生化学习笔记 第十章 RNA的生物合成(转录)

第十章 RNA的生物合成(转录)

第一节转录

一、转录的概念和特点

转录（transcription）是DNA指导下的RNA合成过程，即DNA模扳的碱基序转抄成RNA的碱基序列。转录和复制有许多相似之处：都是酶促的核苷酸聚合过程；都以DNA为模板；都需依赖DNA的聚合酶；都按模板链的碱基配对原则和5′→ 3′方向在核苷酸之间生成磷酸二酯键，且延伸新链。不同的是：

1.不对称转录

转录不像复制要保留细胞的全部遗传信息，而是在细胞不同的发育时序，按生存条件和生理需要，部分遗传信息（结构基因）的表达。所以转录对基因组庞大的DNA链有选择性，这种选择是不对称的（asymmetric）。

2.RNA聚合酶（又称DNA指导的RNA聚合酶，DDRP）

该酶广泛存在于原核生物和真核生物中，以4种NTP为底物，无需引物，直接在模板上合成RNA链。

二、转录过程

转录是包括起始—延伸—终止的连续过程。原核生物的转录和真核生物的转录在起始和终止上有较多的不同。

（一）启动子和起始

启动子（promoter）是指RNA聚合酶识别、结合并开始转录的一段DNA序列。

原核生物RNA聚合酶作用的区域为－50~+20。

在转录起始阶段，RNA聚合酶识别将拷贝的基因的上游DNA（即启动子），局部解开双链（特别是TATA box处，约17个bp），当酶移至转录起始位点（+1处），催化按模板链碱基序依次排列的头两个三磷酸核苷聚合，生成RNA链的第一个3′，5′-磷酸二酯键，第一个核苷酸一定是三磷酸嘌呤核苷酸，而且pppG较pppA又占绝对优势，5′-端的pppG这一末端结构一旦生成，一直保持到转录完成。

（二）延伸

（三）终止子和终止

（四）真核生物中的基因转录

1.真核生物基因组构复杂，大部分蛋白质编码基因是不连续的，编码序列（称外显子exon）被非编码序列（内含子intron）中断。

2.不同的物种、不同细胞或不同的基因可以有不同的上游DNA序列，统称为顺式作用元件（cis-acting element），DDRPⅡ识别的大部分启动子在–25bp处有一个TATAbox（赫哥尼斯盒）。能直接或间接辩认、结合转录上游区段的蛋白质统称反式作用因子（trans-acting factor），直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子（transcriptional factor，TF）。

3.转录起始，需要几个TFⅡ先后与启动子装配成复合物，进而协助DDRPⅡ结合形成转录起始复合物。

4.DDRPⅡ不在特定的位点终止，会在基因下游不同距离处终止，和转录后加工有关。由DDRPⅡ从蛋白质编码基因上合成的RNA分子称原始转录物（或称RNA前体）。

（五）转录过程的抑制剂

转录过程的选择性抑制可通过与DNA结合改变模板功能或抑制RNA聚合酶的活性阻止RNA的合成。前者有放线菌素D，对原核和真核均有专一抑制作用；后者有利福平、α-鹅膏蕈碱等。利福平仅阻止原核RNA的合成，α-鹅膏蕈碱则是真核细胞中RNA合成的专一抑制剂，通过DDRPⅡ阻止mRNA的合成。

第二节转录后加工

一、mRNA加工

原核细胞合成的mRNA不需要或很少需要加工，许多mRNA甚至在合成前就开始翻译。

真核细胞mRNA的前体是hnRNA（不均一核RNA），hnRNA分子量大，半衰期很短，其加工过程比较复杂，包括5′- 端加帽、3′- 端加尾和中段序列的剪接，一般在核内进行。

1. 帽结构

hnRNA合成一结束，5′-端就被加上一个甲基化的鸟嘌呤帽（capO），帽子结构是5′m7GpppGp。形成过程是磷酸酶将其末端磷酸基除去，和GTP作用形成5′5′三磷酸键，接着在甲基化酶的作用下，由S-腺苷酸甲硫氨酸提供甲基加到末端的鸟嘌呤上形成capO。甲基可以加到G后面的第一个核苷酸的核糖上形成cap1或加到G后面两个核苷酸上形成cap2。该结构的功能可能对mRNA的稳定和它在翻译中起识别作用有关。

2. 3′端加尾

帽化后的hnRNA由核酸内切酶切去3′端一些过剩的核苷酸，3′端切除信号在高等真核细胞是靠近3′端区有一段保守序列AAUAAA，也是多聚腺苷酸化的信号，多聚腺苷酸聚合酶再以ATP为底物催化形成polyA尾（约100~200个）。polyA尾的功能是保护最终的mRNA3′端免受核酸酶的降解而稳定mRNA。

3. RNA剪接（RNAsplicing）

剪接在加帽加尾后进行。由核酸内切酶把内含子和外显子连接的磷酸二酯键水解，去除内含子，把相邻外显子的末端连接生成功能性mRNA。不同的剪接途径允许由单个基因合成几种不同的蛋白质。

内含子5′剪切位点总是以GU开始，3′剪切位点以AG结束且上游有一个含A的分支点和保守的嘧啶序。

成熟的mRNA通过核膜孔转运到细胞质，指导蛋白质的合成。

二、tRNA加工

原核和真核细胞tRNA的基因转录产物为tRNA前体，通过加工形成成熟的tRNA，各种tRNA的前体结构和加工方式不尽相同，一般加工过程包括：

1. 核酸内切酶切断tRNA两端

2. 核酸外切酶（RNaseD）从3′端逐个切除附加序列

3. 3′端加CCA-OH结构，催化反应的酶是tRNA核苷酰转移酶（有些细菌tRNA不需要这种加工）。

4. 修饰碱基的形成，由特异性的tRNA修饰酶作用形成甲基化碱基、二氢尿嘧啶等。

三、rRNA的加工

大部分真核生物，包括人类，有大于100个拷贝的rRNA基因，18S、5.8S 、28SrRNA基因特征性地成蔟分布并串联重复，RNA聚合酶Ⅰ转录rRNA基因，每转录一次包含18S、5.8S 、28S 的基因即产生一个45S rRNA前体。然后在核仁中进行加工。加工需要核仁小RNA（snoRNA），还涉及前体中18S和28S rRNA区域的大量甲基化。核仁小RNA与一些特异蛋白质偶联构成核仁小核糖核蛋白（snoRNP），以类似snRNP介导的mRNA剪接相似的方式进行加工。5S rRNA基因拷贝存在与以上基因不同的位点，由RNA聚合酶Ⅲ转录，转移到核仁中不再加工且装配到核糖体。

核酶作用的特点：催化自身的RNA或异体RNA；催化效率较酶蛋白低；有一定的特异性；必须有Mg2+的存在。核酶的作用方式为剪切（相当核酸内切酶的作用）或剪接（相当核酸内切酶和连接酶的作用）。