生物化学 第十二章 RNA的生物合成

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。
• 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。
（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。
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。
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
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。
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 。
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。
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
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。
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。
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。
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 •
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.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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