第十四章RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）14.1RNA生物合成的概況轉(zhuǎn)錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過程。也就是把DNA的堿基序列抄錄成RNA的堿基序列。轉(zhuǎn)錄RNADNA

在細胞增殖周期的某個階段轉(zhuǎn)錄某些特定的基因（轉(zhuǎn)錄有時間和空間上的嚴格調(diào)控）成熟RNA轉(zhuǎn)錄的初級產(chǎn)物剪接和修飾參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶、其他蛋白質(zhì)因子1、DNA指導的

RNA合成（轉(zhuǎn)錄）2、

RNA指導的

RNA合成（自我復制）RNA合成的兩種方式：5335模板鏈編碼鏈結構基因轉(zhuǎn)錄方向在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一條鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，稱為模板鏈、負鏈、反義鏈；另一條鏈不轉(zhuǎn)錄，稱為非模板鏈、編碼鏈、有意義鏈；轉(zhuǎn)錄方向55′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······CmRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯編碼鏈模板鏈5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtcatgtacag···5′14.2原核生物的轉(zhuǎn)錄14.2.1原核生物的RNA聚合酶α36512決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄β150618催化功能βˊ155613結合DNA模板σ70263辨認起始點(不同的σ因子可識別不同的起始點)亞基分子量功能原核生物的RNA聚合酶含有4種亞基：核心酶

(coreenzyme)全酶

(holoenzyme)轉(zhuǎn)錄起始階段轉(zhuǎn)錄延長階段RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結合ωωα2ββˊω原核生物一個轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個轉(zhuǎn)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(diào)控序列。

5335結構基因調(diào)控序列RNA-polRNA聚合酶結合模板DNA的部位，稱為啟動子(promoter)。啟動子是RNA合成的特定起始位點。開始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)共有序列有利于DNA局部解鏈TATAATPuATATTAPy-10區(qū)共有序列1-30-5010-10-40-205335原核生物啟動子保守序列RNA-pol辨認位點55RNA聚合酶結合區(qū)結構基因33啟動子從-70延伸到+30二者之間的距離影響轉(zhuǎn)錄的效率14.2.2轉(zhuǎn)錄的起始2.-10序列附近的DNA雙鏈局部解開，形成轉(zhuǎn)錄泡1.RNA聚合酶全酶與模板結合3.在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應，形成轉(zhuǎn)錄起始復合物RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3轉(zhuǎn)錄起始復合物:5-pppG-OH+NTP5-pppGpN-OH3+ppiRNA合成的第一個核苷酸：G或

A在合成8個以上核苷酸后，亞基從轉(zhuǎn)錄起始復合物中脫落下來。1.亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構，與模板結合松弛，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

+PPi14.2.3RNA鏈的延長拓撲異構酶消除形成轉(zhuǎn)錄泡隨轉(zhuǎn)錄過程移動，轉(zhuǎn)錄完成部分的DNA重新形成雙鏈。一但轉(zhuǎn)錄泡離開啟動子一定距離，另一個RNA聚合酶即可與該啟動子結合。原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象35DNA核糖體RNARNA聚合酶在同一DNA模板上，有多個轉(zhuǎn)錄同時在進行；轉(zhuǎn)錄尚未完成，翻譯已在進行。這種形狀說明：14.2.4轉(zhuǎn)錄的終止指RNA聚合酶在DNA模板上的某一特定位置（終止子）停頓下來不再前進，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復合物上脫離出來。轉(zhuǎn)錄終止：依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止原核生物轉(zhuǎn)錄終止分為：依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止ρ因子有ATP酶活力和雜化雙螺旋解螺旋酶活力。

可使RNA-DNA雜化雙鏈的短鏈變性，從而有利于轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物從轉(zhuǎn)錄復合物中釋放出來。

ρ因子與RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結合，結合后ρ因子和RNA聚合酶都可發(fā)生構象變化，從而使RNA聚合酶停頓，解螺旋酶的活性使DNA/RNA雜化雙鏈拆離，利于產(chǎn)物從轉(zhuǎn)錄復合物中釋放。不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出RNA后，RNA產(chǎn)物形成特殊的結構來終止轉(zhuǎn)錄。有回文序列轉(zhuǎn)錄出的RNA可形成莖環(huán)結構，使轉(zhuǎn)錄物與模板之間配對的堿基數(shù)降低，整體上減弱了RNA與DNA的相互作用。莖的區(qū)域富含G-C,莖環(huán)不易解開。強終止子的3’端約有6個A由于莖環(huán)3’段緊接一串A/U的配對，穩(wěn)定性比較差，有利于轉(zhuǎn)錄物脫落而不利于轉(zhuǎn)錄延續(xù)。5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結構回文序列14.3真核生物的轉(zhuǎn)錄14.3.1真核生物的RNA聚合酶真核生物的RNA聚合酶分為三類：它們都不能直接識別啟動子和起始轉(zhuǎn)錄，需要反式作用因子的參與。RNA聚合酶II可認為是真核生物中最重要的RNA聚合酶羧基末端結構域

(carboxyl-terminaldomain,CTD)RNA聚合酶Ⅱ最大亞基的羧基末端有一段共有序列為(Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser)的重復序列片段。這一序列在RNA聚合酶Ⅱ中是獨一無二的。所有真核生物的RNA聚合酶Ⅱ都具有CTD，只是共有序列的重復程度不同。在去磷酸化的CTD轉(zhuǎn)錄起始中發(fā)揮作用。真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉(zhuǎn)錄起始時，RNA-pol不直接結合模板，其起始過程比原核生物復雜。14.3.2真核生物轉(zhuǎn)錄的起始真核生物的轉(zhuǎn)錄過程大致分為四個階段：裝配、起始、延伸和終止真核生物啟動子分為三類：I類、Ⅱ類、Ⅲ類，分別控制RNA聚合酶I類、Ⅱ類、Ⅲ的轉(zhuǎn)錄起始。轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子順式作用元件（真核生物DNA包括許多參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的序列）轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段AATAAA轉(zhuǎn)錄終止點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體

轉(zhuǎn)錄因子能直接、間接辨認和結合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為反式作用因子(trans-actingfactors)。反式作用因子中，直接或間接結合RNA聚合酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionalfactors,TF)。參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄因子。由RNA-PolⅡ催化轉(zhuǎn)錄的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡEⅡAⅡBTBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA復合物TATAPOL-ⅡTFⅡFⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC組裝完成真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象。RNA-pol前移處處都遇上核小體。轉(zhuǎn)錄延長過程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。14.3.2真核生物轉(zhuǎn)錄的延長和終止真核生物轉(zhuǎn)錄的終止機制目前尚不明確。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小體轉(zhuǎn)錄延長中的核小體移位轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄與復制的相似之處都以DNA為模板需要核苷酸作原料，從5’到3’延長；生成磷酸二酯鍵以連接核苷酸都遵從堿基配對規(guī)律都需要依賴DNA的聚合酶產(chǎn)物都是很長的多核苷酸轉(zhuǎn)錄和復制的區(qū)別14.5轉(zhuǎn)錄的選擇性抑制抗生素放線菌素D特異性抑制RNA聚合酶催化的RNA鏈的延長。利福平特異性的與細菌RNA聚合酶的β-亞基結合，阻止轉(zhuǎn)錄的起始。α-鵝膏蕈堿可阻斷真核細胞RNA聚合酶II催化的mRNA合成14.6轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工真核生物轉(zhuǎn)錄生成的RNA分子是初級RNA轉(zhuǎn)錄物(primaryRNAtranscript)，都要經(jīng)過加工，才能成為具有功能的成熟的RNA。為什么要加工加工地點：主要在細胞核中進行。外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子：在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)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。14.6.1內(nèi)含子剪接的4種類型（1）第一類內(nèi)含子的剪接鳥苷的3’-末端與內(nèi)含子的5’-末端結合，將外顯子的3’-末端釋放。外顯子的3’-末端攻擊內(nèi)含子的3’-末端進行相同的反應，將內(nèi)含子切除，外顯子相連。主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等真核生物的rRNA基因（2）第二類內(nèi)含子的剪接與第一類內(nèi)含子剪接類似，只是第一步反應的不同。親核基團：內(nèi)含子內(nèi)部的一個腺苷酸殘基的2’-OH。套索樣中間體也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA（3）第三類內(nèi)含子的剪接通過同樣的套索機制進行剪接，只是需要特殊的剪接體(RNA-蛋白復合物)發(fā)揮作用。大多數(shù)mRNA基因有此類內(nèi)含子。（4）第四類內(nèi)含子的剪接需要消耗ATP，由內(nèi)切核酸酶水解內(nèi)含子兩端的磷酸二酯鍵，將兩個外顯子相連起來。是tRNA基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子屬于此類。14.6.2rRNA前體的加工原核生物rRNA基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄后形成30S的前體rRNA，經(jīng)切割形成rRNA和tRNA前體，然后經(jīng)特異酶的切割，釋放出成熟的有功能的rRNA和tRNA。轉(zhuǎn)錄45S-rRNA18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA內(nèi)含子內(nèi)含子28S5.8S18S哺乳動物基因轉(zhuǎn)錄：裂解中間體核酸酶+成熟RNA5.8S-rRNA28S-rRNA核糖2’位發(fā)生甲基化修飾酶不同生物的rRNA前體大小不同14.6.3tRNA前體的加工（1）原核生物tRNA前體的加工含有附加序列的tRNA前體RNApolTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA①切割RNaseP、核酸外切酶②剪切和修剪切除附加序列tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ATPADP③添加3’-端CCA-OH

（3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應（2）還原反應如：UDHU如：Uψ（4）脫氨反應如：AI

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）④核苷酸的修飾和異構化（2）真核生物tRNA前體的加工真核生物tRNA基因數(shù)目比原核生物多轉(zhuǎn)錄出的都是tRNA前體真核生物tRNA前體的加工需要切除內(nèi)含子14.6.4mRNA前體的加工原核生物轉(zhuǎn)錄出的mRNA無需加工，在轉(zhuǎn)錄尚未完成時就能進行翻譯。真核生物核內(nèi)轉(zhuǎn)錄的初級mRNA稱為雜化核RNA(hnRNA)，需要經(jīng)過加工才能生成成熟的mRNA。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(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾5GpppGp…GTP

ppi鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppGp…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM5ppGp…磷酸酶

Pi（1）帽子結構的生成帽子結構可提高mRNA的穩(wěn)定性加帽出現(xiàn)在hnRNA中，說明可能在細胞核中完成，并在剪接之前。5pppGp…h(huán)nRNA初級轉(zhuǎn)錄本加入polyA之前，先由核酸外切酶切去3’末端一些過剩的核苷酸，然后加入polyA。3’端修飾也是在細胞核中，在剪接之前進行的。polyA的有無與長短，是維持mRNA作為翻譯模板的活性，以及增加mRNA本身的穩(wěn)定性。（2）多聚A尾的生成——除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。snRNP與hnRNA結合成為拼接體①目錄（3）mRNA的剪接snRNA與蛋白質(zhì)結合形成的小分子細胞核內(nèi)核蛋白顆粒GU-AG規(guī)則②UACUAAC-AGUGU4U5U6E1E2U1U2U1、U4無活性的剪接體③UACUAAC-AGUGU6E1E2有活性的剪接體U5分支點保守序列剪接過程的二次轉(zhuǎn)酯反應外顯子1外顯子2內(nèi)含子第一次轉(zhuǎn)酯反應第二次轉(zhuǎn)酯反應內(nèi)含子分支點中腺苷酸殘基的2’-OH選擇性剪接：同一個初級轉(zhuǎn)錄物，通過不同方式的剪接，可得到不同的mRNA產(chǎn)物。（4）選擇性剪接和反式剪接選擇性剪接主要類型：外顯子跨越（缺失）外顯子延長內(nèi)含子保留外顯子交替一般轉(zhuǎn)錄后，加工主要進行順式剪接，即發(fā)生在同一個RNA前體分子內(nèi)部的剪接。少數(shù)生物體內(nèi)發(fā)生反式剪接，即發(fā)生在兩種RNA前體分子之間的剪接。?RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工，是可有多用途分化的，因此也稱為分化加工。人類載脂蛋白基因（apoB）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14.6.5RNA編輯RNA編輯：指mRNA轉(zhuǎn)錄后，通過堿基替換、插入或缺失改變遺傳信息，從而表達出不同蛋白質(zhì)的過程。14.7RNA復制病毒RNA進入宿主細胞后，還可進行復制，即由RNA指導的RNA聚合酶催化進行的RNA合成反應。（1）正鏈RNA病毒（2）負鏈RNA病毒（3）雙鏈RNA的病毒（4）逆轉(zhuǎn)錄病毒病毒RNA復制的幾種方式：（1）正鏈RNA病毒含有(+)RNA，進入宿主細胞后，首先合成RNA聚合酶和相關蛋白，后以(+)RNA為模板復制，最后由病毒RNA和蛋白質(zhì)組裝成病毒顆粒。例如