1、第 十 一 章,RNA的生物合成 （转录） RNA Biosynthesis, Transcription,转录 (transcription) 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录,转录与复制相同点,模板都为DNA,都需依赖DNA的聚合酶,都形成磷酸二酯键,方向都为53,都遵循碱基互补配对规则,转录与复制不同点,第一节 原核生物转录的模板和RNA聚合酶,5 3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,对于一个基因组来讲，转录只发生在一部分基因， 而且每一个基因的转录都受到相对独立的控制。,DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因,一、原核生物转录的模板,模板链： 反意
2、义链（antisense strand ） 以该链中的DNA碱基顺序指导RNA的合成即被转录的那条DNA链。,编码链：有意义链（sense strand ） 不被转录的那条DNA链，但其碱基顺序除T代替U外，其余与mRNA相同。,1.模板链与编码链,5-GCAGTACATGTC-3编码链 DNA 3-c g t c a t g t a c a g-5模板链5-GCAGUACAUGUC-3 RNAN -Ala-Val-His-Val-C 蛋白质,2.不对称转录(asymmetric transcription),在DNA分子双链上某一区段，一条链用作模板指引转录，另一条链不转录 ； 模板链并非永
3、远在同一条单链上。,5 3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,二、原核生物RNA聚合酶,RNA聚合酶又称为DNA依赖的RNA聚合酶（ DDRP）,DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存在，而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。,( NMP )n + NTP ( NMP ) n+1 + PPi,RNA,延长的RNA,RNA合成的化学机制与DNA依赖的DNA聚合酶催化DNA合成相似。,全 酶 核 心 酶,亚基2 ,功能决定哪些基因被转录 结合底物，形成磷酸二酯键（催化） 结合模板（
4、开链） （核心酶参与转录全过程）识别起始点启动子（延长时脱落）,原核生物（E.coli）RNA聚合酶 1、 有4种(5个)亚基 、,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),2、一种酶催化3种RNA的合成 3、被利福平（结合亚基）所抑制,三、RNA聚合酶结合到DNA的启动子上起动转录,转录是不连续、分区段进行的。 每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)。操纵子包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。,调控序列中的启动子是RNA聚合酶结合模板DNA的部位，也是控制转录的关键部位。原核生物以RNA聚合酶全酶结合到DNA的启动子上而起动
5、转录，其中由亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。 对启动子的研究，常采用一种巧妙的方法即RNA聚合酶保护法。,RNA聚合酶保护法,开始转录,T T G A C A A A C T G T,-35 区,(Pribnow box),T A T A A T Pu A T A T T A Py,-10 区,RNA-pol辨认位点 (recognition site),用RNA聚合酶保护法研究转录起始区,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合:,原核生物的转录过程,第二节,一、转录起始需要RNA聚合酶全酶,2. DNA双链局部解开（10区 1217bp），形成开放转录复合体,1. RNA聚合酶全酶(2)与模板
6、结合，形成闭合转录复合体；,3. 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：,RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3,转录起始复合物:,5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi,第一个磷酸二酯键生成后，亚基即从转录起始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸，继续结合于DNA模板上，酶沿DNA链前移，进入延长阶段。,RNA-pol的移动,-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 +5 +10 +15 +20 +25,启动子保守序列,开始转录,转录起始点,E.coli的转录起始,1、RNA聚合酶（
7、核心酶） 与DNA模板紧密结合，沿35方向移动 解旋作用：DNA解开17 bp（拓扑异构酶） 聚合功能：NTP不断聚合（形成磷酸二酯键 ）RNA链不断延长。 （不具外切酶功能） 2、杂交螺旋 RNA-DNA形成12bp长的杂交螺旋 转录产物RNA沿53方向脱落、延长 RNA延长速度：40个核苷酸/秒/每分子酶 DNA双螺旋随后渐渐恢复（拓扑异构酶）,二、转录延长时蛋白质的翻译也同时进行,RNA-pol （核心酶） DNA RNA,目 录,目 录,5,3,DNA,核糖体,RNA,RNA聚合酶,在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行； 转录尚未完成，翻译已在进行。,这种形状说明：,依赖Rho 因
8、子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止,三、转录终止分为依赖(Rho)因子与非依赖因子两大类,转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为：,因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量46kD。 因子能结合RNA，又以对poly C的结合力最强。 因子还有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。,（一）依赖因子的转录终止,因子：,因子的作用原理：,目前认为，因子终止转录的作用是：与RNA转录产物结合，结合后因子和RNA聚合酶都可发生构象变化，从而使RNA聚合酶停顿，解螺旋酶的活
9、性使DNA/RNA杂化双链拆离，利于产物从转录复合物中释放 。,（二） 非依赖 Rho因子的转录终止,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。,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,RNA,5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3,DNA,5UUGCAGCC
10、UGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,近终止区的转录产物形成发夹(hairpin)结构是非依赖因子终止的普遍现象。,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。,第三节 真核生物的转录过程,真核生物的转录过程比原核复杂。二者的转录起始过程有较大区别，转录终止也不相同。,一、真核生物RNA聚合酶（三种）,类型 ,转录产物rRNA:18s,5.8s,28s hnRNA tRNA（100bp） ,5srRNA (120bp)、snRNA (90300bp),对鹅膏蕈碱的反应 不敏感
11、高度敏感 敏感（种差异） （利福平不敏感）,二、转录因子（真核生物）,类型型转录因子（TF ） 型转录因子（TF ） 型转录因子（TF ）,RNA聚合酶RNA Pol RNA Pol RNA Pol ,作用能结合到DNA的特殊序列 （原核RNA Pol亚基） 与RNA聚合酶结合，促进转录。,真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化 启动子（promoter）：是DNA上的特殊的序列，其中最重要的保守顺序称TATA (box)盒子，是RNA聚合酶结合部位 转录起始时，RNA-pol不直接结合模板启动子区需要转录因子先与启动子区结合，从而刺激转录。,一、转录起始,一个典型的真核生物基因上游序列:
12、,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件,转录起始前的上游区段,AATAAA,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,真核生物启动子保守序列,结构基因,启动子区,真核生物RNA聚合酶转录的基因及其转录起始上游序列,二 、转录延长,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。 转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。,转录延长中的核小体移位,RNApol前移将遇到核小体,原来绕在组蛋白上的DNA解聚及弯曲,一个区段转录毕，核小体移了位,三、转录终止,真核生物的
13、转录终止，是和转录后修饰密切相关的。 真核生物mRNA有聚腺苷酸(poly A)尾巴结构，是转录后才加进去的。 转录不是在poly A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，在读码框架的下游，常有一组共同序列AATAAA，再下游还有相当多的GT序列。这些序列称为转录终止的修饰点。,真核生物的转录终止及加尾修饰,真核生物RNA转录后的加工,第四节,几种主要的修饰方式,1. 剪接(splicing),2. 剪切(cleavage),4. 修饰(modification),5. 添加(addition),3. 连接（join）,mRNA的加工,RNA-pol的转录产物(hnRN
14、A),DNA在核内mRNA，免受核酸酶攻击 前体为核内不均一RNA（hnRNA） 加工成mRNA过程30%左右保留,一、真核生物mRNA的转录后加工,（一）首、尾的修饰,5端形成 帽子结构(m7GpppGp )3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail),增加mRNA的稳定性，免遭3 -5外切核酸酶的攻击。 维持mRNA作为翻译模板的活性(与mRNA寿命有关) 有人推测polyA可能与从细胞核转送到细胞质有关,帽子结构,5 pppGp,帽子结构的生成,加入polyA,加polyA尾巴,切去3端过剩碱基（核酸外切酶）,（二）mRNA的剪接,1. hnRNA 和 snRNA,核内的初级mRNA
15、称为不均一核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA),hnRNA是mRNA的前体，大几倍，几十倍,切去内含子,连接外显子,核酸内切酶剪切酶 snRNP,连接酶连接外显子,内含子（intron） 隔断基因线性表达的序列，不编码蛋白质,外显子（exon） mRNA前体中编码蛋白质的序列,2、mRNA内部的剪切,剪接接口： 5 GUAG-OH3,并接体:snRNP（U1 SnRNA, U2 SnRNA）与hnRNA内含子碱基互补结合于5 ，3端套索二次转酯反应切下内含子,第一次转酯反应,第二次转酯反应,二次转酯反应,pG-OH
16、 (ppG-OH, pppG-OH),剪接过程的二次转酯反应(twice transesterification),鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,目 录,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,DNA,mRNA,目 录,修饰包括mRNA分子核糖上2-羟基的甲基化反应和嘌呤碱的甲基化反应。（胞浆和核内） 编辑（editing）是指在转录后对mRNA序列中的碱基进行变换的过程,3. mRNA的编辑及修饰,转录仍在进行时，加帽、剪接和编辑就开始,转录仍在进行时，加帽、剪接和编辑就开始,rRNA前体的转换,二、rRNA的转录后加工,真核细胞的5S RNA基因与其他rRNA基因相分开 ，分别有 pol和 pol转录生成。 28S、5.8S与相关的蛋白质一起组成核糖体的大亚基。18S则是小亚基的成分。 加工方式：剪接、修饰。甲基化碱基的甲基化修饰和部分核糖的2-OH甲基化反应,rRNA前体的加工,三、tRNA的转录后加工,tRNA前体,DHU和T环的模板,内含子,RNAaseP（5）外切酶（3）,可溶性的酶复合物 （内含子）,tRNA核苷酸转移酶、连接酶,1ATP 2CTP,ADP CDP,碱基修饰,
