RNA Biosynthesis (Transcription)

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1 RNA Biosynthesis (Transcription)
（转录） RNA Biosynthesis (Transcription)

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

3 复制和转录的区别

4 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

5 第一节 模板和酶 Templates and Enzymes

6 一、转录模板 DNA分子上转录出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。

7 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 N······Ala · Val · His · Val ······C 蛋白质

8 结构基因 转录方向 5 3 模板链 3 5 编码链 模板链 编码链 转录方向

9 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。

10 二、RNA聚合酶 （一）原核生物的RNA聚合酶

11 核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme)       

12 RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合

13 （二）真核生物的RNA聚合酶

14 三、模板上酶的辨认、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。 53 35 结构基因 调控序列 RNA-pol RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。

15 RNA聚合酶保护法 目 录

16 RNA-pol辨认位点 (recognition site) (Pribnow box)
5 RNA聚合酶保护区 结构基因 3 1 -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) 原核生物启动子保守序列

17 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

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

19 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。

20 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 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

21 （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

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

23 目 录

24 RNA聚合酶 核糖体 原核生物转录过程中的羽毛状现象
DNA RNA 5 3 RNA聚合酶 核糖体 原核生物转录过程中的羽毛状现象

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

26 1. 依赖 Rho因子的转录终止 A T P

27 2. 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。

28 茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构
DNA 5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT... 3 5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3` 5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3` 5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3` RNA UUUU...… UUUU...… 茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构

29 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。

30 二、真核生物的转录起始 （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。

31 顺式作用元件(cis-acting element)
1. 转录起始前的上游区段 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 2. 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)。

33 参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ

34 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。

35 TFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物 PIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化
由RNA-Pol Ⅱ催化转录的PIC TAF TBP ⅡB TATA ⅡA TFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物 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

36 4. 模板理论(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，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。

37 （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。

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

39 （三）转录终止 —— 和转录后修饰密切相关。 3加尾 核酸酶 转录终止的修饰点 RNA-pol 3 5 5 3
5 AAUAAA-- AAAAAAA······ 3 mRNA 3加尾 5------AAUAAA- 核酸酶 -GUGUGUG RNA-pol 5 3 5 AATAAA GTGTGTG 3 转录终止的修饰点

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

41 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)

42 一、真核生物mRNA的转录后加工 （一）首、尾的修饰 5端形成 帽子结构(m7GpppGp —) 3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)

43 帽子结构

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

45 （二）mRNA的剪接 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

46 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。 C A B D 非编码区 编码区 A、B、C、D

47 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。

48 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

49 鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图
目 录

50 3. 内含子的分类 根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4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。

51 —— 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。
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 目 录

52 ② ③ E1 UG E2 UACUACA - AG U1、U4、U5 E1 UG E2 UACUACA - AG U4 U5 U6 U1

53 UpA GpU 外显子1 内含子 外显子2 pG-OH (ppG-OH, pppG-OH) 第一次转酯反应 U-OH GpU pGpA 剪接过程的二次转酯反应 第二次转酯反应 G-OH UpU pGpA

54 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 ） 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)。

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

56 RNAaseP、内切酶 目 录

57 tRNA核苷酸转移酶、连接酶 ATP ADP 目 录

58 碱基修饰 （1）甲基化 如：A  Am （2）还原反应 如：U  DHU 如：U  ψ （4）脱氨反应 如：A  I
（3）核苷内的转位反应 如：U  ψ （3） （4）脱氨反应 如：A  I （4） 目 录

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

60 四、核 酶 核酶(ribozyme) 具有酶促活性的RNA称为核酶。

61 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

62 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

63 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 。

64 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 目 录

65 附录

66 E1 G 414 G I G E2 G 399 395 四膜虫RNA的自我剪接 具有催化活性的片段 3´ 5´ 5´ 3´ 5´ 3´ 5´
OH 5´ 3´ G OH 414 5´ 3´ E1 E2 I 四膜虫RNA的自我剪接 G OH G 399 5´ 3´ L19RNA 具有催化活性的片段 5´ 3´ 395

67 选择题练习 RNA 转录

68 1. DNA双链中,指导合成RNA的哪条链叫 A 模板链 B 反意链 C 编码链 D Crick 链 E 以上都不对

69 2. 内含子是指 A 不被转录的序列 B 被转录的非编码序列 C 编码序列 D 被翻译的序列 E 以上都不是

70 3. 有关mRNA的叙述正确的是 A 占RNA总量的80%以上 B 在三类RNA中分子量最小 C 分子中含有大量稀有碱基 D 前体是snRNA E 在三类RNA中更新速度最快

71 4. DNA分子上某段碱基顺序为5’AGCATCTA, 转
录后的mRNA相应的碱基顺序为 A 5’TCGTAGAT B 5’UCGUAGAU C 5’UAGAUGCU D 5’TAGATGCT E 以上都不是

72 5. RNA 生物合成包括 A 起始,延长和终止 B 进位,转肽和转位 C 先形成引发体,再进行链的延长,最后终止 D 注册,转位和转肽 E 剪接,修饰和终止

73 6. 有关依赖Pho因子终止转录的描述哪项是错误的
A 与RNA分子中polC的结合能力最强 B 有GTP酶的活性 C 有解螺旋酶的活性 D Pho因子与转录产物结合后构象改变 E Pho因子与转录产物结合后RNA聚合酶构象改变

74 7. 有关启动子的描述哪项是正确的 A mRNA开始被翻译的那段DNA序列 B 开始转录mRNA的那段DNA序列 C RNA聚合酶开始与DNA结合的那段DNA序列 D 阻抑蛋白结合的那段DNA序列 E DNA聚合酶与开始与DNA结合的那段DNA序列

75 8. 真核细胞的转录发生在 A 细胞浆 B 细胞核 C 线粒体 D 核蛋白体 E 内质网

76 9. 有关核酶的描述哪项是正确的 A 是具有催化作用的蛋白质 B 辅基是FAD C 由snRNA和蛋白质组成 D 能催化自我剪接 E 有茎环结构和随后的polU

77 10. 有关转录因子的叙述哪项是正确的 A 是真核生物的启动子 B 是真核生物RNA聚合酶的组成成分 C 是转录调控中的反式作用因子 D 是原核生物RNA聚合酶的组成成分 E 是转录调控中的顺式作用元件

78 11. Which subunit recognize transcription
starting site? A  B  C  D  E ’

79 12. The enzyme needed for transcription
process is A DDDP B DDRP C primase D RDRP E nuclease

80 13. The raw material for synthesis of RNA is
A dNTP B dNMP C NMP D NTP E NDP

81 14. The transcription factor which can bind TATA
box in RNA polymeraseⅡjoined transcription is A TF ⅡA B TF ⅡB C TF ⅡD D TF ⅡE E TF ⅡF

82 15. DNA复制与RNA转录的共同点是 A 需要单链DNA做模板 B 需要DNA指导的DNA聚合酶 C 合成方式为半保留复制 D 合成方向为5’至3’ E 合成原料为NTP

83 16. 真核生物mRNA 前体的加工包括 A 5’端加帽结构 B 3’端加多聚A尾 C 3’端加CCA-OH D 去除内含子 E 连接外显子

84 17 复制和转录有许多异同点，下列有关这两个过
程的描述哪一项是错误的。 A 转录是以一条DNA链做模板（一个转录本）；而复 制是以两条链做模板，并且是同时做模板。 B 复制的产物大于转录的产物。 C 两个过程合成的方向均为 5’至 3’。 D 两个过程均需RNA引物。 E DNA聚合酶和RNA聚合酶均需要Mg2+ 。

85 18 转录合成RNA的原料是下列哪一类物质。 A NMP B NDP C NTP D dNDP E dNTP ATP CTP GTP UTP TTP ？ 合成DNA的原料？

86 RNA polymerase I RNA polymerase III
19 真核细胞RNA聚合酶 II 所催化合成的RNA是下 列哪一种。 A hnRNA B 45s-rRNA C tRNA D 5s-rRNA E snRNA RNA polymerase I RNA polymerase III

87 20 大肠杆菌RNA聚合酶中识别转录起始点的亚基是
下列哪一种。 A  B ’ C  D  E  F  决定DNA链上哪一基因被转录 与DNA模板结合 催化磷酸二酯键形成 辨认转录起始点 与转录终止相关

88 A. 5’-agguca-3’ B. 5’-acguca-3’ C. 5’-ucgucu-3’ D. 5’-acgtca-3’
21. 模板DNA的碱基顺序是 5’-tgacgt-3’,其转录本RNA 的碱基序列是： A. 5’-agguca-3’ B. 5’-acguca-3’ C. 5’-ucgucu-3’ D. 5’-acgtca-3’ E. 5’-acgugt-3’

89 22. 下列关于promoter的描述，哪一项是正确的？
A. 与 起始密码子所在区相对应的那段DNA顺序。 B. 与hnRNA 5’端序列相对应的那段DNA顺序。 C. RNA聚合酶最初与DNA结合的那段 DNA顺序。 D. 阻抑转录蛋白所结合的DNA顺序。 E. 增强转录蛋白所结合的DNA顺序。

90 23. 下列哪些成分是转录所必需的？ A. dNTP。 B. DNA指导下的RNA聚合酶。 C. RNA指导下的DNA聚合酶。
E. DNA模板。

91 24. 关于RNA转录，下列哪些是不正确的？ A. DNA两条链均有模板功能。 B. 需要引物。 C. 是不对称转录。
E. 因子识别转录起始点。

92 25. 比较RNA转录与DNA复制，下列哪些描 述是正确的？ A. 原料都是 dNTP。 B. 都在细胞核内进行。
C. 链的延长均从5’到3’。 D. 合成产物均需要剪接加工。 E. 在与模板链的碱基配对中均含有G/C或C/G。

93 26. 关于原核生物RNA聚合酶的叙述，下列 是正确的？ A. 全酶由四种，五个亚基（ ’ ）组成。
B. 核心酶的组成是’ 。 C. 在体内核心酶的任何亚基都不能单独与DNA结合。 D. 亚基也有催化RNA进行转录的功能。 E. 因子协助转录起始。

94 27. 转录的终止涉及： A. 某些情况，因子与转录本上的终止序列结合。 B. RNA聚合酶识别DNA上的转录终止信号。
C. 在DNA模板上的转录终止区有特殊的碱基序列。 D. 核酸酶参与转录终止。 E. 因子识别转录的终止信号。

95 28. 转录过程： A. 无校正系统，但具有高度忠实性。 B. 产物RNA与DNA模板之间形成一个短的 RNA-DNA杂交链。
C. 是连续的。 D. 方向是5’到3’。 E. 需要RNA聚合酶 。

96 29. 真核细胞内基因转录后mRNA的 加工过程包括： A. 在5’端加“帽子”结构。 B. 在3’端加多聚A“尾巴”结构。
C. 去掉内含子，拼接外显子。 D. 在3’端加 CCA 氨基酸臂。 E. 部分碱基甲基化。

97 30. 关于真核mRNA下列哪些说法是正确的 A. 是由hnRNA生成。 B. 3’端有“帽子”结构。
C. 大部分mRNA的前体中有内含子。 D. 5’端有多聚A“尾巴”。 E. 含少量稀有碱基。

98 31. tRNA成熟过程包括： A. 在核酸酶作用下切去部分多核苷酸链。 B. 加多聚A 于3’末端。 C. 修饰形成某些稀有碱基。
D. 5’端加“帽子”。 E. 加CCA氨基酸臂。

99 32. 关于真核RNA分子中“帽子”的叙述下列 哪些说法是正确的 A. 是rRNA的加工过程。 B. 存在于tRNA的3’末端。
C. 是由多聚A组成。 D. 仅存在于真核mRNA上 。 E. 是7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸。

100 33. 内含子是： A. 不被转录的序列。 B. 不被翻译的序列。 C. 被转录的序列。 D. 编码序列 。 E. 被翻译的序列。