生物化學 第十六 RNA的生物合成

RNA的生物合成（轉錄）RNABiosynthesis,Transcription本章內容第一節(jié)轉錄的酶和模板第二節(jié)轉錄過程第三節(jié)真核生物的轉錄后修飾轉錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過程。轉錄RNADNA

復制和轉錄的區(qū)別參與轉錄的物質原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:單鏈DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質因子模板和酶TemplatesandEnzymes第一節(jié)一、轉錄模板

(一)不對稱轉錄(asymmetrictranscription)

1.結構基因(structuralgene):DNA分子上轉錄出RNA的區(qū)段。2.模板鏈(templatestrand):DNA雙鏈中按堿基配對規(guī)律能指引轉錄生成RNA的一股單鏈，也稱作有意義鏈或Watson鏈。

編碼鏈(codingstrand):

DNA雙鏈中與模板鏈相對的單鏈，不進行轉錄，也稱為反義鏈或Crick鏈。

5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質轉錄翻譯5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結構基因轉錄方向轉錄方向不對稱轉錄含義

在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉錄，另一股鏈不轉錄模板鏈并非永遠在同一條單鏈上。二、RNA聚合酶（一）原核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶：大腸桿菌的RNA聚合酶全酶由5種亞基α2ββ’σ組成，σ因子與其它部分的結合不是十分緊密，它易于與β’βα2分離，沒有σ、亞基的酶稱為核心酶——只催化鏈的延長，對起始無作用。五種亞基的功能分別為：

α亞基：與啟動子結合功能。

β亞基：含催化部位，起催化作用，催化形成磷酸二酯鍵。

亞基：在全酶中存在，功能不清楚。

β’亞基：與DNA模板結合功能。

σ亞基：識別起始位點。

RNA聚合酶原核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶的特點：1、反應底物：NTP，DNA為模板、Mg2+促進聚合反應。RNA聚合酶不需要引物，合成方向53。2、真核生物與原核生物的RNA聚合酶結構不同。3、利福平抑制原核生物RNA聚合酶活性；α-鵝膏蕈堿

抑制真核生物RNA聚合酶活性。核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)RNA聚合酶全酶在轉錄起始區(qū)的結合（二）真核生物的RNA聚合酶

真核細胞的RNA聚合酶酶類分布產物α-鵝膏蕈堿對酶的作用分子量反應條件ⅡIⅢ核仁核質核質rRNA5.8SrRNA18SrRNA28SrRNAmRNAtRNA5SrRNA不抑制低濃度抑制高濃度抑制500000~700000~700000_低離子強度,要求Mg2+或Mn2+高離子強度高Mn2+濃度三、模板與酶的辨認、結合原核生物一個轉錄單位可視為一個轉錄單位，稱為操縱子(operon)，包括若干個結構基因及其上游(upstream)的調控序列。

5335結構基因調控序列RNA-pol與RNA聚合酶結合啟動基因轉錄的DNA序列，稱為啟動子(promoter)。目錄開始轉錄TTGACAAACTGT-35區(qū)(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335原核生物啟動子保守序列RNA-pol辨認位點(recognitionsite)55RNA聚合酶保護區(qū)結構基因33TATA盒CAAT盒GC盒

增強子

順式作用元件結構基因-GCGC---CAAT---TATA轉錄起始真核生物啟動子保守序列轉錄過程TheProcessofTranscription第二節(jié)RNA的轉錄過程：（以大腸桿菌為例）

起始位點的識別

轉錄起始鏈的延伸轉錄終止RNA的轉錄過程（一）轉錄起始1.RNA聚合酶必須準確地結合在轉錄模板的起始區(qū)域。2.DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉錄的模板。一、原核生物的轉錄過程轉錄起始需解決的問題：2.DNA雙鏈解開1.RNA聚合酶全酶(2)與模板結合3.在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應，形成轉錄起始復合物RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3轉錄起始復合物:5-pppG-OH+

NTP5-pppGpN

-OH3+ppi轉錄起始過程（1）起始位點的識別

RNA的合成不需要引物。體外實驗證明，不含σ亞基的核心酶會隨機地在一個基因的兩條鏈上啟動，當有σ亞基時就會選擇正確的起點。σ亞基起著識別DNA分子上的起始信號（啟動子——指RNA聚合酶識別、結合和開始轉錄的一段DNA序列）的作用。啟動子的結構至少由三部分組成：-35序列提供了RNA聚合酶全酶識別的信號；-10序列是酶的緊密結合位點（富含AT堿基，利于雙鏈打開）；第三部分是RNA合成的起始點。AACTGTATATTATTGACATATAAT+1轉錄起始點5’3’3’5’35序列

Sextama框10序列Pribnow框（2）轉錄起始

RNA聚合酶全酶掃描解鏈區(qū)，找到起始點，然后結合第一個核苷三磷酸。加入的第一個核苷三磷酸常是GTP或ATP，很少是CTP，不用UTP。所形成的啟動子、全酶和核苷三磷酸復合物稱為三元起始復合物，第一個核苷三磷酸一旦摻入到轉錄起始點，σ亞基就會被釋放脫離核心酶。因子僅與起始有關，RNA的合成一旦開始，便被釋放E-35-10pppG或pppA5‘5‘3‘3‘模板鏈（二）轉錄延長1.亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構，沿著DNA模板前移；

2.在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。(NMP)n+NTP(NMP)n+1

+PPi目錄53DNA原核生物轉錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶依賴Rho(ρ)因子的轉錄終止非依賴Rho因子的轉錄終止（三）轉錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，轉錄產物RNA鏈從轉錄復合物上脫落下來。分類轉錄終止

在DNA分子上（基因末端）提供轉錄停止信號的DNA序列稱為終止子（terminators),它能使RNA聚合酶停止合成RNA并釋放出RNA。

需要ρ因子（終止因子，協(xié)助RNA聚合酶識別終止信號）幫助，ρ因子能與RNA聚合酶結合但不是酶的組分，它的作用是阻止RNA聚合酶向前移動，于是轉錄終止，并釋放出已轉錄完成的RNA鏈。不依賴于ρ因子。強終止子序列有兩個明顯的特征：（1）在終止點之前具有一段富含G-C的回文區(qū)域。（2）富含G-C的區(qū)域之后是一連串的dA堿基序列，它們轉錄的RNA鏈的末端為一連串U（連續(xù)6個）。弱終止子：缺少回文結構強終止子：有回文結構ATP1.依賴Rho因子的轉錄終止2.非依賴Rho因子的轉錄終止DNA模板上靠近終止區(qū)，有些特殊的堿基序列，轉錄出RNA后，RNA產物形成特殊的結構來終止轉錄。5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結構莖環(huán)結構使轉錄終止的機理使RNA聚合酶變構，轉錄停頓；使轉錄復合物趨于解離，RNA產物釋放。5′pppG5335RNA-pol新合成的RNA分子中典型的回文結構（發(fā)夾結構）有些終止子的作用可被特異的因子所阻止，使酶得以越過終止子繼續(xù)轉錄，稱為通讀（readthrough）能夠引起抗終止作用的蛋白質稱為抗終止因子（antiterminationfactors）二、真核生物的轉錄（一）轉錄起始轉錄起始時，RNA-pol不直接結合模板。轉錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子順式作用元件(cis-actingelement)1.轉錄起始前的上游區(qū)段AATAAA切離加尾轉錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體順式作用元件(cis-actingelement)

：可影響自身基因表達活性的DNA序列。反式作用因子(trans-actingfactors)：能直接或間接辨認、結合順式作用元件并反式激活另一基因轉錄的蛋白質，統(tǒng)稱為反式作用因子。

2.轉錄因子反式作用因子中，直接或間接結合RNA聚合酶的，則稱為轉錄因子(transcriptionalfactors,TF)。

鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結合GC盒ZnCysHis參與RNA-polⅡ轉錄的TFⅡ

3.轉錄起始前復合物(pre-initiationcomplex,PIC)

真核生物RNA-pol不與DNA分子直接結合，而需依靠眾多的轉錄因子。POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化轉錄的PICPol-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA復合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC組裝完成，TFⅡH使CTD磷酸化4.拼板理論(piecingtheory)一個真核生物基因的轉錄需要3至5個轉錄因子。轉錄因子之間互相結合，生成有活性，有專一性的復合物，再與RNA聚合酶搭配而有針對性地結合、轉錄相應的基因。（二）轉錄延長真核生物轉錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒有轉錄與翻譯同步的現(xiàn)象。RNA-pol前移處處都遇上核小體。轉錄延長過程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體轉錄延長中的核小體移位轉錄方向5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉錄終止的修飾點55333加尾AAAAAAA······3mRNA（三）轉錄終止——和轉錄后修飾密切相關真核生物的轉錄后修飾Post-transcriptionalModification第三節(jié)一、真核生物mRNA的轉錄后加工（一）首、尾的修飾

5端形成帽子結構(m7GpppGp—)3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)5pppG…5GpppG…pppGpi鳥苷酸轉移酶5

m7GpppG…甲基轉移酶SAM帽子結構的生成5pG…磷酸酶PPi帽子結構（二）mRNA的剪接1.

hnRNA和snRNA核內的初級mRNA稱為雜化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核內的蛋白質小分子核糖核蛋白體（snRNP）snRNA真核生物結構基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitegene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)2.外顯子(exon)和內含子(intron)外顯子在斷裂基因及其初級轉錄產物上出現(xiàn)，并表達為成熟RNA的核酸序列。內含子隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉錄、轉錄后修飾雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA目錄3.內含子的分類根據(jù)基因類型和剪接方式，內含子分4類：I：線粒體、葉綠體及低等真核生物rRNA基因；II：線粒體、葉綠體mRNA基因；III：是常見的形成套索結構后剪接，大多數(shù)mRNA基因有此類內含子；IV：tRNA基因，剪接過程需酶及ATP。4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的內含子，將外顯子連接。

snRNP與hnRNA結合成為剪接體①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次轉酯反應第二次轉酯反應UpAGpU外顯子1內含子外顯子2G-OHUpUpGpA剪接過程的二次轉酯反應

(twicetransesterification)

?RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經過轉錄后加工，是可有多用途分化的，因此也稱為分化加工(differentialRNAprocessing)。5.mRNA的編輯(mRNAediting)人類apoB基因mRNA（14500個核苷酸）肝臟apoB100（分子量為500000）腸道細胞apoB48（分子量為240000）mRNA編輯二、tRNA的轉錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、內切酶tRNA核苷酸轉移酶、連接酶ATPADP堿基修飾（2）還原反應如：UDHU（3）核苷內的轉位反應如：Uψ（4）脫氨反應如：AI如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）三、rRNA的轉錄后加工轉錄45S-rRNA剪接18S-