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RNA转录

第五章

RNA的生物合成

（转录）

RNABiosynthesis,Transcription

主要内容

•第一节转录的基本原理

•第二节DNA指导下的RNA聚合酶

•第三节与转录起始和终止有关的DNA结构

•第四节原核和真核生物的转录及抑制剂

•第五节转录后加工及其机制

基本要求

•掌握转录相关的酶类

•熟悉转录的基本过程

•了解转录抑制剂

•掌握转录起始与终止的特殊结构

•掌握转录后加工机制

第一节转录的基本原理

第二节一、基本概念

第三节二、转录与复制的异同

第四节一、基本概念

第五节转录（transcription）

第六节生物体以DNA为模板合成RNA的过程。

第七节转录的基本概念

第八节反应体系：

DNA模板,NTP,酶，Mg2+,Mn2+，合成方向5'→3'。

连接方式--3',5'磷酸二酯键。

第九节转录特点：

不对称转录--DNA片段转录时，双链DNA中只有一条链作为转录的模板，这种转录方式称作不对称转录。

第一十节模板链（templatestrand）及反意义链（antisensestrand）:

指导RNA合成的DNA链为模板链，又称反意义链。

编码链（codingstrand）及有意义链（sensestrand）：

不作为转录的另一条DNA链为编码链，又称有意义链。

由于基因分布于不同的DNA单链中，即某条DNA单链对某个基因是模板链，而对另一个基因则是编码链。

第一十一节原料：

四种磷酸核苷NTP,DNA中的T在RNA合成中变为U

第一十二节合成过程:

连续，

第一十三节方向：

5‘→3’从头合成,5´—末端的起始核苷酸常为GTP或ATP

第一十四节转录的一般过程

第一十五节参与转录的物质

第一十六节原料:

NTPs（ATP,UTP,GTP,CTP）

第一十七节模板:

DNA

第一十八节酶:

RNA聚合酶（RNApolymerase,RNA-pol）

第一十九节其他蛋白质因子

第二十节转录模板

a）DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因（structuralgene）。

b）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（templatestrand），也称作Watson链。

相对的另一股单链是编码链（codingstrand），也称为Crick链。

第二十一节不对称转录

第二十二节（asymmetrictranscription）

第二十三节在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；

第二十四节模板链并非永远在同一条单链上。

第二十五节生物信息流动模式

第二十六节5′···GCAGTACATGTC···3′

第二十七节编码链

第二十八节3′···cgtgatgtacag···5′

第二十九节模板链

第三十节mRNA

第三十一节mRNA

第三十二节5′···GCAGUACAUGUC···3′

第三十三节5′···GCAGUACAUGUC···3′

第三十四节蛋白质

第三十五节翻译

N······Ala·Val·His·Val

转录单元（transcriptionunit）

一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。

一个转录单位可以是一个基因,也可以是多个基因

转录的特点：

1、不对称性

2、连续性

3、单向性

4、有特定的起始和终止位点

转录与复制的相同点

•1.都以DNA为模板

•2.原料为核苷酸

•3.合成方向均为5′→3′方向

•4.遵守碱基互补配对规律

•5.产物为多聚核苷酸链

•复制和转录的区别

第二节DNA指导下的RNA聚合酶

•一、原核生物RNA聚合酶

•二、真核生物RNA聚合酶

RNA聚合酶

•

（一）原核生物的RNA聚合酶大肠杆菌

–分子量为480kD，由四个亚基组成α2ββ′σ（全酶）

–去掉σ亚基称为核心酶

•起始

•双链DNA局部解开

•磷酸二酯键形成

•延长阶段

•解链区到达基因终点

•终止阶段

•

（二）真核生物的RNA聚合酶

–三种RNA聚合酶Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,它们专一地转录不同的基因,其转录过程和产物已各不相同.三种RNA聚合酶对鹅膏覃碱的敏感性反应不同.

RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别

RNA聚合酶

DNA聚合酶

大小（M）

大，4.8×105dol

小，1.09×105dol

引物

无

有

产物

较短，游离

较长，与模板以氢键相连

作用方式

一条链的某一段

两条链同时进行

外切酶活性

无

5’3’，3’5’

校对合成能力

无

有

修复能力

无

有

第三节与转录起始和终止有关的DNA结构

•一原核生物的启动子和终止子

•二真核生物的启动子

•三原核生物和真核生物启动子的异同

•sextamabox（-35区）：

RNA聚合酶识别位点，该序列提供了RNA聚合酶识别的信号。

•Pribnowbox（-10区）：

RNA聚合酶牢固结合位点，此处AT含量多，有助于DNA局部双链解开。

真核生物启动子

真核有三种不同的启动子和有关的元件,每一种RNA聚合酶都有自己的启动子.

启动子Ⅱ最为复杂，它和原核的启动子有很多不同

（一）RNA聚合酶Ι的启动子

（二）近启动子:

-40-----+5,其功能决定转录起始的精确位置

（三）远启动子:

-165------40,其功能是影响转录的频率.

（四）

（二）RNA聚合酶Ⅱ的启动子

（五）核心启动子（corepromoter）

（六）上游启动子元件（upstreampromoterelement，UPE）

（七）1、核心启动子

（八）●定义：

指保证RNA聚合酶Ⅱ转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游TATA区

（九）TATA常在-25bp左右，相当于原核的-10序列

（一十）T85A97T93A85A63A83A50

（一十一）作用：

选择正确的转录起始位点，保证精确起始

（一十二）2、上游启动子元件

（一十三）●包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等

（一十四）CAAT：

-70--80bp

（一十五）GGGCGG：

-80--110bp

（一十六）●作用：

控制转录起始频率。

（一十七）帽子位点

（一十八）即转录起始位点,其碱基大多为腺嘌呤（指非模板链）,两侧各有若干个嘧啶核苷酸.

（一十九）增强子及其功能

（二十）增强子的发现从SV40开始，在SV40的转录单元上发现它的转录起始位点上游约200bp处有两段72bp长的重复序列，它们不是启动子的一部分，但能增强或促进转录的起始，除去这两段序列会大大降低这些基因的转录水平。

（二十一）能强化转录起始的序列为增强子或强化子（enhancer）。

后来在许多基因的启动区中陆续发现了增强子的存在。

（二十二）增强子的性质

（二十三）1增强效应十分明显:

10---200倍,甚至上千倍

（二十四）2增强效应与其位置和取向无关

（二十五）3大多为重复序列,其内部常有一个核心序列TGGAAA

（二十六）4其增强效应有严密的组织性和细胞特异性,只有特定的转录因子参与才能发挥其功能

（二十七）5没有基因专一性,与不同的基因组合均表现增强效应

（二十八）6许多增强子还受外部金属离子等调控

（三）RNA聚合酶Ⅲ的启动子

•最初在非洲爪蟾5SrRNA基因的启动子中被发现

•这种启动子位于转录起始位点的下游,一般又叫做内部启动子或下游启动子

•该类启动子有分区,并须与相应的转录因子结合才能起始转录

原核与真核生物转录起始位点的结构差异

•1原核生物转录起始位点没有帽子结构,嘌呤和嘧啶都能起始转录;真核生物的转录起始位点不但有帽子结构,而且要求有腺嘌呤才能起始转录

•2原核生物启动区范围较小,真核生物转录启动区则较大

•3原核生物中一般只有Pribnow框和Sextama框,而真核生物中相应的调控框则较多

第四节原核和真核生物的转录及抑制剂

•一、原核生物转录的起始

•二、原核生物转录的延长

•三、原核生物转录的终止

•四、真核生物的转录

•五、RNA生物合成抑制剂

•1.起始位点的识别

•σ识别正确的启动位点，启动子的结构至少由三部分组成：

-35序列提供了RNA聚合酶全酶识别的信号；-10序列是酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）；第三部分是RNA合成的起始点。

•2.转录起始

•加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或ATP。

所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物，第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点，σ亚基就会被释放脱离核心酶。

•3.链的延伸

•以NTP为原料和能量,DNA模板链为模板，靠核心酶的催化，核苷酸间通过3´,5´-磷酸二酯键成核糖核酸链（RNA）

•4.转录终止

•转录终止信号有两种情况

•弱终止子：

依赖ρ因子（终止因子，terminators）的终止

•NusA蛋白识别DNA链上的终止信号，在ρ因子帮助终止。

•强终止子：

（1）在终止点之前具有一段富含G-C的回文区域。

（2）富含G-C的区域之后是一连串的dA碱基序列，它们转录的RNA链的末端为一连串U（连续6个）。

•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：

1.RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。

2.DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。

3.包括转录起始、延长、终止三步

原核生物的转录起始

–原核生物由σ因子辨认转录起始位点,原核生物在-35区有5′-TTGACA,在-10区有TATAAT盒RNA酶结合到DNA链上，DNA双链部分解开形成转录空泡.

–转录起始不需引物,在RNA聚合酶的催化下，发生第一次聚合反应，形成四-磷酸二核苷酸。

–转录起始复合物:

–

（二）转录延长

–1.σ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。

–转录空泡（transcriptionbubble）：

也称转录复合物，是由RNA聚合酶的核心酶、DNA模板和转录产物RNA三者结合在一起的复合体。

–三）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

–1.依赖Rho因子的转录终止

–Rho因子是rho基因的产物，广泛存在于原核和真核细胞中，由6个亚基组成，分子量300KD。

Rho因子结合在新生的RNA链上，由5’端向3’端的方向移动。

–◆Rho因子有ATP酶的活性和解螺旋酶的活性

–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。

–①RNA产物3’端往往形成特殊的茎环结构，该结构阻碍RNA聚合酶前移。

–②转录产物中有密集的G-C配对，形成茎环结构，其后有一串寡聚U。

rU:

dA最不稳定。

–③寡聚U有利于RNA不再依附DNA模板链而脱落。

–终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关，长度效率

–茎环结构使转录终止的机理

–使RNA聚合酶变构，转录停顿；

–转录复合物解离，RNA产物释放。

–二、真核生物转录的基本过程

–模板识别

–转录起始

–转录延伸

–转录终止

–模板识别阶段主要指：

RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。

原核生物：

RNA聚合酶与启动子直接识别。

真核生物：

RNA聚合酶不能直接识别基因的启动子区，需要转录调控因子（辅助蛋白质）按特定顺序结合于启动子上，RNA聚合酶才能与之相结合并形成复杂的前起始复合物。

（一）转录起始

真核生物和原核生物的RNA-pol种类不同，结合模板的特性不一样。

转录起始时，原核生物RNA-pol可直接结合模板，而真核生物的RNA聚合酶需与多种蛋白因子的相互作用才能结合模板。

•真核生物的转录起始

–顺式作用元件（cis-actingelement）

•-35区　5′-TATAHogness盒TATA盒

•-40～-110区　CAAT盒　　GC盒

–反式作用因子（trans-actingfactor）

•转录因子（ＴＦ）

•转录因子和真核生物的转录起始复合物

–ＴＦⅡＡ、Ｂ、Ｄ、Ｅ、Ｆ　

–起始前复合物（ＰＩＣ）

•转录起始前的上游区段

•顺式作用元件（cis-actingelement）

•DNA分子上具有的可影响转录的各种组分

TATA区：

使转录精确地起始。

CAAT区和GC区又称为上游启动子元件（upstreampromoterelement，UPE）或称上游激活序列（upstreamactivatingsequence，UAS）主要控制转录起始频率，基本上不参与起始位点的确定。

尽管这3种启动子区序列都有着重要功能，但并不是每个基因的启动子区都包含这3种序列。

•有些基因，如组蛋白H2B，不含GC区，但有两个CAAT区，一个TATA区。

•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，统称为反式作用因子（trans-actingfactors）。

•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（transcriptionalfactors,TF）。

•3.转录起始前复合物

•（pre-initiationcomplex,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。

（二）转录的延伸

•RNA聚合酶离开启动子，沿DNA链移动并使新生RNA链不断伸长的过程。

转录起始后直到形成9个核苷酸短链是通过启动子阶段，此时RNA聚合酶一直处于启动子区，新生的RNA链与DNA模板链的结合不够牢固，很容易从DNA链上掉下来并导致转录重新开始。

一旦RNA聚合酶成功地合成9个以上核苷酸并离开启动子区，转录就进入正常的延伸阶段

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。

（三）真核生物转录终止

——和转录后修饰密切相关。

真核生物和原核生物转录的差别

·区域不同

·RNA聚合酶不相同

·启动子不同

·转录后RNA加工修饰不同

核酸合成的抑制剂

·核苷酸合成抑制剂

氨基酸类似物

叶酸类似物

碱基和核苷酸类似物

·与DNA模板结合的抑制剂

嵌合剂

烷化剂

·作用于DNA聚合酶或RNA集合酶的抑制剂

抗菌素:

如利福平、曲张霉素

有机化合物：

如磷羧基乙酸

转录过程的选择性抑制剂

放线菌素D

利福平

α－鹅膏蕈碱

原核

抑制

抑制

不抑制

真核

抑制

不抑制

抑制RNA聚合酶Ⅱ

RNA生物合成的抑制剂

1、嘌呤和嘧啶类似物

●碱基类似物（人工合成）：

抑制和干扰核酸的合成，

●代谢抑制物：

直接抑制核苷酸生物合成的酶，或掺入核酸分子中去，形成异常DNA，RNA，影响核酸功能。

●DNA模板功能抑制剂

●

（1）烷化剂

●

（2）放线菌D（原、真）

●（3）嵌入染料

●RNA聚合酶的抑制剂

●

（1）利福平：

和原核生物RNA聚合酶的β亚基结合，从而阻止合成。

●

（2）α-鹅膏覃碱：

通过作用于RNA聚合酶Ⅱ和Ⅲ阻断真核生物细胞mRNA的合成。

第五节转录后加工及其机制

•一、mRNA的前体加工

•二、tRNA的前体加工

•三、rRNA的前体加工

•四、RNA的剪接

•五、RNA催化活性

•六、RNA编辑

•RNA转录后的加工（post-transcriptionalprocessing）

•转录得到的只是初级产物，通常要经过加工，才能转变为成熟的RNA。

tRNA和rRNA的转录后加工比较简单，而mRNA的转录后加工比较复杂。

•原核基因是多顺反子（poly-cistron），通常是几个相关的结构基因（编码的）同时转录得到多个mRNA。

•而真核基因是单顺反子（mono-cistron），又是断裂基因。

其结构基因中由编码的外显子（exon）和不编码的内含子（intron）间隔排开。

转录得到的是“毛坯”，要在其5’端加上鸟嘌呤“帽子”，3’端加上polyA的“尾巴”，切除内含子，拼接外显子，才能成为一个成熟的mRNA。

•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）

真核细胞mRNA的加工

·5′端接上一个“帽子”（CAP）结构

·3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化

·剪接：

剪去内含子（intron），拼接外显子（extron）

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（polyAtail）

帽子结构

•帽子0:

m7GpppX,N7甲基鸟嘌呤核苷酸

•帽子1:

m7GpppXm,帽子0后第一个核苷酸2位氧甲基化,这是除单细胞真核生物外其它真核生物的主要帽子形式

•帽子2:

m7GpppXmpYm,帽子0后第二个核苷酸2位氧甲基化

•帽子结构中甲基供体为S-腺苷甲硫氨酸（SAM）

帽子结构的生理功能

•1帽子结构为核糖体识别mRNA提供了信号,帽子0结构是核糖体识别mRNA所必须的.

•2帽子结构增加mRNA的稳定性,保护mRNA免受5’外切核酸酶的降解.

•3帽子结构还能促进某些RNA的合成.

•真核生物转录后加尾修饰

•——和转录终止密切相关。

•2、3’端加尾

•多聚腺苷酸尾巴

•AAUAAA：

•★准确切割

•★加poly（A）

•

（二）mRNA的剪接

•1.hnRNA和snRNA

•核内的初级mRNA称为杂化核RNA（hetero-nuclearRNA,hnRNA）

•snRNA（smallnuclearRNA）

•snRNA

•核内的蛋白质

•小分子核糖核酸蛋白体

•（并接体,splicesome）

小分子核内RNA（snRNA）

•真核细胞核内一组小分子RNA,含70~300碱基,序列中尿嘧啶含量较高,因此又用U命名.

•既非任何RNA的前体,也非某种RNA代谢的中间产物,而是具有独特功能且独立存在的实体,参与mRNA的加工。

•常与多种特异的蛋白质结合在一起，形成小分子核内核蛋白颗粒（smallnuclearribonucleoproteinparticle，snRNP）

•*断裂基因（splitegene）

•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。

•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

•外显子（exon）和内含子（intron）

•外显子

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。

内含子的其它剪接方式及功能

•内含子的分类

•按基因类型分

–第一类内含子线粒体,叶绿体内转录初级rRNA基因

–第二类内含子线粒体,叶绿体内转录初级mRNA基因

–第三类内含子套索状剪接SnRNA和SnRNP完成

–第四类内含子tRNA基因及其初级转录产物的内含子

二tRNA的转录后加工

•切除部分序列:

–5′-端一段前导序列　

–反密码子环一段插入序列

•3′-端CCA-OH的生成

–tRNA核苷酸基转移酶

•某些碱基的化学修饰:

–甲基化

–还原反应DHU

–脱氨反应

•碱基修饰的方式：

•1）甲基化

•如：

A→A

•

（2）还原反应

•如：

U→DHU

•3）核苷内的转位反应

•4）脱氨反应

•如：

A→I

三rRNA前体的加工

»原核生物中rRNA基因与某些tRNA基因组成混合操纵子,这些混合操纵子在形成多顺反子转录物后,经断裂成为rRNA和tRNA的前体,然后分别进一步加工成熟.

»四、核酶

»核酶（ribozyme）

»具有酶促活性的RNA称为核酶。

»核酶

»某些RNA分子本身具有自我催化能力,可以完成rRNA的剪接，这种具有催化作用的RNA被称为核酶。

五RNA的编辑

•编辑（editing）是指转录后的RNA在编码区发生碱基的突变、加入或丢失等现象。

RNA的拼接、编辑和再编码

大多数的真核基因都是断裂基因，断裂基因的转录产物需要通过拼接，去除插入部分（即内含子，intron），使编码区（即外含子，Exon）成为连续序列，这是基因表达的一个重要环节。

RNA编码序列的改变称为编辑（editing），RNA编码和读码方式的改变称为再编码（recoding）。

由于存在选择性的拼接、编辑和再编码，一个基因可以产生多种蛋白质。

1、RNA的拼接

2、RNA的编辑

3、RNA的再编码