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1、第十二章 RNA生物合成 RNA transcription,概述：DNA转录RNA前体 加工成熟RNA的过程 RNA合成的两种方式：1、DNA指导的 RNA合成。2、RNA指导的 RNA合成。第一节 转录作用一、转录作用及特点由DNA指导的RNA合成，DNA以碱基互补原则，决定合成RNA的全部碱基成分及排列顺序，将DNA模板上的遗传信息传递到RNA分子的过程为转录作用。1、反应体系：DNA模板,NTP,酶，Mg2+,Mn2+，合成方向53。连接方式-3,5磷酸二酯键。2、转录特点：不对称转录（asymmetric transcription）,DNA片段转录时，双链DNA中只有一条链作为转录
2、的模板，这种转录方式称作不对称转录。（图12-1模板链及反意义链：（template strand）指导RNA合成的DNA模板链。编码链及有意义链：（coding strand）不作为转录的另一条DNA链。（图12-2）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。原料：四种磷酸核苷NTP,DNA中的A在RNA中变为U合成过程是连续的，方向：53合成部位：细胞核内二、原核RNA聚合酶,组成：5个亚基，2为全酶，2为核心酶。作用：识别DNA分子中转录的起始部位。促进与模板链结合，并使DNA双链打开17bp.。催化NTP的聚合，完成一条RNA链的聚
3、合反应。识别转录终止信号，停止聚合反应，参与转录水平的调控。（图12-3）特点：聚合速率慢，3085NTP/秒。缺乏外切酶活性,无校对功能，错误率10-6。不同的识别不同的启动子。例：32识别热休克启动子。可被药物抑制（利福平）。人的RNA聚合酶对利福平不敏感。利用此特点可研制杀菌药物。三、真核RNA聚合酶,真核较原核的酶复杂，已清楚的有,及Mt 4 型。（表12-1）组成：均由多亚基构成，聚合酶中的某个亚基与原核聚合酶的亚基高度同源。四、启动子及终止子（promoter,terminator,stop signal）（一）启动子1、原核启动子：结构约55bp,分为起始点（startsite）
4、、结合部位、识别部位。功能 起始点:转录起始部位以+1表示，转录的第1个核苷酸常为嘌呤-G,A。结合部位：约6bp组成,是高度保守区,共有序列为5-TATAAT-3,位于起始点上游-10。因Tm低,DNA,易解开双链，为RNA聚合酶提供场所。识别部位：约6bp组成,在-35处,为高度保守区,序列5-TTGACA-3,因子识别此部位。（图12-4）2、真核启动子结构（以RNA pol为例）于-25处含AT富集区,共有序列TATAA（TATA box）-70处含共有序列CAAT,还含许多其它box,例如 GC box,E-box等。（图12-5）含增强子enhancer和静息子silencsrRN
5、A pol和 RNA pol与聚合酶所识别的启动子差异较大。（二）终止信号：（图12-6）特点：终止部位含GC富集区与AT富集区,它们分别形成发卡结构和连续的U区，以终止转录。,蛋白因子辅助识别终止信号，参与终止。五、转录过程（以原核为例）（一）起始 RNA聚合酶-识别起始位点 核心酶与DNA结合 E 以核心酶DNA构象改变局部双链打开17bpNTP形成3,5二酯键 形式沿 DNA滑动因子可再次与核心酶结合，循环使用。(二）延长形成转录泡-由DNA双链,RNA聚合酶与新合成的转录本RNA局部形成的结构,它贯穿于延长过程的始终。E与DNA模板互补的NTP 3,5磷酸二酯键相连 合成方向5 3,合
6、成出的RNA与DNA形成杂交分子,约12bp，因结合不紧很易脱离。（图12-7）（三）终止合成移到终止信号时,酶不滑动,聚合停止,转录完成。特点参与的终止：与RNA产物中富含C的部位结合,并诱使RNA聚合酶构象改变停止滑动;因子的解螺旋酶活性,利于RNA产物的释放。（图12-8）其它终止方式：GC区形成发卡结构，聚U区使配对不稳定,RNA产物的释放。（图12-9）（四）真核生物转录特点启动子复杂,某些基因不含TATA box。顺式作用元件cis-acting-element:指影响自身基因表达活性的DNA序列。,形成转录起始复合物，需多种蛋白因子参与。转录因子transcription fac
7、tor与反式作用因子trans-acting factor:（表12-2）调节基因表达的蛋白为转录因子；它们与特异的顺式作用元件相互作用,并激活另一基因的转录。起始前复合物的形成 pre-initiation complex,PIC TATATFD TF A TF B RNAPol/TF F TF E PIC（图12-10）转录终止序列，在3端之后有共同序列AATAAA及多个GT序列，mRNA在转录终止序列处被切断。第二节 真核生物转录后的加工意义：转录生成的前体RNA,无生物学活性,需加工变为成熟、有活性的RNA。加工种类：剪切与剪接（cleavage,splicing）,末端添加核苷酸（t
8、erminal additing）修饰（modification）：在碱基和核糖上进行化 学修饰。RNA编辑（RNA editing）一、mRNA前体的加工（一）生成特点：原核：mRNA是多顺反子(polycistronic,每分子RNA中含几种蛋白质信息，RNA寿命短，转录没完时翻译即开始。例:乳糖操纵子，含Z,Y,A三个基因,分别编码半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶。真核：单顺反子monocistronic,一个mRNA仅编码一种蛋白质。外显子exon-在真核生物基因中编码蛋白质的序列。,内含子intron-非编码蛋白的序列,因其插于外显子之间又称插入序列,居间序列。hnRNAhetoro
9、genous RNA-为mRNA的前体,转录物中外显子与内含子间隔排列，需经剪接加工后生成mRNA。（二）mRNA前体加工过程原核：多顺反子mRNARNase单独的顺反子 真核：1.5末端帽子的生成：部位:核内（图12-10-2）2.3末端多聚尾的生成：部位:核内,胞质有酶也可进行。3.剪接作用:部位-胞核在细胞核内,hnRNA剪切内含子,将个外显子连接,为成熟mRNA的过程。少数基因不需剪接干扰素 例1：卵清蛋白基因成熟过程（图12-11）。例2:同一转录本,在不同的组织,因剪接差异产生各 自不同的mRNA。（图12-12）剪接特点：剪接部位为内含子末端的特定序列-5端剪切点为GU;3端剪切
10、点为AG；含A序列的分支点。套索的形成及剪除：机制-二次磷酸酯转移（图12-13）剪接体的生成-由hnRNA与非特异的小核核糖核 蛋白（snRNP）结合而成。（U1、U2-U6）4.甲基化：甲基化发生在剪接之前,在非编码区分子含12个m6A。,5.RNA编辑（RNA editing）某些mRNA的核苷酸序列,在生成转录产物后还需插入、删除或取代一些核苷酸残基,方能生成具有正确翻译功能的模板,遗传信息在mRNA水平上的改变过程，称为RNA编辑。例1:锥虫细胞色素氧化酶（图12-14）例2:血浆脂蛋白的apo B编辑作用（图12-15）二、tRNA前体的加工1、切除多余的核苷酸，RNase p切除
11、5端多余的核苷酸；Rnase D切除3端多余的核苷酸.2、剪切内含子：核酸内切酶切除内含子,连接酶进行连接。3、修饰与3末端加-CCA:甲基化,脱氨基,还原反应,在核苷酸基转移酶催化下，加入CCA。（图12-16）三、rRNA前体的加工特点：rRNA拷贝多,原核5107;真核:果蝇260;Hela细胞1100个拷贝。过程 1、剪切作用，需核酸酶。2、甲基化修饰，在碱基上。3、自我剪接。加工过程5S变化不大。无转录功能 原核rRNA加工 rRNA含非转录的间隔区 产物 tRNA 30S前体rRNARNase 17S-tRNA-23S-5S-tRNA 核酸酶16S,23S,5S,tRNA（图12-
12、17）真核rRNA加工1.5S自成体系加工少无修饰剪接。2.45S加工中含剪切和甲基化修饰，需核酸酶。,（图12-18）第三节 核酶（ribozyme）背景1982年Cech发现四膜虫rRNA前体自我剪接作用，RNA有催化作用;1983年发现RNase P中的RNA可催化tRNA前体的加工。例:四膜虫rRNA前体剪接过程:1.二次剪接以磷酸酯转移形式，需鸟苷作辅助因子。2.内含子自身环化时剪切核苷酸。（图12-19）核酶的结构与作用：锤头结构（图12-20）1.核苷酸转移作用。2.水解反应，即磷酸二酯酶作用。3.磷酸转移反应，类似磷酸转移酶作用。4.脱磷酸作用，即酸性磷酸酶作用。,5.RNA内
13、切反应，即RNA限制性内切酶作用。意义：1.RNA为生物催化剂，具有重要 生物学意义。2.打破了酶是蛋白质的传统观念。3.在生命起源问题上，为先有核酸提供了依据。4.为治疗破坏有害基因，肿瘤等疾病提供手段。核酶与内含子的关系：1.目前发现的核酶数量较少，常见于rRNA的内含子.2.内含子存在于各种RNA分子中，它们并不都具有核酶的功能。3.内含子分为三类：（1）内含子可自我剪接,不需任何蛋白质参与,分两型-需鸟苷参与。形成套索形式剪接。,（2）内含子的剪接需要蛋白酶的参与，如tRNA。（3）内含子的剪接需形成剪接体的形式，除各种蛋白因子外还需各种snRNP的参与。,图 12-1 转录作用,图
14、12-3原核生物的RNA聚合酶,表 12-1 真核生物的聚合酶,图 12-4 原核生物启动子,图 12-4 原核生物启动子,图 12-5 真核基因调节序列示意图,图 12-5 真核启动子,图 12-6 转录终止结构,图 12-7 RNA转录,图 12-8 因子的终止作用,图 12-9 原核转录终止模式 转录产物影响转录终止,表 12-2 参与RNA-pol II转录的TFII,图 12-10 真核生物转录起始复合物,真核生物5端帽子生成,图 12-11 卵清蛋白基因转录及加工过程,图12-12 大鼠降钙素基因转录体在甲状腺及脑中的不同剪接,图 12-13剪接过程中的RNA套索结构,图 12-14锥虫细胞色素氧化酶RNA的编辑,图12-15 apo B mRNA的编辑加工,图12-16 tRNA的加工过程,图12-17 原核rRNA的加工过程,图 12-18 真核生物rRNA前体的加工,图 12-19 四膜虫rRNA前体的自我剪接,
