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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
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转录（transcription） 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。 转录 RNA DNA
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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′。
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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
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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
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Templates of Transcription and Enzymes
第一节 转录的模板和酶 Templates of Transcription and Enzymes
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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
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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。
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转录产物RNA的碱基序列，除了 T 变U 外，其余与编码链相同。
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(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。
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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
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RNA聚合酶全酶及核心酶电泳图谱
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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
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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。
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RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合
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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
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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。
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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。
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RNA聚合酶保护法
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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
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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
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真核生物启动子
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The Process of Transcription
第二节 转录过程 The Process of Transcription
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分为三个阶段： 起始(initiation) 延长(elongation) 终止(termination)
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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。
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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
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RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3
转录起始复合物 RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3
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（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 PPi
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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。
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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。
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转录的起始及延长过程
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(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
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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。
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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。
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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。
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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。
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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
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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)。
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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
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(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。
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TBP TAF TF II H
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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。
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（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。
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核小体 转录延长中的核小体移位 RNA-Pol 转录方向 RNA-Pol RNA-Pol
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（三）转录终止
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Post-transcriptional Modification
第三节 真核生物的转录后修饰 Post-transcriptional Modification
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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)
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帽子结构
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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…
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加帽过程
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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
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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
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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。
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鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图
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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
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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。
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Transcript modification
Unit of transcription in a DNA strand 3’ 5’
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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
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二次转酯反应
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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 ） 小肠 apo B48 （分子量为 ） 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)。
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二、tRNA的转录后加工 TGGCNNAGTGC GGTTCGANNCC DNA tRNA前体
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RNAaseP、内切酶 连接酶
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tRNA核苷酸 转移酶
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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）
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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
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四、核 酶 核酶(ribozyme) 具有酶促活性的RNA称为核酶。
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四膜虫rRNA内含子的二级结构
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(hammerhead structure)
最简单的核酶二级结构——槌头状结构 (hammerhead structure) 底物部分
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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 。
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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
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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
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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
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