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第九章 RNA 的生物合成和加工

第一节 RNA 转录 第二节 转录后加工 第三节 RNA 的复制 与逆转录 第四节 RNA 生物合成的抑制剂. 第九章 RNA 的生物合成和加工. 第一节 RNA 转录. 转录研究的主要问题 ① RNA 聚合酶 ②转录过程 ③转录后加工 ④转录的调控 ① ~ ③ 是基本内容，④是目前研究的焦点，转录调控是基因调控的核心. 转录 ---- 生物体以 DNA 为模板合成 RNA 的过程 . 转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。

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第九章 RNA 的生物合成和加工

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  1. 第一节 RNA转录 第二节 转录后加工 第三节 RNA的复制与逆转录 第四节 RNA生物合成的抑制剂 第九章 RNA的生物合成和加工

  2. 第一节 RNA转录 • 转录研究的主要问题 • ①RNA聚合酶 • ②转录过程 • ③转录后加工 • ④转录的调控 • ①~③是基本内容，④是目前研究的焦点，转录调控是基因调控的核心

  3. 转录----生物体以DNA为模板合成RNA的过程.转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。转录----生物体以DNA为模板合成RNA的过程.转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。 转录的起始由DNA上的启动子区控制，转录的终止由DNA上的终止子控制， 转录所需的酶叫RNA聚合酶（依赖DNA的RNA聚合酶）, 转录产物：mRNA 、rRNA、 tRNA、小RNA. 除某些病毒基因组RNA外，绝大多数RNA分子都来自DNA转录的产物。 一、转录：

  4. 转录单位:RNA链的转录，起始于DNA模板的一个特定位点，并在另一位点终止，此转录区域称为一个转录单位。转录单位:RNA链的转录，起始于DNA模板的一个特定位点，并在另一位点终止，此转录区域称为一个转录单位。 一个转录单位可以是一个基因（真核），也可以是多个基因（原核）。 转录单位的起点核苷酸为+1，起点右边为下游（转录区），转录起点左侧（5′侧）为上游，用负数表示：-1，-2，-3。依此类推。

  5. 复制和转录的异同点 相同点： 1.都以DNA为模板 2.原料为核苷酸，都是生成3’，5’磷酸二酯键 3.合成方向均为5′→3′方向 4.都需要依赖DNA的聚合酶 5.遵守碱基互补配对规律 6.产物为多聚核苷酸链

  6. 不同点： 复制 转录 模板 两股链均作为模板 模板链作为模板 原料dNTP NTP 聚合酶DNA聚合酶 RNA聚合酶 产物 子代DNA双链 mRNA;tRNA;rRNA 配对 A-T；G-C A-U；T-A；G-C 引物 需RNA引物 -------- 方式 半保留复制 不对称转录

  7. （一）转录模板 模板链：两股DNA单链中只有一股可转录, 作为模板,录成RNA的这一股DNA链称为模板链, 或非编码链 ,反意义链，（-）链 编码链：对应的一股互补链称为非模板DNA链或编码链，有意义链，（+）链, 与mRNA序列相同(U-T)的DNA链。 二、转录模板和酶

  8. 片段转录：即以一条DNA链一段为模板进行转录。片段转录：即以一条DNA链一段为模板进行转录。 转录可能是一个基因转录，也可能是几个基因同时转录，因时间和空间不同，转录基因有差异。 DNA分子上编码链和非编码链是相对的。 模板链并非永远在同一条单链上 模板转录的不对称性特点：

  9. DNA上能转录出mRNA然后指导蛋白质合成的部分称为结构基因.DNA上能转录出mRNA然后指导蛋白质合成的部分称为结构基因. • 其余的DNA可能转录(rRNA,tRNA),也可能不转录 • 通常用正链DNA的碱基序列来表示基因的一级结构.

  10. RNA聚合酶特性： 作用条件： 4种NTP；Mg2+或Mn2+的存在；DNA模板； 反应方向： 5’→3’。 不需引物 RNA聚合酶缺乏核酸外切酶活性，不具备校对功能，因此RNA转录的保真度比DNA复制低的多。 （二） RNA聚合酶（RNApolymerase, RNApol):

  11. 催化的反应： 不需引物,在单核苷酸的3’-OH上逐个加核苷酸。

  12. 1、原核生物的RNA聚合酶 （大肠杆菌） 复合体，分子量为480kD，由六个亚基组成α2ββ′ωσ(全酶)，还含有两个Zn+ α2ββ′ω称为核心酶，只催化链的延长，对起始无作用。 σ亚基为启动因子 不同的原核生物的核心酶相同，但σ亚基有所差别

  13. E.coli RNA聚合酶各亚基及其功能

  14. 2、真核生物的RNA聚合酶 三种RNA聚合酶Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,它们专一地转录不同的基因,其转录过程和产物已各不相同.三种RNA聚合酶对鹅膏覃碱的敏感性反应不同.

  15. A、在σ亚基引导下，RNA聚合酶全酶与启动子结合；A、在σ亚基引导下，RNA聚合酶全酶与启动子结合； B、DNA局部解开双螺旋；形成转录泡 C、酶滑向转录起点， 引入第一个NTP （ATP或GTP ），然后与第2个NTP间形成磷酸二酯键。 1、转录起始过程： 三、原核生物RNA的转录过程（以E.coli为例）

  16. E  3’ 5’ 5‘ 3‘ -35 pppG或pppA -10 模板链 • 转录起始 因子仅与起始有关，RNA的合成一旦开始，便被释放

  17. σ的作用有点像是一把钥匙。 σ + σ (a) 核心酶 全酶 (b) σ σ σ (d) (c)

  18. 2、RNA链的延伸 RNA合成方向5’ → 3’。速度：25-50b/s。 a、 合成开始后,σ亚基释放，然后都由核心酶催化。 b、核心酶沿模板链3′—5′移动，选择NTP，暂时形成DNA-RNA杂交链。 c、核心酶，DNA和新产生的RNA区域形成转录鼓泡。鼓泡前DNA不断解链，鼓泡后DNA同速复链。 因为： G=C＞A=T＞A=U 故，鼓泡后DNA互补链取代杂交链中的RNA，恢复双螺旋结构。

  19. RNA聚合酶到达转录终止点时，在终止子的帮助下，聚合反应停止。RNA聚合酶到达转录终止点时，在终止子的帮助下，聚合反应停止。 RNA链和聚合酶脱离DNA模板链。 3、终止

  20. 转录的过程

  21. 启动子：RNA聚合酶识别、结合并开始转录所必需的一段DNA序列。启动子：RNA聚合酶识别、结合并开始转录所必需的一段DNA序列。 强启动子2秒钟启动一次转录，弱启动子10分钟一次。 转录因子：RNA聚合酶在进行转录时，常需要一些辅助因子（蛋白质）参与作用，此类蛋白质统称为转录因子。 四、启动子和转录因子

  22. 分析比较原核生物上百种启动子序列，发现不同的启动子都存在共有序列，启动区具有共有的序列称为保守序列或一致性序列.分析比较原核生物上百种启动子序列，发现不同的启动子都存在共有序列，启动区具有共有的序列称为保守序列或一致性序列. (一)原核生物的启动子和转录因子

  23. TTGACA TATAAT 5’ 3’ 5’ 3’ AACTGT ATATTA +1 转录起始点 35序列 Sextama 框 10序列 Pribnow框 • 启动子的结构至少由二部分组成： • -35序列提供了RNA聚合酶全酶识别的信号； • -10序列是酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）；

  24. 在转录起点上游大约-10处，有一个6bp的保守序列TATAAT，称Pribnow框。每个位点的保守性在45%-100%。在转录起点上游大约-10处，有一个6bp的保守序列TATAAT，称Pribnow框。每个位点的保守性在45%-100%。 频度： T89 A89 T45 A60 A50 T96 Pribnow框是启动子的关键部位。决定转录方向。酶在此部位与DNA结合形成稳定的复合物。 -10序列有助于DNA局部双链解开。 1、 -10序列（Pribnow框） 2、-35序列（Sextama框） • 在-10序列上游还有一个保守序列，其中心约在-35位置，称为-35序列. • 频率：T82 T84G78 A65 C54A45 • 功能：-35序列提供RNA聚合酶识别信号. σ因子的初始识别位点。在很大程度上决定了启动子的强度。

  25. RNA聚合酶Ⅱ(mRNA)的启动子有三个保守区： －25到－30有TATA框，是解链位置，并决定转录起点；失去TATA框，转录可能在许多位点上开始。 －75位置有CAAT框（共有序列GCCAATCT），与RNA聚合酶的结合有关； 上游还有GC框（序列GGGCGG），某些转录因子可结合。 后两个称为上游因子，对转录起始频率有较大影响 RNApolⅢ的启动子在转录区内部(转录起点下游)。 （二）真核启动子

  26. 终止子（terminators)：提供转录终止信号的一段DNA序列。终止子（terminators)：提供转录终止信号的一段DNA序列。 终止因子：协助RNA聚合酶识别终止子的蛋白质辅助因子。 抗终止因子：有些终止子的作用可被特异的因子所阻止，使酶越过终止子继续转录，称为通读，这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子。通读常见于某些噬菌体的时序控制。 五、终止子和终止因子

  27. 大肠杆菌有两类终止子： 简单终止子（不需ρ因子的终止）。 产物回文对称区有一段富含GC对的序列，回文后有寡聚尿苷酸UUUU（终止点前） 。 • 原核生物终止子 a 、发夹结构的形成： DNA上的回文序列使RNA产物3’端自身碱基互补，形成发夹结构，杂合链趋于解体。 b 、 产物的寡聚U片段促进RNA从DNA上脱落： 杂交链中A- U间氢键相对较弱，新生RNA易从模板上脱落，不需ρ因子即可终止。

  28. 不需ρ因子的终止

  29. 依赖ρ因子终止的终止子。 必须在有ρ因子时才能发挥作用，终止点前无寡聚U序列，回文对称区不富含GC。 ρ因子是一个6聚体蛋白，其功能：1）终止因子； 2）NTPase活性， 3）解旋酶活性。 终止过程： 1）在RNA存在下，水解NTP产能，使ρ因子与 RNApol结合； 2）解旋酶活性使RNA：DNA杂合链拆开，释放RNA，酶和ρ因子一起从DNA上脱落下来。

  30. 需ρ因子终止

  31. 第二节、RNA的转录后加工 • 转录后加工 • －转录生成的RNA，称初级转录产物（前RNA，RNA前体） • －无论式原核生物或真核生物，初级转录产物都必须经过一定的加工、修饰才能表现其生物学功能，此过程称为转录后加工 • 原核生物转录后加工相对简单 • －原核生物的mRNA通常是边转录边翻译，一般不进行加工修饰 • －稳定的tRNA和rRNA常经过一系列的加工才成为活性分子 • 真核生物转录后加工较复杂

  32. 大肠杆菌有7个rRNA的转录单位，它们分散在基因组的各处。大肠杆菌有7个rRNA的转录单位，它们分散在基因组的各处。 每个转录单位由16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA以及若干个tRNA基因所组成。 一、原核生物中RNA的加工 1、原核rRNA前体的加工 原核rRNA前体的加工步骤： • 刚转录的rRNA为30S，先在特定的碱基上或核糖进行甲基化（核糖2-甲基）修饰； • 后逐步裂解（核酸内切酶RNAaseⅢ的切割）产生核糖体RNA的前体P16和P23，P5由RNAaseE作用产生； • 再由相应核酸酶切除附加序列。

  33. 16S P16 rRNA原初 转录物30s P23 23S P5 5S（一般不含甲基化） 核酸酶裂解 专一核酸酶切割 30s P16,P23 甲基化 16s,23s,5s rRNA和几个tRNA

  34. 2、tRNA前体的加工： tRNA基因不止一个拷贝。tRNA基因大多成簇存在，或与rRNA基因，或与蛋白质基因组成混合转录单位。 • tRNA前体加工步骤： （1）由核酸内切酶(RNaseP、RNaseF)切断tRNA前体上5和3端两端； （2）由核酸外切酶(RNaseD)逐个在3切去附加序列，进行修剪。 （3）3’端添加CCAOH序列（某些tRNA已有，由核苷酰转移酶催化，接受活化AA所需） （4）核苷的特定修饰（修饰酶）：包括碱基甲基化（一般由S-腺苷蛋氨酸（SAM）提供）和假尿苷修饰

  35. tRNA CCA 3′ 5′ 3′ tRNA前体 3′ RNaseD 5′ 5′ RNaseP RNaseF RNaseP 加工

  36. 由单顺反子构成mRNA，一般不需加工，一经转录，即可直接进行翻译。由单顺反子构成mRNA，一般不需加工，一经转录，即可直接进行翻译。 有些原核生物多顺反子构成的mRNA，须由核酸内切酶切成较小的mRNA，然后再进行翻译。 SD区 5´ 3´ AGGAGGU 顺反子 顺反子 顺反子 先导区 插入顺序 插入顺序 末端顺序 3、mRNA前体的加工：

  37. 二、真核生物RNA的加工 1、真核rRNA前体的加工 • 真核生物核糖体的小亚基含：16-18S rRNA，大亚基含：26-28S 、5S 、5.8S rRNA（特有）。 • 真核rRNA基因成簇排列在一起，18S、5.8S、28S rRNA基因组成一个转录单位，彼此被间隔区分开，由RNA聚合酶I转录生成一个长的rRNA前体。 • 5S rRNA基因也成簇排列，间隔区不被转录，由RNA聚合酶Ⅲ转录后经适当加工，参与构成大亚基 • 真核细胞的rRNA基因称为高度重复序列。

  38. 真核细胞的rRNA基因的高度重复序列。

  39. 真核rRNA前体的加工过程： 甲基化(主要在核糖2’-羟基，比原核生物甲基化程度高) 剪切(RNA酶Ⅲ等核酸内切酶) 18s 18s 5.8s 5.8s 28s 28s 18s 5.8s 28s 18s 5.8s 28s 5s tRNA 45S前体 甲基化 核酸内切酶 rRNA

  40. 真核tRNA基因的数目比原核tRNA的要多的多。 真核tRNA基因也成簇排列，被间隔区分开，tRNA基因由RNA聚合酶Ⅲ转录。 真核tRNA前体的加工过程与原核相似。但3’端的CCA都是后加的，除碱基修饰外，还有核糖修饰（2’-O-甲基核糖）。 2、真核tRNA前体的加工：

  41. mRNA的原初转录产物是分子量很大的前体，在核内加工时形成大小不等的中间物，称为核内不均一RNA(hnRNA)。其中，约有25%可转变成成熟的mRNA。mRNA的原初转录产物是分子量很大的前体，在核内加工时形成大小不等的中间物，称为核内不均一RNA(hnRNA)。其中，约有25%可转变成成熟的mRNA。 hnRNA转变成mRNA的加工过程主要包括： a. 5’末端形成帽子结构 b. 3’末端切断并加上polyA c.甲基化 d. 剪接除去内含子对应的序列，拼接外显子 3、真核mRNA的前体加工

  42. 5’帽子在转录前已经形成。 5’帽子起识别和保护功能 有三种类型的帽子：CAP O型，CAPⅠ型，CAPⅡ型。 pppN1pN2p 5’ pi 5’ ppN1pN2p + 5’ G pppN1pN2p + ppi m G pppN1pN2P 5’ 7 （1）5’端加帽子： CAP O型帽子

  43. 加尾信号：在靠近3’端区有一段非常保守的序列AAUAAA，作为加尾信号。加尾信号：在靠近3’端区有一段非常保守的序列AAUAAA，作为加尾信号。 早在核内完成 由RNAaseⅢ在3’端加尾信号后11～30位置切断， 然后由多聚腺苷酸聚合酶催化，加上20～200AAAAAAA…（polyA）。 polyA的功能 a. 防止核酸外切酶对mRNA信息序列的降解，起缓冲作用。 b. 与mRNA从细胞核转移到细胞质有关。 （2）3’端加尾

  44. 某些真核mRNA内部有甲基化的位点，主要是在N6-甲基腺嘌呤（m6A）。某些真核mRNA内部有甲基化的位点，主要是在N6-甲基腺嘌呤（m6A）。 在hnRNA中已经存在。可能对前体的加工起识别作用。 顺反子 5´“帽子” PolyA3´ （3）、内部甲基化 m7G-5´ppp-N-3 ´ p AAAAAAA-OH

  45. （4）mRNA的切割拼接

  46. 多数真核基因是断裂基因，其转录产物通过拼接，去除内含子，使编码区（外显子）成为连续序列。多数真核基因是断裂基因，其转录产物通过拼接，去除内含子，使编码区（外显子）成为连续序列。 内含子结构多样，拼接机制多样： 有些内含子可以催化自身的拼接（核酶）, 有些内含子需要在有关酶的作用下才能拼接。 反式拼接 构成拼接体完成拼接 4、RNA的拼接（内含子的去除）

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