生物信息的传递：从DNA到RNA

分子生物学

第二章知识点总结

\chapter{生物信息的传递：从DNA到RNA}
基因表达包括转录(transcription)和翻译(translation)两个阶段。

贮存于DNA双链中的遗传信息通过转录按照碱基互补配对的原则被转化成为单链RNA分子。

转录是指拷贝出一条与DNA链序列完全相同（除了T→U之外）的RNA单链的过程，是基因表达的核心步骤。

翻译是指以新生的mRNA为模板，把核苷酸三联遗传密码子翻译成氨基酸序列、 合成多肽链的过程，是基因表达的最终目的。

DNA双链中，与mRNA序列相同的那条
DNA链称为\redbf{编码链(coding strand)或称有义链(sense strand)}，另一条根据碱基互补原则
指 导 mRNA 合成的 DNA 链 称 为 \redbf{模板链(template strand)或称反义链(antisense strand)}。

贮藏在任何基因中的生物信息都必须首先被
转录生成RNA，才能得到表达。

\section{RNA的结构、分类和功能}
• mRNA生物合成过程和成熟mRNA结构在原核细胞和真核细胞是不同的。

• 真核细胞往往以一个较大相对分子质量的前体RNA出现在核内，需要经
过转录后加工。

• 原核生物以AUG(有时GUG，甚至UUG)作为起始密码子，真核生物以
AUG 作为起始密码子。
\subsection{RNA的结构特点}
\begin{enumerate}
    \item RNA含有核糖和尿嘧啶，通常是单链线性分子
    \begin{itemize}
        \item 与DNA不同，RNA骨架含有核糖，在RNA中尿嘧啶取代了胸腺嘧啶，但它们的生物学活性却很不同。
        \item RNA主要以单链形式存在于生物体内，其高级结构很复杂。它们既担负着贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为核酶直接在细胞内发挥代谢功能。
    \end{itemize}
    \item RNA链自身折叠形成局部双螺旋
    \begin{itemize}
        \item 由于RNA链频繁发生自身折叠，在互补序列间形成碱基配对区，所以尽管RNA是单链分子，它仍然具有大量的双螺旋结构特征。
        \item RNA以多种茎-环结构，如发夹结构、凸起、环状结构或四通道内环的形式存在。
    \end{itemize}
    \item RNA可折叠形成复杂的三级结构
    \begin{itemize}
        \item 因为RNA没有形成规则双螺旋的长度限制，RNA中的碱基配对还可能发生在不相邻的序列中，形成“假结”等复杂结构，这些特殊的结构特征使得RNA常形成大量的三级结构。
    \end{itemize}
    \item 环状RNA（Circ RNA）
    \begin{itemize}
        \item 环状RNA广泛存在于从古菌、酵母、小鼠到人类多种生物的细胞中。
        \item 环状RNA不受RNA外切酶的影响而不易降解，比线性RNA稳定。
        \item 表达量低，存在细胞和组织特异性。
        \item 环状RNA可以通过不同途径影响基因表达。
        \item \redbf{Circ RNA来自于Pre-RNA的反向剪接}
    \end{itemize}
\end{enumerate}
\subsection{RNA在细胞中的分布}
生物体内的RNA种类繁多，且分布在细胞的不同部位。

各类RNA在组成、大小、分子结构、生物学功能以及亚细胞定位等方面都有所不同。
\subsubsection{生物体中主要有3种RNA参与功能}
\begin{itemize}
    \item mRNA，编码特定蛋白质序列的信使
RNA(messenger RNA)
    \item tRNA，能特异性解读mRNA中的遗传信息、将其转化成相应氨基酸后加入多肽链中的转运RNA(transfer RNA);是一类分子长度为70~80nt的小分子量的稳定RNA，可以形成“三叶草”的二级分子结构；
    \item rRNA，直接参与核糖体中蛋白质合成的核糖体RNA(ribosomal RNA).
\end{itemize}
\subsection{RNA的功能}
\begin{enumerate}
    \item 作为细胞内蛋白质生物合成的主要参与者；
    \item 部分RNA可以作为核酶在细胞中催化一些重要的反应，主要作用于初始转录产物的剪接加工；
    \item 参与基因表达的调控，与生物的生长发育密切相关；
    \item 在某些病毒中，RNA是遗传物质。
\end{enumerate}

\section{RNA转录概述}
\subsection{RNA转录与DNA复制的比较}

RNA聚合酶可从头起始转录，在催化RNA合成时不需要引物。
添加几个核苷酸后，正在延长的链脱离模板。因此，多个RNA聚合酶可以同时转录一个基因(在短时间内合成大量转录产物)。
转录具有选择性。RNA转录则是选择性地复制基因组的特定部分，可以产生几个到上千个相同的拷贝。转录过程缺乏严谨的矫正机制。转录核苷酸错误1/104，与DNA复制的精确度相比差错率较高。
\begin{kaobox}
RNA转录与DNA的复制在化学和酶学上非常相似，但存在一些明显的差别:
    \begin{itemize}
        \item RNA聚合酶可从头起始转录，在催化RNA合成时\redbf{不需要引物}。
        \item 添加几个核苷酸后，正在延长的链脱离模板。因此，\redbf{多个RNA聚合酶可以同时转录一个基因(在短时间内合成大量转录产物)}。
        \item 转录具有\redbf{选择性}。RNA转录则是选择性地复制基因组的特定部分，可以产生几个到上千个相同的拷贝。
        \item 转录过程\redbf{缺乏严谨的矫正机制}。转录核苷酸错误1/10$^4$，与DNA复制的精确度相比差错率较高。
    \end{itemize}
\end{kaobox}
\subsection{RNA聚合酶}
\begin{itemize}
    \item RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶。每个细胞中约有7000个RNA聚合酶分子，根据细胞的生长情况，任何时候都可能有 2000~5000个酶在执行转录DNA模板的功能。
    \item 原核和真核生物的RNA聚合酶虽然都能催化RNA的合成，但在其分子组成、种类和生化特性上各有特色。
\end{itemize}
\subsection{启动子与转录起始}
\redbf{启动子}是一段位于结构基因5'端上游区的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确地相结合并具有转录起始的特异性。

\redbf{转录的起始}是基因表达的关键阶段，而这一阶段的重要问题是RNA聚合酶与启动子的相互作用。启动子的结构影响了它与RNA聚合酶的亲和力。

\redbf{转录起点}是指与新生RNA链第一个核苷酸相对应DNA链上的碱基，通常为一个嘌呤。

常把起点前面，即5'端的序列称为\redbf{上游序列}，而把其后面即3端的序列称为\redbf{下游序列}。

\redbf{转录单位}(transcription unit)是一段从启动子开始至终止子(terminator)结束的DNA序列，RNA聚合酶从转录起点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条RNA链。
\section{RNA转录的基本过程}
RNA链合成的特点：

RNA按5'$\rightarrow$ 3'方向合成，以DNA双链中的反义链(模板链)为模板，在RNA聚合酶催化下，以4种核苷三磷酸(NTPs)为原料，根据碱基配对原则，各核苷酸间通过形成磷酸二酯键相连，\redbf{不需要引物}的参与，合成的RNA带有与DNA编码链相同的序列(T-U)。

\redbf{转录基本过程}包括模板的识别，转录起始，转录延伸和转录终止四个阶段。

\subsection{模板识别}
\redbf{模板识别}(template recognition)阶段主要指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。

\redbf{启动子}(promoter)是基因转录起始所必需的一段DNA序列，是基因表达调控的上游顺式作用元件之一。

\subsection{转录起始}
\redbf{转录起始}不需要引物。RNA聚合酶结合在启动子上以后，使启动子附近的DNA双链解旋并解链，形成转录泡以促使底物核糖核苷酸与模板 DNA的碱基配对。

转录起始就是RNA链上第一个核苷酸键的产生。
\subsection{转录延伸}
进入\redbf{转录延伸(elongation)阶段}，在解链区NTP不断被添加到新生RNA链的3'-OH端，形成RNA-DNA杂合物。随着转录复合体沿着DNA模板向前移动，DNA双螺旋持续解开，暴露出新的单链 DNA模板，RNA链不断延伸。在解链区的后面，DNA模板链与其原先配对的非模板链重新结合成为双螺旋，RNA链被逐步释放。
\subsection{转录终止}
当RNA链延伸到转录终止(termination)位点时，RNA聚合酶不再形成新的磷酸二酯键，RNA-DNA杂合物分离，转录泡瓦解，DNA恢复成双链状态，RNA聚合酶和RNA链都被从模板上释放出来，转录终止。
\section{原核生物与真核生物的转录及产物特征比}
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.96\textwidth]{img/原核生物与真核生物的转录比较.png} % 替换为你的图片文件名
    \caption{原核生物与真核生物的转录比较}
    \label{fig:transcription_comparison}
\end{figure}
\begin{enumerate}
    \item 只有一种RNA聚合酶参与所有类型的原核生物基因转录，而真核生物有\redbf{3种以上}的RNA聚合酶来负责不同类型的基因转录，合成不同类型的、在细胞核内有不同定位的RNA。
    \item \redbf{转录产物有差别}。原核生物的初始转录产物大多数是\redbf{编码序列}，与蛋白质的氨基酸序列呈线性关系；而真核生物的初始转录产物含有内含子序列，成熟的mRNA只占初始转录产物的一小部分。
    \item 原核生物的初始转录几乎\redbf{不需要剪接加工}，就可直接作为成熟的mRNA进一步行使翻译模板的功能；真核生物转录产物需要经过剪接、修饰等转录后加工成熟过程才能成为成熟的mRNA。
    \item 在原核生物细胞中，转录和翻译不仅发生在同一个细胞空间里，而且这两个过程几乎是\redbf{同步进行的}，蛋白质合成往往在mRNA刚开始转录时就被引发了。真核生物mRNA的合成和蛋白质的合成则发生在不同的空间和时间范畴内。
\end{enumerate}
\subsection{原核生物mRNA的特征}
\begin{enumerate}
    \item 原核生物mRNA半衰期短。mRNA的降解紧随着蛋白质翻译过程发生。
    \item 许多原核生物mRNA分子以多顺反子的形式存在。
    \begin{itemize}
        \item 只编码一个蛋白质的mRNA称为\redbf{单顺反子}mRNA(monocistronic mRNA)编码多个蛋白质的mRNA称为\redbf{多顺反子}mRNA(polycistronic mRNA)。
        \item 细菌mRNA可以同时编码不同的蛋白质，多顺反子mRNA是一组相邻或相互重叠基因的转录产物，这样的一组基因可被称为一个\redbf{操纵子(operon)}。
        \item 当两个顺反子之间\redbf{距离较远}时，前一顺反子翻译的终止与后一顺反子翻译的起始是相互独立的；
        \item 当两个顺反子之间\redbf{距离较近}时，前一顺反子翻译的终止与后一顺反子翻译的起始相衔接，30S小亚基始终与mRNA结合，只有50S大亚基可能与mRNA分离。
    \end{itemize}
    \item  原核生物mRNA的5'端无帽子结构，3'端没有或只有较短的\redbf{多(A)结构}。
    原核生物起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处有被称为\redbf{SD序列}(Shine-Dalgarno sequence)的保守区，该序列与\redbf{16S rRNA}3'端反向互补，被认为在核糖体与mRNA的结合过程中起作用。
\end{enumerate}
\subsection{真核生物mRNA的特征}
\begin{enumerate}
    \item 真核基因几乎都是单顺反子，只包含一个蛋白质的信息，其长度在几百到几千个核苷酸之间。
    \item 一个完整基因，包括编码区(codingregion)，5’和3'端长度不等的特异性序列(非编码区)。
    \item 真核生物mRNA的5端存在“帽子”结构
    \begin{itemize}
        \item 5'终端是一个在mRNA转录后加上去的\redbf{甲基化鸟嘌呤核苷酸}。
        \item mRNA5'端加“G”的反应是由\redbf{鸟苷酸转移酶}完成的，这个反应非常迅速，很难在体外或体内测得5'自由三磷酸基团的存在。
        \item mRNA的帽子结构常常被\redbf{甲基化}。
        \item 帽子结构使mRNA免遭核酸酶的破坏，与蛋白质的翻译起始有关。\redbf{(帽子结构的作用)}
    \end{itemize}
    \item 绝大多数真核生物mRNA具有\redbf{多(A)尾巴(Poly(A) tail)}。 
    \begin{itemize}
        \item 多(A)序列是在转录后加上去的，可能在细胞核中的核内不均一RNA阶段就已经加上了多(A)。
        \item 几乎所有真核基因的3’端转录终止位点上游15~30bp处的保守序列AAUAAA对于初级转录产物的准确切割及加多（A）是必需的。
    \end{itemize}
\end{enumerate}

\begin{kaobox}
    poly(A)尾巴的功能：
    \begin{itemize}
        \item 多(A)位点及AATAAA的存在对于基因的转录和成熟意义重大；
        \item 多(A)是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式，提高了mRNA在细胞质中的稳定性，poly(A)作用。
        \item 应用于分子克隆。常用寡聚dT片段与mRNA上的多(A)相配对，作为反转录酶合成第一条cDNA链的引物。
    \end{itemize}
\end{kaobox}
\section{原核生物RNA聚合酶及其转录}
\subsection{原核生物RNA聚合酶的结构和功能}
大多数原核生物RNA聚合酶的组成相同，大肠杆菌
RNA聚合酶由2个α亚基、一个β亚基、一个β’亚基
和一个ω亚基组成核心酶，然后加上一个σ亚基后
则成为\redbf{聚合酶全酶(holoenzyme)}。

原核生物转录的起始需要\redbf{全酶}参与，由σ因子辨认起始点，延长过程仅需要\redbf{核心酶}的催化。

转录的准确性取决于特异的\redbf{转录起始位点}，转录起始后按照\redbf{碱基互补原则}准确地转录模板DNA序列及具有特异的终止部位。

\redbf{σ因子}的作用是负责模板链的选择和转录的起始，它是酶的别构效应物，使酶专一性识别模板上的启动子。

在细胞内σ因子的数量只有\redbf{核心酶}的30\%，任何时候只有三分之一的聚合酶以全酶形式存在

σ因子可以极大地提高RNA聚合酶对\redbf{启动子区DNA序列}的亲和力。

在某些细菌细胞内含有能\redbf{识别不同启动子的σ因子}，以适应不同生长发育阶段的要求，调控不同基因转录的起始。
\subsection{原核生物启动子结构}
Pribnow把RNA聚合酶全酶与模板DNA结合后，用DNaseI水解DNA，然后用酚抽提，沉淀纯化DNA后得到一个被RNA聚合酶保护的DNA片段，有41~44个核苷酸对。
\subsection{原核生物启动子结构}
\begin{kaobox}
    原核生物启动子结构：
    \begin{itemize}
        \item 在被保护区内有一个由5个核苷酸组成的共同序列，是RNA聚合酶的紧密结合点，现在称为Pribnow区(Pribnow box)，这个区的中央大约位于起点上游10bp处，所以又称为-10区后发现-35区
        \item 绝大部分启动子都存在这两段共同序列，即位于-10 bp处的TATA区和-35 bp处的TTGACA区。-10位的TATA区和-35位的TTGACA区是RNA聚合酶与启动子的结合位点，能与\redbf{σ因子}相互识别而具有很高的亲和力。
    \end{itemize}
\end{kaobox}
\subsection{原核生物启动子中-10区与-35区的最佳间距}
\begin{itemize}
    \item 在原核生物中，-35区与-10区之间的距离通常是16~19碱基对，\redbf{小于15碱基对或大于20碱基对都会降低启动子的活性}。
    \item 一旦-35区相对-10区旋转产生的超螺旋改变，若要使酶与DNA在这个区域内保持正确的取向，就必须使二者之一发生扭曲，需要增加结合自由能。。
\end{itemize}
\subsection{原核生物RNA聚合酶对启动子的识别和结合}
RNA聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过\redbf{氢键互补}的方式加以识别。当保守区某些碱基的取代不影响DNA上氢键的方位和特性时，启动子原有的功能保持不变;当局部DNA构象或电荷密度改变影响了这些基团的相对方位时，启动子的功能就会受到影响。
\subsection{原核生物RNA转录周期(起始、延伸和终止)}
\begin{enumerate}
    \item RNA转录起始
    \begin{itemize}
        \item RNA聚合酶全酶对启动子的识别，聚合酶与启动子可逆性结合形成\redbf{封闭复合物}。此时，DNA链仍处于双链状态。
        \item 伴随着DNA构象上的重大变化，封闭复合物转变成\redbf{开放复合物}，聚合酶全酶所结合的DNA序列中有一小段双链被解开。
        \item 开放复合物与最初的两个NTP相结合，并在这两个核苷酸之间形成磷酸二酯键后转变成包括RNA聚合酶、DNA和新生RNA的\redbf{三元复合物}。
        \item 转录过程缺乏严谨的矫正机制。转录核苷酸错误1/10$^4$，与DNA复制的精确度相比差错率较高。
    \end{itemize}
    \item 新生RNA链的延伸
    \begin{itemize}
        \item 新生的RNA链的长度达到9~10个核苷酸时，\redbf{σ因子从RNA聚合酶全酶上脱落下来，核心酶沿模板DNA链移动并使新生RNA链不断伸长的过程就是转录的延伸}。
        \item 延伸阶段，DNA和聚合酶分子都发生了\redbf{构象变化}。由核心酶、DNA和新生RNA所组成的\redbf{转录延伸复合物}是转录循环中一个十分重要的环节。
    \end{itemize}
    \item 延伸RNA聚合酶同时具有合成校对两种功能
    \begin{itemize}
        \item 在RNA延伸过程中，除了RNA合成之外，RNA聚合酶还要通过两种机制来执行校对功能:
        \begin{itemize}
            \item \redbf{焦磷酸编辑}：通过重新加入焦磷酸来去除错误插入的核糖核苷酸。
            \item \redbf{水解编辑}:由一些Gre因子激发的。
        \end{itemize}
    \end{itemize}
    \item RNA转录终止
    \begin{itemize}
        \item RNA聚合酶起始基因转录后，它就会沿着模板5'到3'方向不停地移动，合成RNA链，直到碰上\redbf{终止信号}时，RNA聚合酶才停止加入新的核苷酸，与模板DNA脱离并\redbf{释放新生RNA链}。
        \item 终止发生时，RNA-DNA杂合体的氢键都必须被破坏，模板DNA链与有义链重新组合成DNA双链。\redbf{(氢键的破坏和生成)}。
        \item 根据RNA聚合酶是否需要辅助因子参与才能终止RNA链的延伸，终止子分为不依赖于p因子和依赖于p因子两大类(大肠杆菌)。
        \item \redbf{在不依赖于$\rho $因子}这类终止反应中，没有任何其他因子参与，核心酶就能终止基因转录。模板DNA上存在终止转录的特殊信号--\redbf{终止子}，又称内在或固有终止子。
        \item 内在终止子有两个明显的结构特点:
        \begin{itemize}
            \item 终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的反向重复序列(大约20个核苷酸)，由这段DNA转录产生的RNA容易形成发夹结构。
            \item 在终止位点前面有一段由4~8个A-T碱基对序列，其转录产物的3’端为寡聚U。
            \item \redbf{依赖于$\rho $因子的终止子}有些终止位点的DNA序列缺乏共性，而且不能形成强的发夹结构，因而不能诱导转录的自发终止。RNA聚合酶不能识别这些转录终止信号而停止转录，只有在加入$\rho $因子后该聚合酶才能在DNA模板上准确地停止转录。
            \item $\rho $因子由6个相同亚基组成，具有NTP酶和解螺旋酶活性，\redbf{通过催化NTP的水解}促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，终止转录。
        \end{itemize}
    \end{itemize}
\end{enumerate}
\section{真核生物RNA聚合酶与RNA转录}
真核生物的\redbf{RNA聚合酶}高度分工，转录过程中往往需要包括\redbf{转录因子}在内的多种蛋白因子参与，因此，真核生物基因转录过程比与原核生物更为复杂。
\subsection{真核生物RNA聚合酶}
真核生物中共有3类结构相对更复杂的RNA聚合酶，它们在细胞核中的\redbf{位置不同}，负责转录的\redbf{基因不同}，对α-鹅膏蕈碱的敏感性也不同。
\subsubsection{真核生物RNA聚合酶的分类}
\begin{itemize}
    \item RNA聚合酶I:位于细胞核的核仁中，在低离子强度时活性最高。其转录产物是45SrRNA前体，经剪接修饰后生成除了5SrRNA外的各种rRNA。
    \item RNA聚合酶II:位于细胞核质内，在较高离子强度下，有较高的活性。在核内转录生成mRNA的前体分子(Pre-RNA)，即核内不均一RNA(hnRNA)，经剪接加工后生成的mRNA被运送到胞质中作为蛋白质合成的模板。
    \item RNA聚合酶III:位于细胞核质内，在很宽的离子强度范围内均有活性，优选Mn$^{+2}$。催化的主要转录产物是RNA、5SrRNA、snRNA(核内小RNA)，其中snRNA参与RNA的剪接。
\end{itemize}
\subsection{真核生物启动子对转录的影响}
\begin{itemize}
    \item \redbf{启动子}:确保转录精确而有效地起始的DNA序列。
    \item 真核生物主要有3类不同RNA聚合酶负责转录，这些基因的启动子结构也有各自的特点。
    \item \redbf{RNA聚合酶II}:催化转录的DNA序列5’上游区有一段与原核生物Pribnow区相似、富含TA的保守序列。由于该序列前4个碱基为TATA，所以又称为\redbf{TATA区}(TATA box)
    \item 绝大多数功能蛋白基因的启动子都具有共同的结构模式。真核基因的启动子在-25~-35区含有TATA序列，是\redbf{核心启动子}的组成部分。
    \item 在核心启动子上游100~200bp范围内，还存在一个转录调控区，有多个启动元件。
    \item 习惯上，将TATA区上游的保守序列称为\redbf{上游启动子元件}(upstream promoter element,UPE)或称\redbf{上游激活序列}(upstream activating sequence, UAS)。
\end{itemize}
\begin{kaobox}
    原核和真核基因转录起始位点上游区结构差别:
\begin{itemize}
    \item 原核基因启动区范围较小，真核基因的调控区较大。
    \item 原核基因启动子-10区和-35作为RNA聚合酶的主要结合位点;而真核基因除了含有可与之相对应的CAAT区之外，大多数基因还拥有GC 区和增强子区等各种调控原件。
\end{itemize}
\end{kaobox}
TATA区和上游启动子元件(CAAT区或GC区)的作用有所不同:
\begin{itemize}
    \item TATA区的主要作用是使转录精确地起始，如果除去TATA区或进行碱基突变，转录产物下降的相对值不如CAAT区或GC区突变后明显，但发现所获得的RNA产物起始点不固定。
    \item 上游启动子元件CAAT区和GC区主要控制转录起始频率，基本不参与起始位点的确定。
    \item CAAT区对转录起始频率的影响最大，该区任一碱基的改变都将极大地影响靶基因的转录强度，而启动区(TATA)其他序列中1~2个碱基的置换则没有太大的影响。
\end{itemize}
\subsection{转录起始复合物的组装}
真核细胞RNA转录起始过程中模板的识别与原核细胞($\sigma $因子)有所不同。

真核生物RNA聚合酶不能直接识别基因的启动子区，需要至少7种辅助蛋白质参与被称为\redbf{转录调控因子}，按特定顺序结合于启动子上，帮助RNA聚合酶特异性地结合到靶基因的启动子上并解开DNA双链。

转录因子和RNA聚合酶I必须以特定的顺序结合到启动子序列上。形成转录前起始复合物(preinitiationtranscription complex, PIC)的第一步，TFIID(复合物)与启动子核心元件TATA区相结合，RNA聚合酶I、TFIIA、TFIIB等才能依次结合。此后，TFIIE、TFIIH、TFI等迅速靠近已形成的复合物。
\subsection{增强子及其功能}
在SV40的转录单元上发现它的转录起始位点上游约200碱基对处有两段72碱基对长的重复序列，它们不是启动子的一部分，但能增强或促进转录的起始，除去这两段序列会大大降低这些基因的转录水平。称这种能强化转录起始的序列为\redbf{增强子或强化子}。
\begin{kaobox}
增强子具有下列特点:
\begin{itemize}
    \item 远距离效应
    \item 无方向性
    \item 顺式调节
    \item 无物种和基因的特异性
    \item 具有组织特异性
    \item 有相位性(DNA构象)
    \item 某些增强子可应答外部信号
\end{itemize}
\end{kaobox}
\section{RNA转录的抑制}  
RNA转录的抑制剂根据其作用性质的主要可以分为3大类:\redbf{嘌呤和嘧啶类似物，模板功能抑制剂，RNA聚合酶的抑制物}。

\subsection{嘌呤和嘧啶类似物}
这些碱基类似物或者作为代谢拮抗物直接\redbf{抑制核苷酸合成}有关的酶类，或者通过\redbf{掺入核酸分子}形成异常的核酸结构，从而影响核酸的进一步延伸。
\subsection{模板功能抑制剂}
\redbf{放线菌素、烷化剂和嵌入染料}能与DNA结合使其失去模板功能，进而抑制RNA转录。

\redbf{放线菌素D}具有抗菌和抗癌作用，是DNA模板功能的抑制物，可与DNA形成非共价复合物，抑制其作为模板的功能。

\redbf{烷化剂}如氮芥、磺酸酯、氮丙啶等分子中带有能使DNA烷基化的活性烷基，同时作用于DNA的两条链，使之发生交联，\redbf{抑制其模板功能}。

某些具有扁平芳香族发色团的\redbf{嵌入剂}，如吖啶类染料和溴化乙锭等可插入双链DNA相邻的碱基对之间，因此又称为嵌入染料。它们的大小与碱基相当，插入后使DNA在复制中缺失或增添一个核苷酸，导致移码突变。
\subsection{RNA聚合酶的抑制剂}
某些抗生素或化学药物，如利福霉素、利迪链霉素和a-鹅膏蕈碱都是RNA聚合酶的抑制物。

\redbf{利福霉素}能强烈地\redbf{抑制革兰氏阳性菌和结核杆菌}，具有广谱抗菌作用，能特异性地抑制细菌RNA聚合酶的活性。
\section{真核生物RNA的转录后加工}
\subsection{真核生物RNA中的内含子}
真核基因大多是断裂的，一个基因可由多个内含子(>99\%)和外显子间隔排列而成。

真核基因表达往往伴随着\bluebf{RNA的剪接过程}(splicing)，从mRNA前体分子中切除被称为\redbf{内含子}(intron)的非编码区，并使基因中被称为\redbf{外显子}(exon)的编码区拼接形成成熟mRNA。
\subsection{真核生物tRNA前体的转录后加工}
真核生物tRNA基因含有内含子，其前体必须经过剪切加工。

\begin{kaobox}
    内含子特点：
    \begin{itemize}
        \item 长度和序列没有共同性一般有16~46个核苷酸；
        \item 位于反密码子的下游；
        \item 内含子和外显子间的边界没有保守序列。
    \end{itemize}
\end{kaobox}

tRNA的剪接加工主要包括下面需要酶的三个过程：
\begin{itemize}
    \item \redbf{内含子的剪接}：tRNA内切核酸酶切除前体分子中的内含子，RNA连接酶连接外显子。
    \item \redbf{3'端添加CCA}： 真核生物所有RNA前体的3'端缺乏-CCAOH结构，需要在tRNA核苷酸转移酶的催化下在其3'端添加CCA。
    \item \redbf{核苷酸修饰}：tRNA分子中稀有核苷酸较多，其修饰很频繁(假尿嘧啶$\psi $)。
\end{itemize}
\subsection{真核生物rRNA前体的转录后加工}
新生rRNA前体与蛋白质结合，形成巨大的\redbf{核糖核蛋白前体}(pre-rRNA)颗粒，rRNA前体必须被剪接成成熟的rRNA分子，此过程在核仁中进行。

哺乳动物细胞\redbf{rRNA的剪切过程包括四步}：
\begin{itemize}
    \item 切除45SrRNA5’端非编码序列，生成41S中间产物。
    \item 41SRNA被切割为两段，一段32S，含有28SrRNA和5.8S rRNA，另一段20S，含有18SrRNA。
    \item 32S RNA被剪切成28S rRNA和5.8S rRNA。
    \item 20S RNA被剪切生成18SrRNA。
\end{itemize}
\subsection{真核生物mRNA的剪接}
mRNA前体的剪接主要有3种:\redbf{pre-mRNA剪接、I类和II类自剪接内含子}。

由DNA转录生成的mRNA的前体，即\redbf{核内不均一RNA}(hnRNA)。经过5'加“帽”和3酶切加多腺苷酸“尾”，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读框，通过核孔进入细胞质，作为蛋白质合成的模板。

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.96\textwidth]{img/RNA加工过程及生理功能.png} % 替换为你的图片文件名
    \caption{RNA加工过程及生理功能}
    \label{fig:RNA_processing}
\end{figure}
\subsubsection{RNA序列决定了剪切发生的位点}
mRNA前体中内含子的两端边界存在共同的序列，这些序列结构可能是产生mRNA前体剪接的信号。多数细胞核mRNA前体内含子的5'边界序列为 GU，3'边界序列为AG。把这种保守序列模式称为\redbf{GU-AG法则}，又称为Chambon法则。

除了边界序列之外，外显子与内含子交界处的序列，内含子内部的部分序列也可能参与内含子的剪接。

脊椎动物mRNA前体中常见的内含子剪接所必需的保守序列。

\subsubsection{RNA剪接中的两步转脂反应}
RNA剪接是由两步转酯反应完成的，这\redbf{两步转酯反应}使得pre-mRNA中原有的某些磷酸二酯键断开，并形成一些新的磷酸二酯键。

转酯反应中，没有增加新的化学键，只是断开了两个磷酸二酯键，同时形成了两个新的磷酸二酯键。

\begin{itemize}
    \item 第一步转酯反应是由位于分支位点的保守腺苷酸的2'-OH引发的。它作为亲核基团攻击5'剪接位点保守鸟苷酸的磷酰基团。
    \item 第二步转酯反应中，5'外显子作为亲核基团，攻击3剪接位点的磷酰基团，导致两个结果:一是把5'和3'外显子连接起来了，二是把内含子作为离去基团释放出去(套索)。
\end{itemize}
\subsubsection{剪接体与RNA剪接}
转酯反应是由一个被称为\redbf{剪接体}的大型复合体介导的。

剪接体是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，\redbf{它包含约150种蛋白质和5种RNA，大小与核糖体差不多}。剪接体中的5种RNA(U1、U2、U4、U5和U6)统称为核小RNA(snRNA)。

snRNA在剪接中功能如下：
\begin{itemize}
    \item 识别5'剪接位点和分支位点；
    \item 按需要把这两个位点集结到一起；
    \item 催化或者协助催化RNA的剪接和连接反应。
\end{itemize}
只有参与剪接反应的RNA与RNA之间、蛋白质与RNA之间以及蛋白质与蛋白质之间具备很好的协同作用，才能完成复杂的剪接反应。

mRNA链上每个内含子的5'和3'端分别与不同的snRNP相结合
形成RNA和RNP复合物。

\subsubsection{RNA的可变剪接}
在高等真核生物中，在个体发育或细胞分化时可以有选择性地越过某些外显子或某个剪接点进行变位剪接，产生出组织或发育阶段特异性mRNA，称为\redbf{内含子的可变剪接或选择性剪接}。
\subsubsection{I类和II类自剪接内含子}
与前面所述的mRNA前体中GU-AG类(主要)和AU-AC类(次要)内含子剪接方式不同的是I、II类内含子，因为带有这些内含子的RNA本身具有催化活性，能通过自身折叠成一种特殊的构象来进行内含子的\redbf{自我剪接}，而不需要形成剪接体。

\begin{enumerate}
    \item I类自剪接内含子：最初在四膜虫RNA前体时发现了I类内含子。I类内含子的剪接主要也是发生了两次两次转酯反应。
    \begin{itemize}
        \item \redbf{第一个转酯反应}由一个游离的鸟苷或鸟苷酸(GMP、GDP或GTP)介导，鸟苷或鸟苷酸的3-OH作为亲核基团攻击内含子5'端的磷酸二酯键，从上游切开RNA链。
        \item 在\redbf{第二个转酯反应}中，上游外显子的自由3-OH作为亲核基团攻击内含子3位核苷酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开，上下游两个外显子通过新的磷酸二酯键相连。
        \item I类内含子释放出线性内含子，而不是一个套索结构。
    \end{itemize}
    \item II类自剪接内含子。主要存在于真核生物的线粒体、叶绿体和rRNA基因中。II类内含子切除转酯反应由\redbf{内含子本身的靠近3端的腺苷酸2'-OH作为亲核基团}攻击内含子5'端的磷酸二酯键，从上游切开RNA链后形成套索状结构。再由上游外显子的自由3'-OH作为亲核基团攻击内含子3'位核苷酸上的磷酸二酯键，切除内含子，上下游外显子通过新的磷酸二酯键相连。
\end{enumerate}
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.96\textwidth]{img/RNA剪接的3种类型.png} % 替换为你的图片文件名
    \caption{RNA剪接的3种类型}
    \label{fig:RNA_splicing_types}
\end{figure}
\section{RNA的编辑、再编码和化学修饰}
\subsection{RNA编辑}
RNA的编辑(RNA editing)是mRNA前体通过\redbf{插入、删除或取代}一些核苷酸残基，使DNA所编码的遗传信息发生变化，是细胞内改变mRNA序列的重要途径。介导RNA编辑的机制有两种:
\begin{itemize}
    \item 位点特异性\redbf{脱氨基作用}和\redbf{引导}
    \item RNA\redbf{指导的尿嘧啶插入或删除}
\end{itemize}
位点特异性\redbf{脱氨基作用}引起的哺乳动物载脂蛋白基因转录产物的编辑
\begin{kaobox}
    RNA编辑的生物学意义:
    \begin{itemize}
        \item \redbf{校正作用} 有些基因在突变过程中丢失的遗传信息可能通过RNA的编辑得以恢复。
        \item \redbf{调控翻译} 通过编辑可以构建或去除起始密码子和终止密码子，是基因表达调控的一种方式。
        \item \redbf{扩充遗传信息} 能使基因产物获得新的结构和功能，有利于生物的进化。
    \end{itemize}
\end{kaobox}
\subsection{RNA的再编码}
mRNA在某些情况下可以改变原来的编码信息，以不同的方式进行翻译，RNA编码和读码方式的改变称为\redbf{RNA的再编码}。

+1/-1移码、核糖体跳跃以及终止子通读都是再编码的方式，RNA的再编码可以使一个mRNA产生多种相互关联但又不同的蛋白质，是蛋白质合成:的一种调节机制。
\subsection{RNA的化学修饰}
仅人细胞内rRNA分子上就存在106种甲基化和95种假尿嘧啶产物，虽然尚未发现特征性保守序列，但有实验证据表明，\redbf{RNA的化学修饰}可能具有位点特异性。

核仁小RNA(snoRNA)参与RNA的化学修饰，这些RNA能通过碱基配对的方式，把rRNA分子上需要修饰的位点找出来。\redbf{snoRNA上的D盒是甲基化酶的识别位点}。
\section{mRNA转运}
真核mRNA一旦完成加帽、去除内含子和多腺苷酸化等加工成熟过程，就会通过核膜上的特殊结构核孔复合体运出细胞核进入细胞质，作为模板翻译产生蛋白质。

mRNA从细胞核进入到细胞质的过程是一个\redbf{主动转运}过程，由\redbf{GTP水解}提供能量并受一系列蛋白质的\redbf{精细调控}。
\section{核酶}
\redbf{核酶(ribozyme)是指一类具有催化功能的RNA分子}，通过催化靶位点 RNA链中磷酸二酯键的断裂，特异性剪切底物RNA分子，从而阻断基因的表达。

核酶的催化功能与其空间结构有密切关系，目前已知有多种特殊结构的核酶，如RNase P的RNA亚基(M1RNA)、锤头型、发夹型丁型肝炎8病毒RNA、I类内含子和II类内含子等。

核酶可以分为剪切型核酶和剪接型核酶两大类:
\begin{itemize}
    \item \redbf{剪切型核酶}：只剪不接，能够催化自身RNA或不同的RNA分子，切下特异的核苷酸序列。
    \item \redbf{剪接型核酶}：既能切割RNA分子，也能通过转酯反应形成新的磷酸二酯键，连接切割后的RNA分子。该类核酶具有序列特异的内切核酸酶、RNA连接酶等多种酶的活性，\redbf{I类和II类内含子就属于剪接型核酶}。
\end{itemize}

\redbf{发夹型核酶}催化连接反应的活性比催化切割反应的
活性高约10倍;

\redbf{锤头型核酶}催化切割反应的活性比催化连接反应的活性高100倍。

核酶的发现为\redbf{基因治疗}提供了新的策略，因为根据其自剪切的特点，可以人工合成多种核酶以抑制破坏病毒或癌基因等有害基因的功能。

\redbf{核酶的发现说明RNA既是遗传物质又是酶，也许曾经存在以RNA为基础的原始生命。}
\section{RNA在生物进化中的地位}
\begin{itemize}
    \item RNA在生物进化过程中起着重要作用，RNA分子通过剪接、改变和校正阅读框架等方式表达出多种蛋白质异构体，增加了遗传信息的多样性。
    \item RNA还可能通过反转录产生与RNA信息相一致的DNA分子，直接影响后代的基因型，这种作用也可称之谓“反馈效应”(逆转录病毒)。
    \item RNA还是获得性遗传(表观遗传)的分子基础。
    \begin{itemize}
        \item \redbf{原因}：RNA既是信息分子，又是功能分子，它在表达过程中起着信息提取和加工的作用。
        \item \redbf{举例}：环境可以影响和诱导RNA的产生及信息的加工，从而使机体表现出新的性状，这种性状如果传递给子代细胞或个体，就产生获得性遗传。
    \end{itemize}
\end{itemize}