第十二章 RNA 的生物合成（转录）

1. 第十二章 RNA的生物合成（转录） 1/50

2. 中心法则（The central dogma）: 转录 翻译 复制 RNA DNA 蛋白质 逆转录 翻译 蛋白质 （病毒） 复制 RNA （病毒） 2/50

3. DNA复制与转录的比较 性 质 复 制 转 录 以DNA为模板 遵循碱基配对原则 都需依赖DNA的聚合酶 聚合过程都是生成磷酸二酯键 新链合成方向为5’→3’ 相同点 模 板 两股链均复制 模板链转录 合成方式 半保留复制 不对称转录 原 料dNTP NTP 聚合酶DNA聚合酶 RNA聚合酶 碱基配对A-T，G-C A-U，T-A，G-C 产 物 半保留的双链DNA 单链RNA 不同点 3/50

4. 第一节 模板和酶 一、 转录模板 1 结构基因(structural gene): 能转录出RNA的 DNA区段。 2 不对称转录(asymmetric transcription): DNA的一些区段可以转录出RNA，另一些不能转录出RNA。 在DNA双链上，一股链可转录，另一股链不转录；转录区不总是在同一单链上。 4/50

5. 3. 为模板链，也称有意义链或Watson链 4. 为编码链，也称反义链或Crick链 5’ 3’ 5’ 3’ 1. 箭头示转录产物及转录方向 2. 方框内的DNA区段为结构基因 5/50

6. 编码链 5’…G C A G T A C A T G T C…3’ 3’…c g t c a t g t a c a g…5’ DNA 模板链 转录 5’…G C A G U A C A U G U C…3’ mRNA 翻译 多肽链 N… Ala Val His Val …C 6/50

7. 二、RNA聚合酶 RNA聚合酶(RNA pol)也称转录酶（transcriptase)，全称依赖DNA的RNA聚合酶(DDRP)。 原核生物（E . Coli）RNA pol由 α2ββ′ σ共5 个亚基组成。 α2ββ′σ α2ββ′ + σ σ亚基 全酶 holoenzyme 核心酶 core enzyme 7/50

8. （一）原核生物的RNA聚合酶 表12-2 大肠杆菌RNA聚合酶亚基的功能 类型 主 要 功 能 α决定哪些基因被转录 β聚合功能 被利福平抑制 β′ 解链 σ识别转录起始点 8/50

9. -10 β’ α α β σ σ 70 32 TATAAT σ TTGACA -35 Heat shock protein (HSP) 应激 热休克蛋白 图 12-3 原核生物的RNA聚合酶及其在 转录起始区的结合 9/50

10. （二）真核生物的RNA聚合酶 表 12-3 真核生物RNA pol的种类与功能 种类 转录产物 对鹅膏蕈碱的敏感性 45S rRNA 不敏感 RNA polⅠ hnRNA和snRNA 极敏感 RNA polⅡ RNA polⅢ tRNA和5S-rRNA 中度敏感 45S是5.8S 、 18S和28S rRNA的前体 hnRNA是mRNA的前体 10/50

11. 三、模板与酶的辨认结合 操纵子（operon）:原核生物的转录单位 操纵子（operon） 调控序列 结构基因 I P O S1 S2 S3 ? 启动子 Promoter 表达功能蛋白 结合RNA聚合酶 11/50

12. RNA聚合酶保护区 +1 终止点 结构基因 翻译开始 转录开始 -35 -10 10 Purine TTGACA TATAAT （Pribnow box） 转录起始区 辨认结合区 12/50

13. 第二节 转录过程 起始 延长 终止 13/50

14. 启动子 结构基因 终止区 GpN pppG pppG 转录空泡 RNA pol识别结合 也称转录复合物，是RNA聚合酶的核心酶，DNA模板和转录产物RNA结合在一起的复合物。 生成起始复合物 转录延长 转录终止 14/50

15. β ′ β α α RNA 图 12-8 原核生物的转录空泡(transcription bubble) 15/50

16. （一）原核生物的转录起始 （结合松弛） σ亚基辨认-35区 RNA pol 全酶移向-10区 （结合紧密） 5’-pppGpN-OH-3’ 合成第一个磷酸二酯键 σ亚基脱落 转录起始复合物 RNA pol(αββ′σ ) —DNA—pppGpN-OH 转录起始不需引物！ 16/50

17. (二）真核生物的转录起始 转录起始点上游多数有共同的5’-TATA序列，称为Hogness盒或TATA盒。 不同物种、不同细胞、不同的基因，可以有不同的上游DNA序列，但都可统称为顺式作用元件(cis-acting element)。 与基因表达调控有关的DNA非编码序列，统称为顺式作用元件。 17/50

18. GCGC-CAAT-TATA-ATG AATAAA 切离加尾 修饰点 内含子 真正转录终止点 外显子 翻译起始 翻译终止 转录起始 TATA盒(Hogness box) CAAT盒 GC盒 增强子 图 12-9 真核生物RNA pol Ⅱ转录的基因 18/50

19. 反式作用因子(trans-acting factor) 能直接或间接辨认、结合顺式作用元件，从而调节基因表达的一类蛋白质因子。 转录因子(transcriptional factor, TF) 反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的蛋白质因子。 拼板理论 Piecing theory 19/50

20. 表12-4 参与RNA-pol Ⅱ转录的TFⅡ 功 能 转录因子 TF ⅡD 辨认TATA盒 TF ⅡA 稳定TF ⅡD结合 TF ⅡB 促进pol Ⅱ结合 TF ⅡF 解旋酶 TF ⅡE ATPase 20/50

21. 真核生物的转录起始: 起始前复合物（PIC）的生成 TFⅡB RNA polyⅡ/TFⅡF TFⅡE TFⅡD TF ⅡA TATA PIC F D A B E TATA DNA RNA polyⅡ 起始前复合物 （Pre-Initiation Complex，PIC） 21/50

22. RNA RNA pol 二、转录延长 转录复合物：酶-DNA-RNA：转录空泡 G-C > A-T > A-U 22/50

23. 多个转录同时进行 • 原核生物转录延长与蛋白质合成同 时进行 23/50

24. 三、转录终止 （一）原核生物的转录终止 1. 依赖ρ因子的转录终止 2. 不依赖ρ因子的转录终止 功能 1. 识别结合富含C的RNA链 2. ATPase活性 3. 解螺旋酶活性 ρ因子 24/50

25. Polymerase 3′ 5′ +ATP 富含C ρ因子 25/50

26. 3′ 5′ DNA pol RNA pol失活 ρ因子解螺旋，使RNA脱落 26/50

27. 2. 不依赖ρ因子的转录终止 RNA转录后，形成特殊的结构，以终止转录。 特点： 1. RNA单链内部接近终止区域有富含G-C配对区，形成稳定的二级结构。 茎环（stemloop）或发夹（hairpin）结构 2. 在发夹结构的下游有poly U结构。 27/50

28. 5’ 3’ UUGCAGCCUGAGAAAUCAGGCUGAUGG… … 5’ 3’ （E.coli rpl-L 3’末端） 自发形成发夹结构 28/50

29. 3’ 5’ AUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUU UUUU…… 5’ 3’ 自发形成茎环结构 29/50

30. ….. 5’ 3’ UUUU…… 1.茎环结构改变RNA pol的结构，使其失活 2.茎环结构的形成使转录复合物趋于解体，poly U加速这一过程。 30/50

31. （二）真核生物的转录终止 5’ AAUAAA GUGUGUG Release 3′processing （核酸内切酶） 转录终止修饰点 AATAAA GTGTGT —AAUAAA—Poly(A) hnRNA Helicase Nuclease 31/50

32. 第三节 真核生物的转录后修饰 一、真核生物mRNA前体（hnRNA）转录后修饰 （一）首、尾的修饰 在hnRNA 5’端加上m7G 在hnRNA 3’端加上poly A （二）剪接（splicing） 剪去内含子，并接外显子 32/50

33. Pi SAM SAH 加帽 PPi GTP 5´pppG… 5´pG… 5´GpppG… 磷酸酶 鸟苷酸转移酶 5´ m7GpppG…… 甲基转移酶 加尾 poly A聚合酶 nATP hnRNA + mRNA-(A)n +nPPi Mg2+ 33/50

34. G 加帽加尾的意义： 1. mRNA稳定性所需 2.蛋白质翻译所需 3. polyA尾与mRNA转位有关 34/50

35. （二）真核生物mRNA的剪接 几个重要概念 1. hnRNA (heterogeneous nuclear RNA) 不均一核RNA，核内未被剪接的有内含子的mRNA前体。 2.snRNA (small nuclear RNA) 核内小型RNA，与核内的某些蛋白质组成并接体（splicesome），参与hnRNA的剪接。 种类：U1，U2，U3，U4，U5，U6等。 35/50

36. 3. 外显子(exon)和内含子(intron) 真核生物结构基因中的编码序列，称为外显子，非编码序列称为内含子。 4. 断裂基因(splite gene) 真核生物的结构基因中，外显子被内含子间隔开，但连续镶嵌，为一个连续完整的蛋白质编码。这种基因称为断裂基因。 36/50

37. E1 E2 E3 5’— —3′ S Pre B C C A 5’— —3′ S Pre B C C A 胰岛素基因 hnRNA 成熟的mRNA 37/50

38. 真核生物mRNA的剪接的过程 1. 并接体识别结合hnRNA内含子5’及3’区域 2. 形成套索RNA(lariat RNA)，外显子靠近 3. 两步转酯反应，切去内含子，连接外显子 38/50

39. DNA mRNA 外显子 内含子 转录 形成套索RNA，外显子靠近 并接体 去除套索RNA，外显子连接 成熟mRNA 39/50

40. 5’ 3’ AUGAUGU CAUUCAU GUAAGUA UACUACA AG 内含子 U1 并接体 U2 分支点 外显子2 外显子1 40/50

41. AG-O—P-O A O—P-O-GU UGO P O E2 AG-O —P-O A E1 OH UGO E1 E2 P O-P-O O A AG-OH 2’-OH E2 E1 第一步转酯 第二步转酯 + intron 41/50

42. 内含子的功能，两种观点： 1. 内含子是在进化中出现和消失的，是进化过程中的遗迹，无实质性意义。 2. 在基因表达中有调控功能。 其他种类的内含子 外显子是断裂基因中可表达的序列，内含子是隔断基因线性表达的序列。 • rRNA 及tRNA基因内含子 • 内含子有时可被翻译 • 有的内含子在翻译后剪切 42/50

43. 二、tRNA的转录后加工 RNA pol III Intron Exon tRNA的初级转录产物 43/50

44. 加工 内切酶 外切酶 连接酶 成熟 tRNA tRNA的初级产物 44/50

45. (1)甲基化： G m7G (2)还原反应： U DHU (3)核苷内的转位反应：U (4)脱氨反应：A I tRNA转录后各种稀有碱基的生成 45/50

46. m7G A I （psi） U DHU 46/50

47. 间隔区(spacer) RNA pol III 三、rRNA的转录后加工 真核生物rRNA的基因属于丰富基因(redundant gene)族的DNA序列，也即高度重复的串联基因(tandem gene) ，或称为高度重复序列DNA。 45s rDNA 外显子 内含子 18s， 5.8s，28s rRNA RNA pol I 45s rDNA 45s rRNA 5s rDNA 5s rRNA 47/50

48. rRNA的剪接不需要任何蛋白质参与即可发生，说明rRNA本身就有酶的催化作用。rRNA的剪接不需要任何蛋白质参与即可发生，说明rRNA本身就有酶的催化作用。 核酶(ribozyme)： 具有酶促活性的RNA。 核酶发现的意义： 1. 对传统酶学提出挑战 2. 生物进化中的意义 3. 潜在的基因治疗的有力工具 48/50

49. 5' 3' 切割点 N N C A A NNN A NNN A C N A G U G N N NNN N N NNN C U G 槌头型(hammerhead structure)核酶的结构 1. 至少有3个茎 2. 1— 3个环 3. 至少有13个 保守碱基 49/50

50. 3’ 5’ X X X X X X X 5’ 3’ X X X X N X X X X X X X X 5’ 3’ 3’ 5’ X X X N X X X 切割点 紫色为人工合成的核酶 黑色为被切割的天然RNA X为保守序列 切割点 50/50