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第 八 章

RNA 的生物合成（转录）

RNA Biosynthesis, Transcription

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论述题

全面讨论复制与转录的异同试述转录后加工

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转录 (transcription)

生物体以 DNA 为模板合成 RNA 的过程 。

转录

RNADNA

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复制和转录的区别

A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对

mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA

（半保留复制）产物

RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶

NTPdNTP原料

模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板

转录复制

A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对

mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA

（半保留复制）产物

RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶

NTPdNTP原料

模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板

转录复制

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参与转录的物质

原料 : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP)

模板 : DNA

酶 : RNA 聚合酶 (RNA polymerase, RNA-pol)

其他蛋白质因子

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模板和酶Templates and Enzymes

第一节

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一、转录模板

• DNA 分子上转录出 RNA 的区段，称为结构基因(structural gene) 。

• DNA 双 链 中 按 碱 基 配 对 规 律 能 指 引 转 录 生 成RNA 的一股单链，称为模板链 (template strand) ，也 称 作 反 义 链 。 相 对 的 另 一 股 单 链 是 编 码 链(coding strand) ，也称为有意义链。

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5′···GCAGTACATGTC ···3′

3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′

5′···GCAGUACAUGUC ···3′

N······Ala · Val · His · Val ······C

编码链模板链

mRNA

蛋白质

转录

翻译

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5

3

3

5

模板链编码链编码链模板链

结构基因

转录方向

转录方向

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不对称转录 (asymmetric transcription)

• 在 DNA 分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录 ；

• 模板链并非永远在同一条单链上。

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二、 RNA 聚合酶

（一）原核生物的 RNA 聚合酶

36512 决定哪些基因被转录

150618 催化功能

155613 结合DNA模板

70263 辨认起始点

亚基 分子量 功 能

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核心酶 (core enzyme)

全酶 (holoenzyme)

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RNA 聚合酶全酶在转录起始区的结合

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（二）真核生物的 RNA 聚合酶

种类 Ⅰ Ⅱ Ⅲ

对鹅膏蕈碱的反应

45S-rRNA hnRNA 5S-rRNA

tRNA

snRNA

耐受 极敏感 中度敏感

转录产物

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三、模板上酶的辨认、结合

原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子 (operon) ，包括若干个结构基因及其上游 (upstream) 的调控序列。

53

35

结构基因调控序列

RNA-pol

RNA 聚合酶结合模板 DNA 的部位，称为启动子 (promoter) 。

RNA 聚合酶保护法

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开始转录

T T G A C AA A C T G T

-35 区

(Pribnow box)

T A T A A T Pu A T A T T A Py

-10 区

1-30-50 10-10-40 -205

3

3

5

原核生物启动子保守序列

RNA-pol 辨认位点(recognition site)

55

RNA 聚合酶保护区 结构基因

33

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TATA 盒

CAAT 盒

GC 盒

增强子

顺式作用元件 结构基因

-GCGC---CAAT---TATA

转录起始

真核生物启动子保守序列

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转录过程The Process of Transcription

第二节

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（一）转录起始

转录起始需解决两个问题：

1. RNA 聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。

2. 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

2. DNA 双链解开

1. RNA 聚合酶全酶 (2) 与模板结合

3. 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

转录起始过程

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（二）转录延长

1. 亚基脱落， RNA–pol 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。

(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi

转录空泡 (transcription bubble) ：

RNA-pol （核心酶） ···· DNA ···· RNA

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目录

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53

DNA

原核生物转录过程中的羽毛状现象

核糖体

RNA

RNA 聚合酶

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• 依赖 Rho (ρ) 因子的转录终止• 非依赖 Rho 因子的转录终止

（三）转录终止

指 RNA 聚合酶在 DNA 模板上停顿下来不再前进，转录产物 RNA 链从转录复合物上脱落下来。

分类

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A T P

1. 依赖 Rho 因子的转录终止

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2. 非依赖 Rho 因子的转录终止

DNA 模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出 RNA 后， RNA 产物形成特殊的结构来终止转录。

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5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3` 5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3`

RNA

5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT... 3 DNA

UUUU...…

UUUU...…

5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3`

茎环 (stem-loop)/ 发夹 (hairpin) 结构

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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。

5´pppG

5 3

35

RNA-pol

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二、真核生物的转录起始

（一）转录起始

真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时， RNA-pol 不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。

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转录起始点

TATA 盒

CAAT 盒

GC 盒

增强子

顺式作用元件 (cis-acting element)

1. 转录起始前的上游区段

AATAAA

切离加尾

转录终止点

修饰点

外显子 翻译起始点

内含子

OCT-1

OCT-1： ATTTGCAT 八聚体

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2. 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，现已发现数百种，统称为反式作用因子 (trans-acting factors) 。

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 (transcriptional

factors, TF) 。

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参与 RNA-polⅡ 转录的 TFⅡ

蛋白激酶活性，使CTD磷酸化

TFⅡ H

ATPase57（） 34（）TFⅡ E

解螺旋酶30，74TFⅡ F

促进RNA-polⅡ 结合及作为其他因子结合的桥梁

33TFⅡ B

稳定TFⅡ D-DNA复合物12，19，35TFⅡ A

辅助TBP-DNA结合TAF**

结合TATA盒TBP* 38TFⅡ D

功 能亚基组成，分子量(kD)转录因子

蛋白激酶活性，使CTD磷酸化

TFⅡ H

ATPase57（） 34（）TFⅡ E

解螺旋酶30，74TFⅡ F

促进RNA-polⅡ 结合及作为其他因子结合的桥梁

33TFⅡ B

稳定TFⅡ D-DNA复合物12，19，35TFⅡ A

辅助TBP-DNA结合TAF**

结合TATA盒TBP* 38TFⅡ D

功 能亚基组成，分子量(kD)转录因子

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3. 转录起始前复合物(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。

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POL-ⅡTF FⅡ

ⅡA

ⅡB

由 RNA-Pol Ⅱ 催化转录的 PIC

POL-ⅡTF FⅡ ⅡH ⅡE

TBP TAF

TF D- A- B-DNAⅡ Ⅱ Ⅱ 复合物

TATA

ⅡA

ⅡBTBP TAF

TATA

ⅡHⅡE

CTD- P

PIC 组装完成， TF HⅡ 使 CTD 磷酸化

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4. 模板理论 (piecing theory)

一个真核生物基因的转录需要 3至 5 个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与 RNA 聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。

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（二）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。

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RNA-Pol

RNA-Pol

RNA-Pol

核小体转录延长中的核小体移位

转录方向

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5------AAUAAA-

5 ------AAUAAA--

核酸酶-GUGUGUG

RNA-polAATAAA GTGTGTG

转录终止的修饰点5

5

33

3 加尾AAAAAAA······ 3 mRNA

（三）转录终止—— 和转录后修饰密切相关。

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真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification

第三节

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几种主要的修饰方式

1. 剪接 (splicing) 2. 剪切 (cleavage)

3. 修饰 (modification) 4. 添加 (addition)

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一、真核生物 mRNA 的转录后加工

（一）首、尾的修饰

• 5端形成 帽子结构 (m7GpppGp —)

• 3端加上多聚腺苷酸尾巴 (poly A tail)

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帽子结构

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5 pppGp…

5 GpppGp…

pppG

ppi

鸟苷酸转移酶

5 m7GpppGp…

甲基转移酶SAM

帽子结构的生成

5 ppGp…磷酸酶

Pi

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（二） mRNA 的剪接

1. hnRNA 和 snRNA

• 核内的初级mRNA 称为杂化核 RNA (hetero-

nuclear RNA, hnRNA)

• snRNA (small nuclear RNA)

核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体

（并接体 , splicesome ）snRNA

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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。

断裂基因 (splite gene)

CA B D

编码区 A、 B、 C、 D

非编码区

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2. 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。

• 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。

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

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鸡卵清蛋白成熟mRNA与 DNA 杂交电镜图

DNA

mRNA

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3. 内含子的分类 根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含

子分为 4 类。 I ：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等

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 ； 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 。

4. mRNA 的剪接—— 除去 hnRNA 中的内含子，将外显子连接。•snRNP与 hnRNA 结合成为并接体

①

目录

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②

③

UACUACA - AG

UG

U4

U5

U6

E1

E2

U1 U2

UACUACA - AG

UGU6

E1

E2

U1、 U4、 U5

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pG-OH(ppG-OH, pppG-OH)

U-OH

GpUpGpA

第一次转酯反应

第二次转酯反应

UpA GpU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 (twice transesterification)

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• 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) 。

5. mRNA 的编辑 (mRNA editing)

人类 apo B 基因

mRNA（ 14500 个核苷酸）

肝脏apo B100

（分子量为 500 000 ）

肠道细胞apo B48

（分子量为 240 000 ）

mRNA 编辑

二、 tRNA 的转录后加工

tRNA 前体

RNA pol Ⅲ

TGGCNNAGTGC GGTTCGANNCC

DNA

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RNAaseP 、内切酶

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tRNA 核苷酸转移酶、连接酶

ATP

ADP

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碱基修饰

（ 2 ）还原反应 如： U DHU

（ 3 ）核苷内的转位反应 如： U ψ

（ 4 ）脱氨反应 如： A I

如： A Am

（ 1 ）甲基化（ 1 ）

（ 1 ）

（ 3 ）

（ 2 ）

（ 4 ）

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三、 rRNA 的转录后加工

转录45S - rRNA

剪接

18S - rRNA 5.8S和 28S-rRNA

rDNA

内含子 内含子 28S5.8S18S

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四、核 酶

具有酶促活性的 RNA 称为核酶。

核酶 (ribozyme)

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四膜虫 rRNA 内含子的二级结构

四膜虫 rRNA 的剪接采用自我剪接方式

5´-端核苷酸序列

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•最简单的核酶二级结构——槌头状结构(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

•除 rRNA 外， tRNA、mRNA 的加工也可采用自我剪接方式。

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•核酶研究的意义

• 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 。

人工设计的核酶

•粗线表示合成的核酸分子•细线表示天然的核酸分子• X 表示一致性序列•箭头表示切断点

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