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1、第十一章 RNA的生物合成(转录),Chapter 11 RNA Biosynthesis,Transcription,在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录（transcription）。经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和HnRNA等。,复制和转录的区别,第一节 RNA转录合成的特点,Section 1 Characters of RNA Biosynthesis,转录（transcription）的不对称性就是指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递
2、给RNA。对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。,一、转录的不对称性,能够转录RNA的那条DNA链称为模板链(template strand)，也称作有意义链或Watson链。与模板链互补的另一条DNA链称为编码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。,模板链,编码链,编码链,模板链,模板链和编码链的相对性,模板链、编码链与转录及翻译的关系,RNA转录合成时，以DNA作为模板，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链，各条RNA链之间无需再进行连接。,二、转录的连续性,RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所依赖的模板DNA链的方向为35，
3、而RNA链的合成方向为53。,三、转录的单向性,RNA转录合成时，只能以DNA分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点。特定起始点和特定终止点之间的DNA链构成一个转录单位，通常由转录区和有关的调节顺序构成。,四、有特定的起始和终止位点,第二节 参与转录合成的酶和蛋白因子,Section 2 Enzymes and Protein Factors for RNA Biosynthesis,原料：NTP（ATP,UTP,GTP,CTP）。模板：单链DNA。酶：RNA聚合酶（DDRP，RNA-pol）。其他蛋白质因子：如转录因子、终止因子等。,参与RNA转录合成的物质,这是一种
4、不同于引物酶的依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）。该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从53聚合RNA。,一、RNA聚合酶（DDRP）,原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即2。亚基与转录起始点的识别有关，在转录合成开始后被释放；余下的部分（2）被称为核心酶，与RNA链的聚合有关。,（一）原核生物的RNA聚合酶,核心酶(core enzyme),全酶(holoenzyme),原核生物RNA聚合酶的核心酶和全酶,原核生物RNA聚合酶亚基的功能,真核生物中的RNA聚合酶可按其对-鹅膏蕈碱的敏感性而分为三种，它们均由1012个大小不同的亚基所组成，结构非常复
5、杂，其功能也不同。,（二）真核生物的RNA聚合酶,RNA聚合酶的分子结构,酵母RNA聚合酶和的电子晶体图,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。凡是与基因表达调控相关的蛋白因子统称为反式作用因子（transacting factor）。,二、转录因子,在反式作用因子中，直接或间接参与转录起始复合体的形成的蛋白因子被称为转录因子（transcriptional factor,TF）。不同的RNA聚合酶存在相应的转录因子，如与RNA聚合酶相关的转录因子包括 TFA，TFB，TFD，TFE，TFF，TFH等。,真核生物RNA聚合酶转录因子及其功能,原核生物
6、中的终止因子蛋白是一种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为50kd。蛋白能识别转录终止信号，并与RNA紧密结合，导致RNA的释放。,三、终止因子,第三节 RNA转录合成的过程,Section 3 The Process of RNA Biosynthesis,（一）转录起始,转录起始需解决两个问题：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。,一、原核生物的转录过程,在原核生物中，若干功能相关的结构基因常常串联在一起，由其上游的同一调控序列进行调控，这种基因的组织形式称为操纵子（operon）。,1.模板与酶的辨认识别：,DNA分子中参与转录调控的序
7、列统称为顺式作用元件（cis-acting element）。原核生物转录起始时，首先由RNA聚合酶中的因子识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。,位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA调控序列被称为启动子（promoter）。启动子序列通常由一些带共性的保守序列构成。,原核生物启动子的保守序列,原核生物转录起始区的一致性序列,被RNA聚合酶辨认的区段就是位于转录起始点-35区的TTGACA序列。RNA聚合酶与该区结合后，即滑动至-10区的TATAAT序列（Pribnow盒），并启动转录。,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,DNA局部双链解开。,RNA聚合
8、酶全酶(2)与模板结合。,在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。,RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3,转录起始复合物:,5-pppG-OH+NTP 5-pppGpN-OH 3+ppi,2.转录的起始过程：,因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。1.亚基脱落，RNApol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。,（二）转录延长,(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi,RNA转录的延长,转录空泡(transcription bubble)的形
9、成,原核生物转录过程中的羽毛状现象,RNA转录合成的终止机制有两种：1依赖Rho因子的转录终止：由终止因子（因子）识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。,（三）转录终止,ATP,依赖 Rho因子的转录终止,模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC和AT的区域，使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，导致RNA转录的终止。,2非依赖Rho的转录终止：,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUU
10、UAGUCACCAGCCUUUUU.3,RNA,5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3,DNA,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3,茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构,茎环结构使转录终止的机理,使RNA聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。,二、真核生物的转录过程,1.转录起始的上游区段：真核生物的转录起始点上游-25bp区也存在一段富含TA的顺序，被称为Hogness盒或TATA盒，通常认
11、为是启动子的核心序列。,（一）转录起始,除此之外，在真核生物中还可见到其他带共性的序列，如CAAT盒及GC盒等。在远离受控基因处存在的，能够增强基因转录活性的调控序列称为增强子（enhancer）。,真核生物启动子保守序列,真核生物转录起始时，首先由TFD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聚合酶组装形成转录起始前复合物(pre-initiation complex,PIC)。,2.转录起始过程：,RNA聚合酶催化第一个磷酸二酯键形成。RNA聚合酶的羧基末端结构域（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。,（二）转录延长,真核生
12、物转录延长过程与原核生物类似，但由于存在核小体的高级结构，故在转录延长过程中可观察到核小体移位和解聚现象。,（三）转录终止,真核生物转录终止与转录后修饰，即poly A尾巴结构的添加密切相关。在poly A修饰位点的下游存在一组共同序列AATAAA和GTGTGT，为转录终止的识别修饰位点。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。,真核生物RNA的转录终止,5-AAUAAA-,5-AAUAAA-,核酸酶,-GUGUGUG,RNA-pol,AATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,3加尾,AAAAAAA 3 mRNA,第四节 真核生物的转录后修饰
13、,Section 4 Post-transcriptional Modification in Eukaryote,1加帽（adding cap）：即在mRNA的5-端加上m7GTP的结构。此过程发生在细胞核内，即HnRNA即可进行加帽。加工过程首先是在磷酸酶的作用下，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。,一、真核生物mRNA的转录后加工,（一）首、尾的修饰,帽子结构的生成,2加尾（adding tail）：这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去3-端一些过剩的核苷酸，然后再加入polyA。polyA结构与mRNA的半寿期有关。,（二）m
14、RNA的剪接（splicing）,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,mRNA,DNA,1.断裂基因（splite gene）,编码区 A、B、C、D,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。,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（结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序）。内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列（不能指导多肽链合成的非编码顺序）。,内含子的分类,I：主要存在于线粒体、叶绿
15、体及某些低等真核生物的 rRNA基因；II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA；,根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4类。,III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。,核内带有外显子和内含子编码序列的初级RNA转录产物称为杂化核RNA（hetero-nuclear RNA,hnRNA）。hnRNA经剪接加工除去内含子编码序列并将外显子编码序列连接起来才能形成成熟的mRNA。,2.hnRNA和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。sn
16、RNA与核内蛋白质组装形成小核蛋白体（snRNP），参与hnRNA的剪接加工。,3.hnRNA的剪接过程：,snRNP与hnRNA结合成为剪接体。,剪接体结构调整，U2和U6形成催化中心，发生转酯反应。,pG-OH(ppG-OH,pppG-OH),剪接过程的二次转酯反应,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,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(differential RNA processing)。,4.mRNA的编辑（mRNA editing）,二、tRNA的转录后加
17、工,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。,tRNA前体,RNA pol,tRNA前体的转录合成,tRNA前体的切断和剪接加工,tRNA3-末端-CCA序列的添加,tRNA的碱基修饰,三、rRNA的转录后加工,rRNA前体的转录和剪接加工,四、核酶,具有催化活性的RNA称为核酶。,核酶(ribozyme),四膜虫rRNA内含子的二级结构,四膜虫rRNA的剪接采用自身剪接方式,5-端核苷酸序列,四膜虫前rRNA的自身剪接过程,最简单的核酶二级结构锤头结构(hammerhead structure),底物部分,通常为60个核苷酸左右同一分子上包括有催化部份和底物部份 催化部份和底物部份组成锤头结构,核酶研究的意义,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。,
