第三章 RNA的轉(zhuǎn)錄機制

第3章生物信息的傳遞----

從DNA到RNA（轉(zhuǎn)錄）

本章主要內(nèi)容1、轉(zhuǎn)錄是基因表達的中心環(huán)節(jié)2、轉(zhuǎn)錄涉及的酶與過程3、轉(zhuǎn)錄后的加工

轉(zhuǎn)錄（transcription）以DNA為模板，在RNA聚合酶（RNApolymerase）的作用下合成mRNA，將遺傳信息從DNA分子上轉(zhuǎn)移到mRNA分子上，這一過程稱為轉(zhuǎn)錄。1轉(zhuǎn)錄是基因表達的中心環(huán)節(jié)

轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板合成RNA,并且只是以單股DNA為模板，因此具有不對稱性；用以轉(zhuǎn)錄的單鏈DNA,稱為模板鏈,與復(fù)制不同，轉(zhuǎn)錄是局部的,從啟動子開始到終止子結(jié)束,為一個轉(zhuǎn)錄單位;

轉(zhuǎn)錄不需要引物；轉(zhuǎn)錄首先得到RNA前體，然后再進行加工轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓腞NA.被轉(zhuǎn)錄成單個RNA分子的一段DNA稱為一個轉(zhuǎn)錄單位(transcript)由5種亞基組成：

全酶=核心酶（α2ββ’）+σ因子

α亞基決定轉(zhuǎn)錄的基因β亞基在5’——3’方向上延長多核苷酸鏈，其方式與DNA聚合酶相同，原料為NTP，沒有糾錯的功能。β’亞基結(jié)合DNA模板

σ因子識別“啟動子”并與之結(jié)合2轉(zhuǎn)錄涉及的酶與過程1)原核的RNA聚合酶2.1RNA聚合酶（RNApolymerase）類型細胞內(nèi)定位催化轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物對鵝膏蕈堿的反應(yīng)Ⅰ核仁rRNA前體耐受Ⅱ核質(zhì)mRNA前體(hnRNA)極敏感Ⅲ

核質(zhì)5SrRNAtRNA中度敏感2)真核的RNA聚合酶（注意：S)RNA聚合酶與DNA聚合酶的區(qū)別RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大，4.8×105dol小，1.09×105dol引物無有產(chǎn)物較短，游離較長，與模板以氫鍵相連作用方式一條鏈的某一段兩條鏈同時進行外切酶活性無5’3’，3’5’校對合成能力無有修復(fù)能力無有

沉降系數(shù)S

生物大分子在離心場中沉降，受到三種力的影響，它們是離心力，浮力和摩擦力。物質(zhì)在單位離心力場下的沉降速度是個定值，稱為沉降系數(shù)（sedimentationcoefficient）。蛋白質(zhì)、核酸等的沉降系數(shù)在1X10-13到200X10-13秒之間。為方便將10-13秒作為一個單位，稱Svedberg單位，用S表示。其數(shù)值不僅與物質(zhì)分子的質(zhì)量有關(guān)，也與分子的形狀有關(guān)。

2.2轉(zhuǎn)錄模板轉(zhuǎn)錄的模板：DNA雙鏈中的一條模板鏈：DNA雙鏈中具有轉(zhuǎn)錄功能的一條鏈（templatestrand）編碼鏈：貯存有遺傳信息與模板鏈互補的一條鏈（codingstrand）5/3/3/5/不對稱轉(zhuǎn)錄：

1、RNA分子上只有一條可轉(zhuǎn)錄2、模板鏈并不總是在同一單鏈上RNA合成方向：5/→3/不對稱轉(zhuǎn)錄（asymmetrictranscription）DNA5′……GGAGTACATGTC…3′（編碼鏈，+,）

3′……CCTCAUGUACAG…5′（模板鏈，-，）↓（轉(zhuǎn)錄）5′……GGAGUACAUGUC……3′

mRNA

↓（翻譯）N……Ala…Val…His…Val…C

多肽

RNA聚合酶的底物（RNA合成的原料）：ATP、GTP、CTP、UTP2.3底物

DNA上的轉(zhuǎn)錄起始序列，稱為啟動子，有序列保守性，不僅是轉(zhuǎn)錄起始的位置，而且影響轉(zhuǎn)錄的活性。RNA聚合酶結(jié)合在啟動子上上游下游2.4啟動子（promoter）注意原核啟動子在-35和-10區(qū)域的保守序列Pribnowbox編碼鏈AACTGTATATTA模板鏈TTGACATATAAT3’5’DNA轉(zhuǎn)錄起始點Probnow盒子啟動子35

10

+1轉(zhuǎn)錄區(qū)5’3’RNA轉(zhuǎn)錄起點與新生RNA鏈第一個核甘酸相對應(yīng)DNA鏈上的堿基。真核生物啟動子的結(jié)構(gòu)核心啟動子（corepromoter）上游啟動子元件（upstreampromoterelement，UPE）1、核心啟動子

定義：指保證RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始位點及轉(zhuǎn)錄起始位點上游TATA區(qū)作用：選擇正確的轉(zhuǎn)錄起始位點，保證精確起始TATA常在-25bp左右，相當于原核的-10序列T85A97T93A85A63A83A502、上游啟動子元件●包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等●作用：控制轉(zhuǎn)錄起始頻率。CAAT：-70--80bpGGGCGG：-80--110bp轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物●原核生物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物

轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄復(fù)合體TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIFPolIITFIIERNApolⅡ的轉(zhuǎn)錄起始●真核生物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物過程：啟動子的選擇、轉(zhuǎn)錄起始、RNA鏈的延伸、終止啟動子的選擇

包括RNA聚合酶全酶對啟動子的識別，聚合酶與啟動子可逆性結(jié)合形成封閉復(fù)合物——DNA鏈仍處于雙鏈狀態(tài)。接著，隨著DNA構(gòu)象上的變化，封閉復(fù)合物轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放復(fù)合物，聚合酶全酶所結(jié)合的DNA序列中有一小段雙鏈解開。2.5轉(zhuǎn)錄過程及其特點2)轉(zhuǎn)錄開始

由σ因子辨認并且結(jié)合到啟動子上，局部解鏈（10-20bp），拓樸異構(gòu)酶等也參與。3)RNA鏈的延伸

由核心酶催化，以其中的一股DNA單鏈作為模板鏈，以NTP為原料，按照堿基互補配對的原則，通常是由5’ppp嘌呤核苷（G或A）開頭向著3’方向延長多核苷酸鏈，合成開始后，σ因子從模板上脫離下來（可以重復(fù)利用）。核心酶覆蓋雙鏈DNA和RNA復(fù)合物，向前推進，一邊解開螺旋，一邊釋放出新合成的RNA鏈，后面已經(jīng)轉(zhuǎn)錄的區(qū)域中分開的DNA鏈又重新形成雙螺旋?！稗D(zhuǎn)錄泡（transcriptionbubble）”轉(zhuǎn)錄過程中的模板識別、起始和延伸

A.依賴ρ因子的終止

新生RNA上有ρ因子的識別位點。它與聚合酶-DNA-RNA復(fù)合物結(jié)合，向3’端移動，并解開DNA-RNA雜交體，需ATP。弱終止子－需要ρ因子B.依賴于特定序列的終止（不依賴ρ因子的終止）

轉(zhuǎn)錄終止區(qū)有特殊結(jié)構(gòu)。終止區(qū)的上游有GC二重對稱區(qū)，轉(zhuǎn)錄的RNA容易形成多個“發(fā)卡”結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的3’端有polyU序列。這種特殊的二級結(jié)構(gòu)阻止了轉(zhuǎn)錄向下游繼續(xù)推進。強終止子－內(nèi)部終止子4)轉(zhuǎn)錄的終止不依賴因子的終止終止位點上游一般存在一個富含GC堿基的二重對稱區(qū)，RNA形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；在終止位點前面有一段由4-8個A組成的序列，RNA的3’端為寡聚U發(fā)夾式結(jié)構(gòu)和寡聚U的共同作用使RNA從三元復(fù)合物中解離出來。終止效率與二重對稱序列和寡聚U的長短有關(guān)，長度效率依賴因子的終止因子：六聚體蛋白、水解各種核甘三磷酸促使新生RNA鏈從三元轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中解離出來，從而終止轉(zhuǎn)錄。AB轉(zhuǎn)錄終止的兩種方式

轉(zhuǎn)錄得到的只是RNA的初級產(chǎn)物，通常要經(jīng)過加工，才能轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓腞NA。tRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工比較簡單.

3RNA后的加工（post-transcriptionalprocessing）原核前體RNA的加工tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工與修飾

注意tRNA上的修飾和稀有堿基

mRNA轉(zhuǎn)錄后的加工

原核生物的結(jié)構(gòu)基因（編碼的）是多順反子（poly-cistron），通常是將幾個相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因一起轉(zhuǎn)錄得到多個mRNA。（順反子cistron一詞可以視作基因的同義詞）。而真核基因是單順反子（mono-cistron），其mRNA的轉(zhuǎn)錄比較復(fù)雜,因為真核通常只轉(zhuǎn)錄出一個結(jié)構(gòu)基因,而且其結(jié)構(gòu)基因通常又是斷裂基因,即是由編碼的外顯子（exon）和不編碼的內(nèi)含子（intron）間隔排開組成的。因此,轉(zhuǎn)錄得到的僅僅是mRNA的“毛坯”，稱為核不均RNA（hnRNA），要進行轉(zhuǎn)錄后的加工-----------在其5’端加上鳥嘌呤“帽子”，3’端加上polyA的“尾巴”，再切除內(nèi)含子，將外顯子拼接，才能成為一個成熟的mRNA。真核mRNA前體轉(zhuǎn)錄后加工(以卵清蛋白mRNA的轉(zhuǎn)錄為例)外顯子內(nèi)含子5’3’真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工，包括：

1.在5’端加鳥嘌呤“帽”結(jié)構(gòu)

2.在3’端加polyA的“尾”

3.切除內(nèi)含子；

4.拼接外顯子。5’帽結(jié)構(gòu)5’端的一個核苷酸總是7-甲基鳥核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5’端的這種結(jié)構(gòu)稱為帽子（cap）。1、在5’端加帽通過5′→5′磷酸二酯鍵在原初mRNA的5’端倒扣一個“G”。?在新生mRNA鏈達到50個核苷酸前，甚至可能在RNAPolII離開轉(zhuǎn)錄起始位點之前，帽子結(jié)構(gòu)就已加到mRNA的第一個核苷酸上了。?5′末端加上鳥苷是由鳥苷轉(zhuǎn)移酶催化的。?帽子結(jié)構(gòu)是GTP和原5’三磷酸腺苷（或鳥苷）縮合反應(yīng)的產(chǎn)物。?mRNA的帽子結(jié)構(gòu)常常被甲基化。

真核生物mRNA的“帽子”結(jié)構(gòu)

mRNA的帽子結(jié)構(gòu)常常被甲基化零類帽子（cap0）：第一個甲基出現(xiàn)在所有真核細胞的mRNA中（單細胞真核生物mRNA主要是這個結(jié)構(gòu)），由鳥苷酸-7甲基轉(zhuǎn)移酶催化，稱為零類帽子。1類帽子(cap1)：如在第二個核苷酸(原mRNA5’第一位)的2’-OH位上加另一個甲基，這步反應(yīng)由2’-O-甲基轉(zhuǎn)移酶完成。一般把有這兩個甲基的結(jié)構(gòu)稱為1類帽子。真核生物中以這類帽子結(jié)構(gòu)為主。2類帽子(cap2):在某些生物細胞內(nèi)，mRNA鏈上的第三個核苷酸的2’-OH位也可能被甲基化，因為這個反應(yīng)只以帶有1類帽子的mRNA為底物，所以被稱為2類帽子。只占有帽mRNA總量的10%-15%以下。帽子結(jié)構(gòu)功能：①能被核糖體小亞基識別，促使mRNA和核糖體的結(jié)合；②m7Gppp結(jié)構(gòu)能有效地封閉mRNA5’末端，以保護mRNA免受5’核酸外切酶的降解，增強mRNA的穩(wěn)定。2、3’端加尾多聚腺苷酸尾巴AAUAAA：★準確切割★加poly（A）多聚腺苷酸尾巴功能：提高了mRNA在細胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。3、RNA的剪接（切除內(nèi)含子，拼接外顯子）地中海貧血病人的珠蛋白基因，1/4生物體內(nèi)內(nèi)含子的主要類型：

GU-AG、AU-AC、Ⅰ類內(nèi)含子、Ⅱ類內(nèi)含子

5’..AAGUAAGU…….CURAY..(10-40)…(U/C)11NCAGG….3’IntronexonexonPolyprimidineCAG=UAG>AAG>GAG參與RNA剪接的物質(zhì)：snRNA（核內(nèi)小分子RNA）snRNP（與snRNA結(jié)合的核蛋白）①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5Ⅰ類內(nèi)含子的自我剪接Ⅱ類內(nèi)含子的自我剪接4、RNA的編輯編輯（editing）是指轉(zhuǎn)錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基的突變、加入或丟失等現(xiàn)象。C變?yōu)閁堿基的突變尿苷酸的缺失和添加1986.R.Benne在研究錐蟲線粒體mRNA轉(zhuǎn)錄加工時發(fā)現(xiàn)mRNA的多個編碼位置上加入或丟失尿苷酸，1990年在高等動物和病毒中也發(fā)現(xiàn)了編輯現(xiàn)象。

錐蟲coxII基因的編輯RNA的再編碼4、原核生物與真核生物mRNA的特征比較

1）原核生物mRNA的特征●半衰期短●多以多順反子的形式存在多順反子mRNA：編碼多個蛋白質(zhì)的mRNA。單順反子mRNA：只編碼一個蛋白質(zhì)的mRNA。結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透過酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA●5’端無“帽子”結(jié)構(gòu)，3’端沒有或只有較短的poly（A）結(jié)構(gòu)。SD序列：mRNA中用于結(jié)合原核生物核糖體的序列。2）真核生物mRNA的特征●5’端存在“帽子”結(jié)構(gòu)●多數(shù)mRNA3’端具有poly（A）尾巴（組蛋白除外）●以單順反子的形式存在“基因”的分子生物學定義：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核甘酸序列。原核生物和真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的比較

DNA和RNA生物合成的比較(1)

復(fù)制

轉(zhuǎn)錄1.原料dNTPNTP2.模板DNA兩條鏈DNA一條鏈3.引物需要RNA引物不需引物4.新連延伸方向5ˊ→3ˊ5ˊ→3ˊ5.主要酶類DNA聚合酶RNA聚合酶解旋、解鏈酶類（α2ββˊσ）引物酶終止因子(ρ)DNA連接酶DNA和RNA生物合成的比較(2)

復(fù)制過程轉(zhuǎn)錄過程模板DNA解旋與解鏈，σ因子辨認起始點,

形成復(fù)制叉；帶動全酶解開DNA雙鏈,形成引發(fā)體，促使轉(zhuǎn)錄起動；合成RNA引物；σ因子隨之脫落下來；3.按A=T、G=C堿基配對在核心酶催化下,

規(guī)則，合成DNA；使RNA鏈不斷延長；切除引物、填補空隙、ρ因子終止鏈延長。形成岡崎片段；DNA連接酶連接封口，形成長鏈DNA；6.在Tus蛋白參與下，終止復(fù)制中國科學院2001年碩士研究生入學考試：名詞解釋：Transcription;Reversetranscription1、下列有關(guān)TATA盒(Hognessbox)的敘述,哪個是正確的:A.它位于第一個結(jié)構(gòu)基因處

B.它和RNA聚合酶結(jié)合

C.它編碼阻遏蛋白

D.它和反密碼子結(jié)合

B

2.轉(zhuǎn)錄需要的原料是:

dNTPB.dNDP

C.dNMP

D.NTPE.NMPD3、DNA模板鏈為5’-ATTCAG-3’,其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是:A.5’-GACTTA-3’B.5’-CTGAAT-3’C.5’-UAAGUC-3’D.5’-CUGAAU-3’

D4、DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程有許多相同點,下列描述哪項是錯誤的?A.轉(zhuǎn)錄以DNA一條鏈為模板,而以DNA兩條鏈為模板進行復(fù)制