【生物化学简明教程】第四版14章 RNA的生物合成

14 RNA的生物合成

1．原核生物的RNA聚合酶由哪些亚基组成？各个亚基的主要功能是什么？

解答：原核生物的转录作用，不论其产物是mRNA，rRNA，还是tRNA，都是由同一种RNA聚合酶催化合成的。用SDS-PAGE分离大肠杆菌RNA聚合酶可得几个大小不等的亚基：β、β'亚基的M r分别为1.5×105和1.6×105，α和σ的M r分别为4.0×104和7.0×104。用磷酸纤维素柱层析分离出由各个亚基组成的全酶（holoenzyme），其亚基组成为α2ββ'σ，M r约为4.65×105。其中的σ因子易于从全酶上解离，其他的亚基则比较牢固地结合成为核心酶（core enzyme），当σ因子与核心酶结合成全酶时，即能起始转录，当σ因子从转录起始复合物中释放后，核心酶沿DNA模板移动并延伸RNA链。可见σ因子为转录起始所必需，但对转录延伸并不需要。全酶以4种核苷三磷酸为原料，以DNA为模板，在37℃下，以40nt/s的速度从5'→3'合成RNA。一个大肠杆菌约含7000个RNA聚合酶分子，大约2 000～5 000个聚合酶同时催化RNA的合成。

α亚基由rpo A基因编码，为核心酶的组装所必需，需责识别和结合启动子。α亚基在全酶与某些转录因子相互作用时也发挥重要作用。

β和β'亚基分别由基因rpo B和rpo C编码。β亚基是催化部位的主体，研究表明，β亚基有两个结构域，分别负责转录的起始和延伸，β'亚基上结合的两个Zn2+参与催化过程。β'亚基可能是RNA聚合酶与模板DNA的结合部位。

大肠杆菌的σ因子由基因rpo D编码，在对启动子识别中起关键作用。σ因子与核心酶结合后，全酶对启动子特异性结合能力是对其他DNA序列结合能力的107倍。

2．真核细胞中有几种RNA聚合酶？它们各自的主要功能是什么？

解答：真核生物的RNA聚合酶，按照对α-鹅膏蕈碱的敏感性不同进行分类：RNA聚合酶Ⅰ基本不受α-鹅膏蕈碱的抑制，在大于10-3mol/L时才有轻微的抑制。RNA聚合酶Ⅱ对α-鹅膏蕈碱最为敏感，在10-8mol/L以下就会被抑制。RNA聚合酶Ⅲ对α-鹅膏蕈碱的敏感性介于聚合酶Ⅰ和聚合酶Ⅱ之间，在10-5mol/L到10-4mol/L才会有抑制现象。RNA聚合酶Ⅰ存在于核仁中，其功能是合成5.8S rRNA、18 S rRNA和28 S rRNA。RNA聚合酶Ⅱ存在于核质中，其功能是合成mRNA、snRNA。RNA聚合酶Ⅲ也存在于核质中，其功能是合成tRNA和5 S rRNA及转录Alu序列。

3．下面是单链DNA模板的碱基序列，将它与RNA聚合酶、GTP、CTP、UTP和[α-32P]ATP 混合物一起保温，再用脾磷酸二酯酶水解RNA产物，试问可得到哪些3′-32P标记的NMP？

5′ATCTTCGTATGCATGTCT 3′

解答：根据DNA模板的碱基序列先写出RNA产物的碱基序列，每个A的5'端为32p：5′32pApG32pApC32pApUpGpC32pApU32pApCpG32pA32pApG32pAp U 3′

脾磷酸二酯酶从RNA的5'–末端开始依次水解生成3'–NMP，得到3'–32p[GMP]∶3'–

32p[CMP]∶3'–32p[UMP]∶3'–32p[AMP]=3∶2∶1∶1。

4．原核生物的启动子和真核生物的三类启动子各有何结构特点？

解答：原核生物的启动子在-10区有一共有序列（consensus sequence）TATAA T，以发现者的名字命名为Pribnow框(Pribnow box)，或被称作-10序列。在-35区还有一个共有序列TTGACA，被称作识别区域，或-35序列。在不同基因的启动子中，这两个共有序列的位置和序列略有区别。对上述共有序列进行化学修饰和定位诱变证明，-35序列与聚合酶对启动子的特异性识别有关，-10区富含A-T对，有利于DNA局部解链，-10区与-35区之间的距离，明显影响转录的效率。

真核生物三类启动子分别起始RNA聚合酶I、II、III的转录。类别I启动子包括核心启动子和上游控制元件两部分，需要UBF1和SL1因子参与作用。类别II启动子包括四类控制元件：基本启动子、起始子、上游元件和应答元件。识别这些元件的反式作用因子有通用转录因子、上游转录因子和可诱导的因子。类别III启动子有两类：上游启动子和基因内启动子，分别由装配因子和起始因子促进转录起始复合物的形成和转录。

5．简要说明原核生物和真核生物转录调控的主要特点

解答：原核生物与真核生物基因转录调控的共同之处主要有两个方面。其一，调控的关键步骤均在转录的起始阶段。其二，DNA上均包括参与转录调控的顺式作用元件，细胞中均含有可以同顺式作用元件相互作用的反式作用因子。

原核生物基因转录调控的特点可归纳为3个方面：①?σ因子决定RNA聚合酶的识别特异性。原核生物只有一种RNA聚合酶，核心酶催化转录的延长，σ因子识别特异的启动序列，即不同的σ因子协助启动不同基因的转录。②?操纵子模型的普遍性。除个别基因外，原核生物的绝大多数基因按功能相关性成簇地连续排列在DNA分子上，共同组成一个转录单位即操纵子（operon），如乳糖操纵子等。一个操纵子含一个启动序列及数个编码基因。在同一个启动序列控制下，转录出多顺反子mRNA。③?阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性。在原核生物中特异的阻遏蛋白是控制启动序列活性的重要因素。当阻遏蛋白与操纵基因结合或解离时，结构基因的转录被阻遏或去阻遏。

真核生物基因转录调控的特点可归纳为6个方面：①?真核生物有复杂的染色体结构，染色体结构的变化对基因转录的调控有重要作用。②?与原核生物相比，真核生物有更多种类的顺式作用元件和反式作用因子，基因转录调控的机制更加复杂。③?原核生物的反式作用因子对基因表达的调控既有正调控，又有负调控，其中负调控的作用较普遍。真核生物的反式作用因子对基因表达的调控主要是正调控，通常需要多个反式作用因子协同作用，使基因表达的调控更加精确。④?迄今为止，在真核生物中尚未发现操纵子结构，功能相关基因的协调表达比原核生物更加复杂。⑤?原核生物的转录产物通常不需要加工，即可用于指导蛋白质合成，真核生物的转录产物通常需要经过复杂的加工，才可用于指导蛋白质合成。⑥?真核生物大多为多细胞生物，在细胞分化和个体发育过程中，基因表达除受细胞内调控因

子的影响外，还受一些细胞外因子（如激素和细胞因子）的影响。

6．简要说明四类内含子剪接作用的特点。

解答：第一类内含子的剪接反应需要一个鸟嘌呤核苷或核苷酸辅因子，这一辅因子并不是被作为能源使用，而是直接参与反应的催化。剪接反应是第一步中鸟苷的3'-羟基作为亲核基团，与内含子5'-末端形成一个正常的3',5'-磷酸二酯键。这一步中5'外显子的3'-羟基被释放出来，然后作为亲核基团在内含子的3'末端进行同样的反应。导致内含子的切除，及外显子的连接。

第二类内含子的剪接模式与第一类剪接反应的差别，是在第一步中的亲核基团是内含子内部的一个腺苷酸残基的2'-羟基，而不是外源的辅因子。这步反应中产生一种不寻常的分叉套索样中间体。

第三类也是最大的一类内含子，通过同样的套索机制进行剪接。然而，它们的剪接需要特殊的叫做剪接体（spliceosome）的RNA-蛋白复合物发挥作用。

在一些tRNA中发现的第四类内含子与第一、二类不同，它们的剪接需要ATP提供能量，由内切核酸酶水解内含子两端的磷酸二酯键，两个外显子随即被连接起来，连接反应与DNA 连接酶的连接机制相同。

7．设计一个实验确定体内基因转录时，RNA链延伸的平均速率，即每一条RNA链每分钟掺入的核苷酸数目。

解答：用放射性标记的NTP脉冲标记细胞，然后杀死细胞，提取其RNA，再使用弱碱水解。RNA链延伸的平均速率可通过水解物中被标记核苷酸的量除以脉冲标记的时间计算得出。

8．为什么野生型的大肠杆菌细胞内得不到rRNA基因的初级转录物？

解答：大肠杆菌rRNA后加工并非绝对发生在转录以后，一些后加工反应在转录还没有完成的时候就已开始，其中包括某些剪切反应，因此在野生型的大肠杆菌细胞内，等转录结束以后得到的并不是原始的初级转录产物。只有当大肠杆菌某些参加后加工的酶有缺陷时，才有可能得到真正的初级转录物。

9．HIV的什么性质使得研制艾滋病的疫苗非常困难？

解答：HIV是一种逆转录病毒，负责逆转录病毒RNA复制的逆转录酶没有校对功能，这使得该病毒的基因突变率比DNA病毒要高许多，作为疫苗靶子的抗原基因更容易突变，这就增加了额外的难度。

10．如果一种突变菌株合成的σ因子与核心酶不易解离，对RNA合成可能产生什么影响？

解答：RNA聚合酶全酶与DNA模板的结合比核心酶紧密得多。RNA合成起始之后，突变的σ因子不能及时解离，极大地降低了RNA聚合酶沿模板移动的速度。因此该突变株的RNA 合成比野生型慢得多。

11．一个正在旺盛生长的大肠杆菌细胞内约含15?000个核糖体。①如果rRNA前体的基因共含有5000对核苷酸残基，若转录反应从5′–NMP和ATP开始，生成这么多rRNA 共需消耗多少分子ATP？②如果这些能量由葡萄糖的有氧氧化提供，共需消耗多少分子葡萄糖？

解答：①15?000×5000×2=1.5×108个ATP分子；

②（1.5×108）/32=4.69×106个葡萄糖分子。

12．鸡卵清蛋白基因为7700 bp，经转录后加工从前体分子中剪去内含子，拼接成1872 nt的成熟mRNA，其中卵清蛋白的编码序列含1164 nt(包括一个终止密码子)。如果戴帽和内部修饰消耗的能量忽略不计，计算从转录出mRNA前体到最后加工成一个成熟的卵清蛋白mRNA(假定3′端还有200个腺苷酸残基组成的尾巴)需要消耗多少分子ATP？

解答：从卵白蛋清基因转录出的前体mRNA应含7700个核苷酸残基，另外有200个腺苷酸残基组成的尾巴，因为dNMP + 2ATP →dNTP + 2ADP，所以每掺入一个残基相当于消耗两分子ATP。如果戴帽和内部修饰消耗的能量忽略不计，这个基因转录和加工共需消耗的ATP数为：（7700 + 200）× 2 = 1.58 ×104个A TP分子。

13．与DNA聚合酶不同，RNA聚合酶没有校正活性，试解释为什么RNA聚合酶缺少校正功能对细胞并无很大害处。

解答：RNA聚合酶缺少校正活性，从而使转录错误率远远高于DNA复制的错误率，但是因为从一个基因合成的RNA的绝大多数的拷贝是正常的，错误的RNA分子将不可能影响到细胞的生存。就mRNA分子来说，按照含有错误的mRNA翻译的错误的蛋白质数量只占所合成蛋白总数的很小百分比。另外，在转录过程中生成的错误可以很快去除，因为大多数的mRNA分子的半衰期很短。

14．自我拼接反应和RNA作为催化剂的反应之间的区别是什么？

解答：四膜虫的rRNA的初始转录产物经过一个自剪切反应失去了它的间插序列。因为在这一反应中转录物被永久的修饰了，因此它不是一个真正的催化剂。核糖核酸酶P的RNA 组分能够切割tRNA前体分子，并且在反应结束时仍旧保持不变，因而它称得上是一个真正的催化剂。

15．DNA和RNA各有几种合成方式，各由什么酶催化新链的合成？

解答：①DNA → DNA，其中DNA半不连续复制需要DNA聚合酶III、DNA聚合酶I和DNA连接酶；DNA修复合成需要DNA聚合酶I、DNA连接酶。②RNA → DNA，需要逆转录酶。③RNA合成包括：DNA → RNA，需要RNA聚合酶；RNA → RNA，需要RNA复制酶；RNA → DNA → RNA需要RNA转录酶和RNA聚合酶。