RNA的生物合成--　转录作用

 

第十七章　RNA的生物合成

(The Biosynthesis of RNA)

执行生命功能、表现生命特征的主要物质是蛋白质分子。DNA贮存着决定生物特征的遗传信息，只有通过蛋白质才能表达出它的生命意义，直接决定蛋白质合成及蛋白质特征的不是RNA而是DNA，因而人们确定DNA是遗传信息贮存者后就推测DNA是通过RNA去决定蛋白质合成的。50年代末RNA聚合酶的发现开始证实了这一推测。

以DNA为模板合成RNA的过程称为转录（transcription）。转录是生物界RNA合成的主要方式，是遗传信息朋DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始（图17-1）。转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做依赖DNA的RNA聚合酶（DNA-dependent RNA polynerase ,DDRP）。转录产生初级转录物为RNA前体（RNa precursor），它们必须经过加工过程变为成熟的RNA，才能表现其生物活性。

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

 

第一节　转录作用

　　RNA的转录合成从化学角度来讲类似于DNA的复制，多核苷酸链的合成都是以5’→3’的方向，在3’-OH末端与加入的核苷酸磷酸二酯键，但是，由于复制和转录的目的不同，转录又具有其特点：（1）对于一个 基因组 来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因的转录都受到相对独立的控制（图17-2）；（2）转录是不对称的。（3）转录时不需要引物，而且RNA链的合成是连续的。

一、依赖DNA的RNA聚合酶

真核和原核细胞内都存在有DDRP，迄今发现的DDRP的有以下特点：①以DNA为模板；在DNA的两条多苷酸链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做模板链（template strand），又叫做无意义链。DNA双链中另一条不做为模板的链叫做编码链，又叫做有意义链，编码链的的序列与转录本RNA的序列相同，只是在编码链上的T在转录本RNA为U，由于RNA的转录合成是以DNA的一条链为模板而进行的，所以这种转录方式又叫做不对称转录。②都以四种三磷酸核苷的底物，原料；③都遵循DNA与RNA之间的碱基配对原由，A=U，T=A，C=G，合成与模板DNA序列互补的RNA链。④RNA链的延长方向是5’→3’的连续合成。⑤需要Mg2+或Mn2+离子。⑥并不需要引物。RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以没有校正功能。

图17－2　细菌染色体上几个基因转录的方向及所用模板

RNA聚合酶催化下列反应：

大肠杆菌RNA聚合酶的研究得比较透彻的，这是一个分子量达50多万，全酶由五咱亚基组成，去掉δ亚基的部分称为核心酶，核心酶本身就能催化苷酸间磷酸二酸键形成。利福平和利福霉素能结合在β亚基上而对此酶发生强烈的抑制作用。β亚基似乎是酶和核苷酸底物结合的部位。细胞内转录是在DNA特定的起始点上开始的，δ亚基的功能是辨认转录起始点的。β’亚基是酶与DNA模板结合的主要成分。α亚基可能与转录基因的类型和种类有关。

表17-1 大肠杆菌RNA聚合酶

亚单位 分子量 亚单位数目 功能 α

β

β

δ 36512

150618

155613

70263 2

1

1

1 决定哪此基因被转录

与转录全过程有关

结合DNA模板

辨认起始点

真核生物中已发现有四种RNA聚合酶，分别称为RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和线粒体RNA聚合酶，分子量大致都在50万道尔顿左右，它们专一性地转录不同的基因，因此由它们催化的转录产物也各不相同。RNA聚Ⅰ合成RNA的活性最显著，它位于核仁中，负责转录编码rRNA的基因。而细胞内绝大部分RNA是rRNA是RNA。RNA聚合酶Ⅱ，位于核质中，负责核内不匀一RNA的合成，而hnRNA是mRNA的前体。RNA聚合酶Ⅲ负责合成tRNA和许多小的核内RNAs。鹅膏蕈碱是真核生物RNA聚合酶特异性抑制剂，三种真核生物RNA聚合酶对鹅膏蕈碱的反应不同，见表17-2，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聚合酶外还需另一此叫做转录因子的蛋白质分子参与转录的全过程，见后叙。

表17-2 真核生物的RNA聚合酶

种类 分布 合成的RNA类型 对α-鹅膏蕈碱的敏感性 Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Mt 核仁

核质

核质

线粒体 rRNa

hnRNA

tRNA，5sRNA

线粒体RNAs 不敏感

低浓度敏感

高浓度敏感

不敏感

二、RNA的转录过程

转录的主要过程见图17-3，为研究和叙述方便，可将RNA合成分为识别与起始、延长和终止三个阶段。

图17-3　转录的主要过程

（一）识别

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信这就是启动子。为什么RNA聚合酶能够仅在启动子处结合呢？显然启动子处的核苷酸序列具有特殊性，为了方便，人们将在DNA上开始转录的第一个碱基定为+1，沿转录方向顺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负值表示。

对原核行物的100多个启动子的序列进行了比较后发现；在RNA转录起始点上游大约-10bp和-35bp处有两个保守的序列，在-10bp附近，有一组5’-TATAATpu的序列，这是Pribnow首先发现的称为Pribnow框，RNA聚合酶就结合在互部位上。-35bp附近，有一组5’-TTGACG-的序列；已被证实与转录起始的辨认有关，是RNA聚合酶中的δ亚基识别并结合的位置。-35序列的重要性还在于在很大程度上决定了启动子的强度。

由于RNA聚合酶分子很大，大约能覆盖70bp的DNA序列，因此酶分子上的一个适合部位就能占据从-35到-10序列区域（图17-4）。

图17-4　Structure of the prokaryotic promoter region.

真核生物的启动子有其特殊性，真核生物有三种RNA聚合酶，每一咱都有自己的启动子类型。以RNA聚合酶Ⅱ的启动子结构为例，人们比较了上百个真核生物RNA聚合酶Ⅱ的启动子核苷酸序列伯发现；在-25区有TATA框，又称为Hogness框或Goldberg-Hogness框。其一致序列为T28A97A93A85A63T37A83A50T37，基本上都由A，T碱基所组成，离体转录实验表明，TATA框决定了转录起点的选择，天然缺少TATA框的基本可以从一个以上的位点开始转录。在-75区有CAAT框，其一致的序列为GGTCAATCT。有实验表明CAAT框与转录起始频率有关，例如缺失GG，兔子的β珠蛋白基因转录效率只有原来的12%（图17-5）。

图17-5　Eukaryotic gene promoter se