第三章 RNA的轉(zhuǎn)錄機(jī)制

第3章生物信息的傳遞----

從DNA到RNA（轉(zhuǎn)錄）

本章主要內(nèi)容1、轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的中心環(huán)節(jié)2、轉(zhuǎn)錄涉及的酶與過程3、轉(zhuǎn)錄后的加工

轉(zhuǎn)錄（transcription）以DNA為模板，在RNA聚合酶（RNApolymerase）的作用下合成mRNA，將遺傳信息從DNA分子上轉(zhuǎn)移到mRNA分子上，這一過程稱為轉(zhuǎn)錄。1轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的中心環(huán)節(jié)

轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板合成RNA,并且只是以單股DNA為模板，因此具有不對稱性；用以轉(zhuǎn)錄的單鏈DNA,稱為模板鏈,與復(fù)制不同，轉(zhuǎn)錄是局部的,從啟動子開始到終止子結(jié)束,為一個轉(zhuǎn)錄單位;

轉(zhuǎn)錄不需要引物；轉(zhuǎn)錄首先得到RNA前體，然后再進(jìn)行加工轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓腞NA.被轉(zhuǎn)錄成單個RNA分子的一段DNA稱為一個轉(zhuǎn)錄單位(transcript)由5種亞基組成：

全酶=核心酶（α2ββ’）+σ因子

α亞基決定轉(zhuǎn)錄的基因β亞基在5’——3’方向上延長多核苷酸鏈，其方式與DNA聚合酶相同，原料為NTP，沒有糾錯的功能。β’亞基結(jié)合DNA模板

σ因子識別“啟動子”并與之結(jié)合2轉(zhuǎn)錄涉及的酶與過程1)原核的RNA聚合酶2.1RNA聚合酶（RNApolymerase）類型細(xì)胞內(nèi)定位催化轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物對鵝膏蕈堿的反應(yīng)Ⅰ核仁rRNA前體耐受Ⅱ核質(zhì)mRNA前體(hnRNA)極敏感Ⅲ

核質(zhì)5SrRNAtRNA中度敏感2)真核的RNA聚合酶（注意：S)RNA聚合酶與DNA聚合酶的區(qū)別RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大，4.8×105dol小，1.09×105dol引物無有產(chǎn)物較短，游離較長，與模板以氫鍵相連作用方式一條鏈的某一段兩條鏈同時進(jìn)行外切酶活性無5’3’，3’5’校對合成能力無有修復(fù)能力無有

沉降系數(shù)S

生物大分子在離心場中沉降，受到三種力的影響，它們是離心力，浮力和摩擦力。物質(zhì)在單位離心力場下的沉降速度是個定值，稱為沉降系數(shù)（sedimentationcoefficient）。蛋白質(zhì)、核酸等的沉降系數(shù)在1X10-13到200X10-13秒之間。為方便將10-13秒作為一個單位，稱Svedberg單位，用S表示。其數(shù)值不僅與物質(zhì)分子的質(zhì)量有關(guān)，也與分子的形狀有關(guān)。

2.2轉(zhuǎn)錄模板轉(zhuǎn)錄的模板：DNA雙鏈中的一條模板鏈：DNA雙鏈中具有轉(zhuǎn)錄功能的一條鏈（templatestrand）編碼鏈：貯存有遺傳信息與模板鏈互補(bǔ)的一條鏈（codingstrand）5/3/3/5/不對稱轉(zhuǎn)錄：

1、RNA分子上只有一條可轉(zhuǎn)錄2、模板鏈并不總是在同一單鏈上RNA合成方向：5/→3/不對稱轉(zhuǎn)錄（asymmetrictranscription）DNA5′……GGAGTACATGTC…3′（編碼鏈，+,）

3′……CCTCAUGUACAG…5′（模板鏈，-，）↓（轉(zhuǎn)錄）5′……GGAGUACAUGUC……3′

mRNA

↓（翻譯）N……Ala…Val…His…Val…C

多肽

RNA聚合酶的底物（RNA合成的原料）：ATP、GTP、CTP、UTP2.3底物

DNA上的轉(zhuǎn)錄起始序列，稱為啟動子，有序列保守性，不僅是轉(zhuǎn)錄起始的位置，而且影響轉(zhuǎn)錄的活性。RNA聚合酶結(jié)合在啟動子上上游下游2.4啟動子（promoter）注意原核啟動子在-35和-10區(qū)域的保守序列Pribnowbox編碼鏈AACTGTATATTA模板鏈TTGACATATAAT3’5’DNA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)Probnow盒子啟動子35

10

+1轉(zhuǎn)錄區(qū)5’3’RNA轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)與新生RNA鏈第一個核甘酸相對應(yīng)DNA鏈上的堿基。真核生物啟動子的結(jié)構(gòu)核心啟動子（corepromoter）上游啟動子元件（upstreampromoterelement，UPE）1、核心啟動子

定義：指保證RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游TATA區(qū)作用：選擇正確的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，保證精確起始TATA常在-25bp左右，相當(dāng)于原核的-10序列T85A97T93A85A63A83A502、上游啟動子元件●包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等●作用：控制轉(zhuǎn)錄起始頻率。CAAT：-70--80bpGGGCGG：-80--110bp轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物●原核生物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物

轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄復(fù)合體TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIFPolIITFIIERNApolⅡ的轉(zhuǎn)錄起始●真核生物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物過程：啟動子的選擇、轉(zhuǎn)錄起始、RNA鏈的延伸、終止啟動子的選擇

包括RNA聚合酶全酶對啟動子的識別，聚合酶與啟動子可逆性結(jié)合形成封閉復(fù)合物——DNA鏈仍處于雙鏈狀態(tài)。接著，隨著DNA構(gòu)象上的變化，封閉復(fù)合物轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放復(fù)合物，聚合酶全酶所結(jié)合的DNA序列中有一小段雙鏈解開。2.5轉(zhuǎn)錄過程及其特點(diǎn)2)轉(zhuǎn)錄開始

由σ因子辨認(rèn)并且結(jié)合到啟動子上，局部解鏈（10-20bp），拓樸異構(gòu)酶等也參與。3)RNA鏈的延伸

由核心酶催化，以其中的一股DNA單鏈作為模板鏈，以NTP為原料，按照堿基互補(bǔ)配對的原則，通常是由5’ppp嘌呤核苷（G或A）開頭向著3’方向延長多核苷酸鏈，合成開始后，σ因子從模板上脫離下來（可以重復(fù)利用）。核心酶覆蓋雙鏈DNA和RNA復(fù)合物，向前推進(jìn)，一邊解開螺旋，一邊釋放出新合成的RNA鏈，后面已經(jīng)轉(zhuǎn)錄的區(qū)域中分開的DNA鏈又重新形成雙螺旋?！稗D(zhuǎn)錄泡（transcriptionbubble）”轉(zhuǎn)錄過程中的模板識別、起始和延伸

A.依賴ρ因子的終止

新生RNA上有ρ因子的識別位點(diǎn)。它與聚合酶-DNA-RNA復(fù)合物結(jié)合，向3’端移動，并解開DNA-RNA雜交體，需ATP。弱終止子－需要ρ因子B.依賴于特定序列的終止（不依賴ρ因子的終止）

轉(zhuǎn)錄終止區(qū)有特殊結(jié)構(gòu)。終止區(qū)的上游有GC二重對稱區(qū)，轉(zhuǎn)錄的RNA容易形成多個“發(fā)卡”結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的3’端有polyU序列。這種特殊的二級結(jié)構(gòu)阻止了轉(zhuǎn)錄向下游繼續(xù)推進(jìn)。強(qiáng)終止子－內(nèi)部終止子4)轉(zhuǎn)錄的終止不依賴因子的終止終止位點(diǎn)上游一般存在一個富含GC堿基的二重對稱區(qū)，RNA形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；在終止位點(diǎn)前面有一段由4-8個A組成的序列，RNA的3’端為寡聚U發(fā)夾式結(jié)構(gòu)和寡聚U的共同作用使RNA從三元復(fù)合物中解離出來。終止效率與二重對稱序列和寡聚U的長短有關(guān)，長度效率依賴因子的終止因子：六聚體蛋白、水解各種核甘三磷酸促使新生RNA鏈從三元轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中解離出來，從而終止轉(zhuǎn)錄。AB轉(zhuǎn)錄終止的兩種方式

轉(zhuǎn)錄得到的只是RNA的初級產(chǎn)物，通常要經(jīng)過加工，才能轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓腞NA。tRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工比較簡單.

3RNA后的加工（post-transcriptionalprocessing）原核前體RNA的加工tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工與修飾

注意tRNA上的修飾和稀有堿基

mRNA轉(zhuǎn)錄后的加工

原核生物的結(jié)構(gòu)基因（編碼的）是多順反子（poly-cistron），通常是將幾個相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因一起轉(zhuǎn)錄得到多個mRNA。（順反子cistron一詞可以視作基因的同義詞）。而真核基因是單順反子（mono-cistron），其mRNA的轉(zhuǎn)錄比較復(fù)雜,因?yàn)檎婧送ǔＶ晦D(zhuǎn)錄出一個結(jié)構(gòu)基因,而且其結(jié)構(gòu)基因通常又是斷裂基因,即是由編碼的外顯子（exon）和不編碼的內(nèi)含子（intron）間隔排開組成的。因此,轉(zhuǎn)錄得到的僅僅是mRNA的“毛坯”，稱為核不均RNA（hnRNA），要進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后的加工-----------在其5’端加上鳥嘌呤“帽子”，3’端加上polyA的“尾巴”，再切除內(nèi)含子，將外顯子拼接，才能成為一個成熟的mRNA。真核mRNA前體轉(zhuǎn)錄后加工(以卵清蛋白mRNA的轉(zhuǎn)錄為例)外顯子內(nèi)含子5’3’真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工，包括：

1.在5’端加鳥嘌呤“帽”結(jié)構(gòu)

2.在3’端加polyA的“尾”

3.切除內(nèi)含子；

4.拼接外顯子。5’帽結(jié)構(gòu)5’端的一個核苷酸總是7-甲基鳥核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5’端的這種結(jié)構(gòu)稱為帽子（cap）。1、在5’端加帽通過5′→5′磷酸二酯鍵在原初mRNA的5’端倒扣一個“G”。?在新生mRNA鏈達(dá)到50個核苷酸前，甚至可能在RNAPolII離開轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)之前，帽子結(jié)構(gòu)就已加到mRNA的第一個核苷酸上了。?5′末端加上鳥苷是由鳥苷轉(zhuǎn)移酶催化的。?帽子結(jié)構(gòu)是GTP和原5’三磷酸腺苷（或鳥苷）縮合反應(yīng)的產(chǎn)物。?mRNA的帽子結(jié)構(gòu)常常被甲基化。

真核生物mRNA的“帽子”結(jié)構(gòu)

mRNA的帽子結(jié)構(gòu)常常被甲基化零類帽子（cap0）：第一個甲基出現(xiàn)在所有真核細(xì)胞的mRNA中（單細(xì)胞真核生物mRNA主要是這個結(jié)構(gòu)），由鳥苷酸-7甲基轉(zhuǎn)移酶催化，稱為零類帽子。1類帽子(cap1)：如在第二個核苷酸(原mRNA5’第一位)的2’-OH位上加另一個甲基，這步反應(yīng)由2’-O-甲基轉(zhuǎn)移酶完成。一般把有這兩個甲基的結(jié)構(gòu)稱為1類帽子。真核生物中以這類帽子結(jié)構(gòu)為主。2類帽子(cap2):在某些生物細(xì)胞內(nèi)，mRNA鏈上的第三個核苷酸的2’-OH位也可能被甲基化，因?yàn)檫@個反應(yīng)只以帶有1類帽子的mRNA為底物，所以被稱為2類帽子。只占有帽mRNA總量的10%-15%以下。帽子結(jié)構(gòu)功能：①能被核糖體小亞基識別，促使mRNA和核糖體的結(jié)合；②m7Gppp結(jié)構(gòu)能有效地封閉mRNA5’末端，以保護(hù)mRNA免受5’核酸外切酶的降解，增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定。2、3’端加尾多聚腺苷酸尾巴AAUAAA：★準(zhǔn)確切割★加poly（A）多聚腺苷酸尾巴功能：提高了mRNA在細(xì)胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。3、RNA的剪接（切除內(nèi)含子，拼接外顯子）地中海貧血病人的珠蛋白基因，1/4生物體內(nèi)內(nèi)含子的主要類型：

GU-AG、AU-AC、Ⅰ類內(nèi)含子、Ⅱ類內(nèi)含子

5’..AAGUAAGU…….CURAY..(10-40)…(U/C)11NCAGG….3’IntronexonexonPolyprimidineCAG=UAG>AAG>GAG參與RNA剪接的物質(zhì)：snRNA（核內(nèi)小分子RNA）snRNP（與snRNA結(jié)合的核蛋白）①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5Ⅰ類內(nèi)含子的自我剪接Ⅱ類內(nèi)含子的自我剪接4、RNA的編輯編輯（editing）是指轉(zhuǎn)錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基的突變、加入或丟失等現(xiàn)象。C變?yōu)閁堿基的突變尿苷酸的缺失和添加1986.R.Benne在研究錐蟲線粒體mRNA轉(zhuǎn)錄加工時發(fā)現(xiàn)mRNA的多個編碼位置上加入或丟失尿苷酸，1990年在高等動物和病毒中也發(fā)現(xiàn)了編輯現(xiàn)象。

錐蟲coxII基因的編輯RNA的再編碼4、原核生物與真核生物mRNA的特征比較

1）原核生物mRNA的特征●半衰期短●多以多順反子的形式存在多順反子mRNA：編碼多個蛋白質(zhì)的mRNA。單順反子mRNA：只編碼一個蛋白質(zhì)的mRNA。結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透過酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA●5’端無“帽子”結(jié)構(gòu)，3’端沒有或只有較短的poly（A）結(jié)構(gòu)。SD序列：mRNA中用于結(jié)合原核生物核糖體的序列。2）真核生物mRNA的特征●5’端存在“帽子”結(jié)構(gòu)●多數(shù)mRNA3’端具有poly（A）尾巴（組蛋白除外）●以單順反子的形式存在“基因”的分子生物學(xué)定義：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核甘酸序列。原核生物和真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的比較

DNA和RNA生物合成的比較(1)

復(fù)制

轉(zhuǎn)錄1.原料dNTPNTP2.模板DNA兩條鏈DNA一條鏈3.引物需要RNA引物不需引物4.新連延伸方向5ˊ→3ˊ5ˊ→3ˊ5.主要酶類DNA聚合酶RNA聚合酶解旋、解鏈酶類（α2ββˊσ）引物酶終止因子(ρ)DNA連接酶DNA和RNA生物合成的比較(2)

復(fù)制過程轉(zhuǎn)錄過程模板DNA解旋與解鏈，σ因子辨認(rèn)起始點(diǎn),

形成復(fù)制叉；帶動全酶解開DNA雙鏈,形成引發(fā)體，促使轉(zhuǎn)錄起動；合成RNA引物；σ因子隨之脫落下來；3.按A=T、G=C堿基配對在核心酶催化下,

規(guī)則，合成DNA；使RNA鏈不斷延長；切除引物、填補(bǔ)空隙、ρ因子終止鏈延長。形成岡崎片段；DNA連接酶連接封口，形成長鏈DNA；6.在Tus蛋白參與下，終止復(fù)制中國科學(xué)院2001年碩士研究生入學(xué)考試：名詞解釋：Transcription;Reversetranscription1、下列有關(guān)TATA盒(Hognessbox)的敘述,哪個是正確的:A.它位于第一個結(jié)構(gòu)基因處

B.它和RNA聚合酶結(jié)合

C.它編碼阻遏蛋白

D.它和反密碼子結(jié)合

B

2.轉(zhuǎn)錄需要的原料是:

dNTPB.dNDP

C.dNMP

D.NTPE.NMPD3、DNA模板鏈為5’-ATTCAG-3’,其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是:A.5’-GACTTA-3’B.5’-CTGAAT-3’C.5’-UAAGUC-3’D.5’-CUGAAU-3’

D4、DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程有許多相同點(diǎn),下列描述哪項是錯誤的?A.轉(zhuǎn)錄以DNA一條鏈為模板,而以DNA兩條鏈為模板進(jìn)行復(fù)制