生物化学第十一章 DNA复制RNA转录转录

1、第二节转录 转录转录( (transcription)transcription)： 以以dnadna为模板，根据碱基配对的原则合成与为模板，根据碱基配对的原则合成与 dnadna互补的互补的rnarna的过程。的过程。 1 1、相同点：、相同点： 都需要模板都需要模板 都分为三阶段都分为三阶段 合成方向都是合成方向都是5 35 3 都形成磷酸二酯键都形成磷酸二酯键 一、转录与一、转录与dnadna复制的比较：复制的比较： 2 2、转录、转录dnadna复制的不同点复制的不同点 底物不同底物不同 转录不需引物；转录不需引物； 不对称转录不对称转录 发生时间、空间等有选择性发生时间、空间等有选择

2、性 二、二、dnadna指导下指导下rnarna聚合酶：聚合酶： （一）一）rnarna聚合酶特性聚合酶特性 四种核苷三磷酸（四种核苷三磷酸（atpatp、gtpgtp、ctpctp、utputp）为为底物底物； 模板以模板以双链状态双链状态下活性最大；下活性最大； 聚合酶聚合酶无校对无校对功能；功能； 无需引物，方向无需引物，方向5 35 3 需要模板需要模板 （二）酶的分类与构成（二）酶的分类与构成 大肠杆菌的大肠杆菌的rnarna聚合酶聚合酶 大肠杆菌大肠杆菌rnarna聚合酶各亚基的功能聚合酶各亚基的功能 亚基亚基 基因基因 mr 亚基亚基 功能功能 数目数目 rpoa rpoa 40

3、,ooo 2 40,ooo 2 酶的装配，与启动子上游酶的装配，与启动子上游 元件和活化因子结合元件和活化因子结合 rpob rpob 155,000 1 155,000 1 结合核苷酸底物，催化磷结合核苷酸底物，催化磷 酸二酯键形成酸二酯键形成 rpoc rpoc 160,000 1 160,000 1 与模板结合与模板结合 rpod rpod 32,ooo- 1 32,ooo- 1 识别启动子，促进转录识别启动子，促进转录 92 92，000 000 的起始的起始 9,ooo 1 9,ooo 1 未知未知 酶酶 类类 分分 布布 产产 物物 - -鹅膏蕈鹅膏蕈 碱碱 对酶的作用对酶的作用

4、分子量分子量 反应条件反应条件 i 核仁核仁 核质核质 核质核质 rrna 5.8srrna 18srrna 28srrna mrna snrna trna 5srrna 不抑制不抑制 低浓度抑制低浓度抑制 高浓度抑制高浓度抑制 500 000 700 000 700 000 _ 低离子强度低离子强度,要要 求求mg2+或或mn2+ 高离子强度高离子强度 高高mn2+浓度浓度 真核细胞的真核细胞的rnarna聚合酶聚合酶 同样，真核同样，真核rnarna聚合酶聚合酶无校对功能。无校对功能。 三、大肠杆菌的转录三、大肠杆菌的转录 （一）相关概念（一）相关概念 1.1.链的名称链的名称 2.2.转

5、录单位：一个转录事件从起始到终止的转录单位：一个转录事件从起始到终止的 dnadna区间称一个转录单位。（即从启动子到终区间称一个转录单位。（即从启动子到终 止子之间的止子之间的dnadna序列）序列） 3.3.转录起始点：指第一个核苷酸掺入的转录起始点：指第一个核苷酸掺入的dnadna上上 的位点的位点+1+1 4.4.启动子：启动子： rnarna多聚酶能识别、结合，开始转录的一段多聚酶能识别、结合，开始转录的一段dnadna 序列序列 大肠杆菌大肠杆菌rnarna聚合酶的启动子聚合酶的启动子 转录转录 起始位起始位( (pribnowpribnow box) box) -35 -35 区

6、区 -10 -10 区区 5 5、终止子、终止子( (terminator)terminator) 终止子：终止子：提供转录终子信号的提供转录终子信号的dnadna序列称为终序列称为终 止子，有两类：依赖止子，有两类：依赖r r - -因子的终止子和不依赖因子的终止子和不依赖r r - - 因子的终止子。因子的终止子。 终止因子：终止因子：协助协助rnarna聚合酶识别终止信号的辅聚合酶识别终止信号的辅 助因子（或蛋白质）。助因子（或蛋白质）。 通读：通读：rnarna聚合酶越过终止子继续转录的现象聚合酶越过终止子继续转录的现象 称为通读，通读是由于终止子被特异性的因子抑制称为通读，通读是由于

7、终止子被特异性的因子抑制 产生的。产生的。 抗终止因子：抗终止因子：引起抗终止作用的蛋白质称为抗引起抗终止作用的蛋白质称为抗 终止因子。终止因子。 ( (二二) )转录过程转录过程 1.1.起始起始 利用利用足迹法足迹法（footprintfootprint）和和dnadna测序法测序法可以确可以确 定定启动子启动子的序列结构的序列结构. . 足迹法示意图足迹法示意图 for standard promoters; for standard promoters; for heat-shock promoters; for heat-shock promoters; for nitrogen-s

8、tarvation promoters for nitrogen-starvation promoters standard heat-shock nitrogen starvation 大肠杆菌不同的大肠杆菌不同的因子识别不同启动子因子识别不同启动子: : 2.2.延长延长 因子循环因子循环 3.终止终止 不依赖不依赖r r - -因子的终止子：因子的终止子： 依赖依赖r r - -因子的终因子的终 止子的终止反应：止子的终止反应： r r - -因子：因子：含六聚体含六聚体 的的寡聚蛋白寡聚蛋白，具有，具有 依赖依赖rnarna的的ntpntp酶酶活活 性，它结合于新生性，它结合于新生 r

9、narna上，借助与水解上，借助与水解 ntpntp产生能量推动产生能量推动 rnarna聚合酶向前移动，聚合酶向前移动， 当酶遭遇当酶遭遇终止子终止子时时 暂停前进，暂停前进， r r - -因因 子追上酶，与酶相子追上酶，与酶相 互作用释放互作用释放rnarna。还还 具有具有rna-dnarna-dna解螺旋解螺旋 酶酶活性。活性。 调节序列调节序列 起始子起始子 gc boxcaat box 真核生物编码蛋白质的基因的启动子的一般特性真核生物编码蛋白质的基因的启动子的一般特性 真核真核rnarna聚合酶聚合酶的启动子的启动子 真核真核rnarna聚合酶聚合酶需要许多其它蛋白因子需要许多

10、其它蛋白因子 真核真核rnarna聚合酶聚合酶 和转录因子在和转录因子在 启动子上的装配启动子上的装配 三、三、rnarna生物合成的抑制剂（之一）：模板抑制剂生物合成的抑制剂（之一）：模板抑制剂 烷化剂：烷化剂：使使dnadna发生发生烷基化烷基化，发生在，发生在g-ng-n7 7，a-na-n1 1、 n n3 3 n n7 7 ； ；c-nc-n1 1。易引起嘌呤的水解，在易引起嘌呤的水解，在dnadna上留下空上留下空 隙干扰复制或转录；或引起碱基错配。隙干扰复制或转录；或引起碱基错配。 放线菌素放线菌素d d：放线菌素放线菌素d d与与dnadna形成非共价的复合形成非共价的复合 物

11、，抑制其模板功能（低浓度抑制转录，较高浓度物，抑制其模板功能（低浓度抑制转录，较高浓度 抑制复制）。具有类似作用的还有色霉素抑制复制）。具有类似作用的还有色霉素a a3 3 、橄榄橄榄 霉素、光神霉素。霉素、光神霉素。 嵌入染料：嵌入染料：可插入双链可插入双链dnadna分子相邻的碱基对之分子相邻的碱基对之 间，一般具有芳香族发色团。溴化乙锭（间，一般具有芳香族发色团。溴化乙锭（ebeb）是一是一 种高灵敏的荧光试剂，常用来检测种高灵敏的荧光试剂，常用来检测dnadna和和rnarna。与与dnadna 结合后抑制其复制和转录。结合后抑制其复制和转录。 放线菌素放线菌素 d d：模板抑制剂模板

12、抑制剂 放线菌素放线菌素d d的结构与作用的结构与作用 rna rna生物合成的抑制剂（之二）：生物合成的抑制剂（之二）： 嘌呤和嘧啶类似物：嘌呤和嘧啶类似物：人工合成的碱基类似物能够抑制人工合成的碱基类似物能够抑制 和干扰核酸的合成。如：和干扰核酸的合成。如： n n n h n nh2 nh2 sh 作为代谢拮抗物抑制合成酶类或直接掺到核酸作为代谢拮抗物抑制合成酶类或直接掺到核酸 分子中，形成异常分子中，形成异常rnarna或或dnadna。 n n n h n nh2 nh2 nh n h o o f rna rna 聚合酶抑制剂（之三）：聚合酶抑制剂（之三）：rnarna聚合酶抑制剂聚

13、合酶抑制剂 （2 2）利链霉素：）利链霉素：与细菌与细菌rnarna聚合酶聚合酶 亚基结合，亚基结合， 抑制转录过程中抑制转录过程中rnarna链的延长反应。链的延长反应。 （3 3） - -鹅膏蕈碱：鹅膏蕈碱：抑制真核生物抑制真核生物rnarna聚合酶聚合酶活性。活性。 （1 1）利福霉素：）利福霉素：抑制细菌抑制细菌rnarna聚合酶活性。利聚合酶活性。利 福平可以高效抑制结核杆菌，杀死麻疯杆菌，福平可以高效抑制结核杆菌，杀死麻疯杆菌， 在体外有抗病毒作用。在体外有抗病毒作用。 第三节第三节rna转录后的加工转录后的加工 原核生物原核生物rna的加工的加工 真核生物真核生物rna的加工的加

14、工 转录后加工：转录后加工： 指在细胞内，由指在细胞内，由rnarna聚合酶合成的初始转录聚合酶合成的初始转录 产物需要经过一系列的变化才能转变为成熟产物需要经过一系列的变化才能转变为成熟 的的rnarna分子的过程。分子的过程。 （一）、（一）、rrnarrna前体的加工前体的加工 甲基化甲基化 6500个核苷酸个核苷酸 核酸内切酶核酸内切酶rnase、p 核酸外切酶核酸外切酶 一、原核生物一、原核生物rna的加工的加工 （二）（二） trna trna的加工的加工 三、真核生物三、真核生物rnarna的一般加工的一般加工 转录初始产物（转录初始产物（hnrnahnrna） （一）（一）mr

15、namrna前体的加工前体的加工 真核真核mrnamrna前体的加工步骤前体的加工步骤: : （1 1）hnrnahnrna被剪接被剪接，把内含子（，把内含子（dnadna上非编码序列）上非编码序列） 转录序列剪掉，把外显子（转录序列剪掉，把外显子（dnadna上的编码序列）转录上的编码序列）转录 序列）拼接上，真核生物一般为不连续基因。序列）拼接上，真核生物一般为不连续基因。 加工包括：加工包括： （4 4）分子内部的核苷酸甲基化修饰。分子内部的核苷酸甲基化修饰。 （3 3）55端连接端连接“帽子帽子”结构（结构（m m7 7g g5 5 pppppp5 5 nmpnpnmpnp- -）；）

16、； （2 2）33端添加端添加polyapolya “ “尾巴尾巴”； 真核真核mrna的的5“帽子帽子” 加工加工 多聚腺苷酸聚合酶多聚腺苷酸聚合酶 真核生物真核生物mrnamrna 3 3-“-“尾巴尾巴”的的 加工加工 内切酶内切酶 加尾信号加尾信号 因发现断裂基因而获因发现断裂基因而获1993年诺年诺 贝尔生理学奖的贝尔生理学奖的richard j robert and phllip a sharp （二）真核（二）真核rrnarrna前体的加工前体的加工 （三）真核（三）真核trnatrna前体的加工前体的加工 四、四、rnarna的拼接机理的拼接机理 大多真核生物基因是大多真核生物

17、基因是断裂基因断裂基因，即含有，即含有内含子内含子。 断裂基因的转录产物必需通过断裂基因的转录产物必需通过拼接拼接，去除插入部分，去除插入部分 （内含子（内含子, ,intronintron），），使使编码区编码区（外显子（外显子, ,exonexon）成成 为连续序列。这是基因表达的重要环节。内含子的为连续序列。这是基因表达的重要环节。内含子的 结构多种多样，拼接机制也是多种多样的。结构多种多样，拼接机制也是多种多样的。 rnarna的拼接方式的拼接方式 类型类型内含子的自我拼接：内含子的自我拼接：核酶的作用核酶的作用 类型类型内含子的自我拼接：内含子的自我拼接：核酶的作用核酶的作用 hnr

18、nahnrna的拼接：的拼接：核内小核内小rna(rna(snrnasnrna) )与蛋与蛋 白质组成核糖核蛋白体白质组成核糖核蛋白体（snrnpsnrnp）的作的作 用用(类型类型内含子的切除）。内含子的切除）。 核核trnatrna的拼接：的拼接：酶促拼接酶促拼接 核酶的发现：核酶的发现： 19811981年年cechcech t t在研究在研究四膜虫四膜虫( (tetrahymenatetrahymena thermophilathermophila) ) rrnarrna前体拼接过程中发现，此类的拼前体拼接过程中发现，此类的拼 接无需接无需蛋白质的酶蛋白质的酶参与作用，它可自我催化完成

19、。参与作用，它可自我催化完成。 cechcech称具有催化功能的称具有催化功能的rnarna为为核酶核酶（ribozymeribozyme）。）。 19891989年年cech cech t t和和altman saltman s共同获诺贝尔化学奖，共同获诺贝尔化学奖， altman saltman s的贡献是发现的贡献是发现rnasernase p p中的中的m1rnam1rna单独也具有单独也具有 催化功能催化功能 。核酶的发现核酶的发现改变了酶的化学本质是蛋白质改变了酶的化学本质是蛋白质 的传统观念，被认为是近二十年来生物化学领域中的传统观念，被认为是近二十年来生物化学领域中最最 令人鼓

20、舞的成就之一。令人鼓舞的成就之一。 the m1 rna in ribonuclease p is catalytic the intron in the pre-rrna of tetrahemena is self-spliced 因发现核酶而获诺贝因发现核酶而获诺贝 尔奖的两位科学家：尔奖的两位科学家： 1 1、类型、类型内含内含 子的自我拼接：子的自我拼接： 借助与鸟苷借助与鸟苷 酸或鸟苷的作酸或鸟苷的作 用，内含子自用，内含子自 我催化，通过我催化，通过 三次转酯反应三次转酯反应 完成拼接，切完成拼接，切 下下l19rnal19rna。 l19rnal19rna或或l19 ivsl1

21、9 ivs （含含395395个核苷酸）个核苷酸） 2 2、类型、类型内含子内含子 的自我拼接的自我拼接 也是由内含子也是由内含子 自我催化完成，自我催化完成， 但转酯反应无鸟但转酯反应无鸟 苷的参与，两次苷的参与，两次 转酯反应后内含转酯反应后内含 子形成套索结构子形成套索结构 而切下。而切下。 细胞内存在许多种类的细胞内存在许多种类的小分子小分子rnarna，其大小其大小 在在100100300300个核苷酸，称为个核苷酸，称为核内小核内小rnarna（small small nuclear rna,nuclear rna,snrnasnrna）。）。u u系列的系列的snrnasnrna

22、中中尿嘧啶尿嘧啶 含量较高。因而得名。这些小含量较高。因而得名。这些小rna rna 与多种蛋白与多种蛋白 质结合形成质结合形成snrnpsnrnp参与参与核内核内rnarna 的加工。的加工。u1u1、u2u2、 u4u4、u5u5、u6u6结合形成的结合形成的snrnpsnrnp参与参与hnrnahnrna的拼接，的拼接， u3 u3 snrnpsnrnp参与参与rrnarrna的拼接。的拼接。 u2hnrna含与含与 分支处互补序列分支处互补序列 u1hnrna含与内含含与内含 子子3-端互补序列端互补序列 核酸内切酶核酸内切酶 环磷酸二环磷酸二 酯酶酯酶 激酶激酶 激酶激酶 连接酶连接

23、酶 磷酸酯酶磷酸酯酶 4 4、核内、核内trnatrna前体的酶促拼接（内含子前体的酶促拼接（内含子的切除）的切除） rnarna拼接的意义拼接的意义 1 1、rnarna的拼接是生物机体的拼接是生物机体在进化历史中在进化历史中形成的，是进化形成的，是进化 的结果；的结果； 2 2、rnarna的拼接是的拼接是基因表达基因表达的重要环节。的重要环节。rnarna转录后通过转录后通过拼拼 接接而抽取有用信息，形成连续的编码序列，并可通过而抽取有用信息，形成连续的编码序列，并可通过选选 择性拼接择性拼接而控制生物机体生长发育。因此，这是真核生而控制生物机体生长发育。因此，这是真核生 物物遗传信息精

24、确调节和控制的方式之一。遗传信息精确调节和控制的方式之一。 rnarna拼接现象的发现，给生物学家一系列令人困惑的拼接现象的发现，给生物学家一系列令人困惑的 疑问：疑问：为什么生物机体要先转录内含子，然后将其切除？为什么生物机体要先转录内含子，然后将其切除？ rnarna合成后再拼接是一个非常耗能的过程，对细胞其收合成后再拼接是一个非常耗能的过程，对细胞其收 益是什么？内含子由何而来？内含子有无生物功能？益是什么？内含子由何而来？内含子有无生物功能？ 围绕以上问题，提出一些看法或观点，但争议很大，围绕以上问题，提出一些看法或观点，但争议很大， 目前尚无定论：目前尚无定论： 5 5、内含子和外显

25、子是内含子和外显子是相对的相对的，有些内含子具有，有些内含子具有编码序列编码序列， 能产生能产生蛋白质和功能蛋白质和功能rnarna。如如型内含子能产生核酸内切型内含子能产生核酸内切 酶，酶，型内含子能产生核酸内切酶和逆转录酶。以帮助型内含子能产生核酸内切酶和逆转录酶。以帮助 内含子的转移。内含子的转移。 rnarna拼接的意义拼接的意义 3 3、基因由基因由模块模块装配而成，模块间的间隔序列也就演变装配而成，模块间的间隔序列也就演变 成成内含子内含子，因此外显子和内含子有着同样的古老历史。，因此外显子和内含子有着同样的古老历史。 而现今存在的几类内含子也各自有其起源和进化历史，而现今存在的几

26、类内含子也各自有其起源和进化历史， 从它们的从它们的拼接方式和分布拼接方式和分布可以大致推测其可以大致推测其起源时间起源时间。 4 4、rnarna的拼接主要存在于的拼接主要存在于真核生物真核生物，原核生物极为少见，原核生物极为少见， 但并非完全没有。一种合理的解释是原核生物为适应快速但并非完全没有。一种合理的解释是原核生物为适应快速 生长的需要，在进化中已将内含子丢掉。事实上，快速生生长的需要，在进化中已将内含子丢掉。事实上，快速生 长的单细胞如酵母，其编码的基因也几乎没有内含子。然长的单细胞如酵母，其编码的基因也几乎没有内含子。然 而而内含子的存在和拼接作用对生物机体的进化十分重要内含子的

27、存在和拼接作用对生物机体的进化十分重要。 不同不同rnarna拼接方式导致一个基因多种产物拼接方式导致一个基因多种产物 降钙素降钙素 甲状腺甲状腺 脑脑 降钙素基因降钙素基因 相关肽相关肽 返回 真核生物复杂转录产物真核生物复杂转录产物 的两种不同的剪接方式的两种不同的剪接方式 第四节逆转录（第四节逆转录（reverse transcription reverse transcription ） 19701970年年temintemin等等和和baltimorebaltimore分别从分别从劳氏肉瘤病毒劳氏肉瘤病毒 和小白鼠和小白鼠白血病病毒白血病病毒等致病等致病rnarna病毒中分离出病毒中

28、分离出逆转录逆转录 酶酶，迄今已知的，迄今已知的致癌致癌rnarna病毒都含有逆转录酶。病毒都含有逆转录酶。 定义定义: : 以以rnarna为模板，按照为模板，按照rnarna中的核苷酸顺序合中的核苷酸顺序合 成成dnadna的过程的过程称为逆转录，由逆转录酶催化进行。称为逆转录，由逆转录酶催化进行。 用用特异抑制物特异抑制物（放线菌素（放线菌素d d）能抑制致癌能抑制致癌rnarna病毒病毒 的复制，而对一般的复制，而对一般rnarna病毒的复制无影响。已知放病毒的复制无影响。已知放 线菌素线菌素d d专门抑制以专门抑制以dnadna为模板的反应，可见为模板的反应，可见致癌致癌 rnarn

29、a病毒的复制过程必然涉及到病毒的复制过程必然涉及到dnadna。所以所以temintemin于于 19641964年提出年提出前病毒前病毒的假说。的假说。 以前病毒形式整合到宿主细胞以前病毒形式整合到宿主细胞dnadna中而使细胞恶性转化中而使细胞恶性转化 单链病毒单链病毒rnarna rna-dna rna-dna杂交分子杂交分子 双链双链dnadna（前病毒）前病毒） 逆转录酶也和逆转录酶也和dnadna聚合酶一样，沿聚合酶一样，沿5 533方向合成方向合成 dnadna，底物为四种底物为四种dntpdntp, ,并要求短链并要求短链rnarna作引物。作引物。 逆转录酶是多功能酶，兼有逆

30、转录酶是多功能酶，兼有3 3种酶的活性：种酶的活性： rnarna指导的指导的dnadna聚合酶活性；聚合酶活性； dnadna指导的指导的dnadna聚合酶活性；聚合酶活性； 核糖核酸酶核糖核酸酶h h的活性，专一水解的活性，专一水解rna-dnarna-dna杂交分子杂交分子 中的中的rnarna，可沿可沿5533方向起核酸外切酶的作用；方向起核酸外切酶的作用； 无校对功能，错误率高，易产生变异。无校对功能，错误率高，易产生变异。 + rna+rna+ dna-dna- rna+rna+ dna-dna- dna+dna+ 致癌致癌rnarna病毒的逆转录过程病毒的逆转录过程 逆转录病毒的

31、生活史逆转录病毒的生活史 不能把不能把“中心法则中心法则”绝对化，遗传信息也可以从绝对化，遗传信息也可以从rnarna传递传递 到到dnadna。促进了分子生物学、生物化学和病毒学的研究，为促进了分子生物学、生物化学和病毒学的研究，为 肿瘤的防治提供了新的线索。目前逆转录酶已经成为研究这肿瘤的防治提供了新的线索。目前逆转录酶已经成为研究这 些学科的工具。些学科的工具。 19831983年年, ,发现人类免疫缺陷病毒发现人类免疫缺陷病毒( (human immune human immune deficiencedeficience virus,hiv), virus,hiv),感染感染t t淋

32、巴细胞后即杀死细胞淋巴细胞后即杀死细胞, ,造成造成 宿主机体免疫系统损伤宿主机体免疫系统损伤, ,引起艾滋病引起艾滋病( (acquired acquired immunodeficiency syndrome,aids)immunodeficiency syndrome,aids)，该病毒为该病毒为逆转录病毒。逆转录病毒。 逆转录酶发现的理论与实践意义：逆转录酶发现的理论与实践意义： 因发现逆转因发现逆转 录病毒的遗传录病毒的遗传 物质而获物质而获19751975 年诺贝尔奖的年诺贝尔奖的 三位科学家三位科学家 （1 1）病毒病毒rnarna可充当可充当mrnamrna，利用寄主中的核糖体合利用寄主中的核糖体合 成外壳蛋白和复制酶的成外壳蛋白和复制酶的亚基。亚基。 概念：概念：rnarna病毒以自身病毒以自身rnarna为模板合成与自身为模板合成与自身rnarna 完全相同完全相同rnar