第十一章RNA的生物合成doc.docx

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第十一章RNA的生物合成

Chapter11RNABiosynthesis,

生物界，RNA合成有两种方式：

一是DNA指导的RNA合成，也叫转录，此为生物体内的主要合成方式，也是本章介绍的主要内容。

另一种是RNA指导的RNA合成（RNA-dependentRNAsynthesis），也叫RNA复制（RNAreplication）,由RNA依赖的RNA聚合酶（RNA-dependentRNApolymerase）催化，常见于病毒，是逆转录病毒以外的RNA病毒在宿主细胞以病毒的单链RNA为模板合成RNA的方式。

重点内容

掌握不对称转录、模板链和编码链的概念。

（二）掌握原核生物RNA聚合酶的全酶及核心酶的组成；熟悉模板与酶的辨认结合，启动子的概念。

了解-35区、-10区、上游、下游序列等概念，以及两区的作用特点。

（三）熟悉原核生物的转录起始，转录的方向，原核生物的转录终止分两种方式。

了解原核生物RNA合成的过程。

（四）熟悉真核生物的RNA聚合酶的分类，作用特点以及各自相应的产物；了解真核生物转录过程。

（五）掌握断裂基因、内含子、外显子的概念；

（六）熟悉真核生物mRNA,tRNA的修饰过程。

复制与转录的相同点：

①都是酶促的核苷酸聚合过程

②以DNA为模板

③遵循碱基配对原则

④都需依赖DNA的聚合酶

⑤聚合过程都是生成磷酸二酯键

⑥新链合成方向为5’→3’

原核生物转录的模板和酶

Section1TemplatesandEnzymesinProkaryoticTranscription

原核生物转录的模板

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

转录的这种选择性称为不对称转录（asymmetrictranscription），它有两方面含义：

在DNA分子双链上，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；

模板链并非总是在同一单链上。

全称：

依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）。

RNA合成的化学机制与DNA聚合酶催化DNA合成相似，沿5‘→3’聚合RNA。

DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。

RNA聚合酶和DNA的特殊序列——启动子（promoter）结合后，就能启动RNA合成。

原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即2‘（ω），分子量达480kD。

亚基能引导RNA-pol稳定的结合在DNA启动子上。

亚基存在对核心酶的构象有较大影响，能导致RNA-pol与DNA上的一般序列和启动子序列的亲和力有很大不同：

极大降低了酶与DNA一般序列的结合常数，和停留时间，同时又增加了酶与启动子的亲合力和停留时间

其他原核生物的RNA聚合酶，在结构、组成、功能上均与E.coli相似。

抗结核药利福平或利福霉素可专一性地结合RNA聚合酶的β亚基，抑制RNA合成。

原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子（operon），包括若干个结构基因及其上游（upstream）的调控序列。

启动子（启动序列，promoter）是RNA聚合酶结合并起动转录的特异DNA序列。

启动子（promoter）是调控序列的一部分,控制转录的关键部位，决定着基因的表达强度。

第三节原核生物RNA转录合成的过程

一、转录起始需要RNA聚合酶全酶

RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。

DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。

转录起始过程：

1.RNA聚合酶全酶

（2）与模板结合，形成闭合转录复合体（closedtranscriptioncomplex）；

2.DNA双链局部解开，形成开放转录复合体（opentranscriptioncomplex）；

3.第一个NTP加入，形成转录起始复合物：

DNA双链解开的范围只有≈17bp，比复制叉小得多。

转录起始生成RNA的5’总是GTP，且保留三个磷酸基团

第一个磷酸二酯键生成后，σ亚基即从转录起始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸，继续结合于DNA模板上，酶沿DNA链前移，进入延长阶段。

二、原核生物的转录延长时蛋白质的翻译也同时进行

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；

在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。

三、原核生物转录终止分为依赖ρ（Rho）因子与非依赖ρ因子两大类

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。

依赖Rho（ρ）因子的转录终止

非依赖Rho因子的转录终止

（一）依赖ρ因子的转录终止

ρ因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量46kD。

ρ因子能结合RNA，又以对polyC的结合力最强。

ρ因子还有ATP酶活性和解螺旋酶（helicase）的活性。

目前认为，ρ因子终止转录的作用是：

与RNA转录产物结合，结合后ρ因子和RNA聚合酶都可发生构象变化，从而使RNA聚合酶停顿，解螺旋酶的活性使DNA/RNA杂化双链拆离，利于产物从转录复合物中释放。

（二）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。

终止点处存在相连的富含GC的回文结构，使RNA转录产物形成发夹形的二级结构，其后又有一段寡聚U

第三节真核生物的转录过程

真核生物的转录过程比原核复杂。

二者的转录起始过程有较大区别，转录终止也不相同。

一、真核生物有三种DNA依赖性RNA聚合酶

真核生物具有3种不同的RNA聚合酶:

RNA聚合酶Ⅰ（RNAPolⅠ）RNA聚合酶Ⅱ（RNAPolⅡ）RNA聚合酶Ⅲ（RNAPolⅢ）

三种RNA聚合酶均由10～12个大小不同的亚基组成，结构复杂，功能上存在差异。

真核生物RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的结构比原核生物复杂，都由多个亚基组成。

有些亚基是三种酶所共有。

所有真核生物的RNA聚合酶都有两个不同的大亚基和十几个小亚基.

mRNA是各种RNA中寿命最短、最不稳定的，需经常重新合成。

因此RNA聚合酶Ⅱ是三种酶中最活跃的。

RNA聚合酶Ⅱ由12个亚基组成，其最大的亚基称为RBP1。

RNA聚合酶Ⅱ最大亚基的羧基末端有一段共有序列（consensussequence）为Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser的重复序列片段，称为羧基末端结构域（carboxyl-terminaldomain,CTD）。

CTD对于维持细胞的活性是必需的。

习题

DNA复制和转录过程具有许多异同点,下列关于DNA复制和转录的描述中哪项是错误的?

A在体内只有一条DNA链转录,而两条DNA链都复制

B在这两个过程中合成方向都为5'→3'

C复制的产物在通常情况下大于转录的产物

D两过程均需RNA为引物

EDNA聚合酶I和RNA聚合酶都需要Mg2+

不参与DNA修复的酶是

光复活酶

引物酶

DNA聚合酶Ⅰ

DNA连接酶

核酸内切酶

切除修复需要

核酸内切酶

DNA聚合酶

DNA连接酶

核酸外切酶

下列关于σ因子的叙述正确的是

A参与识别DNA模板上转录RNA的特殊起始点

B参与识别DNA模板上的终止信号

C催化RNA链的双向聚合反应

D是—种小分子的有机化合物

E参与逆转录过程

RNA聚合酶中促进磷酸二酯键生成的亚基是

A原核RNA聚合酶亚基δ

B原核RNA聚合酶亚基α

C原核RNA聚合酶亚基β

D原核RNA聚合酶亚基β’

E原核RNA聚合酶亚基σ

催化真核mRNA的转录的酶是

ARNA聚合酶I

BMtRNA聚合酶

CRNA聚合酶Ⅲ

DRNA复制酶

ERNA聚合酶Ⅱ

二、转录起始需要启动子、RNA聚合酶和转录因子的参与

（一）转录起始前的上游区段具有启动子核心序列

顺式作用元件（cis-actingelement）

启动子

启动子上游元件（upstreampromoterelements）

增强子（enhancer）

起始点上游多数有共同的TATA序列，称为Hognest盒或TATA盒（TATAbox）。

通常认为这就是启动子的核心序列。

许多RNA聚合酶II识别的启动子具有保守的共有序列：

位于转录起始点附近的起始子（initiator，Inr）。

启动子上游元件是位于TATA盒上游的DNA序列，多在转录起始点约-40～-100nt的位置，比较常见的是GC盒和CAAT盒。

增强子是能够与特异基因调节蛋白结合,促进邻近或远隔特定基因表达的DNA序列。

在所控基因的上游和下游都可发挥作用;总是作用于最近的启动子

DNA分子上可影响或调控转录的各种组分统称为顺式作用元件（cis-actingelement）。

（二）转录因子

在真核生物中，转录的起始过程较为复杂。

现已发现数百种蛋白因子与RNA转录合成有关

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），通用转录因子，基本转录因子。

TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ

中介子是反式作用因子和RNA聚合酶之间的蛋白质复合体，它与某些反式作用因子相互作用，同时能够促进TFⅡH对RNA聚合酶羧基端结构域的磷酸化。

上游因子，与启动子上游元件结合的蛋白质

可诱导因子，与增强子等远端调控序列结合的转录因子，只在特定时间和组织中表达而影响转录

RNA聚合酶II与启动子的结合、启动转录需要多种蛋白质因子的协同作用。

通常包括：

可诱导因子与增强子的结合;上游因子与启动子上游元件的结合；

通用转录因子在启动子处的组装；

在通用转录因子、RNA聚合酶II复合物与可诱导因子、上游因子相互作用时，辅激活因子、中介子起的辅助和中介作用。

因子和因子之间互相辨认、结合，以准确地控制基因是否转录、何时转录。

（三）转录起始前复合物

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，形成转录起始复合物（pre-initiationcomplex,PIC）。

真核生物转录起始时，首先由TFⅡD的TBP亚基识别并结合TATA盒，然后在其他转录因子的配合下，与RNA聚合酶Ⅱ组装形成转录起始前复合物（pre-initiationcomplex,PIC）。

TFⅡH的解螺旋酶活性使转录起始点附近的DNA解螺旋，启动转录。

RNA聚合酶Ⅱ催化第一个磷酸二酯键形成。

RNA聚合酶Ⅱ的羧基末端结构域（CTD）被磷酸化修饰，大部分转录因子脱离，聚合酶向下游移动延伸RNA链。

（四）少数几个反式作用因子的搭配启动特定基因的转录

为了保证转录的准确性，不同基因需不同转录因子。

拼板理论（piecingtheory）：

少数几个反式作用因子（主要是可诱导因子和上游因子）之间互相作用，再与基本转录因子、RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。

可诱导因子和上游因子常常通过辅激活因子或中介子与基本转录因子、RNA聚合酶结合，但有时也可直接与基本转录因子、RNA聚合酶结合。

三、真核生物转录延长过程中没有转录与翻译同步的现象

真核生物转录延长过程与原核生物类似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。

RNA-pol前移过程中处处都遇上核小体。

转录延长过程中可观察到核小体移位和解聚现象。

四、真核生物的转录终止和加尾修饰同时进行

真核生物转录终止与转录后修饰，即polyA尾巴结构的添加密切相关。

在polyA修饰位点的下游存在一组共同序列AATAAA和GTGTGT……，为转录终止的修饰位点。

在转录越过修饰点后，RNA链在修饰点处被切断，随即进行加帽和加尾修饰。

第四节真核生物RNA的修饰

Section4Post-transcriptionalModificationinEukaryote

真核生物转录生成的RNA分子是初级RNA转录物（primaryRNAtranscript），几乎所有的初级RNA转录物都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的RNA。

加工主要在细胞核中进行。

一、真核生物mRNA的加工包括首、尾修饰和剪接

首、尾的修饰

在hnRNA5’端加上m7G

在hnRNA3’端加上polyA

剪接（splicing）

剪去内含子，并接外显子

（一）前体mRNA在5’-末端加入“帽”结构

大多数真核mRNA的5’-末端有7-甲基鸟嘌呤的帽结构。

加帽的过程发生在细胞核内，即hnRNA即可进行加帽。

真核mRNA加帽过程由两种酶，加帽酶（cappingenzyme）和甲基转移酶（methyltransferase）催化完成。

帽子结构的意义：

可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；

也能与帽结合蛋白质复合体（cap-bindingcomplexofprotein）结合，并参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。

（二）前体mRNA在3’端特异位点断裂并加上多聚腺苷酸尾

真核mRNA，除组蛋白的mRNA,在3’端都有多聚腺苷酸［poly（A）］尾结构。

一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其polyA长度为100至200个核苷酸之间，也有少数例外。

polyA的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。

尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。

前体mRNA分子的断裂和加多聚腺苷酸尾是多步骤过程。

（三）前体mRNA的剪接（splicing）主要是去处内含子

核内带有外显子和内含子编码序列的初级RNA转录产物——杂化核RNA（hetero-nuclearRNA,hnRNA）经剪接加工除去内含子序列并将外显子序列连接起来才能形成成熟的mRNA。

真核生物的结构基因，由若干个编码序列和非编码序列相互间隔但又连续镶嵌而成，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。

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。

内含子断裂基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。

3.snRNA

snRNA为核内小RNA，富含尿嘧啶，故以U作分类和命名，如U1、U2等。

snRNA与核内蛋白质组装形成小分子核糖核蛋白体（snRNP），参与hnRNA的剪接加工。

4.hnRNA的剪接过程：

mRNA前体进行剪接的场所称为剪接体。

它是由5种snRNA和大约50种蛋白质装配成的超大分子。

①内含子5’-和3’-端的边界序列分别与U1、U2的snRNA配对，使snRNA结合在内含子的两端

②U4、U5、U6加入，形成完整剪接体。

内含子形成套索状，外显子E1、E2靠近。

③剪接体结构调整，U2和U6形成催化中心，发生转酯反应。

真核生物前体mRNA分子经剪切（cleavage）和剪接（splicing）模式可加工成不同的mRNA

（四）mRNA的编辑（mRNAediting）是对基因的编码序列进行转录后加工

遗传信息在转录水平发生改变，由一个基因产生不止一种蛋白质。

•RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工（differentialRNAprocessing）。

rRNA前体的转录和剪接加工

真核生物前体tRNA的加工包括把核苷酸的碱基修饰为稀有碱基

主要有以下几种加工方式：

切断、剪接、3’-末端-CCA序列添加

化学修饰

核酶的发现，对中心法则作了重要补充；

核酶的发现是对传统酶学的挑战；

利用核酶的结构设计合成人工核酶。

附录

转录起始点前面的序列称为上游（upstream）,后面的序列称为下游。

转录起始点的核苷酸为+1，上游第一个为-1，其他的依次类推。

真核生物RNA的转录终止