第三讲 DNA与 RNA的生物合成
? DNA是贮藏遗传信息的最重要的生物大分子。
DNA分子中的核苷酸排列顺序不但决定了胞内所有
RNA及蛋白质的基本结构，还通过蛋白质（酶）的
功能间接控制了细胞内全部有效成份的生产、运转
和功能发挥。贮藏在任何基因中的生物信息都必须
首先被转录生成 RNA，才能够得到表达。 DNA和
RNA虽然很相似，只有 T或 U及核糖的第二位碳原子
上有所不同，但它们的生物学活性却很不同。
? RNA主要以单链形式存在于生物体内，其高级结
构很复杂； RNA既担负着贮藏及转移遗传信息的功
能，又能作为核酶直接在细胞内发挥代谢功能。
? 蛋白质是生物信息通路上的终产物，一个活细胞
在任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质。因此，
活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、修饰、运
转和降解反应。
DNA代谢
? 无论是只含有一对染色体的原核细胞还是带
有多对染色体的真核细胞，只有整个基因组
得到了完整准确的复制，细胞分裂才能顺利
发生。所以说,DNA复制的起始，标志了细
胞进入一个新的周期。
㈠, DNA复制
? 根据反应阶段和所需的不同酶类,DNA的
复制可被分为三个阶段，即复制起始、延伸
和终止。每个 DNA复制的独立单元被称为复
制子（ replicon），主要包括复制起始位点
（ Origine of replication）和终止位点
（ terminus）。原核生物的整个染色体上一
般只有一个复制起始位点。
? 大肠杆菌 DNA的复制需要有 20种左右的酶
和蛋白质因子参与，整个 DNA复制机器被称
之为 DNA replicase system或 replisome。
原核 DNA复制动画
注,（需软件支持）
Helicase，任何 DNA在被复制前都必须解开双
链，这个过程是由 helicase来完成的，它可在 ATP
的作用下将 DNA母链不断解开形成单链。
Topoisomerase，主要功能是消除 DNA解链过
程中所产生的扭曲力。
DNA结合蛋白，使新解链的 DNA保持稳定结构。
Primases，为 DNA复制提供 RNA引物。
DNA polymerases，合成新生 DNA链，切除
RNA引物。
DNA Ligases，使新生 DNA链上的缺口（ 3'-OH,
5'-p）生成磷酸二酯键。
DNA replicase system
1,DNA复制的起始
大肠杆菌中的复制起始位点是 Ori C，全长
245Bp，该序列在所有细菌复制起始位点中都是保
守的。
(续表）
? DNA复制起始中的主要步骤
a,大约 20个左右的 DnaA蛋白首先与 OriC中
的 4个 9碱基重复区相结合；
b,识别并使 3个 13碱基串联重复区 DNA形成
开环结构；
c,DnaB蛋白在 DnaC的帮助下与未解链序列
结合。每六个 DnaB蛋白形成一组并与一条
DNA母链结合，可在不同方向同时起始 DNA
的复制。当细胞中存在足够的 SSB和 DNA
gyrase时,DnaB的解链效率非常高。
? 整个 DNA复制过程中，只有复制起始受细
胞周期的严格调控。
? "Once in each cell cycle。 "
? DNA甲基化与 DNA复制起始密切相关。 OriC
中有 11个 GATC回文结构（一般说来,256bp
才应有一个 GATC重复）。 DNA子链被合成
后，母链立即被甲基化（称为
hemimethylated）。此时,oriC与细胞原生
质膜相结合。只有当 oriC被从膜上释放出来，
子链被 Dam甲基化后，才能有效地与 DnaA蛋
白结合，起始新一轮的 DNA复制。复制起始
可能还受 ATP水解过程调控，因为 DnaA只有
与 ATP相结合时才能与 oriC区 DNA相结合。
2,DNA子链的延伸
? 主要包括两个不同但相互有联系的事件，
即前导链和滞后链的合成。由 DNA helicase
解开双螺旋，由拓朴异构酶消除 DNA链上的
扭曲力,SSB结合使 DNA单链稳定。
? 前导链的合成：由 DnaG（ primase）在复
制起始位点附近合成一个 10-60 nt的 RNA引
物，然后由 polII把 dNTP加到该引物上。
滞后链的合成：产生 Okazaki fragments，
消除 RNA引物并由 DNA pol I补上这一小段
DNA序列，由 DNA Ligase把两个片段相连。
3,DNA链的终止
? 当子链延伸达到 terminus region（ ter，带
有多个 20bp序列）时,DNA复制就终止了。
Ter有点像一个陷井（ trap），使复制叉只能
进入，不能出来。 Ter的功能主要是由 Ter-
Tus复合物（ ter utilization substance）来完
成的。
4,真核细胞 DNA的复制比大肠杆菌更复杂
? 真核生物的 origin of replication被称为 ARS-
autonomously replicating sequences或者被称
为 replicators。 Yeast replicators长约 150dp，
有多个保守重复区，共有约 500个 replicators分
布于酵母的 17条染色体中。
㈡, DNA的损伤修复
? 1,错配修复
（ mismatch Repair）
? 错配修复对 DNA复制
忠实性的贡献力达 102-
103,DNA子链中的错
配几乎完全都被修正，
充分反映了母链的重要
性。
2,碱基切除修复（ Base-Excision Repair）
? DNA gylcosylases能特异性识别常见的 DNA损
伤（如胞嘧啶或腺嘌呤去氨酰化产物）并将受损害
碱基切除。去掉碱基后的核苷酸被称为 AP位点
（ apurinic or apyrimidinic）。细胞中最常见的
Uracil Glycosylase就能特异性切除细胞中的去氨基
胞嘧啶。
3,核苷酸切除修复
（ nucleotide-excision
repair）
? 当 DNA链上相应位置
的核苷酸发生损伤，导
致双链之间无法形成氢
键，由核苷酸切除修复
系统负责进行修复。
4.DNA的直接修复（ Direct repair）
㈢, DNA的转座
? DNA的转座，或称移位（ transposition），
是由可移位因子（ transposable element）介
导的遗传物质重排现象。已经发现 "转座 "这一
命名并不十分准确，因为在转座过程中，可
移位因子的一个拷贝常常留在原来位置上，
在新位点上出现的仅仅是拷贝。因此，转座
有别于同源重组，它依赖于 DNA的复制。
? a,简单转座子
转座子（ transposon,Tn）是存在于染色体
DNA上可自主复制和移位的基本单位。
最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被称
为插入序列（ insertion sequence,IS），它们是
细菌染色体或质粒 DNA的正常组成部分。一个细
菌细胞常带有少于 10个 IS序列。转座子常常被定
位到特定的基因中，造成该基因突变。 IS序列都
是可以独立存在的单元，带有介导自身移动的蛋
白。
? b.复合式转座子（ composite transposon）是
一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）
的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同
源的 IS序列，表明 IS序列插入到某个功能基
因两端时就可能产生复合转座子。一旦形成
复合转座子,IS序列就不能再单独移动，因
为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移
动。
2、转座作用的机制
? 转座时发生的插入作用有一个普遍的特征，那就
是受体分子中有一段很短的（ 3-12bp）、被称为靶
序列的 DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重
复的靶序列之间。不同转座子的靶序列长度不同，
但对于一个特定的转座子来说，它所复制的靶序列
长度都是一样的，如 IS1两翼总有 9个碱基对的靶序
列，而 Tn3两端总有 5bp的靶序列。
? 转座可被分为复制性和非复制性两大类。在复制
性转座中，所移动和转位的是原转座子的拷贝。转
座酶（ transposase）和解离酶（ resolvase）分别
作用于原始转座子和复制转座子。 TnA类转座主要
是这种形式。在非复制性转座中，原始转座子作为
一个可移动的实体直接被移位,IS序列,Mu及 Tn5
等都以这种方式进行转座。
3.转座作用的遗传学效应
? ① 转座引起插入突变 ;② 转座产生新的基因 ;③ 转座
产生的染色体畸变 ;④ 转座引起的生物进化,
RNA代谢
? 除了某些 RNA病毒之外，所有 RNA分子都来
自于 DNA。基因组 DNA通过一个被称为转录
的过程把贮存在双链 DNA分子中的遗传信息
转换到与模板 DNA链相互补的 RNA单链上。
mRNA，编码了一个或多个蛋白质序列；
tRNA，把 mRNA上的遗传信息变为多肽中的
氨基酸信息；
rRNA，是合成蛋白质的工厂核糖体中的主要
成份。
原核 DNA转录
注,(需要软件支持 )
转录
? 1,依赖于 DNA的 RNA合成
从 DNA合成反应的化学本质、极性和模板
的使用这三方面来说，转录与复制是相同的。
但是，也存在三个主要不同点：
A,转录中不需要 RNA引物；
B．转录反应一般只用一小段 DNA做模板；
C．在转录区，一般都只有一条 DNA链可以
作为模板。
2.RNA合成的终止
? 一旦 RNA聚合酶启动了基因转录，它就会沿着模
板 5'→3' 方向不停地移动，合成 RNA链，直到遇到
终止信号时才释放新生的 RNA链，并与模板 DNA脱
离。
研究 RNA链终止时遇到最常见的问题是 3'端核苷
酸的定位，因为活细胞内部根据终止信号正确终止
的 RNA与一个经过剪接的 RNA在 3'端没有两样，都
是 -OH基团。模板 DNA上都有终止转录的特殊信号 -
-终止子，每个基因或操纵子都有一个启动子，一个
终止子。在新生 RNA中出现发卡式结构会导致 RNA
聚合酶的暂停，破坏 RNA-DNA杂合链 5'端的正常结
构。寡聚 U的存在使杂合链的 3'端部分出现不稳定的
rU·dA区域。
a,依赖于 ρ因子的终止
ρ因子是一个相对分子质量为 2.0× 105的六聚体
蛋白，它能水解各种核苷三磷酸，实际上是一种
NTP酶。由于催化了 NTP的水解,ρ因子能促使新
生的 RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终
止转录。
有人认为，在 RNA合成起始以后,ρ因子即附着
在新生的 RNA链上，靠 ATP水解产生的能量，沿着
5'→3' 方向朝 RNA聚合酶移动，到达 RNA的 3'-OH端
后取代了暂停在终止位点上的 RNA聚合酶，并从模
板和酶上释放 RNA，完成转录过程。终止过程需要
消耗能量，所以,ρ因子具有终止转录和核苷三磷
酸酶两种功能。
b、不依赖于 ρ 因子的终止
若终止点上游存在一个富含 GC碱基的二重
对称区，由这段 DNA转录产生的 RNA容易形
成发卡式结构；在终止点前面有一段由 4-8个
A组成的序列，导致转录产物的 3‘端为寡聚 U。
这两种结构特征的存在同样决定了转录的终
止。
在新生 RNA中出现发卡式结构会导致 RNA
聚合酶的暂停，破坏 RNA-DNA杂合链 5'端的
正常结构。寡聚 U的存在使杂合链的 3'端部分
出现不稳定的 rU·dA区域。
3.RNA聚合酶 II及转录因子在启动子上的装配
? TFⅡ H还参与 DNA的损伤修复。当 RNA
polⅡ 转录过程中碰到受损伤的核苷酸时，
TFⅡ H能及时启动核苷酸切除修复系统，
将损伤修复。
Actinomycin D和 Acridine阻断 RNA链的延伸
3.RNA的加工成熟
?所以,RNA加工成熟主要包括,5’加帽子结构；
3’加多聚 A；切除内含子 。
? 在 Group I内含子切除体系中，鸟苷或鸟苷
酸的 3'-OH 作为亲核基团向 Intron 5'的磷酸二
酯键发起进攻。
Group II内含子切除体系
? 核内 mRNA原始转录产物的剪辑方式可能是
最常见的。在这一模式中,RNA的剪辑需要
特异性 RNA-protein-复合物 small nuclear
rebonucleoproteins（ snRNP）和 small
nuclear RNAs（ snRNAs）。已经发现至少
有 5种 snRNAs--U1,U2,U4,U5,U6。
? DNA是贮藏遗传信息的最重要的生物大分子。
DNA分子中的核苷酸排列顺序不但决定了胞内所有
RNA及蛋白质的基本结构，还通过蛋白质（酶）的
功能间接控制了细胞内全部有效成份的生产、运转
和功能发挥。贮藏在任何基因中的生物信息都必须
首先被转录生成 RNA，才能够得到表达。 DNA和
RNA虽然很相似，只有 T或 U及核糖的第二位碳原子
上有所不同，但它们的生物学活性却很不同。
? RNA主要以单链形式存在于生物体内，其高级结
构很复杂； RNA既担负着贮藏及转移遗传信息的功
能，又能作为核酶直接在细胞内发挥代谢功能。
? 蛋白质是生物信息通路上的终产物，一个活细胞
在任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质。因此，
活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、修饰、运
转和降解反应。
DNA代谢
? 无论是只含有一对染色体的原核细胞还是带
有多对染色体的真核细胞，只有整个基因组
得到了完整准确的复制，细胞分裂才能顺利
发生。所以说,DNA复制的起始，标志了细
胞进入一个新的周期。
㈠, DNA复制
? 根据反应阶段和所需的不同酶类,DNA的
复制可被分为三个阶段，即复制起始、延伸
和终止。每个 DNA复制的独立单元被称为复
制子（ replicon），主要包括复制起始位点
（ Origine of replication）和终止位点
（ terminus）。原核生物的整个染色体上一
般只有一个复制起始位点。
? 大肠杆菌 DNA的复制需要有 20种左右的酶
和蛋白质因子参与，整个 DNA复制机器被称
之为 DNA replicase system或 replisome。
原核 DNA复制动画
注,（需软件支持）
Helicase，任何 DNA在被复制前都必须解开双
链，这个过程是由 helicase来完成的，它可在 ATP
的作用下将 DNA母链不断解开形成单链。
Topoisomerase，主要功能是消除 DNA解链过
程中所产生的扭曲力。
DNA结合蛋白，使新解链的 DNA保持稳定结构。
Primases，为 DNA复制提供 RNA引物。
DNA polymerases，合成新生 DNA链，切除
RNA引物。
DNA Ligases，使新生 DNA链上的缺口（ 3'-OH,
5'-p）生成磷酸二酯键。
DNA replicase system
1,DNA复制的起始
大肠杆菌中的复制起始位点是 Ori C，全长
245Bp，该序列在所有细菌复制起始位点中都是保
守的。
(续表）
? DNA复制起始中的主要步骤
a,大约 20个左右的 DnaA蛋白首先与 OriC中
的 4个 9碱基重复区相结合；
b,识别并使 3个 13碱基串联重复区 DNA形成
开环结构；
c,DnaB蛋白在 DnaC的帮助下与未解链序列
结合。每六个 DnaB蛋白形成一组并与一条
DNA母链结合，可在不同方向同时起始 DNA
的复制。当细胞中存在足够的 SSB和 DNA
gyrase时,DnaB的解链效率非常高。
? 整个 DNA复制过程中，只有复制起始受细
胞周期的严格调控。
? "Once in each cell cycle。 "
? DNA甲基化与 DNA复制起始密切相关。 OriC
中有 11个 GATC回文结构（一般说来,256bp
才应有一个 GATC重复）。 DNA子链被合成
后，母链立即被甲基化（称为
hemimethylated）。此时,oriC与细胞原生
质膜相结合。只有当 oriC被从膜上释放出来，
子链被 Dam甲基化后，才能有效地与 DnaA蛋
白结合，起始新一轮的 DNA复制。复制起始
可能还受 ATP水解过程调控，因为 DnaA只有
与 ATP相结合时才能与 oriC区 DNA相结合。
2,DNA子链的延伸
? 主要包括两个不同但相互有联系的事件，
即前导链和滞后链的合成。由 DNA helicase
解开双螺旋，由拓朴异构酶消除 DNA链上的
扭曲力,SSB结合使 DNA单链稳定。
? 前导链的合成：由 DnaG（ primase）在复
制起始位点附近合成一个 10-60 nt的 RNA引
物，然后由 polII把 dNTP加到该引物上。
滞后链的合成：产生 Okazaki fragments，
消除 RNA引物并由 DNA pol I补上这一小段
DNA序列，由 DNA Ligase把两个片段相连。
3,DNA链的终止
? 当子链延伸达到 terminus region（ ter，带
有多个 20bp序列）时,DNA复制就终止了。
Ter有点像一个陷井（ trap），使复制叉只能
进入，不能出来。 Ter的功能主要是由 Ter-
Tus复合物（ ter utilization substance）来完
成的。
4,真核细胞 DNA的复制比大肠杆菌更复杂
? 真核生物的 origin of replication被称为 ARS-
autonomously replicating sequences或者被称
为 replicators。 Yeast replicators长约 150dp，
有多个保守重复区，共有约 500个 replicators分
布于酵母的 17条染色体中。
㈡, DNA的损伤修复
? 1,错配修复
（ mismatch Repair）
? 错配修复对 DNA复制
忠实性的贡献力达 102-
103,DNA子链中的错
配几乎完全都被修正，
充分反映了母链的重要
性。
2,碱基切除修复（ Base-Excision Repair）
? DNA gylcosylases能特异性识别常见的 DNA损
伤（如胞嘧啶或腺嘌呤去氨酰化产物）并将受损害
碱基切除。去掉碱基后的核苷酸被称为 AP位点
（ apurinic or apyrimidinic）。细胞中最常见的
Uracil Glycosylase就能特异性切除细胞中的去氨基
胞嘧啶。
3,核苷酸切除修复
（ nucleotide-excision
repair）
? 当 DNA链上相应位置
的核苷酸发生损伤，导
致双链之间无法形成氢
键，由核苷酸切除修复
系统负责进行修复。
4.DNA的直接修复（ Direct repair）
㈢, DNA的转座
? DNA的转座，或称移位（ transposition），
是由可移位因子（ transposable element）介
导的遗传物质重排现象。已经发现 "转座 "这一
命名并不十分准确，因为在转座过程中，可
移位因子的一个拷贝常常留在原来位置上，
在新位点上出现的仅仅是拷贝。因此，转座
有别于同源重组，它依赖于 DNA的复制。
? a,简单转座子
转座子（ transposon,Tn）是存在于染色体
DNA上可自主复制和移位的基本单位。
最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被称
为插入序列（ insertion sequence,IS），它们是
细菌染色体或质粒 DNA的正常组成部分。一个细
菌细胞常带有少于 10个 IS序列。转座子常常被定
位到特定的基因中，造成该基因突变。 IS序列都
是可以独立存在的单元，带有介导自身移动的蛋
白。
? b.复合式转座子（ composite transposon）是
一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）
的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同
源的 IS序列，表明 IS序列插入到某个功能基
因两端时就可能产生复合转座子。一旦形成
复合转座子,IS序列就不能再单独移动，因
为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移
动。
2、转座作用的机制
? 转座时发生的插入作用有一个普遍的特征，那就
是受体分子中有一段很短的（ 3-12bp）、被称为靶
序列的 DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重
复的靶序列之间。不同转座子的靶序列长度不同，
但对于一个特定的转座子来说，它所复制的靶序列
长度都是一样的，如 IS1两翼总有 9个碱基对的靶序
列，而 Tn3两端总有 5bp的靶序列。
? 转座可被分为复制性和非复制性两大类。在复制
性转座中，所移动和转位的是原转座子的拷贝。转
座酶（ transposase）和解离酶（ resolvase）分别
作用于原始转座子和复制转座子。 TnA类转座主要
是这种形式。在非复制性转座中，原始转座子作为
一个可移动的实体直接被移位,IS序列,Mu及 Tn5
等都以这种方式进行转座。
3.转座作用的遗传学效应
? ① 转座引起插入突变 ;② 转座产生新的基因 ;③ 转座
产生的染色体畸变 ;④ 转座引起的生物进化,
RNA代谢
? 除了某些 RNA病毒之外，所有 RNA分子都来
自于 DNA。基因组 DNA通过一个被称为转录
的过程把贮存在双链 DNA分子中的遗传信息
转换到与模板 DNA链相互补的 RNA单链上。
mRNA，编码了一个或多个蛋白质序列；
tRNA，把 mRNA上的遗传信息变为多肽中的
氨基酸信息；
rRNA，是合成蛋白质的工厂核糖体中的主要
成份。
原核 DNA转录
注,(需要软件支持 )
转录
? 1,依赖于 DNA的 RNA合成
从 DNA合成反应的化学本质、极性和模板
的使用这三方面来说，转录与复制是相同的。
但是，也存在三个主要不同点：
A,转录中不需要 RNA引物；
B．转录反应一般只用一小段 DNA做模板；
C．在转录区，一般都只有一条 DNA链可以
作为模板。
2.RNA合成的终止
? 一旦 RNA聚合酶启动了基因转录，它就会沿着模
板 5'→3' 方向不停地移动，合成 RNA链，直到遇到
终止信号时才释放新生的 RNA链，并与模板 DNA脱
离。
研究 RNA链终止时遇到最常见的问题是 3'端核苷
酸的定位，因为活细胞内部根据终止信号正确终止
的 RNA与一个经过剪接的 RNA在 3'端没有两样，都
是 -OH基团。模板 DNA上都有终止转录的特殊信号 -
-终止子，每个基因或操纵子都有一个启动子，一个
终止子。在新生 RNA中出现发卡式结构会导致 RNA
聚合酶的暂停，破坏 RNA-DNA杂合链 5'端的正常结
构。寡聚 U的存在使杂合链的 3'端部分出现不稳定的
rU·dA区域。
a,依赖于 ρ因子的终止
ρ因子是一个相对分子质量为 2.0× 105的六聚体
蛋白，它能水解各种核苷三磷酸，实际上是一种
NTP酶。由于催化了 NTP的水解,ρ因子能促使新
生的 RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终
止转录。
有人认为，在 RNA合成起始以后,ρ因子即附着
在新生的 RNA链上，靠 ATP水解产生的能量，沿着
5'→3' 方向朝 RNA聚合酶移动，到达 RNA的 3'-OH端
后取代了暂停在终止位点上的 RNA聚合酶，并从模
板和酶上释放 RNA，完成转录过程。终止过程需要
消耗能量，所以,ρ因子具有终止转录和核苷三磷
酸酶两种功能。
b、不依赖于 ρ 因子的终止
若终止点上游存在一个富含 GC碱基的二重
对称区，由这段 DNA转录产生的 RNA容易形
成发卡式结构；在终止点前面有一段由 4-8个
A组成的序列，导致转录产物的 3‘端为寡聚 U。
这两种结构特征的存在同样决定了转录的终
止。
在新生 RNA中出现发卡式结构会导致 RNA
聚合酶的暂停，破坏 RNA-DNA杂合链 5'端的
正常结构。寡聚 U的存在使杂合链的 3'端部分
出现不稳定的 rU·dA区域。
3.RNA聚合酶 II及转录因子在启动子上的装配
? TFⅡ H还参与 DNA的损伤修复。当 RNA
polⅡ 转录过程中碰到受损伤的核苷酸时，
TFⅡ H能及时启动核苷酸切除修复系统，
将损伤修复。
Actinomycin D和 Acridine阻断 RNA链的延伸
3.RNA的加工成熟
?所以,RNA加工成熟主要包括,5’加帽子结构；
3’加多聚 A；切除内含子 。
? 在 Group I内含子切除体系中，鸟苷或鸟苷
酸的 3'-OH 作为亲核基团向 Intron 5'的磷酸二
酯键发起进攻。
Group II内含子切除体系
? 核内 mRNA原始转录产物的剪辑方式可能是
最常见的。在这一模式中,RNA的剪辑需要
特异性 RNA-protein-复合物 small nuclear
rebonucleoproteins（ snRNP）和 small
nuclear RNAs（ snRNAs）。已经发现至少
有 5种 snRNAs--U1,U2,U4,U5,U6。
