5.RNA的合成.docVIP

第十三章 RNA的生物合成 以DNA为模板合成RNA的过程叫作转录 transcription 。转录是遗传信息表达或基因表达的第一阶段。 转录和DNA复制之间存在明显的区别。例如，DNA复制以DNA的两条链同时作为模板，可以将整个染色体复制成两个子染色体。而转录是有选择性的，染色体上只有特殊的某些基因或几组基因在某一时刻转录，而且往往利用1条DNA链作为模板。 除了某些RNA病毒以外，所有的RNA都是转录产生的。 转录除了产生三种主要的RNA:携带蛋白质合成信息的信使RNA mRNA 、特异的氨基酸运输工具转运RNA tRNA 和形成蛋白质合成场所的核糖体RNA rRNA 。还包括一些其他的 RNA分子，它们往往具有结构功能或催化功能。 所有这些RNA都是由RNA聚合酶以DNA序列为模板拷贝合成。 真核生物中主要有三种类型RNA聚合酶，分别负责合成不同的 RNA，这三种RNA聚合酶是在进化中由存在于细菌中的单一的RNA聚合酶衍生而来的。 在DNA双链中，起转录模板作用的链叫作模板链 template strand 或负链。而另l条非转录模板链通常称为编码链 coding strand 或正链，其序列和转录产物相同 仅T替代U 。 RNA聚合酶结合于DNA特异的转录起始区——启动子 promoter 。 启动子通常靠近转录起点 start point ，即DNA中转录合成RNA的第一个碱基对，这个位点的核苷酸残基编号为+1。 某些启动子的转录起点不是固定的，而是选择性出现于相邻的两个或三个碱基对中。 RNA聚合酶合成RNA的方向为5′→3′，从转录起点沿RNA聚合酶运动的方向称为下游 downstream ，核苷酸残基编号依次为+2，+3……，而反方向为上游 up— stream ，核苷酸残基编号为-1，-2……。 为方便起见，通常将DNA序列从左 上游 向右 下游 书写，并且仅用编码链序列代表基因，因为它和RNA序列相同。 RNA聚合酶沿模板链运动合成RNA，遇终止信号停止。 从启动子到终止序列 terminatorsequence 之间的DNA序列叫作转录单位 transcription unit 。 1个转录单位可以表达产生1个RNA分子，它可能仅仅含有1个基因 主要是真核生物基因 ，也可能含有多个基因 主要是原核基因 。 初级转录产物 primary transcript 是整个转录单位的RNA拷贝，它通常不稳定。 在原核细胞中，初级转录产物可能很快降解 如mRNA ，或切割加工产生成熟的RNA分子 如 rRNA和tRNA 。 在真核细胞中，mRNA初级转录产物末端被修饰，并经过切割加工才能产生成熟RNA分子。rRNA和tRNA分子也要经过前体加工。 原核基因的转录起始 60年代初，Jacob和Monod发现了细菌基因表达的主要形式操纵子 operon ，即1个启动子控制连在一起的多个结构基因的转录，并提出了E.coli的乳糖操纵子模型。不久， Ippen 1968年 和Pastan等 1970年 对这个模型作了若干重要补充。 一、RNA聚合酶和启动子 如同研究 DNA复制始于E.coli的DNA聚合酶，人们探索转录机制先从E.coli的RNA聚合酶入手。 细菌细胞中只有1种RNA聚合酶，它兼有合成mRNA、tRNA和rRNA的功能。 RNA聚合酶是E.coli细胞中较大的蛋白之一，每个细胞中大约有3 000个RNA聚合酶分子，其中一半在迅速生长的细胞中处于转录活性状态，而另一半和DNA松散结合并沿DNA随机运动，直到发现启动子。 E.coli细胞中的RNA聚合酶有几种形式，其主要形式由5个亚基组成，两个较大的亚基是β′μ 156Kd 和β 151Kd ，两个较小的α亚基 37Kd ，以及1个σ亚基 70Kd，只σ70 . σ亚基是细菌基因的转录起始因子，它识别并结合于启动子，一旦转录开始就离开RNA聚合酶，代之以延伸因子结合于RNA聚合酶的核心酶 coreenzyme 。 E.coli的RNA聚合酶全酶中最常见的σ因子是σ70，它识别绝大多数基因的启动子的共有序列，并且使RNA聚合酶对启动子的亲和力比非启动子序列的亲和力高104倍。其他σ因子 σ28、σ32、σ38、σ54 分别识别特殊基因的启动子 见第15章 。 α亚基二聚体的结合位点处于启动子靠近上游的调节序列，它和转录频率 即启动子的强弱 直接相关。 β′亚基主要结合于DNA的转录模板链，而β亚基则结合合成RNA所需的底物NTP，并催化形成磷酸二酯键。 RNA聚合酶是1种多功能酶，它的功能包括： 寻找转录起点，即E.coli墓因组中的大约2 000个启动子。 解开一小段DNA双螺旋，以便产生单链DNA转录模板。 选择正确的底物NTP，并催化合成磷