第 十 一 章
RNA的生物合成
（转录）
RNA Biosynthesis, Transcription
转录 (transcription)
生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。
转录
复制和转录的区别
参与转录的物质
原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP)

模板: DNA

酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)

其他蛋白质因子
模板和酶
Templates and Enzymes
第一节
一、转录模板
DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structural gene)。

DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(template strand)，也称作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。
5′···GCAGTACATGTC ···3′
3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′
5′···GCAGUACAUGUC ···3′
N······Ala · Val · His · Val ······C
编码链
模板链
mRNA
蛋白质
转录
翻译
5
3
3
5
模板链
编码链
编码链
模板链
结构基因
不对称转录(asymmetric transcription)
在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录 ；
模板链并非永远在同一条单链上。
二、RNA聚合酶
（一）原核生物的RNA聚合酶
核心酶 (core enzyme)
全酶 (holoenzyme)
RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合
（二）真核生物的RNA聚合酶
三、模板上酶的辨认、结合
原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。
RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。
RNA聚合酶保护法
目 录
开始转录
T T G A C A
A A C T G T
-35 区
(Pribnow box)
T A T A A T Pu A T A T T A Py
-10 区
原核生物启动子保守序列
RNA-pol辨认位点
(recognition site)
结构基因
-GCGC---CAAT---TATA
真核生物启动子保守序列
转录过程
The Process of Transcription
第二节
（一）转录起始
转录起始需解决两个问题：
RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。
DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。
一、原核生物的转录过程
2. DNA双链解开
1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合
3. 在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物
RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3
转录起始复合物:
5-pppG -OH + NTP  5-pppGpN - OH 3 + ppi
转录起始过程
（二）转录延长
1. 亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；
2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。
(NMP) n + NTP  (NMP) n+1 + PPi
转录空泡(transcription bubble)：
RNA-pol （核心酶） ···· DNA ···· RNA
目 录
转录方向
RNA 聚合酶
RNA
编码链
DNA-RNA杂交链
目 录
5
3
DNA
原核生物转录过程中的羽毛状现象
核糖体
RNA
RNA聚合酶
依赖Rho (ρ)因子的转录终止
非依赖Rho因子的转录终止
（三）转录终止
指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。
分类
1. 依赖 Rho因子的转录终止
A T P
富含C
2. 非依赖 Rho因子的转录终止
DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。
5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3`
5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3`
RNA
5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT... 3
DNA
5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3`
茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构
茎环结构使转录终止的机理
使RNA聚合酶变构，转录停顿；
使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。
二、真核生物的转录起始
（一）转录起始
真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。
转录起始点
TATA盒
CAAT盒
GC盒
增强子
顺式作用元件(cis-acting element)
1. 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
2. 转录因子
能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。
反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(transcriptional factors, TF)。
参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ
3. 转录起始前复合物
(pre-initiation complex, PIC)
真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。
ⅡA
ⅡB
由RNA-Pol Ⅱ催化转录的PIC
ⅡH
ⅡE
TBP
TAF
TFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物
TATA
ⅡA
ⅡB
TBP
TAF
TATA
ⅡH
ⅡE
PIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化
TFⅡF
4. 模板理论(piecing theory)
一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。
（二）转录延长
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
5------AAUAAA-
5 ------AAUAAA--
核酸酶
-GUGUGUG
RNA-pol
AATAAA GTGTGTG
转录终止的修饰点
5
5
3
3
3加尾
AAAAAAA······ 3 mRNA
（三）转录终止
—— 和转录后修饰密切相关。
真核生物的转录后修饰
Post-transcriptional Modification
第三节
几种主要的修饰方式
1. 剪接(splicing)
2. 剪切(cleavage)
3. 修饰(modification)
4. 添加(addition)
一、真核生物mRNA的转录后加工
（一）首、尾的修饰
5端形成 帽子结构(m7GpppGp —)
3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)
帽子结构
5 pppGp…
帽子结构的生成
（二）mRNA的剪接
1. hnRNA 和 snRNA
核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA)
snRNA (small nuclear RNA)
真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。
断裂基因(splite gene)
编码区 A、B、C、D
2. 外显子(exon)和内含子(intron)
外显子
在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。

内含子
隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。
鸡卵清蛋白基因
hnRNA
首、尾修饰
hnRNA剪接
成熟的mRNA
鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰
目 录
鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图
DNA
mRNA
目 录
3. 内含子的分类
根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4类。
I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的 rRNA基因；
II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA；
III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；
IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。
4. mRNA的剪接
—— 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。
snRNP与hnRNA结合成为并接体
①
目 录
②
③
pG-OH
(ppG-OH, pppG-OH)
剪接过程的二次转酯反应
(twice transesterification)
• RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工(differential RNA processing)。
5. mRNA的编辑(mRNA editing)
二、tRNA的转录后加工
tRNA前体
目 录
目 录
tRNA核苷酸转移酶、连接酶
ATP
ADP
目 录
碱基修饰
目 录
三、rRNA的转录后加工
四、核 酶
具有酶促活性的RNA称为核酶。
核酶(ribozyme)
四膜虫rRNA内含子的二级结构
四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式
5´-端核苷酸序列
最简单的核酶二级结构——槌头状结构
(hammerhead structure)
底物部分
通常为60个核苷酸左右
同一分子上包括有催化部份和底物部份
催化部份和底物部份组成锤头结构
除rRNA外，tRNA、mRNA的加工也可采用自我剪接方式。
核酶研究的意义
核酶的发现，对中心法则作了重要补充；
核酶的发现是对传统酶学的挑战；
利用核酶的结构设计合成人工核酶 。
人工设计的核酶
粗线表示合成的核酸分子
细线表示天然的核酸分子
X 表示一致性序列
箭头表示切断点
目 录
附录
四膜虫RNA的自我剪接