RNA的合成

核糖核酸（缩写为RNA，即Ribonucleic Acid），存在于生物细胞以及部分病毒、类病毒中的遗传信息载体。RNA由核糖核苷酸经磷酸二酯键缩合而成长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸，核糖和碱基构成。RNA的碱基主要有4种，即A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、U（尿嘧啶），其中，U（尿嘧啶）取代了DNA中的T（胸腺嘧啶）。核糖核酸在体内的作用主要是引导蛋白质的合成

第十四章 RNA的合成

• 主题
• 第一节 ，原核生物转录的模板和酶
  • 原核生物转路的模板
    • 在DNA分子双链上，一股链作为模板，按碱基互补配对规律指导转录生成RNA，另一股链则不转录；转录时作为RNA合成模板的一股单链成为模板链（template strand）,相对应的另一股单链被称为编码链（coding strand）.转录产物若是mRNA，则可用作翻译的模板，决定蛋白质的氨基酸序列。模板链即与编码链互补，又与mRNA互补，mRNA的碱基序列除用U代替T外，与编码链是一致的
  • RNA聚合酶催化RNA合成
    • RNA聚合酶能从头启动RNA链的合成
      • RNA pol催化RNA的转录合成。该反应以DNA为模板，以ATP、GTP、UTP和CTP为原料，还需Mg²﹢作为辅基。RNA合成的化学机制与DNA的复制合成相似。RNA pol通过在RNA 的3'-OH是反应中的亲核基团，攻击所进入的核苷三磷酸的α-磷酸，并释放出焦磷酸，总的反应可以表示为：（NMP）n + NTP→(NMP)n+1 + ppi
    • 容纳聚合酶由多个亚基组成
      • E.coli的 RNA pol 是目前研究的比较透彻的分子。分子量达450KD，由5种亚基α₂（2个α）、β、β’、ω和σ组成的六聚体蛋白质。
      • 核心酶（core enzyme）由α₂ββ'ω组成
  • RNA聚合酶结合到启动子上启动转录
• 第二节、原核生物的转录过程
  • 原核生物转录过程可分为转录起始、转录延长和转录终止三个阶段
  • 转录起始需要RNA聚合全酶
    • 转录全过程均需 RNA pol 催化，起始过程需全酶，由σ亚基辨认起始点，延长过程的核苷酸聚合仅需核心酶催化。简言之，转录起始就是RNA pol 在 DNA 模板的转录起始区装配形成转录起始复合体，打开DNA双链，并完成第一和第二个核苷酸间聚合反应的过程。转录起始复合物中包含有 RNA pol 全酶，DNA模板以及转录起点配对的NTPs.
      • 起始阶段第一步是由RNA pol 识别并结合启动子，形成闭合转录复合体（CLOSEED transcription complex）,其中的DNA仍保持完整的双链结构。原核生物需要靠RNA pol 中的σ亚基辨认转录起始区和转录起点。首先被辨认的DNA区段是-35区的TTGACA序列，在这一区段，酶与模板的结合松弛；接着酶移向-10区的TATAAT序列并跨过了转录起点，形成与模板的稳定结合
      • 起始的第二步是DNA双链打开，闭合转录复合体成为开放转录复合体（open transcription complex ）,开放转录复合体中DNA分子接近-10区域的部分双螺旋解开后转录开始。无论是转录起始或延长中，DNA双链解开的范围都在17bp左右，比复制中形成的复制叉小得多
      • 起始的第三步是第一个磷酸二酯键的形成。转录起始不需要引物，两个与模板配对的相邻核苷酸，在RNA pol 催化下生成磷酸二酯键。
      • RNA合成开始时会发生流产式起始（abortive initiation）
  • RNA聚合酶核心酶独立延长RNA链
    • 第一个磷酸二酯键生成后，转录复合体的构象发生改变，σ亚基从转录起始复合物上脱落，并离开启动子，RNA合成进入延长阶段。此时仅有RNA pol 的核心酶留在DNA模板上，并沿着DNA链不断前移，催化RNA链的延长。
    • RNA链延长时核心酶会沿着模板DNA不断向下游前移。聚合反应局部前方的DNA双链不解旋，合成完成后的部分又重新恢复双螺旋结构。核心酶可覆盖40bp以上的DNA分子段落，但转录解链范围在17bp。RNA链延长过程中的解链和再聚合可视为这一17bp左右的开链区在DNA上的动态移动，其外观类似泡状，被称为”转录泡“（transcription bubble）.
    • 在解链局部，RNA pol的核心酶催化着模板链指导的RNA链延长，转录产物3'-端会有一小段暂时与模板DNA保持结合状态，形成一8bp的杂合双链（hybrid duplex）,随着RNA链不断生长，5’-端脱离模板向空泡外伸展。从化学结构看，DNA/DNA双链结构比DNA/RNA形成的杂化双链稳定。核酸的碱基之间有3种配对方式，其稳定性是：G≡C>A＝T>A＝U
  • 原核生物转录延长与蛋白质的翻译同时进行
  • 原核生物转录终止分为依赖ρ因子与非依赖ρ因子两大类
    • RNA pol 在DNA 模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来，就是转录终止。依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物的转录终止分为依赖ρ（Rho）因子与非依赖ρ因子两大类
    • 依赖ρ因子的转录终止
      • ρ因子是由同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量为46kD.ρ因子结合RNA，又以对polyC的结合力最强，但对polydC/dG组成的DNA结合能力低得多
      • 在依赖ρ因子终止的转录中，产物RNA的3’-端会依照DNA模板，产生丰富有规律的C碱基。ρ因子正是识别产物RNA上的终止信号序列，并与之结合。结合后的ρ因子与RNA pol 都可发生构象变化，从而使RNA pol 的移动停顿，ρ因子中的解旋酶活性使DNA/RNA杂化双链拆离，RNA产物从转录复合物中释放，转录终止。
    • 非依赖ρ因子的转录终止
      • DNA模板上靠近转录终止处有些特殊碱基序列，转录出RNA后，RNA产物可以形成特殊的结构来终止转录，不需要蛋白因子的协助，即非依赖ρ因子的转录终止。可导致终止的转录产物的3’-端常有多个连续的U，其上游的一段特殊碱基序列又可形成鼓槌状的茎环或发卡状的二级结构，这些结构的形成是非依赖ρ因子终止的信号
      • RNA链延长至接近终止区时，转录出的RNA片段随即形成茎-环结构。机制从两方面来说，其一是RNA分子形成的茎环结构可能改变RNA pol 的构象，其二，转录复合物（RNA pol -DNA-RNA）上形成的局部RNA/DNA杂化短链的碱基配对是不稳定的，随着RNA茎环结构的形成，RNA从DNA模板链上脱离，单链DNA复原为双链，转录泡关闭，转录终止。
• 第三节、真核生物RNA的合成
  • 真核生物有多种DNA依赖的RNA聚合酶
  • 顺势作用元件和转录因子在真核生物转录起始中有重要作用
  • 真核生物RNA转录延长过程不与翻译同步
  • 真核生物的转录终止和加尾修饰同时进行
• 第四节、真核生物前体RNA的加工和降解
  • 真核前体mRNA经首、尾修饰、剪接和编辑加工后才能成熟
  • 真核前体 rRNA经过剪切形成不同类别的rRNA
  • 真核前体tRNA的加工包括核苷酸的碱基修饰
  • RNA催化一些内含子的自剪接
  • 真核RNA在细胞内的降解有多种途径