生物化学及分子生物学(人卫第九版)-14 RNA的合成

5 3
结构基因
3 5
5
3
-50
-40
-30
-20
-10
1
10
3
5
-35 区 TTGACA AA C T G T RNA-pol辨认位点 (recognition site)
-10 区
开始转录
T A T A A T Pu A T A T T A Py (Pribnow box)
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的启动子上启动转录，其中由σ亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。
二、RNA聚合酶催化RNA合成
（一）RNA聚合酶能从头启动RNA链的合成 ( NMP )n + NTP → ( NMP ) n+1 + PPi RNA 延长的RNA
DNA依赖的RNA聚合酶催化RNA合成的机制
RNA聚合酶和双链DNA结合时活性最高，但 是只以双链DNA中的一股DNA链为模板。 RNA聚合酶和DNA的特殊序列——启动子 (promoter)结合后，就能启动RNA合成。 DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存 在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动 RNA链的延长。
另一种是RNA指导的RNA合成(RNA-dependent RNA synthesis)，也叫RNA复制(RNA replication), 由 RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase)催化，常见于病毒，是逆转录病毒以外的 RNA病毒在宿主细胞以病毒的单链RNA为模板合成RNA的方式。
5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi
转录起始复合物:
RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3
E.coli的转录起始和延长
第一个磷酸二酯键生成后，
转录复合体的构象发生改变， σ 亚基即从转录起始复合物 上脱落，核心酶连同四磷酸
一、原核生物转录的模板
转录方向
5
编码链
模板链 编码链
3
3
模板链
转录方向
5
结构基因：DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structural gene)。
模板链和编码链：在DNA分子双链上，一股链用作模板指引转录，另一股链不转
录；模板链并非总是在同一单链上。
模板链和编码链
二核苷酸，继续结合于DNA
模板上，酶沿DNA链前移， 进入延长阶段。 有些时候转录起始会发生流 产式起始的情况。
二、 RNA pol核心酶独立延长RNA链
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，RNA链 不断延长。 (NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi
核心酶
表 14-1 大肠杆菌 RNA 聚合酶组分
全酶
分子量 每分子酶中所含数目 功能 α 36512 2 决定哪些基因被转录 β 150618 1 与转录全过程有关（催化） β ′ 155613 1 结合 DNA 模板（开链） β ′折叠和稳定性；σ 募集 σ 70263 1 辨认起始点
5′···GCAGTACATGTC ···3′
编码链
模板链
3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′ 转录
5′···GCAGUACAUGUC ···3′ 翻译 N· · · · · · Ala · Val ·His · Val · · · · · · C
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蛋白质
DNA 双链中按碱基配对规律能指引转录生成 RNA 的一股单链，称为模板链 (template strand)，也称作有意义链或Watson链。 相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。
亚基
三、RNA聚合酶结合到DNA的启动子上启动转录
调控序列 结构基因
5 3
RNA-pol
3 5
转录是不连续、分区段进行的。 每一转录区段可视为一个转录单位， 称为操纵子(operon)。 操纵子包括若干个结构基因及其 上游(upstream)的调控序列。
RNA聚合酶保护法
RNA聚合酶保护区
一、转录起始需要RNA pol全酶
转录起始需解决两个问题： RNA pol必须准确地结合在转录模板的起始区域。 DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。 1. RNA 聚合酶全酶 (2) 识别并结合启动子 ，形成闭合转录复合体 （ closed transcription comple）；
（一）转录前起始复合体的形成
真核生物转录起始也需要 RNA pol对起始点上游DNA序列进行辨认和结 合，生成转录前起始复合体（preinitiation complex, PIC）。 转录起始时，真核生物的RNA pol不直接识别和结合模板的起始区，而是 依靠转录因子识别并结合起始序列，故其起始复合体的装配过程比原核生 物复杂的多。 能直接、间接辨认和结合转录上游区段 DNA的蛋白质，现已发现数百种， 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 RNA 聚合酶的，则称为通用转录因子
合双链；
⑤ 模板DNA的双螺旋结构随着核心酶的移动发生解 链和再复合的动态变化。 转录空泡(transcription bubble)：
RNA-pol （核心酶） ···· DNA ···· RNA
转录过程中DNA的超螺旋结构变化
三、原核生物转录延长与蛋白质的翻译同时进行
5 3
DNA
RN A
不同RNA聚合酶使用不同类型的启动子
二、转录因子在真核生物转录起始中具有重 要作用
真核生物的基因转录过程，同样可以分为3个阶段：起始阶段（RNA pol和 通用转录因子形成转录起始复合体）、延长阶段和转录终止。 与原核生物的显著不同是，起始和延长过程都需要众多相关的蛋白质因子 参与，这些因子被称为转录因子（transcriptional factors, TF）或反式作 用因子（trans-acting factors）。
（二）RNA pol由多个亚基组成
大肠杆菌内有一些不同的RNA pol全酶， 其差异是σ亚基的不同。目前已发现多种 σ亚基，并用其分子量命名区别，最常见 的是σ70（分子量70 kDa）。σ70是辨认 典型转录起始点的蛋白质，大肠杆菌中的 绝大多数启动子可被含有σ70因子的全酶 所识别并激活。 但有些基因的启动子，如热激蛋白（ heat shock proteins, Hsp）也为另外的 σ亚基（σ32 ）识别。
第二节
原核生物的转录过程
原核生物转录过程和参与转录的物质
原核生物的转录过程可分为转录起始、转录延长和转录终止三个阶段。 参与转录的物质：
原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA 酶 : RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子及Mg2+和Mn2+等 合成方向5→3，核苷酸间的连接方式为 3，5-磷酸二酯键。
要因素。
第三节
真核生物RNA的合成
一、 真核生物至少有三种DNA依赖的RNA聚合酶
种类
转录产物
Ⅰ
rRNA的前体45S rRNA
Ⅱ
mRNA前体hnRNA, lncRNA, piRNA, miRNA 敏感
核内
Ⅲ
tRNA, 5S rRNA snRNA
对鹅膏蕈碱 的反应
细胞内定位
耐受
核仁
高浓度下敏感
核内
大肠杆菌的转录泡局部结构示意图
转录延长有以下特点
① 核心酶负责RNA链延长反应；
② RNA链从5-端向3 -端延长，新的核苷酸都是加 到3-OH上； ③对 DNA 模板链的阅读方向是 3- 端向 5- 端，合成 的RNA链与之呈反向互补，即酶是沿着模板链的 3向5方向或沿着编码链的5向3方向前进的； ④ 合成区域存在着动态变化的8 bp 的RNA-DNA杂
（general transcription factor）或基本转录因子（basal transcription
factor）。
参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ的作用
真核生物中不同的RNA pol需要不同的基本转录因子（TF）配合完成转录的起始和延长。相对应于RNA pol I、 RNA pol II、RNA pol III，这些TF分别称为TFI、TFII、TFIII。 转录因子 TFⅡD TFⅡA 功能 TBP亚基结合TATA盒 辅助TBP-DNA结合

第一节
原核生物转录的模板和酶

参与转录的物质：
原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP)
模板: DNA 酶 : RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子及Mg2+和Mn2+等
合成方向5→3，核苷酸间的连接方式为 3，5-磷酸二酯键。
真核生物RNA聚合酶的组成
RNA 聚合酶Ⅱ由 12 个亚基组成，其最大的亚基 称为RBP1。 RNA聚合酶Ⅱ最大亚基的羧基末端有一段共有序 列 (consensus sequence) 为 Tyr-Ser-Pro-ThrSer-Pro-Ser 的重复序列片段，称为羧基末端结 构域(carboxyl-terminal domain, CTD)。 CTD 对于维持细胞的活性是必需的。 RNA polⅡ是真核生物中最活跃、最重要的酶， 故本章叙述的真核生物的转录主要以RNA polⅡ 所催化的转录反应为例。