生物信息的传递上课件

1、生物信息的传递上n1、什么是、什么是DNA的半保留复制？的半保留复制？n2、DNA复制的生物学意义是什么？复制的生物学意义是什么？n3、原核生物中主要有那几种、原核生物中主要有那几种DNA聚合聚合酶？请说出它们的主要功能？酶？请说出它们的主要功能？n4、说出人类细胞中最大的和最小的染、说出人类细胞中最大的和最小的染色体，它们各有多少色体，它们各有多少bp。生物信息的传递上n5、说出、说出DNA作为遗传物质的最基本特征。作为遗传物质的最基本特征。n6、有什么证据说明染色体可能是由核小体、有什么证据说明染色体可能是由核小体组成的？组成的？n7、大肠杆菌、大肠杆菌DNA完全伸展时有多长？完全伸展时有

2、多长？n8、重叠基因是怎样发现的，是从哪种生物、重叠基因是怎样发现的，是从哪种生物里首次发现的？里首次发现的？生物信息的传递上生物信息的传递上主要内容n转录的基本过程n转录机器的主要成分n启动子和转录起始n原核和真核生物mRNA的特征比较n终止和抗终止n内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰生物信息的传递上n基因作为唯一能够自主复制、永久存基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，其生物学功能是以在的单位，其生物学功能是以RNA或或蛋白质蛋白质的形式表达出来的。的形式表达出来的。DNA序列序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成信使制得到永存

3、，并通过转录生成信使RNA，翻译生成蛋白质的过程来控制，翻译生成蛋白质的过程来控制生命现象。生命现象。生物信息的传递上n基因表达包括基因表达包括转录转录（transcription）和和翻译翻译（translation）两个阶段。）两个阶段。n转录转录是指拷贝出一条与是指拷贝出一条与DNA链序列完链序列完全相同（除了全相同（除了TU之外）的之外）的RNA单链单链的过程，是基因表达的的过程，是基因表达的核心步骤核心步骤。n翻译翻译是指以新生的是指以新生的mRNA为模板，把为模板，把核苷酸三联遗传密码子翻译成氨基酸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，是基因表序列、合成多肽链的过

4、程，是基因表达的达的最终目的最终目的。生物信息的传递上nDNA分子中的分子中的核苷酸排列顺序核苷酸排列顺序不但决不但决定了胞内所有定了胞内所有RNA及及蛋白质蛋白质的基本结的基本结构，还通过蛋白质（酶）的功能间接构，还通过蛋白质（酶）的功能间接控制了细胞内全部有效成份的生产、控制了细胞内全部有效成份的生产、运转和功能发挥。运转和功能发挥。生物信息的传递上Francois Jacob (Left), Jacques Monod (Center) & Andre Lwoff (Right)生物信息的传递上生物信息的传递上n与与mRNA序列相同的那条序列相同的那条DNA链链是是编码链编码链（

5、coding strand）或称）或称有有意义链意义链（sense strand），另一条），另一条根据碱基互补原则指导根据碱基互补原则指导mRNA合成合成的的DNA链则被称为链则被称为模板链模板链（template strand）或称）或称反义链反义链（antisensestrand）。）。生物信息的传递上DNA模板与模板与mRNA分子及多肽链之间存在分子及多肽链之间存在共线性关系共线性关系生物信息的传递上nDNA和和RNA虽然很相似，只有虽然很相似，只有T或或U及及核糖的第二位碳原子上有所不同，但核糖的第二位碳原子上有所不同，但它们的生物学活性却很不同。它们的生物学活性却很不同。RNA主主

6、要以要以单链单链形式存在于生物体内，其形式存在于生物体内，其高高级结构很复杂级结构很复杂，它们既担负着贮藏及，它们既担负着贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为转移遗传信息的功能，又能作为核酶核酶直接在细胞内发挥代谢功能。直接在细胞内发挥代谢功能。生物信息的传递上n因为只有因为只有mRNA所携带的遗传信息所携带的遗传信息才被用来指导蛋白质生物合成，所才被用来指导蛋白质生物合成，所以人们一般用以人们一般用U、C、A、G这这4种种核苷酸而不是核苷酸而不是T、C、A、G的组合的组合来表示遗传性状。来表示遗传性状。生物信息的传递上n生物体内拥有三类生物体内拥有三类RNA，即：，即：n编码特定蛋白质序列的编

7、码特定蛋白质序列的mRNA；n能特异性解读能特异性解读mRNA 中的遗传信息并中的遗传信息并将其转化成相应氨基酸后加入多肽链将其转化成相应氨基酸后加入多肽链中的中的tRNA；n直接参与核糖体中蛋白质合成的直接参与核糖体中蛋白质合成的rRNA。生物信息的传递上3.1 RNA转录过程转录过程n无论是原核还是真核细胞，转录的无论是原核还是真核细胞，转录的基本过程都包括：基本过程都包括： 模板识别模板识别 转录起始转录起始 通过启动子通过启动子 转录的延伸转录的延伸 转录的终止转录的终止生物信息的传递上大肠杆菌中依赖于大肠杆菌中依赖于DNA的的RNA转录过程图示。转录转录过程图示。转录泡中单链泡中单链

8、DNA的长度约在的长度约在17bp左右，被聚合酶复合左右，被聚合酶复合物所保护的物所保护的DNA序列约为序列约为35bp左右。左右。生物信息的传递上n3. 1. 1 模板识别模板识别模板识别阶段主要指模板识别阶段主要指RNA聚合酶聚合酶与与启动子启动子DNA双链相互作用并与双链相互作用并与之相结合的过程。之相结合的过程。n启动子（启动子（promoter）是基因转录起）是基因转录起始所必需的一段始所必需的一段DNA序列，是基序列，是基因表达调控的上游顺式作用元件。因表达调控的上游顺式作用元件。生物信息的传递上n真核生物真核生物RNA聚合酶不能直接识聚合酶不能直接识别基因的启动子区，需要一些被称

9、别基因的启动子区，需要一些被称为为转录调控因子转录调控因子的辅助蛋白质按特的辅助蛋白质按特定顺序结合于启动子上，定顺序结合于启动子上，RNA聚聚合酶才能与之相结合并形成复杂的合酶才能与之相结合并形成复杂的前起始复合物前起始复合物（preinitiation transcription complex, PIC），以），以保证有效地起始转录。保证有效地起始转录。生物信息的传递上n3.1.2 转录起始转录起始n转录起始转录起始不需要引物不需要引物，启动子附近，启动子附近的的DNA双链分开形成转录泡以促双链分开形成转录泡以促使底物核糖核苷酸与模板使底物核糖核苷酸与模板DNA的的碱基配对。碱基配对。n

10、转录起始就是转录起始就是RNA链上第一个核链上第一个核苷酸键的产生。苷酸键的产生。生物信息的传递上n转录起始后直到形成转录起始后直到形成9个核苷酸个核苷酸短短链是通过启动子阶段，此时链是通过启动子阶段，此时RNA聚合酶一直处于启动子区，新生的聚合酶一直处于启动子区，新生的RNA链与链与DNA模板链的结合不够模板链的结合不够牢固，很容易从牢固，很容易从DNA链上掉下来链上掉下来并导致转录重新开始。并导致转录重新开始。生物信息的传递上n一旦一旦RNA聚合酶成功地合成聚合酶成功地合成9个以个以上核苷酸并离开启动子区，转录就上核苷酸并离开启动子区，转录就进入正常的延伸阶段。所以，进入正常的延伸阶段。所

11、以，通过通过启动子的时间代表一个启动子的强启动子的时间代表一个启动子的强弱弱。n一般说来，通过启动子的时间越短，一般说来，通过启动子的时间越短，该基因转录起始的频率也越高。该基因转录起始的频率也越高。生物信息的传递上n3.1.3 转录延伸转录延伸nRNA聚合酶离开启动子，沿聚合酶离开启动子，沿DNA链移链移动并使新生动并使新生RNA链不断伸长的过程就链不断伸长的过程就是是转录的延伸转录的延伸。n大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的活性一般为每聚合酶的活性一般为每秒秒50-90个核苷酸。随着个核苷酸。随着RNA聚合酶的聚合酶的移动，移动，DNA双螺旋持续解开，暴露出双螺旋持续解开，暴露出新的单链新的单

12、链DNA模板，新生模板，新生RNA链的链的3末端不断延伸，在解链区形成末端不断延伸，在解链区形成RNA-DNA杂合物。杂合物。生物信息的传递上n3.1.4 转录终止转录终止n转录到终止位点时，转录到终止位点时，RNA聚合酶不再形成聚合酶不再形成新的磷酸二酯键，新的磷酸二酯键，RNA-DNA聚合物分离，聚合物分离，DNA恢复，恢复，RNA及及RNA聚合酶释放。聚合酶释放。n37时，转录生成时，转录生成mRNA的速度大约是每分的速度大约是每分钟钟2500个核苷酸，即每秒钟合成个核苷酸，即每秒钟合成14个密码子个密码子，而蛋白质合成的速度大约是每秒钟而蛋白质合成的速度大约是每秒钟15个氨基个氨基酸酸

13、。正常情况下，从一个基因开始表达到细。正常情况下，从一个基因开始表达到细胞中出现其胞中出现其mRNA的间隔约为的间隔约为2.5分钟，而分钟，而再过半分钟就能在细胞内测到相应的蛋白质。再过半分钟就能在细胞内测到相应的蛋白质。生物信息的传递上n3. 2 转录机器的主要成分转录机器的主要成分n3.2.1 RNA聚合酶聚合酶nRNA聚合酶是转录过程中最关键的酶，聚合酶是转录过程中最关键的酶，主要以双链主要以双链DNA为模板，以为模板，以4种核苷三种核苷三磷酸作为活性前体，并以磷酸作为活性前体，并以Mg2+/Mn2+为为辅助因子，催化辅助因子，催化RNA链的起始、延伸链的起始、延伸和终止，它不需要任何引

14、物，催化生和终止，它不需要任何引物，催化生成的产物是与成的产物是与DNA模板链相互补的模板链相互补的RNA。生物信息的传递上nRNA或或RNA-DNA双链杂合体不能双链杂合体不能作为模板。作为模板。n原核和真核生物的原核和真核生物的RNA聚合酶虽聚合酶虽然都能催化然都能催化RNA的合成，但在其的合成，但在其分子组成、种类和生化特性上各有分子组成、种类和生化特性上各有特色。特色。生物信息的传递上n1. 原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶n大多数原核生物大多数原核生物RNA聚合酶的组成是聚合酶的组成是相同的，大肠杆菌聚合酶由相同的，大肠杆菌聚合酶由2个个亚基、亚基、一个一个亚基、一个亚基、一个

15、亚基和一个亚基和一个亚基亚基组成，称为组成，称为核心酶核心酶。加上一个。加上一个亚基后亚基后则成为聚合酶则成为聚合酶全酶全酶（holoenzyme），），相对分子质量为相对分子质量为4.65105。生物信息的传递上大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的主要成分聚合酶的主要成分生物信息的传递上大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的主要成分聚合酶的主要成分生物信息的传递上表3-1 大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析亚基亚基基因基因相对分子量相对分子量*104亚基数亚基数组分组分功能功能rpoA3.652核心酶核心酶核心酶组装，启动子识别核心酶组装，启动子识别rpoB15.11核心酶核心酶和和共同形成共同形成RNA合成

16、合成的活性中心的活性中心rpoC15.51核心酶核心酶111核心酶核心酶未知未知rpoD71因子因子存在多种存在多种因子，用于识因子，用于识别不同的启动子别不同的启动子生物信息的传递上n亚基可能与核心酶的组装及启动亚基可能与核心酶的组装及启动子识别有关，并参与子识别有关，并参与RNA聚合酶聚合酶和部分调节因子的相互作用。和部分调节因子的相互作用。nT4噬菌体感染大肠杆菌后对噬菌体感染大肠杆菌后对亚基亚基的一个精氨酸残基进行的一个精氨酸残基进行ADP糖基化糖基化修饰修饰，造成，造成RNA聚合酶全酶对启聚合酶全酶对启动子亲和力降低。动子亲和力降低。生物信息的传递上n由由和和亚基组成了聚合酶的亚基组

17、成了聚合酶的催化催化中心中心，它们在序列上与真核生物，它们在序列上与真核生物RNA聚合酶的两个大亚基有同源聚合酶的两个大亚基有同源性。性。亚基能与模板亚基能与模板DNA、新生、新生RNA链及核苷酸底物相结合。链及核苷酸底物相结合。生物信息的传递上n因子的作用是负责模板链的因子的作用是负责模板链的选择选择和转录的和转录的起始起始，它是酶的别构效应，它是酶的别构效应物，使酶专一性识别模板上的启动物，使酶专一性识别模板上的启动子。核心酶在子。核心酶在T7噬菌体噬菌体DNA上约上约有有1300个结合位点，平均结合常个结合位点，平均结合常数为数为21011。生物信息的传递上n因子可以极大地提高因子可以极

18、大地提高RNA聚合酶聚合酶对启动子区对启动子区DNA序列的亲和力，序列的亲和力，酶底结合常数提高酶底结合常数提高103倍，酶底复倍，酶底复合物的半衰期可达数小时甚至数十合物的半衰期可达数小时甚至数十小时。小时。n因子还能使因子还能使RNA聚合酶与模板聚合酶与模板DNA上非特异性位点的结合常数上非特异性位点的结合常数降低降低104倍，使酶底复合物的半衰倍，使酶底复合物的半衰期小于期小于1秒。秒。生物信息的传递上表表3-2 大肠杆菌中的大肠杆菌中的因子能识别并与启动子因子能识别并与启动子区的特异性序列相结合区的特异性序列相结合因子基因功能-35区间隔bp-10区70ropD广泛TTGACA16-1

19、8TATAAT32ropH热休克TCTCNCCCTTGAA13-15CCCCATNTA54ropN氮代谢CTGGNA6TTGCA生物信息的传递上n枯草杆菌中有枯草杆菌中有6种不同相对分子质量的种不同相对分子质量的因子，其中因子，其中55是主要存在形式，出现是主要存在形式，出现在营养细胞中，在营养细胞中，29则主要出现在胞子则主要出现在胞子形成阶段，参与胞子形成期基因转录形成阶段，参与胞子形成期基因转录的调控。的调控。n在大肠杆菌中，最常见的调控因子是在大肠杆菌中，最常见的调控因子是由由rpoD基因所编码的基因所编码的70。生物信息的传递上n由由rpoH编码的编码的32是与热休克启动是与热休克启

20、动子所控制的基因转录密切相关。子所控制的基因转录密切相关。n由由rpoN编码的编码的54则参与细胞的氮则参与细胞的氮代谢。由代谢。由T4噬菌体所编码的噬菌体所编码的55能能与大肠杆菌与大肠杆菌RNA聚合酶的核心酶聚合酶的核心酶结合，启动结合，启动T4晚期基因的转录。晚期基因的转录。生物信息的传递上n2.真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶n真核生物中有真核生物中有3类类RNA聚合酶，其结构聚合酶，其结构比大肠杆菌比大肠杆菌RNA聚合酶复杂，它们在聚合酶复杂，它们在细胞核中的位置不同，负责转录的基细胞核中的位置不同，负责转录的基因不同，对因不同，对-鹅膏覃碱鹅膏覃碱的敏感性也不的敏感性也不同。同。

21、n真核生物真核生物RNA聚合酶一般有聚合酶一般有8-14个亚个亚基所组成，相对分子质量超过基所组成，相对分子质量超过5105。生物信息的传递上真核生物真核生物RNA聚合酶的主要特征：聚合酶的主要特征：n聚合酶中有两个相对分子质量超过聚合酶中有两个相对分子质量超过1105的大亚基；的大亚基；n同种生物同种生物3类聚合酶有类聚合酶有“共享共享”小小亚基的倾向，即有几个小亚基是其亚基的倾向，即有几个小亚基是其中中3类或类或2类聚合酶所共有的。类聚合酶所共有的。生物信息的传递上表表3-3 真核细胞中三类真核细胞中三类RNA聚合酶特性比较聚合酶特性比较酶酶定位定位产物产物相对活性相对活性对对-鹅膏覃碱鹅

22、膏覃碱的敏感程度的敏感程度RNA聚合酶聚合酶I核仁核仁rRNA50 % 70%不敏感不敏感RNA聚合酶聚合酶II核质核质hnRNA20%40%敏感敏感RNA聚合酶聚合酶III核质核质tRNA约约10%物种特异性物种特异性生物信息的传递上n3.2.2 转录复合物转录复合物n启动子选择阶段包括启动子选择阶段包括RNA聚合酶全酶对启聚合酶全酶对启动子的识别，聚合酶与启动子可逆性结合动子的识别，聚合酶与启动子可逆性结合形成形成封闭复合物封闭复合物（closed complex，此时，此时，DNA仍处于双链状态）。仍处于双链状态）。n然后，封闭复合物转变成然后，封闭复合物转变成开放复合物开放复合物（op

23、en complex），聚合酶全酶所结合的），聚合酶全酶所结合的DNA序列中有一小段双链被解开。对于强序列中有一小段双链被解开。对于强启动子来说，从封闭复合物到开放复合物启动子来说，从封闭复合物到开放复合物的转变是不可逆的，是快反应。的转变是不可逆的，是快反应。生物信息的传递上nRNA合成的起始生物信息的传递上n开放复合物与最初的两个开放复合物与最初的两个NTP相结相结合并在这两个核苷酸之间形成磷酸合并在这两个核苷酸之间形成磷酸二酯键后即转变成包括二酯键后即转变成包括RNA聚合聚合酶酶、DNA和和新生新生RNA的三元复合的三元复合物。除物。除RNA聚合酶之外，真核生聚合酶之外，真核生物转录起始

24、过程中至少还需要物转录起始过程中至少还需要7种种辅助因子参与。辅助因子参与。生物信息的传递上一般情况下，转录起始复合物可以一般情况下，转录起始复合物可以进入两条不同的反应途径：进入两条不同的反应途径：n合成并释放合成并释放2-9个核苷酸的短个核苷酸的短RNA转录物，即所谓的转录物，即所谓的流产式起始流产式起始；n尽快尽快释放释放亚基亚基，转录起始复合物，转录起始复合物通过上游启动子区并生成由核心酶、通过上游启动子区并生成由核心酶、DNA和新生和新生RNA所组成的转录延所组成的转录延伸复合物。伸复合物。生物信息的传递上n转录延伸复合物较为稳定，可长时转录延伸复合物较为稳定，可长时间与间与DNA模

25、板结合而不解离。只模板结合而不解离。只有在遇到转录终止信号时，有在遇到转录终止信号时，RNA聚合酶才停止加入新的核苷酸，聚合酶才停止加入新的核苷酸，RNA-DNA杂合物解离，释放转录杂合物解离，释放转录产物并导致聚合酶本身从模板产物并导致聚合酶本身从模板DNA上脱落。上脱落。生物信息的传递上3.3 启动子与转录起始启动子与转录起始n转录起始是基因表达的关键阶段，转录起始是基因表达的关键阶段，而这一阶段的重要问题是而这一阶段的重要问题是RNA聚聚合酶与启动子的相互作用。启动子合酶与启动子的相互作用。启动子的结构的结构影响影响了它与了它与RNA聚合酶的聚合酶的亲和力亲和力，从而影响了基因表达的水，

26、从而影响了基因表达的水平。平。生物信息的传递上n大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶与启动子的聚合酶与启动子的相互作用主要包括启动子区的识别、相互作用主要包括启动子区的识别、酶与启动子的结合及酶与启动子的结合及因子因子的结合的结合与解离。与解离。生物信息的传递上n3. 3. 1 启动子区的基本结构启动子区的基本结构n启动子启动子是一段位于结构基因是一段位于结构基因5端上端上游区的游区的DNA序列，能序列，能活化活化RNA聚聚合酶，使之与模板合酶，使之与模板DNA准确地相准确地相结合结合并具有转录起始的特异性。并具有转录起始的特异性。生物信息的传递上n转录单元转录单元（transcription uni

27、t）是）是一段从启动子开始至终止子一段从启动子开始至终止子（terminator）结束的）结束的DNA序列。序列。生物信息的传递上n转录起点转录起点是指与新生是指与新生RNA链第一个链第一个核苷酸相对应核苷酸相对应DNA链上的碱基，通链上的碱基，通常为嘌呤。把起点常为嘌呤。把起点5末端的序列称末端的序列称为为上游上游（upstream），而把其），而把其3末末端的序列称为端的序列称为下游下游(downstream)。起点为起点为+1，下游方向依次为，下游方向依次为+2、+3等，上游方向依次为等，上游方向依次为1、2、3等等。等等。生物信息的传递上生物信息的传递上n启动子区结构特点启动子区结构特

28、点nPribnow将将RNA聚合酶全酶与模板聚合酶全酶与模板DNA结合后，用结合后，用DNaseI降解降解DNA，得，得到到4144个核苷酸对的个核苷酸对的DNA片段。片段。n序列分析发现，在被保护区内有一个序列分析发现，在被保护区内有一个由由5个核苷酸组成的保守序列，是聚合个核苷酸组成的保守序列，是聚合酶结合位点，称为酶结合位点，称为Pribnow区区，其中央，其中央大约位于起点上游大约位于起点上游10bp处，所以又称处，所以又称为为-10区区。生物信息的传递上分离转录区分离转录区DNA序列程序图序列程序图生物信息的传递上n科学家又从噬菌体的左、右启动子科学家又从噬菌体的左、右启动子PL及及

29、PR和和SV40启动子的启动子的-35 bp附附近找到了另一段共同序列：近找到了另一段共同序列：TTGACA。n现已证实大部分启动子都存在这两现已证实大部分启动子都存在这两段共同序列，即位于段共同序列，即位于-10 bp处的处的TATA区区和和-35 bp处的处的TTGACA区区，它们是它们是RNA聚合酶与启动子的结聚合酶与启动子的结合位点。合位点。生物信息的传递上大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区聚合酶全酶所识别的启动子区生物信息的传递上 35区区 10区区T85T83G81A61C69A52T89A89T50A65A100n在真核生物基因中，在真核生物基因中，Hogness等

30、发现类似等发现类似Pribnow区的区的Hogness区，在转录起始点上区，在转录起始点上游游-25-30 bp处，保守序列为处，保守序列为TATAAA，也称也称TATA区区。在起始位点上游。在起始位点上游-70-78 bp处还有另一段共同序列处还有另一段共同序列CCAAT，称为，称为CAAT区（区（CAAT box）。）。生物信息的传递上n真核基因的启动子在真核基因的启动子在2535区含有区含有TATA序列序列，在，在7080区含有区含有CCAAT序列序列（CAAT box），），在在80110含有含有GCCACACCC或或GGGCGGG序列序列（GC box）。）。习惯上，习惯上，将将TA

31、TA区上游的保守序列称为区上游的保守序列称为上游启上游启动子元件动子元件（upstream promoter element，UPE）或称）或称上游激活序列上游激活序列（upstream activating sequence，UAS）。）。生物信息的传递上n如果把如果把Pribnow区从区从TATAAT变成变成AATAAT就会使该启动子发生就会使该启动子发生下降下降突变突变；如果增加；如果增加Pribnow区的共同区的共同序列，将乳糖操纵子的启动子中的序列，将乳糖操纵子的启动子中的TATGTT变成变成TATATT，就会提高，就会提高启动子的效率，称为启动子的效率，称为上升突变上升突变。3.3

32、.2 启动子区及上游序列作用启动子区及上游序列作用生物信息的传递上TATA区的作用区的作用nTATA区的主要作用是区的主要作用是使转录精确使转录精确地起始地起始。如果除去。如果除去TATA区或进行区或进行碱基突变，转录产物下降的相对值碱基突变，转录产物下降的相对值不如不如CAAT区或区或GC区突变后明显，区突变后明显，但发现所获得的但发现所获得的RNA产物起始点产物起始点不固定。不固定。生物信息的传递上nCAAT区和区和GC区主要控制转录起区主要控制转录起始频率，基本不参与起始位点的确始频率，基本不参与起始位点的确定。定。nSV40的早期基因，缺少的早期基因，缺少TATA和和CAAT区，只有区

33、，只有6个串联在上游个串联在上游40110位点的位点的GC区；而组蛋白区；而组蛋白H2B，不含，不含GC区，但有两个区，但有两个CAAT区，一个区，一个TATA区。区。CAAT和和GC区的作用区的作用生物信息的传递上真核细胞中的部分转录调控因子分析真核细胞中的部分转录调控因子分析生物信息的传递上上游激活序列作用上游激活序列作用n研究研究SV40晚期基因启动子发现，晚期基因启动子发现，上游激活区的存在与否，对该启动上游激活区的存在与否，对该启动子的生物活性有着根本性的影响。子的生物活性有着根本性的影响。若将该基因若将该基因5 上游上游-21-47核苷酸核苷酸序列切除，基因完全不表达。序列切除，基

34、因完全不表达。生物信息的传递上3.3.3 RNA聚合酶与启动子区的结合聚合酶与启动子区的结合n聚合酶首先与启动子区闭合双链聚合酶首先与启动子区闭合双链DNA结合，结合，形成闭合复合物，经解链得到开链复合物。形成闭合复合物，经解链得到开链复合物。解链区一般在解链区一般在-9+13，酶与启动子结合在，酶与启动子结合在其上游。其上游。nRNA聚合酶即是双链聚合酶即是双链DNA结合蛋白又是单结合蛋白又是单链链DNA结合蛋白。结合蛋白。生物信息的传递上3.3.4 增强子及其功能n在在SV40的转录单元上发现其转录起始的转录单元上发现其转录起始位点上游约位点上游约200bp处有两段处有两段72bp长的重长

35、的重复序列，它们不是启动子的一部分，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，因此，但能增强或促进转录的起始，因此，称这种能强化转录起始的序列为称这种能强化转录起始的序列为增强增强子子或或强化子强化子（enhancer）。）。生物信息的传递上n远距离效应远距离效应n无方向性无方向性n顺式调节顺式调节n无物种、基因特异性无物种、基因特异性n组织特异性组织特异性n相位性相位性n对外应答对外应答(部分部分)生物信息的传递上生物信息的传递上3.3.5 转录抑制nDNA模版抑制剂 放线菌素DnRNA聚合酶抑制物 利福霉素、利迪链霉素、-鹅膏蕈碱生物信息的传递上 表表 转录的抑制剂转录的抑

36、制剂抑制剂抑制剂靶酶靶酶抑制作用抑制作用利福霉素利福霉素细菌全酶细菌全酶和和亚基结合，抑制起始亚基结合，抑制起始利迪链霉素利迪链霉素细菌核心酶细菌核心酶和和亚基结合，抑制起始亚基结合，抑制起始放线菌素放线菌素D真核真核Pol和和DNA结合，阻止延伸结合，阻止延伸-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱真核真核Pol和和RNA Pol结合结合生物信息的传递上3. 4 原核与真核生物原核与真核生物mRNA的特征比较的特征比较nmRNA在大肠杆菌细胞内占总在大肠杆菌细胞内占总RNA的的2%左右，左右，tRNA占占16%，rRNA则占则占80%以上。以上。n真核细胞的真核细胞的mRNA往往以较大相对分子量往往以较大相对分子

37、量的前体的前体RNA出现在核内，只有成熟的、相出现在核内，只有成熟的、相对分子质量明显变小并经化学修饰的对分子质量明显变小并经化学修饰的mRNA才能进入细胞质，参与蛋白质的合才能进入细胞质，参与蛋白质的合成。所以，真核细胞成。所以，真核细胞mRNA的合成和功能的合成和功能表达发生在不同的空间和时间范畴内。表达发生在不同的空间和时间范畴内。生物信息的传递上3. 4. 1 原核生物原核生物mRNA的特征的特征n1.半衰期短半衰期短n原核生物中，原核生物中，mRNA的转录和翻译的转录和翻译是在同一个细胞空间里同步进行的，是在同一个细胞空间里同步进行的，蛋白质合成往往在蛋白质合成往往在mRNA刚开始转

38、刚开始转录时就被引发了。录时就被引发了。5 3 DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象（电镜模拟图）（电镜模拟图）核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶生物信息的传递上n大多数细菌大多数细菌mRNA在转录开始在转录开始1分分钟后就开始降解。降解的速度大概钟后就开始降解。降解的速度大概只有转录或翻译速度的一半。科学只有转录或翻译速度的一半。科学家发现每过大约家发现每过大约2分钟，体系中出分钟，体系中出现新生蛋白质的速度就下降现新生蛋白质的速度就下降50%。生物信息的传递上n2.原核细胞的原核细胞的mRNA（包括病毒）有时（包括病毒）有时可以编码几个多肽，而真核细胞的可以

39、编码几个多肽，而真核细胞的mRNA最多只能编码一个多肽。最多只能编码一个多肽。n把只编码一个蛋白质的把只编码一个蛋白质的mRNA称为称为单单顺反子顺反子mRNA (monocistronic mRNA)，把编码多个蛋白质的把编码多个蛋白质的mRNA称为称为多顺多顺反子反子mRNA (polycistronic mRNA)。生物信息的传递上n几乎所有几乎所有mRNA都可以被分成都可以被分成3部部分：分：编码区编码区和位于和位于AUG之前的之前的5端端上游非编码区上游非编码区以及位于终止密码子以及位于终止密码子之后不翻译的之后不翻译的3端端下游非编码区下游非编码区。编码区从起始密码子编码区从起始密

40、码子AUG开始经开始经一连串编码氨基酸的密码子直至终一连串编码氨基酸的密码子直至终止密码子。止密码子。生物信息的传递上n第一个蛋白质合成终止以后，核糖体第一个蛋白质合成终止以后，核糖体分解成大、小亚基，脱离分解成大、小亚基，脱离mRNA模板，模板，第二个蛋白的翻译必须等到新的小亚第二个蛋白的翻译必须等到新的小亚基和大亚基与该蛋白起始密码子相结基和大亚基与该蛋白起始密码子相结合后才可能开始。合后才可能开始。n前一个多肽翻译完成以后，核糖体大、前一个多肽翻译完成以后，核糖体大、小亚基分离，小亚基也可能不离开小亚基分离，小亚基也可能不离开mRNA模板，而是迅速与游离的大亚模板，而是迅速与游离的大亚基

41、结合，启动第二个多肽的合成。基结合，启动第二个多肽的合成。生物信息的传递上生物信息的传递上n一个顺反子的翻译有时完全取决于一个顺反子的翻译有时完全取决于它前面顺反子的翻译，因为只有第它前面顺反子的翻译，因为只有第一个翻译起始位点是暴露的，在这一个翻译起始位点是暴露的，在这个顺反子翻译产生多肽的过程中，个顺反子翻译产生多肽的过程中，核糖体核糖体的运动的运动破坏破坏了后续顺反子的了后续顺反子的二级结构，使起始位点较容易与核二级结构，使起始位点较容易与核糖体相结合形成起复合物。糖体相结合形成起复合物。生物信息的传递上生物信息的传递上n3. 原核生物原核生物mRNA的的5端端无帽子结构无帽子结构，3端

42、没有或只有较短的多聚端没有或只有较短的多聚A结构。结构。n原核生物起始密码子原核生物起始密码子AUG上游上游7-12个核个核苷酸处有一被称为苷酸处有一被称为SD序列序列（Shine Dalgarno sequence）的保守区，因为）的保守区，因为该序列与该序列与16S-rRNA 3端反向互补，所端反向互补，所以被认为在核糖体以被认为在核糖体-mRNA的结合过程的结合过程中起作用。中起作用。生物信息的传递上n4.原核生物常以原核生物常以AUG（有时（有时GUG，甚至甚至UUG）作为起始密码子，而）作为起始密码子，而真核生物几乎永远以真核生物几乎永远以AUG作为起作为起始密码子。始密码子。生物信

43、息的传递上n3. 4. 2 真核生物真核生物mRNA的特征的特征n编码功能蛋白的真核基因都通过编码功能蛋白的真核基因都通过RNA聚合酶聚合酶II进行转录，几乎都是进行转录，几乎都是单顺反子单顺反子，其长度在几百到几千个核苷酸之间。其长度在几百到几千个核苷酸之间。n一个完整的基因，不但包括编码区一个完整的基因，不但包括编码区（coding region），还包括），还包括5 和和3 端端长度不等的特异性序列，它们虽然不长度不等的特异性序列，它们虽然不编码氨基酸，却在基因表达的过程中编码氨基酸，却在基因表达的过程中起着重要作用。起着重要作用。生物信息的传递上n“基因基因”的分子生物学定义：产生一条

44、的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能多肽链或功能RNA所必需的全部核苷所必需的全部核苷酸序列。真核生物酸序列。真核生物mRNA结构上的最结构上的最大特征是大特征是5端的帽子及端的帽子及3的多聚的多聚(A) 结结构。构。nA gene can be defined as following: The entire nucleic acid sequence that is necessary for the synthesis of a functional polypeptide or RNA molecule.生物信息的传递上生物信息的传递上n1. 真核生物真核生物mRNA的的5端存在端存

45、在“帽帽子子”结构。真核生物基因转录一般结构。真核生物基因转录一般从嘌呤（主要是从嘌呤（主要是A，也可能是，也可能是G）起始，其起始，其5端大都经过修饰，第一端大都经过修饰，第一个核苷酸保留了个核苷酸保留了5端的端的三磷酸基团三磷酸基团。生物信息的传递上n用核酸酶处理成熟用核酸酶处理成熟mRNA，其，其5端端并不产生预期的核苷三磷酸，而产并不产生预期的核苷三磷酸，而产生以生以5-5三磷酸基团三磷酸基团相连的二核苷相连的二核苷酸。酸。n5 端是一个在端是一个在mRNA转录后加上去转录后加上去的的甲基化鸟嘌呤甲基化鸟嘌呤。生物信息的传递上nmRNA的帽子结构常常被甲基化。的帽子结构常常被甲基化。第

46、一个甲基出现在所有真核细胞的第一个甲基出现在所有真核细胞的mRNA中（单细胞真核生物中（单细胞真核生物mRNA主要是这个结构），由尿苷酸主要是这个结构），由尿苷酸-7甲甲基转移酶催化，称为基转移酶催化，称为零类帽子零类帽子（cap0）。）。生物信息的传递上n如在第二个核苷酸如在第二个核苷酸(原原mRNA 5第一位第一位)的的2-OH位上加另一个甲基，这步反应位上加另一个甲基，这步反应由由2-O-甲基转移酶甲基转移酶完成。一般把有这两完成。一般把有这两个甲基的结构称为个甲基的结构称为1类帽子类帽子（cap1），），真核生物中以这类帽子结构为主。真核生物中以这类帽子结构为主。n当当mRNA原原第一

47、位核苷酸是第一位核苷酸是A时，其时，其N6位有时也被甲基化，这一反应只能在位有时也被甲基化，这一反应只能在2-OH被甲基化以后才能发生。被甲基化以后才能发生。生物信息的传递上n在某些生物细胞内，在某些生物细胞内，mRNA链上的链上的原第二个核苷酸的原第二个核苷酸的2-OH位也可能位也可能被甲基化，因为这个反应只以带有被甲基化，因为这个反应只以带有1类帽子的类帽子的mRNA为底物，所以被为底物，所以被称为称为2类帽子类帽子（cap2）。有）。有2类帽子类帽子的的mRNA只占有帽只占有帽mRNA总量的总量的10%-15%以下。以下。生物信息的传递上生物信息的传递上生物信息的传递上n2. 绝大多数真

48、核生物绝大多数真核生物mRNA具有具有多多聚聚A尾巴尾巴n除组蛋白基因外，真核生物除组蛋白基因外，真核生物mRNA的的3末端都有多聚末端都有多聚A序列，其长度序列，其长度因因mRNA种类不同而变化，一般为种类不同而变化，一般为40-200个左右。个左右。生物信息的传递上n真核基因的真核基因的3 末端转录终止位点上末端转录终止位点上游游1530bp处的保守序列处的保守序列AAUAAA对于初级转录产物的准对于初级转录产物的准确切割及加多聚确切割及加多聚A是必需的。是必需的。生物信息的传递上生物信息的传递上n多聚多聚A是是mRNA由细胞核进入细胞由细胞核进入细胞质所必需的形式，它大大提高了质所必需的

49、形式，它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性。在细胞质中的稳定性。mRNA刚从细胞核进入细胞质时，刚从细胞核进入细胞质时，其多聚其多聚A尾巴一般比较长，随着尾巴一般比较长，随着mRNA在细胞质内逗留时间延长，在细胞质内逗留时间延长，多聚多聚A逐渐变短消失，逐渐变短消失，mRNA进入进入降解过程。降解过程。生物信息的传递上3. 5 终止和抗终止终止和抗终止nRNA聚合酶启始基因转录后，就聚合酶启始基因转录后，就沿模板沿模板53方向不停地移动，合方向不停地移动，合成成RNA链直到碰上终止信号时才链直到碰上终止信号时才与模板与模板DNA相脱离并释放新生相脱离并释放新生RNA链。所有参与形成链。所有参

50、与形成RNA-DNA杂合体的氢键都被破坏，模板杂合体的氢键都被破坏，模板DNA链与有意义链重新组合成链与有意义链重新组合成DNA双链。双链。生物信息的传递上n3. 5. 1 不依赖于不依赖于因子的终止因子的终止n终止位点上游一般有一个富含终止位点上游一般有一个富含GC碱基的二重对称区，由这段碱基的二重对称区，由这段DNA转录产生的转录产生的RNA容易形成发夹式容易形成发夹式结构。在模版链终止位点前面有一结构。在模版链终止位点前面有一段由段由4-8个个A组成的序列，所以转录组成的序列，所以转录产物的产物的3端为寡聚端为寡聚U，这种结构特，这种结构特征的存在决定了转录的终止。征的存在决定了转录的终

51、止。5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGGCACCAGCCUUUUU. 3茎环茎环/发夹结构发夹结构生物信息的传递上生物信息的传递上n新生新生R

52、NA中出现发夹式结构会导中出现发夹式结构会导致致RNA聚合酶的聚合酶的暂停暂停，破坏，破坏RNA-DNA杂合链杂合链5端的正常结构。寡聚端的正常结构。寡聚U的存在使杂合链的的存在使杂合链的3端部分出现端部分出现不稳定的不稳定的rUdA区域区域，两者共同作，两者共同作用使用使RNA从三元复合物中解离出从三元复合物中解离出来。来。生物信息的传递上n终止效率与二重对称序列和寡聚终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关，随着发夹式结构（至的长短有关，随着发夹式结构（至少少6bp）和寡聚）和寡聚U序列（至少序列（至少4个个U）长度的增加，终止效率逐步提高。长度的增加，终止效率逐步提高。生物信息的传递上n

53、3. 5. 2 依赖于依赖于因子的终止因子的终止nRNA聚合酶不能识别特异性的转录聚合酶不能识别特异性的转录终止信号，而加入大肠杆菌终止信号，而加入大肠杆菌因子因子后该聚合酶就能在后该聚合酶就能在DNA模板上准确模板上准确地终止转录。地终止转录。因子是一个相对分因子是一个相对分子质量为子质量为2.0105的六聚体蛋白，的六聚体蛋白，它通过催化它通过催化NTP的水解促使新生的水解促使新生RNA链从三元转录复合物中解离。链从三元转录复合物中解离。生物信息的传递上ATP 依赖依赖 Rho因子的转录终止因子的转录终止生物信息的传递上生物信息的传递上nRNA合成起始以后，合成起始以后，因子即附着因子即附

54、着在新生的在新生的RNA链上，靠链上，靠ATP水解产水解产生的能量，沿着生的能量，沿着53方向朝方向朝RNA聚合酶移动，到达聚合酶移动，到达RNA的的3-OH端端后取代了暂停在终止位点上的后取代了暂停在终止位点上的RNA聚合酶，使之从模板聚合酶，使之从模板DNA上上释放释放mRNA，完成转录过程。，完成转录过程。生物信息的传递上3.6 内含子的剪接、编辑及化学修饰内含子的剪接、编辑及化学修饰n3. 6. 1 RNA中的内含子中的内含子n因为真核基因表达往往伴随着因为真核基因表达往往伴随着RNA的的剪接过程（剪接过程（splicing），从），从mRNA前体前体分子中切除被称为内含子（分子中切除

55、被称为内含子（intron）的）的非编码区，并使基因中被称为外显子非编码区，并使基因中被称为外显子（exon）的编码区拼接形成成熟）的编码区拼接形成成熟mRNA。生物信息的传递上图图 用用DNA-RNA杂交的方法验证鸡卵清蛋白基因中存在非编码杂交的方法验证鸡卵清蛋白基因中存在非编码的内含子区。的内含子区。a. 成熟成熟mRNA与带有该基因的互补链与带有该基因的互补链DNA序列杂序列杂交示意图；交示意图；b. 鸡卵清蛋白的基因结构示意图。鸡卵清蛋白的基因结构示意图。 生物信息的传递上n真核基因大多是断裂的，也就是说，真核基因大多是断裂的，也就是说，一个基因可由多个内含子和外显子一个基因可由多个内

56、含子和外显子间隔排列而成。研究表明，内含子间隔排列而成。研究表明，内含子在真核基因中所占的比例很高，甚在真核基因中所占的比例很高，甚至超过至超过99%。生物信息的传递上部分人类基因中内含子序列所占的比重分析部分人类基因中内含子序列所占的比重分析基因长度/bp内含子数量 内含子占比胰岛素1.4267-球蛋白1.4269血清蛋白181389胶原蛋白组分VII3111771VIII因子1862595萎缩性肌强直因子24007899生物信息的传递上n由由DNA转录生成的原始转录产物转录生成的原始转录产物核不核不均一均一RNA（hnRNA, heterogeneous nuclear RNA），即），即

57、mRNA的前体，经过的前体，经过5加加“帽帽”和和3酶切加多聚腺苷酸，再经过酶切加多聚腺苷酸，再经过RNA的剪的剪接，编码蛋白质的外显子部分就连接成为接，编码蛋白质的外显子部分就连接成为一个连续的一个连续的可译框可译框（open reading frame，ORF），通过核孔进入细胞质，作为蛋白），通过核孔进入细胞质，作为蛋白质合成的模板。质合成的模板。生物信息的传递上RNA加工过程及其生理功能加工过程加工过程推测的生理功能推测的生理功能加帽子反应加帽子反应mRNA从细胞核向细胞质运转，翻从细胞核向细胞质运转，翻译起始译起始加多聚加多聚A反应反应转录终止，翻译起始和转录终止，翻译起始和mRNA

58、降解降解RNA的剪接的剪接从从mRNA, tRNA和和rRNA分子中切除分子中切除内含子内含子RNA的切割的切割从前体从前体RNA中释放成熟中释放成熟tRNA和和rRNA分子分子生物信息的传递上原始转录产物的生成及其主要加工剪接过程图示原始转录产物的生成及其主要加工剪接过程图示生物信息的传递上n真核基因平均含有真核基因平均含有8-10个内含子，前体分子个内含子，前体分子一般比成熟一般比成熟mRNA大大4-10倍。倍。n内含子内含子的的“功能功能”及其在生物进化中的地及其在生物进化中的地位是一个引人注目的问题。位是一个引人注目的问题。n许多人类疾病是内含子剪接异常引起的。许多人类疾病是内含子剪接

59、异常引起的。地中海贫血病人的珠蛋白基因中，大约有地中海贫血病人的珠蛋白基因中，大约有1/4的核苷酸突变发生在内含子的的核苷酸突变发生在内含子的5或或3边边界保守序列上，或者直接干扰了前体界保守序列上，或者直接干扰了前体mRNA的正常剪接。的正常剪接。生物信息的传递上n表表3-9总结了存在于生物体内的各种内总结了存在于生物体内的各种内含子，其中含子，其中GU-AG或或AU-AC分别代表分别代表了不同内含子的了不同内含子的5和和3边界序列。除了边界序列。除了边界序列之外，外显子与内含子交界边界序列之外，外显子与内含子交界处的序列，内含子内部的部分序列都处的序列，内含子内部的部分序列都有可能参与内含

60、子的剪接。有可能参与内含子的剪接。生物信息的传递上表3-9 生物体内的各种内含子内含子类型细胞内定位GU-AG细胞核，前体mRNA （真核）AU-AC细胞核，前体mRNA（真核）I类内含子细胞核，前体rRNA（真核），细胞器RNA，少数细菌RNAII类内含子细胞器RNA，部分细菌RNAIII类内含子细胞器RNA双内含子细胞器RNAtRNA前体中的内含子 细胞核，tRNA前体（真核）生物信息的传递上3. 6. 2 RNA的剪接n转录产生的核内转录产生的核内mRNA前体分子与蛋前体分子与蛋白质结合，形成白质结合，形成RNA和蛋白质组成的和蛋白质组成的RNP复合物（复合物（ribonucleo-protei