第十章 RNA的生物合成和加工 下册 P455 贮存于DNA的遗传信息需通过转录和翻译而得到表达。通过转录在RNA聚合酶催化下合成细胞内各种RNA（mRNA、r-RNA、t RNA和具有各种特殊功能的小RNA），转录的RNA产物通常要经过一系列加工和修饰才能成为成熟的RNA分子，遗传信息表达过程中存在复杂调控机制。 RNA携带遗传信息（RNA为信息分子）可以指导RNA合成（复制），也可以指导DNA合成（逆转录）；RNA还具催化（核酶）等多种功能（RNA为功能分子）。 10-1 DNA指导下的RNA合成 转录：是以DNA分子为模板合成与其核苷酸顺序相对应的RNA分子的过程。 基因是遗传物质的最小功能单位，相当于DNA一个片段。一个转录单位可以是一个基因也可以是多个基因。 基因的转录是一种有选择性的过程，随着细胞的不同生长发育阶段和细胞内外条件的改变将转录不同的基因。 转录 （1）DNA指导下的RNA聚合酶： 该酶所需底物：四种核糖核苷三磷酸（ATP，GTP，UTP及CTP）。 模板：双链DNA或单链DNA。 Mg2+：促进聚合。 不需引物，合成方向也是5‘→3‘。 催化聚合反应产生的PPi水解推动反应向前。 RNA酶无校对功能。 （2）不对称转录： 在体内DNA两条链中仅有一条链可用于转录，某些区域以这条链转录，另一些区域则可以另一条链转录。 用于转录的链称为模板链或负链（-DNA），对应的链为编码链，即正链(+DNA)。编码链与转录出来的RNA链碱基序列一样，只是以U取代T，它无转录功能，只能进行复制。 RNA转录时无需将DNA双链完全解开，RNA聚合酶能够局部解开DNA的两条链，并以其中一条链为有效的模板，在其上合成出互补的RNA链，合成的RNA链随DNA双链恢复而离开DNA链。 P456 图36-1 E. coli RNA聚合酶进行转录。 (3) E. coli的RNA聚合酶： 全酶由五个亚基（α2ββ‘σ）组成，相对分子量465,000。没有σ亚基的酶（α2ββ‘）叫核心酶，只能使已开始合成的RNA链延长，而不具有起始合成RNA的能力。开始合成的RNA链时必须有σ亚基参与作用，σ亚基为起始亚基。 （4）转录反应四阶段： 模板的识别，转录的起始、延伸和终止。 1. 识别：RNA聚合酶在σ亚基引导下识别并结合到启动子上，DNA双链局部解链，形成转录泡（解链区）。 2. 起始：在模板链上通过碱基配对合成最初RNA链，σ亚基脱离核心酶，酶离开启动子。 3. 延伸：核心酶向前移动，RNA链不断生长，并在解链区形成RNA-DNA杂交体，然后DNA恢复双螺旋结构，RNA链被置换出来。 4. 终止：RNA聚合酶到达基因转录终点，在Nus因子帮助下识别转录终止信号，停止RNA链的生长，酶与RNA链离开模板，DNA恢复双螺旋结构。 P457 图36-2 RNA聚合酶催化的转录过程。 真核生物的RNA聚合酶分子为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三种，分别转录rRNA、mRNA和小RNA。 （二）启动子和转录因子 启动子：RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。 原核生物启动子：有两个保守序列，位于-10的pribnow框和位于-35的识别区，-10区位于转录开始位置上游（向左）约10个核苷酸处，-35区位于上游约35个核苷酸处。（转录单位起点核苷酸为+1，转录起点左侧为上游，用负的数码表示，起点后为下游，为转录区）。 -10区：6个bp的保守序列TATAAT，含较多的A-T碱基对，有助于DNA双链局部解开。 -35区：序列为TTGACA，中心在-35处，RNA聚合酶的识别区域，为酶提供识别信号。 真核生物的启动子有三类，分别由RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ进行转录。真核生物的启动子由转录因子而不是RNA聚合酶所识别。启动子通常由一些短的保守序列所组成，可被适当种类的辅助因子识别。 （三）终止子和终止因子 终止子：提供转录停止信号的DNA序列。 终止因子：协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子（蛋白质）。 DNA转录终止信号可被RNA聚合酶本身或其辅助因子所识别。 所有原核生物的终止子在终止点前均有一回文结构，产生的RNA可形成发夹结构。 通读：有些终止子的作用可被特异因子所阻止，使酶得以越过终止子继续转录，称为通读。这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子。 抗终止作用主要见于某些噬菌体的时序控制。早期基因与其后基因之间以终止子相隔开，通过抗终止子可以打开其后基因的表达，新的基因表达是由于RNA链延长 所致。 RNA聚合酶识别终止子也需要一些特殊的辅助因子，如Nus A因子可提高终止效率，促进RNA聚合酶在终止位置上的停顿。Nus A与核心酶结合成终止复合物，识别终止信号。转录终止后，Nus A又被σ所取代，再形成RNA聚合酶起始复合物。 （四）转录的调节控制 转录的调节是基因表达调节的重要环节，包括时序调节和适应调解。遗传信息的表达可按一定时间程序发生变化，而且随着细胞内外环境条件的改变而加以调整。 原核生物的操纵子：它既是表达单位，也是协同调节的单位。 操纵子是细菌基因表达和调控的单位，它包括结构基因、调节基因和由调节基因产物所识别的控制序列。 操纵子模型，见P561。 由于经济原则，细菌通常并不合成那些在代谢上无用的酶，因此一些分解代谢的酶类只在有关的底物或底物类似物存在时才被诱导合成。如E. coli利用外界乳糖时会需要三种有关的酶，一般情况下极少产生，只有当乳糖存在时，按乳糖操纵子模型这三种利用乳糖所必需的酶才大量产生。 一些合成代谢的酶类在产物或产物类似物足够量存在时，其合成则被阻遏。 P562 图39-21 说明酶诱导和阻遏的操纵子模型。 酶的诱导和阻遏是在调节基因产物—阻遏蛋白的作用下，通过操纵基因控制结构基因或基因组的转录而发生的。 酶的诱导：阻遏蛋白结合在操纵基因上，结构基因不表达；但当诱导物与阻遏蛋白结合使阻遏蛋白不能结合在操纵基因上，结构基因可以表达。 酶的阻遏：阻遏蛋白不能与操纵基因结合，结构基因可表达；当代谢产物与阻遏蛋白结合使阻遏蛋白能够结合在操纵基因上，结构基因不表达。 P563 图39-22 为E. coli中乳糖操纵子模型。 调节有正调节和负调节，原核生物以负调节为主。 阻遏蛋白的作用属于负调节，阻遏蛋白称为负调节因子。 正调节：调节蛋白（激活子）与DNA结合时，使转录发生。 真核生物的调节更为复杂，基因不组成操纵子，以正调节为主，并可在染色质结构水平上进行调节。 (五) RNA生物合成抑制剂 碱基类似物：可作为核苷酸代谢拮抗物而抑制核酸前体的合成，直接抑制核苷酸生物合成有关的酶，或通过掺入到核酸分子中形成异常的DNA或RNA影响核酸的功能并导致突变： 如 6-巯基嘌呤， 6-巯基鸟嘌呤， 5-氟尿嘧啶等，结构式见P469。 DNA模板功能抑制物：通过与DNA结合，使DNA失去模板功能从而抑制其复制和转录： 如临床上应用的氮芥类似物。（结构见P470）。 环磷酰胺：体外无活性，进入肿瘤细胞后受磷酰胺酶作用水解成活性氮芥，可治疗多种癌症。 苯丁酸氮芥：因含有酸性基团不易进入正常细胞，而癌细胞酵解作用旺盛，大量积累乳酸，pH较低，故容易进入癌细胞。 10-2 RNA的转录后加工 细胞中由RNA聚合酶合成的原初转录物往往需经过一系列变化，包括链的裂解，5‘端与3‘端的切除和特殊结构的形成，核苷的修饰和糖苷键的改变以及拼接和编辑，才能转变为成熟的RNA分子，此过程为转录后加工或称RNA的成熟。 原核生物中RNA的加工 mRNA一般不进行转录后加工，一经转录通常立即进行翻译。 rRNA的基因与某些tRNA基因组成混合操纵子，转录后需切割，断链成为rRNA和tRNA，如P473 图36-13 大肠杆菌rRNA前体的加工：rRNA前体先经甲基化修饰，再被切割。 tRNA前体加工包括：由内切酶在tRNA两端切断；3‘端切去附加顺序，进行修剪；3‘端加上-CCA-OH；核苷酸修饰和异构化，ψ和T由U修饰而来。 真核生物中RNA的一般加工 大多数真核基因都是断裂基因，转录产物需通过拼接，去除插入部分（即内含子），使编码区（外显子）成为连续序列。 RNA编码序列改变称为编辑，RNA编码和读码方式的改变称为再编码。由于存在选择性拼接、编辑和再编码，一个基因可以产生多种蛋白质。 真核生物mRNA前体必须经复杂加工过程，还有5‘端加帽子，3‘端加polyA。 rRNA和tRNA加工也需剪接、编辑、内部甲基化、修饰异物化、戴帽和加尾。 酶性核酸 四膜虫rRNA的拼接是自我催化下进行，拼接过程没有蛋白质参加，为自我拼接。 RNA拼接有四种方式，如P479 图36-17。四膜虫rRNA前体拼接属于类型Ⅰ自我拼接。Ⅰ型内含子具有高度保守的二级结构（P480图36-19）和三级结构，导致某些活性部位形成。 P479 图36-18 四膜虫rRNA前体的拼接过程： A： 第一次转酯反应，鸟苷酸（或鸟苷）提供游离的3‘-OH，使内含子的5‘-磷酸基转移其上。 B： 第二次转酯反应，由第一个外显子产生的3‘-OH攻击第二个外显子的5‘-磷酸基，产生线状内含子片段。 C： 第三次转酯反应，线状内含子片段发生环化，形成一个环状分子和一小段15聚核苷酸。 类型Ⅱ内含子自我拼接如P480 图36-20所示。它无需游离鸟苷酸（或鸟苷）发动转酯反应，而是由内含子靠近3‘端的腺苷酸2‘-OH攻击5‘磷酸基引起的，经过两次转酯反应，内含子成为套索结构被切除，两个外显子得以连接在一起。 RNA生物功能的多样化 RNA在遗传信息的翻译中起着决定作用，承担蛋白质生物合成。 RNA具有重要催化功能和其他持家功能。 RNA转录后加工和修饰依赖于各种小RNA和其蛋白质复合物。 RNA对基因表达和细胞功能具有重要调节作用。 反义RNA可通过与靶部位序列互补而与之结合或直接阻止其功能或改变靶部位构象而影响其功能。 RNA在生物进化中起重要作用。 生命起源早期可能首先出现的是RNA。 总之，DNA和RNA是主要遗传信息携带分子，RNA还是重要的功能分子，在遗传信息的传递、加工和调节中起关键作用。 10-3 在RNA指导下的RNA和DNA合成 在有些生物中，RNA也可以是遗传信息的基本携带者。 RNA复制：以RNA为模板，在RNA复制酶催化下合成与模板互补的全序列RNA称为RNA复制。 RNA复制酶： 模板特异性很高，它只识别病毒自身的RNA。 底物为四种NTP，不需引物，需Mg2+。 （+）RNA和（-）RNA：通常将具有mRNA功能的链称为（+）RNA，而它的互补链为（-）RNA。 带（+）RNA的病毒可直接进行与病毒繁殖有关的蛋白质合成。 （+）RNA病毒：如灰质炎病毒和噬菌体Qβ。 （-）RNA病毒：含有复制酶，如狂犬病病毒。 （±）RNA病毒：含双链DNA和复制酶，如呼肠孤病毒。 逆转录病毒：致癌RNA病毒，如白血病病毒，AIDS病毒。 P493 图36-34 显示RNA病毒合成mRNA的四种途径。 RNA的逆转录 以RNA为模板在逆转录酶作用下合成DNA，遗传信息由RNA传给DNA。 逆转录酶的发现： 1964年Temin发现致癌RNA病毒（不含DNA）的复制受到DNA合成抑制剂放线菌素的抑制，为此Temin提出“前病毒”学说，认为遗传信息可以由RNA传递给DNA，存在逆转录传递。 1970年从致癌RNA病毒中发现逆转录酶。 逆转录酶的性质： 模板：RNA。以自身病毒的RNA为模板时活力最高。一些人工合成的多聚核苷酸也表现出很高模板活力，如polyC-dG，可在提纯逆转录酶时用作测酶活力的模板。真核生物mRNA 3‘端有poly A，可作为逆转录模板（加dT），可制cDNA。 引物：长度至少要4个核苷酸，可为寡聚DNA，也可为寡聚RNA，如病毒RNA逆转录要求特定tRNA为引物，需有3‘-OH。 底物：四种dNTP。 Mg2+和Mn2+；还需要保护酶中-SH的还原剂。 逆转录酶是多功能酶，有3种酶活力： 1. 形成杂合分子RNA-DNA，为RNA指导下DNA聚合活力。 2. 形成双链DNA，为DNA指导下的DNA聚合活力。 3. 水解RNA-DNA杂合分子中的RNA，核酸外切酶活力。 逆转录酶无校正功能，因此错误率较高。 逆转录的生物学意义 逆转录最初发现于致癌RNA病毒，但并不仅限于病毒，在细胞中也频繁发生，但要在一定条件下才表达。端粒酶就是一种逆转录酶，其活性只存在于胚胎和肿瘤细胞中。 致癌病毒：逆转录产生的前病毒DNA可通过重组与宿主DNA组合在一起，如果重组病毒携带了控制细胞生长分裂的原癌基因，使其以异常高的水平表达或经突变失去了调节机制，就成为癌基因。 AIDS病：HIV病毒侵入T淋巴细胞后即杀死细胞，造成宿主机体免疫系统损伤。由此设计药物作用靶部位：HIV的逆转录酶，如AZT（叠氮胸苷），在T淋巴细胞内转变成AZT三磷酸，与dTTP竞争与HIV的逆转录酶结合而作用。