第二十六章 rna 生物合成和加工

第二十六章 RNA 生物合成和加工

本章重点讨论 RNA 的生物合成，对 RNA 的合成后加工和 RNA 的复制作一般介绍。

思考

第一节第一节 DNA指导下RNA的合成（转录）

第二节第二节 RNA转录后加工

第三节第三节 RNA指导下RNA的合成(RNA(RNA 的复制的复制 ))

第四节核酸生物合成的抑制剂第四节核酸生物合成的抑制剂楚雄师范学院化学与生命科学系范树国

遗传信息传递的中心法则

蛋白质翻译

转录逆转录

复制

复制

DNA

RNA

生物的遗传信息以密码的形式储存在 DNA 分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过 DNA 复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给 RNA ，再由 RNA 通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些 RNA 病毒能以自己的 RNA 为模板复制出新的病毒 RNA ，还有一些 RNA 病毒能以其 RNA 为模板合成 DNA，称为逆转录这是中心法则的补充。

中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。

第一节第一节 DNADNA 指导下指导下 RNARNA 的合成的合成

一、转录的概念

二、 RNA聚合酶及催化反应

三、 RNA合成过程

四、启动子和转录因子

五、终止子和终止因子楚雄师范学院化学与生命科学系范树国

转录是在转录是在 DNADNA 的指导下的的指导下的 RNARNA 聚合酶的催聚合酶的催化下，按照碱基配对的原则，以四种核苷酸为原化下，按照碱基配对的原则，以四种核苷酸为原料合成一条与模板料合成一条与模板 DNADNA 互补的互补的 RNARNA 的过程。的过程。 RNARNA

的转录从的转录从 DNADNA 模板的特定位点开始，并在一定的模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。位点终止。此转录区域为一个转录单位。

启动子（ promoter)

终止子 (terminator)

模板链（ template strand ）反意义链 (antisense strand)

有意义链 (sense strand)非信息区

DNADNA

5´

5´3´

3´

转录的概念和 DNA 的有义链和反义链

转录与 DNA 复制的异同

转录与 DNA 复制的异同相同：要有模板，新链延伸方向 5´→3´ ，碱基的加入严格遵循碱基配对原则。

相异：①复制需要引物，转录不需引物。

② 转录时，模板 DNA 的信息全保留，复制时模板信息是半保留。

③ 转录时， RNA 聚合酶只有 5´→3´聚合作用，无 5´→3´ 及 3´→5´ 外切活性。

楚雄师范学院化学与生命科学系范树国

大肠杆菌 RNA 聚合酶的结构示意图

核心酶 (α2ββ)

起始因子

β —— 与模板 DNA 结合β—— 与核苷酸底物结合 α—— 识别其相应的启动子？ —— 识别 DNA 分子上的起始信号，不同启动子需要不同不同启动子需要不同 σσ 因子。因子。

全酶 (αββ)

细菌的 RNA 聚合酶，其活性形式 ( 全酶 ) 为 15S，由 5 种不同的多肽链构成，按分子量大小排列分别为 β'(155000) ， β(151000) ， σ(70000) ， α(36500) 和 ω(11000) 。每分子RNA 聚合酶除有两个 α亚基外，其余亚基均只有一个，故全酶为 β'βα2σω(450000)


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

真核细

胞中的

RN

A聚

合酶

真核细胞中的 RNA 聚合酶细菌只有一种 RNA 聚合酶，它完成细胞中所有 RNA 的合成。真核细胞的转录机构更加复杂。真核细胞核内产生三种 RNA 聚合酶，位于不同的部位，且均有复杂的亚基结构。每种酶负责不同种类基因的转录。

酶位置产物活性比较对α-鹅膏蕈碱的敏感性

RNA 聚合酶Ⅰ 核仁 rRNA 50 % -

70%不敏感

RNA 聚合酶Ⅱ 核浆 hnRNA 20 % -

40%敏感

RNA 聚合酶Ⅲ 核浆小 RNA 10% 有种属特异性

RNA 聚合酶Ⅰ合成 RNA 的活性最显著。它位于核仁中，负责转录编码 rRNA 的基因 ( 称 rRNA) ，而细胞内绝大部分 RNA 是 rRNA 。另一主要的酶是RNA 聚合酶Ⅱ，它位于核浆中，负责核内不匀一 RNA(hnRNA) 的合成。而 hnRNA 是 mRNA 的前体。 RNA 聚合酶Ⅲ负责合成 tRNA 和许多小的核内RNAs 。转录抑制剂常用来区分这三类酶的活性。其中最主要的是一种双环八肽── α- 鹅膏蕈碱。在不论何种真核细胞中， RNA 聚合酶Ⅱ的活性均可被低浓度的 α- 鹅膏蕈碱所迅速抑制，而聚合酶Ⅰ却不被抑制。聚合酶Ⅲ对 α- 鹅膏蕈碱的反应则不尽相同 : 在动物细胞中聚合酶Ⅲ可被高浓度 α- 鹅膏蕈碱所抑制，而在酵母和昆虫细胞中则不会被抑制。


粗制的 RNA 聚合酶都是大而复杂的蛋白质，分子量达 500 KD或更多。其亚基组成亦很复杂 : 每个酶分子有两个大亚基 ( 一般说，一个约 200 KD ，另一约 140 KD) ，还有 10 个以下的小亚基，每个分子量约为 10-90 KD 。三种酶中也有一些共同的亚基，所以可能是一个原始的酶在进化过程逐渐分化为在复杂的真核细胞中执行不同功能的三种酶。直到现在还不能用亚基来重建活性的酶分子，因此还难以提出确切的证据说明这些亚基是否真正都是酶分子的固有的组成部分，也不知道哪些亚基负责催化，哪些负责调节功能。

抑制剂靶酶抑制作用

利福霉素细菌的全酶与 β亚基结合，阻止起始

链霉溶菌素细菌的核心酶与 β亚基结合，阻止延长

放线菌素 D 真核 RNA 聚合酶Ⅰ 与 DNA结合，并阻止延长

α- 鹅膏蕈碱真核 RNA 聚合酶Ⅱ 与 RNA 聚合酶Ⅱ结合

某些常用的转录抑制剂


RNA 合成过程起始

双链 DNA 局部解

开

磷酸二酯键形成

终止阶段

解链区到达基因终点

延长阶段

5 3

RNA

启动子（ promoter)

终止子 (terminator)

5

RNA 聚合酶

5

35

3

5

53

离开

转录终止信号细菌 DNA 中有转录终止信号，称为终止子 (te

rminator) 。终止子的作用是在 DNA 模板的特异位点处终止 RNA 的合成。在终止子处， R

NA 聚合酶停止其聚合作用，将新生 RNA 链释出，并离开模板 DNA 。在某些位点处，终止需要一种辅助蛋白质，即 ρ 因子，但在其他位点处，核心酶本身即可终止转录。


不依赖 ρ 因子的终止子有两个特征 :

[1]DNA 顺序有双重对称 (dyad) ，位于 RNA3´ 端之前 15-20 核苷酸处；

[2]DNA 模板链中有一串约 6 个 A ，转录为 RNA3´端的 U 。

双重对称的意义在于其转录本能形成发夹结构。体外实验显示，如果掺入其他碱基以阻止发夹形成时，终止即不发生。通常只要有一个核苷酸的改变破坏了规则的双螺旋的茎时，即可破坏终止子的功能。对终止子突变的分析亦显示 DNA 模板上多聚 dA 顺序的重要性。如将此序列中的一个碱基换掉，或除去部分序列 ( 缺失 ) 都可使终止子失活。

依赖 ρ 的终止子没有不依赖 ρ 的终止子特有的多聚 dA 序列，并且也不是都能形成稳定的发夹。现在还不清楚 ρ 因子的作用机制，但有几种可能性 :[1]ρ 因子在 RNA 的存在下能水解 ATP ，说明它能与新生 RNA 链结合，并可能应用 ATP 放出的能量将 RNA 链从酶和模板中释出。 [2]ρ 因子可能与 RNA 聚合酶结合。编码 ρ 因子的基因 rho 发生突变时产生的某些 ρ 蛋白质仅能在 RNA 聚合酶的 β 亚基也发生相应突变时才能有 RNA 合成的活性。 [3] 已知 RNA 聚合酶本身能识别 DNA 模板中依赖 ρ 的终止顺序，而 ρ 因子是在以后才发挥作用而释出 RNA 的。即使是在没有 ρ时， RNA 聚合酶也在依赖 ρ 的终止子处暂停，不过以后仍继续向前进。故有人认为，即使有一个很弱的发夹也可使 RNA 聚合酶停止前进。此时 ρ 因子即可与之结合而将聚合酶和 RNA 解离下来。所以 ρ 因子也是一种酶。

5'-CCCAGCCCGCCTAATGAGCGGGCTTTTTTTTGAACAAAA-3'

3'-GGGTCGGGCGGATTACTCGCCCGAAAAAAAACTTGTTTT-5'

5'-CCCAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUUUUUU-OH3'

模板

转录本


σ 因子的解离RNA 链的延伸阶段开始后， σ 因子即从核心酶 -D

NA- 新生 RNA 复合体上解离下来，并可再用于和新的核心酶结合，一般认为， σ 因子之所以被释放出是因为此时它已不起作用了，但也可能是因为 σ

因子如仍然存在将会造成 RNA 聚合酶与启动子序列结合过紧，以致不能再沿着模板移动。所以当新生链 - 酶复合体与 DNA 模板的结合很弱，并且酶亦不再要求与特异序列的 DNA 结合时，链的延伸才能达到最佳状态。


虽然全酶与启动子的结合要比核心酶与任何 DNA 顺序的结合紧密得多，但对非启动子 DNA 的结合却可能并不如此。因此， σ 因子能抑制 RNA 聚合酶与 D

NA 的非特异性结合，促使酶分子沿着螺旋轻快地旅行，直到它很快找到合适的启动子序列。通过沿着DNA 向着一个方向前进，全酶就可以比它在细胞内空间的三维方向中更快得多地找到启动子。


因为正在转录的 RNA 聚合酶没有 σ 因子，而且在正常生长条件的细胞中可能仅有半数的酶分子是有活性的，所以没有理由认为细胞中核心酶分子和 σ 因子的数目是相等的。然而两者的数目不会相差过大 ; 可能细胞内总是保持有相当数量的游离 σ 因子，以便一旦核心酶在转录终止而释放出来时能立即重建为全酶。

RNA 合成的起始在 E. coli 中， RNA 链的起始通常是在 RNA 聚合酶所结合的 DNA 区域的一端，在解开的双链部分，离-10 开始处大约 12 或 13 个碱基处。第一个核苷酸通常是 pppA 或 pppG, 较少为 pppC ，但偶而亦可为 pp

pU 。有时转录可在好几个相邻核苷酸处起始，也就是说 RNA 聚合酶似乎是可屈伸的，它能覆盖和巡游解链区的一部分，设法找出一个嘌呤作为起始，而嘧啶是它的第二选择。


然而从细胞内分离出的 RNA 分子的 5' 端的核苷酸却不一定是起始转录的核苷酸。因为在合成后许多RNA 链还要经过内切核酸酶加工，切成较小片段，而这些片段完全可以由嘧啶起始。例如，虽然某些 tRNA 链的起始是 U ，但它们从不含有末端三磷酸基团。它们是在体内由长链 RNA切割而成的。实际上所有细胞均含有许多种核酸酶，实验室中在体外合成的 RNA 则往往不受核酸酶的作用。


DNA 的解链和重复螺旋化RNA 聚合酶在延伸新生 RNA 链时继续使 DNA 螺旋解链，以便暴露出模板链， RNA 链的生长点是大约12bp长的 RNA-DNA 杂交区。在 RNA 链离开模板时，此杂交区即复原，同时两条 DNA 链即又重复螺旋化。而被延伸的酶所解开的 DNA 链的长度约为 17bp

，略长于 RNA-DNA 杂交链，而与在启动子形成的“开放”复合体的解链区的长度相等。


虽然一般说延伸复合物可保持 17bpDNA 于解链状态，但此数目可以有很大的改变，特别是当 RNA

聚合酶遇见一些特殊的 DNA 序列时。例如，在转录终止区， DNA 链可完全重复螺旋化，而酶的 RN

A 链则从复合体中释放出。而在质粒 ColEL 复制时， RNA引物的转录生成的情形则正相反，在某一特异位点处 DNA 的重复螺旋化被阻止，生成的转录本和模板 DNA 形成几百核苷酸长的 RNA-DNA

杂交双链。目前还不知道为什么会有这样的变化，可能新生成的转录本的特异的二级结构起很大的作用。


RNA 链的延伸图解

3´

5´

RNA-DNA 杂交螺旋

聚合酶的移动方向新生 RN

A

复链解链

有义链模板链（反义链）

延长部位


真核生物和原核生物转录的差别

DNA

核

核糖体

新生蛋白质真核生物原核生物

mRNA 前体

转运

加工 mRNA

mRNA

真核生物中转录与复制在不同的区域

RNA 聚合酶不相同

启动子不同

转录后 RNA 加工修饰不同

四、启动子和转录因子

启动子启动子 ( promoter)( promoter) 是指是指 RNARNA 聚合酶识别、聚合酶识别、结合和开始转录的一段结合和开始转录的一段 DNADNA 序列。序列。 RNARNA 聚合聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）称为转酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）称为转录因子录因子 (transcriptional factor)(transcriptional factor) 。。

利用利用足迹法 (footprint)(footprint) 和和 DNADNA 测序法可以确定测序法可以确定

启动子的序列结构。启动子的序列结构。

例：例：大肠杆菌启动子共有序列的功能

增强子

增强子增强子能大大增强启动子的活性。增强子有别于启动子处有两点 :[1] 增强子对于启动子的位置不固定，而能有很大的变动 ;[2]它能在两个方向产生相作用。一个增强子并不限于促进某一特殊启动子的转录，它能刺激在它附近的任一启动子。首先被发现的增强子是 SV40增强子。两个增强子位于基因组的两个串连的 72 bp重复中，约在转录起始点上游 200 bp处，每个 72 bp重复中有一个。缺失实验显示两个重复缺失一个并不产生什么影响，而如两个均缺失即将大大降低活体内的转录。有人发现，如果将 β珠蛋白基因放在含有 72 bp重复的 DNA 分子中，它的转录作用在活体内将增高约 200倍以上，甚至当此 72 bp 顺序位于离转录起点上游 1400 bp或下游 3000 bp时仍有作用。各个基因中的增强子顺序差别较大，但有一个基本的核心顺序 (core sequence) ： AAAGGTGTGGGTTTGG

调节蛋白与启动子的结合启动子的效率高低不一。实验显示，与聚合酶结合和开放复合体形成这两个步骤的效率在不同的启动子中是不同的。因此，细胞内不同启动子的效率可有几个数量级的差别──从每 10 分种以上方有一次转录起始到每 1-2秒即有一次起始。在不同的生长情况下转录可根据需要而改变。在 E. coli 中转录的调节常常是通过某些蛋白质的介导。这种调节蛋白能够在启动子处或靠近启动子处与 DNA 分子相结合，从而增高或降低 RNA 聚合酶起始 RNA 合成的效率。这些蛋白质中，有的能阻断 RNA 聚合酶的结合，从而抵制转录，称为阻遏蛋白 (repressor); 有的能与 RNA 聚合酶结合并提高其活性，称为激活蛋白 (activator) 。


凡需要激活蛋白才能充分发挥作用的启动子常常与 -35共同顺序很不相似，这提示激活蛋白可以取代这个结合位点。作为一种启动子的阻遏蛋白可能是另一种启动子的激活蛋白，反之亦然，这取决于其结合位点的准确位置。一种调节蛋白的名称常常只是反映了它第一次被发现时的功能。


常常某个基因是否应当表达决定于在特定的启动子起始过程。

启动子一般可分为两类 : (1) 一类是 RNA 聚合酶可以直接识别的启动子。这类启动子应当总是能被转录，但实际上也不都如此，外来蛋白质可对其有影响，即该蛋白质可直接阻断启动子，也可间接作用于邻近的 DNA结构，使聚合酶不能和启动子结合。 (2) 另一类启动子在和聚合酶结合时需要有蛋白质辅助因子的存在。这种蛋白质因子能够识别与该启动子顺序相邻或甚至重叠的 DNA顺序。


因此， RNA 聚合酶能否与启动子相互作用是起始转录的关键问题，似乎是蛋白质分子如何能识别 DNA 链上特异序列。例如， RNA 聚合酶分子上是否有一个活性中心能够识别出 DNA 双螺旋上某特异序列的化学结构 ? 不同启动子对 RNA 聚合酶的亲和力各不同。这就可能调控转录起始的频率，亦即对基因表达的重要程度不同。 DNA 链上从启动子直到终止子为止的长度称为一个转录单位。一个转录单位可以包括一个基因，也可以包括几个基因。


为什么 RNA 聚合酶能够仅在启动子处结合呢 ? 显然启动子处的核苷酸顺序具有特异的形状以便与 RNA 聚合酶结合，就好像酶与其底物的结构恰恰适合一样。将 100 个以上启动子的顺序进行了比较，发现在 RNA 合成开始位点的上游大约 10 bp 和 35 bp 处有两个共同的顺序，称为 -10 和 -35 序列。这两个序列的共同顺序如下 ,

-35 区“ AATGTGTGGAAT” ， -10 区“ TTGAC

ATATATT” 。大多数启动子均有共同顺序 (conse

nsus sequence) ，只有少数几个核苷酸的差别。


-10 序列又称为 Pribnow盒 ( 原核生物 ) 。在真核生物中相应的序列位于 -35 bp 处，称为 TATA盒，又称为 Goldberg-Hogness box ，是 RNA 聚合酶Ⅱ的结合部位。 -10 和 -35这两个部位都很重要 : [1] RNA聚合酶能和 -35 和 -10 序列中的碱基和 DNA主链中的磷酸基相接触 ; [2] 离开共同顺序较远的启动子的活性亦较弱 ; [3] 最重要的是，破坏启动子功能的突变中有 75% 都是改变了共同顺序中的碱基，其余 25% 亦为离共同顺序较近的。 -35 和 -10 序列相距约 20 bp ，即大致是双螺旋绕两圈的长度。因为这两个结合区是在 DNA 分子的同一侧面，可见此酶是结合在双螺旋的一面。可以想像，它能 "感觉到每个结合区的沟底中碱基所产生的特异形状 " 。


启动子中的－ 10 和 -35 序列是 RNA 聚合酶所结合和作用必需的顺序。但是附近其他 DNA 顺序也能影响启动子的功能。例如，在核糖体 RNA 合成的起始位点的上游 50到 150 核苷酸之间的顺序就是对启动子的完全活性所必需的。如果这一段 DNA 顺序缺失并由其他外来 DNA 所取代 (例如克隆在质粒 DNA 中的 rRNA 基因 ) ，则转录起始的频率将降低 10倍。同样，在其他情况下，远隔部位的富有 AT 的 DNA顺序被认为能增进转录起始的频率。有时候上游顺序可以是某些能直接激活 RNA 聚合酶的 "激活蛋白 "的结合部位。但是，上游顺序往往有另外的功能。例如上游顺序可以吸引拓扑异构酶，后者可导致结合的局部产生有利于转录起始的超螺旋状态。上游顺序所引起的 DNA 结构的微细变化可能在双螺旋上被传导到相当远的距离，因此上游顺序的变化可以影响到 -10 和 -35 区的 DNA 结构细节。

RNA 聚合酶与启动子的结合大肠杆菌的 RNA 聚合酶与启动子结合的过程可分为两步。 [1] 酶找到启动子顺序并与其以 "关闭 " 复合体形式 ( 即双螺旋形式 ) 相结合。这一步所识别的是-35 序列，因为 -35 序列的突变损害启动子的结合。[2]"关闭 " 复合体转变为 " 开放 " 复合体 ( 即双螺旋被解旋，两条链分开 ); 此时酶的结合比较紧密。在这个转变中 -10 区约有 17bp 被解旋，暴露出模板链。 -10 序列富于 AT 碱基对，因为 AT 对比 GC 对更易于 "融化 " 。 -10 区的突变可阻碍 " 开放 " 复合体的形成。许多突变改变了 -10 序列中的碱基，但并未减低其 AT 对的水平，却仍然能阻碍其 "融化 " 为开放复合体，可见 -10 区除了要易于融化之外，还必须有特异的形状，以便 RNA 聚合酶能够识别它。

足迹法确定启动子序列

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 16-19 bp 5-9 bp

起点


五、终止子和终止因子

提供转录停止信号的提供转录停止信号的 DNADNA 序列称为终序列称为终止子止子 ( terminator)( terminator) 。协助。协助 RNARNA 聚合酶识别终止信号聚合酶识别终止信号的辅助因子（蛋白质）则称为终止因子的辅助因子（蛋白质）则称为终止因子 (termination (termination

factor) factor) 。有的终止信号的作用可被特异的因子所阻。有的终止信号的作用可被特异的因子所阻止，使止，使 RNARNA 聚合酶得以越过终止子继续转录，这称聚合酶得以越过终止子继续转录，这称为通读为通读 (read through)(read through) ，这类引起抗终止作用的蛋白，这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子质称为抗终止因子 (antiterminator)(antiterminator) 。。

例：大肠杆菌的例：大肠杆菌的两种终止因子


大肠杆菌两类终止子的回文结构

A. 不依赖于 Rho（）的终止子

A. 依赖于 Rho（）的终止子

富含G-C

系列 U

第二节第二节 RNARNA 转录后的加工转录后的加工

一、 RNA 的加工

二、 RNA的拼接、编辑和再编码

三、 RNA生物功能的多样性

四、 RNA的降解楚雄师范学院化学与生命科学系范树国

不论原核或真核生物的 rRNAs 和 tRNAs 都是以更为复杂的初级转录本形式被合成的，然后才能加工成为成熟的 RNA 分子。然而绝大数原核生物的 mRNA 却不需加工，仍为初级转录本的形式。相反，真核生物从断裂基因产生的 mRNA 要经过复杂的加工历程，包括去除内含子的剪接反应 (

splicing) 。


原核生物中原核生物中 rrRNARNA前体的加工前体的加工

甲基化作用专一核酸外切酶

30S 前体

17S

tRNA

25S

专一核酸外切酶

16S rRNA tRNA 23S rRNA 5S rRNA

专一核酸外切酶


加工 rRNA 的酶是 RNA 酶Ⅲ。 30S 前体在体外能被RNA 酶Ⅲ所切割而形成成熟的 rRNA 分子。 16S 和 23S rRNAs 的前体分别称为p16 和 p23 ，它们分别比 16S 和 23S 略长一些。在初级转录本中，由于 p16、 p23 的两端的碱基都是互补的，它们分别形成很大的发夹。其特征是发夹顶的环非常大，分别为 1600 个核苷酸和 2900 个核苷酸。

真核生物中真核生物中 rRNArRNA 前体的加前体的加工工

哺乳动物的初级转录本是一条 45S RNA 链。含有18S、 5.8S 和 28S rRNAs 。它含有约 110 个甲基，这是在转录过程中或刚刚转录好时加工上去的。几乎所有甲基均连接在核糖残基上，在被加工成熟的 rRNAs 中，这些甲基全部被保存。在成熟的 18S rRNA 上有约 39 个原来的甲基，只有 4 个是后来在细胞浆中加上去的。而在 28S rRNA 中有约 74 个甲基，全部是原来的。有人认为甲基的存在是初级转录本转变成熟的 rRNA 的标志。


成熟的途径可能不止一条，因为中间产物的长度在不同途径中是不一样的，然而最终产物都是一样的，其中两条途径 (HeLa途径和 L途径 )切割的位置是 [1] 18S 基因的 5' 则， [2] 18S 和 5.8S 基因之间的间隔区 (spacer) ，和 [3] 5.8S 和 28S 序列之间的间隔区 (5.8S 序列成为一个和 28S rRNA 通过碱基配对相结合的小 RNA) 。


一种四膜虫 Tetrahemena thermophila 的两个主要 rRNAs 的基因和其他真核生物相类似，被转录在同一个初级转录本中。此转录本称为 35S 前体 RNA ，较小的 rRNA 的序列在 5'侧，较大的 rRNA(26S) 序列则在3'侧。在编码 26S rRNA 序列存在一个单一的，短的 (约 400 bp) 内含子。如将这个 35S 前体 RNA 在体外温育，可以发生自动剪接作用 : 内含子从前体中被切出，先呈线性 RNA片段，后来又环化为环状 RNA 。这个反应仅需要加入一种一价阳离子，一种二价阳离子，和一种鸟嘌呤核苷酸 (G) 。此鸟嘌呤核苷酸必须有一个游离的 3'-OH 基。这个 G 要连接到内含子的 5'端上 ( 通过通常的磷酸二酯键 ) 。当线性的内含子成为环状时，其 3' 端可连接在距离 5' 端 15 个核苷酸之处，从而将原来 5' 端和 15 个碱基的节段 (包括 G 在内 )排除出去。这种反应基本上是一种磷酸酯转移反应。

外显子 A 的 3'-OH 基可直接和外显子 B 的 5' 端相连接。亦即一个磷酸酯可以直接被转移到另一个上去，不需要经过中间步骤 ( 如水解作用之类 ) ，因此磷酸酯键的能量被保存着。这解释了为什么此反应不需要水解 ATP 或 GTP 来供应能量。同时，两次磷酸酯转移反应似乎是紧密相连的，因为始终没有找到过游离的外显子 (A 或 B) 。而线性内含子的环化则可以被看作是第三个磷酸酯转移反应。在体外系统中进行剪接时，并不需要蛋白质的存在。 RNA有能力自行剪接，故称为自身催化作用 (auto catalysis) 。


T. Cech 和 S. Altman各自独立地发现 RNA具有催化作用。从而改变了生物催化剂的传统概念。为此他们共同获得了 1989 年 Nobel 化学奖。 1978 年 Altman从纯化的 RNA 酶 P 中分离出一种多肽和一种 RNA (M1RNA) 。最初的实验结果表明，蛋白质和 M1RNA单独都没有酶活性，但二者混合在一起又可恢复活性。其它生物材料的实验结果表明 M1RNA 是 RNA 酶P 活性所必须的。 1983年 Altman证明，在较高浓度的 Mg2+ 存在下，单独的 M1RNA就可以催化 tRNA前体的成熟，而单独的蛋白质则没有这种能力。这样， RNA 即可看作是个酶。事实上， M1RNA 的酶活性并不比 RNA 酶 P 的粗制品的活性低。原来认为蛋白质赋予酶的活性， RNA 只起某种辅助作用 (例如帮助蛋白质与其底物结合 ) ，但现在发现这两种功能已经倒转。 Cech给具有催化活性的 RNA 定名为 ribozyme 。

很长时间以来，人们就试图自己设计和生产酶分子，但因蛋白质分子结构上的复杂性，迄今为止，尚无成功的例子。近年来随着 ribozyme 的发现，人工酶 (

新概念下的酶，它的构件分子是核苷酸 ) 的设计又产生了新的希望。澳大利亚的科学家就设计了九个 ribo

zyme 分子，它们都具备内切酶的活性，且切割位点有高度特异性。同时， ribozyme 的活性随 pH、温度、及阳离子浓度的变化而变化，显示出典型的酶特性。由于 ribozyme 的作用位点高度特异，故可以用来切割特定的基因转录产物 (RNA) 。有人将这种切割作用叫做抗基因活性。因为切割的结果破坏了 RNA

，也就是抑制了基因的表达。这种特性为我们进行基因和病毒的治疗提供了一个可行的途径。

tRNAtRNA 前体分子的加工前体分子的加工

a、切除 tRNA 前体两端多余的序列： 5’—端切除几到 10 个核苷酸。

b 、末端添加： 3’-端添加 CCA序列。

c 、修饰：形成稀有碱基如 DH2 。

RNAasePRNAaseF RNAaseP

RNAaseF

RNAaseDRNAaseD

ACC

表示核酸内切酶的作用

表示核苷酸转移酶的作用

表示核酸外切酶的作用

表示异构化酶的作用

tRNA 基因往往成簇存在，不论在原核或真核生物中均如此。

每个 tRNA 均是一个长的前体 RNA 的一部分。

E. coli 中还有一种 RNA 酶 P ，它是一种内切核酸酶，负责切割所有 tRNA 分子的 5' 端，不论是在其与 5' 前导序列的接头处，还是在顺反子之间的序列处。 RNA 酶 P 是一种不寻常的酶。它由蛋白质和RNA二者组成，分子中 RNA 有 375 个碱基长 ( 约130 KD); 而蛋白质组分要小得多，大约只有 20 KD。在 E. coli 中，基因 rnpA 编码其蛋白质组成，而 rnpB 编码 RNA 部分。这两个基因相隔甚远。 RNA和蛋白质这两个组分对 RNA 酶 P 的催化活性似乎都是必须的。


还有一个酶叫做 RNA 酶 D ，它能从 RNA 的 3' 端一个一个地切去碱基，以产生 tRNA 的真正的 3' 端 (5'端由 RNA 酶 P 产生 ) 。另一个也带有外切核酸酶活性的酶是 RNA 酶Ⅱ，它能够将 tRNA 完全分解完。以前认为它亦 tRNA 加工有关，但目前认为它可能仅和 RNA 的分解代谢有关。

在细菌中有两种 tRNA 前体，其区别在于其 3' 端的序列。Ⅰ型分子有 CCA 三联体在其 3' 端。但某些噬菌体编码的Ⅱ型分子则没有 CCA 序列。当其他碱基被一个一个从前体分子上除去后，另由称为 tRNA 核苷酸转移酶的将 CCA 加到 3' 端上去。目前认为，真核生物中可能所有的 tRNA 前体都属于Ⅱ型，在成熟时都需要通过酶的作用，在其 3' 端加上 CCA 序列。


早转录本成熟 tRNA

加工

酵母酪氨酸 tRNA 前体的加工

真核细胞 mRNA 的加工

5´ “ 帽子”

PolyA 3´

顺反子 (cistron )

m7G-5´ppp-N-3 ´ p

AAAAAAA-OH

5′ 端接上一个“帽子” (CAP) 结构

3′ 端添加 PolyA“ 尾巴” , 由 RNA 末端核苷酸转移酶

催化

剪接：剪去内含子 (intron) ，拼接外显子 (extron)

编码蛋白质的结构基因是在核浆中被转录的。但是核浆中的 RNA却并不像 mRNA 。核浆 RNA 要大得多，很不稳定，并且其顺序的复杂性也要大得多。由于它的大小很不一致，故称核内不均一 RNA (hnR

NA) 。已经证明 mRNA确实是从 hnRNA 生成的。细胞浆内的 mRNA平均只有 1800-2000 个碱基。而哺乳动物的 hnRNA 平均有 8000-10000 个碱基，其范围很广泛，从 2000-14000 碱基均有，所以一般要比 mRNA 大 4-5倍。如果以 5倍计算，由于正常哺乳动物细胞中测得 mRNA 仅占 hnRNA 量的 5% ，则相当于有 25% 的 hnRNA 可转变为 mRNA 。这意味着有 3/4 的 hnRNA 即在核内降解。

hnRNA 被切除内含子后即成为 mRNA ，并进入细胞浆内。但在切除内含子之前， hnRNA 可先加帽和加 poly(A)尾链。有一种称为 poly(A) 聚合酶的酶可以用 ATP 为底物，以加上 poly(A)尾链，这是 hnRNA 转变为成熟的 mRNA 所必须的。在哺乳动物细胞中，仅约 30% 的 hnRNA 被多聚腺苷酸化，而mRNA 中却约 70% 是有 poly(A)尾链的。可能多聚腺苷酸化是 hnRNA 分子要被加工的信号。 hnRNA的尾端要被切去一段，然后才加上 poly(A) 。因为RNA 聚合酶在转录时即已通过了相当于加上 poly(A) 的位点，故 hnRNA尾端的多余部分要由内切核酸酶切去，才能加上 poly(A) 。


二、 RNA 的拼接、编辑和再编码大多数的真核基因都是断裂基因，断裂基因的转录产物产物需要通过拼接，去除插入部分（即内含子， intron ），使编码区（即外含子， Exon ）成为连续序列，这是基因表达的一个重要环节。 RNA 编码序列的改变称为编辑（ editing ）， RNA 编码和读码方式的改变称为再编码（ recoding ）。由于存在选择性的拼接、编辑和再编码，一个基因可以产生多种蛋白质。

1 、 RNA 的拼接2 、 RNA 的编辑3、 RNA 的再编码

RNA 的拼接方式类型自我拼接

类型自我拼接

核 mRNA 的拼接体的拼接

核 mRNA的酶促拼接

RNA 编辑的不同类型和分布编辑类型机制存在

U 的插入与删除 gRNA 的转酯反应锥虫线粒体 mRNAC 、 A 或U 的插入多头绒孢菌线粒体的 mRNA 和 tRNAG 的插入 RNA 聚合酶重复转录副粘病毒的 P 基因C 转变为 U 酶促脱氢哺乳类肠的 apoPtRNAC 转变为 U或U 转变为 C 脱氢或氨基化植物线粒体 mRNA 和 tRNA 牛心线粒体 tRNAA 转变为 I 脱氨脑谷氨酸受体亚基 mRNA

RNA 编辑的生物学意义

消除移码突变等基因突变的危害增加了基因产物的多样性与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式

RNA 的再编码类型自我拼接

类型自我拼接

核 mRNA 的拼接体的拼接

核 mRNA的酶促拼接


三、 RNA 生物功能的多样性1 、 RNA 在遗传信息的翻译中起着决定作用。

2 、 RNA 具有重要的催化功能和其他持家功能。

3 、 RNA 转录后加工和修饰依赖于各类小 RNA 和

其他蛋白质复合物。

4 、 RNA 对基因表达和细胞功能具有重要调节作用

。

5 、 RNA 在生物进化中起重要作用。楚雄师范学院化学与生命科学系范树国

四、 RNA 的降解 RNA降解是涉及到基因表达的一个重要环节， rRNA 和 tRNA 是稳定的 RNA ，其更新率低； mRNA 是不稳定的 RNA ，其更新率非常高。因为 mRNA 与其编码基因的表达活性直接有关，不同的 RNA 需要以不同的速度进行降解。脊椎动物细胞 mRNA 的平均半衰期约为 3 h,细胞每一世代中各类 mRNA 约周转10次。细菌 mRNA 的半衰期大约只有 1.5 min ，以适应快速生长和对环境作出快速反应的要求。所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解RNA 。真核生物 mRNA降解的主要途径首先是 poly(A)尾巴的缩短，去腺苷酸化能诱发脱去 5端帽子结构，然后由 5 3 方向和 3 5 方向降解 mRNA。

噬菌体 Q 的合成

A. 负链的合成

B. 正链的合成

病毒的正链

复制中间体

复制中间体

新合成的正链

新合成的负链

负链

第四节核酸合成的抑制剂核苷酸合成抑制剂氨基酸类似物叶酸类似物碱基和核苷酸类似物

烷化剂放线菌素嵌合剂

与 DNA 模板结合的抑制剂

作用于 DNA 聚合酶或 RNA集合酶的抑制剂抗菌素 :如利福平、曲张霉素

肽类化合物： - 鹅膏蕈碱

DNA 和 RNA 合成的比较

问答题

1 、比较 DNA 复制与 RNA 转录的异同。

2 、比较 DNA 聚合酶与 RNA 聚合酶催化作用的异同。

3 、 DNA 复制的高度准确性是通过什么来实现的？

4 、肽链合成后的加工处理主要有哪些方式？

5 、何谓基因工程？简述其基本理论、基本过程及应用价值

名词解释

中心法则　半保留复制　转录　反转录　　翻译　

有意义链　　反意义链　　内含子　　外显子　

冈崎片段突变

第二十六章 rna 生物合成和加工

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