第十三章 RNA 生物合成和加工

• 本章重点讨论 RNA 的生物合成， 对 RNA

的合成后加工和 RNA 的复制作一般介绍

目录

思考

第一节 第一节 DNA指导下RNA的合成（转录）

第二节 第二节 RNARNA 转录后加工转录后加工

第三节 第三节 RNARNA 指导下指导下 RNARNA 的合成的合成 (RNA(RNA 的复制的复制 ))

第四节 核酸生物合成的抑制剂第四节 核酸生物合成的抑制剂

遗传信息传递的 中心法则

蛋白质翻译

转录逆转录

复制

复制

DNA

RNA

生物的遗传信息以密码的形式储存在 DNA 分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过 DNA 复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给 RNA ，再由 RNA 通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些 RNA 病毒能以自己的 RNA 为模板复制出新的病毒 RNA ，还有一些 RNA 病毒能以其 RNA 为模板合成 DNA，称为逆转录这是中心法则的补充。

中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。

第一节 第一节 DNADNA 指导下指导下 RNARNA 的合成的合成

一、转录的概念

二、 RNA聚合酶及催化反应

三、 RNA合成过程

四、启动子和转录因子

五、终止子和终止因子

转录的概念和 DNA 的有义链和反义链

转录是在 转录是在 DNADNA 的指导下的的指导下的 RNARNA 聚合酶的催聚合酶的催化下，按照硷基配对的原则，以四种核苷酸为原化下，按照硷基配对的原则，以四种核苷酸为原料合成一条与模板料合成一条与模板 DNADNA 互补的互补的 RNARNA 的过程。的过程。 RNARNA

的转录从的转录从 DNADNA 模板的特定位点开始，并在一定的模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。位点终止。此转录区域为一个转录单位。

启动子（ promoter)

终止子 (terminator)

模板链（ templatte strand） 反意义链 (antisense strand)

有意义链 (sense strand)非信息区

DNADNA

5´

5´3´

3´

大肠杆菌 RNA 聚合酶的结构示意图

核心酶 (α2ββ)

起始因子

β—— 和模板 DNA 结合β—— 起始和催化聚合反应α—— ？

全酶 (αββ )

RNA 聚合酶催化的反应

A

C

G

A

C

G

U

U

模板 DNA

5´

3´5´

3´

新合成 RNA

RNA 合成过程起始

双链 DNA 局部解

开

磷酸二酯键形成

终止阶段

解链区到达基因终点

延长阶段

5 3

RNA

启动子（ promoter)

终止子 (terminator)

5

RNA 聚合酶

5

35

3

5

53

离开

RNA 链的延伸图解

3´

5´

RNA-DNA 杂交螺旋

聚合酶的移动方向新生 RN

A

复链 解链

有义链模板链（反义链）

延长部位

真核生物和原核生物转录的差别

DNA

核

核糖体

新生蛋白质 真核生物原核生物

mRNA 前体

转运

加工 mRNA

mRNA

真核生物中转录与复制在不同的区域

RNA 聚合酶不相同

启动子不同

转录后 RNA 加工修饰不同

四、启动子和转录因子

启动子启动子 ( promoter)( promoter) 是指是指 RNARNA 聚合酶识别、聚合酶识别、结合和开始转录的一段结合和开始转录的一段 DNADNA 序列。 序列。 RNARNA 聚合聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）称为转酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）称为转录因子录因子 (transcriptional factor)(transcriptional factor) 。。

利用利用足迹法(footprint)(footprint) 和和 DNADNA 测序法可测序法可

以确定启动子的序列结构。以确定启动子的序列结构。

例：例：大肠杆菌启动子共有序列的功能

足迹法确定启动子序列

大肠杆菌启动子共有序列的功能

××

A

G

T

C

TTGACA× × ×× × × ××××××××××××AAT× × ××××××××××××TTA

AAT××××××

AACTGT× × ××AAT××××××

××

×××××××

×

Pribnow框

-10-35

识别区 16-19bp 5-9bp

起点

五、终止子和终止因子

提供转录停止信号的提供转录停止信号的 DNADNA 序列称为终序列称为终止子止子 ( termter)( termter) 。协助。协助 RNARNA 聚合酶识别终止信号的聚合酶识别终止信号的辅助因子（蛋白质）则称为终止因子 辅助因子（蛋白质）则称为终止因子 (termination f(termination f

actor)actor) 。有的终止信号的作用可被特异的因子所阻止，。有的终止信号的作用可被特异的因子所阻止，使使 RNARNA 聚合酶得以越过终止子继续转录，这称为通聚合酶得以越过终止子继续转录，这称为通读读 (readthrough)(readthrough) ，这类引起抗终止作用的蛋白质称，这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子为抗终止因子 (antitermination)(antitermination) 。。

例：大肠杆菌的例：大肠杆菌的两种终止因子

大肠杆菌两类终止子的回文结构

A. 不依赖于 Rho （）的终止子

A. 依赖于 Rho （）的终止子

富含G-C

系列 U

第二节 第二节 RNARNA 转录后的加工转录后的加工

一、 RNA 的加工

二、 RNA的拼接、编辑和再编码

三、 RNA生物功能的多样性

四、 RNA的降解

原核生物中原核生物中 rrRNARNA 前体的加工前体的加工

甲基化作用专一核酸外切酶

30S 前体

17S

tRNA

25S

专一核酸外切酶

16S rRNA tRNA 23S rRNA 5S rRNA

专一核酸外切酶

真核生物 rRNA 的转录后加工

转录45S - rRNA

剪接

18S - rRNA 5.8S 和 28S-rRNA

rRNA

内含子 内含子 28S5.8S18S

tRNAtRNA 前体分子的加工前体分子的加工a 、切除 tRNA 前体两端多余的序列： 5’—端切除几到 10个核苷酸。

b 、末端添加： 3’- 端添加 CCA 序列。

c 、修饰：形成稀有碱基如 DH2 。

RNAaseP RNAaseF RNAasePRNAaseF

RNAaseDRNAaseD

ACC

表示核酸内切酶的作用

表示核苷酸转移酶的作用

表示核酸外切酶的作用

表示异构化酶的作用

早转录本成熟 tRNA

加工

酵母酪氨酸 tRNA 前体的加工

真核细胞 mRNA 的加工

5´ “ 帽子”

PolyA 3´

顺反子 (cistron )

m7G-5´ppp-N-3 ´ p

AAAAAAA-OH

5′ 端接上一个“帽子” (CAP) 结构

3′ 端添加 PolyA“尾巴” ,由 RNA末端核苷酸转移酶

催化

剪接：剪去内含子 (intron) ，拼接外显子 (extron)

真核 mRNA 3’ 端多聚化

转录时 3’ 端多聚腺苷酸的添加

mRNA 的剪接—— 除去 hnRNA 中的内含子，将外显子连接。•snRNP 与 hnRNA 结合成为并接体

①

5 pppGp…

5 GpppGp…

pppG

ppi

鸟苷酸转移酶

5 m7GpppGp…

甲基转移酶SAM

帽子结构的生成

5 ppGp…磷酸酶

Pi

二、 RNA 的拼接、编辑和再编码 大多数的真核基因都是断裂基因，断裂基因的转录产物产物需要通过拼接，去除插入部分（即内含子， intron），使编码区（即外含子， Exon）成为连续序列，这是基因表达的一个重要环节。 RNA编码序列的改变称为编辑（ editing）， RNA编码和读码方式的改变称为再编码（ recoding）。由于存在选择性的拼接、编辑和再编码，一个基因可以产生多种蛋白质。

1 、 RNA 的拼接2 、 RNA 的编辑3 、 RNA 的再编码

RNA 的拼接方式 类型自我拼接

类型自我拼接

核 mRNA 的拼接体的拼接

核 mRNA的酶促拼接

RNA编辑的不同类型和分布 编辑类型 机制 存在

U的插入与删除 gRNA 的转酯反应 锥虫线粒体 mRNAC、 A或U的插入 多头绒孢菌线粒体的 mRNA 和 tRNAG的插入 RNA 聚合酶重复转录 副粘病毒的 P基因C转变为 U 酶促脱氢 哺乳类肠的 apoPtRNAC转变为 U或U转变为 C 脱氢或氨基化 植物线粒体 mRNA 和 tRNA 牛心线粒体 tRNAA 转变为 I 脱氨 脑谷氨酸受体亚基 mRNA

RNA编辑的生物学意义

消除移 码突变等基因突变的危害 增加了基因产物的多样性 与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式

RNA 的再编码 过去一直以为编码在 mRNA 上的遗传信息是以固定的方式进行译码的，然而并不尽然。日益积累的事实表明，在某些情况下可以用不同的方式译码，也就是说改变了原来编码的含义，称为再编码（ recoding）。 在正常情况下 ,mRNA 的三联体密码子可以被 tRNA 的反密码子所识别， mRNA携带的遗传信息得以正确翻译。但是基因的错义、无义和移码突变，改变了编码信息，使基因活性降低或失活。校正 tRNA 通常是一些变异的 tRNA ，它们或是反密码子环碱基发生改变，或是决定 tRNA 特异性即个性的碱基发生改变，从而改变了译码规则，故而使错误的编码信息受到校正。这是 RNA 再编码的一种重要方式。校正 tRNA 在错义或无义突变的位置上引入一个与原来氨基酸相同或性质相近的氨基酸，因而恢复或部分恢复基因编码蛋白质的活性，并通过阅读一个二联体（ doublet）密码子或四联体（ quadruplet）密码子而消除 -1移码或 +1移码的效应。有时 rRNA 的突变也有助于消除移码突变的影响。

三、 RNA 生物功能的多样性1、 RNA 在遗传信息的翻译中起着决定作用。

2 、 RNA具有重要的催化功能和其他持家功能。

3、 RNA 转录后加工和修饰依赖于各类小 RNA 和

其他蛋白质复合物。

4、 RNA 对基因表达和细胞功能具有重要调节作用

。

5 、 RNA 在生物进化中起重要作用。

四、 RNA 的降解 RNA 降解是涉及到基因表达的一个重要环节， rRNA和 tRNA 是稳定的 RNA ，其更新率低； mRNA 是不稳定的 RNA ，其更新率非常高。因为 mRNA 于其编码基因的表达活性直接有关，不同的 RNA 需要以不同的速度进行降解。脊椎动物细胞 mRNA 的平均半衰期约为 3h, 细胞每一世代中各类 mRNA 约周转 10次。细菌 mRNA 的半衰期大约只有 1.5min ，以适应快速生长和对环境作出快速反应的要求。 所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解 RNA。真核生物 mRNA 降解的主要途径首先是 poly(A) 尾巴的缩短，去腺苷酸化能诱发脱去 5 端帽子结构，然后由 5 3 方向和 3 5 方向降解 mRNA 。

噬菌体 Q 的合成

A. 负链的合成

B. 正链的合成

病毒的正链

复制中间体

复制中间体

新合成的正链

新合成的负链

负链

第四节 核酸合成的抑制剂 核苷酸合成抑制剂氨基酸类似物 叶酸类似物 碱基和核苷酸类似物

烷化剂放腺菌素嵌合剂

与 DNA 模板结合的抑制剂

作用于 DNA 聚合酶或 RNA 集合酶的抑制剂 抗菌素 : 如利福平、曲张霉素

肽类化合物： - 鹅膏蕈碱

DNA 和 RNA 合成的比较

问答题

1 、比较 DNA 复制与 RNA 转录的异同。

2 、比较 DNA 聚合酶与 RNA 聚合酶催化作用的异同。

3 、 DNA 复制的高度准确性是通过什么来实现的？

4 、肽链合成后的加工处理主要有哪些方式？

5 、何谓基因工程？简述其基本理论、基本过程及应用价值

名词解释

中心法则　 半保留复制　 转录　 反转录　　翻译　

有意义链　　反意义链　　内含子　　外显子　

冈崎片段 突变