第十五章RNA生物合成

主要內容第一節(jié)、轉錄第二節(jié)、轉錄后的加工第二節(jié)、基因轉錄調控當前1頁，總共75頁。轉錄轉錄：生物體以DNA為模板、NTP為原料，在RNA聚合酶催化下合成單鏈RNA的過程。RNADNA

DNA復制

(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi(NTP)n(NMP)n+PPi當前2頁，總共75頁。轉錄的體系底物(substrate):

ATP,GTP,CTP,UTP；模板(template):DNA單鏈；聚合酶(polymerase):

依賴DNA的RNA聚合酶；RNA的延長只可沿5‘→3’方向進行；其他輔助因子:轉錄因子（真核生物），延長因子（真核生物）。當前3頁，總共75頁。一、轉錄的模板5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtcatgtacag···5′編碼鏈模板鏈5′···GCAGUACAUGUC···3′mRNAN······Ala·Val·His·Val······C蛋白質轉錄翻譯當前4頁，總共75頁。模板鏈與編碼鏈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，稱為模板鏈(templatestrand)，也稱作有意義鏈或Watson鏈。與模板鏈進行堿基配對的另一股DNA單鏈稱為編碼鏈(codingstrand)，也稱為反義鏈或Crick鏈。當前5頁，總共75頁。二、RNA聚合酶RNA聚合酶（RNApolymerase,RNApol）：催化DNA轉錄合成RNA的酶，也稱DNA指導的RNA聚合酶（DNAdependentRNApolymerase）。當前6頁，總共75頁。二、RNA聚合酶1.原核生物RNA聚合酶（只有一種）亞基分子量亞基數(shù)功能a365002識別特異性轉錄基因b1510001催化RNA合成b'1550001DNA結合s700001啟動子識別110001未知當前7頁，總共75頁。原核RNA聚合酶結構示意圖核心酶

(coreenzyme)全酶

(holoenzyme)（轉錄起始階段）（轉錄延長階段）當前8頁，總共75頁。二、RNA聚合酶2.真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III對鵝膏蕈堿的敏感性耐受很敏感中度敏感轉錄產物45SrRNA不均一核RNA（hnRNA，即mRNA的前體)tRNA前體、5SrRNA、snRNA當前9頁，總共75頁。二、RNA聚合酶3.RNA的復制以RNA為模板，NTP為原料，在RNA復制酶的作用下合成新的RNA稱為RNA復制。RNA復制酶又稱為RNA指導的RNA聚合酶（RDRP）。當前10頁，總共75頁。RNA復制RNA復制酶RNA復制酶當前11頁，總共75頁。三、啟動子啟動子（promoter）：指的是RNA聚合酶識別、結合和開始轉錄的一段特定DNA序列，位于轉錄單位5’端上游區(qū)。

當前12頁，總共75頁。1．原核生物啟動子原核生物啟動子區(qū)域有3個功能部位：起始轉錄部位轉錄第一個核苷酸的堿基對（+1）、RNA聚合酶識別位點(-35)和結合位點（-10），其中后兩項為啟動子的核心區(qū)域。三、啟動子當前13頁，總共75頁。3開始轉錄TTGACAAACTGT-35區(qū)RNA-pol結合位點(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335RNA-pol辨認位點(Sextamabox)5RNA聚合酶保護區(qū)結構基因53原核生物啟動子結構當前14頁，總共75頁。三、啟動子2．真核生物啟動子

真核生物有三種RNA聚合酶，每一種都有自己的啟動子類型：RNA聚合酶I只轉錄rRNA，只有一種啟動子類型；RNA聚合酶II轉錄mRNA，其啟動子結構最為復雜；RNA聚合酶III負責轉錄tRNA和5SrRNA，其啟動子位于轉錄的DNA序列之內，故稱下游啟動子。當前15頁，總共75頁。三、啟動子2．真核生物啟動子

真核生物RNA聚合酶II的啟動子是多部位結構，主要有四個部位：帽子位點（capsite）：轉錄起始位點（+1）；TATA框:序列為TATA（A/T）A（A/T），決定了轉錄的起始點的選擇；CAAT框:其一致的序列為GG（C/T）CAATCT，控制轉錄起始的頻率；增強子（enhancer）：核心序列TGG（A/T）（A/T）（A/T），能使和它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加。當前16頁，總共75頁。真核生物啟動子結構TATAbox（-25）CAATbox（-75）

增強子（>-100）

結構基因------------CAAT---TATA--轉錄起始點（+1）啟動子轉錄方向當前17頁，總共75頁。四、轉錄過程（原核）（一）轉錄起始：1.RNA聚合酶通過識別位點并初步結合啟動子；2.移動定位并牢固結合在結合位點上；3.在起始位點上建立一個開鏈式啟動子復合物。當前18頁，總共75頁。轉錄起始過程閉鏈式二元復合物開鏈式二元復合物轉錄起始復合物RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3當前19頁，總共75頁。四、轉錄過程（原核）（二）轉錄延長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+PPi當前20頁，總共75頁。轉錄延長示意圖編碼鏈模板鏈核心酶轉錄方向當前21頁，總共75頁。轉錄延長（全貌）轉錄方向當前22頁，總共75頁。四、轉錄過程（原核）（三）轉錄終止終止子：提供轉錄停止信號的DNA序列。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。

原核生物有兩種轉錄終止方式：依賴Rho(r)因子的轉錄終止非依賴Rho因子的轉錄終止當前23頁，總共75頁。四、轉錄過程（原核）（三）轉錄終止1.依賴r因子的轉錄終止模式ATPρ因子具有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。當前24頁，總共75頁。四、轉錄過程（原核）（三）轉錄終止2.非依賴r因子的轉錄終止模式 在轉錄后期，轉錄生成的RNA產物可形成特殊的“發(fā)夾（hairpin）”結構使RNA聚合酶變構，喪失其RNA聚合酶活性，導致轉錄終止。當前25頁，總共75頁。非依賴r因子的轉錄終止模式反向重復序列反向重復序列使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RNA-polRNA-pol當前26頁，總共75頁。原核生物轉錄過程總結1234567當前27頁，總共75頁。五、轉錄過程（真核）真核生物的轉錄過程也可以分為起始、延伸和終止三個階段。真核生物轉錄起始需要各種轉錄因子（TF）與順式作用元件相互結合，同時蛋白質因子之間也要相互識別、結合。能直接、間接辨認和結合真核生物基因順式作用元件的蛋白質，統(tǒng)稱為反式作用因子，直接或間接結合RNA聚合酶的反式作用因子，則稱為轉錄因子。當前28頁，總共75頁。參與RNA-polⅡ轉錄的TFⅡ*相應于RNA-polI、II、III的轉錄因子，分別稱為TFI、TFII、TFIII。當前29頁，總共75頁。真核轉錄起始（動畫）當前30頁，總共75頁。真核轉錄延長（動畫）當前31頁，總共75頁。真核轉錄終止（動畫）當前32頁，總共75頁。主要內容第一節(jié)、轉錄第二節(jié)、轉錄后的加工第二節(jié)、基因轉錄調控當前33頁，總共75頁。

基因轉錄的直接產物初級轉錄產物（primarytranscripts），必須經過轉錄后加工（post-transcriptionalprocessing），才會轉變?yōu)橛泄δ艿腞NA，即成熟RNA分子。一系列的加工修飾包括：RNA鏈的裂解5端與3端的切除特殊結構的形成剪接（splicing）堿基修飾和糖苷鍵改變當前34頁，總共75頁。一、原核生物mRNA的加工mRNA通常沒有轉錄后的加工過程。rRNA需經剪切和修飾加工。剪切：將初級轉錄產物剪成16S、23S和5S三個片段修飾：核糖2’-羥基的甲基化tRNA的加工方式也是剪切和修飾。剪切：切除多余的核苷酸序列修飾：甲基化和3’-端加CCA當前35頁，總共75頁。二、真核生物mRNA的加工

真核生物的大多數(shù)基因都被插入序列（interveningsequence）即內含子（intron）所分隔而成為間斷基因（interruptedgene）即外顯子（exon）。內含子是真核細胞基因中的非編碼序列，而外顯子是指真核細胞基因中的編碼序列。轉錄后需通過剪接反應去除非編碼區(qū)（內含子）使編碼區(qū)（外顯子）成為連續(xù)序列。當前36頁，總共75頁。轉錄產物為hnRNA的真核基因結構示意圖231轉錄起始點AATAAA切離加尾轉錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內含子

順式作用元件結構基因1223112非編碼序列非編碼序列5′3′轉錄hnRNA231非編碼序列非編碼序列5′3′加工mRNA當前37頁，總共75頁。二、真核生物mRNA的加工由hnRNA轉變成mRNA的加工修飾過程包括：（1）5’端形成特殊的帽子結構；（2）在鏈的3’端切斷一段序列并加上多聚腺苷酸（polyA）尾巴；（3）通過剪接除去由內含子轉錄來的序列。當前38頁，總共75頁。帽子結構示意圖“帽子”結構“帽子”結構N7甲基鳥苷酸（m7GpppX）“帽子”結構“帽子”結構核糖的2’OH同樣可以被甲基化當前39頁，總共75頁。帽子結構的生成過程5pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥苷酸轉移酶5

m7GpppGp…甲基轉移酶SAM5ppGp…磷酸酶Pi當前40頁，總共75頁。真核生物3’多聚腺苷酸生成過程當前41頁，總共75頁。加帽和加尾的意義加帽可以使mRNA免遭核酸酶的攻擊；也能與帽結合蛋白質復合體(cap-bindingcomplexofprotein)結合，并參與mRNA和核糖體的結合，啟動蛋白質的生物合成。加尾可以維持mRNA作為翻譯模板的活性，以及增加mRNA本身的穩(wěn)定性。當前42頁，總共75頁。RNA剪接

mRNA的前體（hnRNA）經過剪接體（spliceosome）加工處理，去除內含子，并將相鄰外顯子連接起來，形成有功能mRAN(成熟mRNA)，這一過程稱為RNA剪接（RNAsplicing）。AB內含子外顯子CDhnRNAABCD內含子（snRNA）mRNA當前43頁，總共75頁。剪接過程內含子外顯子1外顯子2hnRNA中間產物成熟mRNA降解第一次轉酯反應第二次轉酯反應當前44頁，總共75頁。剪接體的生成

剪接體（spliceosome）：是由細胞核小分子核糖核蛋白顆粒（snRNP）與hnRNA結合，使內含子形成套索并拉近上、下游外顯子距離的復合體。hnRNA蛋白snRNA【U1、U2、U4、U5、U6】snRNP剪接體（spliceosome）成熟mRNA剪接體組分套索切下的內含子當前45頁，總共75頁。雞卵清蛋白基因及其轉錄、轉錄后修飾hnRNA剪接、剪切及首尾修飾成熟的mRNA雞卵清蛋白基因當前46頁，總共75頁。RNA剪接（動畫）當前47頁，總共75頁。大鼠降鈣素基因的可變剪接甲狀腺大腦當前48頁，總共75頁。真核mRNA轉錄后加工（動畫）當前49頁，總共75頁。三、tRNA和rRNA加工（一）tRNA轉錄后的加工1.剪切與剪接RNase剪切剪接當前50頁，總共75頁。三、tRNA和rRNA加工（一）tRNA轉錄后的加工2.添加：添加3'氨基酸臂-CCAtRNA核苷酸轉移酶、連接酶當前51頁，總共75頁。①②③④三、tRNA和rRNA加工（一）tRNA轉錄后的加工3.修飾①甲基化：GmG②還原：U

DHU③脫氨:A

I④轉位:UΨ當前52頁，總共75頁。稀有堿基結構示意圖當前53頁，總共75頁。三、tRNA和rRNA加工（二）rRNA轉錄后的加工1.甲基化：發(fā)生于45srRNA2.剪切：45S41S20S18S32S28S—5.8S28S5.8S（真核生物）DNA轉錄當前54頁，總共75頁。真核rRNA的加工過程甲基化甲基化群剪切45SrRNA成熟rRNA當前55頁，總共75頁。復制與轉錄的異同點相同點：需要DNA模板遵循堿基配對原則聚合反應形成磷酸二酯鍵合成方向為5'3'當前56頁，總共75頁。七、復制與轉錄的異同點不同點：DNA復制RNA轉錄模板兩條鏈為模板其中一條鏈為模板合成方式半保留復制不對稱轉錄聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶原料dNTPNTP堿基配對A:T/G:CA:U/G:C引物需要不需要產物雙鏈DNA單鏈RNA當前57頁，總共75頁。主要內容第一節(jié)、轉錄第二節(jié)、轉錄后的加工第二節(jié)、基因轉錄調控當前58頁，總共75頁。一些基本概念基因（gene）：負載特定遺傳信息的DNA片段，可以編碼單個具有生物功能的產物，如RNA和多肽鏈，其結構包括由DNA編碼序列、非編碼調節(jié)序列和內含子組成的DNA區(qū)域?；虮磉_（geneexpression）：指基因通過轉錄和翻譯而產生其蛋白質產物，或轉錄后直接產生其RNA產物（如tRNA、rRNA等）的過程?；虮磉_調控（RegulationofGeneExpression）：指在不同時期和不同條件下，基因表達的開或關以及基因表達速率均受到調節(jié)和控制。當前59頁，總共75頁。一、原核細胞轉錄水平的調節(jié)—操縱子學說

操縱子（operon）：由幾個功能相關的結構基因及其調控區(qū)組成一個基因表達單位。調控區(qū)由上游的啟動子（promoter）和操縱區(qū)（operator）組成。操縱子有兩種類型：

一類是誘導操縱子，即誘導基因，這些基因能因環(huán)境中某些物質的出現(xiàn)而被活化。

另一類是阻遏操縱子，即阻遏基因，一般情況下處于表達狀態(tài)，但當其產物大量出現(xiàn)時即關閉。當前60頁，總共75頁。（一）乳糖操縱子1.乳糖操縱子的結構

調控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D移酶ZYAOPDNA當前61頁，總共75頁。（一）乳糖操縱子2.乳糖操縱子受到了阻遏蛋白的負性調控mRNA阻遏蛋白pol阻遏基因無乳糖存在時IDNAZYAOP當前62頁，總共75頁。（一）乳糖操縱子2.乳糖操縱子受到了阻遏蛋白的負性調控mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶IDNAZYAOP當前63頁，總共75頁。3.分解物基因激活蛋白（CAP）的正性調節(jié)有葡萄糖，cAMP濃度低，CAP未被激活，不能結合CAP位點無葡萄糖，cAMP濃度高，CAP被cAMP激活可結合CAP位點（一）乳糖操縱子++++

轉錄ZYAOPDNACAPCAPCAPsiteCAP當前64頁，總共75頁。CAP激活RNA聚合酶示意圖

沒有CAP結合CAP位點，RNA聚合酶僅具有低轉錄起始活性；但CAP結合CAP后，能顯著提高RNA聚合酶的轉錄起始活性。當前65頁，總共75頁。（一）乳糖操縱子4.阻遏蛋白與CAP的協(xié)調調節(jié)當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對乳糖操縱子表達不起調控作用；當阻遏蛋白失活，基因開放時，無CAP的正性調控，乳糖操縱子僅處于低表達或不表達狀態(tài)；當阻遏蛋白失活，基因開放時，CAP的正性調控使乳糖操縱子處于高表達狀態(tài)。當前66頁，總共75頁。乳糖操縱子協(xié)調表達示意圖mRNA低乳糖時高乳糖時葡萄糖低cAMP濃度高葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO【阻遏蛋白關閉基因】【基因高表達】【阻遏蛋白關閉基因】【無CAP，基因低表達】當前67頁，總