第第 十十 四四 章章RNARNA的生物合成的生物合成RNA Biosynthesis基基 本本 内内 容容原核生物转录的模板与酶原核生物转录的模板与酶原核生物的转录过程原核生物的转录过程真核生物真核生物RNA的生物合成的生物合成真核生物真核生物RNA的加工的加工 严格意义上，严格意义上，RNA的生物合成的生物合成 转录转录RNA的生物合成的生物合成 转录转录 RNA的复制的复制RNA的复制：以的复制：以RNA为模板生成为模板生成RNA，如冠状病毒，如冠状病毒转录转录 (transcription) 生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 转转录录RNADNA转录的意义转录的意义基因表达基因表达的第一步的第一步基因表达调控的主要环节基因表达调控的主要环节参与转录的物质参与转录的物质原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板: : 解开成单链的解开成单链的DNA酶酶: : RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase, RNA pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子原核生物转录的模板和酶原核生物转录的模板和酶Templates and Enzymes in Prokaryotic Transcription第一节第一节一、一、 原核生物转录的模板原核生物转录的模板 DNA分分子子上上转转录录出出RNA的的区区段段，称称为为结结构构基因基因(structural gene)。 结构基因的两条结构基因的两条DNA单链：单链： 有意义链（有意义链（sense strand，+): 也称编码链（也称编码链（coding strand) 反义链（反义链（antisense strand，- ): 即模板链（即模板链（template strand)5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译转录转录5GCAGUACAUGUC 3转录转录mRNA5GCAGUACAUGUC 3转录转录5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向不对称转录不对称转录(asymmetric transcription) 在在DNA分子双链上某一区段，一股链用分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录作模板指引转录，另一股链不转录 ；编码链并非永远在同一条单链上。编码链并非永远在同一条单链上。转录的选择性转录的选择性 关于关于DNADNA和和RNARNA的碱基序列，方向总是从的碱基序列，方向总是从5 5到到3 3，除非特别说明。，除非特别说明。对于对于DNADNA，一般总是，一般总是讲编码链上的序列讲编码链上的序列, ,这样也容易将这样也容易将DNA序列序列直接与氨基酸的密码子联系起来直接与氨基酸的密码子联系起来.(NMP)n + NTP (NMP)n+1 +PPiRNA聚聚合合酶酶通通过过在在RNA的的3 -羟羟基基端端加加入入核核苷苷酸酸延延长长RNA链链，以以5 5 到到到到3 3 方向方向方向方向合成合成RNA。总的反应：总的反应：二、二、RNARNA合成由合成由RNA聚合酶催化聚合酶催化原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶三、三、RNARNA聚合酶结合到聚合酶结合到DNADNA的启动序列上启动转录的启动序列上启动转录Promoter：启动序列启动序列（原核）或启动子（真核）（原核）或启动子（真核）例：例： 乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNARNA-pol原原核核生生物物一一个个转转录录区区段段可可视视为为一一个个转转录录单单位位，称称为为操操纵纵子子(operon)，包包括括若若干干个个结结构构基基因因及及其其上上游游(upstream)的的调控序列调控序列。 RNA聚合聚合酶保护法酶保护法开始转录开始转录T T G A C A-35 区区(Pribnow box)T A T A A T-10 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动序列中的保守序列原核生物启动序列中的保守序列RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site) Promoter(启动序列或启动子启动序列或启动子)： 是转录起始时能被是转录起始时能被RNA聚合酶识别，进而聚合酶识别，进而与之结合的特定序列，它是起始转录的一与之结合的特定序列，它是起始转录的一段必需的段必需的DNA序列。序列。原核生物的转录过程原核生物的转录过程Process of Transcription in Prokaryote 第二节第二节 一、转录起始需要一、转录起始需要RNARNA聚合酶全酶聚合酶全酶转录起始复合物转录起始复合物RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。转录起始需要转录起始需要RNARNA聚合酶全酶聚合酶全酶1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；模板前移； 2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链链不断延长。不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi二、原核生物转录的延伸阶段二、原核生物转录的延伸阶段转录空泡转录空泡(transcription bubble)：转录过程中，转录过程中，RNA聚合酶及其所覆盖的聚合酶及其所覆盖的DNA双链以及合成的双链以及合成的RNA共同构共同构成的复合物成的复合物,又称为又称为转录复合物转录复合物。RNA-pol （核心酶）（核心酶） DNA RNA5 3 DNA原核生物转录延长时蛋白质的翻译同时进行原核生物转录延长时蛋白质的翻译同时进行核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶依赖依赖Rho ()因子的转录终止因子的转录终止非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止RNA聚聚合合酶酶在在DNA模模板板上上停停顿顿下下来来不不再再前前进进，转录产物转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。链从转录复合物上脱落下来。 分类分类三、原核生物的转录终止三、原核生物的转录终止依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出基序列，转录出RNA后，后，RNA产物形成特殊产物形成特殊的的茎环（茎环（stem-loop)stem-loop)或发夹或发夹(hairpin)(hairpin)结构来结构来终止转录。终止转录。非依赖非依赖 因子的转录终止因子的转录终止茎环茎环(stem-loop)结构终止转录结构终止转录茎环结构使转录终止的机理茎环结构使转录终止的机理 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。5pppG5 3 3 5 RNA-pol复制与转录的共同点复制与转录的共同点酶：酶： 依赖于依赖于DNA的聚合酶的聚合酶原料：核苷三磷酸原料：核苷三磷酸模板：模板：DNA单链单链合成的方向：合成的方向：5 3合成过程：起始，延伸，终止合成过程：起始，延伸，终止起始阶段最复杂，形成起始复合物起始阶段最复杂，形成起始复合物多种蛋白因子的参与多种蛋白因子的参与复制与转录的区别复制与转录的区别 复制复制复制复制 转录转录转录转录模板模板模板模板 两股链均复制两股链均复制两股链均复制两股链均复制 不对称转录不对称转录不对称转录不对称转录原料原料原料原料 dNTP NTPdNTP NTP 酶酶酶酶 DNA-pol RNA-polDNA-pol RNA-pol产物产物产物产物 子代双链子代双链子代双链子代双链DNA mRNA, tRNA, rRNADNA mRNA, tRNA, rRNA配对配对配对配对 A-TA-T，C-G A-UC-G A-U，T-AT-A， G-CG-C引物引物引物引物 需要需要需要需要 不需要不需要不需要不需要延伸形式延伸形式延伸形式延伸形式 复制叉复制叉复制叉复制叉 转录泡转录泡转录泡转录泡 拷贝数拷贝数拷贝数拷贝数 1 1 多个多个多个多个起始点起始点起始点起始点 富含富含富含富含A A，T T 启动子启动子启动子启动子终止点终止点终止点终止点 无特殊序列无特殊序列无特殊序列无特殊序列 依赖依赖依赖依赖 因子或因子或因子或因子或RNARNA上终点上终点上终点上终点 附近的特殊序列附近的特殊序列附近的特殊序列附近的特殊序列发生时间发生时间发生时间发生时间 S S期期期期 整个细胞周期整个细胞周期整个细胞周期整个细胞周期目的目的目的目的 细胞增殖细胞增殖细胞增殖细胞增殖 生长、发育生长、发育生长、发育生长、发育 小 结转录具有不对称性转录具有不对称性转录分为起始、延伸、终止三个阶段。转录分为起始、延伸、终止三个阶段。原核只有一种原核只有一种RNARNA聚合酶。转录的起始需要聚合酶。转录的起始需要RNARNA聚合酶全酶聚合酶全酶( ( 2 2) )与启动序列结合，与启动序列结合，由由 亚基识别启动序列，进入延伸阶段后，亚基识别启动序列，进入延伸阶段后， 亚基脱离，由核心酶催化合成亚基脱离，由核心酶催化合成mRNAmRNA、rRNArRNA和和tRNAtRNA。原核的转录终止有两种方式：原核的转录终止有两种方式：因子依赖因子依赖终止和非终止和非因子依赖终止因子依赖终止真核生物真核生物RNARNA的生物合成的生物合成RNA Biosynthesis in Eukaryote 第三节第三节 一、真核生物有三种一、真核生物有三种RNA聚合酶聚合酶 三种真核三种真核RNA聚合酶聚合酶都由两个不同的大亚基都由两个不同的大亚基和和12个小亚基构成个小亚基构成 RNARNA聚聚合合酶酶最最大大亚亚基基（RBP1RBP1）的的羧羧基基末末端端有有一一 段段 共共 有有 序序 列列 为为 Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-SerSer（YSPTSPSYSPTSPS） 的的重重复复片片段段序序列列，称称为为CTDCTD，是是该酶起始该酶起始RNARNA转录所必需的。转录所必需的。CTDCTD：转转录录起起始始复复合合物物装装配配期期非非磷磷酸酸化化，转转录录起始、延伸时磷酸化，转录终止时去磷酸化。起始、延伸时磷酸化，转录终止时去磷酸化。羧基末端结构域羧基末端结构域( (Carboxyl-terminal domain, CTD ) )The Nobel Prize in Chemistry 2006“for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription”Roger Kornberg是是“第一第一个构建出分子水平上真核生个构建出分子水平上真核生物转录图像的人物转录图像的人”l但但一一个个基基因因可可以以转转录录产产生生许许多多RNA拷拷贝贝，而而且且RNA最最终终是是被被降降解解和和替替代代，所所以以转转录录产产生生错错误误RNA对对细细胞胞的的影影响响远远比比复复制制产产生生错错误误DNA对细胞的影响小。对细胞的影响小。RNA聚合酶缺乏校读聚合酶缺乏校读(proofreading)功能功能l 转录发生的错误率比复制发生的错误率高。转录发生的错误率比复制发生的错误率高。二、转录起始需要启动子、二、转录起始需要启动子、RNARNA聚合酶聚合酶和转录因子的参与和转录因子的参与真真核核生生物物的的转转录录起起始始上上游游区区段段比比原原核核生生物物多多样样化化，转转录录起起始始时时，RNA-pol不不直直接接结结合合模模板板，其起始过程比原核生物复杂。，其起始过程比原核生物复杂。转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增强子增强子顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)（一）（一）转录起始点上游区段具有核心启动子序列转录起始点上游区段具有核心启动子序列AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体（二）（二） 转录因子转录因子 能直接、间接辨认和结合转录上游区段能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的的蛋白质蛋白质，现已发现数百种，统称为，现已发现数百种，统称为反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或间接结合反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶聚合酶的，则称为的，则称为转录因子转录因子(transcriptional factors, TF)（狭义）。（狭义）。 顺式作用元件顺式作用元件：指可影响自身基因表达活性的：指可影响自身基因表达活性的DNA序列序列, 包括启动子、增强子等。包括启动子、增强子等。参与参与RNA-pol转录的转录的TF II型基因中的四类型基因中的四类转录因子（广义）转录因子（广义）转录因子转录因子转录因子转录因子具体组分具体组分具体组分具体组分结合序列结合序列结合序列结合序列功能功能功能功能基本组分基本组分TBPTBP，TFIIATFIIA、B B、E E、G G、F F和和H HTBPTBP结合结合TATATATA盒盒转录起始定位；转录转录起始定位；转录起始和延长起始和延长辅激活因子辅激活因子TAFsTAFs和中介子和中介子在其他转录因子与在其他转录因子与RNARNA聚合酶结合中起联结聚合酶结合中起联结和中介作用和中介作用上游因子上游因子SP1SP1、ATFATF、CTFCTF等等启动子上游元件启动子上游元件协助基本转录因子，协助基本转录因子，提高转录效率和专一提高转录效率和专一性性可诱导因子可诱导因子可诱导因子可诱导因子如如如如MyoDMyoDMyoDMyoD、HIF-1HIF-1HIF-1HIF-1等等等等增强子等远隔调增强子等远隔调增强子等远隔调增强子等远隔调控序列控序列控序列控序列时间和空间特异性调时间和空间特异性调时间和空间特异性调时间和空间特异性调控转录控转录控转录控转录（三）（三） 转录起始前复合物转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC) 真核生物真核生物RNA-pol不与不与DNA分子直接结分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。合，而需依靠众多的转录因子。 起始前复合物起始前复合物(pre-Initiation Complex , PIC）含）含RNA聚合酶及聚合酶及一套基本转录因子一套基本转录因子PIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化，启动转磷酸化，启动转录。录。（四）（四） 拼板理论拼板理论(piecing theory) 一个真核生物基因的转录需要若干转录因子。一个真核生物基因的转录需要若干转录因子。基因会不会不够用？基因会不会不够用？转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。转录相应的基因。 真核生物转录延长过程与原核生物大致相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似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。现象。 RNA-pol前移处处都遇上核小体。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转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。解聚现象。 三、真核生物转录延长过程中没有转录与翻三、真核生物转录延长过程中没有转录与翻译同步的现象译同步的现象 5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰点5 5 3 3 3 3 加加polyApolyA，约，约200200个个A AAAAAAAA 3 mRNA四、真核生物的转录终止与加尾修饰同时进行四、真核生物的转录终止与加尾修饰同时进行真核生物真核生物RNARNA加工加工Post-transcriptional RNA Modification第四节第四节一、真核一、真核mRNA的的转录后加工转录后加工1.5端加帽端加帽2.3端加尾端加尾3.剪接剪接4.RNA编辑编辑（一）前体（一）前体mRNA在在5 末端加入帽子结构末端加入帽子结构 (m7GpppGp )真核真核mRNAmRNA帽子结构的功能帽子结构的功能1.1.使使mRNAmRNA免受磷酸酶与核酸酶的攻击，稳定免受磷酸酶与核酸酶的攻击，稳定mRNAmRNA分子的一级结构。分子的一级结构。2.2.提供核糖体识别位点提供核糖体识别位点，使，使mRNAmRNA能与核糖体能与核糖体小亚基结合，促进翻译起始复合物的生成。小亚基结合，促进翻译起始复合物的生成。3.3.帽子结构对帽子结构对mRNAmRNA前体的剪接也非常重要。前体的剪接也非常重要。4.4.促进促进mRNAmRNA从核内转移到胞浆从核内转移到胞浆（二）（二） 前体前体mRNA在在端特异点断裂并加上多端特异点断裂并加上多聚腺苷酸尾聚腺苷酸尾CPSF：剪切和聚腺苷酸化特：剪切和聚腺苷酸化特异性因子异性因子CSF ：剪除刺激因子：剪除刺激因子CF： 剪除因子剪除因子 PAP：多聚腺苷酸聚合酶：多聚腺苷酸聚合酶PABP：多聚腺苷酸结合蛋白：多聚腺苷酸结合蛋白（三）前体（三）前体mRNA的剪接的剪接RNARNA的剪接的剪接(RNA splicing):(RNA splicing):切除原始转录切除原始转录RNARNA中的内含子，将外显子连接起来的过程。中的内含子，将外显子连接起来的过程。杂化核杂化核RNA(hetero-nuclear RNA, hnRNA):RNA(hetero-nuclear RNA, hnRNA): 核内的初级核内的初级mRNAmRNA，即，即Pre-mRNAsPre-mRNAs真核生物结构基因，由若干个真核生物结构基因，由若干个编码区编码区和和非非编码区编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非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。的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。 断裂基因断裂基因(split gene)BAC编码区编码区 A、B、C非编码区非编码区外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron) 外显子外显子(exon)在断裂基因及其初级转录产物上出现，并在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。内含子内含子(intron) 隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。去的核酸序列。 Average number of exons per gene does vary with organism.酿酒酵母酿酒酵母果蝇果蝇哺乳动物哺乳动物鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录录、转转录录后后修修饰饰鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图DNAmRNAmRNAmRNA的的snRNPsnRNP方式剪接方式剪接 剪接发生的接口：剪接发生的接口：l l5 5 5 5 GUGUGUGUAGAGAGAGOH3OH3OH3OH3 l lGU AGGU AGGU AGGU AG在剪接后不一定剪出。在剪接后不一定剪出。在剪接后不一定剪出。在剪接后不一定剪出。剪接体剪接体(splicesome)(splicesome): : 由小核糖核蛋白颗粒由小核糖核蛋白颗粒由小核糖核蛋白颗粒由小核糖核蛋白颗粒(small nuclear ribonucleoprotein particles, (small nuclear ribonucleoprotein particles, (small nuclear ribonucleoprotein particles, (small nuclear ribonucleoprotein particles, snRNP)snRNP)snRNP)snRNP)与与与与mRNAmRNAmRNAmRNA前体组成的复合物。前体组成的复合物。前体组成的复合物。前体组成的复合物。（四）（四）mRNA的选择性剪接的选择性剪接选择性剪接（选择性剪接（ Alternative Splicing ）： 同一个同一个 pre-mRNA 采取至少两种不同的剪采取至少两种不同的剪接方式、产生两种或多种编码不完全相同的接方式、产生两种或多种编码不完全相同的mRNA分子，从而表达出两种或多种蛋白产分子，从而表达出两种或多种蛋白产物的剪接方式，也称为物的剪接方式，也称为可变性剪接可变性剪接。“in humans, 95% of multiexonic genes are alternatively spliced” 选择性剪接选择性剪接大鼠降钙素基因转录物的选择性加工大鼠降钙素基因转录物的选择性加工 降钙素基因相关肽降钙素基因相关肽RNARNA编辑编辑: : 一种能在一种能在RNARNA水平改变编码特性的水平改变编码特性的修饰方式。指修饰方式。指mRNAmRNA转录后因插入、缺失或核转录后因插入、缺失或核苷酸的替换，改变了初始转录产物编码特性，苷酸的替换，改变了初始转录产物编码特性，从而翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质。从而翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质。RNARNA编辑的意义编辑的意义：扩充遗传信息，较正移框：扩充遗传信息，较正移框突变。突变。（五）（五）RNA编辑（编辑（RNA editing) RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加分化加工工(differential RNA processing)。mRNA的编辑的编辑(mRNA editing) 人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏apo B100（分子量为（分子量为500 000）肠道细胞肠道细胞apo B48（分子量为（分子量为240 000）mRNA编辑编辑二、二、 真核真核tRNA的转录后加工的转录后加工（酶促剪接）（酶促剪接）1. 去除去除5端先导序列，端先导序列，2. 切除切除3末端多余核苷酸，核苷酸转移酶催化加上末端多余核苷酸，核苷酸转移酶催化加上 CCA-OH尾尾3. 稀有碱基的生成稀有碱基的生成4. 剪接除去内含子剪接除去内含子(见于部分真核见于部分真核tRNA)。三、真核三、真核rRNA的转录后加工的转录后加工转录转录45S - rRNA剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S具有酶促活性的具有酶促活性的RNA称为核酶（称为核酶（a catalytic RNA，RNA enzyme)。核酶核酶(ribozyme)复习思考题复习思考题1.1.1. 概念概念 转录，模板链，编码链，不对称转录，启转录，模板链，编码链，不对称转录，启动子动子, 断裂基因，外显子断裂基因，外显子, 内含子内含子, 核酶核酶2.2. 转录与复制的异同点？转录与复制的异同点？3.3.E.coli主要启动子的结构特点主要启动子的结构特点?4.4.原核生物转录终止有几种方式？原核生物转录终止有几种方式？5.5.真核生物真核生物mRNA转录后如何进行加工？转录后如何进行加工？6.下下面面是是一一幅幅原原核核生生物物转转录录电电镜镜模模拟拟图图，请请予以解释予以解释