第 36章 RNA的生物合成和加工
(Biosynthesis and processing of RNA )
一,DNA指导下 RNA的合成
二,RNA的转录后加工
三、在 RNA指导下 RNA和 DNA的合成
遗
传
信
息
的
流
向
转录和转录后的加工
贮存于 DNA中的遗传信息须通过转录和翻译而
得到表达 。 在转录过程中, 以 DNA的一条链作模板,
在 RNA聚合酶的催化下, 利用 4种 NTP为原料, 合
成与模板链互补的 RNA分子 。 与 DNA模板链互补
的另一条 DNA单链为意义链 。
细胞内的各种 RNA都是通过转录产生的 （ 某些
RNA病毒除外, 它们有 RNA的复制 ）, 转录出的
RNA通常需要经过各种加工才能成为成熟的, 有功
能的 RNA产物 。
DNA意义链、模板链和 RNA、
蛋白质的关系
意义链
转录的方向与模板链
在一个 DNA分子长链上有许多基因, 若将
DNA分子的两条链分别称为 A链和 B链, 有些基
因的模板链位于 A链上, 有些基因的模板链位于
B链上, 这两类基因的转录方向刚好相反 。
注意：我们在描述一个基因的序列时, 描述
的是它的意义链 。
RNA
一,DNA指导下 RNA的合成
转录单位
在 DNA指导下合成 RNA称为转录 。 在 DNA长
链上有许多基因, 也有许多转录起始点和转录终止
点, 形成相应的转录单位 。 一个转录单位可以只含
一个基因, 称为单顺反子；也可以含多个基因, 称
为多顺反子 。
在每一个转录起始点附近都有特殊的序列, 只
有具有这种序列才能在此处起始转录, 这种特殊的
序列叫启动子 （ promoter） 。
转录受到严格的调控
基因的转录是一种有选择的过程, 随着不同
的细胞类型, 生长发育的不同阶段, 外界环境条
件的变化而转录不同的基因 。 转录是基因表达调
控中最重要的层次 。
核酸合成酶类
DNA指导的 DNA聚合酶,DNA聚合酶
（ DNA-dirceted DNA polymerase,DDDP）
DNA指导的 RNA聚合酶,RNA聚合酶
（ DNA-directed RNA polymerase,DDRP）
RNA指导的 RNA聚合酶,复制酶
（ RNA-directed RNA polymerase,RDRP）
RNA指导的 DNA聚合酶,反转录酶
（ RNA-directed DNA polymerase,RDDP）
（一） DNA指导的 RNA聚合酶
DNA指导的 RNA聚合酶简称 RNA聚合酶,
它以 4种 NTP为底物, 需要 DNA模板, RNA链的
合成方向也是 5’→ 3’,第一个核苷酸带有 3个磷酸,
其后每加入一个核苷酸脱去一个焦磷酸, 形成磷
酸二酯键 。 RNA链合成的起始不需要引物 。
RNA聚合酶没有校对功能 。
大肠杆菌 RNA聚合酶
细菌的 mRNA,rRNA和 tRNA都由同一种
RNA聚合酶转录 。 RNA聚合酶的转录速度在
37℃ 约为 50个核苷酸 /s,与多肽链的合成速度
（ 15个氨基酸 /s） 大致相当 。
大肠杆菌 RNA聚合酶由 5种 6个亚基组成,
α 2ββ ’σω, 其中 α 2ββ ’是 核心酶 。
大肠杆菌 RNA聚合酶各亚基的性质和功能
亚基 基因 分子量 亚基数目 功 能
α rpoA 40,000 2 酶的装配 与启动子上游元件及活化因子结合
β rpoB 155,000 1 结合核苷酸底物 催化磷酸二酯键形成
β’ rpoC 160,000 1 与模板 DNA结合
σ rpoD 32,000~92,000 1 识别启动子 促进转录的起始
ω 9,000 1 未知
σ 因子的功能
σ 因子的功能在于 引导 RNA聚合酶稳定地
结合到 DNA启动子上, σ因子有多种, 不同类型
的启动子由不同的 σ因子识别 。 σ因子的存在对
核心酶的构象有较大影响, 它导致 RNA聚合酶
与 DNA的一般序列及启动子序列的亲和力有很
大不同, 极大地降低了酶与 DNA一般序列的结
合常数和停留时间, 同时又大大增加了酶与启动
子的结合常数和停留时间 。
RNA聚合酶与启动子的结合
全酶可通过扩散与 DNA任意部位结合, 这种
结合是疏松的, 随后酶结合的 DNA部位迅速被置
换, 也可以说是酶在 DNA上不断地变换结合位点,
直到遇上启动子序列, 随即由疏松结合变成牢固结
合 。 此处 DNA双链被局部解开, 转录开始 。 转录
开始后 σ因子脱落, 转录进入延伸阶段 。
大
肠
杆
菌RNA
聚
合
酶
与DNA
的
相
互
作
用
σ 因子与核心酶
全酶
全酶与 DNA复合 物
核心酶钳住 DNA
σ因子脱落
真核生物 RNA聚合酶
真核 生物 RNA聚合酶主要有 3类, 通常有 8～ 14
个亚基, 并含有 Zn2+。 它们分别负责合成不同类型
的 RNA,利用它们对抑制剂 α -鹅膏蕈碱的敏感性的
差异可以辨别它们 。
真核生物 RNA聚合酶自身不能识别和结合到启
动子上, 它也没有 σ 因子, 而是需要在启动子上由
多种转录因子 （ 各种参与转录的蛋白质 ） 和 RNA聚
合 酶组装成活性转录复合物才能起始转录 。
真核生物 RNA聚合酶
的种类和性质
酶的种类 功 能 对抑制剂的敏感性
RNA聚合酶 Ⅰ
转录 45S rRNA前体, 经加
工产生 5.8S, 18S 和 28S
rRNA
对 α－鹅膏蕈碱
不敏感
RNA聚合酶 Ⅱ 转录所有编码蛋白质的基因和大多数 snRNA 对 α－鹅膏蕈碱 敏感
RNA聚合酶 Ⅲ
转录小 RNA的基因, 包括
tRNA, 5S rRNA, U6
snRNA和 scRNA
对 α－鹅膏蕈碱
中等敏感
Back1 Back2
真核生物细胞器 RNA聚合酶
真核细胞的线粒体和叶绿体中也有自己的
RNA聚合酶, 它们分别转录线粒体和叶绿体中
的基因 。 线粒体和叶绿体 RNA聚合酶不同于细
胞核 RNA聚合酶, 它们的结构较简单, 类似于
原核生物的 RNA聚合酶, 能催化线粒体中和叶
绿体中各种 RNA的转录, 并被原核生物 RNA聚
合酶的抑制剂利福平等抑制 。
（二）启动子和转录因子
利用足迹法 （ footprint） 和 DNA测序法可以
确定启动子的序列结构 。
DNA-protein complex Naked DNA protein
（ ↑Arrows indicate DNase Ⅰ
cleavage sites）
足
迹
法
测
定DNA
上
蛋
白
质
的
结
合
位
点
RNA聚合酶与 DNA的结合
习惯 上 DNA的序列按其意义链来描述 。 从左到
右 相当于 5’→ 3’方向 。 转录单位的起点核苷酸编号为
+1,往右依次为 +2,+3,· · · · · · 从 +1往 5’上游编号依次
为 -1,-2,· · · · · ·
当 RNA聚合酶全酶最初与 DNA结合时, 它覆盖
的长度 为 75～ 80bp,从启动子的 - 55 ～ +20。 在转录
起始阶段结束时, σ因子被释放, 核心酶覆盖的长度
约为 60bp。 到核心酶再向前移动若干核苷酸后, 核
心酶进入延伸阶段, 只覆盖 30～ 40bp。
大
肠
杆
菌RNA
聚
合
酶
在
转
录
的
起
始
阶
段
缩
短
覆
盖DNA
的
长
度
原核生物启动子
在原核基因启动子中, 有一个位于 -10的
pribnow box（ TATAAT） 和位于 -35的 sextama
box （ TTGACA） 。 这两个序列是决定启动子强
度的重要因素 。 Pribnow box是 RNA聚合酶的牢固
结合位点及解链位点, sextama box是 RNA聚合酶
的识别位点 。 在 -10区和 -35区之间的序列并不重要,
然而这两个区之间的距离却十分重要 。 天然启动
子中这段距离大多为 15~20bp,实验表明这段距离
为 17bp时转录效率最高 。
大肠杆菌启动子共有
序列的功能
大肠杆菌不同 σ 因子识别具
有不同共有序列的启动子
基因 因子 用途 -35序列 间隔 -10序列
rpo D σ70 通用 TTGACA 16~18bp TATAAT
rpo H σ32 热休克 CCCTTGAA 13~15bp CCCGATNT
rpo E σE 热休克 未知 未知 未知
rpo N σ54 氮源 CTGGNA 6bp TTGCA
fli A σF 鞭毛 CTAAA 15bp GCCGATAA
真核生物启动子
真核生物启动子 有 3类, 分别由 RNA聚合 酶 Ⅰ,
Ⅱ, Ⅲ 转录, 起始转录需要许多转录因子的参与,
启动子的识别也是靠转录因子的作用 。 类别 Ⅰ 启动
子控制的基因有许多拷贝, 往往成簇存在 。 这类启
动子由两部分保守序列组成, 核心启动子 （ core
promoter） 位于转录起点附近, 从 -45 ~ +20；上游
控制元件 （ upstream control element） 位于 -180 ~ -
107。 两部分都有富含 GC的区域 。 RNA聚合酶 Ⅰ 对
其转录需要两种转录因子的参与 。
真核生物类别 Ⅰ 启动子
的转录因子
UBF1和 SL1是参与类别 Ⅰ 启动子转录的两种转录因
子, 其中 UBF1为单链蛋白, SL1为四聚体蛋白 。
go1
真核生物的类别 Ⅱ 启动子
类别 Ⅱ 启动子包含 4类控制元件,
基本启动子 （ basal promoter）
起始子 （ initiator）
上游元件 （ upstream element）
应答元件 （ response element）
go2
基本启动子
类别 Ⅱ 启动子中的基本启动子序列为中心
在 -25 ~ -30左右的 7bp保守区, 其碱基频率为
T82A97T93A85 A82
A63 A50
T37 T37
根据基本启动子中保守序列的特点, 也将
其称为 TATA BOX。
几种真核基因的基本启动子
RNA聚合酶 Ⅱ 和转录因子
在启动子上的装配
转
录
起
始
复
合
物
的
装
配
起始子
起始子是转录起始点处的一个保守序列, 其
共有序列如下
Py Py AN Py Py +1 T A
上游元件和应答元件
见 P463表 36-4
真核生物类别 Ⅲ 启动子
类别 Ⅲ 启动子涉及一些小分子 RNA的转录 。
5S rRNA,tRNA以及 scRNA基因的启动子位于
转录起始点的下游, 即在基因的转录区域内部 。
snRNA 基因的启动子在转录起始点的上游, 与
通常的启动子类似 。
爪 蟾 5S rRNA基因的启动子位于 +55 ~ +80。
类别 Ⅲ 启动子的结构特点
下游启动子
snRNA基因 的上游启动子
（三）终止子和终止因子
提供转录停止信号 的 DNA序列称为终止子
（ terminator）, 协助 RNA聚合酶识别终止信号
的 蛋 白辅 助因 子称 为 终止 因子 （ termination
factor） 。 有些终止子的作用可被特异的因子所阻
止, 使酶越过终止子继续转录, 这称为通读 。 这
类能够抗终止的蛋白质因子称为抗终止因子
（ antitermination factor） 。
原核生物终止子的结构特点
大肠杆菌有两类终止子：一类称为不依赖于 ρ
因子的终止子, 或简单终止子；另一类称为依赖于
ρ 因子的终止子 。
简单终止子有一段回文结构, 其后还有一系列
U（ 约有 6个 ）, 回文结构中通常有一段富含 GC的
序列, 寡聚 U序列可能提供信号使 RNA聚合酶脱离
模板 。
依赖于 ρ 因子的终止子其回文结构不含富有 GC
区, 回文结构之后也无寡聚 U。 依赖于 ρ 因子的终
止子在细菌染色体中少见, 而在噬菌体中广泛存在 。
原核生物的两
类终止子
不依赖与 ρ 因子的终止子 依赖于 ρ 因子的终止子
不依赖 ρ 因子的转录终止机制
在转录 过程中, RNA聚合酶沿着模板链向前
移动, 它感受的终止信号来自刚转录出的 RNA中,
而不是感受 DNA模板上的信号 。 在转录出终止子
序列后, RNA上的终止序列形成发夹结构 。 在转
录出不依赖于 ρ因子的终止子序列后, RNA聚合酶
感受到终止信号 （ 发夹结构和寡聚 U）, 与模板脱
离, 新生 RNA链也与模板 DNA分开 。
依赖 ρ 因子的
转录终止机制
ρ 因子以六聚体的
形式存在, 在 有 RNA存
在时它能水解 NTP,最
近发现 ρ因子 有 RNA-
DNA解旋酶的活性 。
抗终止作用
抗终止作用主要见于某些噬菌体基因表达
的时序控制 。 在早期基因转录表达出抗终止蛋
白后, 使得转录通读, 进入晚期基因表达 。 这
种方式可使一个启动子控制后面基因的时序表
达 。
真核生物基因
的转录终止
真核生物转录的终止信号和终止过程还不
清楚 。 实验表明, RNA聚合酶 Ⅱ 的转录产物在 3’
末端切断, 然后加上腺苷酸尾 （ poly A） 。
真核生物基因的转录终止
mRNA
在此处
被切断
poly A加
到 3’末端
加尾信号
（五） RNA生物合成的抑制剂
1.嘌呤和嘧啶类似物
它们抑制核苷酸合成酶类, 或形成相应的核
苷酸后掺入到核酸中, 影响 RNA转录, 也能影响
DNA复制, 从而可以用于癌症治疗 。
嘌呤和嘧啶类似物
6-巯基嘌呤 硫鸟嘌呤 5-氟尿嘧啶
8-氮鸟嘌呤 2,6-二氨基嘌呤 6-氮尿嘧啶
（五） RNA生物合成的抑制剂
2.DNA模板功能的抑制物
烷化剂,修饰碱基, 引起细胞突变和致癌 。
放线菌素,与 DNA形成非共价复合物, 低浓度可
抑制 RNA转录, 高浓度抑制 DNA复制 。
嵌入染料,可插入双链 DNA的相邻碱基对之间,
导致移码突变, 也能抑制转录和复制 。
碱基的烷化剂
苯丁酸氮芥
环磷酰胺
放线菌素 D
嵌入染料
吖啶黄
原黄素
吖啶橙
溴乙锭
（五） RNA生物合成的抑制剂
3.RNA聚合酶的抑制剂
利福霉素,抑制细菌 RNA聚合酶的活性 。
利链菌素,抑制细菌 RNA聚合酶的活性 。
α -鹅膏蕈碱,抑制真核生物 RNA聚合酶活性 。
二,RNA的转录后加工
（一）原核生物中 RNA的加工
切割
甲基化
原核生物 tRNA的转录后加工
原核生物
tRNA的转
录后加工
tRNA3’末端 CCA的产生
所有 成熟 tRNA分子的 3’端都有 CCA结构,
它对于接受氨酰基是必要的 。 细菌 tRNA前体存
在两类不同的 3’端序列 。 一类其自身具有 CCA的
结构, 将 3’端多余的序列切除后刚好暴露出 CCA
序列；另一类是当切除 3’端多余序列后, 通过
tRNA核苷酰转移酶加上 CCA。
tRNA的加工还包括碱基的修饰 。
原核生物 mRNA前体的加工
细菌 中的 mRNA大多不需要加工, 一经转录
即可直接进行翻译 。 甚至在转录出部分 mRNA序
列时就已经开始了翻译, 也就是一边转录 一边翻
译, 翻译滞后一些 。
但也有少数多顺反 子 mRNA须 通过核酸内切
酶切割成较小的单位, 然后再翻译 。 这些较小的
单位可以是单个基因, 也可以是多个基因序列的
组合 。
原核生物中的边转录边翻译
（二）真核生物中 RNA的
一般加工
真核 生物 rRNA和 tRNA前体的加工过程与原
核生物相似, 但 mRNA前体必须经过复杂的加工,
才能成为成熟的 mRNA。
真核生物 rRNA前体的加工
哺乳类动物 的 18S,5.8S和 28SrRNA基因构
成一个转录单位, 转录产生 45S rRNA前体, 然
后通过剪切加工成各个成熟的 rRNA。
真核生物 rRNA的修饰
rRNA在成熟过程中可被甲基化, 主要的甲
基化位点也在核糖 2’羟基上 。 还有尿嘧啶转变成
假尿嘧啶的修饰 。 这些修饰和切割是由核仁小
RNA（ small nucleolar RNA,snoRNA） 指导的 。
snoRNA指导 rRNA
位点特异的修饰
snoRNA snoRNA
C/D snoRNA H/ACA snoRNA
指导 2’-O-甲基化 指导假尿苷酸化
真核生物 tRNA前体的加工
真核 生物 tRNA的加工与原核生物类似, 只
是真核生物 tRNA3’端的 CCA都是 后加的 。
真核生物 mRNA前体的加工
mRNA 的 前 体 称 为 核 内 不 均 一 RNA
（ heterogeneous nuclear RNA,hnRNA）, 因
为一个细胞中有许多种不同的 mRNA,也就有
许多种不同的前体 。 hnRNA在加工成熟的过程
中有 5’端加帽, 3’端加尾, 去除内含子等过程 。
5’端加帽 ( m7Gppp )
大约转录出 30个核苷酸时, 在鸟苷转移酶催
化下, GTP与新生 RNA链的 5’端的三磷酸发生缩
合反应, 在 RNA的 5’端加上 G残基的帽子, 在帽子
上再进行甲基化, 通常甲基化的位点是碱基上的 7
位, 核糖的 2’位也可以甲基化 。 帽子结构将在其
后的翻译中发挥重要作用；另一个作用可能是保
护新生的 RNA,避免其在合成过程中被降解 。
mRNA 5’端的帽子结构
存在于所有
类型帽子中 在 Ⅰ 类型帽子中,
此位点也可被甲基化
G通过 5’－ 5’键加入
存在于 Ⅰ 类型帽子中
存在于 Ⅱ 类型帽子中
初级转录物
3’端加多聚腺苷酸尾
真核 生物 mRNA的 3’端通常都有 20～ 200个
腺苷酸, 但也有例外, 如组蛋白, 呼肠孤病毒
和不少植物病毒的 mRNA没有多聚腺苷酸尾 。
加尾过程是在细胞核内完成的, 通过多聚腺苷
酸聚合酶催化反应完成 。
poly A尾的存在可以提高 mRNA的稳定性 。
（三） RNA的拼接、编辑
和再编码
大多数真核基因都是断裂基因, 但也有少数
编码蛋白质的基 以及一些 tRNA和 rRNA基因是连
续的 。 断裂基因的转录产物须通过拼接, 去除插
入部分 （ intron,内含子 ） 使保留部分 （ exon，
外显子 ） 成为连续序列 。
典型的真核生物基因结构
各种 RNA前体的剪接
类型 Ⅰ 类型 Ⅱ 核 mRNA的 核 tRNA的
自我剪接 自我剪接 剪接体剪接 酶促剪接
各种剪接类型的分布
类型 Ⅰ 自我剪接的内含子分布很广, 存在于
真核生物的线粒体和叶绿体基因, 低等真核生物
核的 rRNA基因, 细菌和噬菌体的个别 基因中 。
类型 Ⅱ 内含子也具有自我催化功能, 它与类
型 Ⅰ 内含子自我剪接的差别在于转酯反应无需游
离鸟苷酸 （ 或鸟苷 ） 发动 。 类型 Ⅱ 内含子只见于
某些真菌线粒体和植物叶绿体基因 。
有些 Ⅰ 和 Ⅱ 型内含子中也编码有核酸内切酶,
逆转录酶或成熟酶等 。
反式剪接
反式剪接是分子间剪接, 从两个不同的转录
本中各取一段连接起来 。
存在于锥 虫的从多 mRNA,其 5’端有一共同的
35个核苷酸长的前导序列 。 该前导序列来自一些
重复单位的转录产物, 从这些转录产物中剪下前
导序列再连接到其他 mRNA的 5’端 。
反式剪接示意图
选择性剪接
一个基因的转录产物, 通过不同的剪接方
式, 可以产生不同 的 mRNA,从而翻译出不同
的蛋白质 。 一个基因转录本通过选择性剪接产
生的不同蛋白质称为同源体 （ isoform） 。
选择性剪接示意图
RNA编辑
RNA编辑是指修饰或轻微改变 mRNA的核苷
酸序列, 使它们与对应的模板 DNA序列有所不同
的预定过程 。
迄今发现真核生物线粒体中存在的 RNA编辑
类型有：核苷酸的转录后插入和缺失；转录物在
C转换成 U时创造终止密码子 UAA；碱基间的转
换 。
常见的 RNA编辑是 C→U 的转换。
RNA编辑的发现
1986年 Benne R等在研究锥虫线粒体 DNA时发
现, 其细胞色素氧化酶亚基 Ⅱ （ coⅡ ） 基因与酵母
或人的相应基因对比存在一个 -1的移码突变, 然而
酶的功能又是正常的 。 进一步比较 coⅡ 基因与其转
录物的序列, 发现转录物在移码突变位点附近有 4个
不被基因 DNA编码的额外尿苷酸, 正好纠正了基因
的移码突变 。 由于影响分子杂交技术在线粒体内找
不到第二个 coⅡ 基因, 所以认为这些尿苷酸是在转
录中或转录后插进去的 。
锥虫 coⅡ 基因与其表达产物
的序列比较
DNA正链序列 GA G A A
mRNA序列 GAU UGU AUA
蛋白质序列 Asp Cys Ile
RNA编辑的生物学意义
?可以纠正基因突变造成的损害
?增加基因产物的多样性
?与生物发育和分化有关
?有利于生物进化
RNA的降解
RNA降解是涉及基因表达的一个重要环节 。
rRNA和 tRNA是稳定的 RNA,其更新率较低 。
mRNA是不稳定的 RNA,其更新 率非常高 。
细胞内有各种能够降解 RNA的酶, 如
5’→ 3’外切核酸酶, 3’→ 5’外切核酸酶, 核酸内
切酶等 。
不同的 RNA其稳定性不同, 稳定性与其结
构有关, mRNA的 5’帽子, poly A尾, 发卡结
构等都有稳定 RNA的作用 。
三、在 RNA指导下 RNA
和 DNA的合成
（一） RNA的复制
从有些感染 RNA病毒的细胞中可以分离出
RNA复制酶, 这种酶以病毒 RNA为模板, 在有
4× NTP及 Mg2+存在时, 能够合成出与模板 RNA
互补的 RNA链 。 再以新合成的 RNA链为模板,
可以合成出与原 RNA一样的 RNA,这就是 RNA
的复制 。
噬菌体 QβRNA的复制
Qβ噬菌体的复制酶由 4个亚基组成, 噬菌体
RNA只编码其中的 β亚基, 另外 3个亚基都是利
用宿主细胞中的蛋白质 。
Qβ噬菌体的 RNA本身就是 mRNA,称为正
链, 侵入宿主细胞后即可翻译出复制酶的 β亚基,
β亚基与来自宿主的其他亚基结合后, 成为有活
性的复制酶, 复制自身的 RNA。
复制酶有底物特异性, 它只复制病毒的
RNA,而不复制宿主细胞中的其他 RNA。
噬
菌
体Q
βR
NA
的
复
制
病毒 RNA复制的主要方式
正链 RNA病毒,先复制出负链, 再复制出正链 。
（侵入的正链可翻译出蛋白质，产生复制酶）
负链 RNA病毒：先复制出正链, 再复制出负链 。
（带入复制酶）
双链 RNA病毒：先转录出正链, 再复制出负链 。
（带入复制酶）
逆转录病毒：先逆转录成 DNA,再转录出 RNA。
（带入逆转录酶）
ssRNA的极性
① 如果单链 RNA可作为 mRNA,可充当翻译的
模板, 叫做正链 RNA。 正极性
② 如果单链 RNA与 mRNA互补, 则无充当翻译
模板的可能, 叫做负链 RNA。 负极性
③ 双意 RNA：一个病毒核酸的 RNA某一部分正
极性, 另一部分负极性 。
RNA的逆转录
以 RNA为模板合成 DNA的 过程称为逆转录 （ 反
转录 ）, 催化此反应的酶称为逆转录酶 （ 反转录
酶 ） 。
逆转录酶 催化的 DNA合成反应以 4× dNTP为底
物, 要求有模板和引物, 体内的引物一般为 tRNA。
逆转录酶 除了能以 RNA为模板外, 也可以以
DNA为模板, 所以它也是 DNA聚合 酶 。
逆转录酶还有 RNase H活性, 此活性专门降解
DNA-RNA杂交双链中的 RNA。
(Biosynthesis and processing of RNA )
一,DNA指导下 RNA的合成
二,RNA的转录后加工
三、在 RNA指导下 RNA和 DNA的合成
遗
传
信
息
的
流
向
转录和转录后的加工
贮存于 DNA中的遗传信息须通过转录和翻译而
得到表达 。 在转录过程中, 以 DNA的一条链作模板,
在 RNA聚合酶的催化下, 利用 4种 NTP为原料, 合
成与模板链互补的 RNA分子 。 与 DNA模板链互补
的另一条 DNA单链为意义链 。
细胞内的各种 RNA都是通过转录产生的 （ 某些
RNA病毒除外, 它们有 RNA的复制 ）, 转录出的
RNA通常需要经过各种加工才能成为成熟的, 有功
能的 RNA产物 。
DNA意义链、模板链和 RNA、
蛋白质的关系
意义链
转录的方向与模板链
在一个 DNA分子长链上有许多基因, 若将
DNA分子的两条链分别称为 A链和 B链, 有些基
因的模板链位于 A链上, 有些基因的模板链位于
B链上, 这两类基因的转录方向刚好相反 。
注意：我们在描述一个基因的序列时, 描述
的是它的意义链 。
RNA
一,DNA指导下 RNA的合成
转录单位
在 DNA指导下合成 RNA称为转录 。 在 DNA长
链上有许多基因, 也有许多转录起始点和转录终止
点, 形成相应的转录单位 。 一个转录单位可以只含
一个基因, 称为单顺反子；也可以含多个基因, 称
为多顺反子 。
在每一个转录起始点附近都有特殊的序列, 只
有具有这种序列才能在此处起始转录, 这种特殊的
序列叫启动子 （ promoter） 。
转录受到严格的调控
基因的转录是一种有选择的过程, 随着不同
的细胞类型, 生长发育的不同阶段, 外界环境条
件的变化而转录不同的基因 。 转录是基因表达调
控中最重要的层次 。
核酸合成酶类
DNA指导的 DNA聚合酶,DNA聚合酶
（ DNA-dirceted DNA polymerase,DDDP）
DNA指导的 RNA聚合酶,RNA聚合酶
（ DNA-directed RNA polymerase,DDRP）
RNA指导的 RNA聚合酶,复制酶
（ RNA-directed RNA polymerase,RDRP）
RNA指导的 DNA聚合酶,反转录酶
（ RNA-directed DNA polymerase,RDDP）
（一） DNA指导的 RNA聚合酶
DNA指导的 RNA聚合酶简称 RNA聚合酶,
它以 4种 NTP为底物, 需要 DNA模板, RNA链的
合成方向也是 5’→ 3’,第一个核苷酸带有 3个磷酸,
其后每加入一个核苷酸脱去一个焦磷酸, 形成磷
酸二酯键 。 RNA链合成的起始不需要引物 。
RNA聚合酶没有校对功能 。
大肠杆菌 RNA聚合酶
细菌的 mRNA,rRNA和 tRNA都由同一种
RNA聚合酶转录 。 RNA聚合酶的转录速度在
37℃ 约为 50个核苷酸 /s,与多肽链的合成速度
（ 15个氨基酸 /s） 大致相当 。
大肠杆菌 RNA聚合酶由 5种 6个亚基组成,
α 2ββ ’σω, 其中 α 2ββ ’是 核心酶 。
大肠杆菌 RNA聚合酶各亚基的性质和功能
亚基 基因 分子量 亚基数目 功 能
α rpoA 40,000 2 酶的装配 与启动子上游元件及活化因子结合
β rpoB 155,000 1 结合核苷酸底物 催化磷酸二酯键形成
β’ rpoC 160,000 1 与模板 DNA结合
σ rpoD 32,000~92,000 1 识别启动子 促进转录的起始
ω 9,000 1 未知
σ 因子的功能
σ 因子的功能在于 引导 RNA聚合酶稳定地
结合到 DNA启动子上, σ因子有多种, 不同类型
的启动子由不同的 σ因子识别 。 σ因子的存在对
核心酶的构象有较大影响, 它导致 RNA聚合酶
与 DNA的一般序列及启动子序列的亲和力有很
大不同, 极大地降低了酶与 DNA一般序列的结
合常数和停留时间, 同时又大大增加了酶与启动
子的结合常数和停留时间 。
RNA聚合酶与启动子的结合
全酶可通过扩散与 DNA任意部位结合, 这种
结合是疏松的, 随后酶结合的 DNA部位迅速被置
换, 也可以说是酶在 DNA上不断地变换结合位点,
直到遇上启动子序列, 随即由疏松结合变成牢固结
合 。 此处 DNA双链被局部解开, 转录开始 。 转录
开始后 σ因子脱落, 转录进入延伸阶段 。
大
肠
杆
菌RNA
聚
合
酶
与DNA
的
相
互
作
用
σ 因子与核心酶
全酶
全酶与 DNA复合 物
核心酶钳住 DNA
σ因子脱落
真核生物 RNA聚合酶
真核 生物 RNA聚合酶主要有 3类, 通常有 8～ 14
个亚基, 并含有 Zn2+。 它们分别负责合成不同类型
的 RNA,利用它们对抑制剂 α -鹅膏蕈碱的敏感性的
差异可以辨别它们 。
真核生物 RNA聚合酶自身不能识别和结合到启
动子上, 它也没有 σ 因子, 而是需要在启动子上由
多种转录因子 （ 各种参与转录的蛋白质 ） 和 RNA聚
合 酶组装成活性转录复合物才能起始转录 。
真核生物 RNA聚合酶
的种类和性质
酶的种类 功 能 对抑制剂的敏感性
RNA聚合酶 Ⅰ
转录 45S rRNA前体, 经加
工产生 5.8S, 18S 和 28S
rRNA
对 α－鹅膏蕈碱
不敏感
RNA聚合酶 Ⅱ 转录所有编码蛋白质的基因和大多数 snRNA 对 α－鹅膏蕈碱 敏感
RNA聚合酶 Ⅲ
转录小 RNA的基因, 包括
tRNA, 5S rRNA, U6
snRNA和 scRNA
对 α－鹅膏蕈碱
中等敏感
Back1 Back2
真核生物细胞器 RNA聚合酶
真核细胞的线粒体和叶绿体中也有自己的
RNA聚合酶, 它们分别转录线粒体和叶绿体中
的基因 。 线粒体和叶绿体 RNA聚合酶不同于细
胞核 RNA聚合酶, 它们的结构较简单, 类似于
原核生物的 RNA聚合酶, 能催化线粒体中和叶
绿体中各种 RNA的转录, 并被原核生物 RNA聚
合酶的抑制剂利福平等抑制 。
（二）启动子和转录因子
利用足迹法 （ footprint） 和 DNA测序法可以
确定启动子的序列结构 。
DNA-protein complex Naked DNA protein
（ ↑Arrows indicate DNase Ⅰ
cleavage sites）
足
迹
法
测
定DNA
上
蛋
白
质
的
结
合
位
点
RNA聚合酶与 DNA的结合
习惯 上 DNA的序列按其意义链来描述 。 从左到
右 相当于 5’→ 3’方向 。 转录单位的起点核苷酸编号为
+1,往右依次为 +2,+3,· · · · · · 从 +1往 5’上游编号依次
为 -1,-2,· · · · · ·
当 RNA聚合酶全酶最初与 DNA结合时, 它覆盖
的长度 为 75～ 80bp,从启动子的 - 55 ～ +20。 在转录
起始阶段结束时, σ因子被释放, 核心酶覆盖的长度
约为 60bp。 到核心酶再向前移动若干核苷酸后, 核
心酶进入延伸阶段, 只覆盖 30～ 40bp。
大
肠
杆
菌RNA
聚
合
酶
在
转
录
的
起
始
阶
段
缩
短
覆
盖DNA
的
长
度
原核生物启动子
在原核基因启动子中, 有一个位于 -10的
pribnow box（ TATAAT） 和位于 -35的 sextama
box （ TTGACA） 。 这两个序列是决定启动子强
度的重要因素 。 Pribnow box是 RNA聚合酶的牢固
结合位点及解链位点, sextama box是 RNA聚合酶
的识别位点 。 在 -10区和 -35区之间的序列并不重要,
然而这两个区之间的距离却十分重要 。 天然启动
子中这段距离大多为 15~20bp,实验表明这段距离
为 17bp时转录效率最高 。
大肠杆菌启动子共有
序列的功能
大肠杆菌不同 σ 因子识别具
有不同共有序列的启动子
基因 因子 用途 -35序列 间隔 -10序列
rpo D σ70 通用 TTGACA 16~18bp TATAAT
rpo H σ32 热休克 CCCTTGAA 13~15bp CCCGATNT
rpo E σE 热休克 未知 未知 未知
rpo N σ54 氮源 CTGGNA 6bp TTGCA
fli A σF 鞭毛 CTAAA 15bp GCCGATAA
真核生物启动子
真核生物启动子 有 3类, 分别由 RNA聚合 酶 Ⅰ,
Ⅱ, Ⅲ 转录, 起始转录需要许多转录因子的参与,
启动子的识别也是靠转录因子的作用 。 类别 Ⅰ 启动
子控制的基因有许多拷贝, 往往成簇存在 。 这类启
动子由两部分保守序列组成, 核心启动子 （ core
promoter） 位于转录起点附近, 从 -45 ~ +20；上游
控制元件 （ upstream control element） 位于 -180 ~ -
107。 两部分都有富含 GC的区域 。 RNA聚合酶 Ⅰ 对
其转录需要两种转录因子的参与 。
真核生物类别 Ⅰ 启动子
的转录因子
UBF1和 SL1是参与类别 Ⅰ 启动子转录的两种转录因
子, 其中 UBF1为单链蛋白, SL1为四聚体蛋白 。
go1
真核生物的类别 Ⅱ 启动子
类别 Ⅱ 启动子包含 4类控制元件,
基本启动子 （ basal promoter）
起始子 （ initiator）
上游元件 （ upstream element）
应答元件 （ response element）
go2
基本启动子
类别 Ⅱ 启动子中的基本启动子序列为中心
在 -25 ~ -30左右的 7bp保守区, 其碱基频率为
T82A97T93A85 A82
A63 A50
T37 T37
根据基本启动子中保守序列的特点, 也将
其称为 TATA BOX。
几种真核基因的基本启动子
RNA聚合酶 Ⅱ 和转录因子
在启动子上的装配
转
录
起
始
复
合
物
的
装
配
起始子
起始子是转录起始点处的一个保守序列, 其
共有序列如下
Py Py AN Py Py +1 T A
上游元件和应答元件
见 P463表 36-4
真核生物类别 Ⅲ 启动子
类别 Ⅲ 启动子涉及一些小分子 RNA的转录 。
5S rRNA,tRNA以及 scRNA基因的启动子位于
转录起始点的下游, 即在基因的转录区域内部 。
snRNA 基因的启动子在转录起始点的上游, 与
通常的启动子类似 。
爪 蟾 5S rRNA基因的启动子位于 +55 ~ +80。
类别 Ⅲ 启动子的结构特点
下游启动子
snRNA基因 的上游启动子
（三）终止子和终止因子
提供转录停止信号 的 DNA序列称为终止子
（ terminator）, 协助 RNA聚合酶识别终止信号
的 蛋 白辅 助因 子称 为 终止 因子 （ termination
factor） 。 有些终止子的作用可被特异的因子所阻
止, 使酶越过终止子继续转录, 这称为通读 。 这
类能够抗终止的蛋白质因子称为抗终止因子
（ antitermination factor） 。
原核生物终止子的结构特点
大肠杆菌有两类终止子：一类称为不依赖于 ρ
因子的终止子, 或简单终止子；另一类称为依赖于
ρ 因子的终止子 。
简单终止子有一段回文结构, 其后还有一系列
U（ 约有 6个 ）, 回文结构中通常有一段富含 GC的
序列, 寡聚 U序列可能提供信号使 RNA聚合酶脱离
模板 。
依赖于 ρ 因子的终止子其回文结构不含富有 GC
区, 回文结构之后也无寡聚 U。 依赖于 ρ 因子的终
止子在细菌染色体中少见, 而在噬菌体中广泛存在 。
原核生物的两
类终止子
不依赖与 ρ 因子的终止子 依赖于 ρ 因子的终止子
不依赖 ρ 因子的转录终止机制
在转录 过程中, RNA聚合酶沿着模板链向前
移动, 它感受的终止信号来自刚转录出的 RNA中,
而不是感受 DNA模板上的信号 。 在转录出终止子
序列后, RNA上的终止序列形成发夹结构 。 在转
录出不依赖于 ρ因子的终止子序列后, RNA聚合酶
感受到终止信号 （ 发夹结构和寡聚 U）, 与模板脱
离, 新生 RNA链也与模板 DNA分开 。
依赖 ρ 因子的
转录终止机制
ρ 因子以六聚体的
形式存在, 在 有 RNA存
在时它能水解 NTP,最
近发现 ρ因子 有 RNA-
DNA解旋酶的活性 。
抗终止作用
抗终止作用主要见于某些噬菌体基因表达
的时序控制 。 在早期基因转录表达出抗终止蛋
白后, 使得转录通读, 进入晚期基因表达 。 这
种方式可使一个启动子控制后面基因的时序表
达 。
真核生物基因
的转录终止
真核生物转录的终止信号和终止过程还不
清楚 。 实验表明, RNA聚合酶 Ⅱ 的转录产物在 3’
末端切断, 然后加上腺苷酸尾 （ poly A） 。
真核生物基因的转录终止
mRNA
在此处
被切断
poly A加
到 3’末端
加尾信号
（五） RNA生物合成的抑制剂
1.嘌呤和嘧啶类似物
它们抑制核苷酸合成酶类, 或形成相应的核
苷酸后掺入到核酸中, 影响 RNA转录, 也能影响
DNA复制, 从而可以用于癌症治疗 。
嘌呤和嘧啶类似物
6-巯基嘌呤 硫鸟嘌呤 5-氟尿嘧啶
8-氮鸟嘌呤 2,6-二氨基嘌呤 6-氮尿嘧啶
（五） RNA生物合成的抑制剂
2.DNA模板功能的抑制物
烷化剂,修饰碱基, 引起细胞突变和致癌 。
放线菌素,与 DNA形成非共价复合物, 低浓度可
抑制 RNA转录, 高浓度抑制 DNA复制 。
嵌入染料,可插入双链 DNA的相邻碱基对之间,
导致移码突变, 也能抑制转录和复制 。
碱基的烷化剂
苯丁酸氮芥
环磷酰胺
放线菌素 D
嵌入染料
吖啶黄
原黄素
吖啶橙
溴乙锭
（五） RNA生物合成的抑制剂
3.RNA聚合酶的抑制剂
利福霉素,抑制细菌 RNA聚合酶的活性 。
利链菌素,抑制细菌 RNA聚合酶的活性 。
α -鹅膏蕈碱,抑制真核生物 RNA聚合酶活性 。
二,RNA的转录后加工
（一）原核生物中 RNA的加工
切割
甲基化
原核生物 tRNA的转录后加工
原核生物
tRNA的转
录后加工
tRNA3’末端 CCA的产生
所有 成熟 tRNA分子的 3’端都有 CCA结构,
它对于接受氨酰基是必要的 。 细菌 tRNA前体存
在两类不同的 3’端序列 。 一类其自身具有 CCA的
结构, 将 3’端多余的序列切除后刚好暴露出 CCA
序列；另一类是当切除 3’端多余序列后, 通过
tRNA核苷酰转移酶加上 CCA。
tRNA的加工还包括碱基的修饰 。
原核生物 mRNA前体的加工
细菌 中的 mRNA大多不需要加工, 一经转录
即可直接进行翻译 。 甚至在转录出部分 mRNA序
列时就已经开始了翻译, 也就是一边转录 一边翻
译, 翻译滞后一些 。
但也有少数多顺反 子 mRNA须 通过核酸内切
酶切割成较小的单位, 然后再翻译 。 这些较小的
单位可以是单个基因, 也可以是多个基因序列的
组合 。
原核生物中的边转录边翻译
（二）真核生物中 RNA的
一般加工
真核 生物 rRNA和 tRNA前体的加工过程与原
核生物相似, 但 mRNA前体必须经过复杂的加工,
才能成为成熟的 mRNA。
真核生物 rRNA前体的加工
哺乳类动物 的 18S,5.8S和 28SrRNA基因构
成一个转录单位, 转录产生 45S rRNA前体, 然
后通过剪切加工成各个成熟的 rRNA。
真核生物 rRNA的修饰
rRNA在成熟过程中可被甲基化, 主要的甲
基化位点也在核糖 2’羟基上 。 还有尿嘧啶转变成
假尿嘧啶的修饰 。 这些修饰和切割是由核仁小
RNA（ small nucleolar RNA,snoRNA） 指导的 。
snoRNA指导 rRNA
位点特异的修饰
snoRNA snoRNA
C/D snoRNA H/ACA snoRNA
指导 2’-O-甲基化 指导假尿苷酸化
真核生物 tRNA前体的加工
真核 生物 tRNA的加工与原核生物类似, 只
是真核生物 tRNA3’端的 CCA都是 后加的 。
真核生物 mRNA前体的加工
mRNA 的 前 体 称 为 核 内 不 均 一 RNA
（ heterogeneous nuclear RNA,hnRNA）, 因
为一个细胞中有许多种不同的 mRNA,也就有
许多种不同的前体 。 hnRNA在加工成熟的过程
中有 5’端加帽, 3’端加尾, 去除内含子等过程 。
5’端加帽 ( m7Gppp )
大约转录出 30个核苷酸时, 在鸟苷转移酶催
化下, GTP与新生 RNA链的 5’端的三磷酸发生缩
合反应, 在 RNA的 5’端加上 G残基的帽子, 在帽子
上再进行甲基化, 通常甲基化的位点是碱基上的 7
位, 核糖的 2’位也可以甲基化 。 帽子结构将在其
后的翻译中发挥重要作用；另一个作用可能是保
护新生的 RNA,避免其在合成过程中被降解 。
mRNA 5’端的帽子结构
存在于所有
类型帽子中 在 Ⅰ 类型帽子中,
此位点也可被甲基化
G通过 5’－ 5’键加入
存在于 Ⅰ 类型帽子中
存在于 Ⅱ 类型帽子中
初级转录物
3’端加多聚腺苷酸尾
真核 生物 mRNA的 3’端通常都有 20～ 200个
腺苷酸, 但也有例外, 如组蛋白, 呼肠孤病毒
和不少植物病毒的 mRNA没有多聚腺苷酸尾 。
加尾过程是在细胞核内完成的, 通过多聚腺苷
酸聚合酶催化反应完成 。
poly A尾的存在可以提高 mRNA的稳定性 。
（三） RNA的拼接、编辑
和再编码
大多数真核基因都是断裂基因, 但也有少数
编码蛋白质的基 以及一些 tRNA和 rRNA基因是连
续的 。 断裂基因的转录产物须通过拼接, 去除插
入部分 （ intron,内含子 ） 使保留部分 （ exon，
外显子 ） 成为连续序列 。
典型的真核生物基因结构
各种 RNA前体的剪接
类型 Ⅰ 类型 Ⅱ 核 mRNA的 核 tRNA的
自我剪接 自我剪接 剪接体剪接 酶促剪接
各种剪接类型的分布
类型 Ⅰ 自我剪接的内含子分布很广, 存在于
真核生物的线粒体和叶绿体基因, 低等真核生物
核的 rRNA基因, 细菌和噬菌体的个别 基因中 。
类型 Ⅱ 内含子也具有自我催化功能, 它与类
型 Ⅰ 内含子自我剪接的差别在于转酯反应无需游
离鸟苷酸 （ 或鸟苷 ） 发动 。 类型 Ⅱ 内含子只见于
某些真菌线粒体和植物叶绿体基因 。
有些 Ⅰ 和 Ⅱ 型内含子中也编码有核酸内切酶,
逆转录酶或成熟酶等 。
反式剪接
反式剪接是分子间剪接, 从两个不同的转录
本中各取一段连接起来 。
存在于锥 虫的从多 mRNA,其 5’端有一共同的
35个核苷酸长的前导序列 。 该前导序列来自一些
重复单位的转录产物, 从这些转录产物中剪下前
导序列再连接到其他 mRNA的 5’端 。
反式剪接示意图
选择性剪接
一个基因的转录产物, 通过不同的剪接方
式, 可以产生不同 的 mRNA,从而翻译出不同
的蛋白质 。 一个基因转录本通过选择性剪接产
生的不同蛋白质称为同源体 （ isoform） 。
选择性剪接示意图
RNA编辑
RNA编辑是指修饰或轻微改变 mRNA的核苷
酸序列, 使它们与对应的模板 DNA序列有所不同
的预定过程 。
迄今发现真核生物线粒体中存在的 RNA编辑
类型有：核苷酸的转录后插入和缺失；转录物在
C转换成 U时创造终止密码子 UAA；碱基间的转
换 。
常见的 RNA编辑是 C→U 的转换。
RNA编辑的发现
1986年 Benne R等在研究锥虫线粒体 DNA时发
现, 其细胞色素氧化酶亚基 Ⅱ （ coⅡ ） 基因与酵母
或人的相应基因对比存在一个 -1的移码突变, 然而
酶的功能又是正常的 。 进一步比较 coⅡ 基因与其转
录物的序列, 发现转录物在移码突变位点附近有 4个
不被基因 DNA编码的额外尿苷酸, 正好纠正了基因
的移码突变 。 由于影响分子杂交技术在线粒体内找
不到第二个 coⅡ 基因, 所以认为这些尿苷酸是在转
录中或转录后插进去的 。
锥虫 coⅡ 基因与其表达产物
的序列比较
DNA正链序列 GA G A A
mRNA序列 GAU UGU AUA
蛋白质序列 Asp Cys Ile
RNA编辑的生物学意义
?可以纠正基因突变造成的损害
?增加基因产物的多样性
?与生物发育和分化有关
?有利于生物进化
RNA的降解
RNA降解是涉及基因表达的一个重要环节 。
rRNA和 tRNA是稳定的 RNA,其更新率较低 。
mRNA是不稳定的 RNA,其更新 率非常高 。
细胞内有各种能够降解 RNA的酶, 如
5’→ 3’外切核酸酶, 3’→ 5’外切核酸酶, 核酸内
切酶等 。
不同的 RNA其稳定性不同, 稳定性与其结
构有关, mRNA的 5’帽子, poly A尾, 发卡结
构等都有稳定 RNA的作用 。
三、在 RNA指导下 RNA
和 DNA的合成
（一） RNA的复制
从有些感染 RNA病毒的细胞中可以分离出
RNA复制酶, 这种酶以病毒 RNA为模板, 在有
4× NTP及 Mg2+存在时, 能够合成出与模板 RNA
互补的 RNA链 。 再以新合成的 RNA链为模板,
可以合成出与原 RNA一样的 RNA,这就是 RNA
的复制 。
噬菌体 QβRNA的复制
Qβ噬菌体的复制酶由 4个亚基组成, 噬菌体
RNA只编码其中的 β亚基, 另外 3个亚基都是利
用宿主细胞中的蛋白质 。
Qβ噬菌体的 RNA本身就是 mRNA,称为正
链, 侵入宿主细胞后即可翻译出复制酶的 β亚基,
β亚基与来自宿主的其他亚基结合后, 成为有活
性的复制酶, 复制自身的 RNA。
复制酶有底物特异性, 它只复制病毒的
RNA,而不复制宿主细胞中的其他 RNA。
噬
菌
体Q
βR
NA
的
复
制
病毒 RNA复制的主要方式
正链 RNA病毒,先复制出负链, 再复制出正链 。
（侵入的正链可翻译出蛋白质，产生复制酶）
负链 RNA病毒：先复制出正链, 再复制出负链 。
（带入复制酶）
双链 RNA病毒：先转录出正链, 再复制出负链 。
（带入复制酶）
逆转录病毒：先逆转录成 DNA,再转录出 RNA。
（带入逆转录酶）
ssRNA的极性
① 如果单链 RNA可作为 mRNA,可充当翻译的
模板, 叫做正链 RNA。 正极性
② 如果单链 RNA与 mRNA互补, 则无充当翻译
模板的可能, 叫做负链 RNA。 负极性
③ 双意 RNA：一个病毒核酸的 RNA某一部分正
极性, 另一部分负极性 。
RNA的逆转录
以 RNA为模板合成 DNA的 过程称为逆转录 （ 反
转录 ）, 催化此反应的酶称为逆转录酶 （ 反转录
酶 ） 。
逆转录酶 催化的 DNA合成反应以 4× dNTP为底
物, 要求有模板和引物, 体内的引物一般为 tRNA。
逆转录酶 除了能以 RNA为模板外, 也可以以
DNA为模板, 所以它也是 DNA聚合 酶 。
逆转录酶还有 RNase H活性, 此活性专门降解
DNA-RNA杂交双链中的 RNA。
