生物化學(xué)第十二章RNA的生物合成課件

第十二章RNA生物合成（RNA

Biosynthesis）

大連醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室崔秀云

1本章要求：RNA聚合酶及轉(zhuǎn)錄的一般特點真核生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄過程：起始：（啟動子），延長，終止真核生物轉(zhuǎn)錄后的加工：剪切，填加及修飾原核生物的轉(zhuǎn)錄過程RNA的復(fù)制本章要求：2第一節(jié)RNA聚合酶及RNA轉(zhuǎn)錄的

一般特點

一、DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶

（DNAdirectedRNApolymerase，DDRP）是RNA合成中最主要的酶類,RNA聚合酶催化如下反應(yīng)：1.

雙鏈DNA中的一條鏈作為RNA合成的模板。2．四種核糖核苷三磷酸（即ATP、GTP、CTP和UTP）是該酶的底物。3．需要二價金屬離子，如Mg2+和Mn2+。n(NTP)pppN(pN)n-1+(n-1)PPi

DNARNA聚合酶第一節(jié)RNA聚合酶及RNA轉(zhuǎn)錄的

一般特點

一、DNA3圖12-1RNA鏈中3’,5’-磷酸二酯鍵的形成RNA的合成的方向為5’→3’；聚合反應(yīng)是通過核苷酸之間形成的3’,5’-磷酸二酯鍵，使核苷酸鏈延長，同時釋放出焦磷酸。圖12-1RNA鏈中3’,5’-磷酸二酯鍵的形成4表12-1真核生物RNA聚合酶的種類和性質(zhì)

種類I型II型III型線粒體分子量5.5×1056×1056×1056.4～6.8×104分布核仁核質(zhì)核質(zhì)線粒體轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物5.8S、mRNA前體tRNA前體線粒體RNA18S、snRNA5SrRNA28SrRNA前體對利福平敏感性不敏感不敏感不敏感敏感對鵝膏蕈堿的敏感性不敏感非常敏感敏感不敏感

表12-1真核生物RNA聚合酶的種類和性質(zhì)

種類5表12-2大腸桿菌RNA聚合酶組分及功能亞基每分子酶中功能所含數(shù)目α2控制轉(zhuǎn)錄的速度β1催化合成RNAβ’1催化合成RNAω1不清σ1辨認(rèn)起始點表12-2大腸桿菌RNA聚合酶組分及功能亞基每6二、RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制異同點RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制相同點：RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制的基本的化學(xué)反應(yīng)是相同的，在聚合酶的催化下，核苷酸之間形成磷酸二酯鍵，釋放出焦磷酸；核苷酸鏈的合成方向均為5’→3’；聚合反應(yīng)均需要DNA作模板。二、RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制異同點RNA轉(zhuǎn)錄與DNA7RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制不同點：1.RNA轉(zhuǎn)錄是不對稱的，即僅用DNA雙鏈中某一單鏈作為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，被作為模板的那條DNA單鏈稱模板鏈（templatestrand）。與模板鏈互補的DNA單鏈為編碼鏈(codingstrand)，即合成的RNA堿基序列與編碼鏈相同，僅是U替代了T。在特定的染色體中，有時基因的編碼序列可能位于另一條鏈中，這種現(xiàn)象稱不對稱轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄后DNA模板成分無改變。RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制不同點：8圖12-2RNA的不對稱轉(zhuǎn)錄圖12-2RNA的不對稱轉(zhuǎn)錄9RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制不同點：2.與DNA聚合酶不同，RNA聚合酶不需要引物，可利用NTP作底物直接合成RNA。3.RNA聚合酶沒有核酸酶的活性，即沒有3’到5’外切酶的活性，也沒有5’到3’外切酶的活性，因此，在RNA合成過程不起較對作用。4.對于一個基因組來講，轉(zhuǎn)錄只發(fā)生在一部分基因，而且每一個基因的轉(zhuǎn)錄都受到相對獨立的控制。5.RNA合成后需要加工才能成為有功能的RNA。RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制不同點：10真核生物轉(zhuǎn)錄過程除了RNA聚合酶參加外，還需要一些蛋白質(zhì)因子參與，這些因子能結(jié)合到DNA的特殊序列并且與RNA聚合酶結(jié)合，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。一類通用轉(zhuǎn)錄因子（generaltranscriptionfactors，TF）分別能夠與不同的RNA聚合酶結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體。第二節(jié)真核生物的轉(zhuǎn)錄過程

真核生物轉(zhuǎn)錄過程除了RNA聚合酶參加外，還需要一些蛋白質(zhì)因子11通用轉(zhuǎn)錄因子分類

根據(jù)RNA聚合酶的分類，TF分為三類。I型轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactorI，TFl）能夠促進(jìn)RNA聚合酶l轉(zhuǎn)錄。

Il型轉(zhuǎn)錄因子（TFll）促進(jìn)RNA聚合酶ll轉(zhuǎn)錄.包括TFIIA，B，D，E，F(xiàn)，H等。III型轉(zhuǎn)錄因子（TFIII）促進(jìn)RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄過程可分為三個階段：起始、延長和終止。

通用轉(zhuǎn)錄因子分類

根據(jù)RNA聚合酶的分類，TF分為三類。12mRNA的合成是在核內(nèi)由RNA聚合酶Ⅱ催化的。酵母RNA聚合酶Ⅱ由12個亞基組成。其中最大亞基的羧基末端結(jié)構(gòu)域（carboxyl-terminaldomain,CTD），富含絲氨酸殘基。CTD的磷酸化和去磷酸化對酶的活性有重要影響。去磷酸化的CTD在轉(zhuǎn)錄的起始中作用，在轉(zhuǎn)錄延長過程中CTD的絲氨酸殘基被磷酸化。mRNA的合成還需要有一系列轉(zhuǎn)錄因子Ⅱ（TFⅡ）參加。一、mRNA的合成mRNA的合成是在核內(nèi)由RNA聚合酶Ⅱ催化的。酵母RNA聚合13（一）起始階段（initiation）

1.啟動子（promoter）是DNA上的特殊的序列，它包括一些保守順序，其中最重要的順序稱TATA(box)盒子。RNA聚合酶和一些轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合此部位。

（一）起始階段（initiation）14

二類啟動子圖12-3真核RNA聚合酶II識別的的啟動子基序轉(zhuǎn)錄起始點以“+1”表示，在其上游的核苷酸序列以“”表示。啟動子區(qū)框內(nèi)表示與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的共有順序。BRE為TFⅡB識別元件，Y表示C或T。二類啟動子圖12-3真核RNA聚合酶II識別的的啟15

2．轉(zhuǎn)錄因子II及轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的形成mRNA的合成是在核內(nèi)由RNA聚合酶II催化的，有一系列轉(zhuǎn)錄因子II（TFII）參加。2．轉(zhuǎn)錄因子II及轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的形成16生物化學(xué)第十二章RNA的生物合成課件17圖12-4mRNA轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物RNA聚合酶Ⅱ與其轉(zhuǎn)錄因子組成轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物。按其組成的結(jié)合順序排列為：TFⅡDABF-PolEH（Pol代表RNA聚合酶Ⅱ）。覆蓋DNA模板大約70bp.圖12-4mRNA轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合18第一個磷酸二酯鍵的形成：此附近DNA雙鏈被RNA聚合酶解開約17個堿基對，形成一個轉(zhuǎn)錄泡（由閉合復(fù)合物轉(zhuǎn)變成開放復(fù)合物）。根據(jù)DNA模板鏈上核苷酸的序列，以NTP為原料，按堿基互補原則在RNA聚合酶催化下，形成第一個3’,5’-磷酸二酯鍵。頭一個核苷酸多為嘌呤核苷酸A或G。第一個磷酸二酯鍵的形成：19（二）RNA鏈的延長RNA聚合酶沿著DNA模板從5’→3’方向移動并不斷的解開DNA雙鏈，同時與DNA模板鏈序列相互補的核苷酸逐一地進(jìn)入反應(yīng)體系，RNA聚合酶II的CTD被轉(zhuǎn)錄延長因子（TEFb）進(jìn)一步磷酸化，增強了聚合酶的活性。如此，合成的RNA逐漸延長（elongation）（圖12-5）。RNA鏈延長時，新合成的部分暫時與模板DNA形成一段RNA-DNA雜合雙螺旋；隨著RNA鏈的延伸，RNA從RNA-DNA雙螺旋解開。DNA雙螺旋的解旋及重新恢復(fù)雙螺旋是在DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用下進(jìn)行的。TFIIE和TFIIH對于RNA鏈的延長不是必需的，它們從延長的復(fù)合物上解離下來，TBP和TFIIB保留在啟動子上。（二）RNA鏈的延長20圖12-5RNA鏈的延長圖12-5RNA鏈的延長21RNA鏈的延長過程A．RNA聚合酶II在轉(zhuǎn)錄因子的輔助下，將雙鏈DNA解開一段，形成轉(zhuǎn)錄泡。在聚合酶的作用下以NTP為底物，與模板鏈的堿基互補開始合成RNA。B.復(fù)制泡擴大，RNA聚合酶II繼續(xù)合成RNA，以U替代T，A-U、C-G配對。C.隨著RNA鏈的延長，RNA聚合酶沿著模板鏈不斷滑動，在DNA拓樸異構(gòu)酶的作用下，下游不斷解鏈，上游不斷恢復(fù)雙鏈，轉(zhuǎn)錄泡不斷向下游移動，保持約17bp大小，直到遇到終止信號合成則停止。DNA雙螺旋重新形成。RNA鏈的延長過程22（三）轉(zhuǎn)錄的終止RNA聚合酶Ⅱ參與整個轉(zhuǎn)錄過程，直到出現(xiàn)多聚腺苷酸化信號為止。這個信號順序是保守序列AAUAAA和其下游富含GU的序列。這些序列稱為轉(zhuǎn)錄終止的剪切信號序列（cleavagesignalsequence）。具體的剪切點位于AAUAAA下游10～30核苷酸處，距GU序列20～40核苷酸。剪切信號序列可被核酸內(nèi)切酶、多聚腺苷酸聚合酶等所識別和結(jié)合，并切斷此初級轉(zhuǎn)錄物。RNA聚合酶Ⅱ被釋放，剪切點下游被RNA聚合酶Ⅱ合成的多余RNA片段被水解。（三）轉(zhuǎn)錄的終止23

圖12-6mRNA轉(zhuǎn)錄的終止RNA聚合酶Ⅱ參與整個轉(zhuǎn)錄過程，并可超越轉(zhuǎn)錄終止的剪切信號序列。剪切信號序列可被核酸內(nèi)切酶等識別，并在剪切點切斷mRNA前體。圖12-6mRNA轉(zhuǎn)錄的終止24二.rRNA的合成

rRNA基因位于染色體的特殊區(qū)域稱

核仁組織者（nucleolarorganizer）。rRNA基因?qū)儆谥貜?fù)序列，每個重復(fù)序列都作為一個轉(zhuǎn)錄單位。每一個轉(zhuǎn)錄單位包括28S，5.8S及18SrRNA。RNA聚合酶I及轉(zhuǎn)錄因子I（TFI）識別位于非轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)上的啟動子序列。二.rRNA的合成rRNA基因位于染色體25

圖12-7rRNA基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)人類rRNA基因啟動子屬第一類啟動子，由兩個元件組成，一個是核心元件，此元件包括轉(zhuǎn)錄起始點，存在富含AT的保守序列，為轉(zhuǎn)錄所必須；另一個為上游啟動子元件，從－107開始，約50bp長，此元件的作用是增強轉(zhuǎn)錄效率

一類啟動子

圖12-7rRNA基因轉(zhuǎn)錄26合成rRNA的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物比較簡單，由啟動子、RNA聚合酶Ⅰ和兩個TFⅠ組成。一種TFⅠ是核心結(jié)合因子，稱TFⅠB，（人類是SLⅠ），具有募集RNA聚合酶Ⅰ到啟動子上的作用。另一種是上游結(jié)合因子（UBF），與啟動子的上游起始元件（upstreampromoterelement,UPE）結(jié)合，協(xié)助TFⅠB組裝到啟動子上。rRNA的轉(zhuǎn)錄過程與mRNA相似。rRNA的合成合成rRNA的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物比較簡單，由啟動子、RNA聚合27核糖體的合成是細(xì)胞生長的限速因素。rRNA的轉(zhuǎn)錄可以非常迅速，RNA聚合酶I的磷酸化可以特別激活rRNA迅速的轉(zhuǎn)錄，例如在胚胎生長及肝的再生過程中。當(dāng)生長不太迅速時，僅有一些rDNA重復(fù)序列被用于轉(zhuǎn)錄。核糖體的合成則減少。

核糖體的合成是細(xì)胞生長的限速因素。rRNA的轉(zhuǎn)錄可以非常迅速28三．5SRNA和tRNA的合成

5SrRNA和tRNA基因的啟動子位于被轉(zhuǎn)錄的序列之中，稱內(nèi)啟動子。所有的tRNA基因都有兩個內(nèi)啟動子元件（圖12-8）。5SrRNA合成的啟動子與tRNA的相似，兩個TF與RNA聚合酶Ⅲ的結(jié)合順序也相同。三．5SRNA和tRNA的合成5SrRNA和t29圖12-8tRNA基因的內(nèi)啟動子及RNA聚合酶III與其轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子IIIC（TFIIIC）首先與啟動子的A和B框結(jié)合，然后TFIIIC與TFIIIB結(jié)合，最后RNA聚合酶III與TFIII因子結(jié)合，并啟動轉(zhuǎn)錄。

三類啟動子圖12-8tRNA基因的內(nèi)啟動子及RNA聚30第三節(jié)真核生物RNA轉(zhuǎn)錄后的加工幾乎所有真核生物RNA轉(zhuǎn)錄的初級產(chǎn)物都需經(jīng)過一系列變化后才能生成具有生物活性的RNA分子。這一系列變化過程稱為轉(zhuǎn)錄后的RNA加工(RNAprocessing)。加工過程包括核苷酸部分水解、連接反應(yīng)、末端核苷酸“戴帽”、“接尾”，以及核苷的修飾。第三節(jié)真核生物RNA轉(zhuǎn)錄后的加工幾乎所有真核生物RNA轉(zhuǎn)錄31一、信使RNA的加工

（一）mRNA前體通過剪接去除內(nèi)含子真核生物mRNA的前體是核不均一RNA（heterogenousnuclearRNA,hnRNA），其核苷酸順序有一些不出現(xiàn)在成熟的mRNA中。此部分在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工過程中被切除。被切除的部分稱為內(nèi)含子（intron）。內(nèi)含子是不編碼蛋白質(zhì)的核苷酸序列。末被切除的部分稱外顯子(exon)，是編碼蛋白質(zhì)的部分序列。由于內(nèi)含子是插入外顯子之間，故內(nèi)含子又稱插入序列(interveningsequences)。

一、信使RNA的加工（一）mRNA32真核生物內(nèi)含子堿基序列的共同特點是開始于GU，結(jié)束于AG，分別稱5’剪接供體和3’剪接受體。位于3’剪接部位上游20-50個堿基處有分支點A。hnRNA中的內(nèi)含子稱為剪接體內(nèi)含子，這些內(nèi)含子的切除是由稱作剪接體（spliceosome）的蛋白復(fù)合物催化的。snRNP是一種特異的RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，含有多種小核RNA（smallnuclearRNA,snRNA）。snRNA的長度約100-200個核苷酸。各種snRNA因富含尿嘧啶（U）而被命名為U1、U2、U4、U5、U6等。snRNA參與剪接。剪切后的幾個外顯子片段拼接起來形成一個完整的mRNA(圖12-9，12-10)。切除的內(nèi)含子很快被降解。真核生物內(nèi)含子堿基序列的共同特點是開始于GU，結(jié)束于AG，分33

圖12-9mRNA的拼接體

一些小核核蛋白（snRNP）與RNA前體形成拼接體（spliceosome）。U1RNA和U2RNA分別為snRNP的組份。U1RNA的核苷酸序列與mRNA前體內(nèi)含子中的GU順序（稱連接供體位點）相配對，U2RNA識別內(nèi)含子3’端連接受體位點。拼接體利用ATP供能，除去內(nèi)含子。圖12-934圖12-10mRNA前體內(nèi)含子套環(huán)式剪接機制圖12-10mRNA前體內(nèi)含子套環(huán)式剪接機35mRNA前體內(nèi)含子套索式剪接機制：hnRNA內(nèi)含子剪接分兩步轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)。第一步，位于內(nèi)含子分支點的腺嘌呤核苷酸2’-OH親核攻擊連在外顯子1上的磷酸二酯鍵，使內(nèi)含子與外顯子1之間的鍵斷裂。生成游離的外顯子1和套索狀的內(nèi)含子-外顯子2中間物（內(nèi)含子5’端G與分支點的A以2’,5’-磷酸二酯鍵相連）。第二步，外顯子1游離的3’-OH親核攻擊連在內(nèi)含子和外顯子2之間的磷酸二酯鍵，將內(nèi)含子以套環(huán)形式被切除，兩個外顯子連接在一起。mRNA前體內(nèi)含子套索式剪接機制：36圖12-11原肌球蛋白mRNA前體及不同的剪接方式圖12-11原肌球蛋白mRNA前體及不同的剪37剪接位點的突變也能引起拼接錯誤，導(dǎo)致翻譯后的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能的改變。如β-地中海貧血（β-thalassemia）。這是由于內(nèi)含子剪接點的GU中的G突變成A，剪接體不能識別此序列，導(dǎo)致β-珠蛋白異常，由此產(chǎn)生貧血。剪接位點的突變也能引起拼接錯誤，導(dǎo)致翻譯后的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能38

圖12-12mRNA5’帽端的結(jié)構(gòu)5‘端第一個核苷酸是7-甲基鳥嘌呤核苷三磷酸,第二個和第三個核苷酸的核糖2’羥基甲基化。（二）mRNA前體在5’末端加入“帽”結(jié)構(gòu)圖12-12mRNA39加帽（capping）是一個多步過程，加帽過程需要兩種酶參與，即由加帽酶（cappingenzyme）和甲基轉(zhuǎn)移酶(methyltransferase)催化生成7-甲基鳥嘌呤核苷的帽結(jié)構(gòu)。其過程首先是將GTP與mRNA的5’末端三磷酸縮合，然后此鳥嘌呤N-7甲基化。此外，mRNA的第一和第二位核苷酸2’-OH也常常被甲基化（圖12-12）。5’帽結(jié)構(gòu)可以使mRNA免遭核酸酶的水解，它幫助mRNA通過核膜孔進(jìn)入胞漿，它也能與帽結(jié)合蛋白質(zhì)復(fù)合體結(jié)合，并參與和核糖體的結(jié)合，啟動蛋白質(zhì)的生物合成。加帽（capping）是一個多步過程，加帽過程需要兩種酶參與40（三）mRNA前體在3’末端多聚腺苷酸化mRNA前體首先在AAUAAA信號下游大約10~30個核苷酸處的剪切點處被切斷。然后在多聚腺苷酸聚合酶（poly（A）polymerase）的催化下，逐一加入腺苷酸。多聚腺苷酸聚合酶催化的反應(yīng)無需DNA模板。RNA+nATP→RNA-(AMP)n+nPPi(n=80～250)mRNA的polyA尾是一些特異蛋白質(zhì)的結(jié)合部位，能增加mRNA的穩(wěn)定性，可以避免3’-核酸外切酶的水解。polyA與polyA結(jié)合蛋白結(jié)合有助于蛋白質(zhì)生物合成（見第十三章）。（三）mRNA前體在3’末端多聚腺苷酸化41（四）mRNA前體的修飾和編輯

所謂修飾包括mRNA分子核糖上2’-羥基的甲基化反應(yīng)和嘌呤堿的甲基化反應(yīng)。

所謂編輯是指在轉(zhuǎn)錄后對mRNA序列中的堿基進(jìn)行變換的過程。

（四）mRNA前體的修飾和編輯42圖12-13載脂蛋白BmRNA的編輯加工圖12-13載脂蛋白BmRNA的編輯加工43圖12-14mRNA的加工過程示意圖圖12-14mRNA的加工過程示意圖44二、核糖體RNA的加工在哺乳動物細(xì)胞的核仁內(nèi)，三種rRNA的合成過程均先形成45S的共同前體。然后，該前體再斷裂成相應(yīng)的rRNA。圖12-15rRNA前體的轉(zhuǎn)換二、核糖體RNA的加工圖12-15rRNA前體的轉(zhuǎn)換45rRNA前體的加工是由多亞基的核蛋白復(fù)合物來完成的（圖12-16）。真核細(xì)胞的5SRNA基因與其它rRNA基因相分開。轉(zhuǎn)錄后經(jīng)過適當(dāng)?shù)募庸ぃ?8S、5.8S與相關(guān)的蛋白質(zhì)一起組成核糖體的大亞基。18S則是小亞基的成分。rRNA的成熟過程中也包括堿基的甲基化修飾和部分核糖的2’-OH甲基化反應(yīng)。甲基的供體是S-腺苷蛋氨酸。rRNA前體的加工是由多亞基的核蛋白復(fù)合物來完成的（圖12-46

圖12-16rRNA的加工過程rRNA的初級轉(zhuǎn)錄物是45S前rRNA,經(jīng)過一系列剪接、修飾，最后成為三種rRNA圖12-16rRNA的加工47三、轉(zhuǎn)移RNA的加工tRNA前身物通常包括一個以上tRNA，通過核酸水解加工過程將它們分開。成熟的tRNA比初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物核苷酸數(shù)目少。加工過程包括插入順序的去除和相當(dāng)于外顯子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的拼接。tRNA3’-末端的CCA順序也是轉(zhuǎn)錄后加上去的。一些稀有堿基的修飾也在核內(nèi)進(jìn)行（圖12-17）。三、轉(zhuǎn)移RNA的加工tRNA前身物通常包括一個以上tR48圖12-17tRNA的加工過程圖12-17tRNA的加工過程49.原核生物RNA聚合酶是多亞基的酶。從大腸桿菌提取的RNA聚合酶有六個亞基組成，分子量為500KD。兩個α亞基，一個β亞基，一個β’及ω亞基組成核心酶（coreenzyme），核心酶（α2ββ’ω

）能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，但是沒有RNA合成的特異性。第六個蛋白質(zhì)亞基稱σ因子，這六種亞基構(gòu)成全酶（holoenzyme）,在體內(nèi)及體外只有全酶才能特異的合成RNA。σ因子參與識別特異的啟動子。原核生物RNA聚合酶能被利福平（rifampicin）所抑制。利福平與β亞基相結(jié)合，從而抑制酶的活性。第四節(jié)原核生物的轉(zhuǎn)錄.原核生物RNA聚合酶是多亞基的酶。從大腸桿菌提取的RNA聚50圖12-18原核生物RNA聚合酶全酶的組成（α2ββ’ω

σ

）圖12-18原核生物RNA聚合酶全酶的組成51一、原核生物RNA轉(zhuǎn)錄的起始圖12-19RNA聚合酶（含70）可識別的大腸桿菌的典型啟動子一、原核生物RNA轉(zhuǎn)錄的起始圖12-19RNA聚合酶（含52原核生物啟動子區(qū)包括兩個高度保守的序列。一個序列位于轉(zhuǎn)錄起始點的上游約10bp，保守序列為T*A*TAAT*，此區(qū)由D.Pribnow首先發(fā)現(xiàn)，所以也稱Pribnow盒。第二個序列是位于-10上游的-35序列，為T*T*G*ACA。在–35區(qū)到–10區(qū)之間的17個核苷酸也是高度保守的圖12-20細(xì)菌轉(zhuǎn)錄的啟動子區(qū)原核生物啟動子區(qū)包括兩個高度保守的序列。一個序列位于轉(zhuǎn)錄起始53RNA轉(zhuǎn)錄的起始合成需要兩個步驟：第一步，σ因子辨認(rèn)起始點，RNA聚合酶全酶相對弱的結(jié)合到DNA啟動子上，形成一個閉合的啟動子復(fù)合物（closedpromotercomplex）。然后，DNA雙鏈在10區(qū)部分解旋，全酶形成更緊密的開放啟動子復(fù)合物(openpromotercomplex)。第二步，解鏈的DNA與起始的三磷酸嘌呤核苷酸結(jié)合，開始轉(zhuǎn)錄，然后形成第一個磷酸二酯鍵。RNA聚合酶向下游移動，合成繼續(xù)。一旦起始的核苷酸鏈形成一小段（89nt）后，σ因子便從全酶釋放出來，核心酶進(jìn)入延長階段繼續(xù)發(fā)揮其催化作用。RNA轉(zhuǎn)錄的起始合成需要兩個步驟：54圖12-21原核RNA的轉(zhuǎn)錄過程圖12-21原核RNA的轉(zhuǎn)錄過程55二、原核生物RNA轉(zhuǎn)錄的延長階段與RNA聚合酶結(jié)合的DNA區(qū)域解旋1718bp，形成所謂的轉(zhuǎn)錄泡（transcriptionbubble）。轉(zhuǎn)錄泡隨RNA聚合酶向下游移動，下游的DNA雙鏈不斷地被解旋，上游已解旋的DNA鏈又不斷地復(fù)性。這樣，RNA聚合酶連續(xù)的合成新的磷酸二酯鍵，平均每秒鐘合成40個核苷酸。在這一過程中，DNA模板的堿基與正在延長的RNA鏈堿基配對，形成大約89bp的RNA/DNA雜化雙鏈。原核生物沒有核膜，RNA轉(zhuǎn)錄尚未完成，翻譯就開始了。而真核生物有核膜，故轉(zhuǎn)錄和翻譯不能同時進(jìn)行。二、原核生物RNA轉(zhuǎn)錄的延長階段56三、原核生物RNA轉(zhuǎn)錄的終止終止分為ρ因子依賴性及ρ因子不依賴性兩類

1.ρ因子不依賴性的終止其特征是DNA模板上有特殊的序列，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA有兩個特征，第一是轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物含有一段G-C豐富的發(fā)夾序列，能形成莖-環(huán)的二級結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶與莖-環(huán)結(jié)構(gòu)作用后，即停止轉(zhuǎn)錄。第二是在發(fā)夾結(jié)構(gòu)的緊后面有6-7U殘基序列。幾個U與模板DNA上的A堿基配對很不穩(wěn)定，容易使新生成的RNA與模板脫離

三、原核生物RNA轉(zhuǎn)錄的終止終止分為ρ因子依賴性及ρ因子不依57圖12-22RNA轉(zhuǎn)錄的終止(因子不依賴性的)A：DNA模板有特殊的序列，富含GC和AT區(qū)，反轉(zhuǎn)重復(fù)順序（陰影所示）。B：RNA轉(zhuǎn)錄物可形成莖、環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖12-22RNA轉(zhuǎn)錄的終止(因子不依賴性的)58

圖12-23轉(zhuǎn)錄終止ρ因子的作用ρ因子是由6個亞基組成的蛋白質(zhì)，它具有ATP酶和解旋酶的活性，能將RNA-DNA雜交雙鏈解開，使RNA脫離模板，從而終止RNA轉(zhuǎn)錄。2.ρ因子依賴性轉(zhuǎn)錄終止

圖12-23轉(zhuǎn)錄終止ρ因59四、原核生物RNA轉(zhuǎn)錄后的加工原核生物RNA轉(zhuǎn)錄與翻譯過程是偶聯(lián)的。即mRNA在轉(zhuǎn)錄過程中即進(jìn)行翻譯。原核生物mRNA初級轉(zhuǎn)錄物沒有內(nèi)含子，故沒有剪接過程。核糖體RNA轉(zhuǎn)錄時即刻被剪切成23S及16SrRNA（圖12-24）。tRNA也進(jìn)行一些剪接及修飾。四、原核生物RNA轉(zhuǎn)錄后的加工原核生物RNA轉(zhuǎn)錄與翻譯過程60圖12-24原核rRNA的加工圖12-24原核rRNA的加工61第五節(jié)RNA依賴的RNA合成

有些病毒或噬菌體的基因組是由RNA而不是由DNA組成的。病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞后，還可以進(jìn)行復(fù)制生成RNA。催化此種RNA復(fù)制的酶為RNA復(fù)制酶，是一種RNA指導(dǎo)的RNA聚合酶(RNAdirectedRNApolymerase)。RNA復(fù)制酶催化的合成反應(yīng)是以RNA為模板，由5’→3’方向進(jìn)行RNA鏈的合成。反應(yīng)機理與DNA作模板合成RNA反應(yīng)相似。RNA復(fù)制酶僅對特異的病毒RNA起作用，對宿主細(xì)胞的RNA一般不進(jìn)行復(fù)制。為此當(dāng)病毒侵入宿主細(xì)胞后，病毒的RNA能大量復(fù)制。第五節(jié)RNA依賴的RNA合成62

Summary

SynthesisofanRNAinvolvesonestrandofDNAasatemplateandthenucleotidesareincorporatedintothetranscriptbyRNApolymerase.Inthenucleiofeukaryoticcells,therearethreedistinctDNA-dependentRNApolymerase:RNApolymeraseI,II,andIII.TheseenzymessynthesizerRNA;mRNAandsnRNA;tRNAand5SRNAprecursors,respectively.

SynthesisofanRNAinvol63Inprokaryoticcells,thereisonekindofRNApolymerasethatisresponsivetosynthesizealloftheRNA.Transcriptionprocessincludesthreephase:initiation,elongationandtermination.TranscriptioninitiationrequiresspecializedDNAsequencescalledpromoters.TherecognitionofpromotersequencesinvolvestranscriptionfactionsandRNApolymerases.AnewlysynthesizedRNAmoleculeiscalledprimarytranscripts.RNAprocessingincludesremove,add,andmodifynucleotidesreactions.Inprokaryoticcells,there64EukaryoticmRNAhaveappended5’capandpoly(A)tail.TheintronsofhnRNAarepreciselyexcisedandtheirflankingexonsaresplicedtogethertoformmaturemRNA,somemRNAsaresubjecttoRNAediting.Theeukaryotic18S,5.8Sand28SrRNAaretranscribedasa45sprecursorwhichareexcisedandmodifiedtoformthematurerRNAs.tRNAtranscriptsalsorequiretheexcisionofashortintronandenzymaticadditionofa3’-terminal–CCAtoformthematuretRNA.EukaryoticmRNAhaveappended65

ProkaryoticmRNAtranscriptsrequirenoadditionalprocessing.TheprimarytranscriptofrRNAcontainsallthreerRNAstogetherwithsometRNAs.Theseareexcisedandtrimmed.TherRNAsarealsomodifiedbythemethylationofspecificnucleosides.ProkaryotictRNAareexcisedfromtheirprimarytranscriptsandtrimmed.ManyvirusescontainRNAasgeneticmaterial.RNA-dependentRNApolymerasesynthesizestheirgenomes.ProkaryoticmRNAtranscript66問題問題67單選題單選題681.RNA的生物合成見于RNA復(fù)制和A.半保留復(fù)制B.不對稱轉(zhuǎn)錄C.逆轉(zhuǎn)錄D.翻譯E.半不連續(xù)復(fù)制生物化學(xué)第十二章RNA的生物合成課件69

2.轉(zhuǎn)錄需要的原料是:dNTPB.dNDPC.dNMPD.NTPE.NMP2.轉(zhuǎn)錄需要的原料是:703.真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄發(fā)生于:A.細(xì)胞漿B.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)C.細(xì)胞核D.線粒體E.核蛋白體3.真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄發(fā)生于:71

4.轉(zhuǎn)錄需要:A.引物酶B.RDRPC.DDDPD.DDRPE.RDDP4.轉(zhuǎn)錄需要:725.DNA模板鏈為5’-ATTCAG-3’,其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是:A.5’-GACTTA-3’B.5’-CTGAAT-3’C.5’-UAAGUC-3’D.5’-CUGAAU-3’E.5’-TAAGTC-3’5.DNA模板鏈為5’-ATTCAG-3’,其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)736.DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程有許多相同點,下列描述哪項是錯誤的?A.轉(zhuǎn)錄以DNA一條鏈為模板,而以DNA兩條鏈為模板進(jìn)行復(fù)制B.在這兩個過程中合成均為5`-3`方向C.復(fù)制的產(chǎn)物通常情況下大于轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物D.兩過程均需RNA引物E.DNA聚合酶和RNA聚合酶均需要Mg2+6.DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程有許多相同點,下列描述哪項是錯誤的747.關(guān)于啟動子的描述,哪一項是正確的?A.mRNA開始被翻譯的那段DNA序列B.開始轉(zhuǎn)錄生成mRNA的那段DNA順序C.RNA聚合酶最初與DNA結(jié)合的那段DNA順序D.開始生成的mRNA順序E.調(diào)節(jié)基因結(jié)合的部位7.關(guān)于啟動子的描述,哪一項是正確的?75

8.mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工不包括:A.5`端加入7-甲基鳥苷三磷酸B.3`端加polyAC.切除內(nèi)含子,連接外顯子D.堿基修飾E.加CCA尾8.mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工不包括:769.原核細(xì)胞RNA聚合酶由以下亞基組成:A.ααββˊB.ααββ`σC.ααβ`D.ααβE.αββ`9.原核細(xì)胞RNA聚合酶由以下亞基組成:7710．原核RNA聚合酶σ亞基A.是核心酶的一部分B.與抗生素利福平相結(jié)合C.被α-鵝膏蕈堿所抑制D.大多存在于轉(zhuǎn)錄的開始E.特異性識別啟動子位點10．原核RNA聚合酶σ亞基7811.下列有關(guān)真核生物初級轉(zhuǎn)錄物的論述是正確的，但除外A.通常比有功能的RNA長B.許多核苷酸序列不存在于有功能的RNA中C.全部不含有修飾的堿基D.可能含有一個以上的RNA信息E.含有TATA盒子11.下列有關(guān)真核生物初級轉(zhuǎn)錄物的論述是正確的，但除外7912.下列參與轉(zhuǎn)移RNA的加工，但除外，A.在5`末端加入甲基化的鳥苷B.從3`及5`端均出去多余的堿基C.核苷酸序列特異的堿基甲基化D.有時從反密碼環(huán)去掉內(nèi)含子E.通過核苷酸轉(zhuǎn)移酶的作用加入CCA順序12.下列參與轉(zhuǎn)移RNA的加工，但除外，80多選題多選題811.轉(zhuǎn)錄需要以下原料A.CTPB.UTPC.TTPD.ATPE.GTP1.轉(zhuǎn)錄需要以下原料82

2.轉(zhuǎn)錄的主要特點有A.不對稱轉(zhuǎn)錄B.半不連續(xù)轉(zhuǎn)錄C.不需要引物D.合成方向為5’到3‘E.真核細(xì)胞內(nèi)含子不轉(zhuǎn)錄2.轉(zhuǎn)錄的主要特點有83

3.參與轉(zhuǎn)錄的酶與蛋白因子有A.DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶（DDRP）B.RNA指導(dǎo)的RNA聚合酶（RDRP）C.引物酶D.RNA連接酶E.轉(zhuǎn)錄因子（TF）3.參與轉(zhuǎn)錄的酶與蛋白因子有84

4.抑制細(xì)菌RNA聚合酶的抗結(jié)核藥物有A.利福平B.利福霉素C.鏈霉素D.放線菌素DE.紅霉素4.抑制細(xì)菌RNA聚合酶的抗結(jié)核藥物有85

5.真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后加工過程有A.5’端加m7G帽B.3’端加多聚A尾C.去除內(nèi)含子D.去掉啟動子E.3’端加CCA5.真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后加工過程有86答案答案871.答案B

即僅用DNA雙鏈中某一條鏈作為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。有時是這條鏈的某區(qū)段，有時是另一條鏈的某區(qū)域具有模板作用。通常將模板鏈稱為有(意)義鏈，將其互補鏈稱為反(意)義鏈或編碼鏈。這種轉(zhuǎn)錄稱不對稱轉(zhuǎn)錄。2.答案DRNA聚合酶需要以四種核苷三磷酸（NTP），即ATP，GTP，UTP和CTP為原料。RNA的合成反應(yīng)是一個消耗能量的過程，釋放出焦磷酸驅(qū)動反應(yīng)的進(jìn)行。單選題1.答案B

單選題88

3.答案CRNA轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板，在DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶催化下進(jìn)行的。DNA位于細(xì)胞核內(nèi)，故真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細(xì)胞核內(nèi)。4.答案DDNA指導(dǎo)的RNA聚合酶（DNAdirectedRNApolymerase，DDRP）是RNA合成中最主要的酶類。5.答案DRNA轉(zhuǎn)錄物與DNA模板的堿基互補，而且方向相反，U取代T與A配對。DNA模板鏈為5’-ATTCAG-3’，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是:5’-CUGAAU-3’3.答案C896.答案DDNA復(fù)制需要引物，RNA轉(zhuǎn)錄不需要引物，故這兩個過程均需RNA引物是錯誤的。7.答案CRNA聚合酶最初與DNA結(jié)合的那段DNA順序為啟動子。啟動子（promoter）是DNA上的特殊的序列。8.答案EtRNA3’-末端的CCA順序是轉(zhuǎn)錄后加上去的。mRNA的3’末端是多聚A，而不包括加CCA尾。6.答案D909.答案B原核細(xì)胞RNA聚合酶由六種亞基構(gòu)成全酶（ααββ`ωσ），核心酶的組成為（α2ββ’ω

）10．答案E原核RNA聚合酶σ亞基參與識別DNA模板上特異的啟動子，它與核心酶一起結(jié)合到DNA模板的起始位置上。以NTP為原料，全酶催化合成RNA合成。當(dāng)RNA鏈延長到大約10核苷酸時，σ因子從全酶上脫離，參與另外一次循環(huán)。

9.答案B9111.答案ETATA盒子是位于DNA上啟動子區(qū)的特殊序列，它不是真核生物RNA初級轉(zhuǎn)錄物的組分。12.答案A轉(zhuǎn)移RNA的加工過程中5’末端要切除一些核苷酸，而不是在5`末端加入甲基化的鳥苷。只有在mRNA的加工中5’端加入甲基化的鳥苷。11.答案E92多選題答案1.答案A、B、D、E轉(zhuǎn)錄需要四種核苷三磷酸，即CTP，UTP，ATP和GTP。2.答案A、C、D轉(zhuǎn)錄的主要特點有不對稱轉(zhuǎn)錄，不需要引物，RNA合成的方向是5’到3’。3.答案A、E參與RNA轉(zhuǎn)錄的酶是DDRP，轉(zhuǎn)錄因子（TF）協(xié)助DDRP也參與轉(zhuǎn)錄過程。多選題答案1.答案A、B、D、E934.答案A、B抑制細(xì)菌RNA聚合酶的抗結(jié)核藥物有A.利福平B.利福霉素5.答案A、B、C真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后加工過程有A.5’端加m7G帽B.3’端加多聚A尾C.去除內(nèi)含子4.答案A、B94科學(xué)家的故事科學(xué)家的故事95斷裂基因的發(fā)現(xiàn)1977年，在冷泉港會議上，來自冷泉港實驗室的羅伯茨（RicharlJ.Roberts）和麻省理工學(xué)院癌癥研究中心的夏普（PilipA.sharp）報道了他們關(guān)于真核生物斷裂基因的發(fā)現(xiàn)。因為這一發(fā)現(xiàn)，他們分享了1993年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。斷裂基因的發(fā)現(xiàn)揭示了真核生物不同于原核生物。其次，這一過程體現(xiàn)了生物進(jìn)化中的自然選擇機制的美妙。第三，它成為生物研究的一個重要生長點。斷裂基因96英國科學(xué)家，因發(fā)現(xiàn)斷裂基因于1993年獲諾貝爾獎羅伯茨（RicharlJ.Roberts）1943年出生于英格蘭。1968年獲得生物化學(xué)博士學(xué)位。其后，他到美國哈佛大學(xué)做博士后。1972-1992年，他在冷泉港實驗室工作。他對腺病毒Ad2進(jìn)行了精細(xì)的研究。1974年，他們對這些片段進(jìn)行測序。其中有一個小片段包含Ad2mRNA的末端和一個啟動子。正是對這個包含啟動子片段的搜索，導(dǎo)致對RNA剪切及斷裂基因的發(fā)現(xiàn)。英國科學(xué)家，因發(fā)現(xiàn)斷裂基因于1993年獲諾貝爾獎羅伯茨（Ri97美國科學(xué)家，因發(fā)現(xiàn)mRNA的剪接于1993年獲諾貝爾獎夏普于（PilipA.sharp）1944年出生在美國肯塔基州。獲得伊利諾伊大學(xué)博士學(xué)位。他先后在加州理工學(xué)院的戴維森和冷泉港實驗室watson(沃森)手下做過博士后。1974年，他來到麻省理工學(xué)院的癌癥研究中心。他集中于腫瘤病毒的分子生物學(xué)和RNA剪接研究。夏暜關(guān)注腺病毒的基因表達(dá)過程。他想看看hnRNA和mRNA有什么不同。他利用DNA和RNA雜交的方法找到了二者的不同。他們發(fā)現(xiàn)hnRNA明顯長于mRNA.mRNA不能與DNA全部雜交。他們獲得了1993年諾貝爾獎。美國科學(xué)家，因發(fā)現(xiàn)mRNA的剪接于1993年獲諾貝爾獎夏普于98霍利1922年出生于美國。1942年，他以優(yōu)異成績畢業(yè)于伊利諾斯大學(xué)。1947年在康內(nèi)爾大學(xué)獲有機化學(xué)博士學(xué)位。1964年，他受聘于康內(nèi)爾大學(xué)生物化學(xué)和分子生物學(xué)教授。從1957年起，他的研究方向便集中精力在細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸的分析及其合成方面。為了深入研究tRNA在蛋白質(zhì)合成中的作用，1963年霍利從100磅酵母中提取出65克tRNA。利用各種分離技術(shù)，最終得到了高純度的酵母丙氨酸t(yī)RNA。并分析了全部化學(xué)結(jié)構(gòu)。為此，1968年，霍利獲得諾貝爾獎。二.轉(zhuǎn)移核糖核酸的發(fā)現(xiàn)霍利霍利1922年出生于美國。1942年，他以優(yōu)異成績畢業(yè)于伊利99

第十二章RNA生物合成（RNA

Biosynthesis）

大連醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室崔秀云

100本章要求：RNA聚合酶及轉(zhuǎn)錄的一般特點真核生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄過程：起始：（啟動子），延長，終止真核生物轉(zhuǎn)錄后的加工：剪切，填加及修飾原核生物的轉(zhuǎn)錄過程RNA的復(fù)制本章要求：101第一節(jié)RNA聚合酶及RNA轉(zhuǎn)錄的

一般特點

一、DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶

（DNAdirectedRNApolymerase，DDRP）是RNA合成中最主要的酶類,RNA聚合酶催化如下反應(yīng)：1.

雙鏈DNA中的一條鏈作為RNA合成的模板。2．四種核糖核苷三磷酸（即ATP、GTP、CTP和UTP）是該酶的底物。3．需要二價金屬離子，如Mg2+和Mn2+。n(NTP)pppN(pN)n-1+(n-1)PPi

DNARNA聚合酶第一節(jié)RNA聚合酶及RNA轉(zhuǎn)錄的

一般特點

一、DNA102圖12-1RNA鏈中3’,5’-磷酸二酯鍵的形成RNA的合成的方向為5’→3’；聚合反應(yīng)是通過核苷酸之間形成的3’,5’-磷酸二酯鍵，使核苷酸鏈延長，同時釋放出焦磷酸。圖12-1RNA鏈中3’,5’-磷酸二酯鍵的形成103表12-1真核生物RNA聚合酶的種類和性質(zhì)

種類I型II型III型線粒體分子量5.5×1056×1056×1056.4～6.8×104分布核仁核質(zhì)核質(zhì)線粒體轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物5.8S、mRNA前體tRNA前體線粒體RNA18S、snRNA5SrRNA28SrRNA前體對利福平敏感性不敏感不敏感不敏感敏感對鵝膏蕈堿的敏感性不敏感非常敏感敏感不敏感

表12-1真核生物RNA聚合酶的種類和性質(zhì)

種類104表12-2大腸桿菌RNA聚合酶組分及功能亞基每分子酶中功能所含數(shù)目α2控制轉(zhuǎn)錄的速度β1催化合成RNAβ’1催化合成RNAω1不清σ1辨認(rèn)起始點表12-2大腸桿菌RNA聚合酶組分及功能亞基每105二、RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制異同點RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制相同點：RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制的基本的化學(xué)反應(yīng)是相同的，在聚合酶的催化下，核苷酸之間形成磷酸二酯鍵，釋放出焦磷酸；核苷酸鏈的合成方向均為5’→3’；聚合反應(yīng)均需要DNA作模板。二、RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制異同點RNA轉(zhuǎn)錄與DNA106RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制不同點：1.RNA轉(zhuǎn)錄是不對稱的，即僅用DNA雙鏈中某一單鏈作為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，被作為模板的那條DNA單鏈稱模板鏈（templatestrand）。與模板鏈互補的DNA單鏈為編碼鏈(codingstrand)，即合成的RNA堿基序列與編碼鏈相同，僅是U替代了T。在特定的染色體中，有時基因的編碼序列可能位于另一條鏈中，這種現(xiàn)象稱不對稱轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄后DNA模板成分無改變。RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制不同點：107圖12-2RNA的不對稱轉(zhuǎn)錄圖12-2RNA的不對稱轉(zhuǎn)錄108RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制不同點：2.與DNA聚合酶不同，RNA聚合酶不需要引物，可利用NTP作底物直接合成RNA。3.RNA聚合酶沒有核酸酶的活性，即沒有3’到5’外切酶的活性，也沒有5’到3’外切酶的活性，因此，在RNA合成過程不起較對作用。4.對于一個基因組來講，轉(zhuǎn)錄只發(fā)生在一部分基因，而且每一個基因的轉(zhuǎn)錄都受到相對獨立的控制。5.RNA合成后需要加工才能成為有功能的RNA。RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制不同點：109真核生物轉(zhuǎn)錄過程除了RNA聚合酶參加外，還需要一些蛋白質(zhì)因子參與，這些因子能結(jié)合到DNA的特殊序列并且與RNA聚合酶結(jié)合，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。一類通用轉(zhuǎn)錄因子（generaltranscriptionfactors，TF）分別能夠與不同的RNA聚合酶結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體。第二節(jié)真核生物的轉(zhuǎn)錄過程

真核生物轉(zhuǎn)錄過程除了RNA聚合酶參加外，還需要一些蛋白質(zhì)因子110通用轉(zhuǎn)錄因子分類

根據(jù)RNA聚合酶的分類，TF分為三類。I型轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactorI，TFl）能夠促進(jìn)RNA聚合酶l轉(zhuǎn)錄。

Il型轉(zhuǎn)錄因子（TFll）促進(jìn)RNA聚合酶ll轉(zhuǎn)錄.包括TFIIA，B，D，E，F(xiàn)，H等。III型轉(zhuǎn)錄因子（TFIII）促進(jìn)RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄過程可分為三個階段：起始、延長和終止。

通用轉(zhuǎn)錄因子分類

根據(jù)RNA聚合酶的分類，TF分為三類。111mRNA的合成是在核內(nèi)由RNA聚合酶Ⅱ催化的。酵母RNA聚合酶Ⅱ由12個亞基組成。其中最大亞基的羧基末端結(jié)構(gòu)域（carboxyl-terminaldomain,CTD），富含絲氨酸殘基。CTD的磷酸化和去磷酸化對酶的活性有重要影響。去磷酸化的CTD在轉(zhuǎn)錄的起始中作用，在轉(zhuǎn)錄延長過程中CTD的絲氨酸殘基被磷酸化。mRNA的合成還需要有一系列轉(zhuǎn)錄因子Ⅱ（TFⅡ）參加。一、mRNA的合成mRNA的合成是在核內(nèi)由RNA聚合酶Ⅱ催化的。酵母RNA聚合112（一）起始階段（initiation）

1.啟動子（promoter）是DNA上的特殊的序列，它包括一些保守順序，其中最重要的順序稱TATA(box)盒子。RNA聚合酶和一些轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合此部位。

（一）起始階段（initiation）113

二類啟動子圖12-3真核RNA聚合酶II識別的的啟動子基序轉(zhuǎn)錄起始點以“+1”表示，在其上游的核苷酸序列以“”表示。啟動子區(qū)框內(nèi)表示與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的共有順序。BRE為TFⅡB識別元件，Y表示C或T。二類啟動子圖12-3真核RNA聚合酶II識別的的啟114

2．轉(zhuǎn)錄因子II及轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的形成mRNA的合成是在核內(nèi)由RNA聚合酶II催化的，有一系列轉(zhuǎn)錄因子II（TFII）參加。2．轉(zhuǎn)錄因子II及轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的形成115生物化學(xué)第十二章RNA的生物合成課件116圖12-4mRNA轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物RNA聚合酶Ⅱ與其轉(zhuǎn)錄因子組成轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物。按其組成的結(jié)合順序排列為：TFⅡDABF-PolEH（Pol代表RNA聚合酶Ⅱ）。覆蓋DNA模板大約70bp.圖12-4mRNA轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合117第一個磷酸二酯鍵的形成：此附近DNA雙鏈被RNA聚合酶解開約17個堿基對，形成一個轉(zhuǎn)錄泡（由閉合復(fù)合物轉(zhuǎn)變成開放復(fù)合物）。根據(jù)DNA模板鏈上核苷酸的序列，以NTP為原料，按堿基互補原則在RNA聚合酶催化下，形成第一個3’,5’-磷酸二酯鍵。頭一個核苷酸多為嘌呤核苷酸A或G。第一個磷酸二酯鍵的形成：118（二）RNA鏈的延長RNA聚合酶沿著DNA模板從5’→3’方向移動并不斷的解開DNA雙鏈，同時與DNA模板鏈序列相互補的核苷酸逐一地進(jìn)入反應(yīng)體系，RNA聚合酶II的CTD被轉(zhuǎn)錄延長因子（TEFb）進(jìn)一步磷酸化，增強了聚合酶的活性。如此，合成的RNA逐漸延長（elongation）（圖12-5）。RNA鏈延長時，新合成的部分暫時與模板DNA形成一段RNA-DNA雜合雙螺旋；隨著RNA鏈的延伸，RNA從RNA-DNA雙螺旋解開。DNA雙螺旋的解旋及重新恢復(fù)雙螺旋是在DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用下進(jìn)行的。TFIIE和TFIIH對于RNA鏈的延長不是必需的，它們從延長的復(fù)合物上解離下來，TBP和TFIIB保留在啟動子上。（二）RNA鏈的延長119圖12-5RNA鏈的延長圖12-5RNA鏈的延長120RNA鏈的延長過程A．RNA聚合酶II在轉(zhuǎn)錄因子的輔助下，將雙鏈DNA解開一段，形成轉(zhuǎn)錄泡。在聚合酶的作用下以NTP為底物，與模板鏈的堿基互補開始合成RNA。B.復(fù)制泡擴大，RNA聚合酶II繼續(xù)合成RNA，以U替代T，A-U、C-G配對。C.隨著RNA鏈的延長，RNA聚合酶沿著模板鏈不斷滑動，在DNA拓樸異構(gòu)酶的作用下，下游不斷解鏈，上游不斷恢復(fù)雙鏈，轉(zhuǎn)錄泡不斷向下游移動，保持約17bp大小，直到遇到終止信號合成則停止。DNA雙螺旋重新形成。RNA鏈的延長過程121（三）轉(zhuǎn)錄的終止RNA聚合酶Ⅱ參與整個轉(zhuǎn)錄過程，直到出現(xiàn)多聚腺苷酸化信號為止。這個信號順序是保守序列AAUAAA和其下游富含GU的序列。這些序列稱為轉(zhuǎn)錄終止的剪切信號序列（cleavagesignalsequence）。具體的剪切點位于AAUAAA下游10～30核苷酸處，距GU序列20～40核苷酸。剪切信號序列可被核酸內(nèi)切酶、多聚腺苷酸聚合酶等所識別和結(jié)合，并切斷此初級轉(zhuǎn)錄物。RNA聚合酶Ⅱ被釋放，剪切點下游被RNA聚合酶Ⅱ合成的多余RNA片段被水解。（三）轉(zhuǎn)錄的終止122

圖12-6mRNA轉(zhuǎn)錄的終止RNA聚合酶Ⅱ參與整個轉(zhuǎn)錄過程，并可超越轉(zhuǎn)錄終止的剪切信號序列。剪切信號序列可被核酸內(nèi)切酶等識別，并在剪切點切斷mRNA前體。圖12-6mRNA轉(zhuǎn)錄的終止123二.rRNA的合成

rRNA基因位于染色體的特殊區(qū)域稱

核仁組織者（nucleolarorganizer）。rRNA基因?qū)儆谥貜?fù)序列，每個重復(fù)序列都作為一個轉(zhuǎn)錄單位。每一個轉(zhuǎn)錄單位包括28S，5.8S及18SrRNA。RNA聚合酶I及轉(zhuǎn)錄因子I（TFI）識別位于非轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)上的啟動子序列。二.rRNA的合成rRNA基因位于染色體124

圖12-7rRNA基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)人類rRNA基因啟動子屬第一類啟動子，由兩個元件組成，一個是核心元件，此元件包括轉(zhuǎn)錄起始點，存在富含AT的保守序列，為轉(zhuǎn)錄所必須；另一個為上游啟動子元件，從－107開始，約50bp長，此元件的作用是增強轉(zhuǎn)錄效率

一類啟動子

圖12-7rRNA基因轉(zhuǎn)錄125合成rRNA的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物比較簡單，由啟動子、RNA聚合酶Ⅰ和兩個TFⅠ組成。一種TFⅠ是核心結(jié)合因子，稱TFⅠB，（人類是SLⅠ），具有募集RNA聚合酶Ⅰ到啟動子上的作用。另一種是上游結(jié)合因子（UBF），與啟動子的上游起始元件（upstreampromoterelement,UPE）結(jié)合，協(xié)助TFⅠB組裝到啟動子上。rRNA的轉(zhuǎn)錄過程與mRNA相似。rRNA的合成合成rRNA的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物比較簡單，由啟動子、RNA聚合126核糖體的合成是細(xì)胞生長的限速因素。rRNA的轉(zhuǎn)錄可以非常迅速，RNA聚合酶I的磷酸化可以特別激活rRNA迅速的轉(zhuǎn)錄，例如在胚胎生長及肝的再生過程中。當(dāng)生長不太迅速時，僅有一些rDNA重復(fù)序列被用于轉(zhuǎn)錄。核糖體的合成則減少。

核糖體的合成是細(xì)胞生長的限速因素。rRNA的轉(zhuǎn)錄可以非常迅速127三．5SRNA和tRNA的合成

5SrRNA和tRNA基因的啟動子位于被轉(zhuǎn)錄的序列之中，稱內(nèi)啟動子。所有的tRNA基因都有兩個內(nèi)啟動子元件（圖12-8）。5SrRNA合成的啟動子與tRNA的相似，兩個TF與RNA聚合酶Ⅲ的結(jié)合順序也相同。三．5SRNA和tRNA的合成5SrRNA和t128圖12-8tRNA基因的內(nèi)啟動子及RNA聚合酶III與其轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子IIIC（TFIIIC）首先與啟動子的A和B框結(jié)合，然后TFIIIC與TFIIIB結(jié)合，最后RNA聚合酶III與TFIII因子結(jié)合，并啟動轉(zhuǎn)錄。

三類啟動子圖12-8tRNA基因的內(nèi)啟動子及RNA聚129第三節(jié)真核生物RNA轉(zhuǎn)錄后的加工幾乎所有真核生物RNA轉(zhuǎn)錄的初級產(chǎn)物都需經(jīng)過一系列變化后才能生成具有生物活性的RNA分子。這一系列變化過程稱為轉(zhuǎn)錄后的RNA加工(RNAprocessing)。加工過程包括核苷酸部分水解、連接反應(yīng)、末端核苷酸“戴帽”、“接尾”，以及核苷的修飾。第三節(jié)真核生物RNA轉(zhuǎn)錄后的加工幾乎所有真核生物RNA轉(zhuǎn)錄130一、信使RNA的加工

（一）mRNA前體通過剪接去除內(nèi)含子真核生物mRNA的前體是核不均一RNA（heterogenousnuclearRNA,hnRNA），其核苷酸順序有一些不出現(xiàn)在成熟的mRNA中。此部分在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工過程中被切除。被切除的部分稱為內(nèi)含子（intron）。內(nèi)含子是不編碼蛋白質(zhì)的核苷酸序列。末被切除的部分稱外顯子(exon)，是編碼蛋白質(zhì)的部分序列。由于內(nèi)含子是插入外顯子之間，故內(nèi)含子又稱插入序列(interveningsequences)。

一、信使RNA的加工（一）mRNA131真核生物內(nèi)含子堿基序列的共同特點是開始于GU，結(jié)束于AG，分別稱5’剪接供體和3’剪接受體。位于3’剪接部位上游20-50個堿基處有分支點A。hnRNA中的內(nèi)含子稱為剪接體內(nèi)含子，這些內(nèi)含子的切除是由稱作剪接體（spliceosome）的蛋白復(fù)合物催化的。snRNP是一種特異的RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，含有多種小核RNA（smallnuclearRNA,snRNA）。snRNA的長度約100-200個核苷酸。各種snRNA因富含尿嘧啶（U）而被命名為U1、U2、U4、U5、U6等。snRNA參與剪接。剪切后的幾個外顯子片段拼接起來形成一個完整的mRNA(圖12-9，12-10)。切除的內(nèi)含子很快被降解。真核生物內(nèi)含子堿基序列的共同特點是開始于GU，結(jié)束于AG，分132

圖12-9mRNA的拼接體

一些小核核蛋白（snRNP）與RNA前體形成拼接體（spliceosome）。U1RNA和U2RNA分別為snRNP的組份。U1RNA的核苷酸序列與mRNA前體內(nèi)含子中的GU順序（稱連接供體位點）相配對，U2RNA識別內(nèi)含子3’端連接受體位點。拼接體利用ATP供能，除去內(nèi)含子。圖12-9133圖12-10mRNA前體內(nèi)含子套環(huán)式剪接機制圖12-10mRNA前體內(nèi)含子套環(huán)式剪接機134mRNA前體內(nèi)含子套索式剪接機制：hnRNA內(nèi)含子剪接分兩步轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)。第一步，位于內(nèi)含子分支點的腺嘌呤核苷酸2’-OH親核攻擊連在外顯子1上的磷酸二酯鍵，使內(nèi)含子與外顯子1之間的鍵斷裂。生成游離的外顯子1和套索狀的內(nèi)含子-外顯子2中間物（內(nèi)含子5’端G與分支點的A以2’,5’-磷酸二酯鍵相連）。第二步，外顯子1游離的3’-OH親核攻擊連在內(nèi)含子和外顯子2之間的磷酸二酯鍵，將內(nèi)含子以套環(huán)形式被切除，兩個外顯子連接在一起。mRNA前體內(nèi)含子套索式剪接機制：135圖12-11原肌球蛋白mRNA前體及不同的剪接方式圖12-11原肌球蛋白mRNA前體及不同的剪136剪接位點的突變也能引起拼接錯誤，導(dǎo)致翻譯后的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能的改變。如β-地中海貧血（β-thalassemia）。這是由于內(nèi)含子剪接點的GU中的G突變成A，剪接體不能識別此序列，導(dǎo)致β-珠蛋白異常，由此產(chǎn)生貧血。剪接位點的突變也能引起拼接錯誤，導(dǎo)致翻譯后的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能137

圖12-12mRNA5’帽端的結(jié)構(gòu)5‘端第一個核苷酸是7-甲基鳥嘌呤核苷三磷酸,第二個和第三個核苷酸的核糖2’羥基甲基化。（二）mRNA前體在5’末端加入“帽”結(jié)構(gòu)圖12-12mRNA138加帽（capping）是一個多步過程，加帽過程需要兩種酶參與，即由加帽酶（cappingenzyme）和甲基轉(zhuǎn)移酶(methyltransferase)催化生成7-甲基鳥嘌呤核苷的帽結(jié)構(gòu)。其過程首先是將GTP與mRNA的5’末端三磷酸縮合，然后此鳥嘌呤N-7甲基化。此外，mRNA的第一和第二位核苷酸2’-OH也常常被甲基化（圖12-12）。5’帽結(jié)構(gòu)可以使mRNA免遭核酸酶的水解，它幫助mRNA通過核膜孔進(jìn)入胞漿，它也能與帽結(jié)合蛋白質(zhì)復(fù)合體結(jié)合，并參與和核糖體的結(jié)合，啟動蛋白質(zhì)的生物合成。加帽（capping）是一個多步過程，加帽過程需要兩種酶參與139（三）mRNA前體在3’末端多聚腺苷酸化mRNA前體首先在AAUAAA信號下游大約10~30個核苷酸處的剪切點處被切斷。然后在多聚腺苷酸聚合酶（poly（A）polymerase）的催化下，逐一加入腺苷酸。多聚腺苷酸聚合酶催化的反應(yīng)無需DNA模板。RNA+nATP→RNA-(AMP)n+nPPi(n=80～250)mRNA的polyA尾是一些特異蛋白質(zhì)的結(jié)合部位，能增加mRNA的穩(wěn)定性，可以避免3’-核酸外切酶的水解。polyA與polyA結(jié)合蛋白結(jié)合有助于蛋白質(zhì)生物合成（見第十三章）。（三）mRNA前體在3’末端多聚腺苷酸化140（四）mRNA前體的修飾和編輯

所謂修飾包括mRNA分子核糖上2’-羥基的甲基化反應(yīng)和嘌呤堿的甲基化反應(yīng)。

所謂編輯是指在轉(zhuǎn)錄后對mRNA序列中的堿基進(jìn)行變換的過程。

（四）mRNA前體的修飾和編輯141圖12-13載脂蛋白BmRNA的編輯加工圖12-13載脂蛋白BmRNA的編輯加工142圖12-14mRNA的加工過程示意圖圖12-14mRNA的加工過程示意圖143二、核糖體RNA的加工在哺乳動物細(xì)胞的核仁內(nèi)，三種rRNA的合成過程均先形成45S的共同前體。然后，該前體再斷裂成相應(yīng)的rRNA。圖12-15rRNA前體的轉(zhuǎn)換二、核糖體RNA的加工圖12-15rRNA前體的轉(zhuǎn)換144rRNA前體的加工是由多亞基的核蛋白復(fù)合物來完成的（圖12-16）。真核細(xì)胞的5SRNA基因與其它rRNA基因相分開。轉(zhuǎn)錄后經(jīng)過適當(dāng)?shù)募庸ぃ?8S、5.8S與相關(guān)的蛋白質(zhì)一起組成核糖體的大亞基。18S則是小亞基的成分。rRNA的成熟過程中也包括堿基的甲基化修飾和部分核糖的2’-OH甲基化反應(yīng)。甲基的供體是S-腺苷蛋氨酸。rRNA前體的加工是由多亞基的核蛋白復(fù)合物來完成的（圖12-145

圖12-16rRNA的加工過程rRNA的初級轉(zhuǎn)錄物是45S前rRNA,經(jīng)過一系列剪接、修飾，最后成為三種rRNA圖12-16rRNA的加工146三、轉(zhuǎn)移RNA的加工tRNA前身物通常包括一個以上tRNA，通過核酸水解加工過程將它們分開。成熟的tRNA比初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物核苷酸數(shù)目少。加工過程包括插入順序的去除和相當(dāng)于外顯子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的拼接。tRNA3’-末端的CCA順序也是轉(zhuǎn)錄后加上去的。一些稀有堿基的修飾也在核內(nèi)進(jìn)行（圖12-17）。三、轉(zhuǎn)移RNA的加工tRNA前身物通常包括一個以上tR147圖12-17tRNA的加工過程圖12-17tRNA的加工過程148.原核生物RNA聚合酶是多亞基的酶。從大腸桿菌提取的RNA聚合酶有六個亞基組成，分子量為500KD。兩個α亞基，一個β亞基，一個β’及ω亞基組成核心酶（coreenzyme），核心酶（α2ββ’ω

）能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，但是沒有RNA合成的特異性。第六個蛋白質(zhì)亞基稱σ因子，這六種亞基構(gòu)成全酶（holoenzyme）,在體內(nèi)及體外只有全酶才能特異的合成RNA。σ因子參與識別特異的啟動子。原核生物RNA聚合酶能被利福平（rifampicin）所抑制。利福平與β亞基相結(jié)合，從而抑制酶的活性。第四節(jié)原核生物的轉(zhuǎn)錄.原核生物RNA聚合酶是多亞基的酶。從大腸桿菌提取的RNA聚149圖12-18原核生物RNA聚合酶全酶的組成（α2ββ’ω

σ

）圖12-18原核生物RNA聚合酶全酶的組成150一、原核生物RNA轉(zhuǎn)錄的起始圖12-19RNA聚合酶（含70）可識別的大腸桿菌的典型啟動子一、原核生物RNA轉(zhuǎn)錄的起始圖12-19RNA聚合酶（含