生物化学与分子生物学-授课教案生物化学教学方案:

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生物化学与分子生物学:授课教案生物化学教学方案第十一章:教案首页课程名称生物化学年级专业、层次本科临床医学类授课教师职称课型（大、小) 大学时 4 授课题目（章、节) 第十一章 RNA的生物合成教材名称《生物化学》第七版

教案首页

课程名称

生物化学

年级

专业、层次

本科临床医学类

授课教师

职称

课型（大、小)

大

学时

授课题目（章、节)

第十一章 RNA的生物合成

教材名称

《生物化学》第七版

作者

查锡良

出版社

人民卫生出版社

主要参考书

（注明页数)

赵宝昌主编. 生物化学(第二版). 北京:高等教育出版社,2009年1月. 第十三章 RNA的生物合成

目的与要求：

1. 掌握：DNA复制与RNA转录的异同点。原核生物转录的模板和酶。RNA转录合成的特点。原核生物的转录过程。

2. 熟悉：真核生物RNA的生物合成。真核生物mRNA的加工。核酶的概念。

3. 了解：真核转录起始前复合物的组成。tRNA转录后的加工、rRNA转录后加工。

教学内容与时间安排、教学方法：

1.教学内容与时间安排

转录的概念，复制和转录的区别，原核生物转录的模板和酶 1.0学时

原核生物的转录过程 1.0学时

真核生物的转录过程 1.0学时

真核生物的转录后加工 1.0学时

2. 教学方法：

讲授+演示+启发+讨论。

教学重点及如何突出重点、难点及如何突破难点：

1. 重点：RNA转录合成的特点。原核生物的转录过程。真核生物转录后加工。

2. 难点：真核生物的转录过程及转录后加工。

3. 课件色彩及语言强调突出重点；采用图片及动画演示理解难点。

教研室审阅意见：

同意。

教研室主任签名：李洪

2009 年2 月 28 日

基本内容

课堂设计和时间安排

第十一章 RNA的生物合成

☆转录的概念。在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录（transcription)。经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和HnRNA等。

☆复制和转录的区别。

第一节原核生物转录的模板和酶

一、原核生物转录的模板

转录合成时，必须以双链DNA中的一条单链（结构基因)作为模板，指导RNA链的转录合成。

☆DNA双链中，能够按照碱基配对规律指导RNA转录合成的单链称为模板链(template strand) 。与模板链互补的另一条DNA单链称为编码链(coding strand) 。

模板链和编码链的相对性。

模板链、编码链与转录及翻译的关系。

☆二、RNA转录合成的特点

（一)转录的不对称性

转录的不对称性就是指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递给RNA。对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。

（二)转录的连续性

RNA转录合成时，以DNA作为模板，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链，各条RNA链之间无需再进行连接。

（三)转录的单向性

RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所依赖的模板DNA链的方向为3"→5"，而RNA链的合成方向为5"→3"。

（四)有特定的起始和终止位点

RNA转录合成时，只能以DNA分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点。特定起始点和特定终止点之间的DNA链构成一个转录单位，通常由转录区和有关的调节顺序构成。

☆启动子的概念。位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA调控序列被称为启动子（promoter)。启动子序列通常由一些带共性的保守序列构成。

☆顺式作用元件的概念。凡是参与基因表达调控的DNA序列称为顺式作用元件（cis-acting element)。

三、RNA合成由RNA聚合酶催化

（一)RNA聚合酶能直接启动RNA的合成

催化RNA转录合成的RNA聚合酶是一种不同于引物酶的依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP)。该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从5"→3"聚合RNA。

转录空泡(transcription bubble)的形成。

（二)RNA聚合酶由多个亚基组成

www.lindalemus.com/pharm/ ☆原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即α₂ββ"σ。E. coli中还有ω亚基。σ亚基与转录起始点的识别有关，在转录合成开始后被释放；余下的部分（α₂ββ")被称为核心酶，与RNA链的聚合有关。

原核生物RNA聚合酶的核心酶和全酶。

原核生物RNA聚合酶亚基的功能。

在E. coli中，至少存在7种不同的σ亚基。它们分别与不同的启动子识别并结合，启动特异的基因转录。① σ⁷⁰亚基——与典型的启动子识别并结合；② σ³⁰亚基——与热休克应答相关基因的启动子识别并结合；③ σ⁵⁴亚基——与氮代谢相关基因的启动子识别并结合。

三、RNA聚合酶结合到DNA的启动子上启动转录

☆原核生物转录起始时，首先由RNA聚合酶中的σ因子识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。被RNA聚合酶辨认的区段就是位于转录起始点-35区的TTGACA序列。RNA聚合酶与该区结合后，即滑动至-10区的TATAAT序列（Pribnow盒)，并启动转录。

原核生物启动子的保守序列。

原核生物转录起始区的一致性序列。

RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合。

☆第二节原核生物的转录过程

参与RNA转录合成的物质：① 原料——NTP （ATP, UTP, GTP, CTP)。② 模板——单链DNA。③ 酶——RNA聚合酶（DDRP，RNA-pol)。④ 其他蛋白质因子——如终止因子、激活因子等。

一、原核生物转录起始需要RNA聚合酶全酶

转录起始需解决两个问题：① RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。② DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。

转录的起始过程：① σ亚基辨认转录起始点（启动子)。② RNA聚合酶全酶（α₂ββ"σ)与模板DNA结合，形成闭合转录复合体。③ DNA局部双链解开，形成开放转录复合体。④ 在RNA聚合酶催化下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。

第一次聚合反应。

转录起始复合物。

二、原核生物的转录延长与蛋白质翻译相偶联

在原核生物RNA转录的延长阶段，σ因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。

RNA转录的延长。

延长过程：① σ亚基脱落，RNA聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移。② 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。③ 核糖体结合到正在延伸的RNA链上，开始进行翻译合成多肽链。

原核生物转录过程中的羽毛状现象。

三、原核生物转录终止有两种不同的机制

RNA转录合成的终止机制有两种：

1. 依赖Rho因子的转录终止：

由终止因子（ρ因子)识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。目前认为，ρ因子是与RNA转录产物相结合，促使RNA聚合酶变构，DNA-RNA杂化双链拆离，RNA被释放。

原核生物中的ρ因子是一种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为46 kD。

依赖 Rho因子的转录终止。

2. 非依赖Rho因子的转录终止：

模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC和AT的区域，使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，导致RNA转录的终止。

茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构。

茎环结构使转录终止的机制。

★第三节真核生物RNA的生物合成

一、真核生物的RNA聚合酶有三种

真核生物中的RNA聚合酶可按其对α-鹅膏蕈碱的敏感性而分为三种，它们均由10~12个大小不同的亚基所组成，结构非常复杂，其功能也不同。

酵母RNA聚合酶Ⅰ和Ⅱ的电子晶体图。

RNA聚合酶Ⅱ的分子结构。

真核生物RNA聚合酶Ⅱ最大亚基的分子结构具有其独特的羧基末端结构域（carboxyl terminal domain, CTD)，该结构域由7个氨基酸残基（Y-S-P-T-S-P-S)的重复序列（26~52次)所构成。已知存在不同的CTD激酶，分别催化其S2或S5的磷酸化修饰。

真核RNA聚合酶Ⅱ的CTD结构不仅是转录和转录产物加工类复合物装配的平台；其不同位点的磷酸化/去磷酸化修饰，对转录的起始、延伸、终止及转录产物的加工均具有重要的调节作用。

二、真核生物转录起始：转录起始复合体的组装

在真核生物中，转录的起始过程较为复杂，需要启动子、RNA聚合酶和多种蛋白因子参与。现已发现数百种蛋白因子与RNA转录合成有关。

（一)转录起始点的上游具有启动子序列

☆真核生物的转录起始点上游-25bp区也存在一段富含TA的顺序，被称为Hogness盒或TATA盒，通常认为是启动子的核心序列。除此之外，在真核生物中还可见到其他带共性的序列，如CAAT盒及GC盒等，称为启动子上游元件。

在真核生物中，参与RNA转录合成起始调控的顺式作用元件还包括增强子和沉默子等。

☆增强子和沉默子的概念。在远离受控基因处存在的，能够增强基因转录活性的调控序列称为增强子（enhancer)。反之，能够抑制基因表达的调控序列则称为沉默子（silencer)。

真核生物启动子的保守序列。

（二)转录因子和转录调节因子

☆反式作用因子的概念。凡是与基因表达调控相关的蛋白因子统称为反式作用因子（trans-acting factor)。

☆转录因子的概念。能识别并结合启动子核心序列，直接或间接参与转录起始复合体的形成的蛋白因子被称为转录因子（transcriptional factor, TF)。不同的RNA聚合酶存在相应的转录因子，如与RNA聚合酶Ⅱ相关的转录因子包括 TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡH等。

转录调节因子的概念。转录调节因子指能识别并结合启动子上游元件、增强子或沉默子序列，从而调控转录速率的各种反式作用因子。如SP1、ATF、CTF、MyoD、HIF-1等。

真核生物RNA聚合酶Ⅱ转录因子及其功能。

（三)转录起始复合体的组装

真核生物转录起始时，首先由TFⅡD的TBP亚基识别并结合TATA盒，然后在其他转录因子的配合下，与RNA聚合酶Ⅱ组装形成转录起始前复合体(pre-initiation complex, PIC)。

结合了启动子上游元件及增强子的转录调节因子与预起始复合体（PIC)结合，从而形成稳定的转录起始复合体（transcription initiation complex，TIC)或调节性转录装置。

TIC的组装。

接着，RNA聚合酶Ⅱ催化第一个磷酸二酯键形成。RNA聚合酶Ⅱ的羧基末端结构域（CTD)被磷酸化修饰，大部分转录因子脱离，聚合酶向下游移动延伸RNA链。

三、真核生物转录延长：核小体移位

真核生物转录延长过程与原核生物类似，但由于存在核小体的高级结构，故在转录延长过程中可观察到核小体移位和解聚现象。这一过程需染色质特异延长因子（FACT)参与。

FACT的作用机制。

四、真核生物转录终止：与加尾修饰相偶联

真核生物转录终止与转录后修饰，即poly A尾巴结构的添加密切相关。在poly A修饰位点的下游存在一组共同序列AATAAA和GTGTGT……，为转录终止的识别修饰位点。在转执业护士网录越过修饰点后，RNA链在修饰点处被切断，随即进行加尾修饰。

真核生物RNA的转录终止。

★第四节真核生物RNA的加工

☆一、真核生物mRNA的转录后加工修饰

（一)mRNA前体在5"-端添加“帽”结构

加帽即在mRNA的5"-端加上m⁷GTP的结构。此过程发生在细胞核内，即mRNA转录合成达25~30个核苷酸时即可进行加帽修饰。

加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5"-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化。

帽子结构的生成。

（二)mRNA前体在3"-端添加“poly A”结构

加尾过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去3"-端一些过剩的核苷酸，然后再加入poly A。此过程与转录终止相偶联，至少有6种蛋白因子（酶)参与。

这些蛋白因子（酶)包括：① 裂解-多聚腺苷酸化特异因子（CPSF)—— 识别并结合AAUAAA保守序列；② 裂解刺激因子（CstF)—— 识别并结合富含GU序列，增强CPSF与AAUAAA序列的亲和力；③ 裂解因子（CF1和CF2)—— 直接促使RNA与DNA在裂解位点的分离；④ polyA聚合酶（PAP)—— 催化polyA的添加反应，也参与裂解过程；⑤ polyA结合蛋白（PABP)—— 3"-端polyA结构形成后即与之结合，防止RNase的水解。

mRNA的断裂和多聚腺苷酸的合成。

（三)mRNA前体经剪接加工去除内含子编码序列

鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图。

1. HnRNA和断裂基因：

真核生物核内带有编码序列和非编码序列的初级mRNA转录产物称为杂化核RNA （hetero-nuclear RNA, HnRNA)。HnRNA需经剪接加工除去非编码序列并将编码序列连接起来才能形成成熟的mRNA。

☆断裂基因的概念。真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。

2. 外显子和内含子：

☆外显子和内含子的概念。外显子 —— 在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列（结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序)。内含子 —— 隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列（结构基因中不能指导多肽链合成的非编码顺序)。

3. mRNA前体的剪接加工过程：

去除HnRNA中的内含子序列并将外显子序列连接起来形成成熟mRNA的过程称为剪接。HnRNA的剪接加工通常是在各种小核糖体（snRNP)构成的剪接体中完成。

snRNA为核内小RNA，富含尿嘧啶，故以U作分类和命名，如U1、U2等。snRNA与核内蛋白质组装成各种小核糖体（snRNP)参与hnRNA的剪接加工。

① snRNP与hnRNA结合成为剪接体。② 剪接体结构调整，U2和U6形成催化中心，发生转酯反应。