生物化學第36章蘭州大學經典課件RNA的生物合成和加工

第36章RNA的生物合成和加工(BiosynthesisandprocessingofRNA)一、DNA指導下RNA的合成二、RNA的轉錄后加工三、在RNA指導下RNA和DNA的合成第36章RNA的生物合成和加工(Biosynthesis1遺傳信息的流向遺傳信息的流向2轉錄和轉錄后的加工

貯存于DNA中的遺傳信息須通過轉錄和翻譯而得到表達。在轉錄過程中，以DNA的一條鏈作模板，在RNA聚合酶的催化下，利用4種NTP為原料，合成與模板鏈互補的RNA分子。與DNA模板鏈互補的另一條DNA單鏈為意義鏈。

細胞內的各種RNA都是通過轉錄產生的（某些RNA病毒除外，它們有RNA的復制），轉錄出的RNA通常需要經過各種加工才能成為成熟的、有功能的RNA產物。轉錄和轉錄后的加工貯存于DNA中的遺傳信息須通過轉錄3DNA意義鏈、模板鏈和RNA、蛋白質的關系非模板鏈模板鏈非模板鏈也叫意義鏈或編碼鏈DNA意義鏈、模板鏈和RNA、蛋白質的關系非模板鏈模板鏈非模4一、DNA指導下RNA的合成

在DNA指導下合成RNA稱為轉錄。在DNA長鏈上有許多基因，也有許多轉錄起始點和轉錄終止點，形成相應的轉錄單位。一個轉錄單位可以只含一個基因，稱為單順反子（monocistron）；也可以含多個基因，稱為多順反子（multicistron）。在每一個轉錄起始點附近都有特殊的序列，只有具有這種特殊序列才能在此處起始轉錄，這種特殊的序列叫啟動子（promoter）。轉錄單位一、DNA指導下RNA的合成在DNA指導下合5轉錄受到嚴格的調控

基因的轉錄是一種有選擇的過程，隨著不同的細胞類型、生長發(fā)育的不同階段、外界環(huán)境條件的變化而轉錄不同的基因。轉錄是基因表達調控中最重要的層次。轉錄受到嚴格的調控基因的轉錄是一種有選擇的過程，隨著6核酸合成酶類DNA指導的DNA聚合酶：DNA聚合酶

（DNA-dircetedDNApolymerase，DDDP）DNA指導的RNA聚合酶：RNA聚合酶

（DNA-directedRNApolymerase，DDRP）RNA指導的RNA聚合酶：復制酶

（RNA-directedRNApolymerase，RDRP）RNA指導的DNA聚合酶：反轉錄酶（逆轉錄酶）

（RNA-directedDNApolymerase，RDDP）核酸合成酶類DNA指導的DNA聚合酶：DNA聚合酶7（一）DNA指導的RNA聚合酶

DNA指導的RNA聚合酶簡稱RNA聚合酶，它以4種NTP為底物，需要DNA模板，RNA鏈的合成方向也是5’→3’，5’端的第一個核苷酸的5’位帶有3個磷酸，其后每加入一個核苷酸脫去一個焦磷酸，形成磷酸二酯鍵。RNA鏈合成的起始不需要引物。RNA聚合酶沒有校對功能。（一）DNA指導的RNA聚合酶DNA指導的RNA聚合8大腸桿菌RNA聚合酶

細菌的mRNA、rRNA和tRNA都由同一種RNA聚合酶轉錄。RNA聚合酶的轉錄速度在37℃約為50個核苷酸/s，與多肽鏈的合成速度（15個氨基酸/s）大致相當。

大腸桿菌RNA聚合酶由5種6個亞基組成，α2ββ’σω，其中α2ββ’是核心酶。大腸桿菌RNA聚合酶細菌的mRNA、rRNA和tRN9大腸桿菌RNA聚合酶各亞基的性質和功能亞基基因分子量亞基數(shù)目功能αrpoA40,0002酶的裝配與啟動子上游元件及活化因子結合βrpoB155,0001結合核苷酸底物催化磷酸二酯鍵形成β’rpoC160,0001與模板DNA結合σrpoD32,000~92,0001識別啟動子促進轉錄的起始ω9,0001未知大腸桿菌RNA聚合酶各亞基的性質和功能亞基基因分子量亞基數(shù)目10σ因子的功能

σ因子的功能在于引導RNA聚合酶穩(wěn)定地結合到DNA啟動子上，σ因子有多種，不同類型的啟動子由不同的σ因子識別。σ因子的存在對核心酶的構象有較大影響，它導致RNA聚合酶對DNA的一般序列及啟動子序列的親和力有很大不同，極大地降低了酶與DNA一般序列的結合常數(shù)和停留時間，同時又大大增加了酶與啟動子的結合常數(shù)和停留時間。σ因子的功能σ因子的功能在于引導RNA聚合酶穩(wěn)定地結11RNA聚合酶與啟動子的結合

全酶可通過擴散與DNA任意部位結合，這種結合是疏松的，隨后酶結合的DNA部位迅速被置換，也可以說是酶在DNA上不斷地變換結合位點，直到遇上啟動子序列，隨即由疏松結合變成牢固結合。此處DNA雙鏈被局部解開，轉錄開始。轉錄開始后σ因子脫落，轉錄進入延伸階段。

RNA聚合酶與啟動子的結合全酶可通過擴散與DNA任意12大腸桿菌RNA聚合酶與DNA的相互作用σ因子與核心酶全酶全酶與DNA復合物核心酶鉗住DNAσ因子脫落大腸桿菌RNA聚合酶與DNA的相互作用σ因子與核心酶全酶全酶13大腸桿菌的RNA轉錄~17bp大腸桿菌的RNA轉錄~17bp14起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)到達基因終點延長階段53RNA

啟動子（promoter)

終止子(terminator)5RNA聚合酶5353553離開起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)到達基因終15真核生物RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶主要有3類，通常有8～14個亞基，并含有Zn2+。它們分別負責合成不同類型的RNA,利用它們對抑制劑α-鵝膏蕈堿的敏感性的差異可以辨別它們。真核生物RNA聚合酶自身不能識別和結合到啟動子上，它也沒有σ因子，而是需要在啟動子上由多種轉錄因子（各種參與轉錄的蛋白質）和RNA聚合酶組裝成活性轉錄復合物才能起始轉錄。真核生物RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶主要有3類，16真核生物RNA聚合酶的種類和性質酶的種類功能對抑制劑的敏感性RNA聚合酶Ⅰ轉錄45SrRNA前體，經加工產生5.8S、18S和28SrRNA對α－鵝膏蕈堿不敏感RNA聚合酶Ⅱ轉錄所有編碼蛋白質的基因和大多數(shù)snRNA對α－鵝膏蕈堿敏感RNA聚合酶Ⅲ轉錄小RNA的基因，包括tRNA、5SrRNA、U6snRNA和scRNA對α－鵝膏蕈堿中等敏感真核生物RNA聚合酶的種類和性質酶的種類功能對抑制劑的17真核生物細胞器RNA聚合酶

真核細胞的線粒體和葉綠體中也有自己的RNA聚合酶，它們分別轉錄線粒體和葉綠體中的基因。線粒體和葉綠體RNA聚合酶不同于細胞核RNA聚合酶，它們的結構較簡單，類似于原核生物的RNA聚合酶，能催化線粒體中和葉綠體中各種RNA的轉錄，并被原核生物RNA聚合酶的抑制劑利福平等抑制。真核生物細胞器RNA聚合酶真核細胞的線粒體和葉綠體中18（二）啟動子和轉錄因子啟動子是一個轉錄單位的控制起始轉錄的序列。轉錄因子是與啟動子或其上游的調控序列結合，并能調節(jié)轉錄的蛋白質因子。（二）啟動子和轉錄因子啟動子是一個轉錄單位的控制起始19RNA聚合酶與DNA的結合習慣上DNA的序列按其意義鏈來描述。從左到右相當于5’→3’方向。轉錄單位的起點核苷酸編號為+1，往右依次為+2,+3,·

·

·

·

·

·從+1往5’上游編號依次為-1,-2,·

·

·

·

·

·當RNA聚合酶全酶最初與DNA結合時，它覆蓋的長度為75～80bp，從啟動子的-

55

～

+20。在轉錄起始階段結束時，σ因子被釋放，核心酶覆蓋的長度約為60bp。到核心酶再向前移動若干核苷酸后，核心酶進入延伸階段，只覆蓋30～40bp。RNA聚合酶與DNA的結合習慣上DNA的序列按其意義20大腸桿菌RNA聚合酶在轉錄的起始階段縮短覆蓋DNA的長度大腸桿菌RNA聚合酶在轉錄的起始階段縮短覆蓋DNA的長度21原核生物啟動子

在原核基因啟動子中，有一個位于-10的pribnowbox（TATAAT）和位于-35的sextamabox（TTGACA）。這兩個序列是決定啟動子強度的重要因素。Pribnowbox是RNA聚合酶的牢固結合位點及解鏈位點，sextamabox是RNA聚合酶的識別位點。在-10區(qū)和-35區(qū)之間的序列并不重要，然而這兩個區(qū)之間的距離卻十分重要。天然啟動子中這段距離大多為15~20bp，實驗表明這段距離為17bp時轉錄效率最高。原核生物啟動子在原核基因啟動子中，有一個位于-10的22大腸桿菌啟動子共有序列的功能sextamaboxpribnowbox大腸桿菌啟動子共有序列的功能sextamabox23真核生物啟動子真核生物啟動子有3類，分別由RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ起始轉錄，起始轉錄需要許多轉錄因子的參與，啟動子的識別也是靠轉錄因子的作用。類別Ⅰ啟動子控制的基因有許多拷貝，往往成簇存在。RNA聚合酶Ⅰ轉錄45SrRNA前體，經加工產生5.8S、18S和28SrRNA真核生物啟動子真核生物啟動子有3類，分別由RNA聚合24類別Ⅰ啟動子的結構類別Ⅰ啟動子由兩部分保守序列組成：1.核心啟動子（corepromoter）位于轉錄起點附近，從-45~+20；2.上游控制元件（upstreamcontrolelement）位于-180~-107。

兩部分都有富含GC的區(qū)域。RNA聚合酶Ⅰ對其轉錄需要兩種轉錄因子的參與。類別Ⅰ啟動子的結構類別Ⅰ啟動子由兩部分保守序列組成：25真核生物類別Ⅰ啟動子的轉錄因子

UBF1和SL1是參與類別Ⅰ啟動子轉錄的兩種轉錄因子，其中UBF1為單鏈蛋白，SL1為四聚體蛋白。真核生物類別Ⅰ啟動子的轉錄因子UBF1和SL1是參與26真核生物的類別Ⅱ啟動子類別Ⅱ啟動子包含4類控制元件：基本啟動子（basalpromoter）起始子（initiator）上游元件（upstreamelement）應答元件（responseelement）RNA聚合酶Ⅱ轉錄所有編碼蛋白質的基因和大多數(shù)snRNA真核生物的類別Ⅱ啟動子類別Ⅱ啟動子包含4類控制元件：RNA聚27幾種真核基因的基本啟動子類別Ⅱ啟動子中的基本啟動子序列為中心在-25

~-30左右的7bp保守區(qū)，根據(jù)基本啟動子中保守序列的特點，也將其稱為TATABOX。幾種真核基因的基本啟動子類別Ⅱ啟動子中的基本啟動子序28RNA聚合酶Ⅱ和轉錄因子在啟動子上的裝配TF:transcriptionfactorRNA聚合酶Ⅱ和轉錄因子在啟動子上的裝配TF:transc29轉錄起始復合物的裝配CTD:C-terminaldomain轉錄起始復合物的裝配CTD:C-terminal30起始子起始子是轉錄起始點處的一個保守序列，其共有序列如下PyPyANPyPy+1

T

A起始子起始子是轉錄起始點處的一個保守序列，其共有序列31上游元件和應答元件見P463表36-4上游元件和應答元件見P463表36-432真核生物類別Ⅲ啟動子

類別Ⅲ啟動子涉及一些小分子RNA的轉錄。5SrRNA、tRNA以及scRNA（smallcytosolRNA）基因的啟動子位于轉錄起始點的下游，即在基因的轉錄區(qū)域內部。snRNA（smallnuclearRNA）基因的啟動子在轉錄起始點的上游，與通常的啟動子類似。爪蟾5SrRNA基因的啟動子位于+55

~

+80。RNA聚合酶Ⅲ轉錄小RNA的基因，包括tRNA、5SrRNA、U6snRNA和scRNA真核生物類別Ⅲ啟動子類別Ⅲ啟動子涉及一些小分子RNA33類別Ⅲ啟動子的結構特點下游啟動子snRNA基因的上游啟動子OCT：八聚體基序PSE：鄰近序列元件類別Ⅲ啟動子的結構特點下游啟動子snRNA基因的上游啟動子O34（三）終止子和終止因子提供轉錄停止信號的DNA序列稱為終止子（terminator），協(xié)助RNA聚合酶識別終止信號的蛋白輔助因子稱為終止因子（terminationfactor）。有些終止子的作用可被特異的因子所阻止，使RNA聚合酶越過終止子繼續(xù)轉錄，這稱為通讀。這類能夠抗終止的蛋白質因子稱為抗終止因子（antiterminationfactor）。（三）終止子和終止因子提供轉錄停止信號的DNA序列稱35原核生物終止子的結構特點大腸桿菌有兩類終止子：一類稱為不依賴于ρ因子的終止子，或簡單終止子；另一類稱為依賴于ρ因子的終止子。簡單終止子有一段回文結構，其后還有一系列U（約有6個），回文結構中通常有一段富含GC的序列，寡聚U序列可能提供信號使RNA聚合酶脫離模板。依賴于ρ因子的終止子其回文結構不含富有GC區(qū)，回文結構之后也無寡聚U。依賴于ρ因子的終止子在細菌染色體中少見，而在噬菌體中廣泛存在。原核生物終止子的結構特點大腸桿菌有兩類終止子：一類稱36原核生物的兩類終止子不依賴于ρ因子的終止子依賴于ρ因子的終止子原核生物的兩類終止子不依賴于ρ因子的終止子依賴于ρ因子37不依賴ρ因子的轉錄終止機制在轉錄過程中，RNA聚合酶沿著模板鏈向前移動，它感受的終止信號來自剛轉錄出的RNA中，而不是感受DNA模板上的信號。在轉錄出終止子序列后，RNA上的終止序列形成發(fā)夾結構，使RNA聚合酶感受到終止信號（發(fā)夾結構），整個復合物構象發(fā)生變化，新合成的寡聚U與模板鏈上的寡聚A結合不緊密，新生RNA鏈與模板DNA分開，RNA聚合酶也脫落。不依賴ρ因子的轉錄終止機制在轉錄過程中，RNA聚合酶38不依賴ρ因子的轉錄終止機制不依賴ρ因子的轉錄終止機制39依賴ρ因子的轉錄終止機制ρ因子以六聚體的形式存在，在有RNA存在時它能水解NTP，最近發(fā)現(xiàn)ρ因子有RNA-DNA解旋酶的活性。依賴ρ因子的轉錄終止機制ρ因子以六聚體的形式存在，在40抗終止作用抗終止作用主要見于某些噬菌體基因表達的時序控制。在早期基因轉錄表達出抗終止蛋白后，使得轉錄通讀，進入晚期基因表達。這種方式可使一個啟動子控制后面基因的時序表達。抗終止作用抗終止作用主要見于某些噬菌體基因表達的時序41真核生物基因的轉錄終止真核生物轉錄的終止信號和終止過程還不清楚。實驗表明，RNA聚合酶Ⅱ的轉錄產物在3’末端切斷，然后加上腺苷酸尾（polyA）。真核生物基因的轉錄終止真核生物轉錄的終止信號和終止過42真核生物基因的轉錄終止真核生物基因的轉錄終止43二、RNA的轉錄后加工二、RNA的轉錄后加工44（一）原核生物中RNA的加工（一）原核生物中RNA的加工45原核生物tRNA的轉錄后加工原核生物tRNA的轉錄后加工46原核生物tRNA的轉錄后加工2iPA=2-異戊烯基腺苷2mG=2-O-甲基鳥苷4tU=4-硫尿嘧啶核苷Ψ=假尿嘧啶核苷原核生物tRNA的轉錄后加工2iPA=2-異戊烯基腺苷47tRNA3’末端CCA的產生所有成熟tRNA分子的3’端都有CCA結構，它對于接受氨?；潜匾?。細菌tRNA前體存在兩類不同的3’端序列。一類其自身具有CCA的結構，將3’端多余的序列切除后剛好暴露出CCA序列；另一類是當切除3’端多余序列后，通過tRNA核苷酰轉移酶加上CCA。

tRNA的加工還包括堿基的修飾。tRNA3’末端CCA的產生所有成熟tRNA分子的348原核生物mRNA前體的加工細菌中的mRNA大多不需要加工，一經轉錄即可直接進行翻譯。甚至在轉錄出部分mRNA序列時就已經開始了翻譯，也就是一邊轉錄一邊翻譯，翻譯滯后一些。但也有少數(shù)多順反子mRNA須通過核酸內切酶切割成較小的單位，然后再翻譯。這些較小的單位可以是單個基因，也可以是多個基因序列的組合。原核生物mRNA前體的加工細菌中的mRNA大多不需要49原核生物中的邊轉錄邊翻譯原核生物中的邊轉錄邊翻譯50（二）真核生物中RNA的一般加工真核生物rRNA和tRNA前體的加工過程與原核生物相似，但mRNA前體必須經過復雜的加工，才能成為成熟的mRNA。（二）真核生物中RNA的一般加工真核生物rRNA和t51真核生物rRNA前體的加工哺乳類動物的18S、5.8S和28SrRNA基因構成一個轉錄單位，轉錄產生45SrRNA前體，然后通過剪切加工成各個成熟的rRNA。真核生物rRNA前體的加工哺乳類動物的18S、5.852真核生物tRNA前體的加工真核生物tRNA的加工與原核生物類似，只是真核生物tRNA3’端的CCA都是后加的。部分真核生物tRNA前體有內含子。真核生物tRNA前體的加工真核生物tRNA的加工與原53真核生物tRNA前體的加工PrimarytranscriptIntermediate真核生物tRNA前體的加工Primarytranscrip54真核生物tRNA前體的加工IntermediateMaturetRNATyr真核生物tRNA前體的加工IntermediateMatur55真核生物mRNA前體的加工

mRNA的前體稱為核內不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA），因為一個細胞中有許多種不同的mRNA，也就有許多種不同的前體。hnRNA在加工成熟的過程中有5’端加帽、3’端加尾、去除內含子等過程。真核生物mRNA前體的加工mRNA的前體稱為核內不均565’端加帽(m7Gppp)

大約轉錄出30個核苷酸時，在鳥苷轉移酶催化下，GTP與新生RNA鏈的5’端的三磷酸發(fā)生縮合反應，在RNA的5’端加上G殘基的帽子，在帽子上再進行甲基化，通常甲基化的位點是堿基上的7位，核糖的2’位也可以甲基化。帽子結構將在其后的翻譯中發(fā)揮重要作用；另一個作用可能是保護新生的RNA，避免其在合成過程中被降解。5’端加帽(m7Gppp)大約轉錄出30個核苷酸57mRNA5’端的帽子結構存在于所有類型帽子中在Ⅰ類型帽子中，此位點也可被甲基化G通過5’－5’鍵加入存在于Ⅰ類型帽子中存在于Ⅱ類型帽子中mRNA5’端的帽子結構存在于所有在Ⅰ類型帽子中，G通過5583’端加多聚腺苷酸尾真核生物mRNA的3’端通常都有20～200個腺苷酸，但也有例外，如組蛋白、呼腸孤病毒和不少植物病毒的mRNA沒有多聚腺苷酸尾。加尾過程在細胞核內進行，通過多聚腺苷酸聚合酶催化反應完成（不需要模板）。

polyA尾的存在可以提高mRNA的穩(wěn)定性。3’端加多聚腺苷酸尾真核生物mRNA的3’端通常都有59（三）RNA的拼接、編輯大多數(shù)真核基因都是斷裂基因，但也有少數(shù)編碼蛋白質的基因以及一些tRNA和rRNA基因是連續(xù)的。斷裂基因的轉錄產物須通過拼接，去除插入部分（intron，內含子），連接保留部分（exon，外顯子）成為連續(xù)序列。（三）RNA的拼接、編輯大多數(shù)真核基因都是斷裂基因，60RNA的降解

RNA降解是涉及基因表達的一個重要環(huán)節(jié)。rRNA和tRNA是穩(wěn)定的RNA，其更新率較低。mRNA是不穩(wěn)定的RNA，其更新率非常高。

細胞內有各種能夠降解RNA的酶，如5’→3’外切核酸酶、3’→5’外切核酸酶、核酸內切酶等。

不同的RNA其穩(wěn)定性不同，穩(wěn)定性與其結構有關，mRNA的5’帽子、polyA尾、發(fā)卡結構等都有穩(wěn)定RNA的作用。RNA的降解RNA降解是涉及基因表達的一個重要環(huán)節(jié)。61三、在RNA指導下RNA和DNA的合成

從有些感染RNA病毒的細胞中可以分離出RNA復制酶，這種酶以病毒RNA為模板，在有4×NTP及Mg2+存在時，能夠合成出與模板RNA互補的RNA鏈。再以新合成的RNA鏈為模板，合成出與原RNA一樣的RNA，這就是RNA的復制。（一）RNA的復制三、在RNA指導下RNA和DNA的合成從有些感染RN62噬菌體QβRNA的復制

Qβ噬菌體的復制酶由4個亞基組成，噬菌體RNA只編碼其中的β亞基，另外3個亞基都是利用宿主細胞中的蛋白質。

Qβ噬菌體的RNA本身就是mRNA，稱為正鏈，侵入宿主細胞后即可翻譯出復制酶的β亞基，β亞基與來自宿主的其他亞基結合后，成為有活性的復制酶，復制自身的RNA。

復制酶有底物特異性，它只復制病毒的RNA，而不復制宿主細胞中的其他RNA。噬菌體QβRNA的復制Qβ噬菌體的復制酶由4個亞基組63噬菌體QβRNA的復制噬菌體QβRNA的復制64病毒RNA復制的主要方式正鏈RNA病毒：先復制出負鏈，再復制出正鏈。

（侵入的正鏈可翻譯出蛋白質，產生復制酶）負鏈RNA病毒：先轉錄出正鏈，再復制出負鏈。（帶入復制酶）雙鏈RNA病毒：先轉錄出正鏈，再復制出負鏈。（帶入復制酶）逆轉錄病毒：先逆轉錄成DNA，再轉錄出RNA。（帶入逆轉錄酶）病毒RNA復制的主要方式正鏈RNA病毒：先復制出負鏈，再復制65ssRNA的極性①如果單鏈RNA可作為mRNA，可充當翻譯的模板，叫做正鏈RNA。正極性②如果單鏈RNA與mRNA互補，則無充當翻譯模板的可能，叫做負鏈RNA。負極性③雙意RNA：一個病毒核酸的RNA某一部分正極性，另一部分負極性。ssRNA的極性①如果單鏈RNA可作為mRNA，可充當翻66RNA的逆轉錄

以RNA為模板合成DNA的過程稱為逆轉錄（反轉錄），催化此反應的酶稱為逆轉錄酶（反轉錄酶）。逆轉錄酶催化的DNA合成反應以4×dNTP為底物，要求有模板和引物，體內的引物一般為tRNA。逆轉錄酶除了能以RNA為模板外，也可以以DNA為模板，所以它也是DNA聚合酶。逆轉錄酶還有RNaseH活性，此活性專門降解DNA-RNA雜交雙鏈中的RNA。RNA的逆轉錄以RNA為模板合成DNA的過程稱為逆轉67第36章RNA的生物合成和加工(BiosynthesisandprocessingofRNA)一、DNA指導下RNA的合成二、RNA的轉錄后加工三、在RNA指導下RNA和DNA的合成第36章RNA的生物合成和加工(Biosynthesis68遺傳信息的流向遺傳信息的流向69轉錄和轉錄后的加工

貯存于DNA中的遺傳信息須通過轉錄和翻譯而得到表達。在轉錄過程中，以DNA的一條鏈作模板，在RNA聚合酶的催化下，利用4種NTP為原料，合成與模板鏈互補的RNA分子。與DNA模板鏈互補的另一條DNA單鏈為意義鏈。

細胞內的各種RNA都是通過轉錄產生的（某些RNA病毒除外，它們有RNA的復制），轉錄出的RNA通常需要經過各種加工才能成為成熟的、有功能的RNA產物。轉錄和轉錄后的加工貯存于DNA中的遺傳信息須通過轉錄70DNA意義鏈、模板鏈和RNA、蛋白質的關系非模板鏈模板鏈非模板鏈也叫意義鏈或編碼鏈DNA意義鏈、模板鏈和RNA、蛋白質的關系非模板鏈模板鏈非模71一、DNA指導下RNA的合成

在DNA指導下合成RNA稱為轉錄。在DNA長鏈上有許多基因，也有許多轉錄起始點和轉錄終止點，形成相應的轉錄單位。一個轉錄單位可以只含一個基因，稱為單順反子（monocistron）；也可以含多個基因，稱為多順反子（multicistron）。在每一個轉錄起始點附近都有特殊的序列，只有具有這種特殊序列才能在此處起始轉錄，這種特殊的序列叫啟動子（promoter）。轉錄單位一、DNA指導下RNA的合成在DNA指導下合72轉錄受到嚴格的調控

基因的轉錄是一種有選擇的過程，隨著不同的細胞類型、生長發(fā)育的不同階段、外界環(huán)境條件的變化而轉錄不同的基因。轉錄是基因表達調控中最重要的層次。轉錄受到嚴格的調控基因的轉錄是一種有選擇的過程，隨著73核酸合成酶類DNA指導的DNA聚合酶：DNA聚合酶

（DNA-dircetedDNApolymerase，DDDP）DNA指導的RNA聚合酶：RNA聚合酶

（DNA-directedRNApolymerase，DDRP）RNA指導的RNA聚合酶：復制酶

（RNA-directedRNApolymerase，RDRP）RNA指導的DNA聚合酶：反轉錄酶（逆轉錄酶）

（RNA-directedDNApolymerase，RDDP）核酸合成酶類DNA指導的DNA聚合酶：DNA聚合酶74（一）DNA指導的RNA聚合酶

DNA指導的RNA聚合酶簡稱RNA聚合酶，它以4種NTP為底物，需要DNA模板，RNA鏈的合成方向也是5’→3’，5’端的第一個核苷酸的5’位帶有3個磷酸，其后每加入一個核苷酸脫去一個焦磷酸，形成磷酸二酯鍵。RNA鏈合成的起始不需要引物。RNA聚合酶沒有校對功能。（一）DNA指導的RNA聚合酶DNA指導的RNA聚合75大腸桿菌RNA聚合酶

細菌的mRNA、rRNA和tRNA都由同一種RNA聚合酶轉錄。RNA聚合酶的轉錄速度在37℃約為50個核苷酸/s，與多肽鏈的合成速度（15個氨基酸/s）大致相當。

大腸桿菌RNA聚合酶由5種6個亞基組成，α2ββ’σω，其中α2ββ’是核心酶。大腸桿菌RNA聚合酶細菌的mRNA、rRNA和tRN76大腸桿菌RNA聚合酶各亞基的性質和功能亞基基因分子量亞基數(shù)目功能αrpoA40,0002酶的裝配與啟動子上游元件及活化因子結合βrpoB155,0001結合核苷酸底物催化磷酸二酯鍵形成β’rpoC160,0001與模板DNA結合σrpoD32,000~92,0001識別啟動子促進轉錄的起始ω9,0001未知大腸桿菌RNA聚合酶各亞基的性質和功能亞基基因分子量亞基數(shù)目77σ因子的功能

σ因子的功能在于引導RNA聚合酶穩(wěn)定地結合到DNA啟動子上，σ因子有多種，不同類型的啟動子由不同的σ因子識別。σ因子的存在對核心酶的構象有較大影響，它導致RNA聚合酶對DNA的一般序列及啟動子序列的親和力有很大不同，極大地降低了酶與DNA一般序列的結合常數(shù)和停留時間，同時又大大增加了酶與啟動子的結合常數(shù)和停留時間。σ因子的功能σ因子的功能在于引導RNA聚合酶穩(wěn)定地結78RNA聚合酶與啟動子的結合

全酶可通過擴散與DNA任意部位結合，這種結合是疏松的，隨后酶結合的DNA部位迅速被置換，也可以說是酶在DNA上不斷地變換結合位點，直到遇上啟動子序列，隨即由疏松結合變成牢固結合。此處DNA雙鏈被局部解開，轉錄開始。轉錄開始后σ因子脫落，轉錄進入延伸階段。

RNA聚合酶與啟動子的結合全酶可通過擴散與DNA任意79大腸桿菌RNA聚合酶與DNA的相互作用σ因子與核心酶全酶全酶與DNA復合物核心酶鉗住DNAσ因子脫落大腸桿菌RNA聚合酶與DNA的相互作用σ因子與核心酶全酶全酶80大腸桿菌的RNA轉錄~17bp大腸桿菌的RNA轉錄~17bp81起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)到達基因終點延長階段53RNA

啟動子（promoter)

終止子(terminator)5RNA聚合酶5353553離開起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)到達基因終82真核生物RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶主要有3類，通常有8～14個亞基，并含有Zn2+。它們分別負責合成不同類型的RNA,利用它們對抑制劑α-鵝膏蕈堿的敏感性的差異可以辨別它們。真核生物RNA聚合酶自身不能識別和結合到啟動子上，它也沒有σ因子，而是需要在啟動子上由多種轉錄因子（各種參與轉錄的蛋白質）和RNA聚合酶組裝成活性轉錄復合物才能起始轉錄。真核生物RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶主要有3類，83真核生物RNA聚合酶的種類和性質酶的種類功能對抑制劑的敏感性RNA聚合酶Ⅰ轉錄45SrRNA前體，經加工產生5.8S、18S和28SrRNA對α－鵝膏蕈堿不敏感RNA聚合酶Ⅱ轉錄所有編碼蛋白質的基因和大多數(shù)snRNA對α－鵝膏蕈堿敏感RNA聚合酶Ⅲ轉錄小RNA的基因，包括tRNA、5SrRNA、U6snRNA和scRNA對α－鵝膏蕈堿中等敏感真核生物RNA聚合酶的種類和性質酶的種類功能對抑制劑的84真核生物細胞器RNA聚合酶

真核細胞的線粒體和葉綠體中也有自己的RNA聚合酶，它們分別轉錄線粒體和葉綠體中的基因。線粒體和葉綠體RNA聚合酶不同于細胞核RNA聚合酶，它們的結構較簡單，類似于原核生物的RNA聚合酶，能催化線粒體中和葉綠體中各種RNA的轉錄，并被原核生物RNA聚合酶的抑制劑利福平等抑制。真核生物細胞器RNA聚合酶真核細胞的線粒體和葉綠體中85（二）啟動子和轉錄因子啟動子是一個轉錄單位的控制起始轉錄的序列。轉錄因子是與啟動子或其上游的調控序列結合，并能調節(jié)轉錄的蛋白質因子。（二）啟動子和轉錄因子啟動子是一個轉錄單位的控制起始86RNA聚合酶與DNA的結合習慣上DNA的序列按其意義鏈來描述。從左到右相當于5’→3’方向。轉錄單位的起點核苷酸編號為+1，往右依次為+2,+3,·

·

·

·

·

·從+1往5’上游編號依次為-1,-2,·

·

·

·

·

·當RNA聚合酶全酶最初與DNA結合時，它覆蓋的長度為75～80bp，從啟動子的-

55

～

+20。在轉錄起始階段結束時，σ因子被釋放，核心酶覆蓋的長度約為60bp。到核心酶再向前移動若干核苷酸后，核心酶進入延伸階段，只覆蓋30～40bp。RNA聚合酶與DNA的結合習慣上DNA的序列按其意義87大腸桿菌RNA聚合酶在轉錄的起始階段縮短覆蓋DNA的長度大腸桿菌RNA聚合酶在轉錄的起始階段縮短覆蓋DNA的長度88原核生物啟動子

在原核基因啟動子中，有一個位于-10的pribnowbox（TATAAT）和位于-35的sextamabox（TTGACA）。這兩個序列是決定啟動子強度的重要因素。Pribnowbox是RNA聚合酶的牢固結合位點及解鏈位點，sextamabox是RNA聚合酶的識別位點。在-10區(qū)和-35區(qū)之間的序列并不重要，然而這兩個區(qū)之間的距離卻十分重要。天然啟動子中這段距離大多為15~20bp，實驗表明這段距離為17bp時轉錄效率最高。原核生物啟動子在原核基因啟動子中，有一個位于-10的89大腸桿菌啟動子共有序列的功能sextamaboxpribnowbox大腸桿菌啟動子共有序列的功能sextamabox90真核生物啟動子真核生物啟動子有3類，分別由RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ起始轉錄，起始轉錄需要許多轉錄因子的參與，啟動子的識別也是靠轉錄因子的作用。類別Ⅰ啟動子控制的基因有許多拷貝，往往成簇存在。RNA聚合酶Ⅰ轉錄45SrRNA前體，經加工產生5.8S、18S和28SrRNA真核生物啟動子真核生物啟動子有3類，分別由RNA聚合91類別Ⅰ啟動子的結構類別Ⅰ啟動子由兩部分保守序列組成：1.核心啟動子（corepromoter）位于轉錄起點附近，從-45~+20；2.上游控制元件（upstreamcontrolelement）位于-180~-107。

兩部分都有富含GC的區(qū)域。RNA聚合酶Ⅰ對其轉錄需要兩種轉錄因子的參與。類別Ⅰ啟動子的結構類別Ⅰ啟動子由兩部分保守序列組成：92真核生物類別Ⅰ啟動子的轉錄因子

UBF1和SL1是參與類別Ⅰ啟動子轉錄的兩種轉錄因子，其中UBF1為單鏈蛋白，SL1為四聚體蛋白。真核生物類別Ⅰ啟動子的轉錄因子UBF1和SL1是參與93真核生物的類別Ⅱ啟動子類別Ⅱ啟動子包含4類控制元件：基本啟動子（basalpromoter）起始子（initiator）上游元件（upstreamelement）應答元件（responseelement）RNA聚合酶Ⅱ轉錄所有編碼蛋白質的基因和大多數(shù)snRNA真核生物的類別Ⅱ啟動子類別Ⅱ啟動子包含4類控制元件：RNA聚94幾種真核基因的基本啟動子類別Ⅱ啟動子中的基本啟動子序列為中心在-25

~-30左右的7bp保守區(qū)，根據(jù)基本啟動子中保守序列的特點，也將其稱為TATABOX。幾種真核基因的基本啟動子類別Ⅱ啟動子中的基本啟動子序95RNA聚合酶Ⅱ和轉錄因子在啟動子上的裝配TF:transcriptionfactorRNA聚合酶Ⅱ和轉錄因子在啟動子上的裝配TF:transc96轉錄起始復合物的裝配CTD:C-terminaldomain轉錄起始復合物的裝配CTD:C-terminal97起始子起始子是轉錄起始點處的一個保守序列，其共有序列如下PyPyANPyPy+1

T

A起始子起始子是轉錄起始點處的一個保守序列，其共有序列98上游元件和應答元件見P463表36-4上游元件和應答元件見P463表36-499真核生物類別Ⅲ啟動子

類別Ⅲ啟動子涉及一些小分子RNA的轉錄。5SrRNA、tRNA以及scRNA（smallcytosolRNA）基因的啟動子位于轉錄起始點的下游，即在基因的轉錄區(qū)域內部。snRNA（smallnuclearRNA）基因的啟動子在轉錄起始點的上游，與通常的啟動子類似。爪蟾5SrRNA基因的啟動子位于+55

~

+80。RNA聚合酶Ⅲ轉錄小RNA的基因，包括tRNA、5SrRNA、U6snRNA和scRNA真核生物類別Ⅲ啟動子類別Ⅲ啟動子涉及一些小分子RNA100類別Ⅲ啟動子的結構特點下游啟動子snRNA基因的上游啟動子OCT：八聚體基序PSE：鄰近序列元件類別Ⅲ啟動子的結構特點下游啟動子snRNA基因的上游啟動子O101（三）終止子和終止因子提供轉錄停止信號的DNA序列稱為終止子（terminator），協(xié)助RNA聚合酶識別終止信號的蛋白輔助因子稱為終止因子（terminationfactor）。有些終止子的作用可被特異的因子所阻止，使RNA聚合酶越過終止子繼續(xù)轉錄，這稱為通讀。這類能夠抗終止的蛋白質因子稱為抗終止因子（antiterminationfactor）。（三）終止子和終止因子提供轉錄停止信號的DNA序列稱102原核生物終止子的結構特點大腸桿菌有兩類終止子：一類稱為不依賴于ρ因子的終止子，或簡單終止子；另一類稱為依賴于ρ因子的終止子。簡單終止子有一段回文結構，其后還有一系列U（約有6個），回文結構中通常有一段富含GC的序列，寡聚U序列可能提供信號使RNA聚合酶脫離模板。依賴于ρ因子的終止子其回文結構不含富有GC區(qū)，回文結構之后也無寡聚U。依賴于ρ因子的終止子在細菌染色體中少見，而在噬菌體中廣泛存在。原核生物終止子的結構特點大腸桿菌有兩類終止子：一類稱103原核生物的兩類終止子不依賴于ρ因子的終止子依賴于ρ因子的終止子原核生物的兩類終止子不依賴于ρ因子的終止子依賴于ρ因子104不依賴ρ因子的轉錄終止機制在轉錄過程中，RNA聚合酶沿著模板鏈向前移動，它感受的終止信號來自剛轉錄出的RNA中，而不是感受DNA模板上的信號。在轉錄出終止子序列后，RNA上的終止序列形成發(fā)夾結構，使RNA聚合酶感受到終止信號（發(fā)夾結構），整個復合物構象發(fā)生變化，新合成的寡聚U與模板鏈上的寡聚A結合不緊密，新生RNA鏈與模板DNA分開，RNA聚合酶也脫落。不依賴ρ因子的轉錄終止機制在轉錄過程中，RNA聚合酶105不依賴ρ因子的轉錄終止機制不依賴ρ因子的轉錄終止機制106依賴ρ因子的轉錄終止機制ρ因子以六聚體的形式存在，在有RNA存在時它能水解NTP，最近發(fā)現(xiàn)ρ因子有RNA-DNA解旋酶的活性。依賴ρ因子的轉錄終止機制ρ因子以六聚體的形式存在，在107抗終止作用抗終止作用主要見于某些噬菌體基因表達的時序控制。在早期基因轉錄表達出抗終止蛋白后，使得轉錄通讀，進入晚期基因表達。這種方式可使一個啟動子控制后面基因的時序表達?？菇K止作用抗終止作用主要見于某些噬菌體基因表達的時序108真核生物基因的轉錄終止真核生物轉錄的終止信號和終止過程還不清楚。實驗表明，RNA聚合酶Ⅱ的轉錄產物在3’末端切斷，然后加上腺苷酸尾（polyA）。真核生物基因的轉錄終止真核生物轉錄的終止信號和終止過109真核生物基因的轉錄終止真核生物基因的轉錄終止110二、RNA的轉錄后加工二、RNA的轉錄后加工111（一）原核生物中RNA的加工（一）原核生物中RNA的加工112原核生物tRNA的轉錄后加工原核生物tRNA的轉錄后加工113原核生物tRNA的轉錄后加工2iPA=2-異戊烯基腺苷2mG=2-O-甲基鳥苷4tU=4-硫尿嘧啶核苷Ψ=假尿嘧啶核苷原核生物tRNA的轉錄后加工2iPA=2-異戊烯基腺苷114tRNA3’末端CCA的產生所有成熟tRNA分子的3’端都有CCA結構，它對于接受氨?；潜匾摹＜毦鷗RNA前體存在兩類不同的3’端序列。一類其自身具有CCA的結構，將3’端多余的序列切除后剛好暴露出CCA序列；另一類是當切除3’端多余序列后，通過tRNA核苷酰轉移酶加上CCA。

tRNA的加工還包括堿基的修飾。tRNA3’末端CCA的產生所有成熟tRNA分子的3115原核生物mRNA前體的加工細菌中的mRNA大多不需要加工，一經轉錄即可直接進行翻譯。甚至在轉錄出部分mRNA序列時就已經開始了翻譯，也就是一邊轉錄一邊翻譯，翻譯滯后一些。但也有少數(shù)多順反子mRNA須通過核酸內切酶切割成較小的單位，然后再翻譯。這些較小的單位可以是單個基因，也可以是多個基因序列的組合。原核生物mRNA前體的加工細菌中的mRNA大多不需要116原核生物中的邊轉錄邊翻譯原核生物中的邊轉錄邊翻譯117（二）真核生物中RNA的一般加工真核生物rRNA和tRNA前體的加工過程與原核生物相似，但mRNA前體必須經過復雜的加工，才能成為成熟的mRNA。（二）真核生物中RNA的一般加工真核生物rRNA和t118真核生物rRNA前體的加工哺乳類動物的18S、5.8S和28SrRNA基因構成一個轉錄單位，轉錄產生45SrRNA前體，然后通過剪切加工成各個成熟的rRNA。真核生物rRNA前體的加工哺乳類動物的18S、5.8119真核生物tRNA前體的加工真核生物tRNA的加工與原核生物類似，只是真核生物tRNA3’端的CCA都是后加的。部分真核生物tRNA前體有內含子。真核生物tRNA前體的加工真核生物tRNA的加工與原120真核生物tRNA前體的加工PrimarytranscriptIntermediate真核生物tRNA前體的加工Primarytranscrip121真核生物tRNA前體的加工IntermediateMaturetRNATyr真核生物tRNA前體的加工IntermediateMatur122真核生物mRNA前體的加工

mRNA的前體稱為核內不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA），因為一個細胞中有許多種不同的mRNA，也就有許多種不同的前體。hnRNA在加工成熟的過程中有5’端加帽、3’端加尾、去除內含子等過程。真核生物mRNA前體的加工