分子生物學第十四章-RNA的生物合成

第十四章

RNA的合成

（轉錄）轉錄(TRANSCRIPTION)

是指生物體以DNA為模板合成RNA的過程

DNA

RNA轉錄

第一節(jié)參與原核生物轉錄的主要物質(zhì)（一）模板

結構基因：能轉錄生成RNA的DNA區(qū)段。模板鏈：DNA雙鏈中按堿基配對規(guī)律能指引轉錄生成RNA的一股鏈編碼鏈：與模板鏈相互補的另一條鏈能夠轉錄RNA的那條DNA鏈稱為模板鏈，而與之互補的另一條DNA鏈稱為編碼鏈。

模板鏈編碼鏈5’5’3’3’5’5’5

3

3

5

模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈轉錄方向轉錄方向模板鏈和編碼鏈的相對性5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′編碼鏈模板鏈mRNA5′···GCAGUACAUGUC···3′轉錄N······Ala·Val·His·Val······C

蛋白質(zhì)翻譯模板鏈、編碼鏈與轉錄及翻譯的關系轉錄的特征：不對稱轉錄

指只轉錄模板鏈，而不轉錄編碼鏈

兩方面的含義：（１）在DNA分子雙鏈上，一股鏈用作模板指導轉錄，另一股鏈不轉錄。（２）模板鏈并非總是在同一條鏈上選擇性轉錄（二）原料

4種三磷酸核苷（NTP）：

ATP、GTPCTP、UTP

（三）RNA聚合酶（RNAPOLYMERASE）

全稱：依賴DNA的RNA聚合酶(DNA-dependentRNApolymeraseDDRP)簡稱：RNA聚合酶（

RNA-pol）作用：它以DNA為模板，4種NTP為原料，按

A=U、C

G、T=A堿基配對規(guī)則，催化合成

5′→3′方向的RNA鏈。核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

原核生物RNA聚合酶組成核心酶（

2

）+σ因子﹦全酶原核生物RNA聚合酶各亞基的功能（四）啟動序列在DNA模板上能被RNA聚合酶特異性結合并起始轉錄的部位稱為啟動序列或啟動子開始轉錄TTGACAAACTGT-35區(qū)(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205

3

3

5

原核生物的啟動序列RNA-pol辨認位點(recognitionsite)

5

5

RNA聚合酶保護區(qū)結構基因3

3

RNA-pol結合位點圖18-15種E.coli啟動序列的共有序列

（五）終止因子（Ρ）作用：協(xié)助RNA聚合酶辨認終止點并終止轉錄第二節(jié)原核生物的轉錄的過程

轉錄是以DNA為模板合成RNA的過程起始延長終止

(一)起始階段

轉錄起始需解決兩個問題：RNA聚合酶必須準確地結合在轉錄模板的起始區(qū)域DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉錄的模板轉錄起始過程：RNA聚合酶全酶(

2

+)與模板結合

5

3

3

5

結構基因調(diào)控序列RNA-polDNA雙鏈解開17bp在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應，形成轉錄起始復合物

大腸桿菌轉錄起始（二）延長階段

亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構，與模板結合松弛，沿著DNA模板前移。核心酶沿著DNA模板鏈3′→5′方向，催化合成5′→3′方向的RNA鏈。

RNApol轉錄復合物：酶-DNA-RNA：轉錄空泡RNAG-C>A-T>A-U（三）終止階段

RNA聚合酶在DNA模板鏈上停止滑動，轉錄產(chǎn)物RNA鏈停止延長并從轉錄復合物上脫落下來分類依賴ρ因子的轉錄終止不依賴ρ因子的轉錄終止1.依賴Ρ因子（RHO）的轉錄終止2.不依賴Ρ因子的轉錄終止

（依賴莖環(huán)結構的轉錄終止）

因子的作用原理：莖環(huán)結構使轉錄終止的機制使RNA聚合酶變構，轉錄停頓；局部RNA/DNA雜化短鏈的堿基配對是最不穩(wěn)定的。RNA鏈上的多聚U也是促使RNA鏈從模板上脫落的重要因素。

第三節(jié)真核生物RNA的合成一、真核生物的RNA聚合酶真核生物中的RNA聚合酶可按其對

-鵝膏蕈堿的敏感性而分為三種，它們均由10～12個大小不同的亞基所組成，結構非常復雜，其功能也不同。

真核生物的RNA聚合酶種類ⅠⅡⅢ轉錄產(chǎn)物45SrRNA（rRNA的前體）hnRNA（mRNA前體）,lncRNA,piRNA,miRNAtRNA,5SrRNAsnRNA對鵝膏蕈堿的反應耐受敏感高濃度下敏感細胞內(nèi)定位核仁核內(nèi)核內(nèi)RNA聚合酶的亞基組成RNA聚合酶Ⅱ由12個亞基組成，其最大的亞基稱為RBP1。RNA聚合酶Ⅱ最大亞基的羧基末端有一段共有序列為Tyr（酪）-Ser（絲）-Pro（脯）-Thr（蘇）-Ser-Pro-Ser的重復序列片段，稱為羧基末端結構域(carboxyl-terminaldomain,CTD)。CTD對于維持細胞的活性是必需的。RNApolⅡ是真核生物中最活躍、最重要的酶，故本章敘述的真核生物的轉錄主要以RNApolⅡ所催化的轉錄反應為例。二、順式作用元件和轉錄因子（一）順式作用元件是基因周圍能與特異轉錄因子結合而影響轉錄的DNA序列。核心啟動子：RNA聚合酶結合部位啟動子上游元件：與蛋白因子結合，提高轉錄效率增強子：起正性調(diào)控作用沉寂（默）子：起負性調(diào)控作用

轉錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子順式作用元件(cis-actingelement)AATAAA切離加尾轉錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體在真核生物中，轉錄的起始過程較為復雜。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種蛋白因子與RNA轉錄合成有關。RNA聚合酶啟動轉錄時，參與轉錄起始復合體的形成的一類蛋白質(zhì)稱為轉錄因子（TF）

。直接或間接辨認和結合啟動子或增強子的蛋白質(zhì)被稱為反式作用因子。（二）轉錄因子反式作用因子：通用轉錄因子（基本轉錄因子）和特異轉錄因子通用轉錄因子：是RNA聚合酶與啟動子結合所必需的一組蛋白因子不同的RNA聚合酶存在相應的基本轉錄因子，將基本轉錄因子分為TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ如與RNA聚合酶Ⅱ相關的轉錄因子包括TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡH等。參與RNA-polⅡ轉錄的TFⅡ的作用轉錄因子功能TFⅡDTBP亞基，結合TATA盒TFⅡA輔助和加強TBP與DNA結合TFⅡB穩(wěn)定TFⅡD-DNA復合物，結合RNApolⅡTFⅡE結合TFⅡH，解螺旋酶活性，穩(wěn)定解鏈狀態(tài)TFⅡF促進RNApolⅡ結合及作為其他因子結合的橋梁TFⅡH解旋酶、作為蛋白激酶催化CTD磷酸化TFⅡDTFⅡA

TFⅡBRNApolyⅡ/TFⅡFTFⅡEPICDTATABFEDNA起始前復合物（PIC）ARNApolyⅡTATA（三）轉錄起始前復合物（PIC）的生成RNA聚合酶Ⅱ催化第一個磷酸二酯鍵形成。RNA聚合酶Ⅱ的羧基末端結構域（CTD）被磷酸化修飾，大部分轉錄因子脫離，聚合酶向下游移動延伸RNA鏈。三、真核生物轉錄延長過程不與翻譯同步真核生物轉錄延長過程與原核生物類似，但由于存在核小體的高級結構，故在轉錄延長過程中可觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。四、真核生物RNA的轉錄終止和加

尾修飾同時進行5------AAUAAA-5

------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉錄終止的修飾點5

5

3

33加尾AAAAAAA······3mRNA轉錄與復制的比較

復制轉錄（1）原料dNTP

NTP（2）模板DNA兩條鏈DNA一條鏈（或一段）（3）合成方式半保留復制不對稱轉錄（4）引物需要RNA引物不需引物（5）產(chǎn)物子代雙鏈DNAmRNA,tRNA,rRNA（6）酶類DNA聚合酶RNA聚合酶（7）配對A-T，G-CA-U，T-A，G-C真核生物轉錄產(chǎn)物RNA都要經(jīng)過一系列改變才能成為有生物活性的RNA分子。

第四節(jié)真核生物前體RNA的加工和降解幾種主要的修飾方式：1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.修飾(modification)4.添加(addition)5.RNA編輯(RNAediting)mRNA的前體分子被稱為核內(nèi)不均一RNA（hnRNA）

hnRNA需進行加工修飾，才能成為成熟mRNA一、真核生物前體mRNA的轉錄后加工

1．加帽(addingcap)：在真核生物mRNA5’-末端有7-甲基鳥嘌呤的帽結構。此加帽過程發(fā)生在細胞核內(nèi)，hnRNA即可進行加帽。（一）首、尾的修飾加工過程:首先是在磷酸酶的作用下，將5’-端的磷酸基水解，然后再加上鳥苷三磷酸，形成GpppN的結構，再對G進行甲基化（m7GpppNp）。Pi5'ppGp…磷酸酶5'

pppGp…5'GpppGp…pppGppi鳥苷酸轉移酶5'

m7GpppGp…甲基轉移酶SAM帽子結構的生成帽子結構：功能：①可能是真核核糖體小亞基識別與結合位點，從而參與蛋白質(zhì)合成的啟動②可能阻止5′外切核酸酶對mRNA的降解，增加mRNA的穩(wěn)定性

2．加尾(addingtail)：這一過程也是細胞核內(nèi)完成，首先由核酸外切酶切去3'-端一些過剩的核苷酸，然后再加入polyA。

尾部修飾是和轉錄終止同時進行的過程。polyA的有無與長短，是維持mRNA作為翻譯模板的活性，以及增加mRNA本身穩(wěn)定性的因素。一般真核生物在胞漿內(nèi)出現(xiàn)的mRNA，其polyA長度為100至200個核苷酸之間，也有少數(shù)例外。前體mRNA分子的斷裂和加多聚腺苷酸尾是多步驟過程。真核生物RNA的轉錄終止5------AAUAAA-5

------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉錄終止的修飾點5

5

3

33加尾AAAAAAA······3mRNAAAUAAAG/U5’3’Poly(A)信號Poly(A)位點mRNACPSFG/U5’3’CPSFCFI,CFII,CStFCPSFCStFCFICFIIPAPCPSFCStFCFICFIIPAPATPG/UPPPiCFIICFICStF慢速多腺苷酸化PABⅡCPSFAAAAAAAAAAOHPAPATPPPiPABⅡ快速多腺苷酸化CPSFAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAHOAAAAAAAAAAPAPCPSFAAAAAAAAAAOHPAP功能：

①參與mRNA向細胞質(zhì)基質(zhì)轉運②阻止3′外切核酸酶對mRNA的降解，增加mRNA的穩(wěn)定性。5′GpppG…鳥苷酸轉移酶5′m7GpppG……甲基轉移酶磷酸酶PPi5′pG…5′pppG…GTPSAMSAHhnRNA+nATPpolyA聚合酶Mg2+mRNA-(A)n+nPPi加帽加尾Pi33/50加帽加尾的意義：1.mRNA穩(wěn)定性所需2.蛋白質(zhì)翻譯所需3.polyA尾與mRNA轉位有關G34/50（二）mRNA的剪接雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖mRNADNA1.斷裂基因(splitegene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)真核生物結構基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)

外顯子：在斷裂基因及其初級轉錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達為成熟RNA的核酸序列。(結構基因中能夠指導多肽鏈合成的編碼順序)內(nèi)含子：隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。(不能指導多肽鏈合成的非編碼順序)。內(nèi)含子的分類

根據(jù)基因的類型和剪接的方式，通常把內(nèi)含子分為4類I：主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等核生物的rRNA基因；II：也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉錄產(chǎn)物是mRNA；

III：是常見的形成套索結構后剪接，大多數(shù)mRNA基因有此類內(nèi)含子；

IV：是tRNA基因及其初級轉錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，剪接過程需酶及ATP。核內(nèi)帶有外顯子和內(nèi)含子編碼序列的初級

RNA轉錄產(chǎn)物稱為核不均一RNA

(hnRNA)hnRNA經(jīng)剪接加工除去內(nèi)含子非編碼序列并將外顯子編碼序列連接起來才能形成成熟mRNA2.hnRNA和snRNA：snRNA為核小RNA，富含尿嘧啶，故以U作分類和命名，如U1、U2等。有5種snRNA與核內(nèi)蛋白質(zhì)組裝形成核小核糖核蛋白體（snRNP），參與hnRNA的剪接加工。3.HNRNA的剪接過程：①snRNP與hnRNA結合成為剪接體。②剪接體結構調(diào)整，U2和U6形成催化中心，發(fā)生轉酯反應。UpAGpU外顯子1內(nèi)含子外顯子2pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次轉酯反應第二次轉酯反應G-OHUpUpGpA剪接過程的二次轉酯反應雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉錄、轉錄后修飾4.前體mRNA分子可發(fā)生可變剪接

許多前體mRNA分子經(jīng)過加工只產(chǎn)生一種成熟的mRNA，翻譯成相應的一種多肽；有些則可剪切或（和）剪接加工成結構有所不同的mRNA，這一現(xiàn)象稱為可變剪接（alt