第二节　RNA生物合成

一、转录的概念

转录（transcription）是指在DNA指导的RNA聚合酶催化下，以DNA为模板、NTP为原料合成RNA的过程。体内各种RNA都基本上以这种方式合成。在合成过程及合成之后，其中某些碱基还要进一步修饰成稀有碱基（如还原成二氢尿嘧啶、异位成假尿苷，脱氨成次黄嘌呤及甲基化等）。

从化学反应机制上看，转录与复制有相似之处，例如合成方向都是5′→3′，都以生成磷酸二酯键连接核苷酸，但相似中仍有区别（表10－1）。

表10－1　复制和转录的区别

二、参与转录的物质

（一）模板DNA

想一想：

何谓转录？何谓不对称转录？

DNA是双链结构，但只能转录其中一条链上的转录单位。转录单位是指RNA聚合酶作用的起始位点到终止位点之间的DNA顺序。真核生物多数转录单位只含1个结构基因；原核细胞则含几个功能相关的基因。DNA两股链中被转录的单链叫模板链（template strand），不被转录的单链称编码链（coding strand）。由于各个基因在DNA双链中分布不同，使各转录单位也分布在两链的不同节段，因此模板链并不固定于某条DNA单链。把只转录DNA双链中模板链，而不转录编码链的转录方式称不对称转录（asymmetrical transcription）。

模板链被转录的方向是3′→5′。转录开始时，RNA聚合酶（金酶）与DNA模板的启动基因结合，启动基因亦称启动子（promoter），但启动子本身并不被转录。原核生物的启动子包括3个功能单位（图10－12）。①转录起始部位，即转录时与RNA链中第1个核苷酸互补结合的部位。常用＋1表示其顺序位置。第二个核苷酸用＋2表示，其后以此类推。②结合部位，即RNA聚合酶结合的部位，在启动部位上游10（即－10）bp处，碱基顺序为TATAAT，故称TATA盒（TATA box）。③识别部位，即RNA聚合酶识别DNA所必需的部位，在起始部位上游35（－35）bP处，具TTGACA顺序。真核生物的启动子还不十分清楚，但已知也有一特殊富含AT碱基对区叫Hogness盒，在转录起始部位上游25（－25）bp处，是RNA聚合酶与启动子结合的部位。此部位上游45～85bp处，有GGCCAATCT顺序，称CAAT盒，可能也与结合RNA聚合酶或启动子强度有关。

图10－12　原核生物启动子

除了启动子，在真核生物还有增强子（enhancer），位于启动子上游或下游，作用是增强转录速率。

在转录单位内，原核生物模板链的一级结构与蛋白质一级结构直接互相对应，真核生物则在基因之内还镶嵌着非编码区。把在基因中能编码蛋白质的DNA顺序称外显子（exon），而夹在外显子之间不编码蛋白质的DNA顺序叫内含子（intron）。关于内含子的功能有两种不同看法。一种看法认为内含子是在进化中出现或消失的，内含子有利于物种的进化选择。另外一种认为内含子在基因表达中有调控功能。

图10－13　转录的终止

（a）终止部位顺序 （b）三元终止复合物的生成

DNA链上还有转录终止信号，称终止子（terminator）。原核生物的终止子有两类，一类为不含回文顺序（回文指一段正读和反读意义都相同的文字，在DNA链中指一段走向相反、顺序相同的双链顺序）或回文顺序较少，其终止转录作用需要ρ因子（能与RNA聚合酶结合，阻止其跨越终止子的蛋白质）协助。另一类则具回文顺序，其转录出的RNA形成发夹样结构，使RNApol、RNA和模板形成三元复合物，直接阻止RNA聚合酶的滑动（图10－13）。此外模板链5′端有－AAAAAA－顺序，在其mRNA 3′端形成－UUUUUU－顺序，A－U结合键在碱基对中结合力最弱，使RNA易脱落而终止转录。

（二）RNA聚合酶

在各种原核和真核生物中均有DNA指导的RNA聚合酶（DNA directed RNA polymerase，DDRP），即RNA聚合酶（RNApol）。

原核生物只有一种RNA聚合酶。大肠杆菌RNA聚合酶由5个亚基组成，4种亚基分别为α、β、β′和σ亚基，其中α亚基有2个，

想一想：

RNA聚合

酶分子组成及功能如何？

故为α₂ββ′σ。σ亚基在RNA合成启动后即脱离其他亚基，此时RNApol叫核心酶，含α₂ββ′。5个亚基结合在一起时叫全酶。核心酶只具催化合成RNA作用，无识别启动子功能。各亚基的功能见表10－2。

表10－2　大肠杆菌RNA聚合酶亚基组成及功能

真核细胞中有3种RNA pol，分别称RNA pol I、Ⅱ及Ⅲ。它们专一地转录不同的基因，产生不同的产物。三种酶对鹅膏蕈碱抑制作用的敏感性不同，是区别三种酶的方法之一。各亚基的功能见表10－3。

表10－3　真核细胞RNA聚合酶的种类和功能

（三）ρ因子

ρ因子为一种协助转录终止的蛋白质，能与单股RNA链结合。因有ATP酶活性，可水解ATP释出能量供其沿RNA按5′→3′滑动，最后接触到RNA pol与之反应，使RNA－DNA杂交体解链，RNA释出。

四、转录出RNA的加工成熟

想一想：

三种RNA转录后是如何加工修饰的？

除原核生物的mRNA外，所有真核和原核生物转录出的RNA都必须经加工成熟才有活性。加工成熟过程在细胞核内进行。

（一）mRNA加工成熟

真核生物刚转录出的mRNA是mRNA前体，相对分子质量大而不均一，称核不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnR－NA）。哺乳动物hnRNA分子中有50%～75%的顺序不出现在胞浆中，说明这些顺序是属于内含子的转录产物，在加工成熟过程中被切除掉了。剪接过程包括切除内含子的转录产物（仍称内含子）和将几个外显子转录产物（仍称外显子）拼接起来。剪接过程还需6种非特异小型核糖核蛋白（Unspecific small nuclear ribonucleoprotein，UsnRNP）与hnR－NA结合成“剪接体（spliceosome）协助。此过程的详细情况还未完全弄清楚。

剪接后还需在5′端戴“帽子”。所谓帽子是7－甲基鸟苷－5′－三磷酸（m⁷Gppp），戴帽过程需RNA磷酸酶、鸟苷酸转移酶及甲基转移酶催化（图10－16）。除了戴“帽子”，还需加“尾巴”。所谓尾巴是在3′端加上30～240个的多聚腺苷酸（poly A），见图10－17。帽子功能是保护mRNA免受RNA酶水解破坏，并作为蛋白质生物合成时的识别标志。尾巴有保护mRNA被翻译的稳定性，也可能与其被连续翻译及mRNA由细胞核进入胞浆的转运有关。

图10－16　mRNA帽子结构的生成（上）及帽子结构的详细结构式（下）

图10－17　mRNA尾巴的形成

（二）tRNA加工成熟

真核生物转录出的tRNA前体比成熟的tRNA约多数十个核苷酸，成熟过程中需在5′和3′端剪切下多余的核苷酸，之后再在反密码环中剪切14～60个核苷酸并拼接成反密码环。还要在3′端加上CCA－OH。此外，又要把尿嘧啶还原成二氢尿嘧啶（DHU）、异位成假尿嘧啶核苷（φ），尿嘧啶（U）甲基化成胸腺嘧啶（T），使嘌呤碱基（A或G）脱氨后生成次黄嘌呤，并使某些碱基（C、G和A）甲基化成相应的甲基化碱基（图10－18）。

图10－18　tRNA前体的加工

tRNA的加工成熟过程在核内进行。

图10－19　真核细胞rRNA前体加工示意图

（三）rRNA加工成熟

真核生物的rRNA共4种，除5SrRNA自己独立成体系外，其余3种rRNA的基因在核仁合成同一前体（45SrRNA）。在每个基因转录产物的某些核糖2′－OH上先进行甲基化，以使其抗核酸酶破坏。而非基因的间隔区则无甲基化，在成熟过程中逐步切除，最后生成18SrRNA、28SrRNA和5.8SrRNA。5SrRNA前体经过碱基修饰成熟为5SrRNA（图10－19）。