分子生物学RNA的生物合成

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RNA聚合酶Ⅰ:催化RNA合成,转录产物为45S- rRNA (rRNA 的前体),经剪接修饰成除5S-RNA外的各种 rRNA RNA聚合酶II:在核内转录生成hnRNA,加工修饰成 mRNA , RNA聚合酶II是真核生物中最活跃的RNA-pol
RNA聚合酶III: 转录产物为小分子量的RNA , 5S- rRNA ,snRNA, tRNA .
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转录的特点
1.不对称性 对某一特定的基因来说,只能以DNA双链中 的一条链为模板进行转录
2. 连续性 RNA的转录不需要引物 3.单向性 4.有特定的转录起始点和特定的终止位点
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第二节
原核生物的转录过程
The Process of Transcription in Prokaryote
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编码链 模板链
转录
5′···GCAGUACAUGUC ···3′ mRNA
翻译
N······Ala ·Val ·His ·Val ······C 蛋白质
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不对称转录 结构基因
5
编码链
3
模板链
转录方向
转录方向
模板链
3
编码链
5
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二、RNA合成由RNA聚合酶催化
（一）RNA聚合酶能直接启动RNA链的合成
➢ RNA 聚 合 酶 和 DNA 的 特 殊 序 列 —— 启 动 子 (promoter)结合后，就能启动RNA合成。
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（二）RNA聚合酶由多个亚基组成
亚基
分子量
36512 150618 155613 70263
功能
决定哪些基因被转录 催化功能
结合DNA模板 辨认起始点
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核心酶 (core enzyme)
转录延长阶段
全酶 (holoenzyme)
转录起始阶段
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其他原核生物的RNA聚合酶，在结构、组成、 功能上均与E.coli相似。
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。
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三、RNA聚合酶结合到DNA的启动子 上起动转录
第11章
RNA的生物合成
RNA Biosynthesis ( Transcription )
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在生物界，RNA百度文库成有两种方式：
➢ 一是DNA指导的RNA合成，也叫转录，此为生物 体内的主要合成方式，也是本章介绍的主要内容。
➢ 另一种是RNA指导的RNA合成(RNA-dependent RNA synthesis)，也叫RNA复制(RNA replication), 由RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase)催化，常见于病毒，是逆转录病毒以 外的RNA病毒在宿主细胞以病毒的单链RNA为模 板合成RNA的方式。
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
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第一节
原核生物转录的模板和酶
Templates & Enzymes in Prokaryotic Transcription
一、转录起始需要RNA聚合酶全酶
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。 ➢ DNA双链解开，使其中的一条链作为转录 的模板。
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转录起始过程：
1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合，形成闭 合转录复合体(closed transcription complex) ；
RNA
UUUU...…
UUUU...…
近终止区的转录产物形成发夹(hairpin)结构 是非依赖ρ因子终止的普遍现象。
RNA-pol
5
3
3
5
5´pppG
茎环结构使转录终止的机理： ➢ 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。
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第三节
真核生物的转录过程
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➢ DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA 的一股单链，称为模板链(template strand)，也称 作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编 码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。
5′···GCAGTACATGTC ···3′ 3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′
The Process of Transcription in Eukaryote
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➢ 真核生物的转录过程比原核复杂。二者的转录 起始过程有较大区别，转录终止也不相同。
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一、 真核生物有三种DNA依赖性 RNA聚合酶
真核生物具有3种不同的RNA聚合酶: ➢ RNA聚合酶Ⅰ（RNA PolⅠ） ➢ RNA聚合酶Ⅱ（RNA PolⅡ） ➢ RNA聚合酶Ⅲ（RNA Pol Ⅲ）
➢ 转录是不连续、分区段进行的。 ➢ 每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵
子(operon)。操纵子包括若干个结构基因及其上 游(upstream)的调控序列。
调控序列
结构基因
5
RNA-pol
3
3
5
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RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合:
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➢ 调控序列中的启动子是RNA聚合酶结合模板DNA 的部位，也是控制转录的关键部位。原核生物以 RNA聚合酶全酶结合到DNA的启动子上而起动转 录，其中由σ亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。
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（二） 非依赖 Rho因子的转录终止
DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱 基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊 的结构（发夹结构）来终止转录。
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DNA
5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT... 3
5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3`
➢ DNA依赖的RNA聚合酶催化合成RNA； ➢ RNA合成的化学机制与DNA依赖的DNA聚合酶
催化DNA合成相似。
( NMP )n + NTP → ( NMP ) n+1 + PPi
RNA
延长的RNA
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➢ DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存 在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动 RNA链的延长。
RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3
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。
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转录空泡(transcription bubble)： RNA-pol （核心酶） ····DNA ····RNA
mRNA是各种RNA中寿命最短、 最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA 聚合酶Ⅱ是三种酶中最活跃的。
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➢ 真核生物RNA聚合酶的结构比原核生物复杂，所 有真核生物的RNA聚合酶都有两个不同的大亚基 和十几个小亚基.
➢ RNA聚合酶Ⅱ由12个亚基组成，其最大的亚基称 为RBP1。
➢ RNA聚合酶Ⅱ最大亚基的羧基末端有一段共有序 列 (consensus sequence) 为 Tyr-Ser-Pro-Thr-SerPro-Ser的重复序列片段，称为羧基末端结构域 (carboxyl-terminal domain, CTD)。 CTD对于维 持细胞的活性是必需的。
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➢ 第一个磷酸二酯键生成后，σ亚基即从转录起 始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸， 继续结合于DNA模板上，酶沿DNA链前移， 进入延长阶段。
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二、 原核生物的转录延长时蛋白质 的翻译也同时进行
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
➢ 对启动子的研究，常采用一种巧妙的方法即RNA 聚合酶保护法。
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RNA 聚 合 酶 保 护 法
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用RNA聚合酶保护法研究转录起始区 原核生物启动子保守序列
RNA聚合酶保护区 结构基因
5
3
3
5
5
3
-50 -40 -30 -20 -10 1 10
3
5
-35 区
TTGACA AA C T G T RNA-pol辨认位点 (recognition site)
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一、原核生物转录的模板
➢ DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因 (structural gene)。
➢ 转录的这种选择性称为不对称转录(asymmetric transcription) ， 它 有 两 方 面 含 义 ： 在 DNA 分 子 双链上，一股链用作模板指引转录，另一股链不 转录；其二是模板链并非总是在同一单链上。
snRNA小分子核内核糖核酸
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真核生物的RNA聚合酶
种类 转录产物
Ⅰ 45S-rRNA
对鹅膏蕈碱 的反应
耐受
Ⅱ hnRNA
极敏感
Ⅲ 5S-rRNA
tRNA snRNA 中度敏感
RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ转录产物不同对amanitin 敏感性不同，科学研究时，以此选择的酶的抑制剂。
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RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ都由多个 亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。
这些研究表明： 受保护的DNA区域位于结构基因上游，约40——60bp长度（ 40bp 相当于约14nm，4个螺距）的DNA片段，结构上有一致性； 大肠杆菌及噬茵体DNA的启动子有两个A-T配对比较集中的区域：
在mRNA开始点（第一核苷酸位置为+1）前的10个碱基对左 右，有一致性序列为TATAAT（Pribnow box）。此序列是识别 信号的关键部分。 另一识别部位距mRNA起始点前约35bp处，可能与RNA聚合酶 的开始结合有关。一致性序列为TTGACA。 序列分析还证明起始密码子在转录起始点下游，说明翻译起始点在 转录起始点之后。 RNA-Pol结合-10区v较结合-35区相对牢固。 推论： -35区是RNA-Pol对转录起始的辨认点（recognition site）； 辨认结合后酶向下游移动，达到Pribnow box ，酶已经跨入转 录起始点，形成相对稳定的酶-DNA复合物，就可以开始转录。
开始转录 -10 区
T A T A A T Pu A T A T T A Py (Pribnow box)
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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-pol保护区结构特征
转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停 顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复 合物上脱落下来。
依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物 转录终止分为： ➢ 依赖Rho 因子的转录终止 ➢ 非依赖Rho因子的转录终止
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（一）依赖ρ因子的转录终止
ρ因子：以控制转录终止的蛋白质
➢ ρ因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质， 亚基分子量46kD。
➢ ρ因子能结合RNA，又以对poly C的结合力 最强。
➢ ρ因子还有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase) 的活性。
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ρ因子的作用原理：
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➢ 目前认为，ρ因子终止转录的作用是： ρ与RNA转录产物结合，结合后ρ因子和RNA
聚合酶都可发生构象变化，从而使RNA聚合酶 停顿，解螺旋酶的活性使DNA/RNA杂化双链拆 离，利于产物从转录复合物中释放 。
2. DNA 双 链 局 部 解 开 ， 形 成 开 放 转 录 复 合 体 (open transcription complex) ；
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
转录起始复合物:
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转录 (transcription) 是生物体以DNA为 模板合成RNA的过程 。
DNA
转 录
RNA
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复制和转录的区别
模板 原料 酶 产物
配对
复制
转录
两股链均复制 模板链转录（不对称转录）
dNTP
NTP
DNA聚合酶
RNA聚合酶（RNA-pol）
子代双链DNA mRNA，tRNA，rRNA （半保留复制）
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转录延长：
原核生物转录过程中的羽毛状现象
5 3
DNA
RNA
RNA聚合酶
这种形状说明：
核糖体
➢在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行； ➢转录尚未完成，翻译已在进行。
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。
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三、原核生物转录终止分为依赖ρ(Rho)因 子与非依赖ρ因子两大类