从DNA到RNA的生物信息传递

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生物信息的传递（上）——从 DNA 到 RNA·

由GPT-5.6-Sol-Ultra生成

生物信息传递概述·

  • DNA序列贮存遗传信息，通过自主复制得以延续，并经转录、翻译控制生命现象。

  • DNA的核苷酸排列决定细胞内RNA和蛋白质的基本结构，并可通过蛋白质或酶的功能间接影响细胞内其他成分。

  • 基因表达包括两个阶段

    1. 转录（transcription）：以DNA的一条链为模板，按碱基互补原则合成RNA，是基因表达的核心步骤。
    2. 翻译（translation）：以mRNA为模板，将三联密码子转变为氨基酸序列并合成多肽链，是基因表达的最终目的。

  • DNA两条链在转录中的关系

DNA链 别称 与mRNA的关系 作用
编码链（coding strand） 有义链（sense strand） 序列与mRNA相同，仅T由U取代 表示RNA所携带的信息
模板链（template strand） 反义链（antisense strand） 与mRNA互补 直接指导RNA合成

  • 除少数RNA病毒外，RNA均由DNA经转录产生。

  • DNA与RNA的主要化学差异在于T/U和核糖第2位碳原子，但两者的生物学活性差异很大。

  • 教材给出的表达速度（$37\ ^\circ\mathrm{C}$）

    • mRNA转录：约 $2,500$ 个核苷酸/min，即约14个密码子/s。
    • 蛋白质合成：约15个氨基酸/s。
    • 基因开始表达后约 $2.5\ \mathrm{min}$ 可出现mRNA，再过约 $0.5\ \mathrm{min}$ 可检测到相应蛋白质。

DNA模板、mRNA与多肽链之间具有共线性关系。


RNA的结构、分类和功能·

RNA的结构特点·

基本组成与单链特征·

  • RNA骨架含核糖，以尿嘧啶（U）取代DNA中的胸腺嘧啶（T）。
  • RNA在生物体内主要以单链线性分子存在，但可形成复杂的高级结构。

局部双螺旋与三级结构·

  • RNA链可自身折叠，使互补序列形成局部碱基配对区。

  • 常见局部结构包括

    • 发夹结构（hairpin）
    • 凸起（bulge）
    • 环状结构（loop）
    • 四通道内环（four-stem junction）

  • 配对区既可形成规则双螺旋，也可形成不连续的部分双螺旋。

  • 除Watson-Crick碱基对外，RNA还可形成G-U等非Watson-Crick碱基对，增强自身配对能力。

  • 双螺旋RNA的沟槽特点

    • 小沟宽而浅，几乎不含序列特异性信息。
    • 大沟狭而深，蛋白质氨基酸侧链难以接近。
    • 因此，RNA总体上不适合与蛋白质进行序列特异性相互作用，但仍存在能特异性结合RNA的蛋白质。

  • RNA的碱基配对还可发生于不相邻序列，形成**假结（pseudoknot）**等结构。

  • 未配对骨架可自由旋转，加上不规则碱基配对、三碱基配对及碱基与骨架的相互作用，使RNA能够折叠成复杂三级结构。

  • 利用这种结构多样性，可从随机RNA文库中筛选与特定小分子或多肽高亲和结合的RNA。


环状RNA·

  • 环状RNA（circular RNA，circRNA）

    呈封闭环状结构的一类RNA；真核细胞中的circRNA来自pre-mRNA的反向剪接。

  • circRNA广泛存在于古菌、酵母、小鼠和人等多种生物中。

  • 因不受RNA外切酶影响，circRNA不易降解，稳定性高于线性RNA。

  • 表达量通常较低，但具有细胞和组织特异性。

  • 可通过不同途径影响基因表达，扩展真核细胞转录组的多样性和复杂性。


RNA的分类与分布·

  • 参与遗传信息传递的3类主要RNA
RNA 中文名称 主要功能
mRNA 信使RNA 编码特定蛋白质序列，将DNA信息传向蛋白质
tRNA 转运RNA 特异性解读mRNA信息，将相应氨基酸加入多肽链
rRNA 核糖体RNA 直接参与核糖体中的蛋白质合成
  • 大肠杆菌总RNA中，mRNA约占2%，tRNA约占16%，rRNA占80%以上。
  • mRNA的稳定性差异很大
    • 细菌mRNA半衰期通常很短。
    • 许多其他mRNA的半衰期可由数小时至数天。
  • mRNA在所有细胞中的共同功能是通过三联体密码指导蛋白质合成，但原核、真核mRNA的合成过程和成熟结构不同。
  • 真核mRNA通常先以较大的前体RNA存在于细胞核内，经转录后加工和化学修饰、相对分子质量减小后，才能进入细胞质参与翻译。
  • 起始密码子
    • 原核生物常用AUG，也可用GUG甚至UUG。
    • 真核生物几乎均用AUG。

RNA各组分在细胞中的分布


RNA的功能·

  • 信息分子作用
    • 贮藏和转移遗传信息。
    • 作为DNA到蛋白质之间的信息传递体。
  • 功能分子作用
    1. 参与细胞内蛋白质生物合成。
    2. 部分RNA作为核酶，主要参与初始转录产物的剪接加工。
    3. 调控基因表达，并与生物生长发育密切相关。
    4. 在某些病毒中充当遗传物质。

RNA既可作为信息分子，也可作为功能分子。

RNA转录概述·

RNA转录与DNA复制的比较·

项目 DNA复制 RNA转录
起始 DNA聚合酶需要引物 RNA聚合酶可从头起始，不需要引物
产物与模板 新生链保持碱基互补 延长数个核苷酸后，RNA逐步被置换并离开模板
复制范围 每个细胞周期复制一次完整基因组 选择性转录基因组特定部分
产物数量 完成基因组复制 同一基因可产生数个至上千个转录本
调节特点 教材强调完整拷贝 随细胞类型、发育阶段、刺激和时间而改变
精确度 较高 约每加入 $10,000$ 个核苷酸发生一次错误，缺乏严谨校正机制
  • 多个RNA聚合酶可同时转录同一基因，使细胞在短时间内获得大量转录产物。

RNA聚合酶·

  • RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶。
  • 反应条件与特征
    • 主要以双链DNA为模板；单链DNA作模板时活性明显降低。
    • RNA或RNA-DNA双链杂合体不能作为模板。
    • 以4种核苷三磷酸（NTP）为活性前体。
    • 以 $Mg{2+}/Mn{2+}$ 为辅助因子。
    • 不需要引物，可催化RNA链的起始、延伸和终止。
    • 产物与DNA模板链互补。
  • 教材数据：每个细胞约有7 000个RNA聚合酶分子，其中任一时刻约2 000～5 000个参与转录。

启动子、转录单位与位置编号·

  • 启动子（promoter）

    位于结构基因 $5’$ 端上游、转录起始所必需的DNA序列；可使RNA聚合酶准确结合模板并赋予转录起始特异性。

  • 启动子的结构影响其与RNA聚合酶的亲和力，进而影响基因表达水平。

  • 对许多启动子，RNA聚合酶与其结合的速率至少比布朗运动中的随机碰撞高100倍。

  • 转录单位（transcription unit）

    从启动子开始至终止子（terminator）结束的一段DNA序列；RNA聚合酶由转录起点出发，沿模板移动至终止子并合成一条RNA链。

  • 转录起点：与新生RNA第一个核苷酸相对应的DNA碱基，通常为嘌呤。

  • 位置编号规则

    • 转录起点记为 $+1$。
    • 起点前方的 $5’$ 端序列为上游，依次记为 $-1,-2,-3\cdots$。
    • 起点后方的 $3’$ 端序列为下游，依次记为 $+2,+3\cdots$。
    • 通常将转录方向写作由上游向下游，mRNA按 $5’\rightarrow3’$ 方向书写。

RNA转录单位

RNA转录的基本过程·

RNA合成的共同特点·

  • 以DNA双链中的模板链（反义链）为模板。
  • RNA聚合酶以4种NTP为原料，按 $5’\rightarrow3’$ 方向连续合成RNA。
  • 配对关系为A-U、T-A、G-C，核苷酸之间形成磷酸二酯键。
  • 不需要引物，新核苷酸加入新生RNA链的 $3’-OH$ 端。
  • RNA序列与DNA编码链相同，但以U取代T。
  • 转录包括：模板识别 → 起始 → 通过启动子 → 延伸 → 终止。
  • 教材图示数据：转录泡中单链DNA约17个碱基，被聚合酶复合物保护的DNA约35个碱基。

大肠杆菌中依赖DNA的RNA转录过程


1. 模板识别·

  • RNA聚合酶识别启动子，并与启动子DNA双链特异性结合。
  • 启动子是转录起始必需的DNA序列，也是基因表达调控的上游顺式作用元件之一。

2. 转录起始·

  • RNA聚合酶结合启动子后，使附近DNA双链解旋、解链，形成转录泡。
  • NTP在转录泡内与模板DNA配对。
  • 转录起始的标志是RNA链上第一个核苷酸键形成。

3. 转录延伸·

  1. NTP不断加入新生RNA链的 $3’-OH$ 端。
  2. RNA聚合酶和转录泡沿DNA模板前移，前方DNA持续解开。
  3. 解链区形成短暂的RNA-DNA杂合物。
  4. 聚合酶后方的DNA模板链与非模板链重新形成双螺旋，RNA逐步释放。
  • DNA转录循环假说
    • NTP填入开放的底物位点，并在活性位点形成磷酸二酯键。
    • 教材在此以RNA聚合酶Ⅱ活性位点为例：活性位点中的核酸发生“移位”。
    • 连接区的 $\alpha$ 螺旋由笔直变为弯折，再恢复笔直，为下一轮合成腾出底物位点。

4. 转录终止·

  • RNA链延伸至终止位点后，RNA聚合酶停止形成新的磷酸二酯键。
  • RNA-DNA杂合物分离，转录泡瓦解，DNA恢复双链。
  • RNA聚合酶和新生RNA均从模板上释放。

原核与真核生物的转录及mRNA特征·

转录过程比较·

项目 原核生物 真核生物
RNA聚合酶 一种，负责各类基因转录 3种以上，分工转录不同类型基因
初始转录产物 大多为编码序列，与蛋白质氨基酸序列呈线性关系 产物较大并含内含子，成熟mRNA只占一小部分
转录后加工 几乎不需剪接即可作为翻译模板 需经剪接、修饰等加工才成为成熟mRNA
转录与翻译 位于同一细胞空间，几乎同步 发生在不同空间和时间范围内
  • 原核细胞中，mRNA刚开始转录即可启动蛋白质合成。

原核与真核生物转录及翻译比较


原核生物mRNA·

半衰期短·

  • 细菌的转录与翻译紧密偶联：转录开始后，核糖体即结合新生mRNA的 $5’$ 端，此时其 $3’$ 端可能尚未转录完成。
  • mRNA降解也紧随翻译发生
    • 转录开始约1 min后即可开始降解。
    • 当 $5’$ 端开始降解时，$3’$ 端仍可能正在合成或被翻译。
    • 降解速度约为转录或翻译速度的一半。
    • 新生蛋白质出现的速度约每2 min下降50%。
  • 新生与成熟mRNA被核酸酶攻击的概率相同，因此单个分子的寿命和翻译次数具有随机性，但某类mRNA的平均翻译产量较稳定。
  • 大肠杆菌色氨酸合成酶基因示例
    • 平均每分钟约起始转录15次。
    • 每条mRNA从产生到降解平均被翻译10次。
    • 稳定状态下每分钟约生成150条多肽。

细菌中mRNA的转录、翻译和降解


多顺反子结构·

  • 单顺反子mRNA（monocistronic mRNA）

    只编码一种蛋白质的mRNA。

  • 多顺反子mRNA（polycistronic mRNA）

    同时编码多种蛋白质，是一组相邻或相互重叠基因的转录产物。

  • 操纵子（operon）

    可共同转录成一条多顺反子mRNA的一组基因，是重要的遗传单位。

  • 乳糖操纵子的多顺反子mRNA可编码3条多肽，分别生成 $\beta$-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰基转移酶。

  • 几乎所有mRNA均可分为

    1. AUG前的 $5’$ 端非编码区。
    2. 由起始密码子至终止密码子的编码区。
    3. 终止密码子后的 $3’$ 端非编码区。

  • 后续顺反子的翻译起始受上游顺反子结构影响

    • 相距较远：前一顺反子翻译终止后，核糖体大小亚基离开；后一顺反子需重新结合核糖体。
    • 相距较近：30S小亚基可保留在mRNA上，再与游离50S大亚基结合，衔接启动下一条多肽的合成。

原核生物多顺反子mRNA


末端结构与SD序列·

  • 原核mRNA的 $5’$ 端无帽子结构，$3’$ 端没有多(A)或仅有较短的多(A)。
  • SD序列（Shine-Dalgarno sequence）
    • 位于起始密码子AUG上游7～12个核苷酸处。
    • 与16S rRNA的 $3’$ 端反向互补，参与核糖体与mRNA的结合。
    • 将16S rRNA末端6个保守核苷酸反向书写为 $3’\text{-UCCUCC-}5’$。
    • 已知大肠杆菌mRNA翻译起始区含4～5个、至少3个与SD序列对应的核苷酸。
  • 16S rRNA的 $3’$ 端既高度保守、能形成发夹，也能与mRNA配对，说明该区的配对状态是动态可变的。
  • 翻译启动后，mRNA-rRNA杂合体解离，为核糖体沿mRNA移动创造条件。

SD序列与16S rRNA 3'端互补


真核生物mRNA·

  • 编码功能蛋白的真核基因由RNA聚合酶Ⅱ转录。

  • 真核基因几乎均为单顺反子，一条mRNA通常只含一种蛋白质的信息，长度为数百至数千个核苷酸。

  • 一个完整基因不仅包括编码区，还包括 $5’$、$3’$ 端不编码氨基酸但在基因表达过程中起重要作用的特异性序列。

  • 基因的分子生物学定义

    产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。

  • 真核mRNA最显著的结构特征是 $5’$ 端帽子和 $3’$ 端多(A)尾。


$5’$ 端帽子·

  • 除叶绿体和线粒体外，真核mRNA的 $5’$ 端均经过修饰。

  • 转录通常由嘌呤起始，以A为主，也可为G；初始序列可表示为 $\mathrm{pppApNpNp}\cdots$。

  • 鸟苷酸转移酶把G加到mRNA的 $5’$ 端

    • 以GTP和原mRNA的 $5’$ 三磷酸腺苷或鸟苷为底物。
    • 新加的G与RNA链其余核苷酸方向相反，以 $5’\rightarrow5’$ 三磷酸键相连。
    • 加帽极快，通常在新生RNA不足50个核苷酸、甚至RNA聚合酶Ⅱ尚未离开起始位点时完成。

  • 帽子类型

类型 甲基化特征 教材所述分布
cap0 新加鸟嘌呤的N7位甲基化 所有真核mRNA均具有这一 $m^7G$ 修饰；单细胞真核生物主要为cap0型
cap1 cap0基础上，原mRNA第1个核苷酸的 $2’-OH$ 甲基化 真核mRNA的主要类型
cap2 cap1基础上，原mRNA第2个核苷酸的 $2’-OH$ 也甲基化 少于有帽mRNA总量的15%
  • 当原mRNA第1位核苷酸为A时，其 $N^6$ 位有时也可在 $2’-OH$ 甲基化后继续甲基化。
  • cap0由鸟嘌呤-7-甲基转移酶催化；cap1中的 $2’\text{-O}$ 甲基化由 $2’\text{-O}$-甲基转移酶催化。
  • 帽子结构的功能
    • 保护mRNA免受核酸酶破坏，提高稳定性。
    • 便于蛋白质合成起始因子识别，促进翻译起始。
    • 去除珠蛋白mRNA的7-甲基鸟嘌呤后，其稳定性和翻译活性均明显下降。
    • 去除呼肠孤病毒mRNA的 $5’$ 端甲基后，其模板活性消失。
    • 无 $m^7G$ 的呼肠孤病毒mRNA不能与40S小亚基结合。

真核生物mRNA的结构特征

真核生物mRNA的帽子结构


$3’$ 端多(A)尾·

  • 绝大多数真核mRNA的 $3’$ 端有多(A)尾，通常含40～200个A。

  • 多(A)不是DNA模板的直接转录产物，而是在转录后加入，可能在核内不均一RNA阶段即完成。

  • 切割与加尾信号

    • 初级转录产物中的保守序列为 AAUAAA；对应DNA序列为AATAAA。
    • 教材称该序列位于 $3’$ 端相关位点上游约15～30 bp，是准确切割和加多(A)所必需的。
    • RNA聚合酶Ⅱ不在多(A)位点终止，常继续转录其下游0.5～2 kb。
    • 内切酶在特定位点切开RNA后，多(A)合成酶催化加尾。
    • AAUAAA变为AAGAAA时，转录仍可进行，但mRNA加工受阻，不能形成功能性mRNA。

  • 多(A)尾的功能

    • 是教材所述mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式。
    • 提高mRNA在细胞质中的稳定性；多(A)尾逐渐缩短、消失后，mRNA进入降解过程。
    • eIF4F与多(A)结合蛋白相互作用，使mRNA保持环状并增强可翻译性。

  • 分子克隆中，可用寡聚dT与多(A)配对，作为反转录合成第一条cDNA链的引物。

  • 教材同时指出，细胞中可有多达 $1/3$ 的mRNA无多(A)尾

    • 有多(A)者称多(A)$^+$ mRNA，无多(A)者称多(A)$^-$ mRNA。
    • 约 $1/3$ 的多(A)$^-$ mRNA编码不同形式的组蛋白。
    • 其余约 $2/3$ 可能携带与多(A)$^+$ 组分相同的遗传信息。

真核生物mRNA的加多(A)反应

原核生物RNA聚合酶与转录·

原核生物RNA聚合酶·

  • 细菌仅用一种RNA聚合酶合成几乎全部mRNA、rRNA和tRNA。
  • 大肠杆菌RNA聚合酶
    • 核心酶：$\alpha_2\beta\beta’\omega$。
    • 全酶（holoenzyme）：$\alpha_2\beta\beta’\omega\sigma$。
    • 全酶相对分子质量约为 $4.65\times10^5$。
亚基 基因 数量 主要功能
$\alpha$ rpoA 2 核心酶组装、启动子识别，并参与聚合酶与部分调节因子的相互作用
$\beta$ rpoB 1 与 $\beta’$ 共同形成RNA合成活性中心；结合模板DNA、新生RNA和NTP
$\beta’$ rpoC 1 与 $\beta$ 共同结合DNA模板并催化磷酸二酯键形成
$\omega$ 教材表中未列 1 教材表中功能未定
$\sigma$ rpoD 1 识别启动子、选择模板链并促进转录起始
  • 全酶与核心酶的分工
    • 转录起始需要全酶，由 $\sigma$ 因子识别启动子和起始点、选择一条DNA链为模板。
    • 核心酶具有RNA合成活性，但不能准确找到转录起始位点；单独作用时产物不均一，DNA两条链均可被转录。
    • 转录开始后，$\sigma$ 因子脱离，核心酶负责延伸。
  • $\beta$、$\beta’$ 构成催化中心，并与真核RNA聚合酶的两个大亚基具有同源性。
  • T4噬菌体感染大肠杆菌后，可使 $\alpha$ 亚基的Arg残基发生ADP糖基化，降低全酶对启动子的亲和力。

大肠杆菌RNA聚合酶的组成与功能


$\sigma$ 因子·

  • $\sigma$ 因子是负责模板选择和转录起始的起始亚基，也是RNA聚合酶的别构效应物。
  • 细胞内 $\sigma$ 因子数量约为核心酶的30%，因此任一时刻约有 $1/3$ 的聚合酶以全酶形式存在。
  • $\sigma$ 因子对结合特异性的双重作用
    • 使RNA聚合酶对启动子DNA的结合常数提高约 $10^3$ 倍，复合物半衰期可达数小时至数十小时。
    • 使聚合酶对非特异位点的结合常数降低约 $10^4$ 倍，复合物半衰期小于1 s。
  • 同一细菌可具有识别不同启动子的多种 $\sigma$ 因子，以适应不同生长阶段并调控不同基因。
大肠杆菌 $\sigma$ 因子 基因 主要功能 识别的 $-35$ 区 间隔 识别的 $-10$ 区
$\sigma^{70}$ rpoD 广泛 TTGACA 16～18 bp TATAAT
$\sigma^{32}$ rpoH 热休克 TCTCNCCCTTGAA 13～15 bp CCCCATNTA
$\sigma^{54}$ rpoN 氮代谢 CTGGNA 6 bp TTGCA
  • T3、T7噬菌体RNA聚合酶仅由一条多肽链组成，相对分子质量小于 $1\times10^5$；在 $37\ ^\circ\mathrm{C}$ 时转录速度约200 nt/s，但只能起始少数噬菌体启动子的转录。

原核生物启动子·

启动子的保守序列·

  • RNA聚合酶全酶结合启动子后，可保护约41～44 bp DNA免受DNase Ⅰ水解。
  • $-10$ 区（Pribnow box）
    • 中心约位于转录起点上游10 bp。
    • 保守序列为 TATAAT，是RNA聚合酶的紧密结合区。
  • $-35$ 区
    • 位于转录起点上游约35 bp。
    • 保守序列为 TTGACA，参与RNA聚合酶对启动子的识别。
  • $-10$ 区和 $-35$ 区均可与 $\sigma$ 因子相互识别，使聚合酶对启动子具有高亲和力。

大肠杆菌RNA聚合酶全酶识别的启动子区


$-10$ 区与 $-35$ 区的间距·

  • 两区通常相距 16～19 bp。

  • 间距小于15 bp或大于20 bp均会降低启动子活性。

  • 增减1 bp可使两区夹角改变约 $36^\circ$；为维持聚合酶与DNA的正确取向，酶或DNA必须发生扭曲，需要增加结合自由能。

  • 启动子突变

    • 下降突变（down mutation）：降低保守序列同一性，从而降低转录水平；如TATAAT变为AATAAT。
    • 上升突变（up mutation）：提高与共同序列的同一性，从而提高启动子效率；如乳糖操纵子TATGTT变为TATATT。

RNA聚合酶对启动子的识别·

  • RNA聚合酶主要通过酶与DNA之间空间位置匹配的氢键供体、受体识别启动子，而非简单读取孤立碱基本身。
  • 因此，启动子功能同时受DNA序列和局部构象影响
    • 不改变氢键方位与性质的碱基替换，可能不影响功能。
    • 改变局部构象或电荷密度、进而改变相关基团方位时，启动子功能会改变。

原核生物RNA转录周期·

1. 转录起始·

  1. 封闭复合物（closed complex）
    • RNA聚合酶全酶识别启动子并与之可逆结合。
    • DNA仍保持双链状态。
  2. 开放复合物（open complex）
    • DNA构象发生显著变化，启动子中的一小段双链解开。
    • 对强启动子，由封闭复合物向开放复合物的转变是快速且不可逆的。
  3. 三元复合物（ternary complex）
    • 开放复合物结合最初两个NTP并形成第一个磷酸二酯键。
    • 复合物由RNA聚合酶、DNA和新生RNA组成。
  • 三元复合物形成后的两种去向
    • 流产式起始：合成并释放2～9 nt的短RNA，随后重新起始。
    • 进入正常延伸：成功合成9 nt以上RNA，形成稳定三元复合物并离开启动子。
  • 三元复合物通过启动子所需时间越短，说明该启动子的转录起始频率越高。

原核生物RNA聚合酶的转录周期


2. 新生RNA链的延伸·

  • 新生RNA达到9～10 nt时，$\sigma$ 因子脱离；核心酶离开启动子并沿模板DNA移动。
  • 聚合酶由起始阶段的全酶构象转变为延伸阶段的核心酶构象。
  • 核心酶与DNA形成较松弛的非特异性结合，有利于沿模板前移。
  • 延伸复合物由核心酶、DNA和新生RNA组成，稳定性很高，可长时间结合DNA而不解离。
  • 延伸时只有新生RNA中的8～9 nt与DNA模板互补，其余RNA从模板剥离，经RNA出口通道离开。
  • 聚合酶约横跨40 bp DNA，解旋区约17 bp；RNA的 $3’$ 端约有20～30 nt与DNA或聚合酶结合。

3. RNA聚合酶的校对·

校对机制 过程
焦磷酸编辑（pyrophosphorolytic editing） 活性位点通过重新加入焦磷酸的逆反应去除已插入核苷酸；虽可去除正确或错误碱基，但聚合酶在错配处停留更久，故错误碱基更常被去除
水解编辑（hydrolytic editing） Gre因子促进聚合酶越过难转录区域，并激发水解反应，去除含错配的序列

延伸中的RNA聚合酶同时具有RNA合成和校对功能。


4. 转录终止·

  • 终止时必须破坏RNA-DNA杂合体中的氢键，使模板链重新与编码链形成DNA双链。
  • 大肠杆菌终止子按是否需要辅助因子分为两类。
类型 终止信号/因子 主要机制
不依赖 $\rho$ 因子 内在或固有终止子 RNA发夹使聚合酶暂停，寡聚U形成不稳定的rU·dA区，两者共同促使RNA解离
依赖 $\rho$ 因子 $\rho$ 因子 $\rho$ 沿RNA追赶暂停的聚合酶，以解螺旋活性释放RNA并拆解复合物
  • 内在终止子的结构特点
    1. 终止位点上游有约20 nt、富含GC的反向重复序列，转录后形成RNA发夹。
    2. 终止位点前有4～8个A-T碱基对，转录产物 $3’$ 端形成寡聚U。
  • 终止效率随发夹和寡聚U长度增加而提高；教材给出的最低有效长度为发夹至少6 bp、寡聚U至少4个U。

内在终止子的终止过程

  • $\rho$ 因子及“穷追”模型
    • $\rho$ 是由6个相同亚基组成的六聚体，相对分子质量约 $2.8\times10^5$。
    • 具有NTP酶和解螺旋酶活性，通过NTP水解供能。
    • RNA合成开始后，$\rho$ 结合新生RNA的 $5’$ 端位点，利用ATP水解供能，按 $5’\rightarrow3’$ 方向向转录泡移动。
    • $\rho$ 的运动速度可能比RNA聚合酶快；当聚合酶在终止子处暂停时，$\rho$ 得以追上聚合酶，利用RNA-DNA解螺旋活性释放RNA并使复合物解体。
    • 大肠杆菌中约一半终止子为 $\rho$ 依赖型。

rho因子参与的转录终止

真核生物RNA聚合酶与转录·

真核生物RNA聚合酶·

RNA聚合酶的分类·

  • 真核生物的3类细胞核RNA聚合酶定位、产物和对 $\alpha$-鹅膏蕈碱的敏感性不同。
酶 细胞内定位 主要转录产物 相对活性 对 $\alpha$-鹅膏蕈碱的敏感性
RNA聚合酶Ⅰ 核仁 45S rRNA前体，经加工形成除5S rRNA外的各种rRNA 50%～70% 不敏感
RNA聚合酶Ⅱ 核质 hnRNA，经加工形成mRNA 20%～40% 低浓度即可抑制
RNA聚合酶Ⅲ 核质 tRNA、5S rRNA、snRNA 约10% 有物种特异性；动物中高浓度可抑制，昆虫中不抑制
  • 反应条件
    • RNA聚合酶Ⅰ在低离子强度下活性最高。
    • RNA聚合酶Ⅱ在较高离子强度、尤其高 $Mn^{2+}$ 条件下活性较高。
    • RNA聚合酶Ⅲ适应较宽的离子强度范围，优选 $Mn^{2+}$。
  • 细胞器RNA聚合酶
    • 线粒体RNA聚合酶仅一条多肽链，相对分子质量小于 $7\times10^4$，与T7噬菌体RNA聚合酶同源。
    • 叶绿体RNA聚合酶较大、含多个亚基，结构与细菌RNA聚合酶相似，部分亚基由叶绿体基因组编码。
    • 两者均不受 $\alpha$-鹅膏蕈碱抑制。

亚基组成·

  • 3类真核RNA聚合酶通常由8～16个亚基组成，相对分子质量超过 $5\times10^5$。
  • 共同规律
    1. 每种聚合酶均有两个相对分子质量超过 $1\times10^5$ 的大亚基。
    2. 同一生物的3类聚合酶共享若干小亚基。
      • RPB6为3类聚合酶共有。
      • RPC5、RPC9见于RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ。
  • 同源关系
    • RNA聚合酶Ⅱ的RPB1、RPB2与细菌核心酶的 $\beta$、$\beta’$ 两个大亚基同源。
    • RPB3、RPB11与细菌 $\alpha$ 亚基同源。
    • RPB6与细菌 $\omega$ 亚基同源。

RNA聚合酶的结构·

  • 原核与真核RNA聚合酶总体均呈“蟹爪”状。
  • RNA聚合酶Ⅱ可分为4个主要作用模块，含围绕活性中心的钳子形结构域。
  • 两个钳子主要由最大亚基RPB1和RPB2构成；活性位点位于钳子基部的活性中心裂隙内。
  • 钳子开放时，启动子DNA才能进入并开始转录。
  • 多个通道供DNA、RNA等进出活性中心；延伸出的平滑结构域可能促进RNA解旋并帮助DNA重新形成双螺旋。

原核与真核RNA聚合酶晶体结构比较


真核生物RNA聚合酶Ⅱ启动子·

  • 启动子是保证转录准确、高效起始的DNA序列。
  • RNA聚合酶Ⅱ所转录基因的常见启动子元件
元件 常见位置 代表序列 主要作用
TATA区（TATA box） $-25\sim-35$ 富含TA 核心启动子组成部分，主要决定准确起始位置
CAAT区（CAAT box） $-70\sim-80$ CCAAT 上游启动子元件，主要调节起始频率
GC区（GC box） $-80\sim-110$ GCCACACCC或GGGCGGG 上游启动子元件，主要调节起始频率
  • TATA区上游约100～200 bp内可含多个启动元件，统称上游启动子元件（UPE）或上游激活序列（UAS）。
  • TATA区缺失或突变时，RNA产物的起点不再固定；转录量下降可能不及CAAT区或GC区突变明显。
  • CAAT区和GC区主要控制转录起始频率，基本不决定起始位点。
    • CAAT区对起始频率影响尤其显著，其任一碱基改变均可明显影响转录强度。
    • UPE与TATA区的间距也很重要；教材例中，在人 $\beta$-血红蛋白基因两个UPE之间插入15 nt可使启动子完全失活。
    • CAAT、GC区相对于TATA区的方向对转录强度影响不大。
  • 并非每个启动子都同时具有TATA、CAAT和GC三种元件；基因转录取决于RNA聚合酶、转录调控因子和多种启动子元件的共同作用。

真核RNA聚合酶II识别的启动子区


原核与真核启动区比较·

项目 原核基因 真核基因
调控区范围 较小 较大
TATA样序列 Pribnow区TATAAT，中心约 $-7\sim-10$ TATAA/TA区约位于 $-20\sim-30$
聚合酶主要结合元件 另有 $-30\sim-40$ 的TTGACA区 可有CAAT区、GC区及增强子等多种元件
调控区 $-70\sim-30$ 为正调控因子结合区，$-20\sim+1$ 为负调控因子结合区 $-110\sim-40$ 为上游激活区

原核与真核转录起始位点上游区比较


转录前起始复合物的组装·

  • 真核RNA聚合酶不能直接识别启动子，需要至少7种转录因子（transcription factor，TF）协助。

  • 这些转录因子的辅助作用与细菌转录中 $\sigma$ 因子执行的功能相似。

  • 转录因子按特定顺序结合启动子，帮助RNA聚合酶Ⅱ定位并解开DNA双链。

  • 转录前起始复合物（preinitiation transcription complex，PIC）

    • 由RNA聚合酶Ⅱ和多种转录因子组成。
    • 含40多条肽链，总相对分子质量可达 $2\times10^6$。

  • PIC的组装顺序

    1. TFⅡD首先结合核心启动子的TATA区。
    2. RNA聚合酶Ⅱ、TFⅡA、TFⅡB等依次结合。
    3. TFⅡE、TFⅡH、TFⅡJ等迅速加入已形成的复合物。

  • 各组分分工明确，缺少一种或数种成分时，转录不能起始或起始速率很低。

  • 部分组分的功能

    • TBP：结合TATA区。
    • TFⅡA：稳定TBP、TFⅡB与启动子的结合。
    • TFⅡB：结合TBP，并吸引RNA聚合酶Ⅱ和TFⅡF进入启动区。
    • TFⅡD：与各种转录调控因子相互作用。
    • TFⅡE：吸引TFⅡH；教材表同时列有ATP酶和解链酶活性。
    • TFⅡF：结合RNA聚合酶Ⅱ，并在TFⅡB帮助下减少聚合酶与非特异DNA的结合。
    • TFⅡH：参与启动子DNA解链和RNA聚合酶Ⅱ磷酸化。

  • RNA聚合酶Ⅱ最大亚基的C端结构域（CTD）含多个可磷酸化位点

    • 磷酸化可改变聚合酶与转录因子的相互作用，调节PIC组装和转录起始。
    • CTD磷酸化与去磷酸化的转换也参与调节转录延伸。

RNA聚合酶II转录前起始复合物


增强子及其功能·

  • 增强子/强化子（enhancer）

    不属于启动子、但能增强或促进转录起始的DNA序列。

  • SV40转录起点上游约200 bp处有两段72 bp重复序列；删除两段会显著降低转录，保留一段或将其移至DNA其他位置仍可维持转录。

  • 教材例中，将该72 bp序列与 $\beta$-珠蛋白基因相连，可使体内转录水平提高200倍；位于起点上游1 400 bp或下游3 300 bp时均有效。

  • 可能机制：改变染色质DNA-蛋白质结构或超螺旋密度，使RNA聚合酶更易结合模板。

  • 增强子的特点

    1. 远距离效应：即使距启动子十余kb仍可增强转录。
    2. 无方向性：位于靶基因上游、下游或内部均可发挥作用。
    3. 顺式调节：只调节同一染色体上的靶基因。
    4. 无物种和基因特异性：可连接到异源基因上发挥作用。
    5. 组织特异性：效应依赖特定细胞中的蛋白质因子。
    6. 有相位性：作用受DNA构象影响。
    7. 可应答外部信号：部分增强子受高温、镉、锌或固醇类激素等激活。

RNA转录的抑制·

  • RNA转录抑制剂按作用性质分为3类
    1. 嘌呤和嘧啶类似物：作为核苷酸代谢拮抗剂，抑制前体RNA合成。
    2. DNA模板功能抑制剂：与DNA结合，改变或破坏其模板功能。
    3. RNA聚合酶抑制剂：与RNA聚合酶结合，降低其活性。
抑制剂 主要靶点 抑制作用
碱基类似物，如5-氟尿嘧啶 核苷酸代谢 抑制或干扰核苷酸合成
利福霉素 细菌RNA聚合酶全酶 与$\beta$亚基结合，抑制转录起始
利迪链霉素 细菌RNA聚合酶核心酶 与$\beta$亚基结合，抑制转录起始
放线菌素D DNA模板 与DNA结合，阻止转录延伸
$\alpha$-鹅膏蕈碱 真核RNA聚合酶II 与RNA聚合酶II结合并抑制其活性

嘌呤和嘧啶类似物·

  • 人工合成的碱基类似物包括5-氟尿嘧啶、6-氮尿嘧啶、6-巯基嘌呤和8-氮鸟嘌呤等。
  • 进入体内后一般先转变为相应核苷酸，再通过两种途径发挥作用
    • 作为代谢拮抗物，直接抑制核苷酸合成酶。
    • 掺入核酸，形成异常结构并妨碍后续延伸。
  • 典型实例
    • 6-巯基嘌呤：转变为巯基嘌呤核苷酸，阻断嘌呤核苷酸合成；教材列其用于治疗急性白血病和绒毛上皮癌等。
    • 8-氮鸟嘌呤：形成核苷酸后既抑制嘌呤核苷酸合成，又可掺入RNA形成异常RNA，从而抑制蛋白质合成。
    • 5-氟尿嘧啶：先转变为F-UMP，再形成F-dUMP并抑制胸腺嘧啶核苷酸合成酶，具有抑制肿瘤细胞生长的作用。
  • 教材认为，正常细胞可将5-氟尿嘧啶分解为$\alpha$-氟-$\beta$-氨基丙酸，而癌细胞不能分解，这是其可用作化疗药物的原因之一。

DNA模板功能抑制剂·

  • 放线菌素、烷化剂和嵌入染料均可与DNA结合，使DNA失去正常模板功能并抑制转录。
  • 放线菌素D（actinomycin D）
    • 与DNA形成非共价复合物，抑制DNA作为模板。
    • 具有抗菌和抗癌作用。
    • 教材给出的比较：$1\ \mathrm{mmol/L}$可有效抑制RNA转录，而抑制DNA复制需$10\ \mathrm{mmol/L}$。
  • 烷化剂
    • 包括氮芥、磺酸酯、氮丙啶等。
    • 活性烷基可同时作用于DNA两条链，使其交联并抑制模板功能。
    • 毒性大，可致突变和致癌；环磷酰胺可选择性杀伤肿瘤细胞，用于恶性肿瘤治疗。
  • 嵌入剂
    • 吖啶类染料、溴化乙锭等扁平芳香族分子可插入双链DNA相邻碱基对之间。
    • 插入可使DNA复制时缺失或增加1个核苷酸，导致移码突变。
    • 溴化乙锭（EB）与核酸结合后抑制复制和转录，也可作为高灵敏度荧光试剂检测DNA和RNA。

RNA聚合酶抑制剂·

  • 利福霉素（rifamycin）：特异性抑制细菌RNA聚合酶，对革兰氏阳性菌和结核杆菌有强抑制作用。
  • 利迪链霉素（streptolydigin）：与细菌RNA聚合酶$\beta$亚基结合，抑制转录起始。
  • $\alpha$-鹅膏蕈碱：主要抑制真核RNA聚合酶；表3-7具体列出的靶点为RNA聚合酶II。

真核生物RNA的转录后加工·

真核RNA中的内含子·

  • 真核基因大多为断裂基因，由外显子和内含子间隔排列。
  • 内含子（intron）

    mRNA前体中需要在成熟过程中被剪除的非编码区。

  • 外显子（exon）

    剪接后相互连接、形成成熟mRNA的编码区。

  • RNA剪接（splicing）

    从mRNA前体中切除内含子，并连接外显子形成成熟mRNA的加工过程。

  • 内含子可占真核基因的绝大部分，部分基因中所占比例超过99%。
人类基因 基因长度/kb 内含子数 内含子比例/%
胰岛素 1.4 2 67
$\beta$-珠蛋白 1.4 2 69
血清蛋白 18 13 89
胶原蛋白组分VII 31 117 71
VIII因子 186 25 95
萎缩性肌强直因子 2 400 78 $>99$

真核基因内含子、外显子及mRNA剪接


tRNA前体的转录后加工·

  • 真核tRNA基因含内含子，前体必须经过剪接。
  • tRNA内含子的特点
    1. 长度和序列没有共同性，一般为16～46 nt。
    2. 位于反密码子下游。
    3. 内含子与外显子边界无保守序列，因此不遵循mRNA剪接的一般规律。
  • tRNA具有高度保守的二级结构，共同二级结构是精确切除内含子的识别信号。
  • 哺乳动物、酵母、果蝇和植物的tRNA加工基本相同，主要有3步
    1. 剪接内含子：tRNA内切核酸酶切除内含子，RNA连接酶连接外显子。
    2. $3’$端添加CCA：教材称真核tRNA前体$3’$端均缺少$-\mathrm{CCA}_{\mathrm{OH}}$，需由tRNA核苷酸转移酶添加CCA，才具有翻译活性。
    3. 修饰核苷酸：特定位点频繁发生甲基化等修饰，产生较多稀有核苷酸；其功能仍需进一步研究。

rRNA前体的转录后加工·

  • 大多数真核生物rRNA基因没有内含子。

  • 新生rRNA前体与蛋白质结合形成大型核糖核蛋白前体颗粒；前体长度约为成熟rRNA的2倍。

  • rRNA成熟加工在核仁中完成。

  • 核仁小RNA（snoRNA）帮助核糖核酸酶识别特定立体结构，从而确定切割位点。

  • 不同真核生物中，同一转录单位内各rRNA的排列顺序和加工过程高度保守。

  • 人HeLa细胞rRNA前体的加工

    1. 从$5’$端切除非编码序列，形成41S中间产物。
    2. 41S RNA切为两段
      • 32S RNA：含28S rRNA和5.8S rRNA。
      • 20S RNA：含18S rRNA。
    3. 32S RNA进一步切为28S rRNA和5.8S rRNA。
    4. 20S RNA被切割生成18S rRNA。

人HeLa细胞和小鼠L细胞rRNA前体的加工


mRNA前体的成熟与剪接·

  • RNA剪接主要包括3种形式，不包括tRNA加工
    • pre-mRNA剪接。
    • I类内含子自剪接。
    • II类内含子自剪接。
  • DNA的原始转录产物称为核内不均一RNA（hnRNA），即mRNA前体。
  • hnRNA经过$5’$端加帽、$3’$端酶切并加多聚腺苷酸和RNA剪接，外显子连接成连续开放读码框（ORF）；成熟mRNA随后通过核孔进入细胞质，作为翻译模板。
  • 真核基因平均含8～10个内含子，mRNA前体通常为成熟mRNA的4～10倍。
  • 内含子边界序列在不同生物中相似，提示剪接机制在进化上保守；同源基因中内含子的变化大于外显子，特定内含子还可能在进化中丢失。
  • 剪接异常可引起疾病。教材举例：地中海贫血患者珠蛋白基因中约$1/4$的核苷酸突变位于内含子$5’$或$3’$边界保守序列，或位于内含子内部但干扰正常剪接。
加工过程 教材列出的生理功能
加帽 mRNA由细胞核向细胞质转运；翻译起始
加多聚A 转录终止；翻译起始；mRNA降解
RNA剪接 从mRNA、tRNA和rRNA中切除内含子
RNA切割 从前体RNA中释放成熟tRNA和rRNA

初级转录产物及其主要加工过程

剪接位点由RNA序列决定·

  • 多数细胞核mRNA前体内含子遵循GU-AG法则（Chambon法则）
    • $5’$边界为GU，是供体剪接点。
    • $3’$边界为AG，是受体剪接点。
  • 参与准确剪接的保守元件
元件 位置或序列 作用
$5’$剪接位点 常见保守序列$5’$-GUPuAGU-$3’$ 确定内含子$5’$边界
分支点 位于$3’$剪接点上游18～50 nt；保守A含$2’$-OH 形成分支剪接中间体
富嘧啶区 靠近$3’$剪接点，含10～20个嘧啶核苷酸 参与$3’$剪接点识别
$3’$剪接位点 AG 确定内含子$3’$边界
  • 教材给出的分支点保守区为$Py_{80}NPy_{87}Pu_{75}APy_{95}$，其中A为100%保守。
  • 这些保守序列是核糖核蛋白剪接调节因子的结合位点，对剪接的准确性和效率很重要。

两步转酯反应·

  • pre-mRNA剪接通过两步转酯反应完成，本质是磷酸二酯键的交换。
  • 第一步
    1. 分支点保守A的$2’$-OH作为亲核基团，攻击$5’$剪接位点保守G的磷酰基团。
    2. 上游外显子与内含子$5’$端之间的磷酸二酯键断开。
    3. 内含子$5’$端磷酸与分支点A的$2’$-OH相连，形成三叉分支点。
  • 第二步
    1. 上游（$5’$）外显子的游离 $3’\text{-OH}$ 作为亲核基团，攻击 $3’$ 剪接位点的磷酰基团。
    2. 上、下游外显子连接。
    3. 内含子作为套索结构（lariat）释放。
  • 两步反应共断开2个、形成2个磷酸二酯键，化学键总数没有增加。

剪接体介导RNA剪接·

  • 剪接体（spliceosome）

    mRNA前体剪接时动态组装的大型核糖核蛋白复合体，介导两步转酯反应。

  • 剪接体约含150种蛋白质和5种RNA，大小与核糖体接近；教材给出的大小约为$1.2\times10^7$。

  • 5种核小RNA（snRNA）为U1、U2、U4、U5和U6，每种长100～300 nt。

  • snRNA与若干蛋白质形成核小核糖核蛋白（snRNP）；不同snRNP是剪接体的功能亚单位，并在剪接的不同时期动态组合。

  • snRNP的主要功能

    1. 识别$5’$剪接位点和分支点。
    2. 将相关剪接位点集合到一起。
    3. 催化或协助催化RNA切割与连接。

  • 剪接体的组装

    1. U1 snRNA通过碱基互补识别mRNA前体$5’$剪接点。
    2. U2AF结合$3’$剪接点上游富嘧啶区，识别$3’$剪接点并引导U2 snRNP结合分支点，形成剪接前体。
    3. 剪接前体与U4、U5、U6 snRNP三聚体结合，形成60S剪接体并完成剪接。

  • 哺乳动物mRNA前体上的snRNP从$5’$端向下游扫描，选择分支点富嘧啶区$3’$下游的第一个AG作为$3’$剪接位点。

  • AG前一位核苷酸影响剪接效率：CAG=UAG>AAG>GAG；同一前体中若有多个AG，可发生剪接竞争。

  • 剪接易发生两类错误

    • 遗漏剪接位点。
    • 将邻近非靶位点误认为剪接位点。

  • 提高准确性的两种机制

    1. RNA聚合酶II在转录时携带剪接蛋白；新生RNA形成$5’$剪接位点后，相关蛋白立即转移并结合，使剪接体装配与转录同步，减少外显子遗漏。
    2. 富含Ser和Arg的SR蛋白结合外显子剪接增强子，并把剪接机器引导到邻近剪接位点，优先识别最靠近外显子的位点。

真核mRNA前体内含子的剪接过程

可变剪接·

  • 可变剪接/选择性剪接

    在个体发育或细胞分化过程中，有选择地跳过某些外显子或剪接点，产生组织或发育阶段特异性mRNA的过程。

  • 高等真核生物的内含子通常按组成性方式有序切除，但可变剪接可使同一基因产生多个蛋白质产物。
  • 教材称人类约60%的基因可发生可变剪接。

RNA可变剪接的5种模式

I类和II类自剪接内含子·

  • GU-AG类为主要的核pre-mRNA内含子，AU-AC类为次要类型；二者依赖剪接体。
  • I类、II类内含子RNA本身具有催化活性，可折叠成特殊构象完成自剪接，无需形成剪接体。
内含子类型 教材列出的细胞内定位
GU-AG 真核细胞核pre-mRNA
AU-AC 真核细胞核pre-mRNA
I类 真核细胞核pre-rRNA、细胞器RNA、少数细菌RNA
II类 细胞器RNA、部分细菌RNA
III类 细胞器RNA
双内含子 细胞器RNA
tRNA前体内含子 真核细胞核tRNA前体
  • I类自剪接内含子
    • 最初发现于四膜虫RNA前体，后来在细菌中也发现。
    • 第一步：游离鸟苷或鸟苷酸（GMP、GDP、GTP）的$3’$-OH攻击内含子$5’$端磷酸二酯键，切开上游连接。
    • 第二步：上游外显子的游离$3’$-OH攻击内含子$3’$端磷酸二酯键，释放内含子并连接两个外显子。
    • 释放的是线性内含子，不是套索。
    • 通常小于II类内含子；保守二级结构含鸟苷结合口袋和可与$5’$剪接位点配对的“内在指导序列”，用于确定亲核攻击位置。
  • II类自剪接内含子
    • 教材称主要存在于真核线粒体和叶绿体rRNA基因，也见于部分细菌RNA。
    • 不需要游离鸟苷或鸟苷酸。
    • 第一步：内含子靠近$3’$端的A以$2’$-OH攻击内含子$5’$端磷酸二酯键，形成套索。
    • 第二步：上游外显子的游离$3’$-OH攻击内含子$3’$端磷酸二酯键，释放套索状内含子并连接两个外显子。
类型 丰度 两步反应的关键亲核体/产物 催化机器
核pre-mRNA 常见，适用于多数真核基因 分支点A；套索内含子 剪接体
II类自剪接内含子 罕见，见于某些细胞器真核基因及原核基因 内含子A；套索内含子 内含子RNA核酶
I类自剪接内含子 罕见，见于某些真核核rRNA、细胞器基因和少量原核基因 游离G或鸟苷酸；线性内含子 内含子RNA核酶

I类内含子的自剪接

II类内含子的自剪接

RNA的编辑、再编码和化学修饰·

RNA编辑·

  • RNA编辑（RNA editing）

    通过插入、删除或取代核苷酸残基改变mRNA序列及其蛋白质编码信息的mRNA前体加工方式。

  • RNA编辑使转录产物的信息不同于DNA直接编码的信息，但不改变DNA序列本身。
  • 两类介导机制
    1. 位点特异性脱氨基作用。
    2. 指导RNA引导的尿嘧啶插入或删除。

位点特异性脱氨基编辑·

  • 哺乳动物载脂蛋白mRNA是典型实例
    • 载脂蛋白基因在不同组织中的DNA序列相同，编码区有4 563个密码子。
    • 肝中产生完整mRNA，翻译成4 563个氨基酸的全长蛋白质，相对分子质量约$5.1\times10^5$。
    • 肠中，位点特异性脱氨基使第2 153位密码子由CAA变为UAA，即由谷氨酰胺密码子变为终止密码子。
    • 结果只产生全长载脂蛋白N端部分，相对分子质量约$2.5\times10^5$。
组织 靶RNA 碱基改变 结果
肝、肠 载脂蛋白B C$\rightarrow$U 谷氨酰胺密码子$\rightarrow$终止密码子
肌肉 半乳糖苷酶 U$\rightarrow$A 苯丙氨酸密码子$\rightarrow$酪氨酸密码子
睾丸、肿瘤等 Wilms肿瘤基因-1 U$\rightarrow$C 亮氨酸密码子$\rightarrow$脯氨酸密码子
肿瘤 神经纤维瘤基因-1 C$\rightarrow$U 精氨酸密码子$\rightarrow$终止密码子
脑 谷氨酸受体蛋白 A$\rightarrow$I 多个谷氨酸密码子$\rightarrow$精氨酸密码子
  • 载脂蛋白mRNA的C$\rightarrow$U和谷氨酸受体mRNA的A$\rightarrow$I均由脱氨基作用产生，分别由胞嘧啶脱氨酶和腺嘌呤脱氨酶催化。
  • 脱氨酶本身的反应特异性通常不强；RNA编辑复合体中的附加RNA结合区帮助识别特异靶位点。

位点特异性脱氨基引起的载脂蛋白mRNA编辑

指导RNA介导尿嘧啶插入或删除·

  • 利什曼原虫细胞色素b mRNA含有许多并非由核基因直接编码的尿嘧啶残基。
  • 特异性插入信息来自指导RNA（guide RNA）
    1. 指导RNA含有与编辑后细胞色素b mRNA互补的序列。
    2. 指导RNA与待编辑区及邻近序列配对；未配对A形成缺口，为插入U提供模板。
    3. 编辑完成后，指导RNA从mRNA解离，编辑后的mRNA用于翻译。

指导RNA介导RNA编辑

RNA编辑的意义·

  1. 校正作用：恢复某些基因在突变中丢失的遗传信息。
  2. 调控翻译：形成或去除起始密码子、终止密码子，调节基因表达。
  3. 扩充遗传信息：使基因产物获得新的结构和功能，有利于生物进化。

RNA再编码·

  • RNA再编码（RNA recoding）

    mRNA在翻译时改变原有编码或读码方式，采用非常规解码规则产生蛋白质的现象。

  • 主要形式
    1. 程序性$+1/-1$移码：在tRNA、rRNA及相关蛋白因子作用下，读码框发生$+1$或$-1$移位。
    2. 核糖体跳跃：核糖体可跳过约50 nt后继续翻译。
    3. 终止子通读：教材列出的第21、22种氨基酸硒代半胱氨酸和吡咯赖氨酸均通过终止子通读编码。
  • RNA再编码可使一个mRNA产生两种或多种相互关联但不同的蛋白质，可能构成蛋白质合成的调节机制。

RNA的化学修饰·

  • 前体rRNA和tRNA可发生位点特异性化学修饰，教材归纳为6类
修饰类型 变化 教材实例
甲基化 在碱基或核糖基添加一个或多个$-\mathrm{CH_3}$ $m^7G$
去氨基化 碱基脱去氨基 形成次黄嘌呤
硫代 用S替代碱基分子中的O 4-硫尿嘧啶
双键饱和化 使碱基中的双键饱和 二氢尿嘧啶
碱基同分异构化 碱基变为同分异构体 U变为假尿嘧啶
核苷酸替代 用不常见核苷酸替代常见核苷酸 奎嘌呤
  • 教材称人细胞rRNA中存在106种甲基化产物和95种假尿嘧啶产物。
  • 虽未发现特征性保守序列，实验仍表明RNA化学修饰具有位点特异性。
  • 长70～100 nt的snoRNA可通过碱基配对识别rRNA待修饰位点。
  • snoRNA上的D盒被认为是甲基化酶的识别位点。

rRNA和tRNA中核苷酸的主要化学修饰

酵母U24 snoRNA指导甲基化

mRNA转运·

  • 真核mRNA完成加帽、去除内含子和多腺苷酸化后，经核孔复合体由细胞核进入细胞质，作为蛋白质翻译模板。
  • mRNA核质转运是主动转运
    • 由GTP水解供能。
    • 受多种蛋白质精细调控。
    • 可阻止加工错误或受损RNA进入细胞质。
  • 转运循环
    1. 成熟mRNA结合一组携带核跨膜转运信号的蛋白质。
    2. 转运受体识别这些信号，引导mRNA通过核孔。
    3. 进入细胞质后，转运蛋白从mRNA解离。
    4. 转运蛋白被识别并返回细胞核，参与下一轮运输。

mRNA由细胞核转运到细胞质

核酶·

  • 核酶（ribozyme）

    具有催化功能的RNA分子，可催化RNA磷酸二酯键断裂或参与RNA剪接与连接。

  • “ribozyme”由核糖核酸和酶两个词缩合而来。

核酶的发现·

  • 1982年，Cech在四膜虫rRNA前体加工研究中发现RNA具有自剪接作用，提出核酶概念，打破“酶都是蛋白质”的传统认识。
  • 1983年，Altman等发现RNase P的RNA组分可催化tRNA前体加工。
  • 此后又发现T4 RNA、某些植物类病毒和拟病毒等也能自剪接。

核酶的结构基础·

  • 核酶的催化功能与空间结构密切相关。
  • 教材列出的核酶包括RNase P的RNA亚基M1 RNA、锤头型、发夹型、丁型肝炎$\delta$病毒RNA以及I类、II类内含子等。
  • 教材称多数具有自剪切能力的RNA可形成锤头结构（hammerhead structure）
    • 由茎I、II、III组成，茎区为互补碱基形成的局部双链。
    • 3个茎包围由11～13个保守核苷酸组成的催化中心。
    • 通常在H位点切割，H代表除G以外的任意核苷酸。
    • 同一锤头结构包含催化中心和带切割位点的底物部分；底物与茎I、III结合，切割后释放并可由新底物替代，使反应重复进行。

核酶的锤头结构


核酶的分类·

  1. 剪切型核酶
    • 只切不接，可切割自身RNA或其他RNA中的特异序列。
    • M1 RNA是典型实例，在高浓度$\mathrm{Mg^{2+}}$下可特异切除tRNA前体$5’$端片段。
    • 四膜虫rRNA前体的剪接产物L19也属于剪切型核酶。
  2. 剪接型核酶
    • 兼有序列特异性内切核酸酶和RNA连接酶等活性。
    • 既切割RNA，也可通过转酯反应形成新的磷酸二酯键并连接RNA。
    • I类和II类内含子属于剪接型核酶。
  • 锤头型和发夹型核酶均可催化产物连接，但两类反应偏好不同
    • 发夹型核酶的连接活性约为切割活性的10倍。
    • 锤头型核酶的切割活性约为连接活性的100倍。
  • 根据核酶的自剪切特性，可人工合成核酶以抑制病毒基因或癌基因等有害基因，教材据此提出其基因治疗潜力。
  • 核酶表明RNA既可作为遗传物质，也可发挥酶的功能；教材将其视为继反转录之后对中心法则的重要补充，并据此提出可能存在过以RNA为基础的原始生命。

RNA在生物进化中的地位·

  • 教材给出的RNA与翻译误差数据

    • RNA变异率可达$10{-4}\sim10{-3}$个核苷酸/RNA分子。
    • 翻译错误累加可达$10{-2}\sim10{-1}$个氨基酸/蛋白质分子。

  • 教材据此认为，RNA在表达过程中具有一定离散性，可快速产生不同蛋白质并积累信息。

  • RNA可通过剪接、改变和校正阅读框等方式，使同一DNA信息表达为多种蛋白质异构体。

  • RNA还可能经反转录形成与其信息一致的DNA，直接影响后代基因型；教材将这种作用称为反馈效应。

  • 获得性遗传

    有机体在生长发育过程中因环境影响而非基因突变形成，并可传递的新遗传性状。

  • 教材关于RNA与获得性遗传的论述

    • DNA主要是信息分子，蛋白质主要是功能分子，RNA兼具信息和功能属性，并参与信息提取与加工。
    • 环境可影响RNA的产生和信息加工，使机体表现出新性状；若性状传给子代细胞或个体，即形成获得性遗传。
    • 教材进一步提出，某些亚细胞结构、细胞器和生物膜也能传递部分遗传信息，其受环境影响形成的结构改变有时可传给后代。

本章名词·

编码链｜coding strand　⭐真题

指 DNA 双链中与 mRNA 序列(除 T/U 替换外)和方向相同的那条 DNA 链, 又称有意义链(sense strand)。

RNA的编辑｜RNA editing　⭐真题

RNA编辑是mRNA前体的加工方式之一，通过插入、删除或取代核苷酸残基，使DNA编码的遗传信息发生改变，是生物细胞内改变mRNA序列和蛋白质编码信息的重要途径。其机制主要有两种：位点特异性脱氨基作用（如胞嘧啶脱氨基变为尿嘧啶、腺嘌呤脱氨基变为次黄嘌呤）和指导RNA引导的尿嘧啶插入或删除。哺乳动物载脂蛋白mRNA的编辑是该过程的典型实例。

RNA的可变剪接｜alternative splicing　⭐真题

RNA的可变剪接（alternative splicing）是指在真核生物中，一个mRNA前体通过选择不同的剪接位点组合，形成不同mRNA剪接异构体的过程。这种方式使一个基因可以产生多种蛋白质序列，是基因表达多样性的重要表现形式。常见的可变剪接形式包括外显子遗漏、内含子保留、5’选择性剪接和3’选择性剪接等。可变剪接常发生在个体发育或细胞分化过程中，产生组织或发育阶段特异性的mRNA。

SD序列｜SD sequence　⭐真题

SD序列是原核生物mRNA中位于起始密码子AUG上游7～12个核苷酸处的保守序列，能与16S rRNA 3’端反向互补，在核糖体与mRNA结合过程中发挥关键作用，帮助招募核糖体以启动翻译。

断裂基因｜split gene　⭐真题

断裂基因（split gene）是指真核生物中编码蛋白质的基因序列由外显子和内含子间隔排列而成的镶嵌结构。其中外显子为编码序列，内含子为非编码序列，它们在基因组DNA上交替出现，使基因呈断裂状。在基因表达过程中，需通过RNA剪接从初始转录物中切除内含子，将外显子拼接为成熟mRNA。断裂基因的内含子数量和长度差异很大，且内含子所占比例可能极高。

RNA 的编辑｜RNA editing　⭐真题

是某些 RNA, 特别是 mRNA 的一种加工方式, 它导致了 DNA 所编码的遗传信息的改变, 因为经过编辑的 mRNA 序列发生了不同于模板 DNA 的变化。

SD 序列｜Shine-Dalgarno sequence　⭐真题

存在于原核生物起始密码子 AUG 上游 7~12 个核苷酸处的一种 4~7 个核苷酸的保守片段, 它与 16S-rRNA 3’ 端反向互补, 所以可将 mRNA 的 AUG 起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。根据首次识别其功能意义的科学家命名。

可译框, 可读框｜open reading frame, ORF　⭐真题

是指一组连续的含有三联密码子的能够翻译成为多肽链的 DNA 序列。它由起始密码子开始, 到终止密码子结束。

hnRNA｜heterogeneous nuclear RNA

hnRNA（核内不均一RNA）是真核生物中由RNA聚合酶II转录生成的原始转录产物，即mRNA的前体。它需要经过5’端加帽、3’端加多聚腺苷酸尾以及剪接等加工过程，去除内含子并连接外显子，才能形成成熟的mRNA，随后进入细胞质作为蛋白质合成的模板。由于其在加工前大小不均一，故称为核内不均一RNA。

转录起点｜transcription start site

转录起点是指与新生RNA链第一个核苷酸相对应的DNA链上的碱基，通常为一个嘌呤。它是转录单位中RNA聚合酶开始合成RNA的起始位点，常标记为+1，用于划分上游和下游序列。

剪接体｜spliceosome

是真核生物 mRNA 前体在剪接过程中组装形成的多组分复合物, 是一种具有催化剪接反映的核糖核蛋白复合体, 它包含约 150 种蛋白质和 5 种 RNA。

模板链｜template strand

指 DNA 双链中能作为转录模板通过碱基互补原则指导 mRNA 前体合成的 DNA 链，又称反义链(antisense strand)。

上游启动子元件｜upstream promoter element, UPE

将 TATA 区上游的保守序列称为上游启动子元件或称上游激活序列(upstream activating sequence, UAS)。

转录图｜Expression Profiling

是基因组的 cDNA 片段图, 即表达序列标签图(EST)。通过得到的一段 cDNA 或一个 EST, 可筛选出全长的转录本, 并根据其序列的特异性将该转录本准确地定位于基因组上。

-10区｜-10 region

-10区是原核生物启动子中位于转录起始位点上游约10 bp处的保守序列，又称Pribnow区或Pribnow盒，由5个核苷酸组成的共同序列（如TATAAT），是RNA聚合酶的紧密结合点。该区与-35区之间的间距通常为16~19碱基对，对维持启动子活性和正确识别转录起始至关重要。

16SrRNA｜16S rRNA

16S rRNA是原核生物核糖体30S小亚基中的一种核糖体RNA，长度约1475~1544个核苷酸，含有少量修饰碱基，其结构高度保守。该分子全部压缩在30S小亚基内，在蛋白质合成中发挥积极作用，与mRNA、50S亚基以及核糖体A位和P位tRNA的反密码子直接相互作用。

-35区｜-35 region

-35区是原核生物启动子中位于转录起始位点上游约35 bp处的保守DNA序列，一致序列为TTGACA。它是RNA聚合酶全酶识别与结合启动子的关键元件之一，与-10区共同构成启动子核心。两者之间的间距对启动子活性至关重要，通常为16~19 bp，间距不当会降低转录效率。

Ⅰ类自剪接内含子｜group I self-splicing intron

Ⅰ类自剪接内含子是一类自身具有催化活性的RNA内含子，能通过RNA分子折叠成特定构象进行自我剪接，无需剪接体参与。其剪接过程发生两次磷酸二酯键转移（转酯反应），从而切除内含子并连接两侧外显子。这类内含子最初在原生动物四膜虫的rRNA前体中发现，也存在于细菌中，主要分布于真核细胞核的前体rRNA、细胞器RNA及少数细菌RNA。

Ⅱ类自剪接内含子｜group II self-splicing intron

Ⅱ类自剪接内含子是一类存在于细胞器RNA和部分细菌RNA中的内含子，其自身具有催化活性，能够通过折叠成特殊的构象进行自我剪接，无需形成剪接体即可完成内含子的切除和外显子的连接。

Altman｜Altman

Altman是一位科学家，1983年与同事发现RNase P中的RNA组分能够催化tRNA前体的加工，这一发现与Cech对四膜虫rRNA前体自剪接的研究共同证明了RNA具有催化功能，打破了酶都是蛋白质的传统观念，为核酶概念的建立提供了关键证据。

CCAAT区｜CCAAT box

CCAAT区是真核生物基因启动子中常见的顺式作用元件，通常位于转录起始位点上游约-75 bp处，其保守序列为GGCCAATCT。该元件可被特定的转录因子（如NF-Y）识别和结合，参与调控RNA聚合酶Ⅱ介导的基因转录起始效率。

Cech｜Cech

Cech 是指托马斯·切赫（Thomas Cech），1982 年他首次在四膜虫 rRNA 前体加工中发现 RNA 具有自剪接作用，从而提出核酶（ribozyme）的概念，证明 RNA 也可作为生物催化剂，打破了酶都是蛋白质的传统观念。

DNA模板功能抑制剂｜DNA template function inhibitor

DNA模板功能抑制剂是一类通过与双链DNA结合而改变其模板功能，从而抑制依赖于DNA的RNA转录及DNA复制的物质。主要包括放线菌素D（与DNA形成非共价复合物）、烷化剂（如氮芥，使DNA交联）和嵌入染料（如溴化乙锭，插入碱基对间引起移码突变）。这些化合物因干扰基因表达和基因组稳定性而具有抗菌、抗癌或致突变作用。

Edwards｜Edwards

罗伯特·爱德华兹（Robert Edwards），英国生理学家，因在体外受精（IVF）技术领域的开创性工作而获得2010年诺贝尔生理学或医学奖，其研究促进了生殖医学和分子生物学的发展。

GU-AG法则｜GU-AG rule

GU-AG法则是指真核生物细胞核mRNA前体中绝大多数内含子所共有的保守剪接边界序列模式：其5’剪接位点（供体位点）的前两个核苷酸为GU，3’剪接位点（接纳体位点）的末两个核苷酸为AG。此规律又称Chambon法则，是识别剪接位点、指导剪接体进行准确内含子切除的关键信号。

mRNA｜messenger RNA

信使RNA（mRNA）是携带DNA遗传信息并通过三联体密码翻译生成蛋白质的模板分子。原核生物mRNA常为多顺反子，半衰期短，转录与翻译紧密偶联；真核生物mRNA多为单顺反子，需在核内从前体加工成熟，其结构特征为5’端帽子结构和3’端poly(A)尾，成熟后进入细胞质指导蛋白质合成。

RNA的功能｜RNA function

RNA具有信息分子和功能分子双重作用。作为信息分子，RNA负责遗传信息的贮藏与传递，是DNA到蛋白质的中间载体；作为功能分子，它参与蛋白质合成，部分RNA作为核酶催化RNA剪接等反应，并参与基因表达调控；在某些病毒中，RNA还作为遗传物质。

RNA的剪接｜RNA splicing

RNA剪接是指从mRNA前体（hnRNA）中切除内含子、连接外显子形成成熟mRNA的过程，是真核生物基因表达的关键步骤。该过程由剪接体介导，剪接体是由U1、U2、U4、U5、U6等snRNA与约150种蛋白质组装而成的核糖核蛋白复合物，通过snRNP识别5’剪接位点和分支点并进行转酯反应。此外，通过选择性剪接可选择不同剪接位点组合，从单一mRNA前体产生多种剪接异构体，增加蛋白质多样性。

RNA的结构特点｜RNA structure

RNA含有核糖，以尿嘧啶替代胸腺嘧啶，通常为单链线性分子。RNA链可通过自身折叠在互补序列间形成局部双螺旋结构，呈现发夹、凸起、环状、四通道内环等多种茎环结构，且存在G-U等非Watson-Crick碱基对增强配对能力。RNA还能折叠形成包括假结在内的复杂三级结构，其未配对区域可自由旋转，使碱基与骨架间发生非常规相互作用。

RNA的再编码｜RNA recoding

RNA 的再编码是指 mRNA 在翻译过程中改变原有的编码和读码方式，以不同于常规规则合成蛋白质的现象。其表现形式包括核糖体程序性 +1/-1 移位、核糖体跳跃及终止子通读，这些过程利用特殊的读码信号和因子作用，使一个 mRNA 能产生两种或多种相互关联但不同的蛋白质，可能是蛋白质合成的一种调节机制。

RNA聚合酶抑制剂｜RNA polymerase inhibitor

RNA聚合酶抑制剂是一类能与RNA聚合酶结合并抑制其转录活性的物质，属于RNA转录抑制剂中的一类。例如，利福霉素和利迪链霉素分别与细菌RNA聚合酶的β亚基结合，抑制转录起始；α-鹅膏蕈碱则主要抑制真核生物RNA聚合酶II的活性。

rRNA｜rRNA

核糖体 RNA（rRNA）是核糖体的核心组分，与核糖体蛋白共同构成核糖体的大小亚基，为蛋白质合成提供结构基础并参与催化功能。rRNA 分子具有高度保守的序列和结构域，例如细菌 5S rRNA 含 CGAAC 序列与 tRNA 相互作用，16S rRNA 直接与 mRNA 及 tRNA 反密码子结合，确保翻译准确进行。真核生物 rRNA 前体在核仁中经 snoRNA 指导的剪切加工，生成成熟的 18S、5.8S 和 28S rRNA。rRNA 在细胞总 RNA 中占 80%～85%，其 28S 和 18S 条带常作为鉴定 RNA 质量的关键指标。

rRNA前体的转录后加工｜rRNA post-transcriptional processing

rRNA前体的转录后加工是真核生物中，rRNA基因转录产生的前体RNA在核仁中经剪接和剪切等步骤生成成熟rRNA的过程。该过程极为保守，前体与蛋白质结合形成核糖核蛋白前体颗粒，其长度约为成熟rRNA的2倍。核仁小RNA（snoRNA）通过识别特定立体结构来确定切割位点。以人HeLa细胞为例，前体依次经剪切产生41S、32S和20S等中间产物，最终形成18S、5.8S和28S rRNA。

snRNP｜snRNP

snRNP（小核糖核蛋白）是由snRNA（小核RNA）与几种蛋白质组成的RNA-蛋白质复合物，是剪接体的亚单位。剪接体由多种snRNP组成，参与真核生物mRNA前体的剪接。snRNP在剪接中执行重要功能：识别5’剪接位点和分支点，并将它们集结在一起，以及催化或协助催化RNA的剪接和连接反应。

TATA区｜TATA box

TATA区（TATA box）是真核生物RNA聚合酶Ⅱ启动子中一段富含TA的保守序列，因其前四个碱基常为TATA而得名。该序列通常位于转录起始位点上游约-25～-30 bp处，是核心启动子的重要组成部分，与转录因子结合参与转录起始复合物的组装，确保转录的精确起始。

tRNA前体的转录后加工｜post-transcriptional processing of tRNA precursor

tRNA前体的转录后加工是指真核生物中tRNA初级转录物经过剪切、添加末端序列和碱基修饰等步骤转变为成熟有功能tRNA的过程。主要包括：由tRNA内切核酸酶切除内含子并由RNA连接酶连接外显子，剪接信号依赖于tRNA共同的二级结构；在3’端由tRNA核苷酸转移酶添加CCA-OH；以及通过甲基化酶等进行稀有核苷酸的修饰。

不依赖于ρ因子的终止｜rho-independent termination

不依赖于ρ因子的终止是原核生物中一种无需ρ因子等辅助蛋白参与、仅由RNA聚合酶核心酶识别模板DNA上的内在终止子即可完成的转录终止方式。内在终止子具有特殊的序列结构：在终止位点上游存在一段富含GC碱基的反向重复序列，由该序列转录产生的RNA能够形成发夹结构，这一结构特征促使转录复合物解体并释放新生RNA链。

单顺反子mRNA｜monocistronic mRNA

单顺反子mRNA（monocistronic mRNA）是指只编码一个蛋白质的mRNA分子。与原核生物中常见的可编码多个蛋白质的多顺反子mRNA不同，真核生物的mRNA几乎都是单顺反子结构。每个单顺反子mRNA仅含有一个开放阅读框，从起始密码子AUG至终止密码子，指导翻译出一条多肽链。

多尾｜A

多尾又称多(A)尾，指绝大多数真核生物mRNA 3’末端的一段多腺苷酸序列，长度一般为40～200个腺苷酸。其合成由内切酶在mRNA 3’端特定部位切开后，由多(A)合成酶催化加上。多(A)尾可结合poly(A)结合蛋白，参与mRNA环化并提高翻译效率。

分支点｜branch point

分支点是指在真核生物pre-mRNA剪接过程中，位于内含子内部、3’剪接位点上游18~50个核苷酸处的一个保守腺苷酸位点，该腺苷酸具有游离2’-OH，在剪接第一步转酯反应中亲核攻击5’剪接位点，形成套索状中间物，是剪接体识别和催化剪接的关键序列。

封闭复合物｜closed complex

封闭复合物是原核生物转录起始阶段，RNA聚合酶全酶识别启动子并与之可逆性结合形成的复合物，此时DNA链仍保持双链状态。

剪接型核酶｜splicing ribozyme

剪接型核酶是一类具有催化活性的RNA分子，能够通过自身折叠形成特定构象，催化内含子的自我剪接，无需剪接体参与。典型的剪接型核酶包括I类和II类内含子，它们通过两次转酯反应实现磷酸二酯键的转移，完成内含子的切除和外显子的连接。

剪切型核酶｜cleaving ribozyme

剪切型核酶是一类具有催化功能的RNA分子，能够特异性识别并切割靶RNA链中的磷酸二酯键，从而阻断基因表达。其催化活性依赖于特定的空间结构，常见类型包括锤头型、发夹型等，其中锤头结构由三个茎区和保守核苷酸组成，是自剪切RNA的典型特征。

焦磷酸编辑｜pyrophosphate editing

焦磷酸编辑是RNA聚合酶在转录延伸过程中进行校对的一种机制，通过逆向反应重新加入焦磷酸，催化去除错误插入的核糖核苷酸。该方式既能去除错误碱基也能去除正确碱基，但由于聚合酶在错误碱基处停留时间更长，因此去除错误碱基的频率更高。

聚合酶全酶｜polymerase holoenzyme

聚合酶全酶是指原核生物RNA聚合酶的核心酶（由2个α亚基、一个β亚基、一个β’亚基和一个ω亚基组成）与一个σ亚基结合形成的复合物。它在转录起始过程中起关键作用，其中σ因子负责识别启动子序列，确保转录从正确的起始位点开始；核心酶具有RNA合成的催化活性，但只有全酶才能特异性地结合DNA启动子区域，起始转录。

开放复合物｜open complex

开放复合物是指原核生物转录起始过程中，RNA聚合酶全酶与启动子结合后，DNA双链局部解开所形成的复合物。它由最初的封闭复合物经构象变化转变而来，此时聚合酶结合的DNA序列中有一小段双链被解开。对于强启动子，该转变不可逆且迅速。开放复合物随后可与初始NTP结合，进入磷酸二酯键形成阶段，继而转变为包含RNA聚合酶、DNA和新生RNA的三元复合物。

模板识别｜template recognition

模板识别是转录起始的重要阶段，指RNA聚合酶识别启动子序列并与启动子DNA双链特异性结合的过程。该阶段为转录的起始奠定基础，确保RNA聚合酶定位到正确的转录起始位点。在原核生物中，这一识别过程依赖RNA聚合酶全酶中的σ因子完成。

起始点识别复合物｜origin recognition complex

起始点识别复合物（origin recognition complex, ORC）是真核生物DNA复制中负责识别复制起始点的多亚基蛋白复合物，首先在酿酒酵母中发现，随后在裂殖酵母、果蝇和爪蟾等真核生物中也鉴定出类似复合物。ORC在细胞周期的G₁期识别并结合复制起始点，参与复制器选择，是前复制复合体（pre-RC）组装的关键组分，从而确保每条染色体在每个细胞周期中仅复制一次。

三元复合物｜ternary complex

三元复合物（ternary complex）是指在原核生物转录起始阶段，RNA聚合酶全酶与启动子DNA形成的开放复合物结合最初两个NTP并催化形成第一个磷酸二酯键后，所形成的一种包含RNA聚合酶、DNA模板和新生RNA链的转录中间复合物。该复合物的出现标志着转录起始进入关键步骤，并随后可进入流产式起始（合成并释放短RNA）或转向有效的RNA链延伸过程。

上游序列｜upstream sequence

上游序列是指位于转录起点5’侧的DNA序列。通常将转录起点对应的碱基位置定为+1，其上游方向依次编号为-1、-2、-3等。启动子等调控元件常位于上游序列中，对转录起始起关键作用。

水解编辑｜hydrolytic editing

水解编辑是氨酰tRNA合成酶的一种校对机制，通过水解作用切除错误连接的氨基酸或氨酰-tRNA，纠正氨酰化错误，从而保证蛋白质合成的准确性。

依赖于ρ因子的终止｜rho-dependent termination

依赖于ρ因子的终止是原核生物转录终止的一种类型，需要ρ因子蛋白的参与。当RNA聚合酶移动到终止子区域暂停时，ρ因子结合到新生RNA的3’端并沿RNA移动，追上RNA聚合酶后利用其RNA-DNA解旋酶活性，使RNA-DNA杂合体解离，转录产物释放，转录复合物解体。

有义链｜sense strand

有义链是DNA双链中与转录产物RNA序列相同（仅T被U取代）的那条链，又称编码链。在转录过程中，它以反义链为模板进行RNA合成时并不作为模板，而是与反义链互补配对。转录终止后，有义链与模板链重新形成DNA双链结构。

转录延伸｜transcription elongation

转录延伸是RNA合成连续阶段，RNA聚合酶沿DNA模板链移动，催化三磷酸核苷酸（NTP）逐个添加到新生RNA链的3’-OH端，使RNA链按5’→3’方向延伸。此过程中，DNA双螺旋持续解旋，暴露出单链模板，在解链区形成RNA-DNA杂合物，而在其后模板链与非模板链重新形成双螺旋，RNA链逐步释放。延伸机制涉及DNA转录循环：NTP先填补底物位点并形成磷酸二酯键，随后RNA聚合酶活性位点核酸发生移位，连接区α螺旋经历笔直-弯折-笔直的构象变化，为下一轮合成腾出空位点。

转录终止｜transcription termination

转录终止是指RNA聚合酶在转录终止位点停止RNA合成，RNA-DNA杂合物分离，转录泡瓦解，DNA恢复双链，RNA链和酶被释放的过程。原核生物终止子分为不依赖于ρ因子的内在终止子和依赖于ρ因子的终止子；内在终止子含富含GC的反向重复序列，转录产物形成发夹结构。抗终止因子可在特定位点阻止终止，使RNA聚合酶通读。

Pribnow 区｜Pribnow box

在启动子区有一个由 5 个核苷酸组成的共同序列, 是 RNA 聚合酶的紧密结合点, 称为 Pribnow 区, 这个区的中央大约位于起始点上游 10 bp 处, 所以又称为 -10 区。

RNA 的再编码｜RNA recoding

是指 RNA 编码和读码方

RNA 剪接｜RNA splicing

从 mRNA 前体分子中切除被称为内含子(intron)的非编码区, 并使基因中被称为外显子(exon)的编码区拼接形成成熟 mRNA 的过程就称为 RNA 的剪接。

RNA 聚合酶｜RNA polymerase

使用 DNA 作为模板合成 RNA 的酶, 也称为 DNA 依赖性 RNA 聚合酶。

TATA 区｜TATA box

在真核生物基因中位于转录起始点上游 -25~-30 bp 处的富含 AT 的保守区, 是 RNA 聚合酶与启动子的结合位点, 也称为 Hogness 区(Hogness box), 类似于原核基因中的 Pribnow 区。

单顺反子 mRNA｜monocistronic mRNA

把只编码一个蛋白质的 mRNA 称为单顺反子 mRNA。

多顺反子信使 RNA｜polycistronic messenger RNA

一种能作为两种或多种多肽链翻译模板的信使 RNA, 由 DNA 链上的邻近顺反子所界定。

核不均一 RNA｜hnRNA, heterogeneous nuclear RNA

即 mRNA 的前体, 经过 5’ 加 “帽” 和 3’ 酶切加多聚腺苷酸, 再经过 RNA 的剪接, 编码蛋白质的外显子部分就连接成为一个连续的可译框, 作为蛋白质合成的模板。

魔斑核苷酸｜magic spot nucleotide

受严紧控制的细菌生长过程中一旦缺乏氨基酸供应,细菌会产生一个应急反应,使蛋白质和RNA的合成速率迅速降下来。魔斑核苷酸指的就是此过程中由大量GTP合成的鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp),它们的主要作用可能是影响RNA聚合酶与启动子结合的专一性,诱发应急反应,帮助细菌渡过难关。

内含子的变位剪接｜alternative splicing

在高等真核生物中,内含子通常是有序或组成性地从 mRNA 前体中被剪接。然而,在个体发育或细胞分化的某个或某些特定阶段可以有选择性地越过某些外显子或某个剪接点进行 RNA 剪接,产生出组织或发育阶段特异性 mRNA,称为内含子的变位剪接。

顺反子｜cistron

功能基因, 意为通过顺式(基因序列)及反式(所编码的蛋白质)试验所确定的一个遗传学单位。

套索 RNA｜lariat RNA

真核生物前体 mRNA 进行内含子剪接时, 内含子 5’ 端和 3’ 端相互连接而形成的中间体。

校对｜proofreading

在复制、转录或翻译过程中校正错误的机制, 包括从正在伸长的核酸或蛋白质链中去除不正确掺入的核苷酸或氨基酸, 并以正确的单元取代。

指导 RNA｜guide RNA

原生动物及植物线粒体中进行 RNA 编辑所需的 RNA 序列, 是与已正确编辑的 RNA 序列互补的一小段 RNA, 被用来作为向未经编辑的 RNA 中插入碱基的模板。

转录起始位点｜transcription initiation site

是指与新生RNA链第一个核苷酸相对应DNA链上的碱基位点，通常为嘌呤。常把起点前，即5’末端的序列称为上游(upstream)，而把其后面即3’末端的序列称为下游(downstream)。

转录前起始复合物｜preinitiation transcription complex, PIC

在真核 RNA 转录起始过程中, 真核生物 RNA 聚合酶不能直接识别基因的启动子区, 需要转录调控因子等辅助蛋白质按特定顺序结合于启动子上, 帮助聚合酶特异地结合到启动子上, 形成转录前起始复合物, 解开 DNA 双链, 指导转录。