生物化學(xué)與分子生物學(xué)-授課教案生物化學(xué)教學(xué)方案:

來源：瀘州醫(yī)學(xué)院精品課程網(wǎng)

生物化學(xué)與分子生物學(xué):授課教案生物化學(xué)教學(xué)方案第十一章:教案首頁課程名稱生物化學(xué) 年級專業(yè)、層次本科臨床醫(yī)學(xué)類授課教師職稱課型（大、小) 大學(xué)時 4 授課題目（章、節(jié)) 第十一章 RNA的生物合成教材名稱《生物化學(xué)》第七版

教案首頁

課程名稱

生物化學(xué)

年級

專業(yè)、層次

本科臨床醫(yī)學(xué)類

授課教師

職稱

課型（大、小)

大

學(xué)時

授課題目（章、節(jié))

第十一章 RNA的生物合成

教材名稱

《生物化學(xué)》第七版

作者

查錫良

出版社

人民衛(wèi)生出版社

主要參考書

（注明頁數(shù))

趙寶昌主編. 生物化學(xué)(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

目的與要求：

1. 掌握：DNA復(fù)制與RNA轉(zhuǎn)錄的異同點(diǎn)。原核生物轉(zhuǎn)錄的模板和酶。RNA轉(zhuǎn)錄合成的特點(diǎn)。原核生物的轉(zhuǎn)錄過程。

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：真核轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物的組成。tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工、rRNA轉(zhuǎn)錄后加工。

教學(xué)內(nèi)容與時間安排、教學(xué)方法：

1.教學(xué)內(nèi)容與時間安排

轉(zhuǎn)錄的概念，復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別，原核生物轉(zhuǎn)錄的模板和酶 1.0學(xué)時

原核生物的轉(zhuǎn)錄過程 1.0學(xué)時

真核生物的轉(zhuǎn)錄過程 1.0學(xué)時

真核生物的轉(zhuǎn)錄后加工 1.0學(xué)時

2. 教學(xué)方法：

講授+演示+啟發(fā)+討論。

教學(xué)重點(diǎn)及如何突出重點(diǎn)、難點(diǎn)及如何突破難點(diǎn)：

1. 重點(diǎn)：RNA轉(zhuǎn)錄合成的特點(diǎn)。原核生物的轉(zhuǎn)錄過程。真核生物轉(zhuǎn)錄后加工。

2. 難點(diǎn)：真核生物的轉(zhuǎn)錄過程及轉(zhuǎn)錄后加工。

3. 課件色彩及語言強(qiáng)調(diào)突出重點(diǎn)；采用圖片及動畫演示理解難點(diǎn)。

教研室審閱意見：

同意。

教研室主任簽名：李洪

2009 年2 月 28 日

基本內(nèi) 容

課堂設(shè)計和時間安排

第十一章 RNA的生物合成

☆轉(zhuǎn)錄的概念。在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA鏈為模板合成RNA，從而將DNA所攜帶的遺傳信息傳遞給RNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄（transcription)。經(jīng)轉(zhuǎn)錄生成的RNA有多種，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和HnRNA等。

☆復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別。

第一節(jié) 原核生物轉(zhuǎn)錄的模板和酶

一、原核生物轉(zhuǎn)錄的模板

轉(zhuǎn)錄合成時，必須以雙鏈DNA中的一條單鏈（結(jié)構(gòu)基因)作為模板，指導(dǎo)RNA鏈的轉(zhuǎn)錄合成。

☆DNA雙鏈中，能夠按照堿基配對規(guī)律指導(dǎo)RNA轉(zhuǎn)錄合成的單鏈稱為模板鏈(template strand) 。與模板鏈互補(bǔ)的另一條DNA單鏈稱為編碼鏈(coding strand) 。

模板鏈和編碼鏈的相對性。

模板鏈、編碼鏈與轉(zhuǎn)錄及翻譯的關(guān)系。

☆二、RNA轉(zhuǎn)錄合成的特點(diǎn)

（一)轉(zhuǎn)錄的不對稱性

轉(zhuǎn)錄的不對稱性就是指以雙鏈DNA中的一條鏈作為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，從而將遺傳信息由DNA傳遞給RNA。對于不同的基因來說，其轉(zhuǎn)錄信息可以存在于兩條不同的DNA鏈上。

（二)轉(zhuǎn)錄的連續(xù)性

RNA轉(zhuǎn)錄合成時，以DNA作為模板，在RNA聚合酶的催化下，連續(xù)合成一段RNA鏈，各條RNA鏈之間無需再進(jìn)行連接。

（三)轉(zhuǎn)錄的單向性

RNA轉(zhuǎn)錄合成時，只能向一個方向進(jìn)行聚合，所依賴的模板DNA鏈的方向?yàn)?"→5"，而RNA鏈的合成方向?yàn)?"→3"。

（四)有特定的起始和終止位點(diǎn)

RNA轉(zhuǎn)錄合成時，只能以DNA分子中的某一段作為模板，故存在特定的起始位點(diǎn)和特定的終止位點(diǎn)。特定起始點(diǎn)和特定終止點(diǎn)之間的DNA鏈構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄單位，通常由轉(zhuǎn)錄區(qū)和有關(guān)的調(diào)節(jié)順序構(gòu)成。

☆啟動子的概念。位于基因上游，與RNA聚合酶識別、結(jié)合并起始轉(zhuǎn)錄有關(guān)的一些DNA調(diào)控序列被稱為啟動子（promoter)。啟動子序列通常由一些帶共性的保守序列構(gòu)成。

☆順式作用元件的概念。凡是參與基因表達(dá)調(diào)控的DNA序列稱為順式作用元件（cis-acting element)。

三、RNA合成由RNA聚合酶催化

（一)RNA聚合酶能直接啟動RNA的合成

催化RNA轉(zhuǎn)錄合成的RNA聚合酶是一種不同于引物酶的依賴DNA的RNA聚合酶（DDRP)。該酶在單鏈DNA模板以及四種核糖核苷酸存在的條件下，不需要引物，即可從5"→3"聚合RNA。

轉(zhuǎn)錄空泡(transcription bubble)的形成。

（二)RNA聚合酶由多個亞基組成

52667788.cn/pharm/ ☆原核生物中的RNA聚合酶全酶由五個亞基構(gòu)成，即α₂ββ"σ。E. coli中還有ω亞基。σ亞基與轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的識別有關(guān)，在轉(zhuǎn)錄合成開始后被釋放；余下的部分（α₂ββ")被稱為核心酶，與RNA鏈的聚合有關(guān)。

原核生物RNA聚合酶的核心酶和全酶。

原核生物RNA聚合酶亞基的功能。

在E. coli中，至少存在7種不同的σ亞基。它們分別與不同的啟動子識別并結(jié)合，啟動特異的基因轉(zhuǎn)錄。① σ⁷⁰亞基——與典型的啟動子識別并結(jié)合；② σ³⁰亞基——與熱休克應(yīng)答相關(guān)基因的啟動子識別并結(jié)合；③ σ⁵⁴亞基——與氮代謝相關(guān)基因的啟動子識別并結(jié)合。

三、RNA聚合酶結(jié)合到DNA的啟動子上啟動轉(zhuǎn)錄

☆原核生物轉(zhuǎn)錄起始時，首先由RNA聚合酶中的σ因子識別轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)，并促使核心酶結(jié)合形成全酶復(fù)合物。被RNA聚合酶辨認(rèn)的區(qū)段就是位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)-35區(qū)的TTGACA序列。RNA聚合酶與該區(qū)結(jié)合后，即滑動至-10區(qū)的TATAAT序列（Pribnow盒)，并啟動轉(zhuǎn)錄。

原核生物啟動子的保守序列。

原核生物轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的一致性序列。

RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合。

☆第二節(jié) 原核生物的轉(zhuǎn)錄過程

參與RNA轉(zhuǎn)錄合成的物質(zhì)：① 原料——NTP （ATP, UTP, GTP, CTP)。② 模板——單鏈DNA。③ 酶——RNA聚合酶（DDRP，RNA-pol)。④ 其他蛋白質(zhì)因子——如終止因子、激活因子等。

一、原核生物轉(zhuǎn)錄起始需要RNA聚合酶全酶

轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題：① RNA聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。② DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。

轉(zhuǎn)錄的起始過程：① σ亞基辨認(rèn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（啟動子)。② RNA聚合酶全酶（α₂ββ"σ)與模板DNA結(jié)合，形成閉合轉(zhuǎn)錄復(fù)合體。③ DNA局部雙鏈解開，形成開放轉(zhuǎn)錄復(fù)合體。④ 在RNA聚合酶催化下發(fā)生第一次聚合反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。

第一次聚合反應(yīng)。

轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。

二、原核生物的轉(zhuǎn)錄延長與蛋白質(zhì)翻譯相偶聯(lián)

在原核生物RNA轉(zhuǎn)錄的延長階段，σ因子從全酶上脫離，余下的核心酶繼續(xù)沿DNA鏈移動，按照堿基互補(bǔ)原則，不斷聚合RNA。

RNA轉(zhuǎn)錄的延長。

延長過程：① σ亞基脫落，RNA聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移。② 在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。③ 核糖體結(jié)合到正在延伸的RNA鏈上，開始進(jìn)行翻譯合成多肽鏈。

原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象。

三、原核生物轉(zhuǎn)錄終止有兩種不同的機(jī)制

RNA轉(zhuǎn)錄合成的終止機(jī)制有兩種：

1. 依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止：

由終止因子（ρ因子)識別特異的終止信號，并促使RNA的釋放。目前認(rèn)為，ρ因子是與RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物相結(jié)合，促使RNA聚合酶變構(gòu)，DNA-RNA雜化雙鏈拆離，RNA被釋放。

原核生物中的ρ因子是一種六聚體的蛋白質(zhì)，亞基的分子量為46 kD。

依賴 Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止。

2. 非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止：

模板DNA鏈在接近轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)處存在相連的富含GC和AT的區(qū)域，使RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物形成寡聚U及發(fā)夾形的二級結(jié)構(gòu)，引起RNA聚合酶變構(gòu)及移動停止，導(dǎo)致RNA轉(zhuǎn)錄的終止。

莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)。

莖環(huán)結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)制。

★第三節(jié) 真核生物RNA的生物合成

一、真核生物的RNA聚合酶有三種

真核生物中的RNA聚合酶可按其對α-鵝膏蕈堿的敏感性而分為三種，它們均由10~12個大小不同的亞基所組成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其功能也不同。

酵母RNA聚合酶Ⅰ和Ⅱ的電子晶體圖。

RNA聚合酶Ⅱ的分子結(jié)構(gòu)。

真核生物RNA聚合酶Ⅱ最大亞基的分子結(jié)構(gòu)具有其獨(dú)特的羧基末端結(jié)構(gòu)域（carboxyl terminal domain, CTD)，該結(jié)構(gòu)域由7個氨基酸殘基（Y-S-P-T-S-P-S)的重復(fù)序列（26~52次)所構(gòu)成。已知存在不同的CTD激酶，分別催化其S2或S5的磷酸化修飾。

真核RNA聚合酶Ⅱ的CTD結(jié)構(gòu)不僅是轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物加工類復(fù)合物裝配的平臺；其不同位點(diǎn)的磷酸化/去磷酸化修飾，對轉(zhuǎn)錄的起始、延伸、終止及轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工均具有重要的調(diào)節(jié)作用。

二、真核生物轉(zhuǎn)錄起始：轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的組裝

在真核生物中，轉(zhuǎn)錄的起始過程較為復(fù)雜，需要啟動子、RNA聚合酶和多種蛋白因子參與。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種蛋白因子與RNA轉(zhuǎn)錄合成有關(guān)。

（一)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游具有啟動子序列

☆真核生物的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-25bp區(qū)也存在一段富含TA的順序，被稱為Hogness盒或TATA盒，通常認(rèn)為是啟動子的核心序列。除此之外，在真核生物中還可見到其他帶共性的序列，如CAAT盒及GC盒等，稱為啟動子上游元件。

在真核生物中，參與RNA轉(zhuǎn)錄合成起始調(diào)控的順式作用元件還包括增強(qiáng)子和沉默子等。

☆增強(qiáng)子和沉默子的概念。在遠(yuǎn)離受控基因處存在的，能夠增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控序列稱為增強(qiáng)子（enhancer)。反之，能夠抑制基因表達(dá)的調(diào)控序列則稱為沉默子（silencer)。

真核生物啟動子的保守序列。

（二)轉(zhuǎn)錄因子和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子

☆反式作用因子的概念。凡是與基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)的蛋白因子統(tǒng)稱為反式作用因子（trans-acting factor)。

☆轉(zhuǎn)錄因子的概念。能識別并結(jié)合啟動子核心序列，直接或間接參與轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的形成的蛋白因子被稱為轉(zhuǎn)錄因子（transcriptional factor, TF)。不同的RNA聚合酶存在相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，如與RNA聚合酶Ⅱ相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子包括 TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡH等。

轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的概念。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子指能識別并結(jié)合啟動子上游元件、增強(qiáng)子或沉默子序列，從而調(diào)控轉(zhuǎn)錄速率的各種反式作用因子。如SP1、ATF、CTF、MyoD、HIF-1等。

真核生物RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄因子及其功能。

（三)轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的組裝

真核生物轉(zhuǎn)錄起始時，首先由TFⅡD的TBP亞基識別并結(jié)合TATA盒，然后在其他轉(zhuǎn)錄因子的配合下，與RNA聚合酶Ⅱ組裝形成轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合體(pre-initiation complex, PIC)。

結(jié)合了啟動子上游元件及增強(qiáng)子的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子與預(yù)起始復(fù)合體（PIC)結(jié)合，從而形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體（transcription initiation complex，TIC)或調(diào)節(jié)性轉(zhuǎn)錄裝置。

TIC的組裝。

接著，RNA聚合酶Ⅱ催化第一個磷酸二酯鍵形成。RNA聚合酶Ⅱ的羧基末端結(jié)構(gòu)域（CTD)被磷酸化修飾，大部分轉(zhuǎn)錄因子脫離，聚合酶向下游移動延伸RNA鏈。

三、真核生物轉(zhuǎn)錄延長：核小體移位

真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物類似，但由于存在核小體的高級結(jié)構(gòu)，故在轉(zhuǎn)錄延長過程中可觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。這一過程需染色質(zhì)特異延長因子（FACT)參與。

FACT的作用機(jī)制。

四、真核生物轉(zhuǎn)錄終止：與加尾修飾相偶聯(lián)

真核生物轉(zhuǎn)錄終止與轉(zhuǎn)錄后修飾，即poly A尾巴結(jié)構(gòu)的添加密切相關(guān)。在poly A修飾位點(diǎn)的下游存在一組共同序列AATAAA和GTGTGT……，為轉(zhuǎn)錄終止的識別修飾位點(diǎn)。在轉(zhuǎn)執(zhí)業(yè)護(hù)士網(wǎng)錄越過修飾點(diǎn)后，RNA鏈在修飾點(diǎn)處被切斷，隨即進(jìn)行加尾修飾。

真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄終止。

★第四節(jié) 真核生物RNA的加工

☆一、真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工修飾

（一)mRNA前體在5"-端添加“帽”結(jié)構(gòu)

加帽即在mRNA的5"-端加上m⁷GTP的結(jié)構(gòu)。此過程發(fā)生在細(xì)胞核內(nèi)，即mRNA轉(zhuǎn)錄合成達(dá)25~30個核苷酸時即可進(jìn)行加帽修飾。

加工過程首先是在磷酸酶的作用下，將5"-端的磷酸基水解，然后再加上鳥苷三磷酸，形成GpppN的結(jié)構(gòu)，再對G進(jìn)行甲基化。

帽子結(jié)構(gòu)的生成。

（二)mRNA前體在3"-端添加“poly A”結(jié)構(gòu)

加尾過程也是細(xì)胞核內(nèi)完成，首先由核酸外切酶切去3"-端一些過剩的核苷酸，然后再加入poly A。此過程與轉(zhuǎn)錄終止相偶聯(lián)，至少有6種蛋白因子（酶)參與。

這些蛋白因子（酶)包括：① 裂解-多聚腺苷酸化特異因子（CPSF)—— 識別并結(jié)合AAUAAA保守序列；② 裂解刺激因子（CstF)—— 識別并結(jié)合富含GU序列，增強(qiáng)CPSF與AAUAAA序列的親和力；③ 裂解因子（CF1和CF2)—— 直接促使RNA與DNA在裂解位點(diǎn)的分離；④ polyA聚合酶（PAP)—— 催化polyA的添加反應(yīng)，也參與裂解過程；⑤ polyA結(jié)合蛋白（PABP)—— 3"-端polyA結(jié)構(gòu)形成后即與之結(jié)合，防止RNase的水解。

mRNA的斷裂和多聚腺苷酸的合成。

（三)mRNA前體經(jīng)剪接加工去除內(nèi)含子編碼序列

雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖。

1. HnRNA和斷裂基因：

真核生物核內(nèi)帶有編碼序列和非編碼序列的初級mRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物稱為雜化核RNA （hetero-nuclear RNA, HnRNA)。HnRNA需經(jīng)剪接加工除去非編碼序列并將編碼序列連接起來才能形成成熟的mRNA。

☆斷裂基因的概念。真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。

2. 外顯子和內(nèi)含子：

☆外顯子和內(nèi)含子的概念。外顯子 —— 在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列（結(jié)構(gòu)基因中能夠指導(dǎo)多肽鏈合成的編碼順序)。內(nèi)含子 —— 隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過程中被除去的核酸序列（結(jié)構(gòu)基因中不能指導(dǎo)多肽鏈合成的非編碼順序)。

3. mRNA前體的剪接加工過程：

去除HnRNA中的內(nèi)含子序列并將外顯子序列連接起來形成成熟mRNA的過程稱為剪接。HnRNA的剪接加工通常是在各種小核糖體（snRNP)構(gòu)成的剪接體中完成。

snRNA為核內(nèi)小RNA，富含尿嘧啶，故以U作分類和命名，如U1、U2等。snRNA與核內(nèi)蛋白質(zhì)組裝成各種小核糖體（snRNP)參與hnRNA的剪接加工。

① snRNP與hnRNA結(jié)合成為剪接體。② 剪接體結(jié)構(gòu)調(diào)整，U2和U6形成催化中心，發(fā)生轉(zhuǎn)酯反應(yīng)。

剪接過程的二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)。

雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾。

（四)mRNA編輯是對編碼序列進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后加工

apoB mRNA的編輯加工。

RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工，是有多用途分化的，因此也稱為分化加工(differential RNA processing)。

二、真核生物rRNA前體的加工修飾

rRNA前體的轉(zhuǎn)錄和剪接加工。

三、真核生物tRNA前體的加工修飾