第十二章

RNA 的生物合成（转录）

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转录RNA

翻译蛋白质DNA

RNA

（病毒）

复制

复制

翻译 蛋白质

（病毒）

逆转录

中心法则（ The central dogma ） :

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DNA 复制与转录的比较性 质 复 制 转 录

相同点

模 板 两股链均复制 模板链转录合成方式 半保留复制 不对称转录原 料 dNTP NTP

聚合酶 DNA 聚合酶 RNA 聚合酶碱基配对 A-T ， G-C A-U ， T-A ， G-

C

产 物 半保留的双链 DNA 单链 RNA

不同点

以 DNA 为模板遵循碱基配对原则都需依赖 DNA 的聚合酶聚合过程都是生成磷酸二酯键新链合成方向为 5’→3’

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第一节 模板和酶一、 转录模板

1 结构基因 (structural gene):

能转录出 RNA 的 DNA 区段。2 不对称转录 (asymmetric transcription):

DNA 的一些区段可以转录出 RNA ，另一些不能转录出 RNA 。

在 DNA 双链上，一股链可转录，另一股链不转录；转录区不总是在同一单链上。

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5’

3’ 5’

3’

2. 方框内的 DNA 区段为结构基因3. 为模板链，也称有意义链或 Watson链

1. 箭头示转录产物及转录方向

4. 为编码链，也称反义链或 Crick 链

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5’…G C A G T A C A T G T C…3’3’…c g t c a t g t a c a g…5’ DNA

5’…G C A G U A C A U G U C…3’ mRNA

N… Ala Val His Val …C 多肽链

转录

翻译

编码链

模板链

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RNA 聚合酶 (RNA pol) 也称转录酶（ transcriptase) ，全称依赖 DNA 的 RNA 聚合酶 (DDRP) 。

原核生物（ E . Coli ） RNA pol 由 α2ββ′ σ 共 5 个亚基组成。

α 2ββ′ α2ββ′ σ

核心酶 core enzyme

二、 RNA 聚合酶

全酶holoenzyme

σ 亚基+ σ

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（一）原核生物的 RNA 聚合酶

β 聚合功能

σ 识别转录起始点β′ 解链

表 12-2 大肠杆菌 RNA 聚合酶亚基的功能

类型 主 要 功 能α 决定哪些基因被转录

被利福平抑制

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α αβ

β’

TTGACA

TATAAT

-35

图 12-3 原核生物的 RNA 聚合酶及其在 转录起始区的结合

σ

-10

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σ 70 σ 32Heat shock protein (HSP)

热休克蛋白应激

（二）真核生物的 RNA 聚合酶

表 12-3 真核生物 RNA pol 的种类与功能

种类 转录产物 对鹅膏蕈碱的敏感性

RNA polⅠ RNA polⅡ RNA pol Ⅲ

45S 是 5.8S 、 18S 和 28S rRNA 的前体hnRNA 是 mRNA 的前体

45S rRNA 不敏感hnRNA 和 snRNA 极敏感

tRNA 和 5S-rRNA 中度敏感

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P S1 S2 S3

启动子

O

Promoter

调控序列 结构基因

操纵子（ operon ）

结合 RNA 聚合酶

表达功能蛋白

?I

三、模板与酶的辨认结合

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操纵子（ operon ） : 原核生物的转录单位

RNA 聚合酶保护区 结构基因

终止点

10-10

TTGACA TATAAT

转录开始+1

翻译开始

Purine

-35

（ Pribnow box ）辨认结合区 转录起始区

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第二节 转录过程

起始延长终止

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GpN

结构基因

RNA pol 识别结合

生成起始复合物

转录延长

转录终止

转录空泡

也称转录复合物，是 RNA聚合酶的核心酶， DNA 模板和转录产物RNA 结合在一起的复合物。

启动子 终止区

pppG

pppG14/50

图 12-8 原核生物的转录空泡 (transcription bubbl

e)

α αβ

β ′

RNA

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（一）原核生物的转录起始

σ 亚基辨认 -35 区

RNA pol 全酶移向 -10 区

合成第一个磷酸二酯键 5’-pppGpN-OH-3’

转录起始复合物

RNA pol(αββ′σ ) —DNA—pppGpN-OH

σ 亚基脱落

（结合松弛）

（结合紧密）

转录起始不需引物！16/50

( 二）真核生物的转录起始

转录起始点上游多数有共同的 5’-TATA 序列，称为 Hogness 盒或 TATA 盒。

不同物种、不同细胞、不同的基因，可以有不同的上游 DNA 序列，但都可统称为顺式作用元件 (cis-acting element) 。

与基因表达调控有关的 DNA 非编码序列，统称为顺式作用元件。

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真正转录终止点

GCGC-CAAT-TATA-ATG AATAAA

修饰点

外显子内含子

翻译起始

转录起始TATA 盒 (Hogness box)

CAAT盒 GC

盒增强子

切离加尾

图 12-9 真核生物 RNA pol Ⅱ转录的基因

翻译终止

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能直接或间接辨认、结合顺式作用元件，从而调节基因表达的一类蛋白质因子。

反式作用因子中，直接或间接结合 RNA聚合酶的蛋白质因子。

反式作用因子 (trans-acting factor)

转录因子 (transcriptional factor, TF)

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拼板理论Piecing theory

表 12-4 参与 RNA-pol Ⅱ转录的 TFⅡ

转录因子 功 能

TF AⅡ 稳定 TF DⅡ 结合TF BⅡ 促进 pol Ⅱ结合

TF DⅡ 辨认 TATA盒

TF EⅡ ATPase

TF FⅡ 解旋酶

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TFⅡD

TF ⅡA TFⅡB RNA polyⅡ/TFⅡFTFⅡEPIC

DTATA

BF

EDNA

起始前复合物（ Pre-Initiation Complex， PIC）

A

RNA polyⅡ

TATA

起始前复合物（ PIC ）的生成真核生物的转录起始 :

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RNA pol

二、转录延长

转录复合物：酶 -DNA-RNA ：转录空泡

RNA

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G-C > A-T > A-U

原核生物转录延长与蛋白质合成同时进行

多个转录同时进行

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三、转录终止（一）原核生物的转录终止

1. 依赖 ρ 因子的转录终止

2. 不依赖 ρ 因子的转录终止

ρ 因子

1. 识别结合富含 C 的 RNA 链功能

2. ATPase 活性3. 解螺旋酶活性

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ρ 因子

+ATP

5′

3′

Polymerase

富含 C

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DNA pol

5′

3′

RNA pol失活

ρ 因子解螺旋，使 RNA 脱落

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RNA 转录后，形成特殊的结构，以终止转录。

2. 不依赖 ρ 因子的转录终止

特点： 1. RNA 单链内部接近终止区域有富含 G-C 配对区，形成稳定的二级结构。

2. 在发夹结构的下游有 poly U 结构。

茎环（ stemloop ）或发夹（ hairpin ）结构

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UUGCAGCCUGAGAAAUCAGGCUGAUGG…

5’ 3’

…

5’ 3’

自发形成发夹结构（ E.coli rpl-L 3’末端）

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AUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUU5’ 3’

UUUU……5’ 3’

自发形成茎环结构

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UUUU………..5’ 3’

1.茎环结构改变 RNA pol 的结构，使其失活

2.茎环结构的形成使转录复合物趋于解体，poly U 加速这一过程。

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（二）真核生物的转录终止AAUAAA GUGUGUG

AATAAA GTGTGT

3′processing （核酸内切酶）

—AAUAAA—Poly(A)

NucleaseHelicase

hnRNA

5’

Release

转录终止修饰点

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第三节 真核生物的转录后修饰一、真核生物 mRNA 前体（ hnRNA ）转录后修饰

（一）首、尾的修饰

在 hnRNA 5’端加上 m7G

在 hnRNA 3’端加上 poly A

（二）剪接（ splicing ）

剪去内含子，并接外显子

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5´GpppG…鸟苷酸转移酶

5´ m7GpppG……甲基转移酶

磷酸酶

PPi

5´pG…5´pppG…

GTP

SAM SAH

hnRNA + nATPpoly A 聚合酶

Mg2+ mRNA-(A)n +nPPi

加帽

加尾

Pi

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加帽加尾的意义：

1. mRNA 稳定性所需2. 蛋白质翻译所需

3. polyA 尾与 mRNA 转位有关

N

NH

N

N+

NH2

CH3

O

OH OH

O P

O

OH

O P

O

OH

O P

O

OH

OO

Base

OHO

P+

OH

OH

O-----AAAAAAAAA-OH

O

G

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（二）真核生物 mRNA 的剪接

1. hnRNA (heterogeneous nuclear RNA)

核内小型 RNA ，与核内的某些蛋白质组成并接体（ splicesome ），参与 hnRNA 的剪接。

不均一核 RNA ，核内未被剪接的有内含子的 mRNA 前体。

2. snRNA (small nuclear RNA)

种类： U1 ， U2 ， U3 ， U4 ， U5 ， U6等。

几个重要概念

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4. 断裂基因 (splite gene)

真核生物的结构基因中，外显子被内含子间隔开，但连续镶嵌，为一个连续完整的蛋白质编码。这种基因称为断裂基因。

3. 外显子 (exon) 和内含子 (intron)

真核生物结构基因中的编码序列，称为外显子，非编码序列称为内含子。

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成熟的 mRNA

hnRNA

胰岛素基因

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E1 E2 E35’— —3′S Pre B C C A

5’— —3′S Pre B C C A

真核生物 mRNA 的剪接的过程

1. 并接体识别结合 hnRNA 内含子 5’ 及 3’ 区域

2. 形成套索 RNA(lariat RNA) ，外显子靠近

3. 两步转酯反应，切去内含子，连接外显子

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外显子内含子

DNA

mRNA

转录

形成套索 RNA ，外显子靠近并接体

去除套索 RNA ，外显子连接

成熟mRNA39/50

CAUUCAU AUGAUGU

外显子 1 外显子 2

GUAAGUA UACUACA AG5’ 3’

内含子

分支点

U1U2并接体

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O—P-O-GU A AG-O—P-OE1 E2

OHE1 A AG-O —P-O

E2

UGO

PO

O-P-OE1 E2 +

A AG-OH

UGO

PO

intron

2’-OH

第一步转酯

第二步转酯

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内含子的功能，两种观点：

1. 内含子是在进化中出现和消失的，是进化过程中的遗迹，无实质性意义。

2. 在基因表达中有调控功能。

其他种类的内含子rRNA 及 tRNA 基因内含子

外显子是断裂基因中可表达的序列，内含子是隔断基因线性表达的序列。

内含子有时可被翻译有的内含子在翻译后剪切

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二、 tRNA 的转录后加工

tRNA 的初级转录产物

RNA pol III Intron Exon

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加工

tRNA 的初级产物 成熟 tRNA

内切酶外切酶连接酶

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tRNA 转录后各种稀有碱基的生成

(2)还原反应： U DHU

(3) 核苷内的转位反应： U

(4) 脱氨反应： A I

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(1)甲基化： m7GG

NH

NH

O

O NH

NH

O

O N

NH

O

O

R

H2

H2 NH

NH

O

O

R

1

5

N

NN

NNH2

OH CH3

RN

NHN

N

O

R

N

NN

N

R

NH2

m7G I

U DHU （ psi ）

A

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三、 rRNA 的转录后加工 真核生物 rRNA 的基因属于丰富基因 (redunda

nt gene)族的 DNA 序列，也即高度重复的串联基因 (tandem gene) ，或称为高度重复序列 DN

A 。

45s rDNA 45s rRNA18s ， 5.8s ，28s rRNA

RNA pol I

45s rDNA间隔区 (spacer) 内含子外显子

5s rDNA 5s rRNARNA pol III

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rRNA 的剪接不需要任何蛋白质参与即可发生，说明 rRNA本身就有酶的催化作用。

具有酶促活性的 RNA 。核酶 (ribozyme) ：

核酶发现的意义：1. 对传统酶学提出挑战2. 生物进化中的意义3. 潜在的基因治疗的有力工具

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切割点

槌头型 (hammerhead structure) 核酶的结构

G U G N N NNN

N N NNN

3' 5'

N C A A NNN A NNN A C N A

N

C U G

1. 至少有 3 个茎2. 1— 3 个环3. 至少有 13 个 保守碱基

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切割点

切割点

XX

XN

XX

X 5’3’

XX

X XX

X5’ 3’

XX

XN X X

X

XX

X

5’

3’

XX

XX

5’

3’

紫色为人工合成的核酶

黑色为被切割的天然 RNA

X 为保守序列

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