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RNA为线性单链分子，极少有环状RNA分子。RNA分子中可形成短双螺旋部分，称为发夹。RNA的转录合成类似于DNA的复制，多核苷酸链的合成都是以5’→3’的方向。

RNA的种类

tRNA：传递氨基酸的RNA

rRNA：核糖体RNA

mRNA：信使RNA，编码一个或多个蛋白质，将DNA的信息传递给蛋白质。寿命为几分钟

RNA合成概述

1、RNA合成的途径

RNA的合成方式有DNA转录和RNA复制。

DNA转录：以DNA的一股为模板合成一条互补RNA的过程，转录后的RNA序列中的U与DNA的T配对。

RNA复制：以RNA为模板合成RNA。

2、RNA合成的方式——不对称转录

转录区只有一小段DNA的一条链作为模板链(template strand)进行转录，称为不对称转录。

DNA分子中仅有一条链作为RNA的模板。如果DNA的两条链均作为RNA的模板，则每个基因必将产生两条有

互补顺序的RNA。遗传学证明每个基因只控制一个蛋白质，故实际上只合成了一条RNA链，或者即使合

成两条RNA链，其中也只有一条有功能。

模板链又称为负链(minus strand，－)、反意义链(anti-sense strand)，它与转录出来的RNA反义(序列相反)。然而模板链是针对某一基因而言的，不作为模板的DNA链为编码链，又称为正链(plus strand, +)、有意义链(sense strand)，它与转录出来的RNA同义(序列相同)--（编码链的序列与转录的RNA序列相同，只是在编码链上的T在RNA中为U）

3、转录方向、起始以及终止位点

转录是从DNA分子的特定部位开始的，这个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部位。

转录时不需引物，由RNA聚合酶催化以NTP为底物，连续合成RNA链 （DNA复制的底物是dNTP）。

在DNA上开始转录的第一个碱基规定为+1，与转录相反的方向称上游(up stream)，转录方向为下游(downstream)。DNA链上从启动子直到终止子为止的序列称为一个转录单位，一个转录单位包括一个或几个基因。

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和一个终止子

原核生物RNA合成

 RNA聚合酶

1、RNA聚合酶的特性

细胞均具有RNA聚合酶，E. coli细胞中约有7000个RNA聚合酶分子。它催化RNA主链中核苷酸间的3’,5’磷酸二酯键的形成，在37℃时RNA链的延伸速度可达40nt/s。RNA的合成必须有DNA模板存在，并且要非常精确，因为转录作用并没有校正（proofreading）机制。

2、原核生物RNA聚合酶的组成

原核生物的RNA聚合酶是由，β，β’，，等亚基和2个Zn 2+ 构成的全酶(Holoenzyme)，全酶可结合约60bp的DNA序列。

3、原核生物RNA聚合酶各亚基的功能

1）β和β’共同组成了酶的催化中心，β亚基可能是酶和核苷酸底物结合的部位，β’亚基是酶与DNA模板结合的主要成分（肝素是一种多价阴子，能与β’亚基结合。因此，肝素能与DNA竞争与RNA聚合酶相结合，从而在体外抑制转录作用。可见β’亚基有较强的碱性，可与模板DNA相结合）

2）α亚基的功能可能是识别其相应的启动子，因此α因子的功能就是帮助核心酶辨别启动子，解开DNA的双螺旋。

全酶上亚基结合不牢固，当亚基脱离后，ββ’α 2 称为核心酶。核心酶可催化核苷酸间磷酸二酯键的形成。

 启动子（Promoter）

转录时RNA聚合酶在DNA分子上与启动子识别和结合。启动子是由一些短的保守序列组成的。启动子是DNA上可与RNA聚合酶特异结合并起始转录的部位（序列），位于转录起点附近。启动子可位于上游，也可在下游（个别）

1、启动子的分离

用足迹法可鉴定并分离出启动子（或其它蛋白），启动子处的核苷酸顺序具有特异性可结合RNA聚合酶（Footprinting: a technique derived from principles used in DNA sequencing, is used to identify the specific）DNA sequences that are bound by a particular protein

当DNA被RNA pol结合时，其覆盖部分不被DNase水解，因此会被部分消化

虽然不同启动子相同位点上的碱基不同，但聚合酶与它们的接触位点相同。这表明聚合酶与启动子的结合反应并不依赖于接触点上的特定碱基。

2、启动子的结构

典型的启动子由-35区、-10区的共有序列和起始点（一般为CAT）三个部分组成

比较原核生物的多个启动子的序列后发现：在RNA转录起始点上游大约-10bp和-35bp处有两个共同的顺序，称为-10和-35序列

-10区：5’-TATAAT，称Pribnow box，RNA聚合酶就结合在此部位上。

-35区：5’-TTGACA；与转录起始的辨认有关，是亚基识别并结合的位置。-35序列在很大程度上决定了启动子的强度

注意：破坏启动子功能的突变中有75%是改变了共同顺序中的碱基，其余25%为离共同顺序较近的。保守序列以外的序列对启动有调节作用

当-10区和-35区中心位置相距16～18bp时，启动子的功能较强；否则，起始转录功能减弱。不同启动子启动效率不同，分为强启动子（1~2sec启动1次转录）和弱启动子（＞10min启动1次）

3、因子与启动子的接触

包含不同σ因子的全酶能在-35和-10区识别一系列共有序列，暗示σ因子在这些区域和DNA接触。核心酶可和不同的因子组成全酶，因子借助共有序列识别不同的启动子。

σ因子与启动子在-35区和-10区共有序列接触的直接证据是：σ的突变能够抑制共有序列的突变。当启动子特定位置的突变阻止了RNA聚合酶的识别时，σ因子的代偿突变允许聚合酶利用突变的启动子。

 

转录过程

1、转录启动（RNA合成的启动）

启动的过程：RNA聚合酶与启动子的识别和结合并形成开放复合物；RNA链的第一个磷酸二酯键形成；聚合酶成功地延伸RNA链而离开启动子

1）RNA聚合酶对启动子的识别

σ因子控制聚合酶与DNA的结合：只有全酶才能起始转录，σ因子能够保证RNA聚合酶稳定地结合到某个特异的、唯一的启动子上。σ因子具有识别特异结合位点的能力。因此全酶可紧密结合在启动子上。核心酶不能区别启动子和其它DNA序列。核心酶对DNA有一定亲和性，其中起主要作用的是碱性蛋白与酸性核苷酸间的静电吸引。

RNA聚合酶在细胞中存在的可能状态：参与转录剩余的核心酶主要以闭合松弛复合体状态存在，因为它们与DNA结合很快而解离很慢，因此很少有游离的核心酶存在。

RNA聚合酶从基因组中识别启动子的模式：

随机扩散的方式：RNA聚合酶以随机扩散方式移动，全酶很快与疏松结合位点结合或解离，直到随机遇到一个启动子，并与之识别，形成一个开放复合体而牢固结合

与RNA聚合酶结合的DNA序列之间迅速交换：RNA聚合酶结合到DNA后始终与之接触，结合了DNA后聚合酶将这段序列与其它序列迅速交换直至发现启动子，酶与启动子形成稳定的开放复合物起始转录

聚合酶沿DNA滑动：酶以一维随机方式沿DNA滑动，仅当遇到启动子时才停止。但无证据证明RNA聚合酶（或其它DNA结合蛋白）是以这种方式行使功能的

2）转录泡的形成

当RNA聚合酶结合到启动子上时，在DNA链上形成转录泡(transcription bubble)，此处DNA双螺旋被打开，其中一条作为RNA合成的模板

RNA链从5’→3’方向按照碱基配对原则逐个加上核苷酸，合成中3’-OH与新加上的核苷酸5’-三磷酸基团反应形成磷酸二酯键。当RNA聚合酶沿DNA移动时，转录泡也随之移动，合成RNA链也随之增长

3）转录起始

起始转录是RNA pol与启动子的识别作用。全酶和启动子通过形成一个闭合二元复合物而开始反应，它们的结合是可逆的，对于强启动子闭合复合体向开放二元复合物的转变是不可逆转的。与酶结合的一小段DNA序列的“熔解”导致了闭合复合体转变为开放复合体，这称为紧密结合(Tight binding)

简单的过程描述：最开始的两个核苷酸间连接形成第一个磷酸二酯键，这样就产生了三聚体(Ternary complex)，包括RNA、DNA和聚合酶。任何一个核苷酸加入后，聚合酶都有释放RNA导致失败起始(Abortive initiation)的可能性，失败起始常常产生一系列短的寡核苷酸(2~9nt)，之后聚合酶又开始合成第一个碱基。当起始过程完成后，聚合酶释放出σ因子而转变为核心酶，核心酶和DNA、新生RNA组成延伸三聚体。

2、RNA链的延伸

延伸(elongation)阶段包括DNA结构的改变引起的转录泡移动。在转录中，模板链的瞬间解旋区与新生的RNA链在生长点互补配对。延伸过程中聚合酶沿DNA移动，不断合成RNA链，随着聚合酶的迁移使DNA解旋，逐渐暴露出新的单链模板。核苷酸以共价键形式被添加到RNA链的3’末端，在解旋区形成一个RNA-DNA杂交链。解旋区之后的DNA模板链又和编码链重新形成双螺旋。RNA形成游离的单链。

RNA聚合酶是沿着DNA链3’→5’方向移动。因此RNA链的合成方向是5’→3’（转录时,相对DNA模板来说,延伸的方向是从3'向5'的.而RNA链的合成方向是从RNA的5′端向3′端的.二者是反向关系.）

1）启动和延伸要求聚合酶改变与启动子的结合力

RNA聚合酶在转录启动过程需要与启动子牢固结合，而延伸过程则要求聚合酶与转录过程中所遇到的所有序列紧密结合。σ因子与核心酶的可逆结合可以解决这个问题如下：

转录起始后σ因子或者被释放出来，或者改变与核心酶的结合而不与DNA结合。由于σ因子数量少于核心酶，因此，游离的σ因子可循环利用。释放了σ因子的核心酶会与DNA非常牢固地结合，它基本上被“锁定”在链上，直到延伸完成。转录终止时，核心酶被释放，然后恢复与DNA上疏松位点的结合。如果丢失了σ因子，核心酶必需找到另一个σ因子才能开始下一轮转录。

因子释放的必要性：因子的主要功能是启动，RNA链合成达8～9nt时，σ因子被释放（或改变结合力），否则将造成核心酶与启动子结合过紧而不能沿模板移动

2）解链和螺旋同时进行

RNA聚合酶在延伸RNA链的同时使转录泡前端解链，后端重新形成DNA双螺旋，生长的RNA链前端与模板链有较短的RNA-DNA杂交区。在RNA链离开模板时，此杂交区即复原，同时两条DNA链即又重复螺旋化

3）转录过程不断产生超螺旋

转录时在聚合酶的前端产生正超螺旋，后端形成负超螺旋。拓扑异构酶可消除超螺旋。转录速度并不恒定，在富含GC区转录速度减慢或暂停（pause），若将富含GC区突变为富含AT区，则暂停消除。

3、RNA合成的终止

每个基因或操纵子都有一个启动子和一个终止子(terminator)。终止子是转录终止所需的DNA序列。在RNA聚合酶转录过程中遇到终止子时，酶停止向正在生长的RNA链添加核苷酸，RNA-DNA杂交区域解链，从DNA模板上释放RNA产物，DNA重新形成双螺旋。产生终止作用的是聚合酶转录出的RNA形成的发夹结构。表明终止依赖于RNA产物，而不是由转录中DNA序列来决定。

（由于RNA的3’端在细胞中可能已经通过初始转录物的剪切加工，因此很难确定RNA分子的终止位点。如果用RNA聚合酶体外终止实验得到的终止位点与体内产生相同末端时就能确定真正的3’端）

1）原核生物的转录终止子种类

不依赖于蛋白质因子（ρ）而实现的终止作用，核心酶本身即可终止转录；依赖蛋白质辅因子（称为释放因子，即ρ因子）才能实现终止作用。两类终止子的共同的序列特征是在转录终止之前都有一段回文结构。因子是大肠杆菌的一种基本蛋白，只起终止转录的作用

①不依赖ρ因子的终止：不依赖ρ因子的终止子（强终止子）有一富含G:C的二重对称区，其下游有6~8个U；由这段DNA转录产生的RNA容易形成发夹结构；并在3’端为寡聚U。这两种结构特征决定了转录的终止。可能RNA产物形成的所有发夹都会减慢(或暂停)转录。

②依赖ρ因子的终止：ρ依赖型终止作用所需的序列长50~90nt(ρdependent termination, 称为rut位点)，位于终止位点上游。 因子结合在rut位点，靠水解ATP提供的能量沿RNA的5’→3’方向移动。若聚合酶移动速度因遇到终止子后形成的茎环结构而变慢时，六聚体就可追上而在终止点终止转录。ρ依赖型终止子的终止效率随rut区域长度增加而提高。（如果核糖体正在翻译一条RNA，则可阻断ρ因子沿RNA移动，因此，ρ因子接近终止子处RNA聚合酶的能力依赖于翻译过程）

 转录后的加工

原核生物的结构基因是连续编码序列，转录形成的mRNA绝大数不需加工修饰。原核生物没有核膜，转录和翻译是相偶合的，往往转录还未完成已开始翻译

1、原核生物rRNA前体的加工

E. coli的7个编码rRNA的操纵子分散于基因组中，这些操纵子的组成基本相同，均含有16S-23S-5S的三个rRNA分子。每个操纵子都可转录生成一个RNA前体，然后被切割加工为成熟的rRNA分子。原核生物的rRNA和某些tRNA基因组成混合操纵子，它们再形成多顺反子（polycistron）转录物（＞5500nts）后通过切割成为rRNA和tRNA前体，进一步加工成熟。

16S rRNA后有1～2个tRNA基因，23S和5SrRNA后有0、1或2个tRNA基因。（在16S和23SrRNA间的序列是编码tRNA的序列）

1）原核生物rRNA转录后加工

①rRNA在修饰酶催化下进行碱基的甲基化修饰

②rRNA前体被RNaseⅢ、RNase E、RNase P、RNase F等剪切成一定链长的rRNA分子

③rRNA与蛋白质结合形成核糖体的大、小亚基

2、tRNA的加工

原核或真核生物中的tRNA基因往往成簇存在

原核生物和真核生物转录生成的tRNA前体无生物活性，经剪切和拼接、碱基修饰、3’-OH连接-CCA结构等加工后才能成熟

1）tRNA前体被tRNA剪切酶切成一定大小的tRNA分子

2）成熟tRNA分子中的稀有碱基是通过修饰形成的

3）3’-末端加上CCA：在核苷酸转移酶作用下，3’-末端除去个别碱基后，换上tRNA分子统一的CCA-OH末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂结构

真核生物RNA合成与加工

真核RNA聚合酶（RNA pol）

在真核生物中已发现了RNA polⅠ、Ⅱ、Ⅲ、线粒体RNA pol和叶绿体RNA pol等，它们专一性地转录不同的基因

hnRNA是mRNA的前体

原核生物靠RNA聚合酶就可完成从起始、延长、终止的转录全过程，真核生物转录除RNA聚合酶外还需另一些叫做转录因子的蛋白质分子参与转录的全过程

真核启动子

真核生物有三种RNA聚合酶，分别都有自己的启动子

1）RNA聚合酶II启动子核苷酸序列的共同特点

①在-25区有TATA框，又称为Hogness box或Goldberg-Hogness box。保守序列为T28A97A93A85A63T37A83A50T37，富含A、T，TATA框决定了转录起点的选择

②在-75区有CAAT框，保守序列为GGTCAATCT。CAAT框与转录起始频率有关。真核转录起始点附近有增强子，它能增强启动子的活性，可存在于启动子上游或下游

真核RNA合成起始与延伸

真核生物转录起始十分复杂，需要多种蛋白因子的协助，细胞中有一类转录因子可与RNA聚合酶Ⅱ形成转录起始复合物，共同参与转录起始过程。RNA聚合酶II及转录因子是在启动子上的装配。真核生物的RNA聚合酶借助于转录因子来辨认启动子及解开双螺旋。

与RNA PolⅡ联合的转录因子有TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE、TFⅡF和TFⅡH等6种。TFⅡD能与启动子结合，并吸引其它转录因子以及聚合酶进到转录启动区。TFⅡH利用ATP的能量解开双螺旋。转录因子与RNA polⅡ共同组成转录起始复合物，转录才能在正确的位置上开始。在RNA延伸的阶段，除了TFⅡF仍与聚合酶结合外，其余的转录因子都离开RNA PolⅡ。

RNA PolⅡ最大的亚基C端的一段肽链称为CTD(carboxyl-terminal domain)。含有很多个脯氨酸、丝氨酸和苏氨酸。启动转录时CTD需处在未磷酸化状态。启动后CTD需被磷酸化才能延伸RNA。真核基因转录起始是基因表达调控的关键，多种蛋白因子间相互作用，以及这些蛋白因子与DNA元件相结合，构成控制基因转录开始的复杂体系。

真核RNA合成的终止

RNA polⅠ转录rRNA的基因，它的终止反应涉及一个辅助因子对由18个碱基构成的终止子的识别。

RNA PolⅡ所转录的基因在最后一个外显子下游都具有一个加Poly-A的信号AATAAA序列，而RNA PolⅡ一般在该位点下游停止转录。

RNA转录后的加工与修饰

真核细胞所有RNA都是以复杂的初级转录物形式被合成的。似乎RNA的加工成熟对调节mRNA、rRNA和tRNA从胞核到胞浆转运起关键作用。

1、mRNA的加工修饰

mRNA的加工修饰包括：5’端形成帽子结构、3’端加polyA、剪接除去内含子和甲基化

真核生物转录和翻译在时间和空间上是分开的，刚转录出来的mRNA分子是复杂的前体，且大小很不一致，即核内不均一RNA (heterogeneous nuclear, hnRNA)。hnRNA分子经裂解和拼接，只有少部分序列转变为成熟mRNA，其余在加工过程中被降解。其实在RNA被合成达到20～40nt时就开始进入加工阶段。

1）5’端加帽

成熟的真核生物mRNA的5’-端有m 7 GPPPN结构，称为甲基鸟苷帽子，它是在RNA三磷酸酶，mRNA鸟苷酰转移酶，mRNA（鸟嘌呤-7）甲基转移酶和mRNA（核苷-2’）甲基转移酶催化形成的。不同的甲基化可形成3种帽子类型：0、1和2。mRNA 5’-端帽子结构是翻译起始所必要的，为核糖体识别mRNA提供了信号，并协助核糖体与mRNA结合使翻译从AUG开始。帽子结构可增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5’→3’核酸外切酶的攻击

鸟苷以5’-5’三磷酸键与RNA的5’-端相连。当G第7位C被甲基化形成m 7 GPPPN时，此结构称为“帽子0”，存在于单细胞生物。

如果RNA的第1位核苷酸的2’-O位也甲基化，形成m 7 GPPPNm，称为“帽子1”，普遍存在；

如果RNA的第1、2位核苷酸的2’-O位均甲基化（2位必需是A），成为m 7 G-PPPNmNm，称为“帽子2”，此结构发生很少。

2）在3’端加尾巴

大多数真核mRNA在3’-端都有约150~200nt的Poly（A）尾巴。Poly（A）尾是转录后在核内加上的，根据Poly（A）尾巴的特点可从众多的RNA中分离mRNA。真核基因的3’端有AATAA、YGTGTGYY（Y为嘧啶）序列，作为mRNA 3’-端加polyA尾的信号。

Poly（A）尾巴可以防止核酸外切酶对mRNA信息序列的降解，起缓冲作用。Poly（A）尾巴可能对真核mRNA的翻译效率具有某种作用，使mRNA较容易被核糖体辨认。

3）mRNA甲基化

真核mRNA往往有甲基化位点，主要是在N 6 -甲基腺嘌呤（m 6 A）。这种甲基化修饰对翻译没有必要，可能在mRNA前体加工中起识别作用

4）mRNA前体（hnRNA）的拼接

真核生物的结构基因中具有可表达活性的外显子，也含有无表达活性的内含子（断裂基因）。在转录时，外显子及内含子均转录到hnRNA中。核中hnRNA在剪接复合体的作用下剪切掉内含子，然后将外显子各部分连接起来，而变为成熟的mRNA。

通过对100多种真核细胞基因的分析，发现所有内含子都是以GU开始，以AG告终的保守序列（称GT-AG规律，此规律不适合于线粒体和叶绿体的内含子，也不适合于tRNA和某些rRNA的结构基因）

2、rRNA转录后加工

真核生物rRNA基因有几十至几千个拷贝数，这些拷贝串联重复。其中18S rRNA、28S rRNA和5.8S rRNA基因成簇排列组成一个转录单位，彼此被间隔区分开，由RNA polⅠ转录成一个rRNA前体。真核生物rRNA前体必需经过切割和修整反应才能形成成熟的rRNA。（在转录过程中或刚转录完成时，rRNA中约有1~2%的核糖单位的2’-OH被S-腺苷甲硫氨酸经酶促而甲基化。在被加工成熟的rRNAs中，这些甲基全部被保存。甲基的存在是初级转录物转变成熟的rRNA的标志）

哺乳动物的初级转录物是一条45SRNA，含18S、5.8S和28S rRNAs（哺乳动物的原始转录物可能不是45S而是47S。由于3’和5’端部分很快进行转录处理除掉一小部分变为45S）

3、tRNA转录后的加工修饰

tRNA经过剪切、拼接、碱基修饰以及3’-OH端连接-CCA结构成为成熟的tRNA。真核tRNA基因也成簇排列，被间隔区分开，tRNA基因由RNA polⅢ转录。核生物转录生成的tRNA前体需进行加工修饰才有生物活性。切除内含子的酶是识别tRNA的二级结构，而不是保守序列。

4、RNA的自我剪切与催化

1）ribozyme

近些年发现一些RNA分子具有高度专一的催化活性，在无蛋白质情况下能进行剪切反应，称为ribozyme。

2）ribozyme的特点和作用方式

它的化学本质都是RNA，主要存在于核中，在胞质以及病毒和类病毒中也有发现。ribozyme的催化效率较酶(蛋白质)低得多；必需有Mg 2+ 存在时才能进行催化；它也具有催化作用的专一性。

Ribozyme的作用方式有剪切型（相当于内切核酸酶的作用，可催化RNA分子切除一段核苷酸序列）和剪接型（相当于内切酶和连接酶两种酶的联合作用，催化自身RNA进行剪切和连接）两大类型。

3）剪接型Ribozyme的作用机制

一些低等真核生物细胞核rRNA前体及线粒体中的某些mRNA前体和rRNA前体的自我成熟过程都是自我催化进行的，因此它们都是自我剪接型的ribozyme。剪接型ribozyme可分为两类，第一类的催化反应需Mg 2+ 和鸟苷或5’鸟苷酸参与，鸟苷必须有游离的3’-OH，剪下来的内含子生成环状中间产物。第二类的催化反应只需Mg 2+ ，不需要鸟苷或5’鸟苷酸，剪下的Intron生成一个套索(lariut)形式的中间产物。

RNA的复制

RNA复制是以RNA为模板合成RNA的过程，是除了逆转录病毒以外的其他RNA病毒的复制方式。有些生物,像某些病毒的遗传信息贮存在RNA分子中，当它们进入宿主细胞后，靠复制而传代，当它们以RNA模板时，在RNA复制酶作用下，按5'→3'方向合成互补的RNA分子，但RNA复制酶中缺乏校正功能，因此RNA复制时错误率很高，这与反转录酶的特点相似。RNA复制酶只对病毒本身的RNA起作用，而不会作用于宿主细胞中的RNA分子。

进行RNA复制的RNA病毒，可按基因组分为三类：正链、负链和双链RNA病毒。

正链RNA可以作为mRNA，侵入细胞后先翻译出复制酶，然后以正链为模板合成负链，再根据负链合成子代的正链。复制完成后再合成外壳蛋白等进行装配。噬菌体Qβ和冠状病毒、脊髓灰质炎病毒属于此类

负链RNA病毒（如狂犬病毒、流感病毒）和双链RNA病毒（如呼肠孤病毒）均带有复制酶，侵入后先合成正链（mRNA），用正链翻译出病毒蛋白，然后根据正链复制出负链RNA