The biochemistry and molecular biology department of CMU 第十一章 RNA 生物合成 (转录) RNA Biosynthesis (Transcription) The biochemistry and molecular biology department of CMU

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

转录与复制的相似点： 　1. 模板均为DNA； 　2. 延长机理都是形成磷酸二酯键； 　3. 方向均为5′→3′。　

转录和复制的区别 复制 转录 模板 DNA双链 DNA的一条链 原料 引物 需要 不需要 酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶 产物 DNA dNTP (N=A、G、C、T) NTP(N=A、G、C、U) 引物 需要 不需要 酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶 产物 DNA RNA 配对 A-T、G-C A-U、T-A、G-C

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 of Transcription and Enzymes 第一节 转录的模板和酶 Templates of Transcription and Enzymes

一、转录模板 编码链 (coding strand) 模板链 模板链 (template strand) 编码链 能转录出RNA的DNA区段

另一条互补链称为编码链，又叫反义链（antisense strand）或 Crick链。 　　　双链DNA分子中能作为模板转录出RNA的那条链，称为模板链。又叫有意义链（sense strand）或Watson链。 　　　另一条互补链称为编码链，又叫反义链（antisense strand）或 Crick链。

　　　转录产物RNA的碱基序列，除了 T 变U 外，其余与编码链相同。

(asymmetric transcription) 不对称转录 　　(asymmetric transcription) 在DNA分子双链上某一区段，一股链可转录，另一股链不转录； 模板链并非永远在同一单链上。

二、RNA聚合酶（DDRP） E.coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的六聚体（ 2   ） 1. 原核生物的RNA聚合酶

RNA聚合酶全酶及核心酶电泳图谱

E. coli RNA聚合酶组分 亚基 分子量 功 能  36512 决定哪些基因被转录  150618 催化功能  155613 结合DNA模板  70263 辨认起始点

结核药利福平或利福霉素的特异性抑制。这类药物能与RNA聚合酶的亚基特异结合，从而影响酶的活性。 　　其他原核生物的RNA聚合酶，在结构、组成、功能上均与E.coli相似。 　　原核生物的 RNA聚合酶都受一类抗 结核药利福平或利福霉素的特异性抑制。这类药物能与RNA聚合酶的亚基特异结合，从而影响酶的活性。

RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合

2. 真核生物的RNA聚合酶 种类 I II III 转录产物 45S-rRNA hnRNA 5S-rRNA tRNA, snRNA 对鹅膏蕈碱的反应 不敏感 极敏感 中度敏感

最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA聚合酶Ⅱ是三种酶中最活跃的。 亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。 　　mRNA是各种RNA中寿命最短、 最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA聚合酶Ⅱ是三种酶中最活跃的。

三、酶与模板的辨认结合 原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。 　RNA聚合酶结合模板DNA的部位称为启动子(promoter)。是调控转录的关键部位。

RNA聚合酶保护法

原核生物启动子保守序列 RNA聚合酶保护区 结构基因 5 3 5  3  开始转录 -35 区 -10 区 T T G A C A -30 -50 10 -10 -40 -20 5  3  开始转录 -35 区 -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 原核生物启动子保守序列

原核生物启动子 －35区：一致性序列为TTGACA 是RNA-pol的辨认位点 －10区：一致性序列为TATAAT 又叫Pribnow盒

真核生物启动子

The Process of Transcription 第二节 转录过程 The Process of Transcription

分为三个阶段： 起始(initiation) 延长(elongation) 终止(termination)

一、原核生物的转录过程 （一）转录起始 1. RNA聚合酶结合在转录模板的起始区域。 　2. DNA双链解开，以一条链为模板，合成第一个磷酸二酯键。

转录起始过程 1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合。 2. DNA双链解开。 5-pppG -OH + NTP  5-pppGpN - OH 3 + PPi

RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3 转录起始复合物 RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3

（二）转录延长 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

转录泡（transcription bubble）： 在转录延长过程中，由局部打开的DNA双链、RNA聚合酶核心酶及新生成的RNA三者结合在一起的复合体，为空泡状结构，又称转录复合物。

电镜下原核生物转录过程中的羽毛状现象 转录未完成，翻译已开始进行。

转录的起始及延长过程

(三) 转录终止 RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。 分类： 依赖Rho (ρ)因子的转录终止

1. 依赖ρ因子的转录终止 因子是同六聚体蛋白； 因子能结合RNA，与poly C的结合力最强； 因子还有ATP酶和解螺旋酶的活性。

DNA模板上靠近终止处，有特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。 2. 不依赖ρ因子的转录终止 　DNA模板上靠近终止处，有特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。

茎环结构终止转录的机理 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。

二、真核生物的转录过程 （一）转录起始 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，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。

1. 转录起始前的上游区段 顺式作用元件(cis-acting element) 修饰点 切离加尾 翻译起始点 外显子 转录起始点 内含子 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 GC盒 OCT-1：ATTTGCAT八聚体

2. 转录因子 能直接或间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，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(trans-criptional factors, TF)。

参与RNA-pol Ⅱ转录的TFⅡ 转录因子 亚基和(或)分子量（kDa） 功能 TFⅡD TBP，38 结合TATA盒 TAF 辅助TBP-DNA结合 TFⅡA 12，19，35 稳定ⅡD-DNA复合物 TFⅡB 33 促进RNA-polⅡ结合 TFⅡF 30，74 解螺旋酶 TFⅡE 57()，34(β) ATPase TFⅡH 蛋白激酶，使CTD磷酸化

(pre-initiation complex, PIC) 3. 转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC) 真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。

TBP TAF TF II H

4. 拼板理论(piecing theory) 一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性和专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。

（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。

核小体 转录延长中的核小体移位 RNA-Pol 转录方向 RNA-Pol RNA-Pol

（三）转录终止

Post-transcriptional Modification 第三节 真核生物的转录后修饰 Post-transcriptional Modification

一、mRNA的转录后加工 (一)首尾的修饰 1. 5´-端加帽：m7GpppG—— 2. 3´-端加尾：多聚腺苷酸 (poly A)

帽子结构

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

加帽过程

核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) 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

断裂基因(splite gene) 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。 非编码区 A~G 编码区1~7

2. 外显子(exon)和内含子(intron) 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。

鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图

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

3. 内含子的分类 I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的 rRNA基因； II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA； III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子； IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。

Transcript modification Unit of transcription in a DNA strand 3’ 5’

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

二次转酯反应

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） 小肠 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 tRNA前体

RNAaseP、内切酶 连接酶

tRNA核苷酸 转移酶

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 18S 5.8S 28S 45S - rRNA 18S - rRNA 内含子 内含子 转录 45S - rRNA 剪接 18S - rRNA 5.8S和28S-rRNA

四、核 酶 核酶(ribozyme) 具有酶促活性的RNA称为核酶。

四膜虫rRNA内含子的二级结构

(hammerhead structure) 最简单的核酶二级结构——槌头状结构　　　 　　　　　　　(hammerhead structure) 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

复习思考题： 1. 概念 （1）转录 （2）不对称转录 （3）结构基因 （4）核心酶 （5）外显子 （6）内含子 （7）模板链 （8）启动子 （1）转录 （2）不对称转录 （3）结构基因 （4）核心酶 （5）外显子 （6）内含子 （7）模板链 （8）启动子 （9）核酶 （10）Pribnow盒

3. RNA聚合酶与DNA聚合酶作用的异同点。 4. 试述原核生物启动子的结构特点及功 能。 5. 原核生物与真核生物RNA聚合酶有何异 2. 复制与转录的异同点。 3. RNA聚合酶与DNA聚合酶作用的异同点。 4. 试述原核生物启动子的结构特点及功 能。 5. 原核生物与真核生物RNA聚合酶有何异 同？ 6. 原核生物与真核生物的转录终止有何不