《生物化学》课程教学资源（讲义）第十章 RNA的生物合成

第十章RNA的生物合成 (The Biosynthesis of RNA) 执行生命功能、表现生命特征的主要物质是蛋白质分子。DNA贮存着决 定生物特征的遗传信息,只有通过蛋白质才能表达出它的生命意义,直接决 定蛋白质合成及蛋白质特征的不是RNA而是DNA,因而人们确定DNA是遗 传信息贮存者后就推测DNA是通过RNA去决定蛋白质合成的。50年代末 RNA聚合酶的发现开始证实了这一推测。以DNA为模板合成RNA的过程称 为转录( transcription) RNA的生理功能:DNA将携带的遗传信息转到RNA分子中,RNA分子 以其信息指导蛋白质的合成 转录是生物界RNA合成的主要方式,是遗传信息朋DNA向RNA传递过 程,也是基因表达的开始。 TRANSCRIPTION GP→AA §2 tRNA TRNA 转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程,所需的酶叫做依赖DNA的RN 聚合酶(DNA- dependent RNA polynerase,DDRP)转录产生初级转录物为RNA 前体( RNA precursor),它们必须经过加工过程变为成熟的RNA,才能表现其 生物活性。 第一节转录作用 NA的转录合成从化学角度来讲类似于DNA的复制,多核苷酸链的合 成都是以5→3的方向,在3-OH末端与加入的核苷酸磷酸二酯键,但是,由 于复制和转录的目的不同,转录又具有其特点 (1)对于一个基因组来说,转录只发生在一部分基因,而且每个基因的 转录都受到相对独立的控制:;(内含子,不出现转录生成的mRNA中的一种序 列,DNA(外显子1+内含子1+外显子2+内含子2)→单链RNA(外显子1+ 内含子1+外显子2+内含子2)→成熟单链RNA(外显子1+内含子1+外显子 2+内含子2)。(2)转录是不对称的;(3)转录时不需要引物,而且RNA链的 合成是连续的

第十章 RNA 的生物合成 ·1· 第十章 RNA 的生物合成 (The Biosynthesis of RNA) 执行生命功能、表现生命特征的主要物质是蛋白质分子。DNA 贮存着决 定生物特征的遗传信息，只有通过蛋白质才能表达出它的生命意义，直接决 定蛋白质合成及蛋白质特征的不是 RNA 而是 DNA，因而人们确定 DNA 是遗 传信息贮存者后就推测 DNA 是通过 RNA 去决定蛋白质合成的。50 年代末 RNA 聚合酶的发现开始证实了这一推测。以 DNA 为模板合成 RNA 的过程称 为转录（transcription）。 RNA 的生理功能：DNA 将携带的遗传信息转到 RNA 分子中，RNA 分子 以其信息指导蛋白质的合成。 转录是生物界 RNA 合成的主要方式，是遗传信息朋 DNA 向 RNA 传递过 程，也是基因表达的开始。 转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做依赖 DNA 的 RNA 聚合酶（DNA-dependent RNA polynerase, DDRP）。转录产生初级转录物为 RNA 前体（RNA precursor），它们必须经过加工过程变为成熟的 RNA，才能表现其 生物活性。 第一节 转录作用 RNA 的转录合成从化学角度来讲类似于 DNA 的复制，多核苷酸链的合 成都是以 5'→3'的方向，在 3'-OH 末端与加入的核苷酸磷酸二酯键，但是，由 于复制和转录的目的不同，转录又具有其特点： （1）对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因的 转录都受到相对独立的控制；（内含子，不出现转录生成的 mRNA 中的一种序 列，DNA（外显子 1+内含子 1+外显子 2+内含子 2）→单链 RNA（外显子 1+ 内含子 1+外显子 2+内含子 2）→成熟单链 RNA（外显子 1+内含子 1+外显子 2+内含子 2）。（2）转录是不对称的；（3）转录时不需要引物，而且 RNA 链的 合成是连续的。 mRNA tRNA rRNA

基因:是遗传物质的最小功能单位。是特定的DNA片段,这些片段中有 些是为一种或几种蛋白质(酶)的全部AA编码的核苷酸顺序,称为基因或 基因组 、RNA聚合酶 真核和原核细胞内都存在有DDRP,迄今发现的DDRP的有以下特点: 1)以DNA为模板 在DNA的两条多苷酸链中只有其中一条链作为模板,这条链叫做模板链 ( template strand),又叫做负链(-链)。DNA双链中另一条不做为模板的链叫 做编码链,又叫做正链(+链),编码链的的序列与转录的RNA序列相同,只 是在编码链上的T在转录RNA中为U:;由于RNA的转录合成是以DNA的一 条链为模板而进行的,所以这种转录方式又叫做不对称转录 (5,)CGCTATAGCGTTT(3") DNA nontemplate(coding)strand-fiE (3)GCGATATCGCAAA(5) DNA template strand 链 (5,)CGCUAUAGCGUUU(3") RNA transcript 在体内DNA的两条链中仅有一条链可用于转录:或者在某些区域以这条 链转录,另一些区域以另一条链转录。 2)都以四种三磷酸核苷为底物、原料 3)都遵循DNA与RNA之间的碱基配对,A=U,T=A,C=G,合成与模 板DNA序列互补的RNA链 4)RNA链的延长方向是5→3的连续合成 5)需要Mg2+或Mn2离子。 6)并不需要引物。RNA聚合酶缺乏3→5外切酶活性,故没有校正功能 大肠杆菌RNA聚合酶(由5个亚基构成)的研究得比较透彻的,这是 个分子量达50多万,全酶由5个亚基组成,去掉8亚基的部分称为核心酶, 核心酶本身就能催化核苷酸间磷酸二酸键形成。a2Bβ'σ为全酶,a2BB 为核心酶。全酶还含有2个Zn2+。 利福平和利福霉素能结合在β亚基上而对此酶发生强烈的抑制作用。β 亚基似乎是酶和核苷酸底物结合的部位。 细胞内转录是在DNA特定的起始点上开始的 a亚基可能与转录基因的类型和种类有关 B亚基是酶与DNA模板结合的主要成分 o亚基的功能是辨认转录起始点的:与启动子结合,参与基因转录的起 始,一旦引发RNA的合成,就与核心酶a2Bβ分离 a、β、β亚基在不同细菌中的大小比较恒定,而0亚基的变化较大 原核生物只有一种酶,转录三种RNA(mRNA、rRNA、tRNA)前体。 真核生物中已发现有四种RNA聚合酶,分别称为RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ

第十章 RNA 的生物合成 ·2· 基因：是遗传物质的最小功能单位。是特定的 DNA 片段，这些片段中有 些是为一种或几种蛋白质（酶）的全部 AA 编码的核苷酸顺序，称为基因或 基因组。 一、RNA 聚合酶 真核和原核细胞内都存在有 DDRP，迄今发现的 DDRP 的有以下特点： 1）以 DNA 为模板 在 DNA 的两条多苷酸链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做模板链 （template strand），又叫做负链（-链）。DNA 双链中另一条不做为模板的链叫 做编码链，又叫做正链（+链），编码链的的序列与转录的 RNA 序列相同，只 是在编码链上的 T 在转录 RNA 中为 U；由于 RNA 的转录合成是以 DNA 的一 条链为模板而进行的，所以这种转录方式又叫做不对称转录。 在体内 DNA 的两条链中仅有一条链可用于转录；或者在某些区域以这条 链转录，另一些区域以另一条链转录。 2）都以四种三磷酸核苷为底物、原料； 3）都遵循 DNA 与 RNA 之间的碱基配对，A=U，T=A，C=G，合成与模 板 DNA 序列互补的 RNA 链。 4）RNA 链的延长方向是 5'→3'的连续合成。 5）需要 Mg2+或 Mn2+离子。 6）并不需要引物。RNA 聚合酶缺乏 3'→5'外切酶活性，故没有校正功能。 大肠杆菌 RNA 聚合酶（由 5 个亚基构成）的研究得比较透彻的，这是一 个分子量达 50 多万，全酶由 5 个亚基组成，去掉δ亚基的部分称为核心酶， 核心酶本身就能催化核苷酸间磷酸二酸键形成。α2ββ'σ为全酶， α2ββ' 为核心酶。全酶还含有 2 个 Zn2+。 利福平和利福霉素能结合在β亚基上而对此酶发生强烈的抑制作用。β 亚基似乎是酶和核苷酸底物结合的部位。 细胞内转录是在 DNA 特定的起始点上开始的； α亚基可能与转录基因的类型和种类有关； β'亚基是酶与 DNA 模板结合的主要成分； σ亚基的功能是辨认转录起始点的；与启动子结合，参与基因转录的起 始，一旦引发 RNA 的合成，就与核心酶 a2ββ'分离。 α、β、β'亚基在不同细菌中的大小比较恒定，而σ亚基的变化较大。 原核生物只有一种酶，转录三种 RNA（mRNA、rRNA、tRNA）前体。 真核生物中已发现有四种 RNA 聚合酶，分别称为 RNA 聚合酶Ⅰ、Ⅱ、 -链 +链

Ⅲ和线粒体RNA聚合酶,分子量大致都在50万道尔顿左右,它们专一性地 转录不同的基因,因此由它们催化的转录产物也各不相同 RNA聚Ⅰ合成RNA的活性最显著,它位于核仁中,负责转录编码rRNA 的基因。而细胞内绝大部分RNA是rRNA。 RNA聚合酶Ⅱ位于核质中,负责核内不匀一RNA的合成,而 hnRNA 是mRNA的前体 RNA聚合酶Ⅲ负责合成tRNA和许多小的核内RNAs 鹅膏蕈碱是真核生物RNA聚合酶特异性抑制剂,三种真核生物RNA聚 合酶对鹅膏蕈碱的反应不同。原核生物靠RNA聚合酶就可完成从起始、延长、 终止的转录全过程,真核生物转录除RNA聚合酶外还需另一此叫做转录因子 的蛋白质分子参与转录的全过程。 对a鹅膏蕈碱的敏分子量 转录产物 反应条件 型 感性 (kD) I|核←RNA、58sRNA 低离子强度,要求Mg2或 不敏感 500~700 l8 SrRNA、28 SrrNA Ⅱ1核质| hnRNA(mRNA前体)抑制(高度敏感) ~700 高离子强度 Ⅲ|核质|tRNA和5sRNA前体抑制(中度敏感) 高Mm2浓度 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。 、RNA的转录过程 为研究和叙述方便,可将RNA合成分为识别与起始、延长和终止三个阶 段 NA合成过程 终止子 双链DNA 局部解开 领形成NxN 延长阶段 解链区 NNN 基因终点 终止阶段 RNA

第十章 RNA 的生物合成 ·3· Ⅲ和线粒体 RNA 聚合酶，分子量大致都在 50 万道尔顿左右，它们专一性地 转录不同的基因，因此由它们催化的转录产物也各不相同。 RNA 聚Ⅰ 合成 RNA 的活性最显著，它位于核仁中，负责转录编码 rRNA 的基因。而细胞内绝大部分 RNA 是 rRNA。 RNA 聚合酶Ⅱ 位于核质中，负责核内不匀一 RNA 的合成，而 hnRNA 是 mRNA 的前体。 RNA 聚合酶Ⅲ 负责合成 tRNA 和许多小的核内 RNAs。 鹅膏蕈碱是真核生物 RNA 聚合酶特异性抑制剂，三种真核生物 RNA 聚 合酶对鹅膏蕈碱的反应不同。原核生物靠 RNA 聚合酶就可完成从起始、延长、 终止的转录全过程，真核生物转录除 RNA 聚合酶外还需另一此叫做转录因子 的蛋白质分子参与转录的全过程。 类 型 分布 转录产物 对α-鹅膏蕈碱的敏 感性 分子量 (kD) 反应条件 Ⅰ 核仁 rRNA、5.8SrRNA、 18SrRNA、28SrRNA 不敏感 500 ~700 低离子强度,要求 Mg2+或 Mn2+ Ⅱ 核质 hnRNA（mRNA 前体） 抑制（高度敏感） ~700 高离子强度 Ⅲ 核质 tRNA 和 5S rRNA 前体 抑制（中度敏感） - 高 Mn2+浓度 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 的转录过程 为研究和叙述方便，可将 RNA 合成分为识别与起始、延长和终止三个阶 段

RNA聚合酶与DNA模板结合:因子识别启动子,与模板结合 转录的起始:β亚基催化ATP或GTP与起动部位碱基配对,d因子脱落,使核心酶() 模板上滑动 链的延长:核心酶沿DNA模板3→5滑动,根据模板指令选择相应的NP加入,使链延长 转录的终止:核心酶滑到终止子时,ρ因子与核心酶结合使核心酶滑动停止,转录即终止 释放出合成的RNA链 (一)识别 转录是从DNA分子的特定部位开始的,这个部位也是RNA聚合酶全酶 结合的部位这就是启动子,是RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA 序列。一般位于转录起点的上游,约包括40个碱基对。 为什么RNA聚合酶能够仅在启动子处结合呢?显然启动子处的核苷酸序 列具有特殊性,为了方便,人们将在DNA上开始转录的第一个碱基定为+1 沿转录方向顺流而下的核苷酸序列均用正值表示;逆流而上的核苷酸序列均 用负值表示。 对原核生物的100多个启动子的序列进行比较发现:在RNA转录起始点 上游大约-10bp和-35bp处有两个保守的序列: 在-10bp附近,有一组5 TATAAT的序列,这是 Pribnow首先发现的称为 Pribnow框或称为-10序列,富含AT,有助于DNA双螺旋的局部解链,全酶 结合部位 35bp附近,有一组5- TTGACG-的序列叫识别区或35序列;已被证实与 转录起始的辨认有关,是RNA聚合酶中的δ亚基识别并结合的位置。-35序 列的重要性还在于在很大程度上决定了启动子的强度。RNA聚合酶全酶识别 部位,约含12bp 原核生物启动子的结构 12-14bp 5… TGTTGACAATTT………… ATATG Pug………3(+)链 3… ACAACTGTTAAA ATATAC……………5(-)链 识别部位 紧密结合部位 转录起点 -35顺序 Pribnow 真核生物的启动子有其特殊性,真核生物有三种RNA聚合酶,每一种都 有自己的启动子类型。以RNA聚合酶Ⅱ的启动子结构为例,人们比较了上百

第十章 RNA 的生物合成 ·4· Pribnow 框 （一）识别 转录是从 DNA 分子的特定部位开始的，这个部位也是 RNA 聚合酶全酶 结合的部位这就是启动子，是 RNA 聚合酶识别、结合和开始转录的一段 DNA 序列。一般位于转录起点的上游，约包括 40 个碱基对。 为什么 RNA 聚合酶能够仅在启动子处结合呢？显然启动子处的核苷酸序 列具有特殊性，为了方便，人们将在 DNA 上开始转录的第一个碱基定为+1， 沿转录方向顺流而下的核苷酸序列均用正值表示；逆流而上的核苷酸序列均 用负值表示。 对原核生物的 100 多个启动子的序列进行比较发现：在 RNA 转录起始点 上游大约-10bp 和-35bp 处有两个保守的序列： 在-10bp 附近，有一组 5'-TATAAT 的序列，这是 Pribnow 首先发现的称为 Pribnow 框或称为-10 序列，富含 AT，有助于 DNA 双螺旋的局部解链，全酶 结合部位。 -35bp 附近，有一组 5'-TTGACG-的序列叫识别区或-35 序列；已被证实与 转录起始的辨认有关，是 RNA 聚合酶中的δ亚基识别并结合的位置。-35 序 列的重要性还在于在很大程度上决定了启动子的强度。RNA 聚合酶全酶识别 部位，约含 12bp。 原核生物启动子的结构 真核生物的启动子有其特殊性，真核生物有三种 RNA 聚合酶，每一种都 有自己的启动子类型。以 RNA 聚合酶Ⅱ的启动子结构为例，人们比较了上百

个真核生物RNA聚合酶Ⅱ的启动子核苷酸序列后发现: 在-25区有TAA框,又称为 Hogness框或 Goldberg- Hogness框。其一致 序列为T2A97A9A8A63T37 As:AsoT37,基本上都由A,T碱基所组成,离体转 录实验表明,TAIA框决定了转录起点的选择,天然缺少TATA框的基本可以 从一个以上的位点开始转录。 在-75区有CAAT框,其一致的序列为 GGTCAATCT。有实验表明CAAT 框与转录起始频率有关。 除启动子外,真核生物转录起始点上游处还有一个称为增强子的序列, 它能极大地增强启动子的活性,它的位置往往不固定,可存在于启动子上游 或下游,对启动子来说它们正向排列和反向排列均有效,对异源的基因也起 到增强作用,但许多实验证实它仍可能具有组织特异性,例如免疫球蛋白基 因的增强子只有在B淋巴细胞内活性最高,胰岛素基因和胰凝乳蛋白酶基因 的增强子也都有很高的组织的特异性 (二)转录起始和延伸 在原核生物中,当RNA聚合酶的0亚基发现其识别位点时,全酶就与启 动子的-35区序列结合形成一个封闭的启动子复合物。 全酶分子较大,其另一端可达到-10区的序列,在某种作用下,整个酶分 子向-10序列转移并与之牢固结合,在此处形成全酶和启动子的开放性复合物。 在开放性启动子复合物中,起始位点和延长位点被相应的核苷酸前体充满, 在RNA聚合酶β亚基催化下形成RNA的第一个磷酸二酸键。RNA合成的第 个核苷酸总有GTP或ATP,以GTP常见,此时σ因子从全酶解离下来,靠 核心酶在DNA链上向下游滑动,而脱落的σ因子与另一个核心酶结合成全酶 反复利用 真核生物转录起始十分复杂,往往需要多种蛋白因子的协助,已经知道, 在所有的细胞中有一类叫做转录因子的蛋白质分子,它们与RNA聚合酶Ⅱ形 成转录起始复合物,共同参与转录起始的过程 NA聚合酶I和RNA聚合酶Ⅲ的启动子种类有限,对其识别所需的辅助 因子的数量也很少。 RNA聚合酶的启动子序列多种多样,基本上由各种顺式作用元件组合 而成,分散在转录起点上游大约200bp的范围内。参与RNA聚合酶Ⅱ转录起 始的各类因子数目很大,可分为三类:通用因子、上游因子和可诱导因子 类别I启动子只控制rRNA前体基因的转录,转录产物经切割和加工后生 成各种成熟的rRNA。该基因有许多拷贝,往往成簇存在。由两部分保守序列 组成。核心启动子位于转录起点附近,从-45至+20:上游控制元件位于相对 分子质量为97000的多肽链,可结合在富含GC区 类别Ⅱ启动子涉及众多编码蛋白质的基因表达的控制,包括4类控制元

第十章 RNA 的生物合成 ·5· 个真核生物 RNA 聚合酶Ⅱ的启动子核苷酸序列后发现： 在-25 区有 TATA 框，又称为 Hogness 框或 Goldberg-Hogness 框。其一致 序列为 T82A97A93A85A63T37A83A50T37，基本上都由 A，T 碱基所组成，离体转 录实验表明，TATA 框决定了转录起点的选择，天然缺少 TATA 框的基本可以 从一个以上的位点开始转录。 在-75 区有 CAAT 框，其一致的序列为 GGTCAATCT。有实验表明 CAAT 框与转录起始频率有关。 除启动子外，真核生物转录起始点上游处还有一个称为增强子的序列， 它能极大地增强启动子的活性，它的位置往往不固定，可存在于启动子上游 或下游，对启动子来说它们正向排列和反向排列均有效，对异源的基因也起 到增强作用，但许多实验证实它仍可能具有组织特异性，例如免疫球蛋白基 因的增强子只有在 B 淋巴细胞内活性最高，胰岛素基因和胰凝乳蛋白酶基因 的增强子也都有很高的组织的特异性。 （二）转录起始和延伸 在原核生物中，当 RNA 聚合酶的σ亚基发现其识别位点时，全酶就与启 动子的-35 区序列结合形成一个封闭的启动子复合物。 全酶分子较大，其另一端可达到-10 区的序列，在某种作用下，整个酶分 子向-10序列转移并与之牢固结合，在此处形成全酶和启动子的开放性复合物。 在开放性启动子复合物中，起始位点和延长位点被相应的核苷酸前体充满， 在 RNA 聚合酶β亚基催化下形成 RNA 的第一个磷酸二酸键。RNA 合成的第 一个核苷酸总有 GTP 或 ATP，以 GTP 常见，此时σ因子从全酶解离下来，靠 核心酶在 DNA 链上向下游滑动，而脱落的σ因子与另一个核心酶结合成全酶 反复利用。 真核生物转录起始十分复杂，往往需要多种蛋白因子的协助，已经知道， 在所有的细胞中有一类叫做转录因子的蛋白质分子，它们与 RNA 聚合酶Ⅱ形 成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。 RNA 聚合酶Ⅰ和 RNA 聚合酶Ⅲ的启动子种类有限，对其识别所需的辅助 因子的数量也很少。 RNA 聚合酶Ⅱ的启动子序列多种多样，基本上由各种顺式作用元件组合 而成，分散在转录起点上游大约 200bp 的范围内。参与 RNA 聚合酶Ⅱ转录起 始的各类因子数目很大，可分为三类：通用因子、上游因子和可诱导因子。 类别Ⅰ启动子只控制 rRNA 前体基因的转录，转录产物经切割和加工后生 成各种成熟的 rRNA。该基因有许多拷贝，往往成簇存在。由两部分保守序列 组成。核心启动子位于转录起点附近，从-45 至+20；上游控制元件位于相对 分子质量为 97000 的多肽链，可结合在富含 GC 区。 类别Ⅱ启动子涉及众多编码蛋白质的基因表达的控制，包括 4 类控制元