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1、n 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。 n经转录生成的 RNA有多种，主要 的是rRNA， tRNA，mRNA， snRNA和hnRNA 。 第八章 RNA 生物合成 (转录) RNA Biosynthesis (Transcription) 转录和复制的区别 复制转录 模板DNA双链DNA的一条链 原料dNTP (N=A、G、C、T)NTP(N=A、G、C、U) 引物需要不需要 酶DNA聚合酶RNA聚合酶 产物DNARNA 配对A-T、G-CA-U、T-A、G-C 第一节 RNA转录合成的特点 一、转录
2、的不对称性 n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传递给 RNA。另一股链不转录. n模板链并非永远在同一单链上。 n碱基顺序由模板DNA决定，但UTP替代TTP。 n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。 n能够转录RNA的那条DNA链称为反 意义链 (模板链），而与之互补的另一 条DNA链称为有意义链（编码链）。 (-) strand is antisense strand. (+) strand is sense strand 二、转录的连续性 nRNA转录合成时，以DNA作为模板
3、，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。不需要引物。 n合成的RNA中，如只含一个基因的遗 传信息，称为单顺反子；如含有几个基 因的遗传信息，则称为多顺反子。 三、转录的单向性 nRNA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，而RNA链的合成方向为 53。 nRNA分子的5末端具有三磷酸。 四、有特定的起始和终止位点 nRNA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。 第二节
4、参与转录的物质 n原料: NTP（ATP, UTP, GTP, CTP ） n模板: DNA n酶: RNA聚合酶（RNA polymerase, RNA-pol） n其他蛋白质因子(激活因子和终止因 子) RNA聚合酶（DDRP）: synthesis of RNA strand from DNA template. 1. RNA polymerase: Requires no primer for polymerization. 2. Requires DNA for activity and is most active with a double-stranded DNA as tem
5、plate. 5 3 synthesis 3. Require Mg2+ for RNA synthesis activity 4. All RNA polymerases lack 3 5 exonuclease activity, and one error usually occurs when 104 to 105 nucleotides are incorporated. 5. usually are multisubunit enzyme, but not always. 6. Different from organism to organism 7. E. coli has a
6、 single DNA-directed RNA polymerase that synthesizes all types of RNA. (NMP)n + NTP (NMP)n+1 + PPi The polymerases of bacteriophage T3 and T7 are smaller single polypeptide chains, they synthesize RNA rapidly (200 nt/sec) and recognize their own promoters which are different from E. coli promoters.
7、一、RNA聚合酶（DDRP） 原核生物： E.coli的RNA聚合酶是由四种 亚基组成的六聚体（ 2 ） Eubacteria RNA pol 155 KD 36.5 KD 151 KD 11 KD 70 KD Initiation only Both initiation A box: +50-65 n在基因簇中串联排列.人类细胞中 ，一个基因簇里约有2000个基因. nC box 与转录因子TFA结合. TFIIIA 是装配因子，促使TFC与 5S rRNA启动子的相互结合. n TFB与复合物（TFC和DNA 结合形成的复合物）作用，促使 RNA聚合酶结合并起始转录。 （三） RNA P
8、ol 需要的辅助因 子、转录起始复合物的装配及RNA 聚合酶的转录起始 Typical RNA Pol II genes nRNA Pol II自身不能启动转录，依赖 于辅助转录因子。 n顺式作用元件(cis-acting element) ：DNA分子上具有的可影响（调控）转 录的各种组分。 n启始位点由TATA盒和起始子区负责 ，启动子的效率由远上游的元件决定。 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- acting factors) ，现已发现数百种 。 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(transcri
9、ptional factors, TF)。 TF I、 TF II、TF III RNA pol II 的三种反向作用因子 Housekeeping genes: factors 1 + 2 (constitutive expression) l 通用（基础）转录因子: 所用启动子都需要 l 上游结合因子: 结合于非调节保守序列上（泛 素 l 诱导因子: 结合于反应元件（DNA序列）， 在特定时间或特定组织合成RNA或激活转录. 通用(基础)转录因子 (TFIIx) + RNA pol = basal transcription apparatus. （基本转录装置） TFIID: 多蛋白复合
10、物:TBP +TAFIIs TBP：是结合 TATA盒的唯一 蛋白 TAFIIs: TBP相关 因子 TBP 是通用转 录因子，使 RNA Pol定位 在适宜位置。 (出现在 SL1 、TFIID 和 TFIIIB中) TBP has a saddle-like structure （马鞍形结构） DNA TBP causes DNA bending TBP mutation in TATA binding domain interferes polII TBP TFIIA 结合于 TFIID 稳定 TFIID- DNA复合物 至少含有三个亚 基 与阻遏因子，如 DR1 和 DR2的作 用相反
11、。 TFIIB 结合于 TFIID TFIIF 结合于聚合酶（ 是TFIID 和RNA Pol间的桥梁) RNA Pol的 结合：RNA Pol 与 TFIIF结 合 TFIIE ：转录必 需因子 Pol II 结合在 启动子上 TFIIJ, TFIIH ： 分别结合于TFIIA 与TFIID， TFIIH 具有解旋酶和激酶 活性，促使聚合酶C 端域的磷酸化，引 发转录起始。 聚合酶的CTD磷酸化： TFIIH 经过一系列装配过程，形成了RNA 聚合酶复合物，称为转录前起 始复合物。CTD经过磷酸化后，转录起始，接着聚合酶离开启动 子区域，转录延伸。 转录因子 功 能 TFA 稳定TFD结 合
12、 TFB 促进pol 结 合 TFD 辨认TATA盒 TFE ATPase TFF 解旋酶 TFH 蛋白激酶活性， 释放RNA聚合酶 转录前起始复合物(pre-initiation complex, 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。包括： TATATFDTFATFBRNA poL TFFTFE POL- TFF A B 由RNA-Pol 催化转录的PIC POL- TFF H E TBP TAF TFD-A-B-DNA复合物 TATA A B TBP TAF TATA H E CTD-P PIC组装完成，TFH使CTD磷酸化 起始子转录复合物
13、没有TATA box的 Pol II 启动子: 某些DNA结合蛋白招募TBP，使之进入起始 子DNA序列中（起始子元件与转录起始点重 叠），TBP再促使其它转录因子和聚合酶结 合。 四、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。 转录延长过程中可以观察到核小体移位和 解聚现象。 RNA-Pol RNA-Pol RNA-Pol 核小体 转 录 延 长 中 的 核 小 体 移 位 转录方向 5-AAUAAA- 5 -AAUAAA- 核酸酶 -GUGUGUG RNA-pol AATAAA GTGTGTG 转录
14、终止的修饰点 5 5 3 3 3加尾 AAAAAAA 3 mRNA 五、转录终止 和转录后修饰密切相关。在切割位点上游10-30bp的AAUAAA序 列是切割和加多聚A的信号。基本转录复合物中的内切核酸酶、poly （A）聚合酶、其它因子相结合完成这一过程。 原核生物与真核生物转录的异、同点 原核生物真核生物 转录的起始 由2 +DNA模板 +pppGpN-OH3 形成转录起始复合物 形成转录起始复合 物，需要转录因子 的参与。 转录起始点-35区及-10区 -25 -30区 转录的延长 基本相似，只是催化的酶不同，都是转录空泡沿着模 板链向前滑动，转录出相应的RNA，但真核生物需要 许多转录
15、因子参与，且转录与翻译不同步。 转录终止依赖赖因子、和非依赖赖因 子识别识别 特异的终终止信号。 依赖模板链末端特殊 的转录终止修饰点 小结: 1. 三种真核RNA聚合酶: pol I for rRNAs, pol II for mRNAs, pol III for 5S RNAs, tRNAs and other small nuclear 有些基因还可能同时利用上游和下游 启动子元件。 4. Pol II genes: TATA box, 上游启动子元件 (CAAT box, SP1 box, Oct), 增强子，基础转录 因子。 第五节 真核生物mRNA转录后的加工修饰 n首、尾修饰加工
16、 n内含子去除 nmRNA的编辑(mRNA editing) 真核生物转录产物的特点 n基因的不连续性：转录产物需经剪切、连 接等过程除去内含子序列。 n需要修饰：mRNA一般具有5帽子结构和 3的poly A结构。 n成熟RNA需转移到胞质内参与蛋白质的生 物合成，转录和翻译是两个相对独立的过程 。 RNA加工（RNA Processing） n转录生成的新生RNA称原初转录本（ primary transcripts），须经过各种修 饰才能形成成熟产物。 n原核生物和真核生物的初级转录产物 都需要经过一定程度的加工才具有活性. nRNA加工：在转录中新合成的RNA 往往是较大的前体分子，需
17、要经过进一 步的加工修饰，才转变为具有生物学活 性的、成熟的RNA分子，这一过程称为 转录后加工。 primary transcriptprimary transcript mature RNAmature RNA. . Nucleus or Nucleolus Cytoplasm RNA processing Removal of nucleotides addition of nucleotides to the 5- or 3- ends modification of certain nucleotides 一、mRNA的转录后加工 1加帽(adding cap) 5帽子结构的功能：
18、对翻译起识别作用(mRNA翻译起始的必要结构，对核糖 体对mRNA的识别提供了信号，协助核糖体与mRNA结合 ，使翻译从AUG开始) ； 增加mRNA的稳定性,可以保护mRNA免受5核酸外切酶 的降解。 帽子结构(m7GPPPN) 三 种 类 型 的 帽 子 结 构 帽子0:m7GPPPN 帽子1:m7GPPPNm 帽子2:m7G-PPPNmNm 5 pppGp 5 GpppGp pppG ppi 鸟苷酰 转移酶 5 m7GpppGp 甲基转移酶 SAM 帽 子 结 构 的 生 成 5 ppGp 磷酸酶 Pi 加帽过程 n加帽过程发生在细胞核内，即 HnRNA即可进行加帽。 n加工过程：首先是
19、加帽酶的一个亚基 催化新生RNA链，除去5端-磷酸基； 另一亚基将GTP中的GMP转移到新生 RNA的5 -二磷酸上，产生GpppNp（ 5 -5 三磷酸键 ）；对G的N-7和新生 RNA的5端核糖的2-O进行甲基化。 2加尾(adding tail) n加尾过程在细胞核内 完成，polyA结构与 mRNA的半衰期有关。 npolyA的功能： n能调节mRNA 的稳定性（抗降解） n与翻译调控有 关 n与 mRNA通过 核膜进入胞质有关 CPSF：切割和多腺苷化特异因子， 360kD四链蛋白 CStF：切割刺激因子， 200kD异源三聚体 CF：切割因子 PAP：poly（A）聚合酶 加pol
20、y（A）的两个时期： 慢速时期（12个A）； 快速期（200-250个A）。 PAB：mRNA poly （A）结合蛋白 3RNA剪接（splicing)： n真核生物中的结构基因基本上都是断裂基 因。结构基因中能够指导多肽链合成的编码 顺序被称为外显子，而不能指导多肽链合成 的非编码顺序就被称为内含子，通常在RNA 水平上被剪接去除。 特点：切割发生在内含子和外显子连接处的特殊碱基序 列；内含子5一般是GU，3 是AG；一般认为剪接发生 在核膜上。 snRNP：snRNA+蛋白质，又称剪接体（又称剪接体（ splicesome） 。 参与剪接反应的常有1 1、2 2、4 4、5 5、6 6
21、自我剪接内含子 蛋白质或酶参与剪接的内含子 snRNP参与的剪接内含子 内含子的种类： 真核生物三类内含子的分布 内含子细细胞核线线粒体质质粒 自我剪接 型 型 rRNA mRNA rRNA mRNA mRNA rRNA mRNA tRNA 蛋白质质剪接 tRNA snRNP剪接 mRNA (1)RNA自我剪接类型 n第I类内含子的自我剪接（两次转酯） n第II类内含子的自我剪接（形成套索 中间体） trans方式 共同点 v磷酸二酯键的断裂和再连接 vRNA本身作为催化剂（ribozyme,核酶） RNA剪接的转酯反应过程 n带有自由羟基的核苷酸进攻连接内含 子和外显子的磷酸二酯键。释放携带
22、其 本身羟基的3外显子。 n自由羟基进攻内含子与下一个外显子 的磷酸二酯键。 n两个外显子连接在一起，释放内含子 。 外部G对位于内含子5 端的外显子和内含子 之间的3，5-磷酸二 酯键进行亲核攻击,与内 含子中的5核苷酸形成 一个新的3，5-磷酸 二酯键，释放出上游的 外显子。 上游外显子的3羟基 作为一个亲核体攻击位 于内含子- 外显子交界处 的3，5-磷酸二酯键 。精确切去一个内含子 序列，同时通过3,5-磷 酸二酯键将两个外显子 共价连接。 鸟苷作为反应中的一 个辅助因子，没有掺入 到外显子中。 pG-OH (ppG-OH, pppG-OH) U-OH GpUpGpA 第一次转酯反应
23、第二次转酯反应 UpAGpU 外显子1 内含子 外显子2 G-OH UpU pGpA 剪接过程的 二次转酯反 应 四膜虫前rRNA的自身剪接（核酶） 第二类自我剪接的转酯反 应(套索拼接反应) 亲核体是内含子 中腺苷酸的2-OH ，形成一个不常 见的2,5- 磷酸二酯键。这 一剪接反应形成 套索结构中间体 (lariaf intermediate). 套索分支点部位 形成了一个带有 3个磷酸二酯键 的结构。 (2)Pre-mRNA(hnRNA)内含子的 剪接 Spliceosome: 在pre-mRNA转录时形成的 40S-60S的核糖核蛋白复合物，催化剪接反应 。包括 pre-mRNA、sn
24、RNA(scRNA)和几十种 蛋白 snRNP(small nuclear ribonucleoproteins) : 由snRNA和多种蛋白质 组成。 snRNA称为U-RNA，在剪接中发挥作用的snRNP相应地称为 U1、U2、U4/U6和U5(命名规则:以snRNA的名称命名)。 n形成套索状结构而将内含子切除掉。 n参与剪接反应因子：依赖RNA的ATP酶、解链酶、脱分支酶等 。 (3) 拼接类型 n顺式(cis-splicing):同一分子内 反式(trans-splicing) : 分子间 选择拚接 4内部甲基化： n由甲基化酶催化，对某些碱基进行甲 基化处理。 5RNA内部编辑：
25、改变mRNA外显子信息，主要发生在细胞器 基因组中。 包括：简单编辑（单碱基转换）、 插入编辑 、泛编辑、多聚腺嘌呤编辑 真核生物mRNA的转录后加工修饰 第六节 其它RNA分子转录后加工 ntRNA分子的加工 nrRNA分子的加工 二、tRNA的转录转录 后加工 真核生物的tRNA由RNA-pol III催化， 然后加工成熟。主要有以下几种加工方式 ： n切断(tRNA剪切酶) n剪接 n核苷修饰饰 包括甲基化（、）、还原反 应（）、核苷酸内的转位反应（ ）、脱氨基反应（）及3 末端加上CCA -OH末端； tRNA前体 RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCC DNA
26、RNAaseP、 内切酶 tRNA核苷酸转移酶、 连接酶 ATP ADP 碱基修饰 （2）还原反应 如：U DHU （3）核苷内的转位反应 如：U （4）脱氨反应 如：A I 如：A Am （1）甲基化 （1） （1） （3） （2） （4） n形成3末端: 内切核酸酶识别 发夹结构,外切 核酸酶识别CCA 三碱基序列 n形成5末端 :RNaseP切除5 发夹结构处的41 个碱基. n产生修饰碱基 :专一性酶催化 产生 n加工过程(E.coli tRNATyt转录子) 二、rRNA转录后的加工 n真核细胞的rRNA基因属于丰富基因族的 DNA序列； n丰富基因族的DNA序列：即染色体上一些 相
27、似或完全一样的纵列串联基因（tandem gene）单位的重复（高度重复序列）。 nrRNA的剪接不需要任何蛋白质参与即可以 发生，因此，有活性的RNA叫核酶。 转录 45S - rRNA 剪接 18S - rRNA 5.8S和28S-rRNA rDNA 内含子内含子28S5.8S18S 真核rRNA前体转录后的加工 本章复习题 n编码链、RNA聚合酶的核心酶、启动子、转录前起始复 合物、转录因子、核酶、外显子、内含子、 因子、 Pribnow Box、TATA box，套索结构、剪接体、流产起始 、snRNP。 增，C悖理，反密子环， n简述RNA生物合成的特点。 n叙述原核生物RNA合成的过程。 n简述真核生物RNA聚合酶的种类和特点。 n简述原核生物两种终止转录的方式。 n真核生物转录后加工的主要内容是什么。 n真核生物mRNA 帽子结构的有哪些种类，加帽过程有哪 些酶参与? n叙述两类自我剪接内含子及hnRNA内含子的剪接过程。 n简述真核生物mRNA加尾过程。