1、第十三章 RNA的生物合成 RNA Biosynthesis,转录：以一段DNA的为模板，在RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)作用下，合成出对应的RNA的过程。RNA的复制：RNA指导的RNA合成。,RNA的生物合成的两长途径,一、DNA指导的RNA合成（转录）,（一）转录的特点 1、转录的不对称性 结构基因并不位于DNA的两条链上.能转录RNA的那条DNA链称为有意义链(模板链、负链），而与之互补的另一条链称为反意义链（编码链、正链、无义链）。,2、转录的连续性RNA转录合成时，以DNA作为模板，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链。,3、转录的单向性RN
2、A转录合成时，所依赖的模板DNA链的方向为35，而RNA链的合成方向为53。,4、有特定的起始和终止位点 RNA转录合成时，模板链上有特定的起始位点和终止位点，两者之间的DNA链构成一个转录单位。,复制和转录的区别,（二）RNA转录合成的条件,底物：四种核糖核苷三磷酸，即ATP，GTP，CTP，UTP。 模板(template)：DNA双链的一条链的一段。 RNA聚合酶（DDRP）：该酶在单链DNA模板以及四种NTP存在的条件下，不需要引物，即可从53聚合RNA。 终止因子,（三）RNA聚合酶,全酶由五个亚基构成，即2。 亚基与转录起始点的识别有关，而在转录合成开始后被释放，余下的部分（2）被
3、称为核心酶。,1. 原核生物的RNA聚合酶,大肠杆菌RNA聚合酶全酶,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,2.真核RNA聚合酶,酵母RNA聚合酶和,（四）RNA转录合成的基本过程,1. 原核生物的转录 (1)RNA-pol 识别并结合于启动子(promoter) 原核生物RNA聚合酶的因子识别转录起点，并促使核心酶结合和组装成全酶复合物。 启动子（promoter): 位于基因上游的与RNA聚合酶识别、结合并起始转录的一段DNA顺序。是RNA聚合酶结合DNA的位点.,RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子。,原核生物中转
4、录起始区的共同序列:,RNA-pol识别并结合到-35区, 后滑至-10区并启动转录,RNA聚合酶全酶(2)与模板结合后，DNA双链解开，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 5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi,因子从全酶上脱离，余下的核心酶变构，与模板结合松驰，继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合，RNA链不断延长。,(2)转录起始和延伸,转录泡(transcription bubble) ：是由DNA双链、RNA聚合酶与新合成的转录本RNA局部形成的结构,它贯穿于延长过程的始终。,5,3,DNA,原核生物转录过程中的
5、羽毛状现象,核糖体,RNA,RNA聚合酶,(3)转录的终止,终止子（terminator）是指所转录的RNA行将结束时，模板DNA分子上出现的终止信号的序列。,当RNA合成到一定长度时，RNA聚合酶遇到终止信号（终止子terminater）,RNA聚合酶和转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来，转录完成。,转录的终止有两种方式：非依赖Rho ()因子的转录终止依赖Rho因子的转录终止,a.终止点上游存在一个富含GC碱基的二重对称区，转录产生的RNA易形成发夹结构(hairpin)或茎环结构（stem-loop）阻止RNA聚合酶继续前进。, 非依赖 Rho因子的转录终止,DNA模板上靠近终止处，
6、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。,b.终止点前有一段由4-8个A组成的序列，因此转录产物的3端为寡聚U，使新生链易于脱落DNA链 。,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。, 依赖蛋白质因子而实现的终止作用，这种蛋白质辅因子称为释放因子（因子）。RNA合成起始后，因子即附着在新生的RNA链上，沿RNA链移动跟踪聚合酶，因子赶上在终止位点暂停的聚合酶后促使新生的RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。,因子,2. 真核生物的转录,(1）真核生物结构基因的结构,类型 细胞内定位 催化转录产物
7、对鹅膏蕈碱的反应 核仁 rRNA前体 耐受 核质 mRNA前体 极敏感 核质 5SrRNA tRNA 中度敏感,（2）真核细胞RNA聚合酶,(3）真核生物的启动子,真核生物的3类RNA聚合酶分别负责类、类和类基因的转录, 启动子也分为类、类和类,类启动子 由RNA聚合酶I负责转录的rRNA基因，其启动子由两部分序列构成：一为核心启动子（core promoter）由-45+20位核苷酸组成；二为上游调控元件由-170-107位序列组成，能有效地增强转录效率。,类启动子,由RNA聚合酶负责转录的是5SrRNA、tRNA和某些snRNA，其类启动子可被分为三个亚类。两亚类5S rRNA和tRNA基
8、因的启动子是内部启动子（internal promoter），位于转录起始位点的下游，都由两部分组成。第三亚类启动子由三个部分组成，位于转录起始位点上游。,类启动子,由RNA聚合酶II负责转录的II类基因包括所有蛋白质编码基因和部分snRNA基因。后者的启动子结构与III类基因启动子中的第三种类型相似，编码蛋白质的II类基因启动子在结构上有共同的保守序列。 II启动子： 核心启动子(core promoter)TATA盒，-25-35bp 上游启动子元件(upstream promotor elements,UPE)：CAAT 盒；GC盒等，通过TF II复合物来提高转录效率。,结构基因,-G
9、CGC-CAAT-TATA,真核生物II类启动子的保守序列,TATA盒是基因启动子（promoter）的主要元件，它与RNA聚合酶结合并调节转录的开始， 该盒是许多通用转录因子的装配位点（assembly site），这是RNA聚合酶II转录真核基因至关重要的前提。另外的CAAT盒和GC盒，它们对RNA聚合酶起始基因的基础水平的转录往往是必需的。CAAT盒、GC盒决定RNA聚合酶转录基因的效率。它们与转录因子结合，参与基因表达调控。,（4）真核生物的基因调控序列2：增强子,增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。远离转录起始点（130kb）。位于基因编码区上游、下游或内部，与
10、转录激活子结合。,增强子的性质与作用：,1、增强效应与其位置和取向无关。 2、大多为重复序列，一般长约50bp 。 3、增强效应有严密的组织和细胞特异性。 4、没有基因专一性。 5、许多增强子还受外部信号的调控。 6、增强子通过结合转录因子（转录激活子）发挥作用。,（5）转录因子(transcriptional factor),为DNA结合蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）.分为三类：（a）通用/基本转录因子：RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。 TFA、 TFB、 TFD、 TFE、 TFH等（b）特异转录因子：个别基因转录所必需的转录因子. OCT-2：在淋巴细胞中特
11、异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。 （c）反应元件相结合的转录因子,（6）真核与原核转录系统的异同：,真核的染色体和核小体结构对转录有影响； 真核细胞RNA聚合酶高度分工； 真核启动子以外的序列参与调节基因的转录； 真核转录与翻译不存在偶联； 真核转录的产物多为单顺反子，而原核多为多顺反子。 真核生物的转录需多种转录因子的参与。,转录起始复合物的形成与转录起始,（7）真核生物的转录过程,转录开始首先是转录起始复合物的形成 ，启动子与转录因子结合后，才能被RNA pol识别并结合到-25-30区的TATA盒。,RNA聚合酶的转录起始过程,a. 首先是IF-D（TAF+TBP）结合于TATA
12、 box,TBP:TATA-binding protein TAFs:TBP associated factors,b. 断而是IF-A、B与TATA box结合；,c. 在F协同下，RNA-pol 结合到TATA box结合；,d. 接着A、H、J等与之结合共同组成起始复合物，DNA解链并开始转录。,RNA链的延伸,转录起始复合物形成后，某些转录因子脱离，RNA聚合酶沿解开的模板单链滑动和合成，新生的RNA链不断延长。在真核细胞中，常常观察到多个RNA聚合酶同时转录同一模板的情况，各自合成的不同长度RNA链，如非洲爪蟾的灯刷染色体。,对真核细胞转录的终止了解较少。有研究表明，真核转录的转录终
13、止序列是在3端之后有共同序列AATAAA及多个GT序列，mRNA在转录终止序列处被切断,转录的终止,二、RNA转录后的加工修饰,（一）mRNA的转录后加工1原核mRNA前体的加工 原核mRNA是多顺反子,每分子RNA中含几种蛋白质信息，RNA寿命短，转录没完成时，翻译已经开始 。例:乳糖操纵子，含Z,Y,A三个基因,分别编码半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶,2真核mRNA前体的加工,hnRNA: 为mRNA的前体,转录物中外显子与内含子间隔排列，需经剪接加工后生成mRNA。,（1）加帽(adding cap)： 即在mRNA的5-端加上m7GpppGp的结构。有三类：CAPO、CAP1、CAO
14、P2型。 此过程发生在细胞核内，即hnRNA即可进行加帽。 加工过程：首先是在磷酸酶的作用下，将5-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化。,5加帽,（2）3加尾,AAUAAA,AAAAAAAAA.,加尾,AATAAA,GTGTGTG,AAUAAA,GUGUGUG,AAUAAA,GUGUGUG,酶切,转录的终止,加尾信号,GC丰富序列,polyA尾（约20200个A）,A,A,A,A,A,A,（3）剪接（splicing)： 真核生物中的结构基因基本上都是断裂基因。结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序被称为外显子，而不能指导多肽链合成的非编码顺序就被称为
15、内含子。真核生物hnRNA的剪接通过形成套索状结构而将内含子切除掉。,外显子,内含子,DNA,mRNA,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mRNA,mRNA的剪接,小核糖核蛋白体参加剪辑过程,哺乳类mRNA二级结构U1snRNA组成,剪辑需要大量反平行RNA碱基对的重新组织,小核糖核蛋白体形成剪接体,剪接体装配过程,（4）内部甲基化： 由甲基化酶催化，对某些碱基进行甲基化处理。,（二）rRNA转录后加工,1原核rRNA前体的加工,2真核rRNA前体的加工,四膜虫前rRNA的自身剪接,（三）tRNA转录后的加工修饰,表示核酸内切酶的作用,表示核苷酸转移酶的
16、作用,表示核酸外切酶的作用,表示异构化酶的作用,三、RNA的复制,（一）RNA的复制RNA 病毒的遗传信息贮存在RNA分子中，当它们进入宿主细胞后，靠复制而传代，它们在RNA指导的RNA聚合酶催化下，以RNA为模板，按53方向合成互补的RNA分子。,（二）RNA生物合成的抑制剂,1嘌呤和嘧啶类似物 2DNA模板功能的抑制剂能插入DNA分子中阻止RNA聚合酶沿模板的移动。 （1）烷化剂 （2）放线菌素D （3）嵌入染料如吖啶 3RNA聚合酶的抑制物 （1）利福霉素/平：能与原核RNA-pol的b亚基结合 （2）-鹅膏蕈碱：特异的阻断真核RNA聚合酶,（三）RNA的降解,所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解RNA。真核生物mRNA降解的主要途径首先是poly(A)尾巴的缩短，去腺苷酸化能诱发脱去5端帽子结构，然后由53方向和35方向降解mRNA。,
