第十一章 RNA 的生物合成 （转 录 transcription ）

思路： 合成体系 过程 后加工 酶 模板 起始 延长 终止 剪切 剪接 末端添加 化学修饰 RNA 编辑原核（主）真核

方式转录 ( 主 )RNA 复制RNA 转录

转录：指以 DNA 为模板 合成 RNA 的过程

  复 制 转 录

模 板两 股 全 长DNA 链

模板链 : 一股DNA 链 的 部 分（ 不 对 称 转录）

原 料 dNTP NTP

酶 DNA 聚合酶（ DDDP ）

RNA 聚合酶（ DDRP ）

产 物 子代 DNA RNA （ mRNA, tRNA, rRNA ）配 对 A-T ， G-C A-U T-A G-C

复制与转录的区别(

表 11-1)

引物 有 无

合成体系

底物： NTP （ ATP 、 GTP 、 CTP 、 UTP）

模板：模板链

酶： RNA-pol(DDRP)

某些蛋白因子、无机离子

第一节 模板和酶

一 . RNA 聚合酶

1. 不需引物； 2. 聚合方向 5′→3′ ； 3. 无核酸外切酶活性。

原核 1种种类 真核 3种

作 用：催化四种 NTP 合成 RNA

特 点：

1 ．原核生物的 RNA 聚合酶

（ 1 ） 组 成

5 个亚基（ α2ββ′σ ），

存在形式

核心酶： α2ββ′ ， 参与转录 延长。

全 酶：核心酶 +σ ， 参与转录 起始。

亚基 功能 决定哪些基因被转录 与转录全过程有关 （ 催化）′ 结合 DNA 模板（开链） 辨认起始点

（ 2 ）各亚基的功能

（ 3 ）特性 受利福平抑制（专一结合 β 亚基）

2 ．真核生物的 RNA 聚合酶

种类 I II III

转录产物 45s-rRNA hnRNA5s-rRNA

tRNAsnRNA

对鹅膏蕈碱的反应

对利福平的抑制反

应

耐受（－）

（－）

极敏感（＋＋）

（＋＋）

中度敏感（＋）（－）

2. 转录特点：不对称转录

含义：①只有一 条链被转录； ②模板链并非总在同 一单链上。

二、转录模板1. 模 板：模板链 .

模板链 : 为 DNA 双链中指引转 录的单股链的部分片段。作用：决定 RNA 的核苷酸排列顺序。

3. 转录单位 操纵子 操纵子 = 启动子 + 结构基因 + 终止子 （ 1 ）  启动子 概念：指 RNA 聚合酶识别、结 合 和开始转录的一段 DNA 序列。 特征 : 实验 : A. 原核生物 结合部位： -10bp 处，含 TATAAT 序列 （ Probnow ）盒， RNA － pol 的结合部位。

识别部位： -35bp 处，含 TTGACA 序列， σ 因子的识别部位。

概念 : 位于真核 DNA 转录起 始点上游，与转录起始、

调控有关的 DNA 序列。 TATA 盒： -25bp 处

组成 : CAAT 盒： -75bp 处 GC 盒： -95 bp 处

B. 真核生物顺式作用元件

(2)  结构基因 定义：能转录出 RNA 的 DNA 片段 . (3)  终止子 定义：转录模板上终止转录的信号。 特征： a. 原核生物 不依赖 ρ 因子的终止子： RNA 上茎环 ( 发夹 ) 结构 依赖 ρ 因子的终止子：位 RNA 上 Polyc b. 真核生物 加尾信号 DNA 上 AATAAA+ 富含 G.T 序列

第二节 转录过程－ . 原核生物的转录过 程：起始、延长及终止

（一）、起始 生成转录起始复合物： RNApol （ α2ββ ′σ ） - DNA-pppGpN-oH3′

过程 : RNA-pol(σ) 结合启动子 ,DNA 解旋 , 形成第一个磷酸二酯键 。

核心酶转录空泡的形式 , 沿模板 3′→5′ 滑动 ,使 RNA 链从 5′→3′ 延长。

多个转录同时进行

（二）、延长

核心酶识别

转录终止

依赖 ρ 因子的转录终止

不依赖 ρ 因子的转录终止

（三） . 终止

机制

转录终止信号

新 RNA 链脱落； DNA 双链恢复 ;

核心酶脱落与 σ 因子结合

＝ . 真核生物的转录 （－） . 起始 形成 PIC:RNA-pol-TF-DNA 生成第一个磷酸二酯键 ,RNA- pol 磷酸化 TF( 转录因子 ) ：直接或间接结合 RNA-pol 的 反式作用因子。 反式作用因子：直接或间接辨认、结合 顺式作用元件的蛋白质。 TF 能结合 RNA-pol 和 DNA （＝） . 延长 同原核 图 （三） . 终止 加尾信号处终止， PolyA 后切断 RNA 。

剪切和剪接基本类型 末端添加

化学修饰 RNA 编辑

部位 胞核（主） 胞浆

第三节 转录后的加工原核 mRNA 不需加工，其余 RNA 均需加工后才有活性。

一、真核生物 mRNA 的转录后加工（一）首、尾的修饰（末端修饰）

1 ． 5′ 端加帽— m7GpppNMp

作用：稳定 mRNA 过程：

2 ． 3′ 端加尾－ polyA 尾 作用：稳定 mRNA 过程： 3.RNA 编辑： PolyA 的形成过程

内含子：隔离基因线性表达的序列。（非编码区）

外显子：在断裂基因及其初级转录产物及 mRNA 上　　　　　可表达的片断。（编码区）

（ ＝） 剪接 切除内含子，连接外显子。

断裂基因：指真核生物基因，其内含子和外显 子相互间隔而连续镶嵌 , 去除内含子 后可翻译完整蛋白质。 机制 : a. 套索机制 结合 靠近 连接 ( 转酯反应 ) 部位 : 剪接体 = hnRNA +snRNP （ snRNA ＋蛋白质） b. 自身剪接 核酶 c. mRNA 编辑

• 内含子• 分类• Ⅰ. . Ⅱ Ⅳ 自身剪接• Ⅲ 套索结构剪接•

• 功能• 有利于物种的进化选择 ,

• 在基因表达中有调控功能 .

二、 tRNA 的转录后加工 1 ．剪接 需内切酶和连接酶 2 ． 3′ 端加上 CCA 结构（末端添加） 需外切酶或转移酶 3 ．碱基修饰（化学修饰） 生成稀有碱基

三、 rRNA 的转录后加工 自身剪接 需核酶参与 定义：具有催化作用的 RNA 结构：锤头状结构 底物部位 切口旁 核酶 催化部位 茎 环 作用：参与 RNA 的转录后加工。 作用方式 : 剪接 ( 核酸内切酶 + 连接酶 ) 剪切 ( 核酸内切酶 ) 实验： 意义 :

原核与真核转录的 区别• 原核 真核• RNA-pol 种类 1 3

• 起始 σ 因子识别起始点， 需 TF 与启动子结合 后，• RNA-pol 与 DNA 协助 RNA-pol 与 DNA• 模板结合。 模板结合。 • 延长 核心酶滑动 RNA-pol 滑动• 终止 依赖 ρ 因子 ρ 因子阻止 加尾信号提示 mRNA 加• 不依赖 ρ 因子 mRNA 发 PolyA 尾、并在尾后切断• 夹结构阻止

• 后加工 mRNA 不加工 mRNA 、 tRNA 、 rRNA• tRNA 、 rRNA 需加工 均加工• • •

5'

3' 5'

3'

为模板链 转录延长方向

结构基因与不对称转录

为编码链为结构基因

5´·····GCAGTACATGTC····· 3´

3´·····c g t c a t g t a c a g····· 5 ´

5 ´····GCAGUACAUGUC ···3 ´

NAlaValHisValC

DNA

DNA 模板 , 转录产物 RNA 的核苷酸序列 ,

以及翻译产物肽的氨基酸序列 .

DNA 双链中 , 以小写字母代表模板链 , 大写字母代表编码链 .

RNA

肽

5´

RNA 聚合酶保护区 结构基因 终止点

-50 -40 -30 -20 -10 0 +10

TTGACAAACTGT

TATAATPu Probnow 盒ATATTAPy

pppG

5´

转录的起始区

TTGACA•••N17•••

TTTACA•••N16•••

TTTACA•••N17•••

TTGATA•••N16•••

CTGACG•••N18•••

被 RNA 聚合酶保护的 DNA 区段碱基序列分析

1-5 行举出几个具体操纵子的分析结果

6,7 行示对 45 个操纵子分析后得出的一致性序列

TTGACA TATAAT X/45 38 36 29 40 25 30

37 37 28 41 29 44

trp tRNAtrp

lac

recA

ara

最大一致性

TTAACT • N7 •A •••

TATGAT • N7 •A •••

TATGAT • N6•A •••

TATAAT • N7•A •••

TACTGT • N6•A •••

– 35 区 –10 区 +1

真核生物启动子

GAGCCACCC CCAAT TATA5'

5'3'

3'

-25-70

GC 盒 CAAT 盒 TATA盒

转录起始部位

+1

启动子

RNA 产物Hogness

rho rho

Polymerase Polymerase

Rho 因子的作用原理

RNA 链上带条纹线的代表富含 C 的区段。

Rho 因子结合 RNA （右），发挥其 ATP 酶及螺旋酶活性

5´

RNA

+ATP

5´

3´3´

TTGCAGCCTGAGAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT

UUUUU…..

A B

CA

大肠杆菌

B

RNA 一级结构

RNA 二级结构

5´

AAA….AAA(POLYA)5´

3´DNA

转录终止

RNA 聚合酶

m-RNA

真核生物的转录终止及加尾修饰

AATAAA

加尾信号

启动子 结构基因 终止区 1.

5´

5´ σ 核心酶

2.

3.

4.

Gppp5.

6 3’‘

5´ pppG

σ

ρ7.

5´ pppG

8.5´ mRNA

转录过程1,2. 待转录的基因 ; 3´ 至 5 ´ 的单股为有意义链 ; 3,4. 起始 : 全酶结合于有启动区 ;5. 第一个 pppG 加入 ;

6.σ 因子释出后开始延长; 7. 终止 : ρ 因子加入 , 核心酶释出 ; 8. 转录完成

核心酶

RNA 聚合酶 DNA-RNA杂化双链

OH

转录方向

模板链

5´-pppG

RNA

转录空泡 : 由 RNA 聚合酶、 DNA 、转录产物 RNA 组成的转录复合物

DNA

转录空泡

电子显微镜下的转录现象（原核生物）

5´pppG

转录终止模式

3´

3´DNA

RNA 聚合酶

TF II FRNA¾ÛºÏ ø

TF II D

TATADNA

TF II A

TF II B

TF II E

ת ¼ǰÆðʼ̧´ ºÏ ÎïPIC:TF-DNA-RNApol

TFII 功能

• RNA 编辑 : 某些 RNA( 特别是 mRNA) 转录

• 后，还需插入、删除和取代• 某些核苷酸残基，才具有翻• 译功能，并改变了原有模板• 上的遗传信息。

帽

并接体 (spliceosome)

定义 : snRNA 与核内蛋白质构成的 小核核糖核酸

蛋白体 (snRNP ) 。作用 : snRNA 序列与内含子序列互补 , 参与

mRNA 的 剪接 .场所 : 剪接体 (snRNP+hnRNA)

蛋白体snRNA

断裂基因

A B C D E F G

A~GΪ ·Ç±àÂëÇø1~7 Ϊ ±àÂëÇø

L 1 2 3 4 5 6 77 700 bp

电镜套索

1. 结合 并接体

内含子

2.靠近

3.连接

U pA G pU5' 3'

5'ÍâÏÔ×Ó 3'ÍâÏÔ×Ó

ÄÚº¬×Ó

pG-OH

pGpA

G pU 3'U5' OH

µÚÒ»́Πת õ¥·´ Ó¦

µÚ¶þ´Î ת õ¥·´ Ó¦

U5' pU 3'

pGpA

GOH

5'

3'

（三） tRNA 的转录后加工

。 rRNA 的转录后加工

rDNA （ rRNA 基因）特点：多拷贝、间隔、串联基因。

转录产物是 rRNA前体rDNA

ת ¼

¼ô½Ó 45S-rRNA

18S-rRNA 5.8SºÍ 28S-rRNA

28S5.8S18S

具有催化活性的

RNA 称为核酶

（ ribozyme)

核酶的二级结构　　（槌头结构）

T C G A G T A CA G C T C A T G

C G A G U A C

G C A URNA 聚合酶

编码链

模板链

RNAPPi

5’

3’3’5’

5’

GTPUTP

CTP

ATP

UTP

转录的延长

3’

起 终

’

α

+1

-55

TATAATATATTA

TTGACAAACTGT

原核生物的 RNA 聚合酶全酶及其在转录起始区的结合DNA 双链已打开 ,但因子尚未脱落

总结：• 转录：定义、特点、合成体系、合成过程、合成后加工

• 合成体系 过程 后加工• 酶 模板 起始 延长 终止 剪切 剪接• 末端添加• 化学修饰• 　　

RNA 编辑原核（主）真核