生物信息的传递－－从 dna 到 ran （ rna 的生物合成）

分子生物学课程组分子生物学课程组 1

生物信息的传递－－从 DNA 到 RAN

（ RNA 的生物合成）


◆ 转录在 RNA 聚合酶的催化下，以一段 DNA 链为模板合成 RNA ，从而将 DNA 所携带的遗传信息传递给 RNA 的过程称为转录。

◆ 经转录生成的 RNA 有多种，主要的是 rRNA 、 tRNA 、mRNA 、 snRNA 和 HnRNA 。


一、 RNA 合成的特点

1 、转录的不对称性

以双链 DNA 中的一条链作为模板进行转录。

♣ 有意义链（ sense strand ）：正链（ + ），编码链（ coding strand ），和 RNA 同义。

♣ 反意义链（ antisense strand ）：负链（ - ），模板链（ template strand ），和 RNA 反义。


无意链

有意链5’

5’3’3’

5’

5’

♣ 有意义链与反义链并非固定不变。


2 、转录的连续性且不需要引物

♣ RNA 转录合成时，以 DNA 作为模板，在 RNA

聚合酶的催化下，连续合成一段 RNA 链，各条 RNA

链之间无需再进行连接。

♣ 合成的 RNA 中，如只含一个基因的遗传信息，称为单顺反子；如含有几个基因的遗传信息，则称为多顺反子。


3 、转录的单向性 ♣ RNA 转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所

依赖的模板 DNA 链的方向为 3'→5' ，而 RNA 链的合成方向为 5'→3' 。


4 、有特定的起始和终止位点

♣ RNA 转录合成时，只能以 DNA 分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点，特定起始点和特定终止点之间的 DNA 链构成一个转录单位，通常由转录区和有关的调节顺序构成。


RNA 合成不同于 DNA 合成之处

♣ 不需要引物♣ RNA 聚合酶没有核酸酶的活性，在 RNA 合成过程

不起校对作用♣ 转录是不对称的♣ 转录后 DNA 模板成分没有改变


二、参与 RNA 转录合成的物质 1 、底物

◆ ◆ 四种核糖核苷酸 : 即 ATP,GTP,CTP,UTP.

2 、模板

◆ ◆ 以一段单链 DNA 作为模板


◆ 以 DNA 为模板；◆ 以四种三磷酸核苷为底物（原料）；◆ 遵循 DNA 与 RNA 之间的碱基配对；◆ RNA 链的延长方向是 5’→3’ 的连续合成；◆ 需要 Mg2+或 Mn2+离子；◆ 并不需要引物；◆5’ 末端具有三磷酸

3 、依赖 DNA 的 RNA 聚合酶（ DDRP ）1) RNA 聚合酶的特点：


RNA 聚合酶催化的反应

A

C

G

A

C

G

U

U

模板 DNA

5´

3´5´

3´

新合成 RNA


◆ 全酶： α2ββ’ωσ ， 465kD ，与 RNA 链的起始有关

◆核心酶 :α2ββ’ ω ，与 RNA 链的延长有关

◆σ 亚基与转录起始点的识别有关

2 ）大肠杆菌的 RNA 聚合酶（ 7000 个分子 / 细胞）

亚基功能β’ βσ α

与模板 DNA 结合（开链）（开链）起始和催化合成（催化）（催化）识别起始点，稳定全酶决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 , ( 转录的特异性 )


◆ 按其对 α- 鹅膏蕈碱敏感性而分为三种；◆ 均由 10 ～ 12 个大小不同的亚基所组成，结构非常

复杂，其功能也不同。

3) 真核生物 RNA 聚合酶

类型

Ⅰ Ⅱ Ⅲ

转录产物

rRNA:18S,5.8S,28S

hnRNA(snRNA)

tRNA ,5SrRNA

对鹅膏蕈碱的反应

不敏感高度敏感中度敏感

定位

核仁核基质核基质


44 ）终止因子）终止因子

◆◆ ρ 蛋白：

一种六聚体的蛋白质

亚基的分子量为 50kd

能识别终止信号

与 RNA 紧密结合

ATP 酶活性

导致 RNA 的释放。


三、原核生物 RNA 转录合成的基本过程

1 ）启动子（ promoter)

位于结构基因 5’ 上游，活化 RNA 聚合酶，使之结合 DNA 并起始转录的一段 DNA 序列。

11 、、识别识别：即：即 RNARNA 聚合酶全酶识别启动子聚合酶全酶识别启动子

转录可分为识别、起始、延长和终止几个阶段。


2 ）几个概念♣ 转录单元（ transcription unit ） : 一段从启动子开始到终

止子（ terminator ）结束的 DNA 序列。在细菌中，一个转录单元可以是一个基因，也可以是几个

基因。♣ 转录起点：指与新生 RNA 链第一个核苷酸相对应 DNA

链上的碱基，通常为一个嘌呤。♣ 上游（ upstream ）：起点前面，即 5’ 末端的序列。♣ 下游（ downstream ） : 起点后面即 3’ 末端序列。碱基的位置一般用数字表示，起点为＋ 1 ，下游依次为

＋ 2 、＋ 3…… ，上游依次为－ 1 、－ 2……


3 ）原核生物启动子的特点 :

(1) DNA 序列在转录起始点的 5’ 端区 ( 上游区 )

(2) -10 区： TATAAT(pribnow box) ，与 DNA 结合部位，解链区

(3) -35 区： TTGACA(sextama box) ，与模板初始识别位点， σ 因子识别位点

(4) 相距 16-19bp ：为聚合酶提供合适的空间结构


一个典型的启动子含有三个部分，由在 -35 、 -10 和起始原点的共有序列组成。


大肠杆菌启动子共有序列的功能

× ×

A

G

T

C

TTGACA× × ×× × × ××××××××××××AAT× × ××××××××××××TTA

AAT××××××

AACTGT× × ××AAT××××××

× ×

× ××× ×××

×

Pribnow框

-10-35

识别区 16-19bp 5-9bp

起点


4 ） CAP 位点（ Catabolite Activator Protein binding

site ）

在启动子上游，可与 cAMP 形成复合物，提高 RNA 聚合酶与启动子区结合或诱导解链，促进转录进行。


5 ）不同 σ 因子识别不同的启动子 ① 启动子尽管均有保守序列，但不同类在结构上仍有不同。 ② 不同 σ 识别不同启动子，如： σ32 可识别热休克蛋白。 ③ 某些蛋白因子参与 σ 识别（如 Cad) 。6 ）影响启动子启动的因素 ① 不同启动子有不同启动效率。 ∴ 可分为强启动子和弱启动子。 ② 某些调控蛋白。 ③ 启动子保守序列以外的序列，主要是上游序列。


7 ）识别过程

全酶与 DNA 分子随机结合，形成松弛复合物

σ 因子在 DNA 双链寻找启动子

σ 因子识别转录起始点（ -35 区），促使形成封闭复合物，并滑动到 -10 区，启动转录。


在延伸以前， R

NA 聚合酶要通

过若干步。一个

紧密的二聚体复

合物被转变成一

种开放形式，然

后变成三聚体复

合物。


RNA 聚合酶起始时与 -55 到 +

20 区结合。当 σ 因子脱落时，核心酶紧缩在 -

30 区；当酶移动少数几个碱基对时，它变的更加紧密，组织成普通的延长复合体。


核心酶和全酶

被分布在 DN

A 上，不多的

RNA 聚合酶

是游离的。


在转录作用中，在转录作用中，

σ σ 因子和核心因子和核心

酶在不同的位酶在不同的位

点再循环。点再循环。


2 、起始◆ σ因子识别、控制，使 RNA 聚合酶全酶结合于 DNA

的启动子，形成封闭的二元复合物◆ 酶结合的 DNA 序列上溶解一个短的区域，使“关闭”复合体转变为“开放”复合体

◆ 催化 ATP 或 GTP 与另外一个三磷酸核苷聚合，形成第一个 3‘,5’-磷酸二酯键，产生三元复合物： RNA

／ DNA／酶，即开始转录。


GpN

Transcription Transcription bubble bubble （转录泡）（转录泡）

transcription complex (transcription complex ( 转录复合物转录复合物 ), including core enzyme, templa), including core enzyme, template, and transcripts.te, and transcripts.


3 、延长 ◆ σ 因子从全酶上脱离； ◆ 余下的核心酶继续沿 DNA 链移动，按照碱基互补原则，

不断聚合 RNA （ 40 个核苷酸 /秒，但不匀速）；

pppG


随着随着 σ σ 和和 NusNus 因因

子在核心酶上交子在核心酶上交

替，替， RNARNA 聚合聚合

酶在起始作用适酶在起始作用适

应形式和终止作应形式和终止作

用形式之间交替。用形式之间交替。


4 、终止◆ 终止子：一段停止转录信号的序列 (terminator) ，一般

为回文结构，复含 GC ，下游为 6 － 8 个 AU 对。

11 ））不依赖不依赖 ρρ 因子的终止子因子的终止子 ::内在终止子内在终止子（（ intrinsic termintrinsic term

inator inator ）。）。 DNADNA 顺序有双重对称顺序有双重对称 (dyad)(dyad) ，富含，富含 GCGC ，可形成，可形成茎茎环结构环结构。对称结构下游。对称结构下游 DNADNA 模板链中有模板链中有一串约一串约 66 个个 AA ，，转录为转录为 RNA3‘RNA3‘ 端的端的 UU ，这种结构特征决定了转录的终止。，这种结构特征决定了转录的终止。


二重对称体

5’-CCCAGCCCGCCTAATGAGCGGGCTTTTTTTTGAACAAAA-3’

3’-GGGTCGGGCGGATTACTCGCCCGAAAAAAAACTTGTTTT-5’

5’-CCCAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUUUUUU-OH3’

模板

DNA

转录体

（ RNA）


5’ 3’

分子生物学课程组分子生物学课程组 50不依赖于 Rho （）的终止子

分子生物学课程组分子生物学课程组 53依赖于 Rho （）的终止子

22 ））依赖 ρ 因子的终止子（ ρ-dependent terminator ）有发夹结构，但 GC 含量少，无 U串


ρfactor

3′

Polymerase

+ATP

5′

C-rich


RNA pol

5′

3′

Inactivating RNA pol

RNA unwinding by ρfactor


起始位点起始位点 PPPP

PP 终止位点RNA

DNA3

5 3

5

NTP

PPPP

PP

酶

酶

酶

酶

酶

酶

的释放与循环

识别起始位点识别起始位点

3

5

5

3

与酶结合

RNA 聚合酶

NTPPP

PPPP

转录开始 RNA 链延长

与 RNA 结合

RNA 、及酶的释放

PPPP PP

原核 RNA 的转录过程圆圈表示 RNA聚合酶的核心酶部分（ α2ββ’）。 σ因子参与识别特异的启动子，它与核心酶一起结合到 DNA模板的起始位置上。以 NTP为原料，全酶催化合成 RNA合成。当RNA链延长到大约 10 核苷酸时， σ因子从全酶上脱离，参与另外一次循环。核心酶沿着DNA模板移动，继续延长 RNA链。当RNA聚合酶遇到了终止信号不能再继续前进，便在 ρ因子作用下与模板链脱离， RNA合成终止。核心酶参与另外一次循环。


5. 原核生物 RNA 的转录后加工

◆ ◆ 转录后加工（转录后加工（ Post-transcriptional processingPost-transcriptional processing ））在转录中新合成的在转录中新合成的 RNARNA往往是较大的前体分子，需要经往往是较大的前体分子，需要经过进一步的加工修饰，才转变为具有生物学活性的、成过进一步的加工修饰，才转变为具有生物学活性的、成熟的熟的 RNARNA 分子，这一过程称为分子，这一过程称为转录后加工或转录后加工或 RNARNA 的成的成熟熟。主要包括。主要包括剪接、剪切和化学修饰剪接、剪切和化学修饰。。


◆绝大多数 mRNA 可直接作为翻译的模板，不需加工

◆ rRNA 和 tRNA 的转录产物要加工、修饰

♠ 成熟的 rRNA 和 tRNA5’ 端是 5’- 单磷酸；

♠ 比原初转录产物小；

♠ 所有 tRNA都含有稀有碱基


1 ） mRNA 前体的加工

少数多顺反子 mRNA须通过核酸内切酶切成

较小的单位，然后再进行翻译，加工的意义在于

可对 mRNA 的翻译进行调控。


2 ）大肠杆菌 tRNA 的加工

(1) tRNA 基因：约 60 个

多数：多顺反子

几个相同 ( 不同 )tRNA 连在一起，成簇存在

与 rRNA 基因或蛋白基因相连，组成混合转录单位

少数：单顺反子


(2) 原核生物有两种类型的 tRNA 基因：

具 CCA 序列 -----Ⅰ型

无 CCA 序列 ------Ⅱ型

Ⅰ 型 tRNA 的 CCA 下游仍有一段序列，需在酶的作用下切除

Ⅱ 型 tRNA 需在酶的作用下添加 CCA 序列


(3)(3) 加工过程加工过程 ◆◆ 剪切、修剪和剪接剪切、修剪和剪接（斩头、去尾）（斩头、去尾）核酸内切酶核酸内切酶 :: 在在 tRNAtRNA 两端切断（两端切断（ cuttingcutting ）） RNARNA 酶酶 PP ：核糖核蛋白，使：核糖核蛋白，使 tRNA 5’tRNA 5’ 端成熟端成熟 RNARNA 酶酶 FF ：切除多余的：切除多余的 3’3’ 端序列端序列 RNaseIIIRNaseIII 和和 RNaseERNaseE ：使转录产物变小：使转录产物变小核酸外切酶核酸外切酶：从：从 3’3’ 端逐个切去附加的顺序，进行修剪端逐个切去附加的顺序，进行修剪 RNaseDRNaseD:: 切除切除 tRNA 3’-CCA-OHtRNA 3’-CCA-OH 下游序列下游序列则露出则露出 CCA-OHCCA-OH 端，端， 3’ tRNA3’ tRNA 成熟酶 ◆◆ 核苷的修饰核苷的修饰（成熟（成熟 tRNAtRNA 众多修饰成分）众多修饰成分）甲基化甲基化：： tRNAtRNA 甲基化酶甲基化酶，甲基供体：，甲基供体： SAMSAM

假尿苷假尿苷：： tRNAtRNA 假尿苷合成酶假尿苷合成酶，催化糖苷键移位，，催化糖苷键移位， N1→C5N1→C5

tRNAtRNA 核苷转移酶核苷转移酶：催化：催化 tRNAtRNA 形成稳定的形成稳定的 3’CCA-OH 3’CCA-OH

RNaseP ( 由蛋白质和 RNA 组成的复合体 ) 可切除 E.coli前体 tRNA5’ 的前导序列（ 41nt ）。该酶不识别特殊的序列，而是识别二级结构——发夹所组

成的 tRNA 。


5‘5‘ 端成熟端成熟酶酶

3‘3‘ 端成熟端成熟酶酶


3 ） rRNA 前体的加工

◆◆ rRNArRNA 基因和基因和 tRNAtRNA 基因混合组成一个操纵子：基因混合组成一个操纵子： 16SrRNA-tRNA16SrRNA-tRNAIloIlo-tRNA-tRNA Ala-23SrRNA-5SrRNA23SrRNA-5SrRNA

-tRN-tRNAspAsp-tRNA-tRNATrpTrp

◆◆加工过程加工过程核酸酶：核酸内切酶：核酸酶：核酸内切酶： RNaseIIIRNaseIII 和和 RNaseERNaseE

核酸外切酶：核酸外切酶：


◆ 顺式作用元件（ cis-acting element ）与基因表达调控有关的 DNA 序列 , 如 : 启动子 ,增强子

◆ 反式作用因子（ trans-acting element ）识别并作用于顺式作用元件的蛋白质因子

如，转录因子： TF

四、真核生物的转录过程


11 、真核生物启动子、真核生物启动子 1) 1) RNARNA 聚合酶聚合酶 II 的启动子：转录的启动子：转录 5.8S,18S,28SrRNA5.8S,18S,28SrRNA

♠ 在转录起始点的 5’ 端区 ( 上游区 )

近启动子：（核心启动子），－ 40 ～＋ 5 ，决定转录起始的精确位置远启动子：（上游控制元件），－ 165 ～－ 40 ，影响转录的频率 ♠ 明显的种族特异性 ♠ 位于不转录的间隔区（ nontranscribed spacer, NT

S ）


NTS

-180 -107 -45 +1

ETS ITS1 ITS2

18S 5.8S 28S

NTS

ETS ITS1 ITS2

18S 5.8S 28S

远启动子增强转录效率

近启动子起始转录

NTS


2 ） RNA 聚合酶 II 的启动子 (mRNA 和 SnRNA)

DNA 序列在转录起始点的 5’ 端区 ( 上游区 )

♠ -25bp:TATA盒（ Hogness box ） , 识别起始位点

♠ -75bp:CAAT盒 (CAATCT) ，决定启动子的转录

频率

♠ -110bp:GC盒 (GGGCGG) ，调控起始和转录频

率


转录起始点

TATA盒

CAAT盒

GC盒

增强子

转录起始前的上游区段

AATAAA

切离加尾

转录终止点

修饰点

外显子翻译起始点

内含子

OCT-1

OCT-1 ： ATTTGCAT八聚体


-75bp-110bp


33 ）） RNARNA 聚合酶聚合酶 IIIIII 的启动子的启动子（（ 5SrRNA5SrRNA 、、 tRNAtRNA 和和部分部分 SnRNASnRNA ）） ♠♠ 内部启动子（内部启动子（ internal promoterinternal promoter ）） ::

5SrRNA5SrRNA 、、 tRNAtRNA 的启动子位于的启动子位于转录起始点下游转录起始点下游 ♠ ♠ 上游启动子上游启动子 ♠ ♠ 共同的转录因子：共同的转录因子： TF CⅢTF CⅢ 和和 TF BⅢTF BⅢ 。。 5S RNA5S RNA还还需要转录因子需要转录因子 TF AⅢTF AⅢ 。。


RNARNA 聚合酶聚合酶 IIIIII 的启动子由两部分组成，下游的由分开的的启动子由两部分组成，下游的由分开的 boxAboxA 和和 boxC boxC 或或 boxAboxBboxAboxB 组成，上游可由分开的顺序（组成，上游可由分开的顺序（ OCTOCT 、、 PSEPSE 、、 TATATATA ）组成。）组成。

部分部分 SnRNASnRNA

5SrRNA5SrRNA

tRNAtRNA


2 、增强子（ enhancer or UAS or UPE ）概念：增强或强化转录起始的 DNA 序列特点：远距离其作用；可位于基因的上游或下游；与序列的正反向无关；要有启动子的存在；必须与特定的蛋白质因子结合；有组织和细胞特异性；单拷贝或多拷贝；受外部信号调控。


SV40 virus - 5 enhancer regions


TF involved in transc. by RNA-pol Ⅱ ⅡTF involved in transc. by RNA-pol Ⅱ Ⅱmembers functions

TF AⅡ 稳定 TF DⅡ 和 TATA 框TF BⅡ 促进、募集 RNA pol Ⅱ的结合

TF DⅡ 识别结合 TATA box

TF EⅡ 调节 TF HⅡ ，促进 ATPase 活性

TF FⅡ 与 RNA pol Ⅱ形成复合物进入转录起始阶段

以及 helicase 的作用

3 、转录因子（ transcriptional factor, TF)

TF 1Ⅱ

TF HⅡ 解旋酶与磷酸化酶活性、剪切修复功能

形成起始转录复合物


TFⅡD

TF ⅡA TFⅡB RNA polyⅡ/TFⅡFTFⅡEPIC

DTATA

B

FE

DNA

起始前复合物（ Pre-Initiation Complex ， PIC ）

A

RNA polyⅡ

TATA

1 ）转录起始复合物的形成4 、转录过程


起始：

与原核生物相似，首先形成的是封闭复合物，

其次是开放式复合物，然后是三元复合物，转

录起始。


2 ）延伸

TF Ⅱ 因子释放，聚合酶滑动转录。

TFⅡ H 和 TFⅡE 结合进入无缠绕的 DNA 区带，使RNA 聚合酶开始移动进行转录。

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现象。

RNA-pol 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解聚现象。


RNA-Pol

RNA-Pol

RNA-Pol

核小体

转录延长中的核小体移位

转录方向


3 ）转录的终止

转录过程中，受到核小体结构的影响、蛋白因子转录过程中，受到核小体结构的影响、蛋白因子与转录的与转录的 33 端结合、端结合、 DNADNA 双螺旋结构弯曲、双螺旋结构弯曲、 DNADNA

形成环状结构等等，转录起始复合物被迫停止在一定形成环状结构等等，转录起始复合物被迫停止在一定位置上，致使转录停止。位置上，致使转录停止。


RNA 聚合酶Ⅰ转录出 rRNA 前体 3′ 末端后，继续向下游转录超过 1000 个 bp 时，存在一个 18bp 的终止序列。

RNA 聚合酶Ⅲ 转录模板的下游存在一个终止子，是位于 GC丰富序列之中的 TTTT 。 RNA 聚合酶Ⅲ有内原性的转录终止功能。

RNA 聚合酶Ⅱ的转录没有明确的终止信号。


AAUAAA GUGUGUG

AATAAA GTGTGT

3′processing （ endonuclease ）

—AAUAAA—Poly(A)

NucleaseHelicase

hnRNA

5’

Release

Signal for processing


原核生物与真核生物转录的区别

原核生物真核生物

RNA pol 一种高度分工起始转录因子没有需要（各不同）延长核小体影响没有有启动子以外序列没有有且复杂转录产物多顺反子单顺反子场所转录与翻译偶联不偶联转录终止两种终止子不明确


5 5 、真核生物的转录后修饰、真核生物的转录后修饰

1)1) mRNA mRNA 的加工的加工

hnRNA 是 mRNA 的前提， hnRNA 中含有 mR

NA 相同的序列，但比mRNA 复杂。 hnRNA 在体外可以作为蛋白翻译的模板。

mRNAmRNA 转录后的加工主要是转录后的加工主要是 5’5’帽子及帽子及 3’3’ 多聚多聚 AA

尾巴。尾巴。


核内不均一 RNA （ heterogenous nuclear RNA,hnRNA ）平均分子长度为 8-10Kb(2Kb~14Kb)左右。比mRNA的平均长度（ 1.8-2Kb ）要大 4-5倍。

hnRNA仅有总量的 1/2 转移到细胞质内，其余的都在核内被降解掉。

(1)5′ 端有帽结构； (2) 3′ 端有 poly （ A ）尾巴； (3)帽结构后有 3 个寡聚 U 区，每个长约 30nt ； (4) 有重复序列，位于寡聚 U 区后面； (5) 有茎环结构，可能分布于编码区（非重复序列）的两侧； (6) 非重复序列中有内含子区。

特点：


5’ m7pppNmNUUUU AAAAA……3’ 寡聚 U区 ds 单一序列 ds Poly (A) RNA RNA 图 13- hnRNA 的结构模型


(1) 剪接前加帽

如呼肠病毒，牛豆病毒

(2) 剪切后加帽

如疱疹病毒和口炎病毒

♠♠ 加帽加帽


5´GpppG…鸟苷酸转移酶 guanosine transfera

se

5´ m7GpppG……甲基转移酶 meth

yl transferase

磷酸酶 phosphatase

Pi

5´ppG…5´pppG…

GTP

SAM SAH

PPi


G N1 N2 N3 G N1 N2 N3 磷酸水解酶 PPP P P P P… PP P P P P… ＋ Pi G N1 N2 N3 G mRNA鸟苷脱酰转移酶 PP P P P P… ＋ PPP OH 加帽酶 G G N1 N2 N3 SAM OH PPP P P P P… ＋ PPi (S-腺苷基甲硫氨酸) 7mG m G m N1 N2 N3 OH PPP P P P P… 真核生物剪切前加帽的生化反应过程


G N1 N2 N3 N1 N2 N3

PPP P… P P P P… P P P P…

G N1 N2 N3 G N1 N2 N3

＋

＋ Pi

PPP OH P P P P… P PPP P P P …

G N1 N2 N3 SAM 7m G N1 N2 N3

P PPP P P P … P PPP P P

P …

真核生物剪切后加帽的生化反应过程


帽帽 00 ，，

单细胞单细胞

帽帽 11 ，，大多数大多数

帽帽 22 ，，

1010 ％－％－ 1515 ％％


帽 0

帽 1

帽 2

m7GpppGpN

m7GpppGmpN

m7GpppGmpNm


帽子结构的功能：

◆◆ 免遭核酸酶的破坏

◆ 易被蛋白质合成的起始因子识别，促进蛋白质的合成

◆◆ 对 mRNA 起稳定作用


♠♠ 尾巴尾巴

a 大多数的真核mRNA 都有 3’端的多聚尾巴（ polyA) ，约为 200bp 。

b AAUAA 序列是加 polyA尾信号。


c polyA尾的生成：

(1) 特殊组分 (CPSF) 识别 AAUAAA 并指导其它的活性

(2) 剪切因子 (CF) 在加尾位点 AAUAAA 下游 11 － 30nt 处剪切 RNA 3’- 端；

(3) 末端腺苷转移酶（ PAP ）合成 poly(A)尾巴；

(4) PBP 与 poly(A) 结合，反应停止。


d polyA 尾巴的功能

与 mRNA 从细胞核转送到细胞质有关。稳定 mRNA 结构，保持生物半衰期。与真核 mRNA 的翻译效率有关：缺失可抑制体外翻译的起始，含 poly(A) 的 mRNA 失去 poly(A) 可减弱其翻译。


♠ ♠ 剪接（ Splicing）

在在 5’5’ 端帽子和端帽子和 3’3’ 端尾巴形成以后，端尾巴形成以后，内含子内含子一个一一个一个被切除，外显子连接形成成熟的个被切除，外显子连接形成成熟的 mRNAmRNA ，这个过程，这个过程就是就是 RNARNA 的剪接。的剪接。


卵清蛋白基因


A 内含子的分类

1982 Davies等人

中部核心结构（ central core structure ）：在有些内含子中，含有 10 ~20bp 4 个重复的保守序列，在剪接中起重要作用。

由于并非所有的内含子都有中部核心结构，所以有了内含子的分类。


★ Ⅰ类内含子 : 含有中部核心结构

细胞器基因核基因

★ Ⅱ类内含子 : 不含有中部核心结构

细胞器线粒体基因核基因

★ Ⅲ类内含子 : 具有 GU － AG 特征的边界序列

核基因 mRNA 前体

★ tRNA 基因的内含子

位于 tRNA 的反密码环上


YnAG

四种内含子的边界序列各有一定共同的特征


B I 类类含子的剪接

(1)特点：

ø 剪接属于自我剪接

ø 形成明显的二级结构


(2)I类内含子的结构特点：

①边界序列 5’U-G 3’

② 形成二级结构 a 、中部核心结构由保守序列为 5’ － P － Q － R － S － 3’

距剪接点很远，各 10~12bp

b 、二级结构中还包括内含子和外显子的某一序列互补所形成的二级结构。

内部引导序列（ internal guide sequence IGS ）：内含子中能与两个剪接点边界序列配对的一段序列。


(3)剪接机制

第一步：游离 G发动转酯反应

G 的 3’-OH 攻击内含子的 5’剪接点 G- 内含子、左外显子（有游离 3’OH ）


第二步：游离外显子（左）发动转酯反应

左外显子的 3’-OH 攻击 3’剪接点，同时释放

线状的内含子，形成成熟 RNA 分子


☻ 释放出的内含子可继续进行转酯反应而形成环状

☻ 共发生三次转酯反应

☻ 前两次转酯反应是紧密偶联的


（ 4 ）自我剪接：主要由转酯反应构成，完全由内含子自身完成 -------- 自我剪接的最大特点。

• 内含子自身形成特定的二级结构，产生适于剪接反应的构象和活性位点，在 G 参与下完成剪接反应。


（ 5 ）核酶 (Ribozyme)

a 发现

1981年 T.Cech 和 S.Atman等在研究四膜虫 rRNA 时发现的； T.Cech 由核糖核酸（ ribonucleic acid ）和酶（ e

nzyme ）这两个词“重组”成一个新的词： “ Ribozyme” ；

Ribozyme 是指本质为 RNA 或以 RNA 为主含有蛋白质辅基的一类具有催化功能的物质。


和传统酶的区别：

(1) 一般的酶是纯的蛋白质，而核酶是 RNA 或带有蛋

白的 RNA ；

(2) 核酶既是催化剂又是底物。而酶仅催化反应。


413bp

15bp


外显子 1 内含子外显子 2

转录剪接 + 凝胶电泳凝胶电泳凝胶电泳 35SRNA 环状内含子线型内含子四膜虫 35S RNA 保温前后的电泳结果(仿 B.Lewin: 《GENES Ⅵ》 ,1997 Fig31.1)


内含子插入β -半乳糖苷酶基因的第 10个密码子中转录剪接翻译 β -半乳糖苷酶 β -半乳糖苷酶使菌落呈蓝色图 13-27 内含子活性的检测(仿 B.Lewin: 《GENES Ⅵ》 ,1997，Fig31.5)


b 核酶发现的意义

① 生命的最初形式可能是 RNA ，其兼有 DNA 和蛋白质的功能。

② 在进化过程中作为遗传模板的功能让位于 DNA （ RNA

不稳定） , 作为催化剂的功能让位于蛋白质（高效）。③ 利用其机制，设计合成特异性切割病毒 RNA 或其它 RN

A 的核酶，以便于治疗包括爱滋病、癌症在内的疾病。


自我切割位点自我切割位点

c c 结构特点结构特点槌头型（槌头型（ ribozyme of hammerhead structureribozyme of hammerhead structure ））

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

② 1—3 loops1—3 loops

① 3 3 个茎个茎

③ 至少至少 1313 个保守核苷酸个保守核苷酸


底物

催化部分


酶

底物


CCⅡ类内含子的特点：内含子的特点：（ 1 ）内含子的两个末端并不存在同源或互补。（ 2 ）连接点具有很短的保守序列，称为边界顺序。其规律称为 G

U-AG法则（ GU-AG rule) 或 Chambon法则。左边的剪接位点称供体（ donor ）位点，右边的剪接位点称受体（ acceptor ）位点。在植物和低等真核生物的细胞器基因组中发现。


① 剪接信号：5’ 位点、 3’ 位点和分支位点

在内含子的近 3′端有 6-12nt保守序列，在哺乳动物中为 YNCURAY（ Y：嘧啶， R：代表嘌呤， N表示任何核苷酸）。分支点顺序可和上游序列互补，形成茎环，但 A不配对


d 3 d 2 d4

d1 d5 d6 A G OH

活性中心外显子 1 外显子 2

Ⅱ 类内含子的二级结构 (仿 B.Lewin:《GENES Ⅵ》 ,1997，Fig30.15)


剪切由剪切由 22 个转酯反应个转酯反应完成（酵母）完成（酵母）a. a. 分支点腺苷分支点腺苷 2′-OH2′-OH 攻击攻击 5′5′外显子剪切位点，形成外显子剪切位点，形成 2′-5′2′-5′磷酸二酯键，从而形成分支结构。磷酸二酯键，从而形成分支结构。b. b. 上游外显子上游外显子 3′-OH3′-OH 攻击内含子与外显子攻击内含子与外显子 22 （下游）（下游）之间的之间的磷酸二酯键磷酸二酯键，使外显子，使外显子 11 和外显子和外显子 22联结。联结。c. c. 释放内含子环。释放内含子环。d. d. 整个反反应中磷酸二酯键数未变。整个反反应中磷酸二酯键数未变。

无需鸟苷的辅助，但需镁离子的存在。

② 剪接机制


exonintron

DNA

mRNA

transcription

form lariat RNA, exons closespliceosome

Remove lariat RNA, join exons

Mature mRNA

7.7Kb

1872bp

L 1 2 3 4 5 6 7

L123 4 5 6 7


D 核 mRNA 的剪接

（二）结构特点：1. 边界顺序 :符合 GU-AG法则。2. 分枝点顺序：为 Py80NPy87Pu75APy95 其中 A 为百分

之百的保守，且具有 2′-OH 。 3.内含子 5′ 端有一保守序列可以和 U1 snRNA 的 5′

端的保守顺序互补

㈠㈠特点：特点：a. a. 剪切过程和Ⅱ类内含子十分相似，剪切过程和Ⅱ类内含子十分相似，b. b. 本身不能形成二级结构，依赖于本身不能形成二级结构，依赖于剪接装置剪接装置进行进行剪接剪接


（三）剪接装置：1 ）核蛋白： snRNPs （ U1 ， U2 ， U5 、 U4 、 U6 ）；由 snRNA 和蛋白质组成

2 ）剪接因子：大量的蛋白，如 U2AF 。作用：

直接参与剪接；

提供特定的结构；


（四）剪接机制（简化）

第一次转酯－－左外显子、内含子剪切套索

第二次转酯－－ exons 连接、套索状内含子释放

剪接体解体与套索降解同步


U1 和 U2 作用使内含子的 5’ 端和 3’ 端带到

一起

（五）具体的剪接机制

● SnRNA (or ScRNA) 与剪接点序列间存在互补区域

并参与剪接 , 形成剪接体。

● 剪接体逐级组装， SnRNP （ U1 、 U2 、 U5 和 U4／ U

6 ）分步替代

U1 通过与 5’剪接点互补而结合 U2 识别并结合分支点 A

U1 、 U2 、 mRNA 与 U4 － U5 － U6 复合物形成一个完整的剪接体


CAUUCAU AUGAUGU

exon1 exon2

GUAAGUA UACUACA AG5’ 3’

intron

branch 分枝点

U1U2spliceosome

exon1

exon2

UG

A

GA

5’

3’

U4 、 U5 、U6


外显子内含子 GU UACAAAC Py AG 5’ 保守顺序分支位点 Py区 3’ 保守顺序 U1 GU UACAAAC Py AG U2AF U2 GU UACAAAC Py AG U5 U4 U5 UG U6 U6 U4 UACAAAC Py AG U G UACAAAC Py AG U G UACAAAC Py AG U G UACAAAC GU UACAAAC Py AG 图 13- 核mRNA剪接反应

E复合体

U1结合于 5’ 剪接位点

U2AF结合于 Py区

A复合体

U2结合于分支点

B1复合体

U5/U4/U6三聚体结合

U5结合 5’ 端外显子

U6和 U2结合

B2复合体

释放 U1,U5 从外显子移动到内含子

U6结合到 5’ 剪接点

C1复合体

释放 U4,U6/U2 催化转酯反应

U5结合于外显子 3’ 剪接位点

5’ 位点被剪切并形成套环

C2复合体

U2/U5/U6仍结合在套环上

释放被剪接的 RNA

套环经去分支被解开


（（ 11 ）真核）真核 tRNAtRNA 的基因和原核的区别：的基因和原核的区别：

1)1) 真核的前体分子真核的前体分子 tRNAtRNA 是单顺反子，但成簇排列，基因是单顺反子，但成簇排列，基因间有间隔区；间有间隔区；

2)2) 真核真核 tRNAtRNA 基因一般都比原核基因一般都比原核 tRNAtRNA 基因多得多，如酵基因多得多，如酵母约有母约有 400400 个个 tRNAtRNA 基因；基因；

3)3) 5′ 5′ 端单磷酸核苷酸，表明已被加工过；端单磷酸核苷酸，表明已被加工过；

4)4) tRNA tRNA 的前体分子中含有的前体分子中含有内含子。。

E tRNA 的剪接


（（ 22 ）内含子特点）内含子特点：：

① ① 位置相同，都在反密码子环的下游；位置相同，都在反密码子环的下游；

② ②不同不同 tRNAtRNA 的内含子长度和序列各异；的内含子长度和序列各异；

③ ③外显子和内含子交界处无保守序列，不符合外显子和内含子交界处无保守序列，不符合 ChambonChambon

法则，故其内含子的剪切是依靠法则，故其内含子的剪切是依靠 RNaseRNase 异体催化。异体催化。

④ ④内含子和反密码子配对形成内含子和反密码子配对形成茎环茎环，改变了反密码子臂的，改变了反密码子臂的

结构，保护了反密码子，使其免受某些酶的降解。结构，保护了反密码子，使其免受某些酶的降解。


内含子切除

酵母 tRNA 在未处理前先进行凝胶电泳，结果只显示一条带，且跑得较慢，表明此 tRNA 的前体分子；当加入核酸内切酶后无需加入 ATP ，反应后再走电泳，结果出现二条带，一条是剪切后游离出的内含子，另一条是互补的外显子，称为 tRNA 的半分子（ tRNA half-molecule

s ）。


加野生型酵母

细胞提取物

凝胶电泳

前体

tRNA

内含子

图 13- 酵母 tRNA在体外的剪切


连接外显子连接外显子

♪ 核酸酶作用形成 2′-3′环磷酸和 5′-OH 而不是 3′-OH

和 5′-P ，因此不能直接连接（无须 ATP ）。

♪ 环磷酸二酯酶（ phosphodiesterase ）将 2′-3′环磷酸打开，形成 3′-OH ， 2′-P 。

♪ 在激酶作用下将 5′-OH磷酸化，再通过连接酶将两个半分子连接起来（须 ATP ）。

注：哺乳动物的 tRNA 连接酶可将 2′-3′环磷酸与 5′-OH直接连接

起来，无需环磷酸二酯酶和激酶的介入。


（（ 33 ）真核）真核 tRNAtRNA内含子的切除和其他内含子的切除的不同内含子的切除和其他内含子的切除的不同

① ① 即没有交界序列，也没有内部引导序列；即没有交界序列，也没有内部引导序列；

② ②是依赖于蛋白质性的是依赖于蛋白质性的 RNaseRNase ，而不是核糖拟酶或，而不是核糖拟酶或 snRNsnRN

PP ；；

③ ③反应的本质不是转酯反应。反应的本质不是转酯反应。

真核 tRNA内含子的精确剪切不依赖内含子的序列和大小，内含子的突变并不影响剪切。原则上是依赖对 tRNA 共同的二级结构的识别，而不是内含子的保守序列。分子不同部分的区域对于剪切是重要的，包括受体臂， D环， TψC环和反密码子环。


真核真核 tRNAtRNA 的加工和原核的区别：的加工和原核的区别：

① ① 真核真核 tRNAtRNA 前体中无二聚体和多聚体；前体中无二聚体和多聚体；

② ② 增加了剪接内含子的过程；增加了剪接内含子的过程；

③ ③ 都要加都要加 CCACCA 。。


催化物质蛋白酶核酶核酶蛋白， RNA

总结几种不同内含子剪接反应的区别

酵母 tRNA I类内含子 Ⅱ类内含子核mRNA前体

边界序列无 5’U↓-G↓3’ 5’↓GU-AG↓3’

5’ ↓GU-AG↓3’

特殊序列 C（茎上）－G(环上 )

内部引导顺序分支点顺序分支点顺序5’ 外显子序列

二级结构茎环构象核心结构 6个功能区剪接体基因外的成分

内切酶，连接酶

GTP，镁离子

镁离子 U1,U2,U4,U5,U6

能量要求 ATP 不不 ATP

中间型分子半分子 tRNA 环状 L-19 套索套索

催化类型异体催化自体催化自体催化半自体催化

反应本质酶切反应转酯反应转酯反应转酯反应


F 剪接位点突变导致地中海贫血症（ thalassemia)

地中海贫血症起因于血红蛋白合成缺陷。此类贫血症中有一类是异常剪接引起。 β-珠蛋白的第一内含子发生突变，突变位点发生在正常 3′剪接位点上游，离位点 20 个 N 处。正常人是 G ，病人

是 A ，即 G A 。从而导致产生了一个新的 3′剪接位点（原位点上游），新剪切位点剪切，使 mRNA 中密码子变化。在新剪切点后的第 7 个密码子是蛋白质合成的终止密码。结果是合成不正常的血红蛋白 β- 亚基，导致贫血症。


H H 反式剪接（反式剪接（ Trans-splicingTrans-splicing ））

◆◆ 顺式剪接（顺式剪接（ Cis-splicingCis-splicing ））剪接过程发生在一个剪接过程发生在一个 RNARNA 分子的内部，即通过剪接将分子的内部，即通过剪接将一个一个 RNARNA 分子的内含子去除，使外显子连接在一起。分子的内含子去除，使外显子连接在一起。◆◆ 反式剪接（反式剪接（ Trans-splicingTrans-splicing ））以以两种不同来源两种不同来源的的 RNARNA 前体分子为底物，经过剪接在前体分子为底物，经过剪接在成熟的成熟的 mRNAmRNA 非翻译部分接上一小段非翻译部分接上一小段 RNARNA片段（片段（剪接前剪接前导序列或小外显子导序列或小外显子））如：锥虫表面糖蛋白基因 VSG(variable surface glycoprotein) ，线虫的肌动蛋白基因（ actin genes ），衣藻（ chlamydomonas）叶绿体 DNA

中含有的 psa基因。


前导顺序的串联重复单个的转录单位

35bp 100nt mRNA序列

GU A AG

前导顺序左内含子？右内含子？

U OH

G 前导顺序

A AG

Y型的分子(中间体)

U

G

A

去分支酶 35nt mRNA序列

前导顺序

UG A

图 13-38 锥虫反式拼接的过程

(参考 B.Lewin:《GENES》 Ⅵ ,1997，Fig30.22)


外显子 2 外显子 1

0

175 25

150 50

125 75

100

外显子 3

图 13－39 衣藻叶绿体的 psa 基因的反式剪接

(仿 B.Lewin:《GENES》 Ⅵ ,1997，Fig30.23)


♠♠ RNARNA编辑（编辑（ editingediting））转录后的转录后的 RNARNA 在编码区发生碱基的加入在编码区发生碱基的加入 ,,丢失丢失 ,, 转换转换

1986.R.Benne 在研究锥虫线粒体 mRNA 转录加工时发现 m RNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸， 1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象。


（（ 11 ）特点）特点：◆ 一种与一种与 RNARNA加帽、加尾、剪接不同的加帽、加尾、剪接不同的 RNARNA加工形式。加工形式。◆ 转录后改变转录后改变 RNARNA 的序列，使成熟的序列，使成熟 RNARNA 的序列与基因组的序列与基因组 DNA DNA 序列不同。序列不同。◆ 生物学中心法则的补充，扩大了生物学中心法则的补充，扩大了 mRNAmRNA 遗传信息容量。遗传信息容量。


基因组中编码 I S S L C I K V E N L V G V M DNA序列 ATA TCA AGT TTA GCT TAT AAA GTA GA G A AC CTG GTA GGT GTA AT

480 400 500 移框－1个碱基

RNA序列 AUA UCA AGU UUA GGU AUA AAA GUA GAU UGU AUA CCU GGU AGG UGU AAU

蛋白质顺序 I S S L G I K V D C I P G R C N

图 13-43 锥虫 coxⅡ 基因片断及其产物顺序的比较。核酸序列的数字是以起始密码子 AUG的 A开始编号。蛋白质以单个字母表示。方框表示与酵母、人类同源的氨基酸。黑体表示编辑位点。

(参考 B.Lewin:《GENES》 Ⅵ ,1997，Fig31.15)


512kD 250kD

（（ 22 ）编辑方式）编辑方式 ① ① 单碱基突变单碱基突变载脂蛋白载脂蛋白 B(Apolipoprotein B)B(Apolipoprotein B) 基因：基因： mRNAmRNA 上上 C→UC→U

酶促脱氨


谷氨酸受体基因谷氨酸受体基因：： mRNAmRNA ：： AA→→II

脱氨


②尿苷酸的缺失与增加

指导 RNA （ guide RNA ）具有与 mRNA互补的序列，但该 RNA 上存在着一些未能配对的腺嘌呤，形成缺口，为插入尿嘧啶提供了模板。


（ 3 ）编辑的生物学意义

校正作用调控翻译扩充遗传信息


2 ） rRNA 转录后加工

A A 真核生物有真核生物有 44 种种 rRNArRNA 。。大亚基（大亚基（ 60S60S ）） rRNA: 28S(4700nt);5S(120nt);5.8S(160nrRNA: 28S(4700nt);5S(120nt);5.8S(160n

t)t) 。。小亚基（小亚基（ 40S40S ）） rRNA rRNA ：： 18S18S （（ 1900nt)1900nt) 。。其中其中 5.8S rRNA 5.8S rRNA 、、 18S rRNA 18S rRNA 、、 28 SrRNA28 SrRNA 为为一个一个转录单位，前体为转录单位，前体为 45S RNA45S RNA ，其加工过程如图。，其加工过程如图。

5S rRNA5S rRNA 与与 tRNAtRNA 在一个转录单位中。在一个转录单位中。


(1) (1) 切除切除 5′5′ 端的前导序列；端的前导序列；

(2) (2) 从从 41S41S 的中间产物中先切下的中间产物中先切下 18S18S 的片段。的片段。

HelaHela 细胞的切点在细胞的切点在 18S18S 和和 5.8S5.8S 之间的之间的 ITSITS （内部转录间（内部转录间隔序列）；隔序列）；

LL 细胞的切点在细胞的切点在 18S18S 序列和序列和 ITSITS 的交界处，称为的交界处，称为先成熟先成熟。。

(3) (3) 部分退火，形成发夹结构；部分退火，形成发夹结构；

(4) (4) 最后修正。最后修正。

B B 加工过程加工过程


ETSETS ITSITS


C酵母rRNA前体的剪切

切除 5′ 端的前导序列

切下 18S 的片段部分退火

修正


D D 转录后的加工和与核糖体的装配同时进行转录后的加工和与核糖体的装配同时进行


DNA 和 RNA 合成的比较

生物信息的传递 －－从 dna 到 ran （ rna 的生物合成）

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生物信息的传递－－从 dna 到 ran （ rna 的生物合成）