第十五章RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）

RNABiosynthesis,Transcription主要內(nèi)容一、什么是轉(zhuǎn)錄？二、轉(zhuǎn)錄的模板（DNA）三、轉(zhuǎn)錄的酶（RNA聚合酶）四、啟動(dòng)子五、原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程六、真核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程七、轉(zhuǎn)錄后加工七、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控一、什么是轉(zhuǎn)錄？

生物體以DNA為模板合成RNA的過(guò)程。轉(zhuǎn)錄RNADNA

二、轉(zhuǎn)錄的模板5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtCatgtacag···5′編碼鏈模板鏈5′···GCAGUACAUGUC···3′mRNAN······Ala·Val·His·Val······C蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯一些概念DNA雙鏈中按堿基配對(duì)規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈，稱(chēng)為模板鏈(templatestrand)。【反義鏈/負(fù)鏈】與模板鏈互補(bǔ)配對(duì)的另一股DNA單鏈稱(chēng)為編碼鏈(codingstrand)?！居辛x鏈/正鏈】

DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)。轉(zhuǎn)錄的模板

不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription)對(duì)于一個(gè)基因而言，它處在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段,一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄；對(duì)于不同基因而言，模板鏈并非全部在同一條DNA單鏈上。5

3

3

5

模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向DNA亞單位

分子量亞單位數(shù)目功能α365122決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄

β1506181與轉(zhuǎn)錄全過(guò)程有關(guān)

β′

1556131結(jié)合DNA模板

702631

辨認(rèn)起始點(diǎn)三、轉(zhuǎn)錄的酶1.原核生物RNA聚合酶原核RNA聚合酶結(jié)構(gòu)示意圖核心酶

(coreenzyme)全酶

(holoenzyme)

（轉(zhuǎn)錄起始階段）（轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)階段）RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合2.真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III對(duì)鵝膏蕈堿的敏感性耐受很敏感中度敏感轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物rRNA(除5SrRNA)hnRNA(即mRNA的前體)tRNA前體、5SrRNA、snRNA四、啟動(dòng)子(promoter)

RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合和起始轉(zhuǎn)錄的一段特定DNA序列，稱(chēng)為啟動(dòng)子。啟動(dòng)子序列的確定——RNA聚合酶保護(hù)法3

開(kāi)始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205

3

3

5

RNA-pol辨認(rèn)位點(diǎn)(recognitionsite)5

RNA聚合酶保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)基因5

3

原核生物啟動(dòng)子序列真核生物RNA聚合酶II的啟動(dòng)子序列

TATA盒

CAAT盒

GC盒

增強(qiáng)子

結(jié)構(gòu)基因-GCGC---CAAT---TATA轉(zhuǎn)錄起始順式作用元件五、原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程（一）轉(zhuǎn)錄起始：1.RNA聚合酶全酶(

2

)與模板結(jié)合2.DNA雙鏈解開(kāi)3.在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物5

-pppG-OH+NTP

5

-pppGpN-OH3

+ppi轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物RNApol(

2

)-DNA-pppGpN-OH3

（二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)1.

亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)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(zhǎng)。(NMP)n+NTP

(NMP)n+1+PPi轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)示意圖轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)復(fù)合物——轉(zhuǎn)錄空泡RNA-pol

(核心酶)····DNA····RNA轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)（全貌）電子顯微鏡下轉(zhuǎn)錄過(guò)程的相片5

3

DNA核糖體RNARNA聚合酶原核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的羽毛狀現(xiàn)象（三）轉(zhuǎn)錄終止 指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來(lái)不再前進(jìn)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來(lái)。

原核生物有兩種轉(zhuǎn)錄終止方式：依賴(lài)Rho(r)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴(lài)Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（三）轉(zhuǎn)錄終止1.依賴(lài)r因子的轉(zhuǎn)錄終止模式ATP（三）轉(zhuǎn)錄終止2.非依賴(lài)r因子的轉(zhuǎn)錄終止模式 在轉(zhuǎn)錄后期，轉(zhuǎn)錄生成的RNA產(chǎn)物可形成特殊的“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)使RNA聚合酶變構(gòu)，喪失其RNA聚合酶活性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄終止。RNA5

TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)"發(fā)夾"結(jié)構(gòu)終止轉(zhuǎn)錄的機(jī)理使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放5′pppG53

35RNA-pol原核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程總結(jié)六、真核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程（一）轉(zhuǎn)錄起始 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(shí)，RNA-pol不直接結(jié)合模板，其起始過(guò)程比原核生物復(fù)雜。 這里重點(diǎn)介紹真核生物RNA-polII的轉(zhuǎn)錄過(guò)程，即hnRNA（mRNA前體）的合成。1.轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)前的區(qū)段——順式作用元件 真核生物基因中可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列，稱(chēng)為順式作用元件(cis-actingelement)。真核生物聚合酶II轉(zhuǎn)錄的基因結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒CAAT盒GC盒

增強(qiáng)子AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)修飾點(diǎn)外顯子翻譯起始點(diǎn)內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體順式作用元件結(jié)構(gòu)基因2.轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionalfactors,TF)

能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合真核生物基因中轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，統(tǒng)稱(chēng)為反式作用因子(trans-actingfactors)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種。 反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的，則稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄因子。參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ

相應(yīng)于RNA-polI、II、III的轉(zhuǎn)錄因子，分別稱(chēng)為T(mén)FI、TFII、TFIII。3.順式作用元件與反式作用因子的相互作用形成轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiationcomplex,PIC)由RNA-PolⅡ催化轉(zhuǎn)錄的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡAⅡBⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA復(fù)合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATACTD-PPIC組裝完成，TFⅡH使CTD磷酸化TFⅡFRNApol-ⅡⅡHⅡE真核轉(zhuǎn)錄起始（動(dòng)畫(huà)）（二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng) 真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒(méi)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(zhǎng)過(guò)程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)中的核小體移位RNA-PolRNA-Pol核小體RNA-Pol轉(zhuǎn)錄方向真核轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)（動(dòng)畫(huà)）（三）轉(zhuǎn)錄終止（RNApolII）5------AAUAAA-內(nèi)切酶復(fù)合體-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)5533RNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)-GUGUGUG5

------AAUAAA--AAAAAAA······3mRNA3加尾5533（三）轉(zhuǎn)錄終止（RNApolII）核酸酶真核轉(zhuǎn)錄終止（動(dòng)畫(huà)）七、轉(zhuǎn)錄后加工

由RNA聚合酶合成的原初轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，往往需要經(jīng)過(guò)一系列的結(jié)構(gòu)改造或修飾，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為RNA的成熟，或稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄后加工。1.5′端與3′端的切除2.剪接3.特殊結(jié)構(gòu)的形成4.堿基修飾和糖苷鍵的改變轉(zhuǎn)錄后加工包括：3.修飾(modification)

如：Gm7G4.添加(addition)

如添加帽子結(jié)構(gòu)、尾巴結(jié)構(gòu)、氨基酸臂等5.編輯(editing)1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)轉(zhuǎn)錄后加工的主要方式真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工1.首、尾的修飾5'端形成帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)3'端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)mRNA結(jié)構(gòu)示意圖“帽子”結(jié)構(gòu)“尾巴”結(jié)構(gòu)“帽子”結(jié)構(gòu)的生成過(guò)程5pppGp…5GpppGp…pppG

ppi鳥(niǎo)苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppGp…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM5ppGp…磷酸酶Pi圖5-9帽子p161

mRNA3′-端的多聚腺苷酸化可被冬蟲(chóng)夏草素

（3′-脫氧胸苷）所阻止；

即冬蟲(chóng)夏草素是多聚腺苷酸化的特異抑制劑。

2、mRNA的甲基化

真核生物mRNA分子中有許多甲基化的堿基，主要是：N6-甲基腺嘌呤（m6A）。3.mRNA前體的剪接 在snRNA的參與下hnRNA剪接為有活性的mRNA。ABCDhnRNAABCD（snRNA）mRNA斷裂基因(splitegene) 真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開(kāi)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(zhì)，這些基因稱(chēng)為斷裂基因。ABCD編碼區(qū)非編碼區(qū)外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子：在斷裂基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子：隔斷基因的線(xiàn)性表達(dá)而在剪接過(guò)程中被除去的核酸序列。ABCD外顯子內(nèi)含子卵清蛋白基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物(mRNA)與其基因(DNA)雜交后

拍攝到的電子顯微鏡相片電子顯微鏡相片示意圖雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNAmRNA的剪接——剪接體的生成 剪接體（splicesome）是由細(xì)胞核小分子核糖核蛋白顆粒（snRNP）與hnRNA結(jié)合，使內(nèi)含子形成套索并拉近上、下游外顯子距離的復(fù)合體。pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)UpAGpU外顯子1內(nèi)含子外顯子2G-OHUpUpGpA剪接過(guò)程的二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)內(nèi)含子的切除（動(dòng)畫(huà)）真核mRNA轉(zhuǎn)錄后加工（動(dòng)畫(huà)）tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工1.剪切與剪接RNAaseP內(nèi)切酶剪切剪接2.添加：添加3'氨基酸臂-CCAtRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶①②③④3.修飾①甲基化：GmG②還原：U

DHU③脫氨:A

I④轉(zhuǎn)位:U

Ψ稀有堿基結(jié)構(gòu)示意圖rRNA轉(zhuǎn)錄后的加工1.甲基化：發(fā)生于45srRNA2.剪切：45S41S20S18S32S28S—5.8S28S5.8S（真核生物）DNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄45SrRNA剪切18SrRNA5.8S-28SrRNADNA真核rRNA的剪切示意圖內(nèi)含子內(nèi)含子28S5.8S18SrDNA5.8SrRNA+28SrRNA基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控(P361)

基因通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯而產(chǎn)生其蛋白質(zhì)產(chǎn)物，或者轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生其RNA產(chǎn)物的過(guò)程，稱(chēng)為基因表達(dá)。

在不同時(shí)期和不同條件下基因表達(dá)的開(kāi)啟或關(guān)閉以及基因活性的增加或減弱等，是受到調(diào)控的，這種控制被稱(chēng)為基因表達(dá)的調(diào)控。

原核生物的操縱子模型具有普遍性

原核生物絕大多數(shù)基因按功能相關(guān)性成簇地串聯(lián)、密集于同一DNA分子上，共同接受其上游的調(diào)控序列（啟動(dòng)序列、操縱序列等）進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，稱(chēng)為操縱子。調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)理

1.乳糖操縱子(lac

operon)的結(jié)構(gòu)阻遏蛋白對(duì)乳糖操縱子的負(fù)性調(diào)控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒(méi)有乳糖存在時(shí)阻遏基因乳糖操縱子mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶CAP對(duì)乳糖操縱子的正性調(diào)控當(dāng)環(huán)境缺乏葡萄糖，細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量的cAMP。

cAMP與CAP結(jié)合而激活CAP，使CAP能結(jié)合CAP位點(diǎn)。

CAP與CAP位點(diǎn)結(jié)合后，使已與P、O序列結(jié)合的RNA聚合酶活性顯著提高，乳糖操縱子處于高表達(dá)狀態(tài)。無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高，CAP被cAMP激活可結(jié)合CAP位點(diǎn)CAP對(duì)乳糖操縱子的正性調(diào)控++++

轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAP有葡萄糖，cAMP濃度低，CAP未被激活，不能結(jié)合CAP位點(diǎn)CAP色氨酸操縱子——基因表達(dá)阻遏調(diào)控1.色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)

從5'端開(kāi)始，含有啟動(dòng)序列P、操縱序列O、前導(dǎo)序列L。在環(huán)境有豐富色氨酸時(shí)，前導(dǎo)序列L可以形成衰減子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止。結(jié)構(gòu)基因區(qū)

含有細(xì)菌合成色氨酸所需的酶的五個(gè)基因，即E、D、C、B、A基因。色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)EDCBA調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域阻遏蛋白基因當(dāng)環(huán)境缺乏色氨酸時(shí)，阻遏蛋白因缺乏色氨酸的激活而沒(méi)有活性，RNA聚合酶可以順利通過(guò)P、O序列完成結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。

當(dāng)環(huán)境有大量色氨酸存在時(shí)，阻遏蛋白被激活而能與O序列結(jié)合，阻止了RNA聚合酶P、O序列的結(jié)合而抑制色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄功能。2.阻遏蛋白對(duì)色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控作用阻遏蛋白對(duì)色氨酸操縱子的調(diào)控作用Trp

Trp

高時(shí)Trp

低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶阻遏蛋白（無(wú)活性）阻遏蛋白（激活）當(dāng)環(huán)境有大量色氨酸存在時(shí)，卻因某些因素導(dǎo)致阻遏蛋白作用失效，色氨酸操縱子依然處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)。此時(shí)，L序列的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物將形成衰減子結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)錄提前終止。

衰減子本質(zhì)上就是一個(gè)轉(zhuǎn)錄終止子。3.衰減子對(duì)色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控作用UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū)包含序列1:第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp

密碼子

UUUU……衰減子對(duì)色氨酸操縱子的調(diào)控作用色氨酸操縱子衰減子作用機(jī)理高色氨酸濃度時(shí)形成衰減子，轉(zhuǎn)錄提前終止。低色氨酸濃度時(shí)衰減子不能形成，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行。（一）真核基因順式作用元件影響基因轉(zhuǎn)錄活性啟動(dòng)子真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周?chē)囊唤M轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)CCAAT盒GC盒TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)酵母真核基因啟動(dòng)子的典型結(jié)構(gòu)增強(qiáng)子(enhancer)指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、空間特異性、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無(wú)關(guān)。

沉默子(silencer)某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。（二）反式作用因子是真核細(xì)胞中重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類(lèi)（按功能特性）基本轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類(lèi)別。（RNA聚合酶的亞基）特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域最常見(jiàn)的DNA結(jié)合域：鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結(jié)合GC盒蛋白質(zhì)分子可有2~9個(gè)鋅指重復(fù)單位。每個(gè)單位以其指