RNA Biosynthesis ( Transcription ) 第16章 RNA的生物合成 RNA Biosynthesis ( Transcription )

一、教学目的 在掌握原核生物转录的基础上，熟悉真核生物RNA转录后的加工修饰。 二、教学要求 1、掌握RNA生物合成的模板、原核生物RNA聚合酶的组成及转录的过程。 2、熟悉真核生物RNA聚合酶的分类及其功能和转录后的加工修饰。 3、了解RNA复制的概念，RNA聚合酶的抑制剂，真核生物转录起始和终止。

在生物界，RNA合成有两种方式：  一是DNA指导的RNA合成，也叫转录，此为生物体内的主要合成方式，也是本章介绍的主要内容。 另一种是RNA指导的RNA合成(RNA-dependent RNA synthesis)，也叫RNA复制(RNA replication), 由RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase)催化，常见于病毒，是逆转录病毒以外的RNA病毒在宿主细胞以病毒的单链RNA为模板合成RNA的方式。

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

小结 复制和转录的区别

参与转录的物质： 原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA 酶 : RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子

Templates & Enzymes in Prokaryotic Transcription 第一节 原核生物转录的模板和酶 Templates & Enzymes in Prokaryotic Transcription

一、原核生物转录的模板 DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structural gene)。 转录的这种选择性称为不对称转录(asymmetric transcription)，它有两方面含义：1.在DNA分子双链上，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录； 2.其二是模板链并非总是在同一单链上。

DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(template strand)，也称作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。 5′···GCAGTACATGTC ···3′ 编码链 3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′ 模板链 转录 5′···GCAGUACAUGUC ···3′ mRNA 翻译 蛋白质 N······Ala · Val · His · Val ······C

不对称转录 结构基因 转录方向 5 3 3 5 编码链 模板链 模板链 编码链 转录方向

( NMP )n + NTP → ( NMP ) n+1 + PPi 二、RNA合成由RNA聚合酶催化 （一）RNA聚合酶能直接启动RNA链的合成 DNA依赖的RNA聚合酶(DDRP)催化合成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。 ( NMP )n + NTP → ( NMP ) n+1 + PPi RNA 延长的RNA

RNA聚合酶作用特点 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。

（二）RNA聚合酶由多个亚基组成

核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme)        转录延长阶段 转录起始阶段

案例

案例 利福平为利福霉素类半合成广谱抗菌药，通用名：利福平片，英文名：RIFAMPICINTABLETS。抗结核病药，本品为糖衣片。除去包衣后显橙红色或暗红色。对多种病原微生物均有抗菌活性。利福平口服吸收良好，服药后1.5～4小时血药浓度达峰值。本品与其他抗结核药联合用于各种结核病的初治与复治，包括结核性脑膜炎的治疗。 利福平与依赖DNA的RNA多聚酶的β亚单位牢固结合，抑制细菌RNA的合成，防止该酶与DNA结合，从而阻断RNA转录过程，使DNA和蛋白的合成停止。

案例 利福平发明于1965年，利福平的发现使结核病的治疗又发生了一次更大的飞跃，有的专家对利福平的抗结核作用评价非常高，认为现在抗痨治疗已进入利福平时代，并认为过去要手术治疗的结核病，有了利福平完全可以不需手术而把病情控制下来。我们在实际工作中，已证明利福平是一种很好的抗痨药。 利福平的灭菌特性为：它与结核菌的菌体核糖核酸聚合酶结合后，干扰脱氧核糖核酸及蛋白质的合成，从而达到了灭菌的目的。另外，利福平还对好多种细菌有抗菌作用，所以，利福平不仅可以治疗结核病还可以在其他疾病中起抗菌消炎作用。

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。 53 35 结构基因 调控序列 RNA-pol

调控序列中的启动子是RNA聚合酶结合模板DNA的部位，也是控制转录起始的关键部位。

RNA聚合酶保护法

用RNA聚合酶保护法研究转录起始区 RNA聚合酶保护区 结构基因 5 3 5  3  -35 区 开始转录 -10 区 -30 -50 10 -10 -40 -20 5  3  -35 区 开始转录 -10 区 T T G A C A A A C T G T T A T A A T Pu A T A T T A Py RNA-pol辨认位点 (recognition site) (Pribnow box)

RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合:

The Process of Transcription in Prokaryote 第二节 原核生物的转录过程 The Process of Transcription in Prokaryote

一、转录起始需要RNA聚合酶全酶 转录起始需解决两个问题： RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。 DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。

E.coli的转录起始和延长

1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合，形成闭合转录复合体(closed transcription complex) ； 转录起始过程： 1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合，形成闭合转录复合体(closed transcription complex) ； 2. DNA双链局部解开，形成开放转录复合体(open transcription complex) ； 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： 5-pppG -OH + NTP  5-pppGpN - OH 3 + ppi 转录起始复合物: RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3

第一个磷酸二酯键生成后，σ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。

二、 原核生物的转录延长时蛋白质的翻译也同时进行 1. 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

转录空泡(transcription bubble)： RNA-pol （核心酶） ···· DNA ···· RNA

转录延长：

DNA RNA RNA聚合酶 核糖体 这种形状说明： 原核生物转录过程中的羽毛状现象 5 DNA 3 RNA RNA聚合酶 核糖体 这种形状说明： 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。

三、原核生物转录终止分为依赖ρ(Rho)因子与非依赖ρ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： 依赖Rho 因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止

（一）依赖ρ因子的转录终止 ρ因子： ρ因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量46kD。 ρ因子能结合RNA，又以对poly C的结合力最强。 ρ因子还有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。

ρ因子的作用原理：

目前认为，ρ因子终止转录的作用是：与RNA转录产物结合，结合后ρ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。

DNA RNA UUUU...… UUUU...… 近终止区的转录产物形成发夹(hairpin)结构是非依赖ρ因子终止的普遍现象。 5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT... 3 5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3` 5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3` 5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3` RNA UUUU...… UUUU...… 近终止区的转录产物形成发夹(hairpin)结构是非依赖ρ因子终止的普遍现象。

RNA-pol 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。 5´pppG 5 3 35 RNA-pol 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。

The Process of Transcription in Eukaryote 第三节 真核生物的转录过程 The Process of Transcription in Eukaryote

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、 真核生物有三种DNA依赖性RNA聚合酶 RNA聚合酶Ⅰ（RNA PolⅠ） RNA聚合酶Ⅱ（RNA PolⅡ） RNA聚合酶Ⅲ（RNA Pol Ⅲ）

真核生物的RNA聚合酶

二、转录起始需要启动子 、RNA聚合酶和转录因子的参与 （一）转录起始前的上游区段具有启动子核心序列 不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始点上游可以有不同的DNA序列，但这些序列都可统称为顺式作用元件(cis-acting element)。

一个典型的真核生物基因上游序列: 5’ 3’ 调控序列 TATA盒 Inr YYAN YY T A -30 +1 TATAAA

顺式作用元件包括启动子、启动子上游元件(upstream promoter elements)或promoter-proximal elements)等近端调控元件和增强子(enhancer)等远隔序列。 起始点上游多数有共同的TATA序列，称为Hognest盒或TATA盒(TATA box)。通常认为这就是启动子的核心序列。

许多RNA聚合酶II识别的启动子具有保守的共有序列：位于转录起始点附近的起始子(intiator，Inr) 。 启动子上游元件是位于TATA盒上游的DNA序列，多在转录起始点约-40～-100nt的位置，比较常见的是GC盒和CAAT盒。 增强子是能够结合特异基因调节蛋白， 促进邻近或远隔特定基因表达的DNA序列。

顺式作用元件(cis-acting element) 修饰点 切离加尾 AATAAA 翻译起始点 外显子 转录起始点 内含子 转录终止点 增强子 TATA盒 OCT-1 CAAT盒 OCT-1：ATTTGCAT八聚体 GC盒

真核生物RNA聚合酶Ⅱ转录的基因及其转录起始上游序列

（二） 转录因子 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，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(transcriptional factors, TF)。

参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ

三 、真核生物转录延长过程中没有转录与翻译同步的现象 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。

教学要求 执业医师资格考试题的讨论； A．一个启动序列和一个编码基因 B．一个启动序列和数个编码基因 C．数个启动序列和一个编码基因 课堂小结，布置复习思考题的内容， 执业医师资格考试题的讨论； 执业医师资格考试真题 1 ．一个操纵子通常含有 2002 A．一个启动序列和一个编码基因 B．一个启动序列和数个编码基因 C．数个启动序列和一个编码基因 D．数个启动序列和数个编码基因 E．两个启动序列和数个编码基因 本题正确答案：B

执业医师资格考试真题 2.原核生物DNA分子上能被RNA聚合酶特异结合的部位叫作 2000 A．外显子 B．增强子 C．密码子 D．终止子 E．启动子 本题正确答案：E

Post-transcriptional Modification of Eukaryotic RNA 第四节 真核生物RNA的加工 Post-transcriptional Modification of Eukaryotic RNA

真核生物转录生成的RNA分子是初级RNA转录物(primary RNA transcript)，几乎所有的初级RNA转录物都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的RNA。 加工主要在细胞核中进行。

几种主要的修饰方式： 1. 剪接(splicing) 2. 剪切(cleavage) 3. 修饰(modification) 4. 添加(addition)

一、真核生物mRNA的加工包括首、尾修饰和剪接 这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种酶，加帽酶(capping enzyme)和甲基转移酶(methyltransferase)催化完成。

帽子结构：

帽子结构的生成过程： 5 ppGp… 5 pppGp… 5 GpppGp… 5 m7GpppGp… Pi ppi 磷酸酶 鸟苷酸转移酶 5 m7GpppGp… 甲基转移酶 SAM

帽子结构的意义： 可以使mRNA免遭核酸酶的攻击； 也能与帽结合蛋白质复合体(cap-binding complex of protein)结合，并参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。

（二）前体mRNA在3’端特异位点断裂并加上多聚腺苷酸尾 1. hnRNA 和 snRNA 核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA) 核内的蛋白质 小分子核糖核酸蛋白体 （并接体, splicesome） snRNA

尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。 poly A的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。 一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其poly A长度为100至200个核苷酸之间，也有少数例外。 前体mRNA分子的断裂和加多聚腺苷酸尾是多步骤过程。

断裂基因(splite gene) C A B D 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。 C A B D 非编码区 编码区 A、B、C、D

2. 外显子(exon)和内含子(intron) 外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。 内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。

鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰 鸡卵清蛋白基因 hnRNA 首、尾修饰 hnRNA剪接 成熟的mRNA

鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图

4. mRNA的剪接 —— 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。 snRNP与hnRNA结合成为并接体 ①

5. mRNA的编辑(mRNA editing) 人类apo B基因 mRNA（14500个核苷酸） 肝脏 apo B100 （分子量为500 000） 肠道细胞 apo B48 （分子量为240 000） mRNA编辑 • RNA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，因此也称为分化加工(differential RNA processing)。

二、tRNA的转录后加工 TGGCNNAGTGC GGTTCGANNCC DNA RNA pol Ⅲ tRNA前体

RNAaseP、内切酶

tRNA核苷酸转移酶、连接酶 ATP ADP

碱基修饰 （1）甲基化 如：A  Am （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 （4）

三、rRNA的转录后加工 转录 剪接 rDNA 28S 5.8S 18S 45S - rRNA 5.8S和28S-rRNA 内含子 28S 5.8S 18S 转录 45S - rRNA 剪接 5.8S和28S-rRNA 18S - rRNA

四、核 酶 核酶(ribozyme) 具有酶促活性的RNA称为核酶。

四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式 四膜虫rRNA内含子的二级结构 5´-端核苷酸序列

除rRNA外，tRNA、mRNA的加工也可采用自我剪接方式。 最简单的核酶二级结构——槌头状结构 (hammerhead structure) 通常为60个核苷酸左右 同一分子上包括有催化部份和底物部份 催化部份和底物部份组成锤头结构 底物部分

核酶研究的意义 核酶的发现，对中心法则作了重要补充； 核酶的发现是对传统酶学的挑战； 利用核酶的结构设计合成人工核酶。

人工设计的核酶 粗线表示合成的核酸分子 细线表示天然的核酸分子 X 表示一致性序列 箭头表示切断点