生物化学 第十二章 RNA的生物合成

一、信使RNA的加工 （一）mRNA 前体通过剪接去除内含子 真核生物mRNA的前体是核不均一RNA （heterogenous nuclear RNA, hnRNA），其 核苷酸顺序有一些不出现在成熟的mRNA中。此 部分在转录产物的加工过程中被切除。被切除的 部分称为内含子（intron）。内含子是不编码蛋 白质的核苷酸序列。末被切除的部分称外显子 (exon)，是编码蛋白质的部分序列。由于内含子 是插入外显子之间，故内含子又称插入序列 (intervening sequences)。
（三）转录的终止
RNA聚合酶Ⅱ参与整个转录过程，直到出现多 聚腺苷酸化信号为止。这个信号顺序是保守序 列AAUAAA和其下游富含GU的序列。这些序列 称为转录终止的剪切信号序列（cleavage signal sequence）。具体的剪切点位于AAUAAA下游 10～30核苷酸处，距GU序列20～40核苷酸。剪 切信号序列可被核酸内切酶、多聚腺苷酸聚合 酶等所识别和结合，并切断此初级转录物。 RNA聚合酶Ⅱ被释放，剪切点下游被RNA聚合 酶Ⅱ合成的多余RNA片段被水解。
通用转录因子分类
• 根据RNA 聚合酶的分类，TF 分为三类。 • I 型转录因子（transcription factor I，TF l） 能够促进RNA聚合酶 l 转录。 • Il 型转录因子（TF ll）促进RNA聚合酶 ll 转录. 包括TFIIA，B，D，E，F，H等。 • III 型转录因子（TFIII）促进RNA聚合酶III 转录 。
RNA 转录与DNA 复制不同点： 1.RNA转录是不对称的，即仅用DNA双链中 某一单链作为模板进行转录，被作为模板 的那条DNA单链称模板链（template strand）。与模板链互补的DNA单链为编 码链(coding strand)，即合成的RNA 碱基 序列与编码链相同，仅是U 替代了T。在 特定的染色体中，有时基因的编码序列可 能位于另一条链中，这种现象称不对称转 录。转录后DNA模板成分无改变。
图 12-6 mRNA 转录的终止 RNA聚合酶Ⅱ参与整个转录过程，并可超越转录终止 的剪切信号序列。剪切信号序列可被核酸内切酶等识 别，并在剪切点切断mRNA前体。
二. rRNA的合成 rRNA基因位于染色体的特殊区域称 • 核仁组织者（nucleolar organizer）。rRNA 基 因属于重复序列，每个重复序列都作为一个转录 单位 。 • 每一个转录单位包括28S，5.8S及18S rRNA。 RNA 聚合酶I及转录因子I（TF I）识别位于非转 录间隔区上的启动子序列。
3．需要二价金属离子，如Mg2+和Mn2+。 n(NTP) DNA
RNA聚合酶
pppN(pN)n-1 + (n-1)PPi
图12-1 RNA链中3’,5’-磷酸二酯键的形成 RNA的合成的方向为5’→3’；聚合反应是通过 核苷酸之间形成的3’,5’-磷酸二酯键，使核苷酸 链延长，同时释放出焦磷酸。
RNA聚合酶沿着DNA模板从5’→3’方向移动并不断的解开 DNA双链，同时与DNA模板链序列相互补的核苷酸逐一 地进入反应体系，RNA聚合酶II的CTD被转录延长因子 （TEFb）进一步磷酸化，增强了聚合酶的活性。如此， 合成的RNA逐渐延长（elongation）（图12-5）。 RNA链延长时，新合成的部分暂时与模板DNA 形成一段 RNA-DNA杂合双螺旋；随着RNA链的延伸，RNA从 RNA-DNA双螺旋解开。DNA双螺旋的解旋及重新恢复双 螺旋是在DNA拓扑异构酶的作用下进行的。TFIIE和 TFIIH对于RNA链的延长不是必需的，它们从延长的复合 物上解离下来，TBP和TFIIB保留在启动子上。
真核生物内含子碱基序列的共同特点是开始于GU，结束
于AG，分别称5’剪接供体和3’剪接受体。位于3’剪接部位
上游20-50个碱基处有分支点A。hnRNA中的内含子称为
剪接体内含子，这些内含子的切除是由称作剪接体
（spliceosome）的蛋白复合物催化的。 snRNP是一种特异的RNA-蛋白质复合体，含有多种小核 RNA（small nuclear RNA, snRNA）。snRNA的长度约 100-200个核苷酸。各种snRNA因富含尿嘧啶（U）而被 命名为U1、U2、U4、U5、U6等。snRNA参与剪接。剪 切后的几个外显子片段拼接起来形成一个完整的
图 12-2 RNA 的不对称转录
RNA 转录与DNA 复制不同点：
2. 与DNA 聚合酶不同，RNA聚合酶不需要引 物，可利用NTP 作底物直接合成RNA。 3. RNA聚合酶没有核酸酶的活性，即没有3’到5’ 外切酶的活性，也没有5’到3’外切酶的活性， 因此，在RNA合成过程不起较对作用。 4. 对于一个基因组来讲，转录只发生在一部分基 因，而且每一个基因的转录都受到相对独立的 控制。 5. RNA 合成后需要加工才能成为有功能的 RNA。
一类启动子
图12-7 rRNA 基因转录调控区
人类rRNA基因启动子属第一类启动子，由两个元件组成， 一个是核心元件，此元件包括转录起始点，存在富含AT 的保守序列，为转录所必须；另一个为上游启动子元件， 从－107开始，约50bp长，此元件的作用是增强转录效率
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rRNA的合成 合成rRNA的转录前起始复合物比较简单， 由启动子、RNA聚合酶Ⅰ和两个TFⅠ组成。 一种TFⅠ是核心结合因子，称TFⅠB， （人类是SLⅠ），具有募集RNA聚合酶Ⅰ 到启动子上的作用。另一种是上游结合因 子（UBF），与启动子的上游起始元件 （upstream promoter element,UPE）结合， 协助TFⅠB组装到启动子上。 rRNA的转录过程与mRNA 相似 。
表12-2 大肠杆菌RNA 聚合酶组分及功能
亚基
每分子酶中
功能
所含数目
α β β’ ω σ 2 1 1 1 1 控制转录的速度 催化合成RNA 催化合成RNA 不清 辨认起始点
二、 RNA 转录与DNA 复制异同点 RNA 转录与DNA 复制相同点：
RNA转录与DNA复制的基本的化学反应 是相同的，在聚合酶的催化下，核苷酸 之间形成磷酸二酯键，释放出焦磷酸； 核苷酸链的合成方向均为5’→3’；聚合反 应均需要DNA作模板。
三类启动子
图12-8 tRNA 基因的内启动子及 RNA聚合酶 III与 其转录因子的结合 转录因子IIIC（TF III C）首先与启动子的A 和B框 结合，然后TFIII C与TFIII B结合，最后RNA聚合 酶III与TFIII因子结合，并启动转录。
第三节 真核生物RNA转录后的加工 几乎所有真核生物RNA转录的初级产物都需 经过一系列变化后才能生成具有生物活性的 RNA分子。这一系列变化过程称为转录后的 RNA加工(RNA processing)。加工过程包括 核苷酸部分水解、连接反应、末端核苷酸 “戴帽”、“接尾”，以及核苷的修饰。
第十二章 RNA生物合成
（RNA Biosynthesis）
大连医科大学生物化学与分子生物学教研室
崔秀云
• 本章要求：
• RNA聚合酶及转录的一般特点 • 真核生物的转录过程 • 转录的转录过程：起始：（启动子）， 延长，终止 • 真核生物转录后的加工：剪切，填加及 修饰 • 原核生物的转录 过程 • RNA的复制
表12-1 真核生物RNA聚合酶的种类和性质
种类 I型 II型 III型 线粒体
分子量 5.5×105 6×105 6×105 6.4～6.8×104 分布 核仁 核质 核质 线粒体 转录产物 5.8S、 mRNA前体 tRNA前体 线粒体RNA 18S、 snRNA 5S rRNA 28S rRNA前体 对利福平 敏感性 不敏感 不敏感 不敏感 敏感 对鹅膏蕈碱 的敏感性 不敏感 非常敏感 敏感 不敏感 •
图12-5 RNA链的延长
RNA链的延长过程
A．RNA聚合酶II在转录因子的辅助下，将双链DNA解开 一段，形成转录泡。在聚合酶的作用下以NTP为底物，与 模板链的碱基互补开始合成RNA。 B. 复制泡扩大，RNA聚合酶II继续合成RNA，以U替代 T，A-U、C-G配对。 C. 随着RNA链的延长，RNA聚合酶沿着模板链不断滑动， 在DNA拓朴异构酶的作用下，下游不断解链，上游不断 恢复双链，转录泡不断向下游移动，保持约17bp大小， 直到遇到终止信号合成则停止。DNA双螺旋重新形成。
（一）起始阶段（initiation） 1. 启动子（promoter）是DNA上的特殊的序 列，它包括一些保守顺序，其中最重要的顺 序称TATA (box)盒子。RNA 聚合酶和一些转 录因子结合此部位。
二类启动子
图12-3 真核RNA 聚合酶II识别的 的启动子基序 转录起始点以“+1”表示，在其上游的核苷酸序列以 “”表示。启动子区框内表示与转录有关的共有顺序。 BRE为TFⅡB识别元件，Y表示C或T。
核糖体的合成是细胞生长的限速因素。 rRNA的转录可以非常迅速， RNA聚合酶I 的磷酸化可以特别激活rRNA迅速的转录， 例如在胚胎生长及肝的再生过程中。当生长 不太迅速时，仅有一些 rDNA重复序列被用 于转录。核糖体的合成则减少。
三．5S RNA 和 tRNA的合成 5S rRNA 和 tRNA 基因的启动子位于被转 录的序列之中，称内启动子。所有的tRNA 基因都有两个内启动子元件（图12-8）。 5S rRNA合成的启动子与tRNA的相似，两 个TF与RNA聚合酶Ⅲ的结合顺序也相同。
第二节真核生物的转录过程
真核生物转录过程除了RNA聚合酶参加外， 还需要一些蛋白质因子参与，这些因子能 结合到DNA的特殊序列并且与RNA聚合酶 结合，促进转录。一类通用转录因子 （general transcription factors，TF ）分别 能够与不同的RNA聚合酶结合，形成转录 复合体。
mRNA(图12-9，12-10)。切除的内含子很快被降解。
图12-9 mRNA的拼接体 一些小核核蛋白（snRNP）与RNA前体形成拼接体 （spliceosome）。U1 RNA和U2 RNA 分别为snRNP的组 份。U1 RNA的核苷酸序列与 mRNA前体内含子中的GU 顺序（称连接供体位点）相配对，U2 RNA识别内含子3’ 端连接受体位点。拼接体利用ATP供能，除去内含子。
2．转录因子II 及转录前起始复合物的 形成
mRNA的合成是在核内由RNA聚合酶 II催化的，有一系列转录因子II（TF II） 参加 。
图12-4 mRNA转录前起始复合物 RNA聚合酶Ⅱ与其转录因子组成转录前起始复合物。按 其组成的结合顺序排列为：TFⅡDABF-PolEH （Pol代表RNA聚合酶Ⅱ）。覆盖DNA模板大约70bp.
第一节 RNA 聚合酶及RNA转录的 一般特点
一、DNA指导的RNA聚合酶 （DNA directed RNA polymerase，DDRP）是RNA合成中最主要的酶类, RNA聚合酶催化如下反应： 1. 双链DNA中的一条链作为RNA合成的模板。 2．四种核糖核苷三磷酸（即ATP、GTP、CTP和 UTP）是该酶的底物。
第一个磷酸二酯键的形成：
此附近DNA双链被RNA聚合酶解开约17个碱 基对，形成一个转录泡（由闭合复合物转变 成开放复合物） 。根据DNA模板链上核苷酸 的序列，以NTP为原料，按碱基互补原则在 RNA聚合酶催化下，形成第一个3’,5’-磷酸二 酯键。头一个核苷酸多为嘌呤核苷酸A或G。
（二）RNA链的延长
• 转录过程可分为三个阶段：起始、延 长和终止。
一、mRNA的合成 mRNA的合成是在核内由RNA聚合酶Ⅱ催 化的。酵母RNA聚合酶Ⅱ由12个亚基组成。 其中最大亚基的羧基末端结构域 （carboxyl-terminal domain, CTD），富含 丝氨酸残基。CTD的磷酸化和去磷酸化对 酶的活性有重要影响。去磷酸化的CTD在 转录的起始中作用，在转录延长过程中 CTD的丝氨酸残基被磷酸化。mRNA的合 成还需要有一系列转录因子Ⅱ（TF Ⅱ）参 加。