现代分子生物学生物信息的传递上复制

1、第三章 生物信息的传递（上） 从DNA到RNA,以基因的形式荷载遗传信息，是生命遗传的物质基础。 DNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存（DNA 复制）。 作为基因复制和转录的模板，是个体生命活动的信息基础。 DNA的生物学功能是以蛋白质的形式表达出来的。通过转录生成信使RNA，翻译生成蛋白质的过程来控制生物个体性状（基因表达,DNA的基本功能,基因表达(gene expression)：是指细胞在生命过程中,把储存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译,转变成具有生物活性的蛋白质分子,一、基本概念,生物体以DNA为模板合成RNA的过程,转录(transcription),转录是生

2、物界RNA合成的主要方式，是遗传信息从DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始,第一节 转录的基本原理,参与转录的物质,模板:DNA 酶: RNA聚合酶 原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 其他蛋白质因子,RNA合成方向：5 3,转录模板,DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因。 一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列为一个转录单元。 DNA双链按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(template strand)，也称作反意义链或Waston链。 相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为有意义链或Crick链,5G C

3、 A G T A C A T G T C3 3 c g t c a t g t a c a g5,5G C A G U A C A U G U C3,N Ala Val His Val C,DNA,转录,mRNA,翻译,肽,DNA模板、转录产物mRNA 和氨基酸序列之间的关系,编码链,模板链,不对称转录(asymmetric transcription,在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录 ； 模板链并非永远在同一条单链上,转录与复制的相似之处： 都是酶促的核苷酸聚合过程； 都以DNA为模板； 都需依赖DNA的聚合酶； 聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸二酯键； 都从

4、5至3 方向延伸成新链多聚核苷酸； 都遵从碱基配对规律 但转录忠实性要低于DNA复制。 转录与复制都受到严格的调控,二、转录与复制的异同,转录和复制的区别,引物 有 无 高度进行性 中途不停止 可一段一段复制,一）原核生物RNA 聚合酶,RNA聚合酶（大肠杆菌为例,全酶=核心酶+ 因子,第二节 DNA指导下的RNA聚合酶,大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,RNA聚合酶,二） 真核生物RNA聚合酶,真核生物的RNA聚合酶,定 位 核 仁 核 质 核 质 转录产物 45s-rRNA hnRNA 5s-rRNA,tRNA, U1-13snRNA U6snRNA， （

5、U6除外） 非UsnRNA 对鹅膏蕈碱反应 耐受 极敏感 中度敏感,RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别,第 三 节 与转录起始和终止有关的DNA结构,一、原核生物的启动子和终止子,启动子定义：指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列,原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列,一）启动子结构,转录单元,RNA聚合酶保护法分析启动子结构,Pribnow,41-44bp,开始转录,T T G A C A A A C T G T,35 区,Pribnow box) 酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双

6、链打开,T A T A A T Pu A T A T T A Py,10 区,原核生物启动子保守序列,Sextama box) 提供了RNA聚合酶全酶识别的信号,大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区序列分析,T85T83G81A61C69A52,T89A89T50A65A100,Pribnow 框,Sextama 框,1、Pribnow 框,10区，保守序列为 TATAAT。 Pribnow 框是RNA聚合酶的牢固结合位点,的存在保证原核生物RNA聚合酶只能与启 动子区而不是其它区域形成稳定的二元复合物,2、Sextama 框,35区，保守序列为TTGACA。 Sextama 框是RNA聚

7、合酶中 的识别位点， 也是RNA聚合酶的初始结合位点,Pribnow 框与Sextama 框之间的碱基序列并不重要，但两个序列之间的距离十分重要； 天然启动子这段距离多为1520bp，距离的大小可能是决定启动子强度的因素之一。 实验表明：两个序列之间的距离为17bp时，转录效率最高,3、CAP位点：（乳糖操纵子的启动子序列,CAP即分解代谢物基因激活蛋白 (catabolite gene activation Protein) 也称环腺苷酸受体蛋白（CRP,CAP分子内有两个结构域： 羧基末端结构域是DNA结合区； 氨基末端结构域是cAMP结合位点。 CAP与cAMP的结合能提高CAP对双链D

8、NA的亲和力； CAP与启动子（CAP位点）的结合是激活乳糖操纵子转录的必要条件,乳糖启动子中有两个CAP结合位点： 一个在 70 50位点，称位点； 一个在 50 40位点，称位点,位点包含一个反向重复序列，是强结合位点； 位点是弱结合位点,典型启动子的结构,35 -10 转录起点 TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp,二）终止子结构,提供转录终止信号的序列称为终止子（terminator）;终止信号存在于RNA聚合酶已经转录过的序列之中,原核生物终止子分为两类： 一类是不依赖于因子的转录终止； 一类是依赖因子的转录终止,两类终止子有共同的序列特征： 在转录终止点之前有一段

9、间断的回文结构,两类终止子碱基组成的不同点： 不依赖因子 回文结构富含G-C 下游富含A-T 依赖因子 G-C含量较少 下游无特征,转录方向,3,3,5,TCGGGCG AGCCCGC,CGCCCGA GCGGGCT,AAAAAA TTT TTT,3,3,5,5,DNA,模板链,编码链,AAAAAA UUUUUU,5,TTTTTT,DNA,模板链,编码链,转录产物,3,不依赖因子 的终止子,转录方向,3,3,5,TAAGTAG ATTCATC,CTACTTA GATGAAT,AGCTAC TCGATG,3,3,5,5,DNA,模板链,编码链,AGCTAC UCGAUG,5,TCGATG,DNA

10、,模板链,编码链,转录产物,3,依赖因子 的终止子,类启动子分两部分： 40 5 称为近启动子，决定转录起始的位点； 16540 称为远启动子，影响转录的频率,一）RNA聚合酶的启动子,即 rRNA 基因的启动子，称类启动子,二、真核生物的启动子和终止子,真核有三种不同的启动子和有关的元件 启动子最为复杂，它和原核的启动子有很多不同,二）RNA聚合酶的启动子,1、帽子位点（cap site）： 即转录起始位点，其碱基大多为 A,2、TATA 框： 又称Hogness 框，位于25 附近，由含有TATA 的67个核苷酸组成，保守序列为 TATA（A/T）A（A/T） 。 但TATA框的两侧富含G

11、-C碱基对,即 mRNA基因的启动子，称类启动子,核心启动子元件 作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始。其序列的完整与准确对维持启动子的功能是必需的,3、CAAT 框,位于 75 附近，保守序列为 GGNCAATCT。头两个 G 非常重要，一但突变，转录效率大大下降,4、GC 框,位于110附近，以5 CCGCC 3序列为特征,上游启动子元件 作用： 控制着转录起始的频率,5、增强子（enhancer,能结合反式作用因子，决定基因的时间和空间特异性表达，增强启动子转录活性的DNA序列,增强子作用特点： 增强效应十分明显：使转录频率增加百倍或千倍。 增强效应与其所处的位置和取向无关： 增强

12、子以53或 35排列对启动子都有作用。 大多为重复序列：长约50bp，适合与反式因子结合，内部常有一个核心序列，为增强效应所必需。 增强效应具有严密的组织和细胞特异性。 没有基因专一性。 许多增强子受外部信号的调控,三）RNA聚合酶 的启动子,即 tRNA基因的启动子，称类启动子,类启动子位于转录起始点下游，称下游启动子或内部启动子,类启动子包括：A盒、B盒 A盒靠近5方向； B盒 靠近3 方向,类启动子需要的转录因子包括： TF C、TF B、TF A，前两者是共同 的，后者为5S rRNA基因转录所需,三、原核生物和真核生物转录起始位点的结构差异,图5-4 P155页,原核生物与真核生物启

13、动子比较,原核生物和真核生物转录及抑制剂,第 四 节,原核生物转录的起始 原核生物转录的延长 原核生物转录的终止与新合成RNA链的释放 真核生物的转录 RNA生物合成抑制剂,转录起始需解决两个问题： DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。 RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域,一、原核生物转录的起始,4. 当三元复合物中RNA长69个核苷酸时，因子从全酶解离下来，进入延长阶段,2. RNA聚合酶向10区转移，并与之牢固结合。10区DNA双链解开1217bp，形成开放的二 元启动子复合物（模板酶,转录起始过程,1. 因子辨认转录起始点（-35区的TTGACA序列） ，RNA聚合

14、酶全酶(2)与模板35序列结合，形成闭合的二元闭合启动子复合物,3. 在RNA聚合酶亚基催化下形成第一个磷酸二酯键，形成三元复合物（模板酶RNA）。转录复合物： RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3,二、原核生物转录的延长,1. 亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移,2. 在核心酶作用下，以模板链作指导，按照碱基配对原则：A-U，T-A，G-C；NTP不断聚合，RNA链不断延长,NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi,延长中的转录复合物也叫转录空泡。随着RNA聚合酶前移，转录产物RNA不断移出转录空泡，已转录完毕

15、的DNA双链又重新复合而不再打开。 原核生物的转录和翻译偶联进行,转录空泡(transcription bubble,RNA-pol （核心酶） DNA RNA,5,3,DNA,原核生物转录过程中的羽毛状现象,核糖体,RNA,RNA聚合酶,三、原核生物转录的终止和新生RNA链的释放,指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来,分类,不依赖Rho ()因子的转录终止 依赖Rho ()因子的转录终止,一） 依赖 因子的转录终止,1969年，Roberts发现了能控制转录终止的蛋白质，即因子。由相同的6个亚基组成六聚体，分子量200kD,因子具有NTP酶活性

16、和解螺旋酶活性，是促使转录三元复合物解离的根本原因。 因子的NTP酶活性依赖于单链RNA的结构,因子依赖性终止子含有一个反向重复序列，使 RNA末端形成一个发夹结构，导致转录延宕，因子得以发挥作用，终止转录,水解各种核甘三磷酸促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录,二） 非依赖 因子的转录终止,DNA模板接近转录终止的区域内，有较密集 的A-T配对区或G-C配对区，且G-C配对为回 文结构。 转录产物RNA的3-末端有若干个连续的U。 连续U区的5-端前方碱基形成茎环结构或发 夹结构。这种二级结构是阻止转录继续向下 游推进的关键,茎环结构使转录终止的机理,使RNA聚合酶变构，

17、转录停顿； 密集A-U 配对使转录复合物趋于解离，释放RNA。 终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关,四、真核生物的转录,一）转录起始,真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化。转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，而需依靠众多的转录因子，与模板结合形成转录起始前复合物，其起始过程比原核生物复杂得多,真核生物RNA聚合酶II所形成的转录起始复合物,转录因子 转录复合体 TBP TAFs TFIIA TFIIB TFIIF Pol II TFIIE,真核生物转录起始复合物,PIC组装完成，TFH使CTD磷酸化,二）转录延长,真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转

18、录与翻译同步的现象,RNA-pol前移处处都遇上核小体,转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象,RNA-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,三）转录终止,1、RNA聚合酶转录出rRNA前体3末端后， 继续向下游转录超过1000个bp时，存在一个 18bp的终止序列。 2、RNA聚合酶 转录模板的下游存在一个 终止子，是位于GC丰富序列之中的TTTT。 RNA聚合酶有内原性的转录终止功能。 3、RNA聚合酶的转录没有明确的终止信号,五、RNA生物合成抑制剂,概念：能阻断、抑制或者干扰核酸的代谢 过程，最终抑制转录的一类化合物，称RNA生物合成抑

19、制剂,分三类： 1、嘌呤和嘧啶类似物，抑制核酸前体的合成； 2、通过与DNA结合而改变模板的功能； 3、与RNA聚合酶结合而影响其活力,一）利福霉素及利福平,作用：抗结核药物，特异地抑制细菌RNA聚合酶 的活性，因而抑制细菌RNA的合成,机制：利福霉素可与RNA聚合酶的亚基结合， 并阻止起始位点的填充，抑制二核苷酸 RNA的形成； 利福平则阻止RNA聚合酶的移动，抑制 头三个核苷酸的形成。 因此，利福霉素和利福平都是RNA链合成 起始过程的抑制剂,二）利迪链菌素,作用：与细菌的RNA聚合酶亚基结合，抑制 转录过程中RNA链的延长反应,转录后加工过程及其机制,第五节,mRNA的前体加工 rRNA

20、的前体加工 tRNA的前体加工,真核细胞每种转录产物都是各种RNA的前身， 即无活性，亦无功能。 真核初级转录产物必须在胞核内经过适当加工， 使之变成具有活性的成熟RNA后，由胞核运至胞 质才能执行翻译功能。 真核细胞转录作用和翻译作用无论在空间上还 是时间上都是彼此分开进行的。 原核细胞mRNA不需加工，tRNA和rRNA加工,真核细胞与原核细胞转录产物的区别,一、mRNA的前体加工,1、 5端形成 帽子结构(m7GpppNp ) 2、3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail) 3、中部剪接除去内含子 4、链内部核苷酸的甲基化,hnRNA转变成mRNA的加工过程包括,修饰的化学反应,5

21、-端的修饰在核内完成，且在转录到20个核苷酸时在转鸟嘌呤核苷酸酶催化下加到5端的。先于中段剪切,5帽子分Cap0、Cap1、Cap2,一）5-端加上帽子结构(mGpppNp,真核生物mRNA的5末端的第一个核苷酸总是7-甲基鸟核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5端的这种结构称为帽子（cap,由稀有的7-甲基鸟嘌呤通过5,5三磷酸键与初始转录物的起始（ 5 ）核苷酸连接形成的,转鸟嘌呤核苷酸酶催化,尿苷酸-7甲基转移酶,2-O-甲基转移酶,cap1,cap0,cap2,2-O-甲基转移酶,mRNA帽子的生理功能,帽子结构参与翻译起始，帽0结构是核糖体小亚基识别mRNA所必需的；核糖体上有帽结合

22、蛋白,m7Gppp结构能有效地封闭mRNA 5末端，以保护mRNA免受5核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定,二）3-端加上多聚腺苷酸尾巴(polyA,polyA的出现不依赖DNA模板。 加尾信号：3-末端出现AAUAAA及下游的 GU丰富区。在两序列之间由特异的核酸内 切酶切除多余的核苷酸，然后加上poly A。 尾部修饰和转录终止同时进行。 3-端修饰也在核内完成，并先于mRNA中段 的剪接。 polyA的有无及长短是维持mRNA作为翻译模 板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素,约20NT,第一步：CPSF识别AAUAA信号，CstF结合GU/U区，激活CF核酸酶，发生断裂,CPSF

23、:断裂识别因子,CstF:断裂刺激因子,第二步：PAP结合到断裂点，聚合约个腺苷酸的poly（A）尾巴，这个短的尾巴通过寡聚腺苷酸结合蛋白刺激PAP活性再进一步延伸到大约200个腺苷酸,聚腺苷酸聚合酶（PAP,mRNA3-端的多聚腺苷酸化可被冬虫夏草素 （ 3-脱氧胸苷）所阻止； 即冬虫夏草素是多聚腺苷酸化的特异抑制剂,三）mRNA的甲基化,真核生物mRNA分子中有许多甲基化的碱基，主要是：N6-甲基腺嘌呤（m6A,四) mRNA的自我剪接,自我剪接的概念,除去hnRNA中的内含子，将外显子连接,snRNP与hnRNA结合成为剪接体，进行剪接； 参与mRNA剪切的snRNP包括U1、U2 、U

24、4 、U5 、U6,内含子上有3个保守性序列剪接位点： 5端起始序列GU； 3端AG; 距3端1840个核苷酸处有一个“分支点” ， 一定含A， 由A发动第一次转酯反应。 剪接过程是两次转脂反应。与类内含子相似,5.AAGUAAGU .CURAY.(10-40)(U/C)11NCAG G.3,Intron,exon,exon,Polyprimidine,CAG = UAG AAG GAG,GU-AG、AU-AC：真核生物细胞核mRNA基因 类内含子：线粒体、叶绿体及低等真核生物细胞核的rRNA基因 类内含子：线粒体、叶绿体的mRNA基因,生物体内内含子的主要类型,类内含子的自我剪接,类内含子的

25、自我剪接,组成型剪接：一个基因的转录产物通过剪接只能产生一种成熟的mRNA。 选择性剪接：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA,组成型剪接和可变剪接,顺式和反式剪接,内含子剪接一般都是发生在同一基因内，切 除内含子，相邻的外显子彼此连接，这种剪 接称为顺式剪接（cis-splicing,反式剪接（trans-splicing）则是指发生在不 同基因之间的外显子的剪接,反式剪接发现于几种锥虫和线虫中。都是在 mRNA 5端存在前导序列，称剪接前导RNA （splicing leader RNA，sl RNA）。 sl RNA的反式剪接表现了核内剪接系统的进化,五）RNA的编辑,概

26、念：指转录产物RNA前体编码区发生碱基的突变、插入或丢失等现象,近年发现某些mRNA前体的核苷酸序列需加 以改编，才能变成正确的有翻译活性的模板。 mRNA的这种编辑作用广泛存在于原生动物及 植物细胞的线粒体,C变为U,非碱基的突变DNA水平 转换的频率远高于突变,6666位,mRNA编辑,尿苷酸的缺失和添加,1986.R.Benne在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸，1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象,锥虫coxII 基因的编辑,1986.R.Benne在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸,RNA编辑是基因转录后在mRNA中插入、缺失或核苷酸的替换而改变DNA模板来源的遗传信息，翻译出多种氨基酸序列不同的蛋白质。 RNA编辑的结果不仅扩大了遗传信息，而且使生物更好地适应生存