上，有多个转录同时在进行；模板上，有多个转录同时在进行；Ø转录尚未完成，翻译已在进行。

转录尚未完成，翻译已在进行 这种形状说明：这种形状说明：四、转录终止（四、转录终止（termination））终止子终止子：指能提供转录停止信号的：指能提供转录停止信号的DNA序列序列转录终止转录终止指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上不再模板上不再前进，转录产物前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落链从转录复合物上脱落下来终止过程：终止过程： 酶停止添加底物酶停止添加底物→→释放释放 RNA链链→→酶解离酶解离终止反应：终止反应：…杂合双链的氢键断裂，杂合双链的氢键断裂， …重新形成双螺旋，酶的解离重新形成双螺旋，酶的解离Ø终止因子：终止因子：指协助指协助RNARNA聚合酶识别终止聚合酶识别终止子的辅助因子（蛋白质），如子的辅助因子（蛋白质），如ρ因子因子原核生物的终止子分为两类原核生物的终止子分为两类n不依赖不依赖ρ因子的终止子：强终止子因子的终止子：强终止子n依赖依赖ρ因子的终止子：弱终止子因子的终止子：弱终止子☆☆终止子（终止子（terminator）：）：在转录的过在转录的过 程中程中 ，提供转录终止信号的核酸序列。

提供转录终止信号的核酸序列1、不依赖、不依赖ρ因子的终止子因子的终止子结构特征结构特征: ☻ 在终止点之前具有在终止点之前具有富含富含G-C的回文的回文区域，形成区域，形成 一个发夹结构一个发夹结构 ☻ 富含富含G-C的区域之后是的区域之后是一连串的一连串的dA碱碱基序列，基序列， 它们转录的它们转录的RNA链的末端为一连链的末端为一连串串U（连续（连续 6~8个）个）具有内在终止子具有内在终止子IRIR茎部富含茎部富含GC不依赖不依赖 ρ因子的终止子结构因子的终止子结构Øρ因因子子是是由由相相同同亚亚基基组组成成的的六六聚聚体体蛋蛋白白质质，，亚基分子量亚基分子量46kDØρ因子能因子能结合结合RNA，对，对polyC的结合的结合力最强Øρ因因子子还还有有NTP酶酶活活性性和和解解螺螺旋旋酶酶(helicase)的活性2、依赖、依赖ρ因子的转录终止因子的转录终止nρρ因子：因子： a、、ρ因子与因子与RNA结合（终止子上游的某一处）结合（终止子上游的某一处） b、、ρ因子沿因子沿RNARNA从从5 5’→3→3’’移动（移动（NTPNTP水解供水解供能）能）c c、、ρρ因子与因子与RNApolRNApol相互作用而造成转录的终止相互作用而造成转录的终止 ρρ因子对终止子的作用因子对终止子的作用无连续无连续 U串串G/C含含量量较较少少因子：因子：水解各种核苷三磷酸促使新生水解各种核苷三磷酸促使新生RNARNA链从三链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。

元转录复合物中解离出来，从而终止转录ρ结合上来追结合上来追赶赶RNApolρ追赶上来追赶上来（暂停）（暂停）ρ与与RNApol相互作用使杂相互作用使杂交链解链交链解链终止子终止子第三节、真核生物的转录过程第三节、真核生物的转录过程Ø真真核核生生物物的的转转录录过过程程比比原原核核复复杂杂二二者者的的转转录录起起始始过过程程有有较较大大区区别别，，转转录录终止也不相同终止也不相同 真核生物具有真核生物具有3 3种不同的种不同的RNARNA聚合酶聚合酶: :ØRNA聚合酶聚合酶Ⅰ（（RNA PolⅠ））ØRNA聚合酶聚合酶Ⅱ（（RNA PolⅡ））ØRNA聚合酶聚合酶Ⅲ（（RNA Pol Ⅲ））Ø三种三种RNARNA聚合酶专一地转录不同的基因，其转录过聚合酶专一地转录不同的基因，其转录过程和产物各不相同三种程和产物各不相同三种RNARNA聚合酶对聚合酶对鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱的敏的敏感性反应不同感性反应不同一、真核生物的一、真核生物的RNA聚合酶聚合酶 真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶种类种类RNA pol IRNA pol IIRNA pol III所合成的所合成的RNA前体前体rRNA（（ 5.8S, 18S, 28S））mRNA(hnRNA)及一些特殊及一些特殊的的RNA tRNA和和5S rRNA 在细胞内的分在细胞内的分布布核仁核仁核质核质核质核质对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感 真真核核生生物物的的转转录录起起始始上上游游区区段段比比原原核核生生物物多多样样化化。

转转录录起起始始时时，，RNA-polRNA-pol不不直直接接结合模板结合模板，其起始过程比原核生物复杂其起始过程比原核生物复杂二、转录起始二、转录起始 转录起始需要转录起始需要启动子启动子 、、RNA聚合酶聚合酶和和转录因子转录因子的参与，不同的参与，不同RNA聚合酶有其特聚合酶有其特异的启动子及特定的转录因子异的启动子及特定的转录因子真核生物启动子的结构核心启动子（核心启动子（core promoter））上游启动子元件（上游启动子元件（upstream promoter element，，UPE））核心启动子核心启动子:指保证指保证RNARNA聚合酶聚合酶ⅡⅡ转录正常起转录正常起始所必需的、最少的始所必需的、最少的DNADNA序列，包括转录序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游起始位点及转录起始位点上游TATATATA区区作用：作用：选择正确的转录起始位点，选择正确的转录起始位点， 保证精确起始保证精确起始TATA TATA 常在常在-25bp-25bp左右，相当于原核的左右，相当于原核的-10-10序列序列n一个典型的真核生物基因上游序列一个典型的真核生物基因上游序列: :5’3’调控序列调控序列TATA盒盒InrYYAN YYTA-30+1TATAAA转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增强子增强子顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：：ATTTGCAT八聚体八聚体转录因子转录因子Ø能能直直接接、、间间接接辨辨认认和和结结合合转转录录上上游游区区段段DNA的的蛋蛋白白质质，，现现已已发发现现数数百百种种，，统统称称为为反反式式作作用用因因子子(trans-acting factors)。

Ø反反式式作作用用因因子子中中，，直直接接或或间间接接结结合合RNA聚聚合合酶酶的的，，则则称称为为转转录录因因子子(transcriptional factors, TF)参与参与RNA-polⅡⅡ转录的转录的TFⅡⅡ转录起始前复合物转录起始前复合物真核生物真核生物RNA-pol不与不与DNA分子直分子直接结合，而需依靠众多的转录因子，形接结合，而需依靠众多的转录因子，形成成转录前起始复合物转录前起始复合物(pre-initiation complex, PIC) POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由由RNA-Pol Ⅱ催化催化转录的转录的PIC POL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFⅡH使使CTD磷酸化磷酸化三、延伸三、延伸Ø真核生物转录延长过程与原核生物大致相似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，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的没有转录与翻译同步的现象现象 ØRNA-pol前移处处都遇上核小体前移处处都遇上核小体Ø转录延长过程中可以观察到核小体移位和解转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。

聚现象 RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转转录录延延长长中中的的核核小小体体移移位位转录方向转录方向Ø真核生物的真核生物的真核生物的真核生物的转录终止转录终止转录终止转录终止，和，和，和，和转录后修饰转录后修饰转录后修饰转录后修饰同时进行同时进行同时进行同时进行Ø真核生物真核生物真核生物真核生物mRNAmRNA有聚腺苷酸有聚腺苷酸有聚腺苷酸有聚腺苷酸(poly A)(poly A)尾巴结构尾巴结构尾巴结构尾巴结构，，，，是转录后才加进去的是转录后才加进去的是转录后才加进去的是转录后才加进去的Ø转录不是在转录不是在转录不是在转录不是在poly Apoly A的位置上终止，而是超出数百的位置上终止，而是超出数百的位置上终止，而是超出数百的位置上终止，而是超出数百个乃至上千个核苷酸后才停顿已发现，在读码个乃至上千个核苷酸后才停顿已发现，在读码个乃至上千个核苷酸后才停顿已发现，在读码个乃至上千个核苷酸后才停顿已发现，在读码框架的下游，常有一组共同序列框架的下游，常有一组共同序列框架的下游，常有一组共同序列框架的下游，常有一组共同序列AATAAAAATAAA，，，，再下再下再下再下游还有相当多的游还有相当多的游还有相当多的游还有相当多的GTGT序列序列序列序列。

这些序列称为这些序列称为这些序列称为这些序列称为转录终转录终转录终转录终止的修饰点止的修饰点止的修饰点止的修饰点四、终止四、终止复制复制转录转录相相同同点点1、都以、都以DNA为模板为模板 2、原料为核苷酸、原料为核苷酸3、合成方向均为、合成方向均为5′→3′方向方向4、都需要依赖、都需要依赖DNA的聚合酶的聚合酶5、遵守碱基互补配对规律、遵守碱基互补配对规律 6、产物为多聚核苷酸链、产物为多聚核苷酸链不不同同点点模板模板两条链作为模板两条链作为模板模板链作为模板模板链作为模板原料原料dNTP NTP聚合酶聚合酶DNA 聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶产物产物子代子代DNA链链mRNA, rRNA, tRNA碱基配对碱基配对A-T, C-GA-U, C-G引物引物需要需要RNA引物引物不需要引物不需要引物合成方式合成方式半保留、半不连续复制半保留、半不连续复制不对称转录不对称转录复制和转录的异同点总结复制和转录的异同点总结第三节第三节 转录后加工（修饰）转录后加工（修饰）Ø由转录生成的由转录生成的RNA分子是分子是初级初级RNA转录转录产物产物(primary RNA transcript)，，几乎所几乎所有的初级有的初级RNA转录物都要经过加工，才转录物都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的能成为具有功能的成熟的RNA。

Ø加工主要在加工主要在细胞核细胞核中进行n几种主要的修饰方式：几种主要的修饰方式：1. 剪接剪接(splicing)2. 剪切剪切(cleavage)3. 修饰修饰(modification)4. 添加添加(addition)一、一、mRNAmRNA的转录后加工的转录后加工 原核生物原核生物mRNA转录后大多不需要转录后大多不需要加工，一经转录即可进行直接翻译加工，一经转录即可进行直接翻译 只有少数多顺反子只有少数多顺反子RNA需经过核酸需经过核酸内切酶切成较小的单位，再进行翻译内切酶切成较小的单位，再进行翻译真核生物真核生物mRNA前体：前体：hnRNA（一）真核生物（一）真核生物mRNA转录后加工转录后加工Ø大多数真核大多数真核大多数真核大多数真核mRNAmRNA的的的的5’-5’-末端有末端有末端有末端有7-7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤的帽的帽的帽的帽结构结构结构结构 (m7GpppG)(m7GpppG)，，，，由由由由三磷酸酶、鸟苷酸转移酶三磷酸酶、鸟苷酸转移酶三磷酸酶、鸟苷酸转移酶三磷酸酶、鸟苷酸转移酶（加帽酶）（加帽酶）（加帽酶）（加帽酶）和和和和甲基转移酶甲基转移酶甲基转移酶甲基转移酶催化生成。

催化生成催化生成催化生成 Ø意义：意义：意义：意义：可以保护可以保护可以保护可以保护mRNAmRNA免遭核酸酶的水解；也能免遭核酸酶的水解；也能免遭核酸酶的水解；也能免遭核酸酶的水解；也能与蛋白质结合，促进与蛋白质结合，促进与蛋白质结合，促进与蛋白质结合，促进mRNAmRNA与核糖体的结合，启与核糖体的结合，启与核糖体的结合，启与核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成动蛋白质的生物合成动蛋白质的生物合成动蛋白质的生物合成 1、、 5’-帽子结构的生成帽子结构的生成5  pppGp…5  GpppGp…pppG ppi鸟苷酸转鸟苷酸转移酶移酶5  m7GpppGp…甲基转移酶甲基转移酶SAM帽帽子子结结构构的的生生成成5  ppGp…磷酸酶磷酸酶 Pi2、、3’ 多聚腺苷酸多聚腺苷酸(polyA)尾尾 •核内的核内的初级初级mRNA称为称为核内杂化核内杂化RNA 或核内或核内不均一不均一RNA(hetero-nuclear RNA, hnRNA)upolyA的附加是在多聚的附加是在多聚A聚合酶即聚合酶即RNA末端腺末端腺苷酸转移酶催化下在苷酸转移酶催化下在核内核内完成的。

完成的upolyA尾巴同样可以和特定蛋白质结合，具有尾巴同样可以和特定蛋白质结合，具有保护保护mRNA不被核酸酶水解的作用不被核酸酶水解的作用真核生物结构基因，由若干个编码区和非真核生物结构基因，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的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因 （（1）断裂基因）断裂基因(splite gene)CABD编码区编码区 A、、B、、C、、D非编码区非编码区3、真核生物、真核生物mRNA前体的剪接前体的剪接（（2）） 外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron) •外显子：外显子：在断裂基因及其初级转录产物上在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟出现，并表达为成熟RNA的核酸序列的核酸序列•内含子：内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列程中被除去的核酸序列 二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工tRNA前体前体RNA pol IIITGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、、内切酶内切酶5′-端：端：一段前导序列一段前导序列 　　反密码子环：反密码子环：一段插入序列一段插入序列3′端：端：UU碱基碱基1、切除部分序列、切除部分序列: tRNA核苷酸核苷酸转移酶、连转移酶、连接酶接酶ATPADP2、、3′-端端CCA-OH的生成的生成tRNA核苷酸转移酶核苷酸转移酶3、碱基修饰、碱基修饰（（2）还原反应）还原反应 如：如：U  DHU （（3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U  ψ（（4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A  I 如：如：A  Am（（1）甲基化）甲基化（（1 1））（（1 1））（（3 3））（（2 2））（（4 4））Ø原核生物：原核生物：16S、、23S和和5S rRNA都来自于一个都来自于一个30S rRNA前体，前体两端及各前体，前体两端及各rRNA之间的间隔之间的间隔RNA需在加工中除去。

需在加工中除去Ø真核生物：真核生物：18S、、28S和和5.8S rRNA都由都由45S的前核的前核糖体糖体RNA经过转录后加工形成的，绝大多数经过转录后加工形成的，绝大多数5S rRNA是独立转录的是独立转录的三、三、rRNA的转录后加工的转录后加工真核生物真核生物rRNA的转录后加工的转录后加工转录转录45S - rRNA剪接剪接18S rRNA5.8S和和28S rRNArRNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S以以RNA为模板合成为模板合成RNA ，是病毒，是病毒RNA的的特殊繁殖方式特殊繁殖方式 RNA复制酶复制酶需要专一性的需要专一性的RNA模板，例模板，例如如Qβ噬菌体的噬菌体的RNA复制酶只能用复制酶只能用Qβ病毒病毒RNA为模板，它不用寄主的为模板，它不用寄主的RNA为模板 第四节第四节 RNA RNA复制复制一、一、RNARNA复制复制——RNA——RNA指导的指导的RNARNA合成合成。