第十章 RNA的生物合成(轉(zhuǎn)錄)

第一節(jié)轉(zhuǎn)錄

一、轉(zhuǎn)錄的概念和特點(diǎn)

轉(zhuǎn)錄（transcription）是DNA指導(dǎo)下的RNA合成過程，即DNA模扳的堿基序轉(zhuǎn)抄成RNA的堿基序列。轉(zhuǎn)錄和復(fù)制有許多相似之處：都是酶促的核苷酸聚合過程；都以DNA為模板；都需依賴DNA的聚合酶；都按模板鏈的堿基配對原則和5′→ 3′方向在核苷酸之間生成磷酸二酯鍵，且延伸新鏈。不同的是：

1.不對稱轉(zhuǎn)錄

轉(zhuǎn)錄不像復(fù)制要保留細(xì)胞的全部遺傳信息，而是在細(xì)胞不同的發(fā)育時(shí)序，按生存條件和生理需要，部分遺傳信息（結(jié)構(gòu)基因）的表達(dá)。所以轉(zhuǎn)錄對基因組龐大的DNA鏈有選擇性，這種選擇是不對稱的（asymmetric）。

2.RNA聚合酶（又稱DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶，DDRP）

該酶廣泛存在于原核生物和真核生物中，以4種NTP為底物，無需引物，直接在模板上合成RNA鏈。

二、轉(zhuǎn)錄過程

轉(zhuǎn)錄是包括起始—延伸—終止的連續(xù)過程。原核生物的轉(zhuǎn)錄和真核生物的轉(zhuǎn)錄在起始和終止上有較多的不同。

（一）啟動(dòng)子和起始

啟動(dòng)子（promoter）是指RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并開始轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。

原核生物RNA聚合酶作用的區(qū)域?yàn)椋?0~+20。

在轉(zhuǎn)錄起始階段，RNA聚合酶識(shí)別將拷貝的基因的上游DNA（即啟動(dòng)子），局部解開雙鏈（特別是TATA box處，約17個(gè)bp），當(dāng)酶移至轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（+1處），催化按模板鏈堿基序依次排列的頭兩個(gè)三磷酸核苷聚合，生成RNA鏈的第一個(gè)3′，5′-磷酸二酯鍵，第一個(gè)核苷酸一定是三磷酸嘌呤核苷酸，而且pppG較pppA又占絕對優(yōu)勢，5′-端的pppG這一末端結(jié)構(gòu)一旦生成，一直保持到轉(zhuǎn)錄完成。

（二）延伸

（三）終止子和終止

（四）真核生物中的基因轉(zhuǎn)錄

1.真核生物基因組構(gòu)復(fù)雜，大部分蛋白質(zhì)編碼基因是不連續(xù)的，編碼序列（稱外顯子exon）被非編碼序列（內(nèi)含子intron）中斷。

2.不同的物種、不同細(xì)胞或不同的基因可以有不同的上游DNA序列，統(tǒng)稱為順式作用元件（cis-acting element），DDRPⅡ識(shí)別的大部分啟動(dòng)子在–25bp處有一個(gè)TATAbox（赫哥尼斯盒）。能直接或間接辯認(rèn)、結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段的蛋白質(zhì)統(tǒng)稱反式作用因子（trans-acting factor），直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子（transcriptional factor，TF）。

3.轉(zhuǎn)錄起始，需要幾個(gè)TFⅡ先后與啟動(dòng)子裝配成復(fù)合物，進(jìn)而協(xié)助DDRPⅡ結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。

4.DDRPⅡ不在特定的位點(diǎn)終止，會(huì)在基因下游不同距離處終止，和轉(zhuǎn)錄后加工有關(guān)。由DDRPⅡ從蛋白質(zhì)編碼基因上合成的RNA分子稱原始轉(zhuǎn)錄物（或稱RNA前體）。

（五）轉(zhuǎn)錄過程的抑制劑

轉(zhuǎn)錄過程的選擇性抑制可通過與DNA結(jié)合改變模板功能或抑制RNA聚合酶的活性阻止RNA的合成。前者有放線菌素D，對原核和真核均有專一抑制作用；后者有利福平、α-鵝膏蕈堿等。利福平僅阻止原核RNA的合成，α-鵝膏蕈堿則是真核細(xì)胞中RNA合成的專一抑制劑，通過DDRPⅡ阻止mRNA的合成。

第二節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工

一、mRNA加工

原核細(xì)胞合成的mRNA不需要或很少需要加工，許多mRNA甚至在合成前就開始翻譯。

真核細(xì)胞mRNA的前體是hnRNA（不均一核RNA），hnRNA分子量大，半衰期很短，其加工過程比較復(fù)雜，包括5′- 端加帽、3′- 端加尾和中段序列的剪接，一般在核內(nèi)進(jìn)行。

1. 帽結(jié)構(gòu)

hnRNA合成一結(jié)束，5′-端就被加上一個(gè)甲基化的鳥嘌呤帽（capO），帽子結(jié)構(gòu)是5′m7GpppGp。形成過程是磷酸酶將其末端磷酸基除去，和GTP作用形成5′5′三磷酸鍵，接著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鳥嘌呤上形成capO。甲基可以加到G后面的第一個(gè)核苷酸的核糖上形成cap1或加到G后面兩個(gè)核苷酸上形成cap2。該結(jié)構(gòu)的功能可能對mRNA的穩(wěn)定和它在翻譯中起識(shí)別作用有關(guān)。

2. 3′端加尾

帽化后的hnRNA由核酸內(nèi)切酶切去3′端一些過剩的核苷酸，3′端切除信號(hào)在高等真核細(xì)胞是靠近3′端區(qū)有一段保守序列AAUAAA，也是多聚腺苷酸化的信號(hào)，多聚腺苷酸聚合酶再以ATP為底物催化形成polyA尾（約100~200個(gè)）。polyA尾的功能是保護(hù)最終的mRNA3′端免受核酸酶的降解而穩(wěn)定mRNA。

3. RNA剪接（RNAsplicing）

剪接在加帽加尾后進(jìn)行。由核酸內(nèi)切酶把內(nèi)含子和外顯子連接的磷酸二酯鍵水解，去除內(nèi)含子，把相鄰?fù)怙@子的末端連接生成功能性mRNA。不同的剪接途徑允許由單個(gè)基因合成幾種不同的蛋白質(zhì)。

內(nèi)含子5′剪切位點(diǎn)總是以GU開始，3′剪切位點(diǎn)以AG結(jié)束且上游有一個(gè)含A的分支點(diǎn)和保守的嘧啶序。

成熟的mRNA通過核膜孔轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。

二、tRNA加工

原核和真核細(xì)胞tRNA的基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為tRNA前體，通過加工形成成熟的tRNA，各種tRNA的前體結(jié)構(gòu)和加工方式不盡相同，一般加工過程包括：

1. 核酸內(nèi)切酶切斷tRNA兩端

2. 核酸外切酶（RNaseD）從3′端逐個(gè)切除附加序列

3. 3′端加CCA-OH結(jié)構(gòu)，催化反應(yīng)的酶是tRNA核苷酰轉(zhuǎn)移酶（有些細(xì)菌tRNA不需要這種加工）。

4. 修飾堿基的形成，由特異性的tRNA修飾酶作用形成甲基化堿基、二氫尿嘧啶等。

三、rRNA的加工

大部分真核生物，包括人類，有大于100個(gè)拷貝的rRNA基因，18S、5.8S 、28SrRNA基因特征性地成蔟分布并串聯(lián)重復(fù)，RNA聚合酶Ⅰ轉(zhuǎn)錄rRNA基因，每轉(zhuǎn)錄一次包含18S、5.8S 、28S 的基因即產(chǎn)生一個(gè)45S rRNA前體。然后在核仁中進(jìn)行加工。加工需要核仁小RNA（snoRNA），還涉及前體中18S和28S rRNA區(qū)域的大量甲基化。核仁小RNA與一些特異蛋白質(zhì)偶聯(lián)構(gòu)成核仁小核糖核蛋白（snoRNP），以類似snRNP介導(dǎo)的mRNA剪接相似的方式進(jìn)行加工。5S rRNA基因拷貝存在與以上基因不同的位點(diǎn)，由RNA聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)移到核仁中不再加工且裝配到核糖體。

核酶作用的特點(diǎn)：催化自身的RNA或異體RNA；催化效率較酶蛋白低；有一定的特異性；必須有Mg2+的存在。核酶的作用方式為剪切（相當(dāng)核酸內(nèi)切酶的作用）或剪接（相當(dāng)核酸內(nèi)切酶和連接酶的作用）。