17 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 第四节 核酸生物合成的抑制剂

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

转录的概念 转录是在 转录是在 DNADNA 的指导的的指导的 RNARNA 聚合聚合酶的催化下，按照碱基配对的原则，酶的催化下，按照碱基配对的原则，以四种以四种 NTPNTP 为原料合成一条与模板为原料合成一条与模板

DNADNA 互补的互补的 RNA RNA 的过程。的过程。 经转录生成的 RNA 有多种，主要的是

rRNA ， tRNA ，mRNA ， snRNA 和 hnRNA 。

转录的特点：1.1. 转录不需要引物。转录不需要引物。2.2. 转录从转录从 DNADNA 模板的特定位点开始，并在一定的位模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。即有启动子和终止子。此转录区域为一个转点终止。即有启动子和终止子。此转录区域为一个转录单位。对于真核生物一个转录单位就是一个基因，录单位。对于真核生物一个转录单位就是一个基因，而原核生物可以是多个基因而原核生物可以是多个基因

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´

转录的特点：3.3. 转录只发生在转录只发生在 DNADNA 的任意一条链上。为“不对称转的任意一条链上。为“不对称转录”。录”。 被转录的链称为模板链或反义链；不被转录的链称为有义链。被转录的链称为模板链或反义链；不被转录的链称为有义链。4.4. 转录后的产物需经过加工修饰，才能成为成熟、有活转录后的产物需经过加工修饰，才能成为成熟、有活性的性的 RNARNA 分子。分子。

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´

RNA 聚合酶：这是一种不同于引物酶的依赖 DNA的 RNA

聚合酶。该酶在单链 DNA 模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从 5'→3' 聚合 RNA 。

RNA 聚合酶催化 RNA 合成所必需的组分1. 模板：双股 DNA 是有效的模板，产物的性质取决于模板2. 4种 NTP ；3. 二价的金属离子 Mg2+和Mn2+ 。  在 E.coli细胞内，或者说细菌细胞内的所有三种细胞 RNA（mRNA， tRNA和 rRNA ）都是同一种 RNA 聚合酶根据模板合成出来的。

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

• 原核生物中的 RNA 聚合酶全酶由五个亚基构成，即 α2ββ'σ 。• σ 亚基与转录起始点的识别有关，而在转录合成开始后被释放，余下的部分（ α2ββ' ）被称

为核心酶，与 RNA 链的聚合有关。 亚基 功能 β ' 与模板 DNA结合 β 起始和催化合成 σ 识别起始点，稳定全酶 α 转录的特异性

大肠杆菌 RNA 聚合酶的结构示意图

核心酶 (α2ββ)

起始因子

β—— 和模板 DNA 结合β—— 起始和催化聚合反应α—— ？

全酶 (αββ )

• 真核生物中的 RNA 聚合酶可按其对 α-鹅膏蕈碱敏感性而分为三种，它们均由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。

种类 亚细胞定位 α对 -鹅膏蕈碱敏感性 功能 RNA polⅠ 核仁 不敏感 合成 rRNA前体 RNA polⅡ 核基质 极敏感 合成 HnRNA RNA polⅢ 核基质 敏感 合成 tRNA前体 snRNA及 5S rRNA

酵母 RNA 聚合酶Ⅰ和Ⅱ

启动子和转录因子 启动子启动子 ( promoter)( promoter) 是指是指 RNARNA 聚合酶识聚合酶识别、结合和开始转录的一段别、结合和开始转录的一段 DNADNA 序列。 序列。 RNARNA

聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）称聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）称为为转录因子 (transcriptional factor) 。。 利用利用足迹法(footprint)(footprint) 和和 DNADNA 测序法可测序法可以确定启动子的序列结构。以确定启动子的序列结构。 例：例：大肠杆菌启动子共有序列的功能

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× × ×× × × ××××××××××××TAT× × ××××××××××××ATA

AAT××××××

AACTGT× × ××AAT××××××

×××××××××

×

Pribnow框

-10 序列-35 序列

识别区 16-19bp 5-9bp

起点

有助于 DNA 局部双链解开提供了 RNA 聚合酶识别的信号

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 序列称为序列称为终止子终止子 ( terminator)( terminator) 。协助。协助 RNARNA 聚合酶识别终止信聚合酶识别终止信号的辅助因子（蛋白质）则称为号的辅助因子（蛋白质）则称为终止因子 终止因子 (termination factor)(termination factor) 。有的终止信号的作用可被特。有的终止信号的作用可被特异的因子所阻止，使异的因子所阻止，使 RNARNA 聚合酶得以越过终止子继聚合酶得以越过终止子继续转录，这称为续转录，这称为通读通读 (readthrough)(readthrough) ，这类引起抗终，这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子止作用的蛋白质称为抗终止因子 (antitermination (antitermination factor)factor) 。。 例：大肠杆菌的例：大肠杆菌的两种终止因子

1． ρ 蛋白：这是一种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为 50kd 。该蛋白因子能识别终止信号，并能与 RNA紧密结合，导致 RNA 的释放。 2． nusA 蛋白：是一种分子量为 69kd 的酸性蛋白，它能与 RNA 及 RNA 聚合酶相结合，在终止部位使两者被释放。即 NusA 结合到核心酶上（ 形成形成 αα22ββββ NusA NusA 复合物复合物），由 NusA 识别终止子序列；转录终止后， RNA 聚合酶脱离模板，

NusA 又被 σ 所取代，由此形成 RNA 聚合酶起始复合物和终止复合物两种形式的循环。

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

该区域提供信号使 RNApol脱离模板

RNA 转录合成的基本过程 一、识别

• 原核生物 RNARNA 聚合酶聚合酶中的 σ 因子识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。• 被辨认的区段就是位于转录起始点 -35 区的

TTGACA 序列。• 酶与该区结合后，即滑动至 -10 区的 TATAAT序列（ Pribnow盒），并启动转录。

原核生物中转录起始区的共同序列

（通常为 A或 G ）

二、起始• RNA 聚合酶全酶促使局部双链解开，并催化 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。

三、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 。

四、终止• RNA 转录合成的终止机制有两种： 1．自动终止：模板 DNA 链在接近转录终止点处存在相连的富含 GC和 AT 的区域，使 RNA 转录产物形成寡聚 U 及发夹形的二级结构，引起 RNA 聚合酶变构及移动停止，导致 RNA 转录的终止。 2．依赖辅助因子的终止：由终止因子

(ρ 因子 ) 识别特异的终止信号，并促使RNA 的释放。

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

5 3

离开

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RNA

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

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

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

四膜虫前 rRNA 的自身剪接(Self-splicing)

Ribozyme

Mg2+

原核生物 tRNA 的转录后加工主要有以下几种加工方式：1.1. 切断。切断。（由核酸内切酶在 tRNA 两端切断）2.2. 剪接。剪接。由核酸外切梅从 3‘端逐个地切去附加的顺序，进行修剪（ trimming ）3.3. 化学修饰。化学修饰。在 tRNA 3‘端加上 -CCAOH

4.4. 核苷酸的修饰和异构化。核苷酸的修饰和异构化。

原核生物原核生物 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

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 ´ pAAAAAAA-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)

mRNA 的转录后加工 1．加帽 (adding cap) ：• 即在 mRNA 的 5'- 端加上 m7GTP 的结构。 mRNA 在真核生物中的初级产物称为 hnRNA 。• 此过程发生在细胞核内，即 hnRNA 即可进行加帽。• 加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将

5'-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成 GpppN 的结构，再对 G进行甲基化。

2．加尾 (adding tail) ：• 这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去 3'-端一些过剩的核苷酸，然后再加入 polyA。 polyA 结构与

mRNA 的半寿期有关。

3．剪接（ splicing) ：• 真核生物中的结构基因基本上都是断裂基因。结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序被称为外显子，而不能指导多肽链合成的非编码顺序就被称为内含子。• 真核生物 hnRNA 的剪接一般需 snRNA参与构成的核蛋白体，通过形成套索状结构而将内含子切除掉。

hnRNA加工成 mRNA的过程

外显子1

外显子2

外显子3

内含子

5’末端加帽和转录终止3’末端剪切和聚腺苷酸化

剪去内含子并拼接

向细胞质转运

4．内部甲基化：• 由甲基化酶催化，对某些碱基进行甲基化处理。

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（ 编辑（ editingediting）， RNA编码和读码方式的改变称为再编码（再编码（ recodingrecoding ））。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 I自我拼接 类型 II自我拼接 核mRNA的拼接体的拼接

核mRNA 的酶促拼接

RNARNA拼接的生物学意义拼接的生物学意义1、 RNA 拼接是生物体在进化过程中形成的，是进化的结果。2、 RNA 拼接是基因表达调节的重要环节。3 、基因是由模块装配而成，模块之间的间隔序列也就演变成了内含子，因此外显子和内含子有着同样古老的历史。4、 RNA 拼接主要存在于真核细胞，原核生物极为少见，但并非完全没有。5 、外显子和内含子是相对的，有些内含子具有编码序列，能够产生蛋白质和功能 RNA 。

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 酶促脱氨 哺乳类肠的 apoPtRNAC 转变为 U 或 U 转变为 C 脱氨或氨基化 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

(P487)

RNARNA 的再编码的再编码11 、概念：、概念： 在某些情况下，编码在 mRNA 上的遗传信息可以用不同方式译码，即改变了原来的编码的含义，称再编码（ recording ）22 、、 RNARNA 再编码的方式再编码的方式(1) 校正 tRNA

(2) 翻译移码（核糖体移码）

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。

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于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3h, 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 1.5min，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。

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 聚合酶的抑制剂 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 TATA box -10 区（ TATAAT box）