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二、RNA的生物合成（一）模板和酶（二）以DNA为模板合成RNA的过程（三）以RNA为模板合成RNA的过程（四）RNA的转录后加工（一）模板和酶1.转录模板2.RNA聚合酶3.酶与模板的辨认结合1.转录模板基因中双链DNA中仅有一股链被转录。把被转录的一股链称为模板链（templatestrand）或称反义链（anti-sensestrand），另一股链因与合成的RNA有相同的编码而称为编码链（codingstrand）或称有意义链（sensestrand）。生成的mRNA与模板链是互补的，与编码链完全相同，只是其中以U代替了T。DNARNA肽转录翻译GCAGUACAUGUC5'3'cgtcatgtacag5'3'GCAGTACATGTC5'3'NCAlaValHisVal3’5’1.RNA聚合酶（1）原核生物的RNA聚合酶（2）真核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶催化底物合成时形成磷酸二酯键。合成的方向是5’→3’：即RNA聚合酶是沿着模板链的3’→5’方向移动。RNA聚合酶需要的条件：（1）模板双链DNA或单链DNA均可作模板；（2）活化的底物需要4种三磷酸的核苷酸，ATP、GTP、UTP及CTP为反应底物；（3）二价金属离子主要是Mg2+和Mn2+。RNA聚合酶PPi由RNA聚合酶催化的链延长反应的机制RHOOHHHOH2C碱基HHOHOOHHHOH2C碱基HHOHOOHHH2C碱基HH-OPOOORDNA板链模DNA板链模O-OOOP--POOOOPO-OHOOHHHOH2C碱基HH（1）原核生物的RNA聚合酶大肠杆菌的RNA聚合酶（450Ku）它由4种，5个亚基组成。整个酶的亚基组成是α2ββ’σ，称为全酶。没有σ亚基的RNA聚合酶称为核心酶。全酶的作用是识别起始，而核心酶的作用是延长转录及辨认转录终止。各亚基的作用α亚基决定哪些基因被转录；β亚基与转录过程有关（催化）；β’亚基结合DNA模板（开链）；σ亚基辨认起始点，参与解开DNA双链，找到模板链。（2）真核生物的RNA聚合酶在真核生物中则有3种类型的RNA聚合酶。RNA聚合酶Ⅰ:定位核仁，转录18S、5.8S和28SrRNA。RNA聚合酶Ⅱ:定位核原生质，转录mRNA前体和hnRNA。RNA聚合酶Ⅲ:定位核原生质，转录tRNA和5SRNA。RNA聚合酶含有两个核苷酸结合位点起始部位结合底物ATP或GTP，所以被转录的模板DNA第一个碱基通常是TTP（胸腺嘧啶）。转录与复制不同，不需要引物，因而合成的RNA第一个核苷酸常常是5’pppA或5’pppG。延伸部位结合下一个核苷酸底物。酶与模板的辨认结合转录是不连续、分区段进行的。每一转录区段可视为一个转录单位，包括若干个结构基因及其上游（upstream）的调控序列。RNA聚合酶结合到特异DNA序列上（调控序列中，称为启动子，promoter）。转录起始时，RNA聚合酶结合在被转录的DNA区段上，结合的特定部位称为启动子（promoter）。它是20至200个碱基的特定顺序。通常将DNA上被转录的第一个碱基以十1代表；第二个为十2。十1之前的碱基为–1，第二个为-2，…。启动子的位置在被转录碱基之前所以顺序号均为负。习惯上也将+1以下的转录方向称“下游”，-1以上称“上游”，启动子在转录单位的上游区。启动子原核生物的启动子存在两个共同的顺序：-10顺序也称为Pribnow顺序（pribnowbox）,基本顺序：TATAATG。被看作是双螺旋打开,形成启动复合物的区域。-35顺序被认为是酶结合的起始部位。RNApoⅠ与–35区辨认结合后，酶向下游移动，到达–10区，酶已跨入了转录起始点，形成相对稳定的酶–DNA复合物，就可以开始转录。DNARNA产物PPP5'5'3'1+区-10区35-转录起始点基因转录区启动子无义链编码链()5'有义链模板链()3'TATAATTTGACA反义链（模板链）3’5’有意义链（编码链）5’3’A原核生物启动子模式图存在两个共同的顺序：-25区有TATA盒，又称为Hogness盒，基本上都由A、T碱基所组成，其功能与聚合酶的定位有关，DNA双链在此解开，并决定转录的起始位点。-75区有CAAT盒，其一致的序列为GGTCAATCT，CAAT盒与转录的起始频率有关。除启动子外，真核生物基因组中还有一个称为增强子（enhancer）的序列，它能极大地促进启动子的转录活性。真核生物的启动子DNA转录起始点启动子基因转录区5'3'区110~40--区-25真核生物启动子模式图Hogness①能在很远距离（大于几kb）对启动子产生影响；②无论位于启动子上游或下游都能发挥作用。增强子作用的主要特点（二）以DNA为模板合成RNA的过程1.原核生物的转录2.真核生物的转录（1）转录起始当RNA聚合酶的σ亚基找到其识别位点时，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。在这一区段，酶与模板的结合很松弛，酶随即移向-10区，并跨入了转录起始点，形成开放的启动子复合物。底物ATP或GTP与RNA聚合酶起始部位结合，延伸部位结合下一个核苷酸。生成第一个磷酸酯键之后，σ因子从全酶解离下来，核心酶在DNA链上向下游滑动，进入延长阶段。1.原核生物的转录（2）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聚合酶不同。转录的延长在“转录泡”上进行，转录泡（transcriptionbubble）是一个含有核心酶、DNA和新生RNA的区域，在这个区域里含有一段解链的DNA“泡”。在转录泡里，杂交链中生成的RNA3’-OH不断结合新进来的核糖核苷三磷酸，使链不断延长。转录示意图(1)恢复螺旋解螺旋转录示意图(2)编码链模板链转录时，DNA双链中约有17个bp被解开。原核生物延长速率大约是每秒钟50个核苷酸，转录泡移动170nm的距离。在“泡”里新合成的RNA与模板DNA链形成一杂交的双螺旋，此段双螺旋长约12bp。在RNA聚合酶沿着DNA模板移动的整个过程中形成的RNA-DNA杂交链的长度及DNA未解开的区域长度均保持不变。这表明：在RNA聚合酶后面的DNA重新形成螺旋的速率和前面螺旋被酶解开的速率是一样的。RNA聚合酶没有核酸外切酶活性，不能对进入RNA链的核苷酸进行校正，所以转录的错误频率是每104或105中有1个错误，是DNA复制中错误的105倍。这种准确性虽较DNA复制低，但由于RNA转录产物很多，极少数有缺陷的转录产物不会产生有害的影响。转录的错误频率说明在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行。在RNA链上观察到的小黑点是多聚核糖体，即一条mRNA链连上多个核糖体，可见转录尚未完成，翻译已在进行。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。在电子显微镜下观察原核生物的转录现象DNA双链正在生长的RNA链（3）转录终止RNA聚合酶，遇到DNA中的转录终止信号—终止子（terminator）时，RNA聚合酶不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来，就是转录终止。其一：是富含GC，转录产物极易形成二重对称性结构；其二：是紧接GC之后有一串A（大约6个）。因此，按此模板转录出来的RNA以几个U残基而结束，极易自身互补，形成发夹状结构。该结构可使RNA聚合酶减慢移动或暂停RNA的合成。原核生物模板终止子的显著特点模板链编码链A.B.2.真核生物的转录上游DNA序列，统称为顺式作用元件。能直接或间接辨认、结合转录上游区段DNA的蛋白质，统称为反式作用因子。转录因子真核生物转录往往需要多种蛋白因子的协助，这些蛋白因子统称为转录因子，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。（1）转录起始（2）转录终止目前，真核生物转录终止过程仍不清楚。转录示意图（1）转录泡恢复螺旋解螺旋转录示意图(2)编码链模板链（三）以RNA为模板合成RNA的过程在有些生物中，RNA可以是遗传信息的基本携带者，并能通过自我复制合成出与其自身相同的分子。如某些RNA病毒，（+链-链+链RNA复制产物，具有感染作用）正常兔的网织红细胞也存在一种RNA复制酶。（四）RNA的转录后加工1.mRNA的转录后加工2.tRNA的转录后加工3.rRNA的转录后加工4.核酶在一些病毒中存在基因重叠的现象。A基因BCDEJFGHK基因重叠真核生物许多基因是不连续的，或称断列基因（splitgene），即一个完整的基因被一个或多个插入的片段所间隔。这些插入片段可有几百乃至上千个碱基，它们不编码任何蛋白质分子或成熟的RNA。把这些插入而不编码的序列称为内含子（intron），而把被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子（extron）。不连续基因DNA的转录所转录的基因信息包括内含子和外显子部分。因而转录出来的所有RNA都必须经过加工，除去其中的内含子，并经复杂的修饰才能成为成熟的各种RNA，如其中的mRNA成熟后才能成为合成蛋白质的模板。1.mRNA的转录后加工（1）原核生物mRNA的转录后加工（2）真核生物mRNA的转录后加工原核生物的mRNA通常不用修饰，因生成的mRNA高度不稳定，当mRNA的3’末端合成尚未完成时，5’末端已经开始降解。就是说mRNA的转录和翻译是同步发生的，mRNA仅仅合成一部分时，翻译就开始了。（1）原核生物mRNA的转录后加工（2）真核生物的mRNA的转录后加工真核生物的mRNA的转录后，先加上“帽子”和接上“尾巴”，后除去内含子。真核生物mRNA前体物的剪切加工，包括内含子的剪除、留下的片段拼接为成熟mRNA等过程，故称为RNA剪接（RNAsplicing）。整个剪接过程完成后，5’端的“帽子”和3’端的“尾巴”并不丢失。套索结构5'5'3'5'3'外显子内含子外显子5'3'切开切开2'3'5'5'3'5'3'122外显子外显子1内含子左端切开形成套索结构A.内含子右端切开两外显子连接B.5'3'套索结构内含子去分支而成线状分子C.套索结构5'5'3'5'3'外显子内含子外显子5'3'切开切开2'3'5'5'3'5'3'122外显子外显子1内含子左端切开形成套索结构A.内含子右端切开两外显子连接B.5'3'套索结构内含子去分支而成线状分子C.真核生物mRNA前体的剪接过程2.tRNA的转录后加工（1）原核生物的tRNA转录后加工（2）真核生物的tRNA转录后加工原核生物tRNA的成熟过程较为复杂，包括切割与核苷酸的修饰。多数tRNA的前体约比成熟分子大20％，在5’和3’端都含有多余的顺序。有些tRNA基因的转录前体很大，它包含两个或更多的由内含子分隔的tRNA顺序。有些tRNA前体在3’端没有CCA基，在成熟过程中需要加一个CCA（氨基酸结合部位）。所有tRNA分子中都含有百分率很高的所谓“稀有碱基”，这些稀有碱基的形成是在转录后与切割同时完成的。（1）原核生物的tRNA转录后加工（2）真核生物的tRNA转录后加工3.rRNA的转录后加工（1）原核生物的rRNA转录后加工（2）真核生物的rRNA转录后加工大肠杆菌的rRNA是由3种rRNA丛集在一起形成一个转录单位，彼此由间隙区（内含子）分隔开来。现在证明，在间隙区中还存在着tRNA。这些rRNA和tRNA基因同时转录，形成一个长的RNA分子。在原核生物中，加工修饰与转录是同时进行的，因此在细胞内从来不存在完整的前体分子。（1）原核生物的rRNA转录后加工原核rRNA前体的加工甲基化6500个核苷酸核酸内切酶RNaseⅢ、P核酸外切酶在典型的动物细胞，核仁之中有一段几百个拷贝的DNA顺序（核糖体DNA或rDNA）编码18s、5.8s和28srRNA分子。5srRNA基因位于核仁之外，处在另一个转录单位中，基因长24000个拷贝。所有的rRNA转录物都需要加工，过程与原核相似，即剪切5’和3’末端和切除转录物中不需要的区域。（2）真核生物的rRNA转录后加工真核rRNA前体的加工4.核酶概念把有酶促活性的RNA命名为核酶（ribozyme）。发现1982年塞克（T．Cech）及其同