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第十一章 RNA 生物合成 (转录) RNA Biosynthesis (Transcription) 李志红 三峡大学医学院
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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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RNA Structures
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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。 双链DNA分子中能作为模板转录出RNA的那条链，称为模板链。
另一条互补链称为编码链。 转录产物RNA的碱基序列，除了 T 变U 外，其余与编码链相同。
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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（ DNA-dependent RNA polymerase, DDRP）
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E.coli的RNA聚合酶(480kD)是由四种亚基组成的六聚体（ 2 ）
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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
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 利福平 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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三、酶与模板的辨认结合 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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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 Pribnow box
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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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RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合
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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 在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行。 转录未完成，翻译已开始进行。
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多聚核糖体 （polysome) 一个mRNA分子可同时有多个核糖体在进行同一种蛋白质的合成，这种mRNA和多个核糖体的聚合物称为多聚核糖体。
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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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不依赖r -因子的终止子：含富GC的回文序列和寡聚U序列。
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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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Transcription Cycle Promoter Terminator sigma factor
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小结:转录特点 flash 1）可启动RNA的合成，不需要引物； 2）只以一条链为模板；
3）按模板的碱基顺序，遵守碱基互补原则，即A与U，G与C配对，严格挑选正确的底物，催化磷酸二酯键生成，从而把底物NTP聚合成RNA链； 4）RNA合成方向均为5′→ 3′； 5）合成是连续进行的； 6）只有聚合活性没有降解活性，没有象DNA聚合酶 I那样的校正活性； 7）能识别转录终止信号。
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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.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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毒鹅膏 (Amanita phalloides ,or death cap)
具有双环结构的八肽毒素 Be careful of this deadly mushroom! 毒鹅膏 (Amanita phalloides ,or death cap) α-amanitin α-amanitin is a cyclic peptide of eight amino acids. It is possibly the most deadly of all the amatoxins. It is an inhibitor of RNA polymerase II. This mechanism makes it a deadly toxin.
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2.真核生物启动子 (cis-acting element)
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3. 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RNApolⅡ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)
4. 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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Order of binding is: IID + IIB + RNA poly. II + IIF +IIE +IIH
TBP: TATA binding protein.
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Movie 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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小结：真核生物基因的基本结构及转录过程 转录起始点 TATA盒 CAAT盒 GC盒 增强子 切离加尾 转录终止点 修饰点 外显子 翻译起始点
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 OCT-1：ATTTGCAT八聚体
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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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1. 5´-帽子结构 (m7GpppG) 的生成 5 pppGp… 5 ppGp… 5 GpppGp… 5 m7GpppGp… Pi
磷酸酶 5 pppGp… 5 ppGp… Pi pppG 鸟苷酸转移酶 5 5 PPi 5 GpppGp… SAM 甲基转移酶 5 m7GpppGp…
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加帽过程
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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。
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2. 3´-端加尾 polyA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。
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核内的初级mRNA称为非均一核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA)
1. hnRNA 和 snRNA 核内的初级mRNA称为非均一核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 （剪接体, splicesome） snRNA
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鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图
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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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3. mRNA的剪接 —— 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。 snRNP与hnRNA结合成为剪接体
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mRNA的剪接过程（动画）
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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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4. mRNA的编辑(mRNA editing)
胞嘧啶核苷脱氨酶
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二、rRNA的转录后加工 转录 剪接 rDNA 18S 5.8S 28S 45S - rRNA 18S - rRNA
RNA polⅠ催化合成 二、rRNA的转录后加工 rDNA 18S 5.8S 28S 内含子 内含子 转录 45S - rRNA 剪接 18S - rRNA 5.8S和28S-rRNA
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三、tRNA的转录后加工 RNA pol Ⅲ 催化合成 TGGCNNAGTGC GGTTCGANNCC DNA tRNA前体 成熟tRNA
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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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本章要点 原核生物RNA的生物合成 真核生物RNA的生物合成（概念） 真核生物RNA合成的加工 模板：结构基因，模板链，编码链，不对称转录
启动子：-10区(Pribnow box)；-35区 过程：起始（转录起始复合物）、延长（转录空泡）、终止（是否依赖ρ因子）（重点） 真核生物RNA的生物合成（概念） RNA聚合酶：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（鹅膏蕈碱反应） 顺式作用元件（启动子、增强子） 反式作用因子、转录因子 真核生物RNA合成的加工 mRNA 加工（重点） hnRNA、snRNA（含义、作用）；加帽、加尾、剪接（断裂基因、外显子、内含子）；mRNA 编辑 rRNA 加工； tRNA 加工
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思考题： 1.复制与转录的异同点。 2.RNA聚合酶与DNA聚合酶作用的异同点。 3.原核生物与真核生物RNA聚合酶有何异同？
4.原核生物与真核生物中的启动子结构特点及功能。 5.原核生物与真核生物的转录终止有何不同？ 6.试述原核生物转录的过程。 7.真核生物mRNA转录后加工包括哪些内容？
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