RNA Biosynthesis (Transcription)

RNA Biosynthesis (Transcription)

RNA 生物合成 ( 转录 )

第十一章

李志红三峡大学医学院

转录（ transcription ）

生物体以 DNA 为模板合成 RNA 的过程

。

转录

RNADNA

RNA Structures

转录与复制的相似点：

　 1. 模板均为 DNA ；

　 2. 延长机理都是形成磷酸二酯键；

　 3. 方向均为 5′→3′ 。　

转录和复制的区别

复制 转录模板 DNA 双链 DNA 的一条链

原料 dNTP (N=A 、 G 、 C 、T)

NTP(N=A 、 G 、 C 、U)

引物 需要 不需要酶 DNA 聚合酶 RNA 聚合酶

产物 DNA RNA

配对 A-T 、 G-C A-U 、 T-A 、 G-C

参与转录的物质

• 原料 : NTP （ ATP, UTP, GTP, CTP

）

• 模板 : DNA

• 酶 : RNA 聚合酶（ RNA polymerase

, RNA-pol ）

• 其他蛋白质因子

第一节转录的模板和酶

Templates of Transcription and Enzy

mes

一、转录模板

5'

3'

3'

5'

½á¹¹ »ùÒò£¨ structural gene£©

　　　双链 DNA 分子中能作为模板转录出

RNA 的那条链，称为模板链。

　　　另一条互补链称为编码链。

G C A G T A C A T G T C5' 3'

3' C G T C A T G T A C A G 5'DNA

Ä£°åÁ´

±àÂëÁ´

ת ¼

RNA G C A G U A C A U G U C5' 3'

•转录产物 RNA 的碱基序列，除了 T 变 U 外，其余与编码链相同。

不对称转录　　 (asymmetric transcription) • 在 DNA 分子双链上某一区段，一股链

可转录，另一股链不转录；• 模板链并非永远在同一单链上。

RNA 聚合酶全酶及核心酶电泳图谱

二、 RNA 聚合酶（ DNA-dependent RNA polymerase, DDRP ）

• 原核生物的 RNA 聚合酶

E.coli 的 RNA 聚合酶 (480kD) 是由四种亚基组成的六聚体（ 2 ）

ºËÐÄø£¨ core enzyme£©È«Ã¸£¨ holoenzyme£©

E. coli RNA 聚合酶组分亚基 分子量 功 能

36512 决定哪些基因被转录

150618 催化功能

155613 结合 DNA 模板

70263 辨认起始点

•原核生物的 RNA 聚合酶都受一类抗结核药利福平或利福霉素的特异性抑制。这类药物能与 RNA 聚合酶的亚基特异结合，从而影响酶的活性。

利福平

三、酶与模板的辨认结合

RNA 聚合酶结合模板 DNA 的部位称为启动子 (promoter) 。是调控转录的关键部位。

5'

3'

3'

5'

µ÷¿ØÐòÁÐ ½á¹¹ »ùÒò

Æô¶¯×ÓRNA-pol

开始转录

T T G A C AA A C T G T

-35 区

T A T A A T Pu A T A T T A Py

-10 区

1-30-50 10-10-40 -205

3

3

5

原核生物启动子保守序列

55

RNA 聚合酶保护区 结构基因

33

Pribnow box

原核生物启动子－ 35 区：一致性序列为 TTGACA

是 RNA-pol 的辨认位点

－ 10 区：一致性序列为 TATAAT

又叫 Pribnow 盒是 RNA-pol 的结合位

点

RNA 聚合酶全酶在转录起始区的结合

第二节

转录过程The Process of Transcription

分为三个阶段：

起始 (initiation)

延长 (elongation)

终止 (termination)

2. DNA 双链解开。

1. RNA 聚合酶全酶 (2) 与模板结合。

3. 在 RNA 聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。

5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + PPi

（一）转录起始

一、原核生物的转录过程

RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3

转录起始复合物

（二）转录延长

1. 亚基脱落， RNA–pol 聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着 DNA 模板前移；

2. 在核心酶作用下， NTP 不断聚合， RNA链不断延长。

(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi

转录泡（ transcription bubble ）：

在转录延长过程中，由局部打开

的 DNA 双链、 RNA 聚合酶核心酶及新生成

的 RNA 三者结合在一起的复合体，为空泡

状结构，又称转录复合物。

电镜下原核生物转录过程中的羽毛状现象

•转录未完成，翻译已开始进行。

•在同一 DNA 模板上，有多个转录同时在进行。

多聚核糖体 （ polysome)

一个 mRNA 分子可同时有多个核糖体在进行同一种蛋白质的合成，这种 mR

NA 和多个核糖体的聚合物称为多聚核糖体。

( 三 ) 转录终止

　　 RNA 聚合酶在 DNA模板上停顿下来，转录产物 RNA链从转录复合物上脱落下来。

分类：

•依赖 Rho (ρ) 因子的转录终止•非依赖 Rho因子的转录终止

1. 依赖 ρ 因子的转录终止 因子是同六聚体蛋白； 因子能结合 RNA ，与 poly C 的结合力最强； 因子还有 ATP 酶和解螺旋酶的活性。

2. 不依赖 ρ 因子的转录终止

　 DNA 模板上靠近终止处，有特殊的碱基序列，转录出 RNA 后， RNA 产物形成特殊的结构来终止转录。

不依赖 因子的终止子：含富 GC的回文序列和寡聚 U序列。

茎环结构终止转录的机理

• 使 RNA 聚合酶变构，转录停顿；• 使转录复合物趋于解离， RNA产物释放。

Transcription Cycle

PromoterTerminatorsigma factor

1 ）可启动 RNA 的合成，不需要引物；2 ）只以一条链为模板；3 ）按模板的碱基顺序，遵守碱基互补原则，即 A 与 U ， G 与

C 配对，严格挑选正确的底物，催化磷酸二酯键生成，从而把底物 NTP 聚合成 RNA 链；

4 ） RNA 合成方向均为 5′→ 3′ ；5 ）合成是连续进行的；6 ）只有聚合活性没有降解活性，没有象 DNA 聚合酶 I 那样的

校正活性；7 ）能识别转录终止信号。

小结 : 转录特点 flash

二、真核生物的转录过程　

（一）转录起始

真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时， RNA-pol 不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。

1. 真核生物的 RNA 聚合酶

种类 I II III

转录产物 45S-rRNA

hnRNA5S-rRNA

tRNA, snRNA

对鹅膏蕈碱的反应 不敏感 极敏感 中度敏感

毒鹅膏 (Amanita phalloides ,or death cap)

α-amanitinα-amanitin

• α-amanitin is a cyclic peptide of eight amino acids. It is possibly the most deadly of all the amatoxins. • It is an inhibitor of RNA polymerase II. This mechanism makes it a deadly toxin.

具有双环结构的八肽毒素

Be careful of this deadly mushroom!

2. 真核生物启动子

½á¹¹ »ùÒòGCGC CAAT TATA

ÄÚº¬×ÓÍâ ÏÔ×Ó Íâ ÏÔ×Ó

ת ¼Æðʼ

CAATºÐ

GCºÐ

ÔöÇ¿×Ó

˳ʽ×÷ÓÃÔª¼þ

TATAºÐ (Hogness box)

(cis-acting element)

3. 转录因子

能直接或间接辨认和结合转录上游区段 DNA 的蛋白质，统称为反式作用因子 (trans-acting factors) 。

反式作用因子中，直接或间接结合 RNA 聚合酶的，则称为转录因子 (trans-criptional factors, TF) 。

参与 RNA-pol Ⅱ转录的 TF Ⅱ

转录因子 亚基和 (或 ) 分

子量（ kDa ） 功能

TF DⅡ TBP ， 38 结合 TATA 盒TAF 辅助 TBP-DNA 结合

TF AⅡ 12 ， 19 ， 35 稳定Ⅱ D-DNA 复合物TF BⅡ 33 促进 RNApolⅡ结合TF FⅡ 30 ， 74 解螺旋酶TF EⅡ 57() ， 34(β) ATPase

TF HⅡ 蛋白激酶，使 CTD 磷酸化

4. 转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC)

真核生物 RNA-pol 不与 DNA 分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。

Order of binding is: IID + IIB + RNA poly. II + IIF +IIE +IIH

•TBP: TATA binding protein.TBP: TATA binding protein.

RNA pol II

TF II F

TBP TAF

TATADNA

TF II A

TF II B

TF II E

ת ¼ǰÆðʼ̧´ ºÏ Îï

TF II H

Movie

4. 拼板理论 (piecing theory)

一个真核生物基因的转录需要 3至 5个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性和专一性的复合物，再与 RNA 聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。

（二）转录延长

真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。

RNA-pol前移处处都遇上核小体。

转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。

RNA-Pol

RNA-Pol

RNA-Pol

核小体转录延长中的核小体移位

转录方向

（三）转录终止

转录起始点

TATA 盒

CAAT 盒

GC 盒

增强子

AATAAA

切离加尾

转录终止点

修饰点

外显子 翻译起始点

内含子

OCT-1

OCT-1 ： ATTTGCAT 八聚体

小结：真核生物基因的基本结构及转录过程

第三节

真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification

一、 mRNA 的转录后加工

( 一 )首尾的修饰

1. 5´-端加帽： m7GpppG——

2. 3´-端加尾：多聚腺苷酸 (poly

A)

5 pppGp…

5 GpppGp…

pppG

PPi

鸟苷酸转移酶

5 m7GpppGp…

甲基转移酶SAM

1. 5´-帽子结构 (m7GpppG) 的生成

5 ppGp…磷酸酶

Pi

55

加帽过程

帽子结构的意义：

•可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；

•也能与帽结合蛋白质复合体 (cap-binding complex of protein) 结合，并参与 mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。

2. 3´-端加尾• polyA 的有无与长短，是维持 mRNA 作为翻译模板的活性，以及增加 mRNA本身稳定性的因素。

（二） mRNA 的剪接

1. hnRNA 和 snRNA

• 核内的初级mRNA 称为非均一核 RNA

(hetero-nuclear RNA, hnRNA)

• snRNA (small nuclear RNA)

核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体

（剪接体 , splicesome）

snRNA

鸡卵清蛋白成熟mRNA 与 DNA杂交电镜图

真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。

断裂基因 (splite gene)

非编码区 A~G 编码区 1~7

A B C D E F GL 1 2 3 4 5 6 7

7 700 bp

2. 外显子 (exon) 和内含子 (intron)

• 外显子在断裂基因及其初级转录产物上出

现，并表达为成熟 RNA 的核酸序列。

• 内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程

中被除去的核酸序列。

3. mRNA 的剪接—— 除去 hnRNA 中的内含子，将外显子连接。

•snRNP 与 hnRNA 结合成为剪接体

mRNA 的剪接过程（动画）

鸡卵清蛋白基因

hnRNA

首、尾修饰

hnRNA剪接

成熟的 mRNA

鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰

4. mRNA 的编辑 (mRNA editing)

胞嘧啶核苷脱氨酶

•mRNA 上的一些序列经过编辑发生改变。

二、 rRNA 的转录后加工

转录

剪接

18S - rRNA 5.8S 和 28S-rRNA

rDNA

内含子 内含子 28S5.8S18S

45S - rRNA

RNA polⅠ催化合成

三、 tRNA 的转录后加工

tRNA前体

TGGCNNAGTGC GGTTCGANNCC

DNA

RNA pol Ⅲ 催化合成

成熟 tRNA

RNAaseP、内切酶

连接酶

tRNA 核苷酸转移酶

碱基修饰

（ 2 ）还原反应 如： U DHU

（ 3 ）核苷内的转位反应 如： U ψ

（ 4 ）脱氨反应 如： A I

如： A Am

（ 1 ）甲基化（ 1 ）

（ 1 ）

（ 3）

（ 2）

（ 4）

本章要点• 原核生物 RNA 的生物合成

– 模板：结构基因，模板链，编码链，不对称转录– RNA 聚合酶：全酶，核心酶， σ因子（利福平抑制）– 启动子： -10区 (Pribnow box) ； -35 区– 过程：起始（转录起始复合物）、延长（转录空泡）、终止（是否依赖ρ因子）（重点）

• 真核生物 RNA 的生物合成（概念）– RNA 聚合酶：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（鹅膏蕈碱反应）– 顺式作用元件（启动子、增强子）– 反式作用因子、转录因子

• 真核生物 RNA 合成的加工– mRNA 加工（重点）

• hnRNA 、 snRNA（含义、作用）；加帽、加尾、剪接（断裂基因、外显子、内含子）； mRNA 编辑

– rRNA 加工； tRNA 加工

• 思考题：1. 复制与转录的异同点。

2.RNA 聚合酶与 DNA 聚合酶作用的异同点。

3.原核生物与真核生物 RNA 聚合酶有何异同？

4. 原核生物与真核生物中的启动子结构特点及功能。

5.原核生物与真核生物的转录终止有何不同？

6.试述原核生物转录的过程。

7. 真核生物 mRNA 转录后加工包括哪些内容？