RNA的生物合成转录.docx
《RNA的生物合成转录.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《RNA的生物合成转录.docx（33页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
RNA的生物合成转录
河南大学
教案
课程名称
生物化学
院（部）
医学院
教研室（实验室）
生物化学
授课班级
级
主讲教师
职称
使用教材
生物化学人卫，周爱儒主编，7版
河南大学教务处制
二○○年月
教案（首页）
课程
名称
生物化学
总计：
108学时
课程
类别
医学基础课
学分
讲课：
72学时
实验：
36学时
上机：
学时
任课
教师
职称
授课对象
专业班级：
基要本参教考材资和料主
基本教材：
生物化学人民卫生出版社，周爱儒主编，第7版
主要参考资料：
生物化学人民卫生出版社，张昌颖主编，第2版
哈珀生化第25版（RK默里等）；
Biochemistry（2ndCarrentRH）；
Biochemistry:
Anintroduction（2ndTMckee）
教和学要目求的
通过课堂讲授教学过程，使学生掌握和了解本学科的基本理论、基本知识及基本技能，为学习后继的其它医学基础课程及临床医学、预防医学等专业课程奠定基础。
结合教学实践，培养学生独立思考、独立工作的能力和严谨的科学作风。
由于生物化学学是当今发展最快的学科之一。
教学中要结合本学科新的、重大的研究进展，使学生对现代生物化学发展趋势有所了解，培养学生探索献身科学的兴趣和志向。
教及
学重
难点
点
课程的重点：
包括物质代谢，生物大分子结构与功能，以及遗传信息的传递，细胞信息传递
课程的难点：
生物大分子的结构和功能的关系，中间代谢过程，信息传递过程。
注：
课程类别：
公共基础课、专业基础课、专业必修课、专业选修课、集中实践环节、实验课、公共选修课
生物化学课程教案
课次
授课方式
（请打√）
理论课√□讨论课□实验课□习题课□其他□
课时
安排
3
授课题目（教学章、节或主题）：
第十章 DNA的生物合成
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
【目的要求】
掌握：
RNA聚合酶和转录模板在转录中的作用，酶和模板的辩认结合；原核生物的转录过程；真核生物的转录终止:
真核生物mRNA转录后加工。
熟悉：
转录和复制的异同点；真核生物的转录起始、转录延长；真核生物tRNA转录后的加工。
了解：
内含子的分类及功能；真核生物rRNA转录后加工,核酶的概念。
教学重点及难点：
重点：
转录的模板和酶；真核生物的转录后加工修饰；
难点：
真核生物的基因上游调控区，真核生物的转录后加工修饰。
教学过程与时间分配
（一）转录的模板和酶（50） 。
（二）转录过程（30）
（三）真核生物的转录后修饰（40）
（四）核酶（10）
教学
内容
（一）转录的模板和酶
转录模板、RNA聚合酶、模板与酶的辩认结合。
（二）转录过程
原核生物的转录过程:
转录起始、转录延长、转录终止；真核生物的转录过程:
转录起始、转录延长、转录终止。
（三）真核生物的转录后修饰
真核生物mRNA的转录后加工；tRNA的转录后加工；rRNA的转录后加工。
（四）核酶
核酶的特性；核酶研究的意义。
。
授课时间地点
教学手段
多媒体
第十一章RNA的生物合成（转录）
第一节概述
一、一、 转录的概念：
生物体以DNA为模板合成RNA的过程称为转录。
即把DNA的碱基序列转抄成RNA的碱基序列。
二、二、 转录和复制的比较
转录和复制都是酶促的核苷酸聚合过程，有许多相似之处：
都以DNA为模板；都是需依赖DNA的聚合酶；聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸二酯键；都从5′至3′方向延伸成新链多聚核苷酸；都遵从碱基配对规律。
但相似之中又有区别（表12—1）。
第二节模板和酶
转录时，DNA双链中一股单链用作模板链按碱基配对规律指引核苷酸的聚合，催化聚合的酶是依赖DNA的RNA聚合酶（RNApol）。
一、转录模板
复制是为了保留物种的全部遗传信息，所以，基因组的DNA全长均需复制。
转录是有选择性的，在细胞不同的发育时序，按生存条件和需要才转录。
在基因组的庞大的DNA链上，也并非任何区段都可以转录。
能转录出RNA的DNA区段，称为结构基因。
转录的这种选择性，称为不对称转录。
它有两方面含义：
一是在DNA双链分子上，一股链可转录，另一股链不转录；其二是模板链并非永远在同一单链上（图12-1）。
用DNA、RNA碱基序列测定，或用RNA对DNA的核酸杂交方法，都可以证明在DNA
双链上只有一股可转录。
转录产物若是mRNA，可用来作翻译模板，按照遗传密码决定氨基酸的序列（图12-2）
图12-1不对称转录
DNA双链中按碱基配对能指引转录生成RNA的单股链，就是模板链；相对的另一股称为编码链。
在图12－2中用小写字母示模板链，大写字母的一般是编码链。
试比较mRNA与编码链的序列，会发现除了用U代替T外，其余是一致的，因为它们都与模板链互补。
文献上刊出的DNA序列为避免繁琐，只写一单键即可，而且为方便查对遗传密码，一般写出的都是编码链。
模板链也可称为有意义链或Watson链，编码链可称为反义链或Crick链。
从图12-1可以看到，在DNA双链某一区段，以其中一单链为模板链；在另一区段，又反过来以其对应单链作模板链。
处在不同单链的模板链转录方向相反。
转录和复制一样，产物链，即转录出的RNA链，总是从5′向3′方向延长的。
图中的箭头指示的是转录的延长方向。
图12-2DNA模板，转录产物RNA的核苷酸序列，以及翻译产物肽的氨基酸序列。
二、RNA聚合酶
转录酶即为RNA聚合酶（RNA－pol）。
原核生物和真核生物的RNA-pol是有区别的。
（－）原核生物的RNA聚合酶
目前已研究得比较透彻的是大肠杆菌（E．coli）的RNA聚合酶。
这是一个分子量达480kD，由4种亚基α、β、β′和σ（sigma）组成的五聚体（α2ββ＇σ）蛋白质。
各亚基及其功能见表12-2。
表12-2大肠杆菌RNA聚合酶组分
α2ββ＇亚基合称核心酶。
试管内的转录实验（含有模板、酶和底物NTP等）证明，核心酶已能催化NTP按模板的指引合成RNA。
但合成的RNA没有固定的起始位点。
而加有σ亚基的酶却能在特定的起始点上开始转录。
可见σ亚基的功能是辨认转录起始点。
σ亚基加上核心酶称为全酶。
活细胞的转录起始，需要全酶。
但至转录延长阶段，则仅需核心酶。
图12－3示RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合。
图12-3原核生物的RNA聚合酶全酶及其在转录起始区的结合
原核生物的σ亚基已发现多种，通常用它们蛋白质的分子量来命名并加以区分。
σ70（分子量70kD）是典型的辨认转录起始点的蛋白质。
当细胞内、外环境发生变化时，可能要动用一些平时并不表达的基因作出应答。
例如有一种σ因子，σ32（分子量32KD），是热休克（应激）（heatshock）应答反应必需的。
σ32辨认与典型的-35和-10序列完全不同的启动子序列，以控制一套热休克基因的表达。
现已发现，真核生物也普遍存在热休克基因，需热休克蛋白（heatshockpmteins，Hsp）才能启动这些基因。
而且发现，Hsp和原核生物的σ32在氨基酸组成和排列上有高度的同源性。
例如固醇类激素在胞内的信号传递，就需要Hsp的驱动。
其他原核生物的RNA聚合酶，在结构、组成、功能上均与E.coli的RNA聚合酶相似。
原核生物的RNA聚合酶，都受一种抗生素特异性地抑制。
利福平或利福霉素是用于抗结核菌治疗的药物，它专一性地结合RNA聚合酶的β亚基。
在转录开始后才加入利福平，仍能发挥其抑制转录的作用，这就说明了β亚基是在转录全过程都起作用的。
β＇亚基是RNA-pol与DNA模板相结合相依附的组分，所以也参与了转录全过程。
α亚基决定转录哪些类型和种类的基因，它不像σ亚基那样在转录延长时即脱落。
所以，由α2ββ＇亚基组成的核心酶是参与整个转录过程的。
（二）真核生物的RNA聚合酶
真核生物中已发现有三种RNA聚合酶，分别称RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。
它们专一性地转录不同的基因，由它们催化的转录过程产物也各不相同（表12—3）。
鹅膏蕈碱是真核生物RNA聚合酶的特异性的抑制剂，三种真核生物RNA聚合酶对鹅膏蕈碱的反应不同。
表12-3真核生物的RNA聚合酶
转录是遗传信息表达的重要环节。
，真核生物在核内转录生成hnRNA，然后加工成mRNA并输送给胞质的蛋白质合成体系，起着从功能上衔接DNA和蛋白质两种生物大分子的作用。
mRNA是各种RNA中寿命最短、最不稳定的，需经常重新合成。
在这个意义上说，RNA聚合酶Ⅱ（转录生成hnRNA和mRNA）可认为是真核生物中最活跃的RNA聚合酶。
RNA聚合酶Ⅲ转录的产物都是小分子量的RNA。
tRNA的大小都在100核苷酸以下，5srRNA的大小约为120核苷酸。
小分子核内核糖核酸（smallnuclearRNA，snRNA）有多种，由90~300核苷酸组成，参与RNA的剪接过程。
RNA聚合酶Ⅰ转录产物是45S-rRNA，经剪接修饰（本章第三节）生成除5S-rRNA外的各种rRNA。
由rRNA与蛋白质组成的核蛋白体（核糖体，ribosome）是蛋白质合成的场所。
真核生物的rRNA基因是一些中度重复的基因，抄本数都在百多个至数百个，人类rRNA基因约有300个抄本。
RNA聚合酶Ⅰ，Ⅱ，Ⅱ都由多个亚基组成。
用电泳法分离三种RNA聚合酶的各亚基结果见图12-4。
从电泳图谱中发现一个有趣的现象：
有些亚基是两种或三种酶共有的，分子量在100kD以上的亚基，每种酶各有二个，且都各不相同；只是分子量较小（低于40kD）的亚基，会同时出现在两种或三种酶上。
进一步的序列分析表明：
RNA-polⅡ的分子量为138750的亚基，其一级结构与E.coli的RNA-po1β亚基有高度的同源性。
图12-24RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各种亚基的电泳分离
*表示2种，**表示3种酶共有的亚基，纵轴对数标尺示分子量（kD），蛋白质电泳移动距离是和分子量的对数成正比的。
三、模板与酶的辨认结合
转录是不连续、分区段进行的（图12—1）。
每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子（见第十四章）。
操纵子包括若干个结构基因及其上游的调控序列。
调控序列中的启动子是RNA聚合酶结合模板DNA的部位，也是控制转录的关键部位。
原核生物以RNA聚合酶全酶结合到DNA的启动子作为转录起始，其中靠σ亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。
对启动子的研究，常采用一种巧妙的方法即RNA-pol保护法：
先把一段基因分离出来，然后和提纯的RNA聚合酶混合，再加进核酸外切酶作用一定时间后，DNA链上多聚核苷酸已受核酸外切酶水解，生成游离核苷酸。
但总有一段40至60碱基对的片段是完整的。
这表明，这段DNA因与RNA聚合酶结合而受到保护。
这段受保护的DNA又总是位于结构基因的上游。
所以这一被保护的DNA区段，就是被RNA聚合酶辨认和结合的区域，并在这里准备开始转录（图12-5）。
图12-5用RNA聚合酶保护法研究转录
进一步分析这段保护区的碱基组成，发现该区含A-T配对较多。
若以开始转录生成RNA5′端第一个核苷酸的位置为1，以负数表示上游的碱基序数，在分析过百种不同的原核生物基因操纵子之后，发现它们在碱基序列上的一些共同规律（图12—6）。
这些共有的序列称为保守序列或一致性序列。
当然不可能是百分之百的一致，该图是统计了45个操纵子之后得到碱基序列组成规律，最下一行的数字，代表该位置上45个操纵子中出现该碱基的数目。
图左的trp，lac等是不同操纵子的名称，不可能把45个全列出，仅举其中几个。
N16，17，18为-35区与-10区相隔的核苷酸数目，N6，N7是-10区至转录起始点相隔的核苷酸数。
碱基序列分析的结果表明，-35区的一致性序列是TTGACA，-10区是TATAAT。
后者由D.Pribnow首先发现，也称为Pribnow盒（Pribnowbox）。
实验中，通过比较RNA-pol结合不同区段测得的平衡常数，并改变作用条件，发现RNA-pol结合-10区比结合-35区相对牢固些。
从RNA-pol分子大小与DNA键长的一比较，可确定结合DNA链能达到的跨度。
这些结果都能推论：
-35区是RNA-pol对转录起始的辨认位点辨认结合后，酶向下游移动，到达Pribnow盒，酶已跨人了转录起始点，形成相对稳定的酶-DNA复合物，就可以开始转录（图12—3）。
图12-6碱被RNA聚合酶保护的DNA区段碱基序列分析
1-5行举出几个具体操纵子的分析结果6，7行示，对45个操纵子分析后得出的一致性序列
还需说明的是：
转录的起始点往往不是翻译的起始点。
转录产物序列分析表明，其5′端1-3位往往不是AUC起始密码子，AUG密码子多在转录起始点稍后才出现。
第二节转录过程
图12－7示大肠杆菌转录起始、延长、终止连续的全过程。
真核生物的转录，除延长过程相似外，起始、终止都与原核生物有较多的不同。
转录全过程均需RNA聚合酶催化，原核生物转录起始过程需要核心酶加上σ因子即全酶参与。
延长过程是核心酶催化下的核苷酸聚合。
图中所示的终止是依赖ρ（Rho）因子的，原核生物还有非依赖ρ因子的转录终止。
一、转录起始
转录和复制都依赖DNA模板，DNA的双链都需要解开成单链。
复制解链范围大，形成复制叉，需诸多因子和酶的辅助。
转录解链的范围只需要10多个至20个核苷酸对，形成转录空泡（trarscriptionbubble）。
（－）原核生物的转录起始
转录空泡也称为转录复合物，就是RNA聚合酶的核心酶、DNA模板和转录产物RNA三者结合在一起的复合体（图12-8）。
RNA聚合酶沿DNA链前移，RNA链也逐渐延长，DNA双链则随RNA聚合酶的移动不断小规模地展开，已转录的区段又随即复合。
图12-7转录的过程
1，1，2待转录的基因；3，4起始，全酶结合于启动区；5第一个pppG加入；
2，2，6σ因子释出后开始延长；7终止，ρ因子加入，核心酶释出；8转录完成。
图12-8原核生物的转录空泡
原核生物需要靠σ因子辨认转录起始点，被辨认的DNA区段就是－35区的TTGACA序列。
在这一区段，酶与模板的结合很松弛，酶随即移向一10区的TATAAT序列并跨人了转录起始点。
转录起始不需引物，两个与模板配对的相邻核苷酸，在RNA-pol催化下生成磷酸二酯键就可以直接连结起来，这也是DNA-pol和RNA-pol分别对dNTP和NTP的聚合作用最明显的区别。
转录起始生成RNA的第一位，即5′端总是三磷酸嘌呤核苷GTP或ATP，又以GTP更为常见。
当5＇-GTP（5＇-pppG-0H）与第二位NTP聚合生成磷酸二酯键后，仍保留其5＇端三个磷酸，也就是1，2位聚合后，生成5′pppGpN－OH3′。
这一结构也可理解为四磷酸二核苷酸，它的3′端有游离羟基，可以加入NTP使RNA链延长下去。
RNA链上这种5＇-端结构不但在转录延长中一直保留，至转录完成，RNA脱落，也还有这5′端的结构。
由此可见，转录的起始就是生成一个起始复合物，它有别于图12－8的转录复合物仅在于RNA链并未延伸，而RNA聚合酶是全酶而不是核心酶。
转录起始复合物=RNApol（α2ββ′σ）-DNA-pppGpN－OH3′
第一个磷酸二酯键生成后，σ亚基即从转录起始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸，继续结合于DNA模板上并沿DNA链前移，进入延长阶段。
实验证明，σ亚基若不脱落，RNA聚合酶则停留在起始位置，转录不继续进行。
化学计量又证明，每个原核细胞内，RNA聚合酶各亚基比例为α：
β：
β′：
σ=4000∶2000：
2000：
600，σ因子的量在胞内明显比核心酶少得多。
试管内的RNA合成实验也证明，RNA的生成量与核心酶的加入量成正比；开始转录后，产物量与σ亚基加入与否无关。
这些实验都可说明，转录延长与σ亚基无关，进而推论：
σ亚基是可反复使用于起始过程的。
（二）真核生物的转录起始
真核生物转录起始也需要RNA聚合酶对起始区上游DNA序列作辨认和结合，生成起始复合物。
起始点上游多数有共同的5′－TATA序列，称为Hognest盒或TATA盒（TATAbox）。
TATA盒的位置不像原核生物上游-35区和-10区那样典型。
某些真核生物或某些基因也可以没有TATA盒。
不同物种、不同细胞或不同的基因，可以有不同的上游DNA序列，但都可统称为顺式作用元件（cis-actingelement），一个典型的真核生物基因上游序列示意如图12－9。
图12-9真核生物RNApolⅡ转录的基因
能直接或间接辨认、结合转录上游区段DNA的蛋白质、在真核生物有很多种类，统称为反式作用因子（trans-actingfactor）。
因子和因子之间又需互相辨认、结合，以准确地控制基因是否转录、何时转录。
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（TF）。
相应于RNA-polI、Ⅱ、Ⅲ的TF，分别称为TFI，TFII，TFIII。
研究得较深入的，已知种类较多的是TFⅡ。
（三）转录因子和真核生物的转录起始复合物
真核生物的TFII又分TFIIA，TFIIB······等等，其中主要的TFII已比较清楚它们的功能者，列于表12-4。
表12-4参与RNA－polII转录的TFII
原核生物RNA-poI全酶可以结合启动子。
即使没有σ因子，核心酶也能非特异地结合模板DNA进行转录。
但实验证明，真核生物RNA聚合酶不与DNA分子直接结合。
在众多TFII中TFIID是目前已知唯一能结合TATA盒的蛋白质。
TF的大分子还可划分为多个结构域，不同结构域有结合DNA，结合其他TF，激活其他TF，激活其他酶的作用。
现在分离得到的TFlIDz亚基是结合TATA盒的。
真核生物转录起始也形成RNA-pol开链模板的复合物，但在开链之前，必须先靠TF之间互相结合，然后RNA-polII才加入这个复合物中，再形成起始前复合物（pre－initi，ationcomplex，PIC）。
以TTII-D首先结合TATA盒为核心，逐步形成PIC的次序如下，并见图12-10。
图12-10转录前起始复合物（真核生物）
TATA―→TFⅡD―→TFⅡA―→RNA-polⅡ/TFⅡF―→TFⅡE―→PIC
大多数的TFⅡ或其亚基（B，Dz，Eα，Eβ，F）的氨基酸序列分析表明：
它们与原核生物的σ因子有不同程度的一致性序列。
原核生物σ因子和真核生物的众多TFⅡ，在进化上的亲缘关系，是一个值得深入研究的问题。
除了TFⅡ研究得较清楚外，对不同基因转录特性的研究已广泛开展，并发现数以百计、数量还在不断增加的转录因子。
人类基因估计约有10万个，为了保证转录的准确性，不同基因需不同转录因子，这是可理解的。
转录因子是蛋白质，也需基因为它们编码。
如此延伸下去，10万个基因岂不是不够用？
现在公认的称为拼板理论认为：
一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子，因子之间互相结合，就如图12—l0那样的形式，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。
转录因子的相互辨认结合，恰如儿童玩具七巧板那样，搭配得当就能拼出有意义的图形。
按照拼板理论，人类基因虽数以万计，但需要的转录因子可能有300多个就能满足表达不同类型基因的需要。
目前不少实验都支持这一理论。
二、转录延长
转录延长的化学反应，在原核生物和真核生物之间没有太多的区别，只是催化的RNA聚合酶是不相同的。
原核生物的转录起始复合物形成后，σ亚基即脱落。
随着σ亚基脱落，核心酶的构象会发生改变。
起始区的DNA有特殊的碱基序列，因此，酶与模板的结合有高度特异性，而且较为紧密。
过了起始区，不同基因的碱基序列大不相同，所以，RNA聚合酶与模板的结合就是非特异性的，而且结合得较为松弛，有利于RNA聚合酶迅速向前移动。
RNA聚合酶构象的改变，就是适应于这种不同区段的结构与需要的。
转录延长的每次化学反应，可以写成：
（NMP）n＋NTP——→（NMP）n＋l＋PPi
此式和复制的延长反应基本相同（见第十章），不同的只是核糖部分是否2′—脱氧。
磷酸二酯键是在核糖3＇—OH，5′磷酸之间生成，核糖2′－脱氧对此键的生成无影响。
．
在起始复合物上，3′-末端仍保留糖的游离OH基。
底物三磷酸核苷上的α-磷酸就可与这一3＇-0H起反应，生成磷酸二酯键。
同时脱落的β、γ磷酸基则生成无机焦磷酸。
聚合进去的核苷酸又有3′-OH游离，这样就可按模板链的指引，一个接一个地延长下去。
产物RNA没有T；遇到模板为A的位置时，转录产物相应加U，A-T配对是2个氢键，A-U配对也同样是2个氢键。
转录延长过程中，RNA聚合酶是沿着DNA链向前移动，上文提及的转录空泡和5＇－pppC…结构依然保留，新合成的RNA链与模板链互补。
由于RNA聚合酶分子大，覆盖着解开的DNA双链和DNA：
RNA杂化双链的一部分，此时，酶-DNA-RNA形成的复合物称为转录复合物，有别于转录起始复合物。
转录复合物也形象地称为转录空泡（图12-8），就是说，模板DNA只打开一定限度，而不像复制那样解成复制叉。
从图中也可看到，转录产物RNA3′端的一小段，是依附结合于模板链上未脱离的。
这种结合靠的是RNA与模板链上的碱基配对，如果RNA完全脱离出来，转录也就终止了。
但RNA5＇端长长的一段却离开了模板伸展在空泡之外。
这个道理，可从化学结构上得到解释。
DNA－DNA形成双链的结构，比DNA-RNA形成的杂化双链（hybridduplex）稳定。
核酸的碱基之间形成配对不外三种，其稳定性是：
G≡C＞A＝T＞A＝U
C≡C配对有3个氢键，是最稳定的。
A＝T配对只在DNA双链形成。
A＝U配对可能在RNA分子或DNA：
RNA杂化双链上形成，是三种配对中稳定性最低的。
所以已经转录完毕的局部DNA双链，就必然会复合而不再打开。
根据这些道理，也就易于理解空泡为什么会形成，而转录产物又是向外伸出了。
伸出空泡的RNA链，其最远端就是最先生成的pppGpN－，转录产物是从5＇向3′延长。
但如果从RNA聚合酶的移动方向来说，酶是沿着模板链的3′向5＇方向，或沿着新生RNA链的5′向3′方向前进。
在电子显微镜下观察原核生物的转录现象，可看到像羽毛状的图形（图12-11）。
这种形状说明，在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行。
图中自左至右，RNA聚合酶越往前移，转录生成的RNA链越长。
在RNA链上观察到的小黑点是多聚核蛋白体（polysome），即一条mBNA链连上多个核蛋白体，已在进行下一步的翻译工序。
可见，转录尚未完成，翻译已在进行。
转录和翻译都是高效率地进行着。
真核生物有核膜把转录和翻译隔成不同的细胞内区间，因此没有这种现象。
除此之外，原核生物和真核生物转录延长是大致相似的。
图12-11电子显微镜下的转录现象｜
三、转录终止
当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，就是转录终止。
（－）原核生物的转录终止
依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为依赖ρ（Rho）因子与非依赖Rho因子两大类。
1．依赖Rho的转录终止
升级会员 