第十一章 RNA的生物合成

　　RNA的生物合成包括转录和RNA的复制。

　　转录(transcription)：以一段DNA的遗传信息为模板，在RNA聚合酶作用下，合成出对应的RNA的过程，或在DNA指导下合成RNA。

　　转录产物：mRNA 、rRNA、 tRNA、小RNA

　　除某些病毒基因组RNA外，绝大多数RNA分子都来自DNA转录的产物。

　　转录研究的主要问题：

　　①RNA聚合酶 ②转录过程 ③转录后加工 ④转录的调控

　　①~③是基本内容，④是目前研究的焦点，转录调控是基因调控的核心。

　　转录与DNA复制的异同：

　　相同：要有模板，新链延伸方向5’→3’，碱基的加入严格遵循碱基配对原则。

　　相异：①复制需要引物，转录不需引物。

　　②转录时，模板DNA的信息全保留，复制时模板信息是半保留。

　　③转录时，RNA聚合酶只有5’→3’聚合作用，无5’→3’及3’→5’外切活性。

　　转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。

　　基因表达的终产物：①RNA ②蛋白质

　　转录过程涉及两个方面

　　①RNA合成的酶学过程

　　②RNA合成的起始信号和终止信号，即DNA分子上的特定序列。

　　DNA正链：与mRNA序列相同的DNA链。

　　负链：与正链互补的DNA链。

　　转录单位的起点核苷酸为+1，起点右边为下游(转录区)，转录起点左侧为上游，用负数表示：-1，-2，-3。

　　DNA指导的RNA合成(转录)

　　RNA链的转录，起始于DNA模板的一个特定位点，并在另一位点终止，此转录区域称为一个转录单位。一个转录单位可以是一个基因(真核)，也可以是多个基因(原核)。

　　基因的转录是有选择性的，细胞不同生长发育阶段和细胞环境条件的改变，将转录不同的基因。

　　转录的起始由DNA上的启动子区控制，转录的终止由DNA上的终止子控制，转录是通过DNA指导的RNA聚合酶来实现的。

　　一、 RNA聚合酶

　　RNA合成的基本特征

　　①底物：NTP(ATP、GTP、CTP、UTP)

　　②RNA链生长方向：5’→3’

　　③不需引物

　　④需DNA模板

　　反应：

　　1、 E.coli RNA聚合酶(原核生物)

　　E.coli和其它原核细胞一样，只有一种RNA聚合酶，合成各种RNA(mRNA、tRNA、rRNA)。

　　一个E.coli细胞中约有7000个RNA聚合酶分子，在任一时刻，大部分聚合酶(5000左右)正在参与RNA的合成，具体数量依生长条件而定。

　　E.coli RNA聚合酶全酶|(holoenzyme)分子量46万Da，由六个亚基组成，α2ββ’ σω，另有两个Zn2+。

　　无σ亚基的酶叫核心酶，核心酶只能使已开始合成的RNA链延长，而不具备起始合成活性，加入σ亚基后，全酶才具有起始合成RNA的能力，因此，σ亚基称为起始因子。

　　E.coli RNA聚合酶各亚基的大小与功能：

　　亚基 亚基数 分子量(KD) 基因 功能

　　β’ 1 160 rpoC 模板DNA结合

　　β 1 150 rpoB 与核苷酸结合，起始和催化部位。

　　σ 1 70 rpoD 起始识别因子

　　α 2 37 rpoA 与DNA上启动子结合

　　ω 1 不详

　　不同的细菌，β’、β、α亚基分子量变化不大，σ亚基分子量变化较大，44KD~92KD。

　　σ亚基的功能：核心酶在DNA上滑动，σ亚基能增加酶与DNA启动子的结合常数，增加停留时间，使聚合酶迅速找到启动子并与之结合，σ亚基本身无催化活性。

　　不同的σ因子识别不同的启动子，从而表达不同的基因。

　　不同的原核生物，都具有相同的核心酶，但σ亚基有所差别，这决定了原核基因表达的选择性。

　　RNA聚合酶的催化活性：RNA聚合酶以完整的双链DNA为模板，转录时DNA的双链结构部分解开，转录后DNA仍然保持双链的结构。

　　核心酶覆盖60bp的DNA区域，其中解链部分17bp左右，RNA-DNA杂合链约12bp。

　　纯的RNA聚合酶，在离体条件下可转录双链DNA，但在体内，DNA的两条链中只有一条可用于转录，这可能是由于RNA聚合酶在分离时丢失了σ亚基引起的。

　　解旋和重新螺旋化也是RNA聚合酶的内在特性，在酶的前端解螺旋，在后端以相反方向重新螺旋化，活体状况中，可能还有其它酶活性来帮助调整DNA的拓扑学性质。

　　37℃时，RNA聚合酶的聚合速度可达40~100个核苷酸/秒

　　2、 真核生物RNA聚合酶

　　真核生物的转录机制要复杂得多，有三种细胞核内的RNA聚合酶：RNA聚合酶I转录rRNA，RNA聚合酶II转录mRNA，RNA聚合酶III转录tRNA和其它小分子RNA。这三种RNA聚合酶分子量都在50万左右，亚基数分别为6-15。

　　动物、植物、昆虫等不同来源的细胞，RNApolⅡ的活性都可被低浓度的α-鹅膏蕈碱抑制，而RNApolⅠ不受抑制。

　　动物RNApolⅢ受高浓度的α-鹅膏蕈碱抑制，而酵母、昆虫的RNApolⅢ不受抑制。

　　除了细胞核RNA聚合酶外，还分离到线粒体和叶绿体RNA聚合酶，它们的结构简单，能转录所有种类的RNA，类似于细菌RNA聚合酶。

　　3、 噬菌体T3和T7编码的RNA聚合酶

　　仅为一条分子量11KD的多肽链，这些聚合酶只需要识别噬菌体DNA的少数启动子，并无选择地与其作用，37℃时的聚合速度200nt/秒。

　　二、 RNA聚合酶催化的转录过程(E.coli)

　　1、 起始

　　RNA聚合酶结合到DNA双链的特定部位，局部解开双螺旋，第一个核苷酸掺入转录起始位点，从此开始RNA链的延伸。

　　在新合成的RNA链的5’末端，通常为带有三个磷酸基团的鸟苷或腺苷(pppG或pppA)，即合成的第一个底物是GTP或ATP。

　　起始过程中，σ因子起关键作用，它能使聚合酶迅速地与DNA的启动子结合，σ亚基与β’结合时，β’亚基的构象有利于核心酶与启动子紧密结合，。

　　正链：与mRNA序列相同的两、链。

　　负链：模板链。

　　转录起点是+1，上游是-1。

　　2、 延长

　　转录起始后，σ亚基释放，离开核心酶，使核心酶的β’亚基构象变化，与DNA模板亲和力下降，在DNA上移动速度加快，使RNA链不断延长。

　　转录起始后，σ亚基便从全酶中解离出来，然后nusA亚基结合到核心酶上，由nusA亚基识别序列序列。

　　3、 终止

　　RNA聚合酶到达转录终止点时，在终止辅助因子的帮助下，聚合反应停止，RNA链和聚合酶脱离DNA模板链，nusA又被σ亚基所取代。

　　由此形成RNA聚合酶起始复合物与终止复合物两种形式的循环

　　三、 启动子和转录因子

　　启动子：RNA聚合酶识别、结合并开始转录所必需的一段DNA序列。

　　转录因子：RNA聚合酶在进行转录时，常需要一些辅助因子(蛋白质)参与作用，此类蛋白质统称为转录因子。

　　足迹法和DNA测序法确定启动子的序列结构。

　　(一) 原核启动子结构与功能

　　分析比较上百种启动子序列，发现不同的启动子都存在保守的共同序列，包括RNA聚合酶识别位点和结合位点。

　　(1)、 -10序列(Pribnow框)

　　在转录起点上游大约-10处，有一个6bp的保守序列TATAAT，称Pribnow框。此段序列出现在-4到-13bp之间，每个位点的保守性在45%-100%。

　　频度： T89 A89 T50 A65 A65 T100

　　据预测，Pribnow框中，一开始的TA和第6位最保守的T在结合RNA聚合酶时起十分重要的作用。

　　目前认为，Pribnow框决定转录方向。酶在此部位与DNA结合形成稳定的复合物，Pribnow框中DNA序列在转录方向上解开，形成开放型起始结构，它是RNA聚合酶牢固的结合位点，是启动子的关键部位。

　　RNA聚合酶的结合，诱导富含AT的Pribnow框的双链解开，然后进一步扩大成17个核苷酸长度的泡状物，在泡状物中RNA聚合酶从模板链开始转录RNA产物。

　　(2)、 -35序列(Sexfama box)(识别区域)

　　只含-10序列的DNA不能转录，在-10序列上游还有一个保守序列，其中心约在-35位置，称为-35序列，此序列为RNA酶的识别区域。

　　各碱基出现频率如下：T85 T83 G81 A61 C69 A52 ，其中TTG十分保守。

　　-35序列的功能：它是原核RNA聚合酶全酶依靠σ因子的初始识别位点。因此，-35序列对RNA聚合酶全酶有很高的亲和性。-35序列的核苷酸结构，在很大程度上决定了启动子的强度，RNA聚合酶易识别强的启动子。

　　-35序列提供RNA聚合酶识别信号，

　　-10序列有助于DNA局部双链解开，

　　启动子结构的不对称性决定了转录的方向。

　　P364 图20-4 原核型启动子的结构

　　(二) 真核启动子

　　真核基因的转录十分复杂，对启动子的分析要比原核基因的困难得多。

　　真核生物有三种RNA聚合酶：RNA聚合酶I、II、III，分别转录rRNA、mRNA、tRNA和小分子RNA，这三类聚合酶的启动子各有其结构特点。

　　1、 RNA聚合酶Ⅱ的启动子

　　RNA聚合酶Ⅱ的启动子有三个保守区：

　　(1)、 TATA框(Hogness框)

　　中心在-25至-30，长度7bp左右。

　　碱基频率：T82 A97 A85 A63 (T37 )A83 A50(T37 )(全为A-T，少数含有一个G-C对)。

　　此序列功能：使DNA双链解开，并决定转录的起点位置，失去TATA框，转录将可能在许多位点上开始。

　　TATA框的改变或缺失，直接影响DNA与酶的结合程度，会使转录起始点偏移，因此，TATA是绝大多数真核基因正确表达所必需的。

　　由于RNA聚合酶分子有相对固定的空间结构，同此框的结合位点和转录反应催化位点的距离，决定了起始位点的正确选择。启动子特定序列和酶的正确结构，这两者把酶置于一种正确的构象中，决定了识别的正确性和转录起始的正确性。

　　(2)、 CAAT框

　　中心在-75处，9bp，共有序列GGT(G)CAATCT

　　功能：与RNA聚合酶结合。

　　(3)、 GC框

　　在CAAT框上游，序列GGGCGG，与某些转录因子结合。

　　CAAT和GC框均为上游序列，对转录的起始频率有较大影响。

　　2、 RNApolⅢ的启动子

　　RNApolⅢ的启动子在转录区内部。