RNA Biosynthesis, Transcription

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1 RNA Biosynthesis, Transcription
第 十 一 章 RNA生物合成 （转录） RNA Biosynthesis, Transcription

2 核 苷 酸 小分子或尿酸 糖 原 葡 萄 糖 丙 酮 酸 甘油三脂 脂酸甘油 蛋 白 质 氨 基 酸 乙酰CoA DNA和RNA
糖 原 葡 萄 糖 丙 酮 酸 甘油三脂 脂酸甘油 乙酰CoA 蛋 白 质 氨 基 酸 三羧酸循环、氧化磷酸化（对NADH和FADH2的氧化）产生ATP 酮体 尿素 磷酸戊糖途径 乳酸 SAM 尚未讲授内容 重点掌握内容

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

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

5 转录过程与特点 转录过程是RNA生物大分子的合成，促进RNA合成的酶称为RNA聚合酶
转录过程是从特定DNA一段取出信息，合成一段RNA的过程，不象DNA复制是全部DNA信息的复制。被取出信息的DNA序列称为模板DNA 哪一段DNA信息被取出用于转录RNA，取决于被转录DNA片段前的DNA序列结构及其与蛋白质的相互作用

6 复制和转录的区别 A - U ， T G C 配对 mRNA tRNA rRNA 子代双链 DNA （ 半保留复制） 产物 RNA 聚合酶（
pol ） 聚合酶 酶 NTP dNTP 原料 仅模板链转录 两股链均复制 模板 复制 转录 （不对称转录） 引物 需要 不需要 工作量 全合成 选择性合成

7 本章要求 掌握RNA合成主要方式与特点 熟记原核生物RNA聚合酶全酶的结构 描述原核生物RNA合成的过程
熟悉真核和原核生物在转录中DNA模板结构特点 掌握真核生物mRNA, tRNA, rRNA转录后加工过程

8 本章重点概念 转录、模板链与编码链、不对称转录、启动子、顺式作用元件、非标准配对、核心酶与全酶、转录因子、拼版理论、转录起始前复合体、加帽加尾、基因与断裂基因、外显子与内含子、剪接与剪切、核酶

9 第一节 模板和酶 Templates and Enzymes

10 一、DNA转录模板与不对称转录 DNA分子上能转录出RNA的区段，称为结构基因(structural gene)。
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。

11 5′···GCAGTACATGTC ···3′ 3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′
5′···GCAGUACAUGUC ···3′ N······Ala · Val · His · Val ······C 编码链 模板链 mRNA 蛋白质 转录 翻译 DNA 因此转录是以模板链DNA序列为基础合成RNA的过程，而产物RNA序列与编码链DNA序列更相似 RNA产物最终可以是蛋白质，也可以是其他RNA

12 不对称转录(asymmetric transcription)
在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录 ； 模板链并非永远在同一条单链上。 5 3 模板链 编码链 转录方向

13 结构基因与转录单位 结构基因是编码蛋白质或其他RNA的DNA序列，在结构基因之前一段DNA为调节序列，结构基因DNA与调节序列DNA二者共同组成一个转录单位 53 35 结构基因 调控序列 + 1 上游 下游

14 二、RNA聚合酶 1. 反应体系： DNA模板，NTP，酶，Mg2+，Mn2+ 2. 合成方向： 5’3’
3. 连接方式: 3’ , 5’磷酸二酯键。 2. 合成方向： 5’3’ 4. 原料：ATP, UTP，CTP, GTP RNA聚合酶特点：5’→3’磷酸二酯键,无需引物

15 （一）原核生物的RNA聚合酶

16 核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme)       
σ因子导入使全酶可以辨认从哪一段DNA上开始转录

17 RNA聚合酶全酶在转录起始区（调节序列）的结合

18 促进与模板链结合，并使DNA双链打开17bp。 催化NTP的聚合，完成一条RNA链的聚合反应。
1.组成： 2’为全酶， 2’为核心酶， 其中识别起始位点。 2. 作用： 识别DNA分子中转录的起始部位。 促进与模板链结合，并使DNA双链打开17bp。 催化NTP的聚合，完成一条RNA链的聚合反应。 识别转录终止信号，停止聚合反应。 参与转录水平的调控。

19 可被药物抑制（利福平）。人的RNA聚合酶对利福平不敏感。利用此特点可研制杀菌药物。
特点： 缺乏外切酶活性, 无校对功能，错误率10-6。 不同的识别不同的启动子。 可被药物抑制（利福平）。人的RNA聚合酶对利福平不敏感。利用此特点可研制杀菌药物。 聚合速率慢，30~85 NTP/秒。

20 （二）真核生物的RNA聚合酶

21 分 类 RNA聚合酶分Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ（或A，B，C）及Mt类 种类 I（A） II（B） III（C） Mt
分 类 RNA聚合酶分Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ（或A，B，C）及Mt类 种类 I（A） II（B） III（C） Mt 转录产物 45S-rRNA hnRNA 5S-rRNA， 线粒体RNA tRNA，snRNA 鹅膏蕈碱 耐受 极敏感 中度敏感 利福平 敏感 不敏感 不敏感 敏感

22 三、酶对模板DNA的辨认、结合 RNA-pol
原核生物的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。 53 35 结构基因 调控序列 RNA-pol 在调控序列中被RNA聚合酶结合的模板DNA部位称为启动子(promoter)。

23 RNA聚合酶保护法 测定RNA序列 目 录

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25 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 RNA-pol辨认位点 (recognition site) (Pribnow box) 原核生物启动子保守序列

26 1、原核启动子 结构: 约55bp，分为起始点（start site）、结合部位、识别部位。 功能: 起始点: 转录起始部位以+1表示，转录的第1个核苷酸常为嘌呤---G, A。

27 结合部位： 约6bp组成，是高度保守区，共有序列为5’-TATAAT-3’，位于起始点上游-10。因Tm低，DNA易解开双链，为RNA聚合酶提供场所。 识别部位： 约6bp组成，在-35处，为高度保守区，序列5’-TTGACA-3’，因子识别此部位。

28 终止位点 识别部位 结合部位 原核生物启动子

29 2、真核启动子结构（以RNA polⅡ为例）

30 顺式作用元件 结构基因 -GCGC---CAAT---TATA 增强子 GC盒 CAAT盒 TATA盒 转录起始 真核生物启动子保守序列

31 顺式作用元件(cis-acting element)
修饰点 顺式作用元件(cis-acting element) 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 GC盒 OCT-1：ATTTGCAT八聚体

32 顺式作用元件(cis-acting element)：
DNA链转录上游区与转录相关的DNA区段 反式作用因子（trans-acting factor)： 能直接或间接辨认、结合转录上游区段DNA的蛋白质

33 3. 反式作用因子转录因子 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聚合酶的蛋白质，则称为转录因子(TF)。根据转录酶的不同将TF分为TFI，TFII和TFIII三类。

34 与RNA-polⅡ转录有关的GTFⅡ各因子功能

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

36 一、原核生物的转录过程 （一）转录起始 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。

37 RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3
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，形成转录泡（Bubble） 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

38 RNA聚合酶-σ识别起始位点 核心酶与DNA结合 DNA构象改变 局部双链打开17bp，转录泡 NTP形成3’,5’二酯键 以核心酶形式沿 DNA滑动  E （循环使用）

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

40 （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

41 DNA RNA RNA聚合酶 原核生物转录过程中的羽毛状现象 核糖体 转录特点 原核生物细胞中无细胞核膜，因此转录与翻译同时进行 5 3
蛋白质 原核生物转录过程中的羽毛状现象

42

43 （三）转录终止 分类 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。
依赖Rho (ρ)因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止

44 1. 依赖 Rho因子转录终止 A T P

45 茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构
RNA两种产物 5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT... 3 DNA UUUU...… 5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3` 茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构 转录方向

46 2. 非依赖 Rho因子转录终止 DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的发夹结构来终止转录。

47

48 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。

49 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。

50 1. 核小体组蛋白解聚或动态松散

51 使染色体构象变化，DNA甲基化修饰或组蛋白修饰，进而使DNA特定基因序列的碱基更易暴露，方便该基因的转录，属于表观遗传学研究内容

52 (pre-initiation complex, PIC)
2. 形成转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC) 真核RNA-pol II不与DNA分子直接结合，需依靠GTFII各因子，形成PIC。

53 由RNA-Pol Ⅱ催化转录的PIC形成过程
ⅡB TBP TAF TFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物 TATA POL-Ⅱ TFⅡF ⅡH ⅡE POL-Ⅱ ⅡH ⅡE TAF TBP CTD- P TFⅡF ⅡB TATA ⅡA PIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化

54 （二）转录延伸 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。

55 转录泡：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。

56 转录前方容易形成正超螺旋，因此有措施保证消除
转录特点 转录前方容易形成正超螺旋，因此有措施保证消除 目 录

57 转录延伸中的核小体移位 核小体 RNA-Pol 转录方向 RNA-Pol RNA-Pol

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59 （三）转录终止 RNA-pol 终止、切割与加多聚A尾巴同步进行 5 ------AAUAAA----
②核酸酶切割与降解 -GUGUGUG RNA-pol 转录终止信息出现 5 3 ③ PolyA聚合酶在3端加多聚A的尾巴 5 AAUAAA---- AAAAAAA······ 3 带多聚A尾的mRNA 终止、切割与加多聚A尾巴同步进行 ①转录终止 AATAAA GTGTGTG DNA编码链

60 3’端mRNA加polyA尾巴，尾巴加入与转录终止同时进行

61 转录终止过程包括 终止信息AATAAAGTGTGTG出现在DNA编码链上； RNA聚合酶暂停延伸； 核酸酶在新生RNA链上一定位点进行切割；
PolyA聚合酶在切割后的RNA3’端加上多聚A尾巴； 核酸酶将剩下的核酸RNA降解，RNA聚合酶从DNA模板上释放与脱离，完成转录终止过程。

62 Post-transcriptional Modification
第三节 真核生物转录后修饰 Post-transcriptional Modification

63 鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图
目 录 鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图 DNA 成熟mRNA 1. 断裂基因中外显子与内含子

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

65 外显子(exon)和内含子(intron) 的结构特征
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。

66 hnRNA 内含子 (intron) mRNA 外显子 (exon) 目 录

67 Capping 5’end of the mature mRNA
m7G Capping 5’end of the mature mRNA

68 3.成熟tRNA的结构

69 * tRNA的二级结构 ——三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TΨC环 5’

70 4.成熟rRNA的结构

71 原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA 真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA * rRNA结构

72 如3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)
二、 RNA转录后修饰加工方法 （1）剪接(splicing) （2）剪切(cleavage) （3）修饰(modification) （4）添加(addition) 如5端形成 帽子结构(m7GpppGp —) 如3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)

73 三、mRNA转录后修饰加工 （一）mRNA的剪接与编辑 1. 杂化核hnRNA 和 小核snRNA
核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA)，含内含子 snRNA (small nuclear RNA)识别内含子接头

74 U系列snRNA 小分子核糖核酸蛋白体 （并接体, splicesome） UsnRNP U系列核蛋白质 识别外显子1 U1 snRNP
参与内含子剪接 功能不祥 识别外显子2 识别外显子1 U1 snRNP U2 snRNP U3 snRNP U4 snRNP U5 snRNP U6 snRNP

75 2. 除去内含子----mRNA的剪接 除去hnRNA中内含子，将外显子连接。以下四步: ①
① U1和U2 snRNP与hnRNA结合成为并接体 目 录 ①

76 ② ③ E1 UG E2 UACUACA - AG U1、U4、U5 U4 U5 U6 U1 U2 E1和E2分别代表外显子1和外显子2
二次转酯反应

77 UpA GpU 外显子1 内含子 外显子2 第一次转酯反应 U-OH GpU pGpA 第二次转酯反应 G-OH UpU pGpA
④二次转酯反应 (twice transesterification) pG-OH (ppG-OH, 或pppG-OH) 第一次转酯反应 U-OH GpU pGpA 第二次转酯反应 G-OH UpU pGpA

78 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 目 录

79 3. mRNA的变位剪接(alternative splicing)

80 图12-12 大鼠降钙素基因转录体在甲状腺及脑中的不同剪接。CGRP：降钙素基因相关肽

81 4. 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 ） 肠道细胞 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)。

82 gRNA(指导RNA)与编辑蛋白一起组成编辑体（editsome）,负责RNA的编辑作用
C → →U, 脱氨基反应

83 （二）mRNA的首、尾修饰 5端形成 帽子结构(m7GpppGp —) 3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail) mRNA帽子

84 帽子结构的生成 5 pppGp… 5 ppGp… 5 GpppGp… 5 m7GpppGp… Pi ppi 磷酸酶 鸟苷酸转移酶
pppG, 即GTP ppi 鸟苷酸转移酶 5 m7GpppGp… 甲基转移酶 SAM 帽子结构的生成 5 ppGp… 磷酸酶 Pi 前体mRNA第一 核苷酸多为pppG

85 四、tRNA的转录后加工 RNA pol Ⅲ

86 （一）剪切与CCA尾巴的添加

87 RNaseP = M1RNA(377nt) + 20kD Protein RNAaseP、内切酶 目 录

88 tRNA核苷酸转移酶、连接酶 ATP ADP 目 录

89 （二）碱基修饰成稀有碱基 * tRNA二级结构 ——三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TΨC环 5’

90 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） 目 录

91 五、rRNA的转录后加工 （一） 剪接 转录 剪接 45S - rRNA 18S - rRNA 5.8S和28S-rRNA rDNA 28S
内含子 28S 5.8S 18S 真核rRNA的剪接加工

92 原核rRNA的加工过程

93 原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA 真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA * rRNA的结构

94 （二） 碱基修饰

95 （三） 与核蛋白组装

96 第四节 RAN世界与遗传中心法则

97 一、作为遗传信息或信息相关分子，参与蛋白质合成
mRNA遗传信使分子 tRNA氨基酸携带分子 rRNA组成核蛋白体 合成蛋白，信使功能

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99 二、RNA能被反转录与复制，因此更象DNA一样属于遗传信息分子
反转录作用

100 病毒反转录酶有三种活性 RNA 模板 DNA-RNA 杂化双链 单链DNA 双链DNA 逆转录酶，以tRNA 3’OH为引物
RNA酶水解RNA链 3’OH 单链DNA DNA聚合酶活性 双链DNA

101 反转录研究的意义 逆转录酶和逆转录现象扩充了遗传中心法则的内容，是分子生物学研究中的重大发现。
逆转录现象说明至少某些生物中RNA除有信使功能外，同样也有储存与传递遗传信息的功能。 对逆转录病毒的研究丰富了20世纪初已注意到的病毒致癌理论。

102 RNA复制酶 (RNA replicase)
（RNA directed RNA polymerase，RdRP) RNA（+） RNA（-） RdRP

103 RNA自我复制研究的意义 RNA自我复制的发现，是对中心法则作的重要补充，即RNA象DNA分子一样，是信息分子；

104 三、RNA本身可以有酶促活性 E1 G I E2 5´ 3´ L19 IVS RNA 四膜虫RNA 自我剪接过程 414bp 四膜虫rRNA
OH 3´ G 414bp 399bp 395bp E1 E2 I 四膜虫RNA 自我剪接过程 L19 IVS RNA 具有催化活性的片段，活性见下页 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ＋ 切掉15个核苷酸 线性化切开 切掉4个核苷酸 四膜虫rRNA G的亲核进攻 二次进攻

105 ⑦产物L-19 IVS (linear-19 intervening sequence)的核酶功能
核苷酸转移反应（核苷酸转移酶） 水解反应（磷酸二酯酶） 磷酸转移反应（磷酸转移酶） 脱磷酸反应（酸性磷酸酶） RNA限制性内切反应（RNA限制性内切酶） RNA聚合反应（RNA聚合酶）

106 四膜虫rRNA剪接 四膜虫rRNA内含子的二级结构 5´-端核苷酸序列 5’剪接位点

107 核酶研究的意义 核酶的发现，对中心法则作了重要补充，即RNA不仅是信息传递分子，也是功能分子；
利用核酶的结构设计合成人工核酶 。

108 DNA RNA 蛋白质 DNA RNA 蛋白质 遗传信息传递的中心法则 中心法则的补充
Central dogma of genetic information transferring 转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 中心法则的补充 DNA复制 RNA复制 转录 翻译 DNA RNA 蛋白质 反转录

109 RNA具有更多的生物学功能 干扰RNA的发现 微小RNA的发现

110 干扰RNA的发现

111 微小RNA的发现

112 RNA核苷酸衍生物在蛋白质辅酶中的发现，例如
NADH或NADPH FAD S腺苷甲硫氨酸 CDP-；UDP-；GDP-参与物质代谢 cAMP；cGMP参与细胞内信号传递

113 由此可见，RNA世界中各成员的功能几乎能取代所有蛋白质的功能和DNA的功能

114 复习题 解释下列名词 asymmetric transcription，polycistronic，ribozyme，intron, intervening sequence, exon, sigma factor, template strand, coding strand, sense strand, antisense strand, L-19 IVS, cis-acting element, trans-acting factor 比较原核生物和真核生物在RNA合成上的异同 试从酶学角度解释核酶的生物学意义 试比较转录后加工和翻译后加工的异同点（2001.7生化试题）