第十四章RNA的生物合成 RNA的生物合成包括转录和RNA的复制。 转录( transcription):以段DNA的遗传信息为模板,在RNA聚合酶作用下,合成出对应的RNA的过 程,或在DNA指导下合成RNA 转录产物:mRNA、rRNA、tRNA、小RNA 除某些病毒基因组RNA外,绝大多数RNA分子都来自DNA转录的产物 转录研究的主要问题 ①RNA聚合酶②转录过程③转录后加工④转录的调控 ①③是基本内容,④是目前研究的焦点,转录调控是基因调控的核心。 转录与DNA复制的异同: 相同:要有模板,新链延伸方向5ˆ→3,碱基的加入严格遵循碱基配对原则 相异:①复制需要引物,转录不需引物。 ②转录时,模板DNA的信息全保留,复制时模板信息是半保留。 ③转录时,RNA聚合酶只有5→3聚合作用,无5→3及3→5外切活性。 转录是基因表达的第一步,也是最关键的一步, 基因表达的终产物:①RNA②蛋白质 转录过程涉及两个方面 ①RNA合成的酶学过程 ②RNA合成的起始信号和终止信号,即DNA分子上的特定序列 DNA正链:与mRNA序列相同的DNA链。 负链:与正链互补的DNA链 转录单位的起点核苷酸为+1,起点右边为下游(转录区),转录起点左侧为上游,用负数表示:-1,2, 第一节DNA指导的RNA合成(转录) RNA链的转录,起始于DNA模板的一个特定位点,并在另一位点终止,此转录区域称为一个转录单位 一个转录单位可以是一个基因(真核),也可以是多个基因(原核)。 基因的转录是有选择性的,细胞不同生长发育阶段和细胞环境条件的改变,将转录不同的基因 转录的起始由DNA上的启动子区控制,转录的终止由DNA上的终止子控制,转录是通过DNA指导的 RNA聚合酶来实现的。 RNA聚合酶 RNA合成的基本特征 ①底物:NTP(ATP、GIP、CIP、UTP) ②RNA链生长方向:5
１ 第十四章 RNA 的生物合成 RNA 的生物合成包括转录和 RNA 的复制。 转录（transcription）：以一段DNA的遗传信息为模板，在 RNA 聚合酶作用下，合成出对应的RNA的过 程，或在 DNA 指导下合成 RNA。 转录产物：mRNA 、rRNA、 tRNA、小RNA 除某些病毒基因组RNA 外，绝大多数RNA分子都来自DNA转录的产物。 转录研究的主要问题 ①RNA 聚合酶 ②转录过程 ③转录后加工 ④转录的调控 ①~③是基本内容，④是目前研究的焦点，转录调控是基因调控的核心。 转录与 DNA复制的异同： 相同：要有模板，新链延伸方向5’→3’，碱基的加入严格遵循碱基配对原则。 相异：①复制需要引物，转录不需引物。 ②转录时，模板DNA的信息全保留，复制时模板信息是半保留。 ③转录时，RNA聚合酶只有5’→3’聚合作用，无 5’→3’及 3’→5’外切活性。 转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。 基因表达的终产物：①RNA ②蛋白质 转录过程涉及两个方面 ①RNA 合成的酶学过程 ②RNA 合成的起始信号和终止信号，即DNA分子上的特定序列。 DNA 正链：与 mRNA序列相同的DNA链。 负链：与正链互补的DNA链。 转录单位的起点核苷酸为+1，起点右边为下游（转录区），转录起点左侧为上游，用负数表示：-1，-2， -3。 第一节 DNA 指导的 RNA 合成（转录） RNA 链的转录，起始于 DNA 模板的一个特定位点，并在另一位点终止，此转录区域称为一个转录单位。 一个转录单位可以是一个基因（真核），也可以是多个基因（原核）。 基因的转录是有选择性的，细胞不同生长发育阶段和细胞环境条件的改变，将转录不同的基因。 转录的起始由DNA上的启动子区控制，转录的终止由 DNA上的终止子控制，转录是通过 DNA 指导的 RNA 聚合酶来实现的。 一、 RNA 聚合酶 RNA 合成的基本特征 ①底物：NTP（ATP、GTP、CTP、UTP） ②RNA 链生长方向：5’→3’
③不需引物 ④需DNA模板 反应 n,ATP+nGTP+nCTP+nUPN4聚合酶/DN4模板、“→RNA+(1+n2+n3+n)PP l、E, colirna聚合酶(原核) Ecol和其它原核细胞一样,只有一种RNA聚合酶,合成各种RNA(mRNA、tRNA、rRNA) 个Ecol细胞中约有7000个RNA聚合酶分子,在任时刻,大部分聚合酶(5000左右)正在参与 RNA的合成,具体数量依生长条件而定 E colirNA聚合酶全酶( holoenzyme)分子量4万Da,由六个亚基组成,a2BB0o,另有两个Zn2。 无σ亚基的酶叫核心酶,核心酶只能使已开始合成的RNA链延长,而不具备起始合成活性,加入σ亚 基后,全酶才具有起始合成RNA的能力,因此,σ亚基称为起始因子。 E. COlI RNA聚合酶各亚基的大小与功能 亚基 亚基数分子量基因 功能 (KD) 160 与模板DNA结合 Bβ0a 150 B 与核苷酸结合,起始和催化部位。 70 D 起始识别因子 37 rpoA 与DNA上启动子结合 不详 不同的细菌,B、β、a亚基分子量变化不大,σ亚基分子量变化较大,44KD9KD。 σ亚基的功能:核心酶在DNA上滑动,σ亚基能增加酶与DNA启动子的结合常数,增加停留时间,使 聚合酶迅速找到启动子并与之结合,σ亚基本身无催化活性 不同的因子识别不同的启动子,从而表达不同的基因。 不同的原核生物,都具有相同的核心酶,但σ亚基有所差别,这决定了原核基因表达的选择性。 RNA聚合酶的催化活性:RNA聚合酶以完整的双链DNA为模板,转录时DNA的双链结构部分解开, 转录后DNA仍然保持双链的结构。 P360图20-1RNA聚合酶的活性中心 核心酶覆盖60bp的DNA区域,其中解链部分17bp左右, RNA-DNA杂合链约12b 纯的RNA聚合酶,在离体条件下可转录双链DNA,但在体内,DNA的两条链中只有一条可用于转录, 这可能是由于RNA聚合酶在分离时丢失了σ亚基引起的
２ ③不需引物 ④需 DNA 模板 反应： 1、 E.coli RNA聚合酶（原核） E.coli和其它原核细胞一样，只有一种RNA聚合酶，合成各种RNA（mRNA、tRNA、rRNA）。 一个 E.coli 细胞中约有 7000 个 RNA 聚合酶分子，在任一时刻，大部分聚合酶（5000 左右）正在参与 RNA 的合成，具体数量依生长条件而定。 E.coliRNA 聚合酶全酶（| holoenzyme）分子量 46万 Da，由六个亚基组成，α2ββ’ σω，另有两个 Zn2+。 无σ亚基的酶叫核心酶，核心酶只能使已开始合成的 RNA 链延长，而不具备起始合成活性，加入σ亚 基后，全酶才具有起始合成RNA 的能力，因此，σ亚基称为起始因子。 E.coli RNA 聚合酶各亚基的大小与功能： 亚基 亚基数 分 子 量 （KD） 基因 功能 β’ 1 160 rpoC 与模板 DNA结合 β 1 150 rpoB 与核苷酸结合，起始和催化部位。 σ 1 70 rpoD 起始识别因子 α 2 37 rpoA 与 DNA上启动子结合 ω 1 9 ---- 不详 不同的细菌，β’、β、α亚基分子量变化不大，σ亚基分子量变化较大，44KD~92KD。 σ亚基的功能：核心酶在 DNA 上滑动，σ亚基能增加酶与 DNA启动子的结合常数，增加停留时间，使 聚合酶迅速找到启动子并与之结合，σ亚基本身无催化活性。 不同的σ因子识别不同的启动子，从而表达不同的基因。 不同的原核生物，都具有相同的核心酶，但σ亚基有所差别，这决定了原核基因表达的选择性。 RNA 聚合酶的催化活性：RNA聚合酶以完整的双链DNA为模板，转录时DNA的双链结构部分解开， 转录后 DNA仍然保持双链的结构。 P360 图 20-1RNA 聚合酶的活性中心 核心酶覆盖60bp 的DNA 区域，其中解链部分17bp 左右，RNA-DNA 杂合链约12bp。 纯的RNA聚合酶，在离体条件下可转录双链 DNA，但在体内，DNA的两条链中只有一条可用于转录， 这可能是由于 RNA 聚合酶在分离时丢失了σ亚基引起的。 RNA n n n n PPi RNA DNA Mg n ATP n GTP n CTP n UTP ( 1 2 3 4) / 2 1 + 2 + 3 + 4 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯→ + + + + 聚合酶 模板、 +
解旋和重新螺旋化也是RNA聚合酶的内在特性,在酶的前端解螺旋,在后端以相反方冋重新螺旋化, 活体状况中,可能还有其它酶活性来帮助调整DNA的拓扑学性质。 37℃时,RNA聚合酶的聚合速度可达40-100个核苷酸秒 2、真核生物RNA聚合酶 真核生物的转录机制要复杂得多,有三种细胞核内的RNA聚合酶:RNA聚合酶I转录rRNA,RNA聚 合酶Ⅱ转录mRNA,RNA聚合酶Ⅱ转录tRNA和其它小分子RNA。这三种RNA聚合酶分子量都在50万 左右,亚基数分别为6-15。 P362表203真核生物RNA聚合酶的分类、分布及各自的功能 动物、植物、昆虫等不同来源的细胞, NAPoli的活性都可被低浓度的α鹅膏蕈碱抑制,而 RNApol Ⅰ不受抑制。 动物 RNApoll受高浓度的α鹅膏蕈碱抑制,而酵母、昆虫的 RNApoll不受抑制。 除了细胞核RNA聚合酶外,还分离到线粒体和叶绿体RNA聚合酶,它们的结构简单,能转录所有种类 的RNA,类似于细菌RNA聚合酶 3、噬菌体T3和T7编码的RNA聚合酶 仅为一条分子量IIKD的多肽链,这些聚合酶只需要识别噬菌体DNA的少数启动子,并无选择地与其 作用,37℃时的聚合速度20n秒 二、RNA聚合酶催化的转录过程( E coli) P361图202 1、起始 RNA聚合酶结合到DNA双链的特定部位,局部解开双螺旋,第一个核苷酸掺入转录起始位点,从此开 始RNA链的延伸。 在新合成的RNA链的5未端,通常为带有三个磷酸基团的鸟苷或腺苷(pG或ppA),即合成的第 个底物是GIP或ATP 起始过程中,σ因子起关键作用,它能使聚合酶迅速地与DNA的启动子结合,σ亚基与β'结合时,β 亚基的构象有利于核心酶与启动子紧密结合,。 正链:与mRNA序列相同的两、链。 负链:模板链。 转录起点是+1,上游是-1。 2、延长 转录起始后,σ亚基释放,离开核心酶,使核心酶的β亚基构象变化,与DNA模板亲和力下降,在
３ 解旋和重新螺旋化也是 RNA 聚合酶的内在特性，在酶的前端解螺旋，在后端以相反方向重新螺旋化， 活体状况中，可能还有其它酶活性来帮助调整DNA的拓扑学性质。 37℃时，RNA聚合酶的聚合速度可达40~100 个核苷酸/秒 2、 真核生物RNA聚合酶 真核生物的转录机制要复杂得多，有三种细胞核内的RNA 聚合酶：RNA 聚合酶I 转录 rRNA，RNA 聚 合酶II 转录 mRNA，RNA聚合酶 III 转录tRNA和其它小分子 RNA。这三种 RNA 聚合酶分子量都在 50 万 左右，亚基数分别为6-15。 P362 表 20-3 真核生物RNA聚合酶的分类、分布及各自的功能 动物、植物、昆虫等不同来源的细胞，RNApolⅡ的活性都可被低浓度的α-鹅膏蕈碱抑制，而 RNApol Ⅰ不受抑制。 动物 RNApolⅢ受高浓度的α-鹅膏蕈碱抑制，而酵母、昆虫的 RNApolⅢ不受抑制。 除了细胞核 RNA 聚合酶外，还分离到线粒体和叶绿体 RNA聚合酶，它们的结构简单，能转录所有种类 的 RNA，类似于细菌RNA聚合酶。 3、 噬菌体T3和T7编码的RNA聚合酶 仅为一条分子量 11KD 的多肽链，这些聚合酶只需要识别噬菌体 DNA 的少数启动子，并无选择地与其 作用，37℃时的聚合速度200nt/秒。 二、 RNA 聚合酶催化的转录过程（E.coli） P361 图 20-2 1、 起始 RNA 聚合酶结合到DNA双链的特定部位，局部解开双螺旋，第一个核苷酸掺入转录起始位点，从此开 始 RNA链的延伸。 在新合成的 RNA 链的 5’末端，通常为带有三个磷酸基团的鸟苷或腺苷（pppG 或 pppA），即合成的第一 个底物是 GTP 或ATP。 起始过程中，σ因子起关键作用，它能使聚合酶迅速地与DNA的启动子结合，σ亚基与β’结合时，β’ 亚基的构象有利于核心酶与启动子紧密结合，。 正链：与 mRNA序列相同的两、链。 负链：模板链。 转录起点是+1，上游是-1。 2、 延长 转录起始后，σ亚基释放，离开核心酶，使核心酶的β’亚基构象变化，与 DNA 模板亲和力下降，在
DNA上移动速度加快,使RNA链不析延长 转录起始后,σ亚基便从全酶中解离出来,然后nsA亚基结合到核心酶上,由nsA亚基识别序列序列 3、终止 RNA聚合酶到达转录终止点时,在终止辅助因子的帮助下,聚合反应停止,RNA链和聚合酶脱离DNA 模板链,musA又被σ亚基所取代。 由此形成RNA聚合酶起始复合物与终止复合物两种形式的循环。 启动子和转录因子 启动子:RNA聚合酶识别、结合并开始转录所必需的段DNA序列。 转录因子:RNA聚合酶在进行转录时,常需要一些辅助因子(蛋白质)参与作用,此类蛋白质统称为转 录因 足迹法和DNA测序法确定启动子的序列结构。 原核启动子结构与功能 分析比较上百种启动子序列,发现不同的启动子都存在保守的共同序列,包括RNA聚合酶识别位点和 结合位点。 (1)、-10序列 (Pribnow框 在转录起点上游大约-10处,有一个6bp的保守序列 TATAAT,称 Pribnow框。此段序列出现在4到13bp 之间,每个位点的保守性在459%1009 频度:T9 A89 toa6 5 A65 T100 据预测, Pribnow框中,一开始的TA和第6位最保守的T在结合RNA聚合酎时起十分重要的作用。 目前认为, Pribnow框决定转录方向。酶在此部位与DNA结合形成稳定的复合物, Pribnow框中DNA 序列在转录方向上解开,形成开放型起始结构,它是RNA聚合酶牢固的结合位点,是启动子的关键部位。 RNA聚合酶的结合,诱导富含AT的 Pribnow框的双链解开,然后进步扩大成17个核苷酸长度的泡 状物,在泡状物中RNA聚合酶从模板链开始转录RNA产物。 (2)、-35序列( Sexfama box)(识别区域) 只含10序列的DNA不能转录,在10序列上游还有一个保守序列,其中心约在35位置,称为35序列, 此序列为RNA酶的识别区域 各碱基出现频率如下:TsTG8A61C6Aa,其中TTG十分保守。 35序列的功能:它是原核RNA聚合酶全酶依靠σ因子的初始识别位点。因此,-35序列对RNA聚合酶 全酶有很髙的亲和性。-35序列的核苷酸结构,在很大程度上决定了启动子的强度,RNA聚合酶易识别强的 启动子。 35序列提供RNA聚合酶识别信号, 10序列有助于DNA局部双链解开
４ DNA 上移动速度加快，使RNA链不断延长。 转录起始后，σ亚基便从全酶中解离出来，然后 nusA亚基结合到核心酶上，由 nusA 亚基识别序列序列。 3、 终止 RNA 聚合酶到达转录终止点时，在终止辅助因子的帮助下，聚合反应停止，RNA 链和聚合酶脱离 DNA 模板链，nusA 又被σ亚基所取代。。 由此形成 RNA 聚合酶起始复合物与终止复合物两种形式的循环。 三、 启动子和转录因子 启动子：RNA聚合酶识别、结合并开始转录所必需的一段DNA 序列。 转录因子：RNA 聚合酶在进行转录时，常需要一些辅助因子（蛋白质）参与作用，此类蛋白质统称为转 录因子。 足迹法和 DNA 测序法确定启动子的序列结构。 P363 （一） 原核启动子结构与功能 分析比较上百种启动子序列，发现不同的启动子都存在保守的共同序列，包括 RNA 聚合酶识别位点和 结合位点。 （1）、 -10 序列（Pribnow 框） 在转录起点上游大约-10 处，有一个 6bp 的保守序列 TATAAT，称 Pribnow 框。此段序列出现在-4 到-13bp 之间，每个位点的保守性在45%-100%。 频度： T89 A89T50A65A65 T100 据预测，Pribnow框中，一开始的TA 和第6 位最保守的T在结合RNA 聚合酶时起十分重要的作用。 目前认为，Pribnow 框决定转录方向。酶在此部位与 DNA 结合形成稳定的复合物，Pribnow 框中 DNA 序列在转录方向上解开，形成开放型起始结构，它是RNA 聚合酶牢固的结合位点，是启动子的关键部位。 RNA 聚合酶的结合，诱导富含 AT 的 Pribnow 框的双链解开，然后进一步扩大成 17 个核苷酸长度的泡 状物，在泡状物中RNA 聚合酶从模板链开始转录RNA 产物。 （2）、 -35 序列（Sexfama box）（识别区域） 只含-10 序列的DNA不能转录，在-10 序列上游还有一个保守序列，其中心约在-35 位置，称为-35 序列， 此序列为 RNA 酶的识别区域。 各碱基出现频率如下：T85 T83 G81A61C69A52 ，其中TTG 十分保守。 -35 序列的功能：它是原核 RNA聚合酶全酶依靠σ因子的初始识别位点。因此，-35 序列对 RNA 聚合酶 全酶有很高的亲和性。-35 序列的核苷酸结构，在很大程度上决定了启动子的强度，RNA聚合酶易识别强的 启动子。 -35 序列提供RNA聚合酶识别信号， -10 序列有助于DNA 局部双链解开
启动子结构的不对称性决定了转录的方向。 P364图204原核型启动子的结构 (二)真核启动子 真核基因的转录十分复杂,对启动子的分析要比原核基因的困难得多。 真核生物有三种RNA聚合酶:RNA聚合酶I、IⅢ,分别转录RNA、mRNA、tRNA和小分子RNA 这三类聚合酶的启动子各有其结构特点。 l、RNA聚合酶Ⅱ的启动子 RNA聚合酶Ⅱ的启动子有三个保守区: (1)、TATA框( Hones框 中心在-25至30,长度bp左右 碱基频率:T8AgA8A63(T37)A83As(T37)(全为A-T,少数含有一个GC对 此序列功能:使DNA双链解开,并决定转录的起点位置,失去TAIA框,转录将可能在许多位点上开 始 TAⅨA框的改变或缺失,直接景响DNA与酶的结合程度,会使转录起始点偏移,因此,TATA是绝大多 数真核基因正确表达所必需的。 由于RNA聚合酶分子有相对固定的空间结构,同此框的结合位点和转录反应催化位点的距离,决定了 起始位点的正确选择。启动子特定序列和酶的正确结构,这两者把酶置于种正确的构象中,决定了识别的 正确性和转录起始的正确性。 (2)、CAT框 中心在75处,9p,共有序列GGT(G) CAATCT 功能:与RNA聚合酶结合。 (3)、GC框 在CAAT框上游,序列 GGGCGG,与某些转录因子结合。 CAAT和GC框均为上游序列,对转录的起始频率有较大景响。 2、 RNApoLⅢ的启动子 RNApoll的启动子在转录区内部。 P365图205由RNA聚合酶Ⅲ转录的三个基因的启动子 四、终止子和终止因子 终止子:提供转录终止信号的段DNA序列。 终止因子:协助RNA聚合酶识别终止子的蛋白质辅助因子。 有些终止子的作用可被特异的因子所阻止,使酶越过终止子继续转录,称为通读,这类引起抗终止作用
５ 启动子结构的不对称性决定了转录的方向。 P364 图 20-4 原核型启动子的结构 （二） 真核启动子 真核基因的转录十分复杂，对启动子的分析要比原核基因的困难得多。 真核生物有三种 RNA 聚合酶：RNA聚合酶I、II、III，分别转录 rRNA、mRNA、tRNA 和小分子 RNA， 这三类聚合酶的启动子各有其结构特点。 1、 RNA 聚合酶Ⅱ的启动子 RNA 聚合酶Ⅱ的启动子有三个保守区： （1）、 TATA 框（Hogness 框） 中心在-25 至-30，长度7bp 左右。 碱基频率：T82A97A85A63 （T37 ）A83A50（T37 ）（全为A-T，少数含有一个G-C 对）。 此序列功能：使 DNA 双链解开，并决定转录的起点位置，失去 TATA 框，转录将可能在许多位点上开 始。 TATA 框的改变或缺失，直接影响 DNA与酶的结合程度，会使转录起始点偏移，因此，TATA 是绝大多 数真核基因正确表达所必需的。 由于 RNA 聚合酶分子有相对固定的空间结构，同此框的结合位点和转录反应催化位点的距离，决定了 起始位点的正确选择。启动子特定序列和酶的正确结构，这两者把酶置于一种正确的构象中，决定了识别的 正确性和转录起始的正确性。 （2）、 CAAT 框 中心在-75 处，9bp，共有序列GGT（G）CAATCT 功能：与 RNA 聚合酶结合。 （3）、 GC 框 在 CAAT框上游，序列GGGCGG，与某些转录因子结合。 CAAT和GC 框均为上游序列，对转录的起始频率有较大影响。 2、 RNApolⅢ的启动子 RNApolⅢ的启动子在转录区内部。 P365 图 20-5 由 RNA 聚合酶III 转录的三个基因的启动子 四、 终止子和终止因子 终止子：提供转录终止信号的一段DNA 序列。 终止因子：协助RNA聚合酶识别终止子的蛋白质辅助因子。 有些终止子的作用可被特异的因子所阻止，使酶越过终止子继续转录，称为通读，这类引起抗终止作用
的蛋白质称为抗终止因子。 终止子位于己转录的序列中,DNA的终止子可被RNA聚合酶本身或其辅助因子识别。 P366图206 1、大肠杆菌中的两类终止子 P366图206 所有原核生物的终止子在终止点之前都有一个回文结构,它转录出来的RNA可以形成一个颈环式的发 荚结构 (1)、不依赖于ρ的终止子(简单终止子) 简单终止子除具有发夹结构外,在终止点前有一寡聚U序列,回文对称区通常有一段富含GC的序列 寡聚U序列可能提供信号使RNA聚合酶脱离模板。 (2)、依赖ρ的终止子 依赖p的终止子,必需在p因子存在时,才发生终止作用。终止点前无寡聚U序列,回文对称区不富含 GC。 ρ因子是55KD的蛋白质,可水解三磷酸核苷。 2、抗终止作用 通读往往发生在强启动子、弱终止子的基因上。 抗终止作用常见于某些噬菌体的时序控制。早期基因于后基因之间以终止子相隔开,通过抗终止作用可 以打开后基因的表达 入噬菌体前早期( immed iate early)基因的产物N蛋白就是一种抗终止因子。它与RNA聚合酶作用使其 在左右两个终止子处发生通读,从而表达晚早期( delayed early)基因。晚早期基因的产物Q蛋白也是一种抗 终止因子,它能使晚早期基因得以表达。 五、转录过程的调节控制 参阅P367转录过程的调节控制P450基因表达调节 基因的表达是受到严格的调节控制的,转录水平的调控是关键的环节,转录调控主要发生在起始和终止 阶段。 时序调控:生长、发育、分化、时间程序。 适应调控:细胞内外环境改变。可位于基因的上游或下游区或内含子中。 操纵子:原核生物基因表达的协调单位,包括结构基因、调节基因及由调节基因产物所识别的控制序列 (启动子、操纵基因)。 增强子:真核生物、病毒的基因阻内,对转录起増强作用的段DNA序列。它具有长距离效应,与方 向无关,只作用于同一条DNA链上的启动子
６ 的蛋白质称为抗终止因子。 终止子位于已转录的序列中，DNA的终止子可被RNA 聚合酶本身或其辅助因子识别。 P366 图 20-6 1、 大肠杆菌中的两类终止子 P366 图 20-6 所有原核生物的终止子在终止点之前都有一个回文结构，它转录出来的 RNA 可以形成一个颈环式的发 荚结构。 （1）、 不依赖于ρ的终止子（简单终止子） 简单终止子除具有发夹结构外，在终止点前有一寡聚U 序列，回文对称区通常有一段富含 GC 的序列。 寡聚 U 序列可能提供信号使RNA聚合酶脱离模板。 （2）、 依赖ρ的终止子 依赖ρ的终止子，必需在ρ因子存在时，才发生终止作用。终止点前无寡聚U 序列，回文对称区不富含 GC。 ρ因子是 55KD的蛋白质，可水解三磷酸核苷。 2、 抗终止作用 通读往往发生在强启动子、弱终止子的基因上。 抗终止作用常见于某些噬菌体的时序控制。早期基因于后基因之间以终止子相隔开，通过抗终止作用可 以打开后基因的表达。 λ噬菌体前早期（immediate early）基因的产物N 蛋白就是一种抗终止因子。它与 RNA 聚合酶作用使其 在左右两个终止子处发生通读，从而表达晚早期（delayed early）基因。晚早期基因的产物Q 蛋白也是一种抗 终止因子，它能使晚早期基因得以表达。 五、 转录过程的调节控制 参阅 P367转录过程的调节控制、P450基因表达的调节 基因的表达是受到严格的调节控制的，转录水平的调控是关键的环节，转录调控主要发生在起始和终止 阶段。 时序调控：生长、发育、分化、时间程序。 适应调控：细胞内外环境改变。可位于基因的上游或下游区或内含子中。 操纵子：原核生物基因表达的协调单位，包括结构基因、调节基因及由调节基因产物所识别的控制序列 （启动子、操纵基因）。 增强子：真核生物、病毒的基因组内，对转录起增强作用的一段 DNA 序列。它具有长距离效应，与方 向无关，只作用于同一条DNA 链上的启动子
转录水平的调控取决于调节因子(RNA或蛋白质)与启动子、增强子、终止子之间的相互作用 (一)原核生物的录调控空 1、操纵子模型 学,调节基因的产物可以是负调节物(如阻遏蛋白),也可以是正调节物,它们与操纵基因作用,关闭或打开 构基因的表达 2、cAMP能促进许多原核生物的基因表达 cAMP可以活化环腺苷酸受体蛋白( cAMPreceptor protein,CRP,CRP作为种广谱性的正调节物, 结合于被调控的启动子上,促进RNA聚合酶与启动子的结合,从而促进转录的进行 葡萄糖效应:培养基中葡萄糖含量较髙时,细菌首先利用葡萄糖,阻遏利用其它底物的酶类的合成。 原因:葡萄糖的降解物可以抑制腺苷酸环化酶的活力,并激活磷酸脂酶,因而降低cAM的水平,使这 些酶的基因不能转录 因此,CRP又称降解物基因活化蛋白( catabolite gene actⅳ ator protein, CAP)。受 CAMP-CRP调节的操纵 子(既代谢降解物敏感的操纵子)包括许多负责糖类分解代谢的诱导性启动子,如乳糖操纵子,半乳糖操纵 子。,阿拉伯糖操纵子等,以及负责氨基酸合成代谢的呵阻遏的操纵子,如IeV操纵子(讧V)。 调节子:受_种种调节蛋白所控制的几个操纵子系统,这些操纵子通常都属于同一个代谢途径或与同 种功能有关 综合性调节子:一种调节蛋白控制几个不同代谢途径的操纵子,如 CAMP-CRP对各种分解代谢和合成代 谢的调控系统 衰减子的调控作用 (二)真桉生物的转录调腔空 第二节RNA转录后的加工 RNA聚合酶合成的原初啭转录产物,要经过剪切、修饰、拼接等过程,才能转变成成熟的RNA分子,此 过程称RNA转录后的加工 (1)、原核、真核的tRNA、rNA(稳定的RN) 细胞内的RNA、RNA相对稳定,半衰期一般为几个小时。所有的RNA、RNA都不是原初转录产物, 都要经过一系列的加工才能成为有活性的分子。 a.原初转录产物的5是三磷酸(ppG、ppA),而成熟的武NA、rRNA,5是单磷酸。 b.成熟tRNA、RNA分子都比原初转录物小 c.所有的tRNA分子,都有原初转录物所没有的稀有碱基(A、G、C、U以外的碱基) (2)、真核的mRA 单顺反子,多内含子。寿命比原核mRNA的长。 7
７ 转录水平的调控取决于调节因子（RNA或蛋白质）与启动子、增强子、终止子之间的相互作用。 （一） 原核生物的转录调控 1、 操纵子模型 调节基因的产物可以是负调节物（如阻遏蛋白），也可以是正调节物，它们与操纵基因作用，关闭或打开 结构基因的表达 2、 cAMP能促进许多原核生物的基因表达 cAMP 可以活化环腺苷酸受体蛋白（cAMP receptor protein，CRP），CRP作为一种广谱性的正调节物， 结合于被调控的启动子上，促进RNA聚合酶与启动子的结合，从而促进转录的进行。 葡萄糖效应：培养基中葡萄糖含量较高时，细菌首先利用葡萄糖，阻遏利用其它底物的酶类的合成。 原因：葡萄糖的降解物可以抑制腺苷酸环化酶的活力，并激活磷酸脂酶，因而降低cAMP 的水平，使这 些酶的基因不能转录。 因此，CRP 又称降解物基因活化蛋白（catabolite gene activator protein,CAP）。受 cAMP-CRP 调节的操纵 子（既代谢降解物敏感的操纵子）包括许多负责糖类分解代谢的诱导性启动子，如乳糖操纵子，半乳糖操纵 子。，阿拉伯糖操纵子等，以及负责氨基酸合成代谢的可阻遏的操纵子，如Ile-Val操纵子（iLV）。 调节子：受一种一种调节蛋白所控制的几个操纵子系统，这些操纵子通常都属于同一个代谢途径或与同 一种功能有关。 综合性调节子：一种调节蛋白控制几个不同代谢途径的操纵子，如cAMP-CRP 对各种分解代谢和合成代 谢的调控系统。 3、 衰减子的调控作用 （二） 真核生物的转录调控 第二节 RNA 转录后的加工 RNA 聚合酶合成的原初转录产物，要经过剪切、修饰、拼接等过程，才能转变成成熟的RNA分子，此 过程称 RNA转录后的加工。 （1）、 原核、真核的tRNA、rRNA（稳定的 RNA） 细胞内的tRNA、rRNA相对稳定，半衰期一般为几个小时。所有的 tRNA、rRNA 都不是原初转录产物， 都要经过一系列的加工才能成为有活性的分子。 a. 原初转录产物的5’是三磷酸（pppG、pppA），而成熟的tRNA、rRNA ，5’是单磷酸。 b. 成熟 tRNA、rRNA分子都比原初转录物小。 c. 所有的 tRNA 分子，都有原初转录物所没有的稀有碱基（A、G、C、U以外的碱基）。 （2）、 真核的 mRNA 单顺反子，多内含子。寿命比原核mRNA 的长
内含子、内元( Intron):在原初转录物中,通过RNA拼接反应而被去除的RNA序列,或基因中与这种 序列对应的DNA序列。 外显子、外元(eon):原初转录物通过RNA拼接反应后,而保留于成熟RNA中的序列,或基因中与 成熟RNA对应的DNA序列 (3)、原核mNA 多顺反子,半衰期只有几分钟。这是原核生物重要的调控机制,如果一种酶或蛋白质不再需要时,只需 简单地关闭其mRNA的合成就行了。 原核生物RNA的加工 在原核生物中,RNA基因与某些tRNA基因组成混合操纵子,可提高效率、节省空间(增加有效信息)。 其它的邙RNA基因也成簇存在,并与编码蛋白质的基因组成操纵子,它们在形式多顺反子转录物后,断裂成 为rRNA和tRNA的前体,然后进一步加工成熟。 1、原核rRNA前体的加工(Ecol) 370图20-7 E. colirRNA前体的 Ecol共有三种rRNA SSrRNA 120b 16S rRNA 1541b 23S rRNA 2904b rRNA原初转录物含6300个核苷酸,约30S 大肠杆菌有7个rRNA的转录单位(操纵子),它们分散在基因组的各处。每个转录单位由16SRNA、 23SRNA、5 SrRNSA以及一个或几个tRNA基因所组成。每个操纵子中NA基因的种类、数量和位置都各 不相同 RNAasel是一种rRNA、多顺反子mRNA加工的内切酶,识别特持定的RNA双螺旋区 RNAase e也可识别Ps(5 SIRNA前体)两端形成的双螺旋区。 原核tRNA前体的加工 P371图208 E coli染色体基因组有60个tRNA基因,即某种aa的武NA基因不止一个拷贝。 tRNA基因大多成簇存在,或与RNA基因,或与蛋白质基因组成混合转录单位 tRNA前体加工步骤 核酸内切酶( RNAaseP、 RNAaseF)在NA两端切断 核酸外切酶 RNAaseD从3端逐个切去附加序列
８ 内含子、内元（intron）：在原初转录物中，通过 RNA 拼接反应而被去除的 RNA 序列，或基因中与这种 序列对应的DNA序列。 外显子、外元（exon）：原初转录物通过 RNA拼接反应后，而保留于成熟 RNA中的序列，或基因中与 成熟 RNA 对应的DNA 序列。 （3）、 原核 mRNA 多顺反子，半衰期只有几分钟。这是原核生物重要的调控机制，如果一种酶或蛋白质不再需要时，只需 简单地关闭其 mRNA的合成就行了。 一、 原核生物 RNA 的加工 在原核生物中，rRNA基因与某些tRNA 基因组成混合操纵子，可提高效率、节省空间（增加有效信息）。 其它的tRNA基因也成簇存在，并与编码蛋白质的基因组成操纵子，它们在形式多顺反子转录物后，断裂成 为 rRNA 和tRNA 的前体，然后进一步加工成熟。 1、 原核 rRNA前体的加工（E.coli） P 370 图 20-7 E.colirRNA 前体的加工 E.coli共有三种rRNA 5S rRNA 120b 16S rRNA 1541b 23S rRNA 2904b rRNA 原初转录物含6300 个核苷酸，约30S。 大肠杆菌有 7 个 rRNA 的转录单位（操纵子），它们分散在基因组的各处。每个转录单位由16SrRNA、 23SrRNA、5SrRNSA 以及一个或几个 tRNA基因所组成。每个操纵子中 tRNA基因的种类、数量和位置都各 不相同。 RNAaseⅢ是一种rRNA、多顺反子mRNA加工的内切酶，识别特定的RNA 双螺旋区。 RNAase E 也可识别P5（5SrRNA前体）两端形成的双螺旋区。 2、 原核 tRNA前体的加工 P371 图20-8 E.coli染色体基因组有60 个tRNA 基因，即某种a.a.的 tRNA基因不止一个拷贝。 tRNA 基因大多成簇存在，或与rRNA基因，或与蛋白质基因组成混合转录单位。 tRNA 前体加工步骤 a. 核酸内切酶(RNAaseP、RNAaseF)在 tRNA两端切断。 b. 核酸外切酶(RNAaseD)从 3’端逐个切去附加序列
c.在tRNA3端加上- CCA-OH。tRNA核苷酰转移酶 d.核苷的修饰(修饰酶):甲基化酶/S-腺苷蛋氨酸(SAM),假尿苷合成酶。 1)、 RNAase P 能识别空间结构,很干净地切除tRNA前体的5’端。 含有蛋白质和RNA(MRNA)两部分。MRNA含375n,在某些条件下,(提高Mg2或加入胺类), RNAase p的RNA能单独地切断tRNA前体的5’端序列 (2) 不干净地切除RNA前体的3’端序列,需要 RNAase d进一步修剪。 3、原核mRNA前体的加工 由单顺反子构成mRNA,一般不需加工,经转录,即可直接进行翻译。有些多顺反子构成的mRNA, 须由核酸内切酶切成较小的mRNA,然后再进行翻译。 例:核糖体大亚基蛋白L10、L7、L12与RNA聚合酶β、β'亚基的基因组成混合操纵子。 它在转录出多顺反子mRNA后,由 RNAasel将核糖体蛋白质基因与聚合酶亚基基因的mRNA切开, 然后各自翻译。 该加工过程的意义:可对mRNA的翻译进行调节,核糖体蛋白质的合成必须适应于rNA的合成水平, 而细胞内RNA聚合酶的合成水平则要低得多。两者切开,有利于各自的翻译调控 二、真核生物RNA的加工 真核RNA、tRNA前体的加工过程与原核的很相似,但mRNA的加工过程与原核的有很大不同。 1、真核rRNA前体的加工 真核生物核糖体的小亚基含:16-18SRNA,大亚基含:2628 SIRNA、5SRNA、58SRNA(特有)。 真核RNA基因拷贝数较多,几十至几千个之间 真核rRNA基因也成簇排列在一起,18S、58S、28SrNA基因组成一个转录单位,彼此被间隔区分开, 由RNA聚合酶I转录生成一个长的RNA前体。5SRNA基因也成簇排列,间隔区不被转录,由RNA聚合 酶Ⅲ转录后经适当加工。 哺乳动物:45 SIRNA前体,含18S、58S、28 SrRNA 果蝇:38 SrRNA前体,含18S、58S、28 SrrNA 酵母:37SRNA前体,17S、58、26 SrrNA RNA在成熟过程中可被甲基化,位点主要在核糖2OH上。真核RNA甲基化程度比原核的高,约12% 的核苷酸被甲基化 真核生物的核仁是RNA合成、加工和装配成核糖体的场所,大、小亚基分别组装后,通过核孔转移到 胞质中参与核糖体循环
９ c. 在 tRNA3’端加上-CCA-OH。tRNA核苷酰转移酶 d. 核苷的修饰（修饰酶）：甲基化酶 / S-腺苷蛋氨酸（SAM），假尿苷合成酶。 （1）、 RNAase P 能识别空间结构，很干净地切除tRNA前体的5’端。 含有蛋白质和RNA（M1 RNA）两部分。M1 RNA含 375nt，在某些条件下，（提高[Mg2+]、或加入胺类）， RNAase P 的RNA 能单独地切断tRNA前体的5’端序列。 （2）、 RNAaseF 不干净地切除 tRNA前体的3’端序列，需要 RNAase D 进一步修剪。 3、 原核 mRNA前体的加工 由单顺反子构成 mRNA，一般不需加工，一经转录，即可直接进行翻译。有些多顺反子构成的 mRNA， 须由核酸内切酶切成较小的mRNA，然后再进行翻译。 例：核糖体大亚基蛋白L10、L7、L12 与RNA聚合酶β、β’亚基的基因组成混合操纵子。 它在转录出多顺反子 mRNA 后，由 RNAaseⅢ将核糖体蛋白质基因与聚合酶亚基基因的 mRNA 切开， 然后各自翻译。 该加工过程的意义：可对 mRNA的翻译进行调节，核糖体蛋白质的合成必须适应于 rRNA的合成水平， 而细胞内 RNA 聚合酶的合成水平则要低得多。两者切开，有利于各自的翻译调控。 二、 真核生物 RNA 的加工 真核 rRNA、tRNA前体的加工过程与原核的很相似，但mRNA的加工过程与原核的有很大不同。 1、 真核rRNA 前体的加工 真核生物核糖体的小亚基含：16-18S rRNA，大亚基含：26-28S r RNA、5SrRNA、5.8S rRNA（特有）。 真核 rRNA基因拷贝数较多，几十至几千个之间。 真核 rRNA 基因也成簇排列在一起，18S、5.8S、28S rRNA 基因组成一个转录单位，彼此被间隔区分开， 由 RNA 聚合酶 I 转录生成一个长的 rRNA前体。5SrRNA 基因也成簇排列，间隔区不被转录，由 RNA聚合 酶 III 转录后经适当加工。 哺乳动物：45SrRNA 前体，含18S、5.8S、28S rRNA 果蝇：38SrRNA 前体，含18S、5.8S、28S rRNA 酵母：37SrRNA 前体，17S、5.8S、26SrRNA rRNA 在成熟过程中可被甲基化，位点主要在核糖 2’-OH上。真核 rRNA甲基化程度比原核的高，约 1-2% 的核苷酸被甲基化。 真核生物的核仁是 rRNA 合成、加工和装配成核糖体的场所，大、小亚基分别组装后，通过核孔转移到 胞质中参与核糖体循环
2、真核tRNA前体的加工 真核tRNA基因的数目比原核tRNA的要多的多。例如,Ecoi有60个RNA基因,啤酒酵母250个, 果蝇850个,爪蟾1150个,人1300个。 真核邙RNA基因也成簇排列,被间隔区分开,邯RNA基因由RNA聚合酶转录。 真核tRNA前体的剪切、修饰过程与原核相似。 3、真核生物mRNA前体的加工 mRNA原初转录物是分子量很大的前体,在核内加工过程中形成分子大小不等的中间产物,它们被称为 核内不均一RNA( hn rna)。其中,约有25%可转变成成熟的mRNA。 hnRNA半寿期很短,比细胞质中的mRNA更不稳定,一般在几分钟至1小时。而细胞质mRNA的半寿 期为1-10小时,神经细胞mRNA最长可达数年。 hnRNA转变成mRNA的加工过程主要包括 a.5末端形成帽子结构 b.3末端切断并加上 polyA c.剪接除去内含子对应的序列 d.甲基化 (1)、5,末端加帽 反应步骤P374 RNA三磷酸酶,mRNA鸟苷酰转移酶,nRNA(鸟嘌呤η)甲基转酶,mRNA(核苷2’)甲基转移 酶 由于甲基化的程度不同,有三种类型的帽子:CAPO型,CAPI型,CAPⅡ型 ★5帽了也出现于 hnRNA,说明加帽过程可能在转录的早期阶段或转录终止前就已完成。 ★5帽子的功能 a.在翻译过程中起信号识别作用,协助核糖体与mRNA结合,使翻译从AUG开始。 b.保护mRNA,避免5端受核酸外切酶的降解。 (2)、3′端加 polyA hnRNA链由 RNAasel切断,由多聚腺苷酸聚合酶催化,加上poA,ATP为供体 加尾信号: AATAAA、 YGIGTGYY(Y为嘧啶)。 高等真核生物和病毒的mRNA在靠近3’端区都有一段非常保守的序列 AAUAAA,这一序列离多聚腺 苷酸加入位点的距离在1130nt范围之内 核内 hnRNA的3’端也有多聚腺苷酸,表明加尾过程早在核内已经完成。 hnRNA中的poly(A)比mRNA 略长,平均150200nt。 polyA的功能 a.防止核酸外切酶对mRNA信息序列的降解,起缓冲作用 b.与mRNA从细胞核转移到细胞质有关
１０ 2、 真核 tRNA前体的加工 真核tRNA基因的数目比原核tRNA的要多的多。例如，E.coli有 60 个 tRNA基因，啤酒酵母 250 个， 果蝇 850 个，爪蟾1150 个，人 1300 个。 真核 tRNA基因也成簇排列，被间隔区分开，tRNA基因由RNA 聚合酶Ⅲ转录。 真核 tRNA前体的剪切、修饰过程与原核相似。 3、 真核生物mRNA 前体的加工 mRNA原初转录物是分子量很大的前体，在核内加工过程中形成分子大小不等的中间产物，它们被称为 核内不均一RNA（hn RNA）。其中，约有25%可转变成成熟的mRNA。 hnRNA 半寿期很短，比细胞质中的 mRNA更不稳定，一般在几分钟至 1 小时。而细胞质 mRNA 的半寿 期为 1-10 小时，神经细胞mRNA最长可达数年。 hnRNA 转变成mRNA的加工过程主要包括： a. 5’末端形成帽子结构 b. 3’末端切断并加上 polyA c. 剪接除去内含子对应的序列 d. 甲基化 （1）、 5’末端加帽 反应步骤 P 374 RNA 三磷酸酶，mRNA 鸟苷酰转移酶，mRNA（鸟嘌呤-7）甲基转移酶，mRNA（核苷-2’）甲基转移 酶。 由于甲基化的程度不同，有三种类型的帽子：CAP O 型，CAP I 型，CAP II 型。 ★5’帽子也出现于hnRNA，说明加帽过程可能在转录的早期阶段或转录终止前就已完成。 ★5’帽子的功能 a. 在翻译过程中起信号识别作用，协助核糖体与mRNA 结合，使翻译从AUG 开始。 b. 保护 mRNA，避免 5’端受核酸外切酶的降解。 （2）、 3’端加 polyA hnRNA 链由RNAaseⅢ切断，由多聚腺苷酸聚合酶催化，加上polyA，ATP 为供体。 加尾信号：AATAAA、YGTGTGYY（Y 为嘧啶）。 高等真核生物和病毒的 mRNA在靠近 3’端区都有一段非常保守的序列AAUAAA，这一序列离多聚腺 苷酸加入位点的距离在11-30nt 范围之内。 核内 hnRNA的 3’端也有多聚腺苷酸，表明加尾过程早在核内已经完成。hnRNA 中的 poly（A）比 mRNA 略长，平均150-200nt。 polyA 的功能 a. 防止核酸外切酶对mRNA信息序列的降解，起缓冲作用。 b. 与 mRNA 从细胞核转移到细胞质有关