转录 RNA的生物合成

本章的重点:

转录反应系统，RNA聚合酶的特性在原核生物和真核生物中，RNA的转录过程大致可以分为三个阶段:起始、延伸和终止。真核RNA的转录后加工包括各种RNA前体的加工。

本章的难点:

命名了转录模板的不对称性、原核生物和真核生物的转录起始、真核生物的转录终止、mRNA前体的剪接机制、ⅰ类、ⅱ类和ⅳ类内含子的剪接过程、四膜虫rRNA前体的加工以及核酶的作用机制。

一、模板和酶

要点:

1.模板RNA的转录和合成需要DNA作为模板，只有一条DNA双链作为模板。指导RNA合成的一条DNA链称为模板链，与之相对的另一条链称为编码链。不对称转录有两层含义:第一，只有DNA链的某些片段作为转录模板；其次，模板链并不总是位于DNA的同一单链上。

2.RNA聚合酶转录需要RNA聚合酶。原核生物中的RNA聚合酶由几个亚基组成:α2ββ’称为核酸酶，转录延伸只需要核酸酶。α2ββ’σ称为全酶，在转录起始前需要σ亚基识别起点，因此全酶是转录起始所必需的。真核生物中有三种RNA聚合酶:RNA-polⅰⅰ、ⅱ和ⅲ，它们分别转录45s-rRNA。mRNA以及5s-rRNA、snRNA和tRNA。

3.模板和酶的识别和结合:转录模板上有被RNA聚合酶识别和结合的位点。转录起始前由RNA聚合酶结合的DNA位点称为启动子。典型的原核生物启动子序列是TTGACA序列in -35区和Pribnow盒in -10区，即TATAAT序列。真核生物中的转录上游调控序列统称为顺式作用元件，主要包括TATA盒、CG盒、上游激活序列、增强子等。与顺式作用元件结合的蛋白质可以调节转录，称为反式作用因子。现已发现数百种反式作用因子，可归类为转录因子。TF ⅰ、TF ⅱ和TF ⅲ对应RNA-polⅰ、ⅱ和ⅲ。Tf ⅱ有a、b、c、d、e和F的许多种类和子类..

基本概念:

1.不对称转录:有两层含义，一是只用双链DNA的一条单链作为转录模板；第二，不同基因的同一单链上的一些片段被用作模板链，而其他片段被用作编码链，即模板链不总是在同一单链上。

2.未用作转录模板的编码链NA双链的单链之所以命名，是因为其碱基序列与转录产物的mRNA序列相同，只是T取代了U..

3.σ因子:原核RNA聚合酶全酶的组成部分，功能是识别转录起始区。这个σ因子叫σ70，还有其他不同分子量、不同功能的σ因子。

基本要求:掌握转录与复制的区别，转录的不对称性，原核生物中RNA聚合酶的组成及各亚基的功能，真核生物中RNA聚合酶的分类、性质和功能，原核启动子的结构特征，真核生物中RNA聚合酶的组成，研究转录起始区的方法。

二.转录过程

1.转录起始:转录的起始是在转录的5’端产生由RNA聚合酶、模板和第一个核苷酸组成的初始复合物。原核RN的5’端是嘌呤核苷酸，保留了核苷三磷酸的结构，因此它的初始复合物是pppG-DNA-RNA5聚合酶。

真核生物启动并形成启动前复合物。比如RNA-pol-ⅱ转录被各种TF ⅱ识别结合，然后与RNA聚合酶结合，再通过TF与TATA盒结合。

2.转录延长:转录延长是通过逐一添加NTP，使RNA从5’端向3’端逐渐生长的过程。在原核生物中，由于没有细胞膜分离，在转录完成前就开始翻译，在同一DNA模板上同时进行多个转录过程。电子显微镜下看到的羽毛样图形和羽毛上的小黑点是转录和翻译效率高的直观表现。

3.转录终止:转录终止在原核生物中可分为Rho依赖因子和Rho非依赖因子。Rho因子具有ATPase和解旋酶活性，因此可以结合到转录产物的3’末端区域，停止转录并从DNA模板中释放RNA。与Rho因子转录终止无关，RNA产物的3’端往往形成一个茎环，其后是一系列寡聚U，茎环可以使因子聚合酶变构而不前移，而寡聚U则有利于RNA从DNA模板链上脱离。因此，无论哪种转录终止，都有两个必要的过程:RNA聚合酶停顿和RNA产物脱离。真核生物中的转录终止与尾部修饰同步。RNA上的加尾修饰点以AAUAA序列为特征。

基本概念:

1.转录前复合物:在转录起始前，真核转录因子和RNA聚合酶与DNA区域结合形成的复合物。

2.加尾修饰点:真核mRNA的转录不是在mRNA的位置终止，而是在几百个核苷酸之后。发现在编码链阅读框的3’端后面往往有一组共同的序列AATAAA，下游有相当多的GC序列。这些序列被称为加尾修改点。转录通过修饰点后，在修饰点切断mRNA，然后加入polyA。

3.Rho因子:是原核生物的转录终止因子，具有ATPase和解旋酶活性。转录终止也可能独立于Rho因子。

基本要求:

掌握原核生物转录起始复合物的形成过程，真核生物转录起始和预起始复合物的形成，TF ⅱ在RNA聚合酶ⅱ催化的转录起始过程中的作用，转录延伸过程中的化学反应，原核生物转录终止的两种形式以及真核生物转录终止的修饰点。了解原核生物中RNA聚合酶的各种亚基与真核生物中各种转录因子的关系，即拼版理论、原核生物转录空小泡的形成和转录产物的释放过程。

三.真核核糖核酸的转录后加工

1.mrna的转录后加工

真核生物转录的RNA通常需要经过加工才能具有活性。这个过程被称为转录后修饰。mRNA的转录后修饰包括头尾修饰和剪接。拖尾修饰与转录终止同步，5’-末端修饰主要指帽子结构的形成，即5’-pppG转化为5’-pmGpppG。这个过程需要磷酸化、磷酸化和碱基甲基化。该基因由辣根过氧化物酶处理。真核基因是断裂的基因，它通过内含子切断编码序列的外显子。内含子也通常出现在hRNA中，hRNA是主要的转录产物。切断内含子和连接外显子是剪接过程。在电子显微镜下观察加工过程时，内含子往往弯曲成索状，因此被称为套索RNA。现在已知在剪接加工中，需要由各种锡-核糖核酸和蛋白质组成的缀合物。缀合物识别hnRNA上的内含子边界序列并与之结合。在剪接过程中，含有鸟苷酸的酶提供3’-羟基亲电攻击内含子5’-末端的磷酸二酯键，使其断裂。断裂的外显子3'-OH对内含子3'-端的磷酸二酯键进行亲电攻击，使新断裂的外显子完全取代内含子，两个外显子相连，因此这一过程称为二次酯交换。

2.2.tRNA的转录后加工

tRNA的转录后修饰包括tRNA链中稀有碱基的形成和3’端CCA序列的添加。

3.3.rRNA的转录后加工

RRNA处理大多是以自拼接的形式。自身剪接的RNA形成一种特殊的二级结构，称为锤头结构。锤头结构指的是复合茎环组成，但有些序列必须被特定的碱基占据。这种核糖核酸结构可以水解核糖核酸链上特定位置的磷酸二酯键，而不需要任何蛋白质。也就是说，它是一种催化RNA，现在叫核酶。核酶的发现是酶学、分子生物学和进化生物学的重要理论更新。而且，医学已经开始使用人工设计的核酶来清除一些作为病原体的RNA病毒，或者清除一些不利于生命活动的细胞内RNA。

基本概念:

1.剪接修饰:RNA转录初级产物中含有非编码成分，通过剪接去除非编码成分，连接编码成分。最常见的剪接修饰是由多联体辅助的二次酯交换反应。此外，还有自剪接、需要酶的剪接等剪接方法。

2.外显子:定义为可以在断裂基因及其初级转录产物上表达的序列。或者通过剪接保留在成熟RNA中的转录初级产物上的核苷酸序列，或者与基因中成熟RNA对应的DNA序列。

3.内含子:早期定义为核酸上的非编码序列。随着内含子功能的拓宽，建议使用“在基因中转录初级产物或与该RNA序列对应的DNA序列上通过剪接去除的RNA序列”。

4.缀合物:由snRNA和蛋白质组成的RNA蛋白质复合物。它的功能是结合内含子两端的边界序列来辅助RNA剪接。

5.核酶:具有催化功能的RNA分子。核酶能起作用的结构包含至少3个茎，1到3个环和至少13个一致的碱基位点。

基本要求:

掌握真核基因转录后5’端的封闭；mRNA链的3’端尾添加和剪接修饰，tRNA和rRNA的转录后加工，对内含子其他剪接方式和功能的理解，核酶的应用。