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1、第十四章 RNA的生物合成转录,基本概念()转录以DNA为模板，在RNA聚合酶（RNA polymerase）的作用下合成mRNA，将遗传信息从DNA分子上转移到mRNA分子上，这一过程称为转录（transcription）。,从广义上讲，转移RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA)等的生物合成过程也是转录。（Transcription）,(2)起始位点、终止位点 转录起始于DNA模板上的特定部位，即起始位点（start point）或启动子（promoter）。终止于模板上的特殊顺序，称之为终止位点（termination site）或终止子（terminator）,启动子（promot
2、er）的结构是一段大小为20200bp的DNA序列。能够被RNA聚合酶识别并与之结合。,为了叙述的方便，习惯上以编码链为准，将转录起始位点的5-端称为上游（upstream），3-端称为下游（downstream）。原核生物基因及绝大部分真核生物基因的启动子位于转录起始位点的上游序列中。只有真核生物RNA聚合酶III的启动子位于转录起始位点的下游序列中。将转录起始位点标记为+1，上游以负数表示，如-10、-35等，下游则以正数表示，如+50、+100等。,(3)转录单位：DNA中指导转录一条RNA链的全部序列。从启动子到终止子之间的全部DNA序列称为转录单位。,启动子,终止子,结构基因,转录,
3、两个涵义：方向；碱基序列,(5)模板链 DNA链中被转录的一条链称模板链或负（-）链；非编码链（相对的）。编码链 与模板链互补的DNA链称为非模板链或正（+）链。他与从基因上转录的RNA在碱基序列上是一致的，只是DNA中用T代替了U，故又称编码链。,模板链,编码链,(6)基因 被转录成RNA的DNA片段。结构基因（structural gene）将负责编码蛋白质多肽链的DNA片段称为。也称为顺反子。（拷贝，如乳糖操纵子中三个基因一个RNA拷贝。汪308页）。在原核生物中一个转录单位可以包含多个基因。在真核生物一般只包含一个基因。单顺反子（monocistron）一个转录单位可以是单个基因。多顺
4、反子（polycistron）也可以是多个基因。,多顺反子原核细胞中大多数转录单位为 单顺反子 真核细胞的mRNA为单顺反子产物。基因组 一个细胞或生物体所含的全套 基因称基因组。,思考 1.在物质代谢中，丙酮酸是一个重要的中间产物（物质代谢交汇点），请写出以丙酮酸为底物的四个不同的酶反应与有关代谢途径的联系（亦可用文字形式表示）。,2按下列已知DNA片断为模板，写出：（1）DNA复制时新的一条DNA链的序列（2）转录成的mRNA的序列（3）合成多肽氨基酸的序列 己知DNA模板链：5CATGTCCAAGCTTGCATAGCA 3 已知密码子：UUG（Leu）UCG(Ser)UAU(Tyr)UG
5、C(Cys)CGA(Arg)AGC(Ser)AUG(Met)GCA(Ala)GAC(Asp),真核细胞mRNA的编码序列只指导一条肽链的合成，称为单顺反子mRNA。,原核细胞mRNA的编码序列可指导几条肽链的合成，称为多顺反子mRNA。(一个转录单位包括几个基因),（启动子）,（终止子）,结构基因,非结构基因 此基因表达的产物 是RNA，但他们不发挥将DNA上的遗传信息传递给蛋白质分子的功能，故tRNA、rRNA、tRNA分子的基因是非结构基因（rRNA、tRNA分子为基因的最终产物）。有些基因是一些不被转录的调控区 主宰结构基因的转录与不转录。,第一节 转录的特点 1.以DNA为模板酶促合成
6、RNA 参与该过程的酶是RNA聚合酶（RNA polymerase）。2.RNA聚合酶按照A与U（或T与A）、G与C配对的原则，将4种核糖核苷酸（NTP）以3,5-磷酸二酯键的方式聚合起来。,3.不对称转录 以DNA一股链为模板转录RNA的方式。在DNA链上编码链和模板链是相对的，在同一DNA分子上的某些部分基因以这条链作模板，而在另一区域别的基因中则以另一条链为模板 不对称性转录。4.转录的方向为 53,第二节 原核生物基因的转录 一、RNA聚合酶、启动子、终止子的 结构特点：,基因的转录是由RNA聚合酶（RNApolymerase）催化，在1960年分别由L.Hurwitz和S.weiss
7、发现。（1）全酶 大肠杆菌RNA聚合酶由多亚基组成。2 称为全酶。（2）2 称为核心酶，负责RNA链延长时的聚合作用。因子功能 辨认启始点，并参与解链，易于与四个亚基分离。,（一）大肠杆菌的RNA聚合酶 1.RNA聚合酶组成,亚基在RNA合成的起始中具有关键作用。在生物进化过程中，形成了不同的亚基。不同的亚基可以帮助RNA聚合酶识别不同的启动子序列。,大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图,核心酶(2),起始因子,和模板DNA结合与底物结合酶的连接,全酶(),（1）模板：DNA（2）活化的底物有四种三磷酸核苷酸ATP、GTP、UTP、CTP（3）二价的金属离子，主要是Mg+2、Mn+2,2.RNA聚
8、合酶的条件,RNA聚合酶催化的反应,A,C,G,A,C,G,U,U,模板DNA,5,3,新合成RNA,3.RNA聚合酶与DNA聚合酶不同：它不要求引物；没有核酸外切酶的活，缺乏校对功能，故RNA合成错误率约为大于DNA 105（十万倍），远低于DNA聚合酶的精确性（出错率1/1091/1010）。所以可以产生非遗传上错误。（RNA病毒易变）,（二）DNA模板上的启动子,1.概念,能够被RNA聚合酶识别并与之结合，从而调控基因的转录与否及转录强度的一段大小为20200bp的DNA序列，称之为启动子（promoter）。,2.原核启动子生物特征：原核生物不同基因的启动子虽然在结构上存在一定的差异，
9、但具有明显的共同特征：在基因的5端，直接与RNA聚合酶结合，控制转录的起始和方向；都含有RNA聚合酶的识别位点、结合位点和起始位点；都含有保守序列，而且这些序列的位置是固定的，如-35序列，-10序列等。,启动子（promoter)。它是20至200个碱基的特定序列(都在上游吗)。启动子的位置在被转录碱基之前顺序号均为负，习惯上也将+1以下的转录方向称“下游”，-1以上（5端）成“上游”，启动子在上游区。现在发现原核生物的启动子顺序中存在几个共同的顺序。,（1）35bp序列 对于大多数启动子来说，在上游-35bp附近存在一段共有序列（consensus sequence）：TTGACA RNA
10、聚合酶的亚基识别该序列并使核心酶与启动子结合，故又称-35序列为RNA聚合酶的识别位点；,（2）-10序列 又叫Pribnow盒（Pribnow box），其共有序列为：TATAAT RNA聚合酶与之牢固结合并将DNA双链打开的部位，即结合位点，形成所谓的开放性启动子复合物。,真核生物在-25和-75区。无论原核还是真核生物，紧邻转录起点的共有序列是一个A/T富含区，它是DNA双链容易解链。,大肠杆菌启动子共有序列的功能,起点,-10区：双螺旋打开形成开放启动复合物的区域。-35区：启动子不仅控制着转录起始的序列（识别位点），并决定着某一基因的表达强度。启动子：分为强启动子和弱启动子。DNA聚
11、合酶和启动子亲和力高，转录效率高，具有强启动子的基因被频繁转录，而弱启动子的基因很少转录。,（1）依赖于因子的终止子（2）不依赖于因子的终止子,E.coli 的转录终止有两种机制：,1.概念,（三）终 止 子和终止因子,提供转录停止信号的DNA序列称为终止子。协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子（蛋白质）则称为终止因子(termination factor)。,1.不依赖于因子的终止子（intrinsic terminators）,合成的RNA尾部的序列特征：二重对称的序列形成发卡结构；在发卡结构的茎基部富含G-C对；发卡结构可减缓或暂停合成；尾部有约6个连续的（模板链上是一串A）U；当RN
12、A转录物生产后，发卡结构立即形成，迫使聚合酶停止作用。,教材278页字母更清楚,即DNA分子内特定的碱基序列(转录终止点)。如细菌终止顺序有两个明显的特征：1.是富含GC，转录产物极易形成二重对称性结构。2.是紧接GC之后有一串A，按此模板转录出来的RNA极易自身互补，形成发夹状结构。,二、原核生物的转录过程 模板的识别 转录转录起始 转录延伸 转录终止等4个步骤。,（一）模板的识别 1.在亚基的帮助下，RNA聚合酶识别并结合到启动子上，RNA聚合酶以全酶的形式辨认DNA启动子。核心酶不能识别启动子。,亚基的主要作用促进RNA聚合酶识别启动子。2.亚基还参与促使DNA双螺旋打开并以其中的一条链
13、作为模板进行转录。,（二）转录的起始 1.亚基识别-35序列并与核心酶(即以全酶的形式）一起结合在启动子上，已有实验证据表明，RNA聚合酶分子很大，其结合在启动子上的范围从-50到+10。2.RNA聚合酶与-10序列牢固结合并将DNA双链打开，形成开放性启动子复合物，RNA的转录开始。,RNA聚合酶必须全酶才能启动特异的转录。核心酶是不能在启动子处开始转录的，当形成新RNA的第一个磷酸二酯键后，亚基即由全酶中解离出来。全酶的作用：选择起始部位并启动转录；核心酶的作用：延长RNA链。,3.在起始复合物中RNA聚合酶含有两个核苷酸的结合位点 起始位点和延伸位点（结合ATP或GTP）。第一、二个核苷
14、酸分别进入起始部位和延伸位点，以3，5-磷酸二酯键方式结合。完成起始。4.绝大多数新合成的RNA链的5-末端是pppA或pppG，说明转录的起始核苷酸是三磷酸腺苷或三磷酸鸟苷。,全酶-启动子形成闭合二重复合体；闭合复合体转变为开放复合体；整合进最初两个核苷酸，形成一个磷酸二酯键，形成三重复合体；在酶不需要移动时，即可加入约9个核苷酸，但在加入核苷酸过程中，随时可能释放RNA；起始成功后，释放出亚基。,转录的起始,（三）RNA链的延伸 1.当第一个磷酸二酯键生成后，释出亚基。2.核心酶即沿DNA模板移动，并按碱基互补配对的原则，以与第一个磷酸二酯键生成的相同反应方式，依次连接上核苷酸，使RNA链
15、延伸。3.RNA链的延长方向是53。核心酶沿DNA模板移动的方向则为35。由于在转录过程中第一个三磷酸核苷的三磷酸基被保留在产物中,4.RNA链的延伸是在转录鼓泡上进行的，因含有核心酶、DNA和新生RNA的一个区域里进行的，在这个区域里双链DNA被打开，呈“泡”状，故称之为转录泡（transcription bubble）。在转录泡里，新合成的RNA与模板DNA形成杂交双链，长约12bp，在转录泡里，核心酶始终与DNA的编码链结合，使双链DNA约有17bp被解开。,在整个延伸过程中，转录泡的大小始终保持不变，即在核心酶向前移动时，前面的双股螺旋逐渐打开，转录过后的区域则又重新形成双螺旋，二者的
16、速度相同，直至转录完成。,RNA链的延伸图解,即RNA链3-OH不断结合新进入的NTP，使其链不断延长。同时，继续使DNA螺旋解链，以便暴露出模板链。RNA酶后边的DNA恢复双螺旋结构。延伸的最大速度约为每秒50个核苷酸。,起始,终止,延长,（过程）,（四）转录的终止 1.停止RNA链延长；2.新生RNA链释放；3.RNA聚合酶从DNA上释放。当RNA聚合酶沿DNA模板移动到基因3-端的终止子序列时，转录就停止了。,终止子（terminator）终止RNA合成反应所需的DNA序列；在转录结束的位点，提供终止信号。RNA合成的终止实际依赖于已转录的RNA序列。当RNA聚合酶遇到发夹结构时就会停止
17、下来。,RNA合成过程,起始,双链DNA局部解开,磷酸二酯键形成,终止阶段,解链区到达基因终点,延长阶段,RNA,启动子（promoter),终止子(terminator),复制与转录的异同点 1.相同点：以DNA为摸板；碱基互补配对；合成方向：53。2.不同点:（1）复制 dATP，dTTP，dCTP，dGTP；转录底物ATP，UTP，CTP，GTP。（2）复制需引物酶，不需；,（3）复制两条链各自为模板，两条链永远分开其中一条链为模板，两条链不分开；（4）复制碱基配对AT AU；（5）DNA聚合酶有核酸外切酶活性、不会解链，RNA聚合酶无核酸外切酶活性、会解链；（6）复制对称性，转录不对称
18、性转录。,三、原核生物RNA转录后的加工 许多转录生成的RNA需经加工后才能成为有功能的RNA分子。（一）mRNA的加工 原核生物转录生成的mRNA基本上不经加工即可进行蛋白质的生物合成。许多原核生物的mRNA是在转录尚未完成之前就已开始翻译了。也就是说，转录与翻译是偶联在一起的。,（二）rRNA的加工 rRNA前体合成后与蛋白质结合，形成新生核糖体颗粒，再经过一系列的加工过程，生成有功能的核糖体。在原核生物中，rRNA包括三种，即16S，23S和5S rRNA。在大肠杆菌中，这三种rRNA的基因形成一个转录单位，其中还包含一个或多个tRNA基因，它们之间由间隔区分开。,原核生物中rRNA前体
19、的加工,甲基化作用专一核酸外切酶,17S,tRNA,25S,专一核酸外切酶,16S rRNA,tRNA,23S rRNA,5S rRNA,专一核酸外切酶,tRNA的种类比rRNA多，在原核生物中有30-40种，在真核生物中有50-60种。,（三）tRNA的加工,1.初始转录物自身就有-CCA，它们位于成熟tRNA序列与3端附加序列之间，经转录后加工切除掉附加序列，-CCA便暴露出来；2.其自身并无-CCA序列，是在切除3端附加序列后，由tRNA核苷酰转移酶（nucleotidyltransferase）催化，并由CTP与ATP供给胞苷酰基与腺苷酰基聚合而成的。3.tRNA中含有大量修饰成分，还
20、要通过各种不同的修饰酶进行修饰，才能成为成熟的tRNA分子。,tRNA3-末端-CCA的来源,第三节 真核生物RNA的转录过程 一、真核生物RNA聚合酶（自学）真核生物RNA聚合酶的结构比较复杂，都是多亚基的，通常有610个亚基组成，亚基有46种。真核细胞中有3种RNA聚合酶 RNA聚合酶I：转录 rRNA；RNA聚合酶II：转录 mRNA；RNA聚合酶III：转录 tRNA。,二、真核启动子 了解 真核生物的3种RNA聚合酶各有其自己的启动子。,三、真核生物RNA的转录过程 了解,四、mRNA的结构特点（重点）,（1）mRNA分子中含有稀有核苷酸；（2）mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构
21、；（3)mRNA在真核生物中的初级产物称为hnRNA。,mRNA的结构特点,1977年发现大多数真核生物编码蛋白质的基因是不连续基因（断裂基因）。即一个完整的基因被一个或多个插入的片段所间隔，这些插入不编码的序列称为内含子，被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子。外显子被内含子隔列成若干片段，称为断裂基因或隔裂基因。即核不均RNA（hnRNA）。,细胞核内的RNA平均长度比mRNA大得多，且长短差异大，称为核不均RNA（heterologous nuclear RNA，hnRNA）。hnRNA经加工和选择性拼接，产生有功能的成熟的mRNA，释放到细胞质中。,hnRNA经加工才能转变为成熟的mR
22、NA，即切除内含子、加尾带帽。大多数真核成熟的mRNA分子特点：A.具有典型的5-端的7-甲基鸟苷三磷酸（m7GTP）帽子结构。B.3-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴结构。,五、mRNA剪接和加工（重点）,hnRNA 经加工和选择性拼接，产生有功能的成熟的mRNA，释放到细胞质中。,卵清蛋白基因转录与转录后加工修饰,（1）切除内含子,（2）RNA的末端修饰,mRNA的5端修饰,戴帽,在磷酸酶的作用下，将5-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化。新加的G以反方向与5连接，这一结构称为帽子（cap）结构（曼夫350页更好）,5 5 Gppp+pppApNp
23、Np.5 5 GpppApNpNp.+pp+p,冒式结构 即在mRNA 5端上加一个甲基化的鸟嘌呤（m7G）核苷酸，同时在原始转录产物的第一、二个核苷酸残基的2羟基上也进行甲基化帽子的结构简式：m7GPPPx 为帽子0；m7GPPPx m为帽子1；m7GPPPx mYm为帽子2,与核酸化学比较图片后,核酸化学中可以舍去,真核生物mRNA 5-端帽子结构,X、Y代表任意碱基，所有的帽子都含有m7G（7 甲基鸟 苷），在帽子结构中，m7与mRNA链形成5，5 磷酸二酯键的反式连接，使mRNA的5 末端没有游离的磷酸基。戴帽意义 也许可防止5-端不被核酸酶降解，具有保护作用；还可协助核糖体与mRNA
24、结合。,加尾：3 末端有一段长度为30 200个多聚腺苷酸（多聚A或Poly A)阶段，常称“尾巴”，这是转录后添加上去的。意义：保护3 末端不会被核酸酶降解，并有助于mRNA从细胞核向胞浆转移。,真核细胞mRNA的结构特点,m7G-5ppp-N-3 p,帽子结构功能使mRNA免遭核酸酶的破坏使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。,Poly(A)尾巴的功能是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性,AAAAAAA-OH,第四节 催化活性RNA核酶及其功能 一、核酶的发现 1982年在原生动物四膜虫（
25、tetrahymena）中，26S rRNA分子前体是 6.4kb，经切除1个414nt的内含子序列后形成。Thomas Cech及其同事对此进行了研究。他们惊异的发现，一个仅含有纯化的6.4kb前体、ATP及GTP，而没有酶蛋白的对照样品中居然也发生了剪接作用。实验证实，此RNA发生了自我剪接（self-splicing），即在核苷酸存在的条件下，将414nt的内含子剪接掉了。,这一卓越的实验不仅表明一个RNA分子能够具有高度特异的催化活性，并能自我剪接，而且直接导致了核酶（ribozyme）的发现。,核酶（ribozyme）：通指具有催化活性的RNA。1982年，第一次发现某些RNA转录产
26、物具有自身剪接能力，它不借助任何蛋白性酶可以切除自身的内含子。由于这些RNA具有催化活性，我们将它称之核酶。T.R.Cech第一次证实了四膜虫这种催化作用。核酶的出现革新了催化剂的概念。核酶的存在也表明RNA出现可能是原始生命出现的基础，最后才进化到DNA和蛋白质。Cech等，1981发现核酶(Ribozyme)，获1989年诺贝尔奖。,二、核酶发现的生物学意义 核酶的发现使人们对于生命的起源有了新的认识。以前一般认为，由于DNA和蛋白质是生命的基础物质，因而生命的最初形式必定是DNA或者蛋白质。然而DNA的复制需要蛋白质（酶）的催化，而特定蛋白质分子的合成又必须以DNA为模板，因而二者究竟是哪一种首先出现，实在难以推断。核酶的发现使人们普遍认为：生命的最初形式大概是RNA，最初的生命界可能是个RNA王国。,
