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RNA的生物合成的生物合成RNA Biosynthesis第第 十二十二 章章本章内容第一节第一节 转录的酶和模板转录的酶和模板第二节第二节 转录过程转录过程第三节第三节 真核生物的转录后修饰真核生物的转录后修饰转录转录 (transcription)生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 。转转录录RNADNA 复制和转录的区别复制和转录的区别 参与转录的物质参与转录的物质原料原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板模板:DNA酶酶:RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子转录的酶和模板转录的酶和模板第一节第一节一、转录模板一、转录模板（一）不对称转录（一）不对称转录(asymmetric transcription)1.DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段，称为结构的区段，称为结构基因基因(structural gene)。2.DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生双链中按碱基配对规律能指引转录生成成RNA的一股单链，称为模板链的一股单链，称为模板链(template strand)，也称作有意义链或，也称作有意义链或Watson链。相对链。相对的另一股单链是编码链的另一股单链是编码链(coding strand)，也称，也称为反义链或为反义链或Crick链。链。5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla 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 3.不对称转录的含义不对称转录的含义 一是一是DNADNA链上只有部分的区段作为链上只有部分的区段作为转录模板转录模板(有意义链或模板链有意义链或模板链),),二是模板二是模板链并非自始至终位于同一股链并非自始至终位于同一股DNADNA单链上。单链上。（二）转录单位（二）转录单位 包括上游调控区、结构基因区、下包括上游调控区、结构基因区、下游转录终止区三个部分。游转录终止区三个部分。原核生物的转录单位称为操纵子，原核生物的转录单位称为操纵子，通常由通常由2个以上的编码序列与启动序列、个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。启动序列是成簇串联组成。启动序列是RNA聚合酶聚合酶结合并起动转录的特异结合并起动转录的特异DNA序列。序列。二、二、RNA聚合酶聚合酶（一）原核生物的（一）原核生物的RNA聚合酶聚合酶 核心酶核心酶(core enzyme)全酶全酶(holoenzyme)RNA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（二）真核生物的（二）真核生物的RNA聚合酶聚合酶 三、模板与酶的辨认、结合三、模板与酶的辨认、结合 原核生物一个转录区段可视为一原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子个转录单位，称为操纵子(operon)，包，包括若干个结构基因及其上游括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。的调控序列。5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-polRNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部位，称为的部位，称为启启动子动子(promoter)。RNA聚合聚合酶保护法酶保护法目目 录录开始转录开始转录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辨认位点辨认位点(recognition site)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 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 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列转录过程转录过程第二节第二节一、原核生物的转录过程一、原核生物的转录过程一）起始阶段（一）起始阶段 1.RNA聚合酶全酶聚合酶全酶(2)与模板与模板结合结合 2.DNA双链解开双链解开 3.在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物反应，形成转录起始复合物5-pppG-OH +NTP 5-pppGpN-OH 3 +ppiRNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3（二）延长阶段（二）延长阶段 1.亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着变构，与模板结合松弛，沿着DNA模模板前移；板前移；2.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。(NMP)n +NTP (NMP)n+1 +PPi转录空泡转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol（核心酶）（核心酶）DNA RNA目目 录录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（二）终止阶段（二）终止阶段指指RNA聚聚合合酶酶在在DNA模模板板上上停停顿顿下下来来不不再再前前进进，转转录录产产物物RNA链链从从转转录录复复合合物上脱落下来。物上脱落下来。分类：分类：1.依赖依赖Rho()因子的转录终止因子的转录终止 2.非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止 A T P1.依赖依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止2.非依赖非依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出基序列，转录出RNA后，后，RNA产物形成特殊产物形成特殊的结构来终止转录。的结构来终止转录。5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3 DNA UUUU.UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3茎环茎环(stem-loop)/发夹发夹(hairpin)结构结构茎环结构使转录终止的机理茎环结构使转录终止的机理 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。5pppG5 3 3 5 RNA-pol二、真核生物的转录过程二、真核生物的转录过程（一）起始阶段（一）起始阶段 真核生物的转录起始上游区段比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，原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。核生物复杂。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)1.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2.转录因子转录因子 能直接、间接辨认和结合转录上游区段能直接、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，统称为的蛋白质，现已发现数百种，统称为反反式作用因子式作用因子(trans-acting factors)。反式作用因子中，直接或间接结合反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为聚合酶的，则称为转录因子转录因子(transcriptional factors,TF)。参与参与RNA-pol转录的转录的TF 3.转录起始前复合物转录起始前复合物(pre-initiation complex,PIC)真核生物真核生物RNA-pol不与不与DNA分子直接结分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。合，而需依靠众多的转录因子。POL-TFFAB由由RNA-Pol 催化转录的催化转录的PIC POL-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化4.模板理论模板理论(piecing theory)一个真核生物基因的转录需要一个真核生物基因的转录需要3至至5个转个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。配而有针对性地结合、转录相应的基因。（二）延长阶段（二）延长阶段n真核生物转录延长过程与原核生物大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，没有转录致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。与翻译同步的现象。nRNA-pol前移处处都遇上核小体。前移处处都遇上核小体。n转录延长过程中可以观察到核小体移转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。位和解聚现象。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（三）终止阶段（三）终止阶段 和转录后修饰密切相关和转录后修饰密切相关5-AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA真核生物的转录后修饰真核生物的转录后修饰第三节第三节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、真核生物一、真核生物mRNA的转录后加工的转录后加工（一）首、尾修饰（一）首、尾修饰 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppGp)3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)帽子结构5 pppGp5 GpppGppppG ppi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶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（二）（二）mRNA内含子的剪接内含子的剪接 1.hnRNA 和和 snRNA n核内的初级核内的初级mRNA称为杂化核称为杂化核RNA(hetero-nuclear RNA,hnRNA)nsnRNA(small nuclear RNA)核内的蛋白质核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体小分子核糖核酸蛋白体（并接体（并接体,splicesome）snRNA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。2.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 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出现，在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟并表达为成熟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程中被隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。除去的核酸序列。鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录录、转转录录后后修修饰饰目目 录录鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图DNAmRNA目目 录录3.内含子的分类内含子的分类 根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为子分为4 4类。类。I I：主主要要存存在在于于线线粒粒体体、叶叶绿绿体体及及某某些些低低等等真真核生物的核生物的 rRNA基因；基因；II II：也也发发现现于于线线粒粒体体、叶叶绿绿体体，转转录录产产物物是是mRNA；IIIIII：是是常常见见的的形形成成套套索索结结构构后后剪剪接接，大大多多数数mRNA基因有此类内含子；基因有此类内含子；IVIV：是是tRNA基基因因及及其其初初级级转转录录产产物物中中的的内内含含子，剪接过程需酶及子，剪接过程需酶及ATP。4.mRNA的剪接的剪接 套索剪接模式套索剪接模式(1)内含子两端的序列：内含子两端的序列：5GU AG 3n5GU可结合可结合U1-snRNAn分支点分支点A可结合可结合U2-snRNA(2)U1-snRNA,U2-snRNA等形成并接体等形成并接体将内含子切除将内含子切除（三）（三）mRNA编辑编辑(mRNA editing)RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工化加工(differential RNA processing)。人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏apo B100（分子量为（分子量为500 000）肠道细胞肠道细胞apo B48（分子量为（分子量为240 000）mRNA编辑编辑二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工（一）剪接和剪切（一）剪接和剪切（二）（二）3端添加端添加CCA（三）化学修饰（三）化学修饰 RNAaseP、内切酶内切酶（一）剪接和剪切（一）剪接和剪切tRNA核苷酸转移酶、核苷酸转移酶、连接酶连接酶ATPADP（二）（二）3端添加端添加CCA（三）化学修饰（三）化学修饰（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 （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）三、三、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-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S四、核酶四、核酶ribozyme（一）定义：（一）定义：具有酶促活性的具有酶促活性的RNA称为核酶。称为核酶。四膜虫四膜虫rRNA内含子的二级结构内含子的二级结构四膜虫四膜虫rRNA的剪接采用的剪接采用自我剪接自我剪接方式方式5-端核苷酸序列端核苷酸序列（二）结构（二）结构 最简单的核酶二级结构最简单的核酶二级结构槌头状槌头状结构结构(hammerhead structure)底物部分底物部分通常为通常为60个核苷酸左右个核苷酸左右同同一一分分子子上上包包括括有有催催化化部份和底物部份部份和底物部份 催催化化部部份份和和底底物物部部份份组组成锤头结构成锤头结构（三）核酶研究的意义（三）核酶研究的意义n核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现，对中心法则作了重要补充；n核酶的发现是对传统酶学的挑战；核酶的发现是对传统酶学的挑战；n利用核酶的结构设计合成人工核酶利用核酶的结构设计合成人工核酶 。人工设计的核酶人工设计的核酶粗线表示合成的核酸分子粗线表示合成的核酸分子细线表示天然的核酸分子细线表示天然的核酸分子X 表示一致性序列表示一致性序列箭头表示切断点箭头表示切断点目目 录录