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第第 十十 一一 章章RNARNA的生物合成的生物合成（转录转录）RNA Biosynthesis,Transcription转录转录 (transcription)(transcription)生物体以生物体以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程的过程 。转转录录RNADNA 转录与复制相同点u模板模板都为都为DNADNAu都需依赖都需依赖DNADNA的的聚合酶聚合酶u都形成都形成磷酸二酯键磷酸二酯键u方向都为方向都为5353u都遵循都遵循碱基互补配对碱基互补配对规则规则转录与复制不同点复制复制 转录转录原料原料dNTPdNTPNTPNTP模板模板两条链全长复制两条链全长复制 模板链模板链转录转录(不对称转录不对称转录)酶酶DNADNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶产物产物子代双链子代双链DNA DNA mRNA mRNA tRNAtRNA rRNArRNA等等 引物引物RNARNA引物引物不需引物不需引物碱基配对碱基配对A=TA=T；CG CG A=UA=U；T=AT=A；CG CG 第一节第一节 原核生物转录的模板和原核生物转录的模板和RNARNA聚聚合酶合酶5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向l对对于于一一个个基基因因组组来来讲讲，转转录录只只发发生生在在一一部部分分基基因因，而而且且每每一一个个基基因因的的转转录录都都受受到到相相对对独立的控制。独立的控制。lDNADNA分子上转录出分子上转录出RNARNA的区段，称为的区段，称为结构基因结构基因一、原核生物转录的模板一、原核生物转录的模板 模板链：模板链：反意义链反意义链（antisenseantisense strand strand ）以该链中的以该链中的DNADNA碱基顺序指导碱基顺序指导RNARNA的合的合成即被转录的那条成即被转录的那条DNADNA链。链。编码链：编码链：有意义链有意义链（sense sense strand）不被转录的那条不被转录的那条DNADNA链，链，但其碱基顺序但其碱基顺序除除T T代替代替U U外，其余与外，其余与mRNAmRNA相同。相同。1.1.模板链与编码链模板链与编码链 5-GCAGTACATGTC-3编码链编码链 DNADNA3-c g t c a t g t a c a g-5模板链模板链5-GCAGUACAUGUC-3 RNARNAN -Ala-Val-His-Val-C 蛋白质蛋白质2.2.不对称转录不对称转录(asymmetric transcription)在在DNA分子双链上某一区段，一条链用作分子双链上某一区段，一条链用作模板指引转录，另一条链不转录模板指引转录，另一条链不转录；模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向二、原核生物二、原核生物RNARNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶又称为聚合酶又称为DNA依赖的RNA聚合 酶（DDRP）DNADNA聚合酶在启动聚合酶在启动聚合酶在启动聚合酶在启动DNADNA链延长时需要引物存在，链延长时需要引物存在，链延长时需要引物存在，链延长时需要引物存在，而而而而RNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶不需要引物不需要引物不需要引物不需要引物就能就能就能就能直接启动直接启动直接启动直接启动RNARNA链的链的链的链的延长。延长。延长。延长。RNARNA聚合酶和聚合酶和聚合酶和聚合酶和DNADNA的特殊序列的特殊序列的特殊序列的特殊序列启动子启动子启动子启动子(promoter)(promoter)结合后，就能启动结合后，就能启动结合后，就能启动结合后，就能启动RNARNA合成。合成。合成。合成。(NMP)n+NTP (NMP)n+1+PPiRNA延长的延长的RNA RNA合成的化学机制与合成的化学机制与DNA依赖的依赖的DNA聚聚 合酶催化合酶催化DNA合成相似合成相似。全全全全酶酶酶酶核核核核心心心心酶酶酶酶uu亚基亚基亚基亚基uu 2 2uu uu uu 功能功能功能功能决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录结合底物，形成磷酸二酯键结合底物，形成磷酸二酯键结合底物，形成磷酸二酯键结合底物，形成磷酸二酯键（催化）（催化）（催化）（催化）结合模板结合模板结合模板结合模板（开链）（开链）（开链）（开链）（核心酶参与转录全过程）（核心酶参与转录全过程）（核心酶参与转录全过程）（核心酶参与转录全过程）识别起始点启动子（识别起始点启动子（识别起始点启动子（识别起始点启动子（延长时脱落延长时脱落延长时脱落延长时脱落）原核生物（原核生物（E.coliE.coli）RNARNA聚合酶聚合酶 1 1、有有4 4种种(5 5个个)亚基亚基 、核心酶核心酶(core enzyme)全酶全酶(holoenzyme)2 2、一种酶一种酶催化催化3 3种种RNARNA的合成的合成3 3、被利福平（被利福平（结合结合亚基亚基）所抑制）所抑制三、三、RNA聚合酶结合到聚合酶结合到DNA的启动子的启动子上起动转录上起动转录转录是不连续、分区段进行的。转录是不连续、分区段进行的。每每一一转转录录区区段段可可视视为为一一个个转转录录单单位位，称称为为操操纵纵子子(operon)。操操纵纵子子包包括括若若干干个个结结构构基因及其上游基因及其上游(upstream)的调控序列。的调控序列。5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-pol调调控控序序列列中中的的启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合模模板板DNA的的部部位位，也也是是控控制制转转录录的的关关键键部部位位。原原核核生生物物以以RNA聚聚合合酶酶全全酶酶结结合合到到DNA的的启启动动子子上上而而起起动动转转录录，其其中中由由亚亚基基辨辨认认启启动子动子，其他亚基相互配合。，其他亚基相互配合。对对启启动动子子的的研研究究，常常采采用用一一种种巧巧妙妙的的方方法法即即RNA聚合酶保护法聚合酶保护法。nRNA聚合聚合酶保护法酶保护法开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site)5 5 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 n用用RNA聚合酶保护法研究转录起始区聚合酶保护法研究转录起始区nRNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合:原核生物的转录过程原核生物的转录过程 第二节第二节 一、一、转录起始转录起始需要需要RNA聚合酶全酶聚合酶全酶2.DNA双双链链局局部部解解开开（10区区 1217bp），形形成成开放转录复合体开放转录复合体1.RNA聚聚合合酶酶全全酶酶(2)与与模模板板结结合合，形形成成闭合转录复合体闭合转录复合体；3.在在RNA聚聚合合酶酶作作用用下下发发生生第第一一次次聚聚合合反反应应，形形成转录起始复合物：成转录起始复合物：RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3 转录起始复合物转录起始复合物:5-pppG-OH +NTP 5-pppGpN-OH 3 +ppi第第一一个个磷磷酸酸二二酯酯键键生生成成后后，亚亚基基即即从从转转录录起起始始复复合合物物上上脱脱落落，核核心心酶酶连连同同四四磷磷酸酸二二核核苷苷酸酸，继继续续结结合合于于DNA模模板板上上，酶酶沿沿DNA链链前前移移，进入延长阶段。进入延长阶段。RNA-pol的移动nE.coli的转录起始的转录起始1 1、RNARNA聚合酶（核心酶）聚合酶（核心酶）l与与DNADNA模板紧密结合，模板紧密结合，沿沿3535方向移动方向移动l解旋作用解旋作用：DNADNA解开解开17 17 bpbp（拓扑异构酶拓扑异构酶）l聚合功能：聚合功能：NTPNTP不断聚合（形成不断聚合（形成磷酸二酯键磷酸二酯键）RNARNA链不断延长。链不断延长。（不具外切酶功能不具外切酶功能）2 2、杂交螺旋杂交螺旋lRNA-DNARNA-DNA形成形成12bp12bp长的杂交螺旋长的杂交螺旋l转录产物转录产物RNARNA沿沿5533方向脱落、延长方向脱落、延长lRNARNA延长速度：延长速度：4040个核苷酸个核苷酸/秒秒/每分子酶每分子酶lDNADNA双螺旋随后渐渐恢复（双螺旋随后渐渐恢复（拓扑异构酶拓扑异构酶）二、二、转录延长转录延长时蛋白质的翻译也同时进行时蛋白质的翻译也同时进行RNA-pol（核心酶）（核心酶）DNA RNA目目 录录目目 录录5 3 DNA核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶在同一在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行；模板上，有多个转录同时在进行；转录尚未完成，翻译已在进行。转录尚未完成，翻译已在进行。这种形状说明：这种形状说明：l依赖Rho 因子的转录终止l非依赖Rho因子的转录终止三、转录终止三、转录终止分为依赖分为依赖(Rho)因子与非依赖因子与非依赖因子两大类因子两大类转转转转录录录录终终终终止止止止指指指指RNARNA聚聚聚聚合合合合酶酶酶酶在在在在DNADNA模模模模板板板板上上上上停停停停顿顿顿顿下下下下来来来来不不不不再再再再前前前前进进进进，转转转转录录录录产产产产物物物物RNARNA链链链链从从从从转转转转录录录录复复复复合物上脱落下来。合物上脱落下来。合物上脱落下来。合物上脱落下来。n依依据据是是否否需需要要蛋蛋白白质质因因子子的的参参与与，原原核核生生物物转录终止分为：转录终止分为：l因因子子是是由由相相同同亚亚基基组组成成的的六六聚聚体体蛋蛋白白质质，亚基分子量亚基分子量46kD。l因因子子能能结结合合RNA，又又以以对对poly C的的结结合合力力最强。最强。l因因 子子 还还 有有 ATP酶酶 活活 性性 和和 解解 螺螺 旋旋 酶酶(helicase)的活性。的活性。（一）依赖（一）依赖因子的转录终止因子的转录终止n因子：因子：n因子的作用原理：因子的作用原理：目目前前认认为为，因因子子终终止止转转录录的的作作用用是是：与与RNA转转录录产产物物结结合合，结结合合后后因因子子和和RNA聚聚合合酶酶都都可可发发生生构构象象变变化化，从从而而使使RNA聚聚合合酶酶停停顿顿，解解螺螺旋旋酶酶的的活活性性使使DNA/RNA杂杂化化双双链链拆拆离离，利利于于产产物物从从转转录录复复合合物物中中释放释放。（二）（二）非依赖非依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些模板上靠近终止处，有些特殊的碱特殊的碱基序列基序列，转录出，转录出RNA后，后，RNA产物形成特殊产物形成特殊的结构来终止转录。的结构来终止转录。5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3 DNA UUUU.UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3近终止区的转录产物形成近终止区的转录产物形成发夹发夹(hairpin)结构结构是非依赖是非依赖因子终止的普遍现象。因子终止的普遍现象。n茎环结构使转录终止的机理：茎环结构使转录终止的机理：使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。5pppG5 3 3 5 RNA-pol第三节第三节 真核生物的转录过程真核生物的转录过程真真核核生生物物的的转转录录过过程程比比原原核核复复杂杂。二二者者的的转转录录起始过程起始过程有较大区别，有较大区别，转录终止转录终止也不相同。也不相同。一、真核生物一、真核生物RNARNA聚合酶（三种）聚合酶（三种）l l类型类型类型类型l l l ll ll l转录产物转录产物转录产物转录产物l lrRNArRNA:18s,5.8s,28s:18s,5.8s,28sl lhnRNAhnRNAl ltRNAtRNA（100bp100bp）,5s 5srRNA rRNA(120bp)(120bp)、snRNAsnRNA (90300bp(90300bp)l l对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱 的反应的反应的反应的反应l l不敏感不敏感不敏感不敏感l l高度敏感高度敏感高度敏感高度敏感l l敏感（种差异）敏感（种差异）敏感（种差异）敏感（种差异）（利福平不敏感）（利福平不敏感）二、转录因子二、转录因子（真核生物）（真核生物）类型类型l l型转录因子型转录因子型转录因子型转录因子 （TF TF TF TF）l l型转录因子型转录因子型转录因子型转录因子 （TF TF TF TF ）l l型转录因子型转录因子型转录因子型转录因子 （TF TF TF TF ）RNA聚合酶聚合酶l lRNA RNA PolPol l lRNA RNA PolPol l lRNA RNA PolPol 作用作用l l能结合到能结合到能结合到能结合到DNADNADNADNA 的特殊序列的特殊序列的特殊序列的特殊序列（原核（原核（原核（原核RNA RNA RNA RNA PolPolPolPol 亚基）亚基）亚基）亚基）l l与与与与RNARNARNARNA聚合酶结聚合酶结聚合酶结聚合酶结 合合合合，促进转录。，促进转录。，促进转录。，促进转录。l真核生物的转录起始上游区段比原核生物真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化多样化l启动子（启动子（promoter）：是：是DNA上的特殊的序列，上的特殊的序列，其中最重要的保守顺序称其中最重要的保守顺序称TATA(box)盒子盒子，是，是RNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位l转录起始时，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板启动子区不直接结合模板启动子区需要需要转录因子先与启动子区结合转录因子先与启动子区结合，从而刺激转录。，从而刺激转录。一、一、转录转录起始起始一个典型的真核生物基因上游序列一个典型的真核生物基因上游序列:53调控序列调控序列TATA盒盒InrYYAN YYTA-30+1TATAAA转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增强子增强子顺式作用元件顺式作用元件转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列结构基因结构基因启动子区启动子区真真核核生生物物RNA聚聚合合酶酶转转录录的的基基因因及及其其转转录录起始上游序列起始上游序列二二、转录延长、转录延长真真核核生生物物转转录录延延长长过过程程与与原原核核生生物物大大致致相相似似，但因有核膜相隔，没有但因有核膜相隔，没有转录与翻译转录与翻译同步的现象。同步的现象。RNA-pol前移处处都遇上前移处处都遇上核小体核小体。转转录录延延长长过过程程中中可可以以观观察察到到核核小小体体移移位位和和解解聚聚现象。现象。转录延长中的核小体移位转录延长中的核小体移位三、转录终止三、转录终止真真核核生生物物的的转转录录终终止止，是是和和转转录录后后修修饰饰密密切切相相关的。关的。真真核核生生物物mRNA有有聚聚腺腺苷苷酸酸(poly A)尾尾巴巴结结构构，是转录后才加进去的。是转录后才加进去的。转转录录不不是是在在poly A的的位位置置上上终终止止，而而是是超超出出数数百百个个乃乃至至上上千千个个核核苷苷酸酸后后才才停停顿顿。已已发发现现，在在读读码码框框架架的的下下游游，常常有有一一组组共共同同序序列列AATAAA，再再下下游游还还有有相相当当多多的的GT序序列列。这这些些序序列列称称为为转录终止的修饰点转录终止的修饰点。n真核生物的转录终止及加尾修饰真核生物的转录终止及加尾修饰真核生物真核生物RNARNA转录后的加工转录后的加工第四节第四节几种主要的修饰方式几种主要的修饰方式1.剪接剪接(splicing)2.剪切剪切(cleavage)4.修饰修饰(modification)5.添加添加(addition)3.连接（连接（joinjoin）mRNA的加工RNA-pol的转录产物(hnRNA)DNA在核内mRNA，免受核酸酶攻击前体为核内不均一RNA（hnRNA）加工成mRNA过程30%左右保留一、真核生物一、真核生物mRNA的转录后加工的转录后加工（一）首、尾的修饰（一）首、尾的修饰 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppGp)3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)增加mRNA的稳定性，免遭3-5外切核酸酶的攻击。维持mRNA作为翻译模板的活性(与mRNA寿命有关)有人推测polyA可能与从细胞核转送到细胞质有关u帽子结构帽子结构5 pppGp5 GpppGppppG ppi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5 m7GpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAM帽帽子子结结构构的的生生成成5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi加入加入polyApolyAu加加polyApolyA尾巴尾巴切去切去33端过剩碱端过剩碱基（核酸外切酶）基（核酸外切酶）（二）（二）mRNA的剪接的剪接1.hnRNA 和和 snRNA 核内的核内的初级初级mRNA称为称为不均一核不均一核RNA(hetero-nuclear RNA,hnRNA)snRNA(small nuclear RNA)核内的蛋白质核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体小分子核糖核酸蛋白体（剪切酶（剪切酶 snRNP）snRNAhnRNAhnRNA是是mRNAmRNA的前体，大几倍，几十倍的前体，大几倍，几十倍切去内含子连接外显子核酸内切酶剪切酶剪切酶 snRNPsnRNP连接酶连接外显子内含子（intron）隔断基因线性表达的序列，不编码蛋白质外显子（exon）mRNA前体中编码蛋白质的序列 2、mRNA内部的剪切剪接接口：5 GUAG-OH3并接体:snRNP（U1 SnRNA,U2 SnRNA）与hnRNA内含子碱基互补结合于5，3端套索二次转酯反应切下内含子第一次转酯反应第一次转酯反应第二次转酯反应第二次转酯反应二次转酯反应pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第一次转酯反应第二次转酯反应第二次转酯反应UpAGpU外显子外显子1内含子内含子外显子外显子2G-OHUpUpGpA剪接过程的二次转酯反应剪接过程的二次转酯反应 (twice transesterification)鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录录、转转录录后后修修饰饰目目 录录鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图DNAmRNA目目 录录修饰包括修饰包括mRNAmRNA分子核糖上分子核糖上2-2-羟基的甲羟基的甲基化反应和嘌呤碱的甲基化反应。（胞基化反应和嘌呤碱的甲基化反应。（胞浆和核内）浆和核内）l编辑（编辑（editingediting）是指在转录后对）是指在转录后对mRNAmRNA序序列中的碱基进行变换的过程列中的碱基进行变换的过程 3.mRNA的编辑及修饰的编辑及修饰转录仍在进行时，加帽、剪接和编辑就开始转录仍在进行时，加帽、剪接和编辑就开始 DNA转录单位RNA聚合酶IIm7Gpppm7Gpppm7Gpppm7Gpppm7Gppp剪切及加入3多聚AAAAnAAAnAAAnAAAnCH3CH3甲基化修饰RNA拼接转移到胞浆成熟mRNA细胞核细胞浆外显子1内含子外显子2RNA初级转录物 成熟的 mRNA转录仍在进行时，加帽、剪接和编辑就开始转录仍在进行时，加帽、剪接和编辑就开始 l rRNA前体的转换前体的转换 二、二、rRNA的转录后加工的转录后加工 45S 28S32S41S 20S18S5.8Su真核细胞的真核细胞的5S RNA基因基因与其与其他他rRNA基因基因相分开相分开，分别有，分别有 pol和和 polpol转录生成。转录生成。u28S、5.8S与相关的蛋白质一起组成核糖体的与相关的蛋白质一起组成核糖体的大亚大亚基基。18S则是则是小亚基小亚基的成分。的成分。u加工方式：加工方式：剪接、修饰剪接、修饰。甲基化甲基化碱基的甲基化修饰和部分核糖的碱基的甲基化修饰和部分核糖的2-OH甲基化反应甲基化反应 l rRNA前体的加工前体的加工三、三、tRNA的转录后加工的转录后加工tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNADHU和T环的模板内含子内含子RNAaseP（5）外切酶外切酶（3）可溶性的酶复合可溶性的酶复合物物（内含子）tRNA核苷核苷酸转移酶、酸转移酶、连接酶连接酶1ATP2CTPADPCDP碱基修饰碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）
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