第18章 RNA的生物合成
一、选择题
1真核RNA聚合酶Ⅲ的功能是（ ）。[华中农业大学2017研]
A．转录tRNA和5SrRNA等小rRNA基因
B．转录蛋白质基因和部分snRNA
C．只转录rRNA基因
D．转录多种基因
【答案】A
【解析】真核生物的RNA聚合酶分三类。RNA聚合酶Ⅰ存在于核仁中，转录rRNA顺序。RNA聚合酶Ⅱ存在于核质中，转录大多数基因，需要“TATA”框。RNA聚合酶Ⅲ存在于核质中，转录几种很小的基因如tRNA基因如5SrRNA基因。
2下面哪种加工方式在tRNA加工中不存在？（ ）[南开大学研]
A．加polyA尾
B．剪接
C．碱基修饰
D．RNA编辑
【答案】A
【解析】加polyA尾是mRNA特有的成熟加工方式。
3转录过程中遗传信息的传递方向是（ ）。[西南农业大学2002研]
A．DNA→RNA
B．RNA→DNA
C．RNA→RNA
D．RNA→蛋白质
【答案】A
【解析】在转录过程中，DNA的一条链作为模板链，在其上合成出RNA分子，合成以碱基互补配对的方式进行，所产生的RNA链与DNA模板链互补，这样将遗传信息由DNA传递到了RNA。
4真核生物mRNA poly（A）尾巴的加接信号（ ）。[南开大学2000研]
A．在转录终止之后
B．在转录终止点之前
C．在转录终止点上
D．在mRNA的5′末端
【答案】B
【解析】多聚腺苷酸信号序列一旦转录完成，随即发生多聚腺苷酸化反应（加尾反应），转录也很快就终止。
5依赖于DNA的RNA聚合酶，由五个亚基组成，其中与转录起始有关的亚基是（ ）。[华中农业大学2003研]
A．α
B．β
C．ρ
D．σ
【答案】D
【解析】RNA聚合酶由五个亚基[α2ββ′σ（ω）]组成，还含有2个Zn原子，它们与β′亚基相联结，没有σ亚基的酶[α2ββ′（ω）]称为核心酶。核心酶只能使已开始合成的RNA链延长，但不具有起始合成RNA的功能，必需加入σ亚基才表现出全部聚合酶的活性。这就是说，在开始合成RNA链时必需有σ亚基参与作用，因此称σ亚基为起始因子。
6既可利用上游启动子，又可利用下游启动子的RNA聚合酶是（ ）。[中国科学院2007研]
A．RNA聚合酶Ⅰ
B．RNA聚合酶Ⅱ
C．RNA聚合酶Ⅲ
D．RNA聚合酶Ⅳ
【答案】C
【解析】RNAPolⅢ启动子负责tRNA、5SrRNA和某些snRNA的转录。这三类基因的启动子结构不同，其中5SrRNA和tRNA位于起始位点下游的转录区内，因此也称为下游启动子或基因内启动子或内部控制区。snRNA基因的启动子，包含有3个上游元件，为TATA框、次近端序列元件和八聚体OCT元件。
7逆转录酶是一类（ ）。[西南农业大学2003研]
A.DNA指导的DNA聚合酶
B.DNA指导的RNA聚合酶
C.RNA指导的DNA聚合酶
D.RNA指导的RNA聚合酶
【答案】C
【解析】逆转录酶是RNA指导的DNA聚合酶，是一种多功能酶，它兼有三种酶的活力：①它可以利用RNA做模板，在其上合成出一条互补的DNA链，形成RNA-DNA杂种分子。②它还可以在新合成的DNA链上合成另一条互补的DNA链，形成双链DNA分子（DNA指导的DNA聚合酶活力）。③除了聚合酶活力外，它尚有核糖核酸酶H的活力，专门水解RNA-DNA杂种分子中的RNA，可沿3′→5′和5′→3′两个方面起核酸外切酶的作用。
二、填空题
1在各种RNA中，______含量最多，______寿命最短，含稀有碱基最多。[厦门大学研]
【答案】rRNA；mRNA；tRNA
【解析】rRNA是核糖体的主要组分，而且在翻译过程中还具有重要的催化作用，约占细胞总RNA的80%左右，因此，rRNA含量最多。mRNA作为遗传信息的传递者，其翻译具有时序性，只要细胞质内存在mRNA，核糖体就会将其上的遗传信息翻译，如果寿命过长，基因将在细胞内不停的表达，易产生混乱。因此，mRNA寿命最短。tRNA往往含有较多的稀有碱基，有的tRNA含有的稀有碱基达到10%。稀有碱基可以稳定tRNA三级结构，进行分子识别及作为副密码子等功能，如可进行AU、CG、UG、IU、IC、IA等配对，体现了密码子的简并性。
2某些RNA病毒人侵宿主细胞后可借助于RNA指导RNA聚合酶进行病毒RNA的______。[北京师范大学研]
【答案】自我复制
3能专门水解DNA-RNA杂交分子中RNA的酶是______。[中山大学2004研]
【答案】RNaseH（核糖核酸酶H）
【解析】核糖核酸酶H的功能是专门水解RNA-DNA杂种分子中的RNA，可沿3′→5′和5′→3′两个方向起核酸外切酶的作用。
4真核生物细胞______的加工过程需要有拼接体参加。[南开大学2001研]
【答案】RNA
【解析】真核生物由于存在细胞核结构，转录与翻译在时间上和空间上都被分隔开来，其mRNA前体的加工极为复杂。而且真核生物的大多数基因都被居间序列即内含子所分隔而成为断裂基因，在转录后需通过拼接使编码区成为连续序列。在真核生物中还能通过不同的加工方式，表达出不同的信息。因此，对于真核生物来讲，RNA的加工尤为重要。
5在原核细胞中，______是DNA生物合成最主要的酶，而在RNA生物合成中，其RNA聚合酶的全酶形式是______。[华东理工大学2002研]
【答案】DNA聚合酶Ⅲ；α2ββ′σ
6在真核细胞中，由前体mRNA加工为成熟mRNA，主要包括______、______和______等过程。[南京大学2003研]
【答案】5′端加帽、3′末端多聚腺苷酸化；mRNA的内部甲基化；mRNA的拼接
7一个转录单位一般应包括______序列、______序列和______序列。[华中农业大学2017研]
【答案】启动子；基因表达调控；终止子
8真核生物中多数转录因子都含有______、______结构域。[华中科技大学2017研]
【答案】DNA结合结构域；转录激活
9真核生物mRNA的5′末端具有______结构，它是由______催化产生的；而真核生物mRNA的3′末端通常具有______。[河北大学2012、2014研]
【答案】帽子；鸟苷酸转移酶；poly（A）尾巴
10转录分为______、______、______三个过程，在第一阶段包括：模板识别、形成闭合复合物、______、形成开放复合物、RNA链合成与______。[电子科技大学2013研]
【答案】起始；延伸；终止；DNA解链；启动子清除
11tRNA分子3′末端的最后三个核苷酸为5′______3′。[暨南大学2011研]
【答案】CCA
12RNA合成的两个终止子称______和______。[华南农业大学2009研]
【答案】依赖ρ因子的终止子；不依赖ρ因子的终止子
三、判断题
1内含子的自我剪接说明某些RNA也具有酶活性。（ ）[中山大学研]
【答案】对
2原核细胞rRNA无转录后加工过程。（ ）[南开大学研]
【答案】错
【解析】原核细胞rRNA有转录后加工。先合成30S前体rRNA，成熟后还有甲基化修饰。
3反义RNA指与mRNA特异性结合并互补的核苷酸片段，它阻断翻译过程，在基因表达调控中起作用。（ ）[四川大学研]
【答案】对
4碱基堆积作用在稳定RNA的结构中起主要作用。（ ）[南开大学研]
【答案】错
【解析】碱基堆积作用在稳定DNA的双螺旋结构中起主要作用，其次是氢键。
5大肠杆菌中的fMet-tRNA无法单独与核糖体结合。（ ）[南京师范大学研]
【答案】对
6在原核细胞中，mRNA经RNA聚合酶从模板DNA链上转录后都不是成熟的mRNA，要转录加工后才能翻译。（ ）[华东理工大学2002研]
【答案】错
7真核生物mRNA的两端都含有3′-OH。（ ）[山东大学2016研]
【答案】错
【解析】真核生物mRNA的两端并非都含有3′-OH，3′端要经过多聚腺苷酸化加工修饰。
8一般说来，真核生物的mRNA与它的DNA模板是等长的。（ ）[厦门大学2014研]
【答案】错
【解析】mRNA在翻译完毕后会进行加工，切除内含子，修饰等，所以与模板DNA不等长。
9目前发现的修饰核苷酸大多数存在于tRNA分子中。（ ）[厦门大学2014研]
【答案】对
【解析】tRNA分子种类众多，多含有修饰的核苷酸和稀有核苷酸。
10DNA聚合酶催化DNA聚合反应需引物，RNA聚合酶催化RNA聚合反应不需引物。（ ）[厦门大学2015研]
【答案】对
11转录过程中RNA聚合酶需要引物。（ ）[中国科学院大学2013研]
【答案】错
【解析】RNA聚合酶主要以双链DNA为模板，以4种核苷三磷酸作为活性前体，并以Mg2＋/Mn2＋为辅助因子，催化RNA链的起始、延伸和终止，它不需要任何引物，催化生成的产物是与DNA模板链相互补的RNA。
四、名词解释题
1选择性剪接（alternativesp1icing）[中国科学院病毒所2008研]
答：选择性剪接（alternativesp1icing）又称可变剪接，是指从一个mRNA前体中通过不同的剪接方式（选择不同的剪接位点组合）产生不同的mRNA剪接异构体的过程，而最终的蛋白产物会表现出不同的或者是相互拮抗的功能和结构特性，或者在相同的细胞中由于表达水平的不同而导致不同的表型。
2反义RNA（antisenseRNA）[大连理工大学2002；山东大学2006研]
答：反义RNA（antisenseRNA）是指与靶RNA（多为mRNA）具有互补序列的RNA分子，它通过与靶RNA进行碱基配对结合的方式参与基因的表达调控。
3hnRNA[华中科技大学2017研]
答：hnRNA的中文名称是核内不均一RNA，是指存在于真核生物细胞核中的不稳定、大小不均的一组高分子RNA（分子量约为105～2×107，沉降系数约为30～100S）的总称。占细胞全部RNA之百分之几，在核内主要存在于核仁的外侧。hnRNA大多属于mRNA的前体，包括各种基因的转录产物及其成为mRNA前的各中间阶段的分子，在5′末端多附有间隙结构，而3′的末端附有多聚腺苷酸聚合酶分子。这些hnRNA在受到加工之后，移至细胞质，作为mRNA而发挥其功能。大部分的hnRNA在核内与各种特异的蛋白质形成复合体而存在着。
4闭合复合物[华南农业大学2009研]
答：转录时，RNA聚合酶全酶首先与DNA启动子的-35区结合，刚结合时DNA双链还没有打开形成转录叉，这样形成的复合物就称未闭合复合物。
五、问答题
1简要说明原核生物与真核生物内RNA合成的异同点。[北京师范大学研]
答：真核生物和原核生物的转录过程是相似的，都是以DNA为模板合成RNA，但也有不同，表现在：（1）原核细胞只有一种RNA聚合酶，而真核细胞有3种RNA聚合酶；
（2）启动子的结构特点不同，真核细胞有3种不同的启动子及其他与转录有关的元件；
（3）真核的转录有很多蛋白因子的介入。
2请设计一个体外转录实验，证明RNA的合成方向是5′→3′。[南开大学研]
答：设计的体外转录实验如下：
（1）γ32P标记的GTP和非标记的GTP可证明RNA的合成方向，若RNA中的32P无变化，证明合成方向为5′→3′，反之则是3′→5′。
（2）用代谢抑制剂3′-脱氧腺苷证明RNA链合成方向为5′→3′。
（3）E.coli在0℃时需要13s才能加上一个核苷酸，但在37℃时每秒就可加上40个核苷酸。利用这个差别以14C标记U，在0℃培养E.coli，提取这种正在伸长的mRNA分子，发现14C标记首先出现在伸长的3′，因此可以证明合成是沿着5′→3′方向进行的。
3真核生物体存在大量的mRNA前体的“选择性剪接（alternative splicing）”过程。什么是选择性剪接？有几种方式？[华中农业大学2017研]
答：（1）选择性剪接的定义
选择性剪接又称可变剪接或变位剪接，是指在mRNA前体的剪接过程中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，从而产生出组织或发育阶段特异性mRNA的一种剪接方式。此外，不同的启动子或不同的poly（A）加尾位点的选择，也可看作选择性剪接。
（2）选择性剪接的方式
①拼接产物缺失一个或几个外显子；
②拼接产物保留一个或几个内含子作为外显子的编码序列；
③外显子中存在5′拼接点或3′拼接点，从而部分缺失该外显子；
④内含子中存在5′拼接点或3′拼接点，从而使部分内含子变为编码序列。
4原、真核生物mRNA、rRNA、tRNA转录后加工修饰异同点。[华中科技大学2017研]
答：原、真核生物mRNA、rRNA、tRNA转录后加工修饰异同点详见下表1-18-1。
表1-18-1 原、真核生物mRNA、rRNA、tRNA转录后加工修饰比较
5RNA病毒复制方式，为什么正链RNA病毒复制不需要依赖自身RNA聚合酶而负链RNA病毒需要依赖自身RNA聚合酶？[华中科技大学2017研]
答：这主要取决于RNA复制酶。RNA复制酶又称RNA指导的RNA聚合酶，为以RNA为模板合成RNA的酶，存在于某些RNA病毒中，其底物和作用方式均与DNA指导的RNA聚合酶相似，是通过其高级结构的变化来调节病毒RNA复制与翻译、正链与负链合成的。
（1）病毒含有正链RNA，进入宿主细胞后首先合成复制酶（以及有关蛋白质），然后在复制酶作用下进行病毒RNA的复制，最后由病毒RNA和蛋白质装配成病毒颗粒。
（2）病毒含有负链RNA和复制酶，病毒侵入细胞后，宿主细胞无介导负链RNA合成正链RNA的酶，需借助于病毒自身带进去的复制酶合成出正链RNA，再以正链RNA为模板，合成病毒蛋白质和复制病毒RNA。
6试比较真核生物与原核生物转录的不同之处。[武汉科技大学2015研]
答：真核与原核生物基因转录的不同表现在：
（1）RNA聚合酶不同：原核生物只有一种RNA聚合酶；而真核生物有3种以上RNA聚合酶进行不同类型的转录，合成不同类型的的RNA。
（2）初级转录产物不同：原核生物的初级转录产物大多是编码序列；而真核生物转录产物除了编码序列，还含有大量的内含子序列。
（3）转录后加工不同：原核生物的初级转录产物几乎无需加工就可直接作为翻译模板；而真核生物转录产物需经转录后加工，如剪接、修饰等，才能成为成熟的mRNA。
（4）转录翻译的时序性不同：原核生物细胞中转录与翻译几乎是同步在细胞中进行；真核生物mRNA的合成与蛋白质的合成则发生在不同的时空范畴内。
六、论述题
1比较真核生物与原核生物转录后加工的异同。[南京师范大学2001研]
答：两者tRNA和rRNA前体的加工过程有些相似，但mRNA得加工大不相同。
（1）原核生物RNA转录后的加工：
rRNA的加工：①切除；②甲基化
tRNA的加工：①“斩头”；②去尾；③加-CCA；④修饰
mRNA的加工；一般不需要加工，有时需要切割。
（2）真核生物RNA转录后的加工：
rRNA的加工：①甲基化；②剪切等
tRNA的加工：①切除附加序列；②3′端加工CCA；③剪切内含子；
mRNA的加工；①5′加帽；②3′加尾；③切除内含子；④修饰
（3）原核生物的mRNA一经转录通常立即进行翻译，除少数例外，一般不进行转录后加工。但稳定的RNA（tRNA和rRNA）都要经过一系列加工才能成为有活性的分子。不同的原核生物rRNA前体的加工，过程不完全一致，但大致来说有两种方式：①rRNA前体的加工是在RNaseⅢ的作用下切成不同的单位，再在RNase的作用下切除附加序列。②rRNA前体的加工过程中尚需甲基化，产生甲基化修饰。
tRNA前体的加工包括：①由核酸内切酶在tRNA两端切断；②由核酸外切酶从3′端逐个切去附加的顺序，进行修剪；③对自身CCA序列的tRNA在tRNA3′端加上胞苷酸-腺苷酸（CCAOH）；④核苷的修饰。
（4）而mRNA一般不需进行加工就可进行翻译，但也有少数多顺反子的mRNA须通过核酸内切酶切成较小的单位，然后再进行翻译。真核生物rRNA和tRNA前体的加工过程与原核生物有些相似；然而其mRNA前体必须经复杂的加工过程，这与原核生物大不相同。真核生物大多数基因含有居间序列，需在转录后的加工过程中予以切除。其加工过程包括：①5′端形成特殊的帽子结构；②在链的3′端切断并加上多聚腺苷酸（ploy A）尾巴；③通过拼接除去由内含子转录来的序列；④链内部核苷被甲基化。
2叙述原核细胞中三种RNA的结构、特点及功能。[中国农业大学2010研]
答：原核生物主要有mRNA、tRNA和rRNA三种RNA。
（1）原核生物mRNA的结构、特点及功能。
原核生物mRNA的结构：mRNA为单链线性分子，mRNA具有两种序列，一种是用于指导合成蛋白质的序列，核苷酸序列与DNA序列相应，即编码区，从起始密码子开始，到终止密码子结束；另一种是位于编码区两侧的非编码区。
原核生物mRNA的特点：①半衰期短。原核生物中，mRNA的转录和翻译是在同一个细胞空间里同步进行的，蛋白质合成往往在mRNA刚开始转录时就被引发了。大多数细菌mRNA在转录开始1分钟后就开始降解。mRNA降解的速度大概只有转录或翻译速度的一半；②许多以多顺反子的形式存在。原核细胞的mRNA（包括病毒）有时可以同时编码几个多肽；③原核生物mRNA的5′端无帽子结构，3′端没有或只有较短的多聚（A）结构；④原核生物常以AUG（有时GUG，甚至UUG）作为起始密码子；真核生物几乎永远以AUG作为起始密码子。
原核生物mRNA的功能：mRNA携带DNA遗传信息，mRNA上的密码子编码氨基酸，指导蛋白质的合成，是蛋白质的合成模板。
（2）原核生物tRNA的结构、特点及功能。
原核生物tRNA的结构：tRNA是分子量较小的单链RNA。其二级结构含有较多的发夹结构，形成4个双链的臂和4个单链的环即氨基酸臂、二氢尿嘧啶臂和二氢尿嘧啶环、反密码臂和反密码环、可变环、TΨT臂和TΨT环，使其具有三叶草结构。其三级结构通过折叠形成倒L形，一端为氨基酸臂，另一端为反密码环。
原核生物tRNA的特点：①分子量25KD左右，沉降系数4S；多数为70～90个核苷酸；②二级结构三叶草形；三级结构倒L形；③3′末端（接受末端）为CCAOH结构，接受活化的氨基酸；④5′端多为polyG，也有polyC结构的；⑤具有不等的稀有碱基及位置不变的恒定核苷酸。
原核生物tRNA的功能：在蛋白质生物合成过程中把mRNA的信息准确地翻译成蛋白质中氨基酸顺序的适配器分子，携带符合要求的氨基酸，以连接成肽链，再经过加工形成蛋白质，具有转运氨基酸的作用。此外，它在蛋白质生物合成的起始作用中，在DNA反转录合成中及其他代谢调节中也起重要作用。
（3）原核生物rRNA的结构、特点及功能。
原核生物rRNA的结构：rRNA多与蛋白质结合在一起，分子量较大。原核生物有三种rRNA：23S、16S、5S。，原核生物rRNA由70S和30S大小两个亚基组成。
原核生物rRNA的特点：①有5S、16S及23S三种；②rRNA存在许多修饰核苷；③有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢键相连，表现为发夹式螺旋二级结构，并能进一步折叠形成特定的三级结构。
原核生物rRNA功能：rRNA与蛋白质结合形成核糖体，作为mRNA的支架，使mRNA分子在其上展开，实现蛋白质的合成，是蛋白质合成的场所。
3比较DNA复制与RNA合成的异同点。[华中师范大学2010研]
答：（1）相同点
①除了某些病毒RNA基因组外，所有RNA分子都是以DNA为模板（模板使用）；
②合成方向也是由5′→3′方向（极性）；
③合成的化学机制基本相同。3′-OH作为亲核基团进攻后续核糖核苷三磷酸的α-磷酸、释放焦磷酸并根据碱基互补配对；
④都有起始、延伸、终止三个阶段。转录的起始就是RNA聚合酶和启动子结合的过程，起始的完成是以第一个三磷酸核苷酸进入起始位点为标志的；在转录的延伸阶段，RNA聚合酶与模板DNA做相对运动，催化合成RNA链，RNA链延长的方向是5′→3′，RNA链延长过程中DNA的解螺旋和再螺旋都由RNA聚合酶完成。在RNA链延伸到转录终止位点时，RNA聚合酶不再形成新的磷酸二酯键，RNA-DNA。
（2）不同点：
①转录不需要引物，RNA合成起始仅仅发生在称为启动子的特别序列，RNA合成通常以GTP或ATP残基开始（5′-3′磷酸保留）；
②转录一般只涉及一个短的DNA序列片段；双链DNA中只有一条链作为模板（而DNA复制是两条链为模板，整个染色体的复制）。习惯上，转录需要的调控序列以编码链表示，对于一个特定基因来说，编码链可以是给定染色体DNA双链的任意一条链；
③转录是由RNA聚合酶催化，与DNA上的特异序列——启动子结合并开始转录（复制是由DNA聚合酶开始，从复制起始点开始）；
④RNA合成不像DNA有校对机制；
⑤转录时，DNA双螺旋一段短距离范围解螺旋形成转录泡，RNA在形成后不久被剥离模板。