RNA Biosynthesis (Transcription)

The biochemistry and molecular biology department of CMU

RNA 生物合成 ( 转录 )

第十一章

转录（ transcription ）

生物体以 DNA 为模板合成 RNA 的过程

。

转录

RNADNA

转录与复制的相似点：

　 1. 模板均为 DNA ；

　 2. 延长机理都是形成磷酸二酯键；

　 3. 方向均为 5′→3′ 。　

转录和复制的区别

复制 转录模板 DNA 双链 DNA 的一条链

原料 dNTP (N=A 、 G 、 C 、T)

NTP(N=A 、 G 、 C 、U)

引物 需要 不需要酶 DNA 聚合酶 RNA 聚合酶

产物 DNA RNA

配对 A-T 、 G-C A-U 、 T-A 、 G-C

参与转录的物质

原料 : NTP （ ATP, UTP, GTP, CTP ）

模板 : DNA

酶 : RNA 聚合酶（ RNA polymerase, R

NA-pol ）

其他蛋白质因子

第一节转录的模板和酶

Templates of Transcription and Enzy

mes

一、转录模板

5'

3'

3'

5'

½á¹¹ »ùÒò£¨ structural gene£©

　　　双链 DNA 分子中能作为模板转录出RNA 的那条链，称为模板链。又叫有意义链（ sense strand ）或 Watson 链。

　　　另一条互补链称为编码链，又叫反义链（ antisense strand ）或 Crick 链。

　　　转录产物 RNA 的碱基序列，除了 T 变 U 外，其余与编码链相同。

G C A G T A C A T G T C5' 3'

3' C G T C A T G T A C A G 5'DNA

Ä£°åÁ´

±àÂëÁ´

ת ¼

RNA G C A G U A C A U G U C5' 3'

不对称转录　　 (asymmetric transcription)

• 在 DNA 分子双链上某一区段，一股链可转录，另一股链不转录；

• 模板链并非永远在同一单链上。

二、 RNA 聚合酶（ DDRP ）1. 原核生物的 RNA 聚合酶E.coli 的 RNA 聚合酶是由四种亚基组成的六聚体（ 2 ）

ºËÐÄø£¨ core enzyme£©È«Ã¸£¨ holoenzyme£©

RNA 聚合酶全酶及核心酶电泳图谱

E. coli RNA 聚合酶组分

亚基 分子量 功 能

36512 决定哪些基因被转录

150618 催化功能

155613 结合 DNA 模板

70263 辨认起始点

　　其他原核生物的 RNA 聚合酶，在结构、组成、功能上均与 E.coli 相似。

　　原核生物的 RNA 聚合酶都受一类抗

结核药利福平或利福霉素的特异性抑制。这类药物能与 RNA 聚合酶的亚基特异结合，从而影响酶的活性。

RNA 聚合酶全酶在转录起始区的结合

2. 真核生物的 RNA 聚合酶

种类 I II III

转录产物 45S-rRNA

hnRNA5S-rRNA

tRNA, snRNA

对鹅膏蕈碱的反应 不敏感 极敏感 中度敏感

　　　 RNA 聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ都由多个亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。

　　 mRNA 是各种 RNA 中寿命最短、

最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA 聚合酶Ⅱ是三种酶中最活跃的。

三、酶与模板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) 。是调控转录的关键部位。

5'

3'

3'

5'

µ÷¿ØÐòÁÐ ½á¹¹ »ùÒò

Æô¶¯×ÓRNA-pol

RNA 聚合酶保护法

开始转录

T T G A C AA A C T G T

-35 区

T A T A A T Pu A T A T T A Py

-10 区

1-30-50 10-10-40 -205

3

3

5

原核生物启动子保守序列

55

RNA 聚合酶保护区 结构基因

33

N17 TTAACT N7 A

N16 TATGAT N7 A

N17 TATGTT N6 A

N16 TATAAT N7 A

N18 TACTGT N6 A

TTTACA

TTTACA

TTGACA

TTGATA

CTGACG

trp

tRNATrp

lac

rec A

ara

£ ¡¡ Çø £ ¡¡ Çø35 10 +1

×î ´ó Ò»ÖÂÐÔ TTGACA TATAAT

x/45 38 36 2937 37 28

40 25 3041 29 44

原核生物启动子－ 35 区：一致性序列为 TTGACA

是 RNA-pol 的辨认位点

－ 10 区：一致性序列为 TATAAT

又叫 Pribnow 盒是 RNA-pol 的结合位

点

真核生物启动子

½á¹¹ »ùÒòGCGC CAAT TATA

ÄÚº¬×ÓÍâ ÏÔ×Ó Íâ ÏÔ×Ó

ת ¼Æðʼ

CAATºÐ

GCºÐ

ÔöÇ¿×Ó

˳ʽ×÷ÓÃÔª¼þ

TATAºÐ (Hogness box)

第二节

转录过程The Process of Transcription

分为三个阶段：

起始 (initiation)

延长 (elongation)

终止 (termination)

一、原核生物的转录过程

（一）转录起始 1. RNA 聚合酶结合在转录模板的起始区

域。

　 2. DNA 双链解开，以一条链为模板，合成第一个磷酸二酯键。

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。

5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + PPi

转录起始过程

RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3

转录起始复合物

（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， R

NA 链不断延长。

(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi

转录泡（ transcription bubble ）：

在转录延长过程中，由局部打开

的 DNA 双链、 RNA 聚合酶核心酶及新

生成的 RNA 三者结合在一起的复合体，

为空泡状结构，又称转录复合物。

电镜下原核生物转录过程中的羽毛状现象

转录未完成，翻译已开始进行。

转录的起始及延长过程

( 三 ) 转录终止

　　 RNA 聚合酶在 DNA 模板上停顿下来，转录产物 RNA 链从转录复合物上脱落下来。

　　　

　　　

分类：

• 依赖 Rho (ρ) 因子的转录终止• 非依赖 Rho 因子的转录终止

1. 依赖 ρ 因子的转录终止

因子是同六聚体蛋白；

因子能结合 RNA ，与 poly C 的结合力最强；

因子还有 ATP 酶和解螺旋酶的活性。

2. 不依赖 ρ 因子的转录终止

　 DNA 模板上靠近终止处，有特殊的碱基序列，转录出 RNA后， RNA 产物形成特殊的结构来终止转录。

茎环结构终止转录的机理

• 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、真核生物的转录过程　

（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

能直接或间接辨认和结合转录上游区段 DNA 的蛋白质，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 R

NA 聚合酶的，则称为转录因子 (trans-cr

iptional factors, TF) 。

参与 RNA-pol Ⅱ 转录的 TF Ⅱ

转录因子 亚基和 ( 或 ) 分

子量（ kDa ） 功能

TF DⅡ TBP ， 38 结合 TATA 盒TAF 辅助 TBP-DNA 结合

TF AⅡ 12 ， 19 ， 35 稳定Ⅱ D-DNA 复合物TF BⅡ 33 促进 RNA-polⅡ 结合TF FⅡ 30 ， 74 解螺旋酶TF EⅡ 57() ， 34(β) ATPase

TF HⅡ 蛋白激酶，使 CTD 磷酸化

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。

RNA pol II

TF II F

TBP TAF

TATADNA

TF II A

TF II B

TF II E

ת ¼ǰÆðʼ̧´ ºÏ Îï

TF II H

4. 拼板理论 (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，生成有活性和专一性的复合物，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

（三）转录终止

第三节

真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification

第三节

真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification

一、 mRNA 的转录后加工

( 一 )首尾的修饰

1. 5´-端加帽： m7GpppG——

2. 3´-端加尾：多聚腺苷酸 (poly

A)

帽子结构

5 pppGp…

5 GpppGp…

pppG

PPi

鸟苷酸转移酶

5 m7GpppGp…

甲基转移酶SAM

帽子结构的生成

5 ppGp…磷酸酶

Pi

　

加帽过程

（二） mRNA 的剪接

1. hnRNA 和 snRNA

• 核内的初级mRNA 称为杂化核 RNA (h

etero-nuclear RNA, hnRNA)

• snRNA (small nuclear RNA)

核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体

（并接体 , splicesome）

snRNA

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)

非编码区 A~G 编码区 1~7

A B C D E F GL 1 2 3 4 5 6 7

7 700 bp

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。

鸡卵清蛋白成熟mRNA 与 DNA杂交电镜图

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

3. 内含子的分类

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 。

Unit of transcription in a DNA strand

Transcript modification

3’ 5’

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

二次转酯反应

• 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) 人类 apo B基因

mRNA （ 14500个核苷酸）

肝脏apo B100

（分子量为 500 000）

小肠apo B48

（分子量为 240 000）

mRNA 编辑

二、 tRNA 的转录后加工

tRNA 前体

TGGCNNAGTGC GGTTCGANNCC

DNA

RNAaseP、内切酶

连接酶

tRNA 核苷酸转移酶

碱基修饰

（ 2 ）还原反应 如： U DHU

（ 3 ）核苷内的转位反应 如： U ψ

（ 4 ）脱氨反应 如： A I

如： A Am

（ 1 ）甲基化（ 1）

（ 1）

（ 3）

（ 2 ）

（ 4）

三、 rRNA 的转录后加工

转录

剪接

18S - rRNA 5.8S 和 28S-rRNA

rDNA

内含子 内含子 28S5.8S18S

45S - rRNA

                              

                     

     

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

•最简单的核酶二级结构——槌头状结构　　　

　　　　　　　 (hammerhead structure)

底物部分

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

复习思考题：1. 概念（ 1 ）转录 （ 2 ）不对称转录（ 3 ）结构基因 （ 4 ）核心酶（ 5 ）外显子 （ 6 ）内含子（ 7 ）模板链 （ 8 ）启动子（ 9 ）核酶 （ 10 ） Pribnow 盒

2. 复制与转录的异同点。3. RNA 聚合酶与 DNA 聚合酶作用的异同点。4. 试述原核生物启动子的结构特点及功

能。

5. 原核生物与真核生物 RNA 聚合酶有何异 同？

6. 原核生物与真核生物的转录终止有何不 同？