網(wǎng)絡 ?

?

第十七章　RNA的生物合成

(The Biosynthesis of RNA)

執(zhí)行生命功能、表現(xiàn)生命特征的主要物質是蛋白質分子。DNA貯存著決定生物特征的遺傳信息，只有通過蛋白質才能表達出它的生命意義，直接決定蛋白質合成及蛋白質特征的不是RNA而是DNA，因而人們確定DNA是遺傳信息貯存者后就推測DNA是通過RNA去決定蛋白質合成的。50年代末RNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)開始證實了這一推測。

以DNA為模板合成RNA的過程稱為轉錄（transcription）。轉錄是生物界RNA合成的主要方式，是遺傳信息朋DNA向RNA傳遞過程，也是基因表達的開始（圖17-1）。轉錄也是一種酶促的核苷酸聚合過程，所需的酶叫做依賴DNA的RNA聚合酶（DNA-dependent RNA polynerase ,DDRP）。轉錄產(chǎn)生初級轉錄物為RNA前體（RNa precursor），它們必須經(jīng)過加工過程變?yōu)槌墒斓腞NA，才能表現(xiàn)其生物活性。

圖17-1　Expression of　genetic information by transcription.[Note:RNAs shown are eukaryotic.]

?

第一節(jié)　轉錄作用

　　RNA的轉錄合成從化學角度來講類似于DNA的復制，多核苷酸鏈的合成都是以5’→3’的方向，在3’-OH末端與加入的核苷酸磷酸二酯鍵，但是，由于復制和轉錄的目的不同，轉錄又具有其特點：（1）對于一個 基因組 來說，轉錄只發(fā)生在一部分基因，而且每個基因的轉錄都受到相對獨立的控制（圖17-2）；（2）轉錄是不對稱的。（3）轉錄時不需要引物，而且RNA鏈的合成是連續(xù)的。

一、依賴DNA的RNA聚合酶

真核和原核細胞內(nèi)都存在有DDRP，迄今發(fā)現(xiàn)的DDRP的有以下特點：①以DNA為模板；在DNA的兩條多苷酸鏈中只有其中一條鏈作為模板，這條鏈叫做模板鏈（template strand），又叫做無意義鏈。DNA雙鏈中另一條不做為模板的鏈叫做編碼鏈，又叫做有意義鏈，編碼鏈的的序列與轉錄本RNA的序列相同，只是在編碼鏈上的T在轉錄本RNA為U，由于RNA的轉錄合成是以DNA的一條鏈為模板而進行的，所以這種轉錄方式又叫做不對稱轉錄。②都以四種三磷酸核苷的底物，原料；③都遵循DNA與RNA之間的堿基配對原由，A=U，T=A，C=G，合成與模板DNA序列互補的RNA鏈。④RNA鏈的延長方向是5’→3’的連續(xù)合成。⑤需要Mg2+或Mn2+離子。⑥并不需要引物。RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以沒有校正功能。

圖17－2　細菌染色體上幾個基因轉錄的方向及所用模板

RNA聚合酶催化下列反應：

大腸桿菌RNA聚合酶的研究得比較透徹的，這是一個分子量達50多萬，全酶由五咱亞基組成，去掉δ亞基的部分稱為核心酶，核心酶本身就能催化苷酸間磷酸二酸鍵形成。利福平和利福霉素能結合在β亞基上而對此酶發(fā)生強烈的抑制作用。β亞基似乎是酶和核苷酸底物結合的部位。細胞內(nèi)轉錄是在DNA特定的起始點上開始的，δ亞基的功能是辨認轉錄起始點的。β’亞基是酶與DNA模板結合的主要成分。α亞基可能與轉錄基因的類型和種類有關。

表17-1 大腸桿菌RNA聚合酶

亞單位 分子量 亞單位數(shù)目 功能 α

β

β

δ 36512

150618

155613

70263 2

1

1

1 決定哪此基因被轉錄

與轉錄全過程有關

結合DNA模板

辨認起始點

真核生物中已發(fā)現(xiàn)有四種RNA聚合酶，分別稱為RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和線粒體RNA聚合酶，分子量大致都在50萬道爾頓左右，它們專一性地轉錄不同的基因，因此由它們催化的轉錄產(chǎn)物也各不相同。RNA聚Ⅰ合成RNA的活性最顯著，它位于核仁中，負責轉錄編碼rRNA的基因。而細胞內(nèi)絕大部分RNA是rRNA是RNA。RNA聚合酶Ⅱ，位于核質中，負責核內(nèi)不勻一RNA的合成，而hnRNA是mRNA的前體。RNA聚合酶Ⅲ負責合成tRNA和許多小的核內(nèi)RNAs。鵝膏蕈堿是真核生物RNA聚合酶特異性抑制劑，三種真核生物RNA聚合酶對鵝膏蕈堿的反應不同，見表17-2，原核生物靠RNA聚合酶就可完成從起始、延長、終止的轉錄全過程，真核生物轉錄除RNA聚合酶外還需另一此叫做轉錄因子的蛋白質分子參與轉錄的全過程，見后敘。

表17-2 真核生物的RNA聚合酶

種類 分布 合成的RNA類型 對α-鵝膏蕈堿的敏感性 Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Mt 核仁

核質

核質

線粒體 rRNa

hnRNA

tRNA，5sRNA

線粒體RNAs 不敏感

低濃度敏感

高濃度敏感

不敏感

二、RNA的轉錄過程

轉錄的主要過程見圖17-3，為研究和敘述方便，可將RNA合成分為識別與起始、延長和終止三個階段。

圖17-3　轉錄的主要過程

（一）識別

轉錄是從DNA分子的特定部位開始的，這個部位也是RNA聚合酶全酶結合的部信這就是啟動子。為什么RNA聚合酶能夠僅在啟動子處結合呢？顯然啟動子處的核苷酸序列具有特殊性，為了方便，人們將在DNA上開始轉錄的第一個堿基定為+1，沿轉錄方向順流而下的核苷酸序列均用正值表示；逆流而上的核苷酸序列均用負值表示。

對原核行物的100多個啟動子的序列進行了比較后發(fā)現(xiàn)；在RNA轉錄起始點上游大約-10bp和-35bp處有兩個保守的序列，在-10bp附近，有一組5’-TATAATpu的序列，這是Pribnow首先發(fā)現(xiàn)的稱為Pribnow框，RNA聚合酶就結合在互部位上。-35bp附近，有一組5’-TTGACG-的序列；已被證實與轉錄起始的辨認有關，是RNA聚合酶中的δ亞基識別并結合的位置。-35序列的重要性還在于在很大程度上決定了啟動子的強度。

由于RNA聚合酶分子很大，大約能覆蓋70bp的DNA序列，因此酶分子上的一個適合部位就能占據(jù)從-35到-10序列區(qū)域（圖17-4）。

圖17-4　Structure of the prokaryotic promoter region.

真核生物的啟動子有其特殊性，真核生物有三種RNA聚合酶，每一咱都有自己的啟動子類型。以RNA聚合酶Ⅱ的啟動子結構為例，人們比較了上百個真核生物RNA聚合酶Ⅱ的啟動子核苷酸序列伯發(fā)現(xiàn)；在-25區(qū)有TATA框，又稱為Hogness框或Goldberg-Hogness框。其一致序列為T28A97A93A85A63T37A83A50T37，基本上都由A，T堿基所組成，離體轉錄實驗表明，TATA框決定了轉錄起點的選擇，天然缺少TATA框的基本可以從一個以上的位點開始轉錄。在-75區(qū)有CAAT框，其一致的序列為GGTCAATCT。有實驗表明CAAT框與轉錄起始頻率有關，例如缺失GG，兔子的β珠蛋白基因轉錄效率只有原來的12%（圖17-5）。

圖17-5　Eukaryotic gene promoter se

? ?

?