非编码RNA的知识

1、ncRNA(非编码RNA)的知识z  2010-07-31 10:36:54|  分类： Biology |  标签：rna  |举报|字号 订阅目录一、核糖核酸（RNA）二、转运RNA(tRNA) 三、信使RNA(mRNA)四、核糖体RNA（rRNA）五、小核RNA（snRNA）六、RNA干扰（RNAi）七、反义RNA（atRNA）八、核仁小分子RNA（snoRNA）九、细胞质小分子RNA(scRNA)十、不均一核RNA（hnRNA）十一、干扰mRNA的互补RNA(miRN

2、A)十二、非编码RNA（ncRNA）十三、短发夹RNA(shRNA)十四、短干扰RNA(siRNA)十五、核酸酶（RNase）十六、核糖核酸酶抑制剂（RNasin）十七、向导RNA（gRNA）一、核糖核酸（RNA）1 概述核糖核酸(RiboNucleic Acid ) ，简称RNA。由至少几十个核糖核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的一类核酸，因含核糖而得名。RNA普遍存在于动物、植物、微生物及某些病毒和噬菌体内。RNA和蛋白质生物合成有密切的关系。在RNA病毒和噬菌体内，RNA是遗传信息的载体。RNA一般是单链线形分子，也有双链的如呼肠孤病毒RNA；环状单链的如类病毒RNA，1983年还发现了有支

3、链的RNA分子。在RNA病毒中，RNA是遗传物质，植物病毒总是含RNA。近些年在植物中陆续发现一些比病毒还小得多的浸染性致病因子，叫做类病毒。类病毒是不含蛋白质的闭环单链RNA分子，此外，真核细胞中还有两类RNA，即不均一核RNA（hnRNA）和小核RNA（snRNA）。hnRNA是mRNA的前体，snRNA参与hnRNA的剪接（一种加工过程）。自1965年酵母丙氨酸tRNA的碱基序列确定以后，RNA序列测定方法不断得到改进。目前除多种tRNA、5SrRNA、5.8SrRNA等较小的RNA外，尚有一些病毒RNA、mRNA及较大RNA的一级结构测定已完成，如噬菌体MS2RNA含3569个核苷酸。

4、1982年以来，研究表明：不少RNA，如I、II型内含子，RNase P，HDV，核糖体大亚基RNA等等有催化生化反应过程的活性，即具有酶的活性，这类RNA被称为核酶（ribozyme）。 20世纪90年代以来，又发现了RNAi（RNA interference，RNA干扰）等等现象，证明RNA在基因表达调控中起到重要作用。2 种类在生物体内发现主要有三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用，它们是信使RNA（messenger RNA，mRNA）、转移（tranfer RNA，tRNA）、核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）。RNA含有四种基本碱基，即腺嘌

5、呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶，此外还有几十种稀有碱基。  3 结构 1965年R.W.霍利等测定了第 1个核酸酵母丙氨酸转移核糖核酸的一级结构即核苷酸的排列顺序。此后，RNA一级结构的测定有了迅速的发展。到1983年,不同来源和接受不同氨基酸的tRNA已经弄清楚一级结构的超过280种,5S RNA 175种，5.8S RNA也有几十种，以及许多16S rRNA、18S rRNA、23S rRNA和26S rRNA。在mRNA中，如哺乳类珠蛋白mRNA、鸡卵清蛋白mRNA和许多蛋白质激素和酶的mRNA等也弄清楚了。此外还测定了一些小分子RNA，如sn RNA和病毒感染

6、后产生的RNA的核苷酸排列顺序。类病毒RNA也有5种已知的一级结构，它们都是环状单链；MJS2RNA、烟草花叶病毒 RNA、小儿麻痹症病毒RNA是已知结构中比较大的RNA。 RNA的一级结构主要是由AMP、GMP、CMP和UMP四种核糖核苷酸通过3'，5'磷酸二酯键相连而成的多聚核苷酸链。天然RNA的二级结构，一般并不像DNA那样都是双螺旋结构，只有在一些区段可发生自身回折，使部分A-U、G-C碱基配对，从而形成短的不规则的螺旋区。不配对的碱基区膨出形成环，而被排斥在双螺旋之外。例如：tRNA的三叶草结构。RNA的三级结构，其中研究得最清楚的是tRNA，1974年用X

7、射线衍射研究酵母苯丙氨酸tRNA的晶体，已确定它的立体结构呈倒L形。 RNA中双螺旋结构的稳定因素，也主要是碱基的堆砌力，其次才是氢键。每一段双螺旋区至少需要46对碱基对才能保持稳定。在不同的RNA中，双螺旋区所占比例不同。细胞内有三类主要的核糖核酸，即：mRNA、rRNA、tRNA。它们各有特点。在大多数细胞中RNA的含量比DNA多58倍。 RNA 一级结构的测定常利用一些具有碱基专一性的工具酶，将RNA降解成寡核苷酸,然后根据两种(或更多)不同工具酶交叉分解的结果，测出重叠部分,来决定RNA的一级结构。举例如下： 9核苷酸    

8、         AGUCGGUAG工具酶   牛胰核糖核酸酶     高峰淀粉酶核糖核酸酶T1             (RNase A)          (RNase T1) 降解结果 AGU+C+GGU+AG  

9、  AG+UCG+G+UAG 结果分析 1、牛胰核糖核酸酶是一个内切核酸酶，专一地切在嘧啶核苷酸的3-磷酸和其相邻核苷酸的5-羟基之间，所以用它来分解上述9核苷酸，得到AGU、C、GGU和AG 4个产物。2、核糖核酸酶 T1是一个专一地切在鸟苷酸的3-磷酸和其相邻核苷酸的5-羟基之间的内切核酸酶，它作用于上述9核苷酸，则得到AG、UCG、G和UAG 4个产物。因此，根据产物的性质，就可以排列出9核苷酸的一级结构。 除上述两种核糖核酸酶外，还有黑粉菌核糖核酸酶(RNase U2)，专一地切在腺苷酸和鸟苷酸处，和高峰淀粉酶核糖核酸酶T1联合使用,可以测定腺苷酸在RNA

10、中的位置。多头绒孢菌核糖核酸酶(RNase Phy)除了CpN以外的二核苷酸都能较快地水解，因此和牛胰核糖核酸酶合用可以区别Cp和Up在RNA中的位置。 4 功能 20世纪40年代，人们从细胞化学和紫外光细胞光谱法观察到凡是 RNA含量丰富的组织中蛋白质的含量也较多,就推测RNA和蛋白质生物合成有关。RNA 参与蛋白质生物合成过程的有 3类RNA，分别是：转移核糖核酸(tRNA)、信使核糖核酸(mRNA)和核糖体核糖核酸(rRNA)。不同的RNA有其不同的功能，其中rRNA是核糖体的组成成分，由细胞核中的核仁合成，而mRNA、 tRNA 在蛋白质合成的不同阶段分别执行着不同

11、功能。mRNA是以DNA的一条链为模板，以碱基互补配对原则，转录而形成的一条单链，主要功能是实现遗传信息在蛋白质上的表达，是遗传信息传递过程中的桥梁。tRNA的是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。 二、转运RNA(tRNA) 1 概述转运RNA（transfer ribonucleic acid），简称tRNA，是具有携带并转运氨基酸功能的一类小分子核糖核酸。绝大多数tRNA由七十几至九十几个核苷酸组成，分子量为2500030000，沉降常数约为4S（个别tRNA的沉降常数为3S，含63个核苷酸）。曾用名有联接RNA、可溶性RNA、pH5RNA等。&

12、#160;2 种类  一种tRNA只能携带一种氨基酸，如丙氨酸tRNA只携带丙氨酸，但一种氨基酸可被不止一种tRNA携带。同一生物中，携带同一种氨基酸的不同tRNA称作“同功受体tRNA”。组成蛋白质的氨基酸有20种，而tRNA可以有六七十种或更多。携带同一种氨基酸的细胞器tRNA与细胞质tRNA也不一样。生物体发生突变后，校正机制之一是通过校正基因合成一类校正tRNA，以维持翻译作用译码的相对正确性。可以有多种校正tRNA携带同一种氨基酸。 3 结构  tRNA的分子由一条长7090个核苷酸并折叠成三叶草形的短链组成的。上图中有两种不同的分子，苯丙氨酸

13、tRNA和天冬氨酸tRNA。tRNA链的两个末端在图上方指出的L形结构的末端互相接近，氨基酸在箭头示意的位置被连接，在这条链的中央形成了L形臂，如图下方所示，露出了形成反密码子的三个核苷酸。三叶草结构的其余两环被包裹成肘状，在那里它们提供整个分子的结构。四个常见RNA碱基-腺嘌呤、尿嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶显然不能提供足够的空间以形成一个坚固的结构，因为这些碱基大部分被修饰过以延长它们的结构。但是，有两个奇特的例子，看37号反密码子相邻的碱基，位于甲硫氨酸tRNA（1yfg）或苯丙氨酸tRNA(4tna和6tna)的起始部位。一般情况下，二级结构具有以下几个共同点： 5末端具有G（大部分）或C。&

14、#160;  3末端都以ACC的顺序终结。 有一个富有鸟嘌呤的环。 有一个反密码子环，在这一环的顶端有三个暴露的碱基，称为反密码子（anticodon）.反密码子可以与mRNA链上互补的密码子配对。 有一个胸腺嘧啶环。自从1965年RW霍利等首次测出酵母丙氨酸tRNA的一级结构即核苷酸排列顺序以来，到1983年已有200多个tRNA（包括不同生物来源、不同器官、细胞器的同功受体tRNA以及校正tRNA）的一级结构被阐明。按照AU、GC以及GU碱基配对原则，除个别例外，tRNA分子均可排布成三叶草模型的二级结构（图1）。它由3个环，即D环因该处二氢尿苷酸（

15、D）含量高、反密码环（该环中部为反密码子）和TC环因绝大多数tRNA在该处含胸苷酸（T）、假尿苷酸（）、胞苷酸（C）顺序，四个茎，即D茎（与D环联接的茎）、反密码茎（与反密码环联接）、TC茎（与 TC环联接）和氨基酸接受茎也叫CCA茎，因所有tRNA的分子末端均含胞苷酸（C）、胞苷酸（C）、腺苷酸（A）顺序， CCA是连接氨基酸所不可缺少的，以及位于反密码茎与TC茎之间的可变臂构成。不同tRNA的可变臂长短不一，核苷酸数从二至十几不等。除可变臂和D环外，其他各个部位的核苷酸数目和碱基对基本上是恒定的。图1也示出tRNA分子中出现的保守或半保守成分，这些成分对维系tRNA的三级结构是很重要的。t

16、RNA的结构特征之一是含有较多的修饰成分，如上面提到的 D、T、 等；核酸中大部分修饰成分是在tRNA中发现的。修饰成分在tRNA分子中的分布是有规律的，但其功能不清楚。1974年用X射线晶体衍射法测出第一个tRNA酵母苯丙氨酸tRNA晶体的三维结构，分子全貌象倒写的英文字母L，呈扁平状，长60埃，厚20埃（图2），它是在tRNA二级结构基础上，通过氨基酸接受茎与TC茎以及D茎与反密码茎间折叠成右手反平行双螺旋。tRNA三级结构由保守或半保守成分与构成二级结构的核苷酸之间形成氢键（称三级结构氢键）维系。其他tRNA晶体的三维结构类似酵母苯丙氨酸tRNA，只是某些参数有所不同。tRNA在溶液中的

17、构型与其晶体结构一致。 4 功能tRNA的功能主要是携带氨基酸进入核糖体，在mRNA指导下合成蛋白质。即以mRNA为模板，将其中具有密码意义的核苷酸顺序翻译成蛋白质中的氨基酸顺序。   tRNA与mRNA是通过反密码子与密码子相互作用而发生关系的。在肽链生成过程中，其中第一个进入核糖体与mRNA起始密码子结合的tRNA叫起始tRNA，其余tRNA参与肽链延伸，称为延伸tRNA，按照mRNA上密码的排列，携带特定氨基酸的tRNA依次进入核糖体。形成肽链后，tRNA即从核糖体释放出来，整个过程叫做tRNA循环（图3）。tRNA靠反密码子与mRNA识别，但并非一种反密码

18、子只能识别一种密码子。例如反密码子CIG（I是次黄嘌呤核苷酸）能识别三种密码子。一般反密码子中的稀有核苷酸因配对不严格而能识别多种密码子，这种现象在生物学中称为“摆动性”。tRNA是通过分子中3端的CCA携带氨基酸的。然后氨基酸连接在腺苷酸的2或3OH基上，携带了氨基酸的tRNA叫氨酰tRNA，例如，携带甘氨酸的tRNA叫甘氨酰tRNA。氨基酸与tRNA的结合由氨酰tRNA合成酶催化，分二步进行：氨基酸+ATP氨酰-AMP+焦磷酸；氨酰-AMPtRNA氨酰-tRNAAMP。与一种氨基酸对应的至少有一种tRNA和一种氨酰-tRNA合成酶。tRNA还具有其他一些特异功能，例如，在没有核糖体或其他核

19、酸分子参与下，携带氨基酸转移至专一的受体分子，以合成细胞膜或细胞壁组分；作为反转录酶引物参与DNA合成；作为某些酶的抑制剂等。有的氨酰-tRNA还能调节氨基酸的生物合成。在许多植物病毒RNA分子中发现有类似于tRNA的三叶草结构，有的也能接受氨基酸，其功能不详。 5 合成生物合成：在生物体内，DNA分子上的tRNA基因经过转录生成tRNA前体，然后被加工成成熟的tRNA。tRNA前体的加工包括：切除前体分子中两端或内部的多余核苷酸，形成tRNA成熟分子所具有的修饰核苷酸；如果前体分子3端缺乏CCA顺序，则需补加上CCA末端。加工过程都是在酶催化下进行的。人工合成：1981年，中国科学

20、家王德宝等用化学和酶促合成相结合的方法首次全合成了酵母丙氨酸tRNA。它由76个核苷酸组成，其中包括天然分子中的全部修饰成分，产物具与天然分子相似的生物活性。三、信使RNA(mRNA)1  概述生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中，但DNA并不直接决定蛋白质的合成。而在真核细胞中，DNA主要贮存于细胞核中的染色体上，而蛋白质的合成场所存在于细胞质中的核糖体上，因此需要有一种中介物质，才能把DNA 上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体。现已证明，这种中介物质是一种特殊的RNA。这种RNA起着传递遗传信息的作用，因而称为信使RNA(messenger RNA)，简称mRNA。&#

21、160;mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来，然后再由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序，完成基因表达过程中的遗传信息传递过程。在真核生物中，转录形成的前体RNA中含有大量非编码序列，大约只有25%序列经加工成为mRNA，最后翻译为蛋白质。因此，原核生物与真核生物的mRNA不同，以下为原核生物和真核生物mRNA不同的特点：    原核生物mRNA常以多顺反子的形式存在。真核生物mRNA一般以单顺反子的形式存在。    原核生物mRNA的转录与翻译一般是偶联的。真核生物转录的mRNA前体则需经转录后加工，加工为

22、成熟的mRNA与蛋白质结合生成信息体后才开始工作。    原核生物mRNA半寿期很短，一般为几分钟，最长只有数小时（RNA噬菌体中的RNA除外）。真核生物mRNA的半寿期较长，如胚胎中的mRNA可达数日。原核与真核生物mRNA的结构特点也不同。a、    原核生物mRNA一般5端有一段不翻译区，称前导顺序，3端有一段不翻译区，中间是蛋白质的编码区，一般编码几种蛋白质。真核生物mRNA（细胞质中的）一般由5端帽子结构、5端不翻译区、翻译区（编码区）、3端不翻译区和3端聚腺苷酸尾巴构成分子中除m7G构成帽子外，常含有其他修饰核苷酸，如m6

23、A等。并且，真核生物mRNA通常都有相应的前体。从DNA转录产生的原始转录产物可称作原始前体（或mRNA前体）。一般认为原始前体要经过hnRNA核不均-RNA的阶段，最终才被加工为成熟的mRNA。b、    通常mRNA（单链）分子自身回折产生许多双链结构。原核生物，经计算有66.4的核苷酸以双链结构的形式存在。真核生物mRNA也具有丰富的二级结构，折叠起来的mRNA二级结构有利于蛋白质合成的启动，以后mRNA处于伸展的状态则有利于转译的继续。mRNA的复制，转录和翻译：由一个DNA分子，边解旋，边转录。利用细胞核内部的游离核糖核苷酸和成其需要的碱基，规则遵循碱基

24、互补配对原则。注：因为mRNA没有T（胸腺嘧啶），所以模版中出现A（腺嘌呤）时，有U(尿嘧啶）代替。以上过程叫做转录，在细胞核中完成。接着，mRNA穿过核孔。和细胞质中的核糖体结合。选择tRNA运输氨基酸，和对应的三个碱基排列好（如何排列请查询：密码子）。再与其它的氨基酸通过肽键连接在一起，形成肽链。以上过程叫做翻译，在细胞质中完成。虽然人们已经破译了决定生命基础的蛋白质的氨基酸合成密码，也知道了是携带着这种密码，但是，根据细胞学所掌握的事实：所有都呆在细胞核内，而蛋白质却存在于细胞质中，像这样的大分子是无法随意进入细胞质的。然而密码总是会被带入细胞质的，这一来，人们不禁要问，是谁把锁在细胞核

25、内的手里的密码带入了细胞质的呢？科学家们从那里拷贝了一份密码文件，并带入了细胞质中。经过试验和观察，发现这个信使就是核糖核酸。2 信使RNA的发现储存在DNA分子中的这种遗传信息能在复制中产生更多的拷贝，并翻译成蛋白质。DNA的功能构成了信息的流动，遗传信息如何转变成蛋白质呢？转录就是其中的重要的一环。基因表达时以DNA的一条链为模板合成RNA，这一过程就是转录（transcription）。催化合成RNA的酶叫做RNA聚合酶（RNA polymerase）。RNA和DNA结构相似，所不同之处在于：（1）RNA一般以单链形式存在；（2）RNA中的核糖其C-2不脱氧的；（3）尿苷（U）取代了DN

26、A中的胸苷。细胞中的RNA分成三种：mRNA（信使RNA），tRNA（转运RNA）和rRNA（核糖体RNA）。它们的功能各不相同。mRNA是合成蛋白质的模板，tRNA是转运特异氨基酸的运载工具，rRNA是合成蛋白质的装置。mRNA的碱基序列，决定着蛋白质装配时氨基酸的序列。1955年Brachet用洋葱根尖和变形虫进行了实验：若加入RNA酶降解细胞中的RNA，则蛋白质合成就停止；若再加入从酵母中提取的RNA，则又可以重新合成一些蛋白质，这就表明，蛋白质的合成是依赖于RNA。同年Goldstein和Plaut用同位素标记变形虫（Amoeba proteus）RNA前体，发现标记的RNA都在核内，

27、表明RNA是在核内合成的。在标记追踪（pulse-chase）实验中，用短脉冲标记RNA前体，然后将细胞核转移到未标记的变形虫中。经过一段时间发现被标记的RNA分子已在细胞质中，这就表明RNA在核中合成，然后转移到细胞质内，而蛋白质就在细胞质中合成，因此RNA就成为在DNA和蛋白质之间传递信息的信使的最佳候选者。 1956年Elliot Volkin和 Lawrence Astrachan作了一项很有意思的观察：当E.coli被T2感染，迅速停止了RNA的合成，但噬菌体的RNA却开始迅速合成。用同位素脉冲一追踪标记表明噬菌的RNA在很短的时间内就进行合成，但很快又消失了，表明RNA的

28、半衰期是很短的。由于这种新合成的RNA的碱基比和T2的DNA碱基比相似，而和细菌的碱基比不同，所以可以确定新合成的RNA是T2的RNA。由于T2感染细菌时注入的是DNA，而在细胞里合成的是RNA，可见DNA是合成RNA的模板。最令人信服的证据来自DNA-RNA的杂交实验。和Spiegeman,S，将T2噬菌体感染E.coli后立即产生的RNA分离出来，分别与T2和E.coli的DNA进行分子杂交，结果发现这种RNA只能和T2的DNA杂交形成“杂种”链，而不能和E.coli的DNA进行杂交。表明T2产生的这种RNA（即mRNA）至少和T2的DNA中的一条链是互补的。 Brenner,s

29、. Jacob,F.和Meselson（1961）进行了一系列的的实验，他们将E.coli培养在15N/13C的培养基中，因此合成的RNA和蛋白都被“重”同位素所标记。也就是说凡是“重”的核糖体，RNA和蛋白都是细菌的，然后用T2感染E.coli，细菌的RNA停止合成，而开始合成T2的RNA此时用普通的“轻”培养基（14N/12C），但分别以32P来标记新合成的T2 RNA，以35S标记新合成的T2蛋白，因此任何重新合成的核糖体、RNA，及蛋白都是“轻”的但带有放射性同位素。经培养一段时间后破碎细胞，加入过量的轻的核糖体作对照，进行密度梯度离心，结果“轻”的核糖体上不具有放射性，“重”的核糖体

30、上具有32P和35S，表明：（1）T2未合成核糖体，“轻”核糖体却是后加放的。（2）T2翻译时是借用了细菌原来合成的核糖体，所以核糖体并无特异性，核糖体上结合的mRNA，其序列的特异性才是指导合成蛋白质的遗传信息，从而提出了mRNA作为“信使”的证据。因此，他们将这种能把遗传信息从DNA传递到蛋白质上的物质称为“信使”。他们预言：（1）这种“信使”应是一个多核苷酸；（2）其平均分子量不小于5?105（假定密码比是3），足以携带一个基因的遗传信息；（3）它们至少是暂时连在核糖体上；（4）其碱基组成反映了DNA的序列；（5）它们能高速更新。Volkin和Astrachan发现高速更新的RNA似乎完

31、全符合以上条件。Jacob和Monod将它定名为信使RNA（Messenger RNA），简称mRNA。 3 信使RNA的合成与加工 DNA转录生成RNA转录分为起始、延长和终止三个阶段。起始包括对双链DNA特定部位的识别、局部（17bp）解链以及在最初两个核苷酸间形成磷酸二酯键。第一个核苷酸掺入的位置称为转录起点。起始后起始因子离开，核心酶构象改变，沿模板移动，转录生成杂交双链(12bp)，随后DNA互补链取代RNA链，恢复DNA双螺旋结构。延伸速度为50nt/s，酶移动17nm，错误几率为10-5。聚合酶到达终点时，在终止辅助因子的帮助下停止反应，酶和RNA链脱落，转录结束。注：

32、1、启动子和转录因子（一）原核生物：大肠杆菌在起点上游约10碱基对处有保守序列TATAAT，称为pribnow box，有助于局部解链。在其上游还有TTGACA，称为35序列，提供RNA聚合酶识别的信号。（二）真核生物：复杂，差异较大。信使RNA的启动子通常有三个保守区，25到30有TATA框，是解链位置，并决定转录起点；75位置有CAAT框，与RNA聚合酶的结合有关；更上游还有GC框，某些转录因子可结合。后两个称为上游因子，对转录起始频率有较大影响。  小RNA的启动子在转录区内部，有一些辅助因子帮助RNA聚合酶识别。2、终止子和终止因子（一）所有原核生物的终止子在终点之前都有一个

33、回文结构，可使酶减慢移动或暂停合成。大肠杆菌有两类终止子：简单终止子，回文区有一段富含GC对的序列，回文后有寡聚尿苷。依赖的终止子，必须在有因子时才能发挥作用，不含GC对，也无寡聚尿苷。因子是蛋白质，可与酶作用，释放RNA，并使酶脱离。（二）某些因子可使酶越过终止子继续转录，称为通读。常见于某些噬菌体的时序控制，早期基因与晚期基因以终止子相隔，早期基因产生抗终止因子，使发生通读以表达晚期基因。3、转录的调控（一）遗传信息的表达有时序调控和适应调控，转录水平的调控是关键环节，因为这是表达的第一步。转录调控主要发生在起始和终止阶段。（二）操纵子是细菌基因表达和调控的单位，有正调节和负调节因子。阻遏

34、蛋白的作用属于负调控。环腺苷酸通过其受体蛋白（CRP）促进转录，可促进许多诱导酶的合成。操纵子可构成综合性调控网络，如SOS反应等。对终止子也有调控作用，如衰减子。（三）真核生物不组成操纵子，而是通过激素、生长因子等进行调控。某些DNA序列对转录起增强作用，称为增强子。转录后加工 一、原核生物（一）核糖体RNA：大肠杆菌共有7个核糖体RNA的转录单位，每个转录单位由16S、23S、5SRNA和若干转运RNA基因组成。16S和23S之间常由转运RNA隔开。转录产物在RNA酶III的作用下裂解产生核糖体RNA的前体P16和P23，再由相应成熟酶加工切除附加序列。前体加工时还进行甲基化，产

35、生修饰成分，特别是a-甲基核苷。N4,2-O二甲基胞苷(m4Cm)是16S核糖体RNA特有成分。5S核糖体RNA一般无修饰成分。（二）转运RNA：有60个基因，其加工包括：1、内切酶在两端切断，大肠杆菌RNA酶P是5成熟酶。2、外切酶从3修剪，除去附加顺序。RNA酶D是3成熟酶。3、3端加上CCAOH，由转运RNA核苷酰转移酶催化，某些转运RNA已有，切除附加序列后即露出。4、核苷的修饰：修饰成分包括甲基化碱基和假尿苷，修饰酶具有高度特异性。甲基化对碱基和序列都有严格要求，一般以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体。（三）信使RNA：细菌多数不用加工，转录与翻译是偶联的。也有少数多顺反子信使RNA必须由

36、内切酶切成较小的单位，然后翻译。如核糖体大亚基蛋白与RNA聚合酶的b亚基基因组成混合操纵子，转录后需经RNA酶切开，各自翻译。因为RNA聚合酶的合成水平低得多，切开有利于各自的翻译调控。较长的RNA会产生高级结构，不利于翻译，切开可改变其结构，从而影响其功能。二、真核生物（一）核糖体RNA：基因拷贝数多，在几十到几千之间。基因成簇排列在一起，由RNA聚合酶I转录生成一个较长的前体，哺乳动物为45S。核仁是其转录、加工和装配成核糖体的场所。RNA酶III等核酸内切酶在加工中起重要作用。5SRNA基因也是成簇排列的，由RNA聚合酶III转录，经加工参与构成大亚基。核糖体RNA可被甲基化，主要在核苷

37、2羟基，比原核生物甲基化程度高。多数核糖体RNA没有内含子，有些有内含子但不转录。（二）转运RNA：由RNA聚合酶III转录，加工与原核相似，但3端的CCA都是后加的，还有2-O-甲基核糖。（三）信使RNA：真核生物编码蛋白质的基因以单个基因为转录单位，但有内含子，需切除。信使RNA的原初转录产物是分子量很大的前体，在核内加工时形成大小不等的中间物，称为核内不均一RNA(hnRNA)。其加工过程包括：1、5端加帽子：在转录的早期或转录终止前已经形成。首先从5端脱去一个磷酸，再与GTP生成5，5三磷酸相连的键，最后以S-腺苷甲硫氨酸进行甲基化，形成帽子结构。帽子结构有多种，起识别和稳定作用。2、

38、 3端加尾：在核内完成。先由RNA酶III在3端切断，再由多聚腺苷酸聚合酶加尾。尾与通过核膜有关，还可防止核酸外切酶降解。3、内部甲基化：主要是6-甲基腺嘌呤，在hnRNA中已经存在。可能对前体的加工起识别作用。三、RNA的拼接（一）转运RNA的拼接：由酶催化，酶识别共同的二级结构，而不是序列。通常内含子插入到靠近反密码子处，与反密码子配对，取代反密码子环。第一步由内切酶切除插入序列，不需ATP；第二步由RNA连接酶连接，需要ATP。（二）四膜虫核糖体RNA的拼接：某些四膜虫26S核糖体RNA基因中有一个内含子，其拼接只需一价和二价阳离子及鸟苷酸或鸟苷存在即可自发进行。其实质是磷酸酯的转移反应

39、，鸟苷酸起辅助因子的作用，提供游离3羟基。（三）信使RNA：真核生物编码蛋白质的核基因的内含子属于第二类内含子，左端为GT，右端为AG。先在左端切开，产生的5末端与3端上游形成5,2-磷酸二酯键，构成套索结构。然后内含子右端切开，两个外显子连接起来。通过不同的拼接方式，可形成不同的信使RNA。 RNA的复制 一、噬菌体QbRNA的复制其RNA是单链，正链，侵入大肠杆菌后立即翻译，产生复制酶的b亚基，与宿主的三个亚基(为核糖体蛋白，、均为肽链延长因子)构成复制酶，进行复制。先以正链为模板合成负链，再根据负链合成正链。合成负链时需要宿主的两个蛋白因子，合成正链则不需要，所以可大量合成。病

40、毒的蛋白质合成受RNA高级结构的调控。二、病毒RNA复制的主要方式（一）病毒含正链RNA，先合成复制酶，复制后合成其他蛋白质进行装配。如噬菌体Qb及灰质炎病毒。（二）病毒含负链和复制酶，先合成正链，再合成病毒蛋白和复制病毒RNA。如狂犬病毒。（三）病毒含双链RNA和复制酶，如呼肠孤病毒。先复制正链，再翻译成病毒蛋白，最后合成负链，形成双链RNA分子。（四）致癌RNA病毒：如白血病病毒和肉瘤病毒，先逆转录生成DNA前病毒，再转录、翻译。RNA生物合成的抑制剂 一、碱基类似物有些人工合成的碱基类似物能干扰和抑制核酸的合成。作用方式有以下两类：（一）作为代谢拮抗物，直接抑制核苷酸生物合成有

41、关酶类。如6-巯基嘌呤进入体内后可转变为巯基嘌呤核苷酸，抑制嘌呤核苷酸的合成。可作为抗癌药物，治疗急性白血病等。此类物质一般需转变为相应的核苷酸才能表现出抑制作用。（二）进入核酸分子，形成异常RNA或DNA，影响核酸的功能并导致突变。5-氟尿嘧啶类似尿嘧啶，可进入RNA，与腺嘌呤配对或异构成烯醇式与鸟嘌呤配对，使A-T对转变为G-C对。因为正常细胞可将其分解，而癌细胞不能，所以可选择性抑制癌细胞生长。二、DNA模板功能抑制物（一）烷化剂：带有活性烷基，能使DNA烷基化。鸟嘌呤烷化后易脱落，双功能烷化剂可造成双链交联，磷酸基烷化可导致DNA链断裂。通常有较大毒性，引起突变或致癌。（二）放线菌素类

42、：可与DNA形成非共价复合物，抑制其模板功能。包括一些抗癌抗生素。（三）嵌入染料：含有扁平芳香族发色团，可插入双链DNA相邻碱基对之间。常含丫啶或菲啶环，与碱基大小类似，可在复制时增加一个核苷酸，导致移码突变。如溴乙啶。三、RNA聚合酶抑制剂（一）利福霉素：抑制细菌RNA聚合酶活性。（二）利链菌素：与细菌RNA聚合酶b亚基结合，抑制RNA链的延长。a-鹅膏蕈碱：抑制真核生物RNA聚合酶。 4 信使RNA的结构与功能从DNA转录合成的带有遗传信息的一类单链RNA，它在上作为蛋白质合成的模板，决定肽链的排列顺序。1961年F.雅各布和根据大肠杆菌诱导酶生成的实验结果提出：信息从DNA到蛋

43、白质之间的转移，必需有一种RNA起传递作用，由此提出了信使核糖核酸的名称。生物体内的每种多肽链都由特定的mRNA编码，所以细胞内mRNA的种类很多，但通常每种mRNA的拷贝数极少（110个）。根据信息密码学说，3个连续的核苷酸可以编码一个氨基酸,因此从已知mRNA（或DNA）核苷酸顺序可以准确推导出蛋白质的一级结构。存在范围和性质mRNA存在于原核和真核生物的细胞质及真核细胞的某些细胞器中。RNA既是遗传信息的载体又具有mRNA的功能。生物体mRNA种类的多少与生物进化水平有关,高等生物所含的遗传信息多,mRNA的种类也多。生物体内某种mRNA的含量根据需要而有不同，如5龄蚕后部丝腺体的主要任

44、务是快速合成大量丝心蛋白，因而编码丝心蛋白的mRNA含量特别多。有些细菌需要不断适应外部环境，其体内编码某些诱导酶的mRNA的含量也较多。  一级结构与功能的关系原核生物mRNA一般5端有一段不翻译区，称前导顺序，3端有一段不翻译区，中间是蛋白质的编码区，一般编码几种蛋白质。如大肠杆菌乳糖操纵子mRNA编码3条多肽链；色氨酸操纵子mRNA编码5条多肽链。也有单顺反子形式的细菌mRNA，如大肠杆菌脂蛋白mRNA。原核生物mRNA分子中一般没有修饰核苷酸，也没有5端帽子结构和3端聚腺苷酸尾巴。在原核生物mRNA的起始密码子(AUG)附近（5方向上游）的一小段长短不等的顺序，含有较多的嘌呤

45、核苷酸，被称为SD顺序。它能和核糖体小亚基上的16SrRNA的3端富含嘧啶核苷酸的区域配对结合，有助于带有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA识别mRNA上的起始密码(AUG)，使肽链合成从此开始。这段顺序是1974年由J.夏因和L.达尔加诺发现的，所以称为SD顺序，也称核糖体结合部位。原核生物mRNA的编码区一般编码几种功能上相关联的蛋白质，两种蛋白质的编码区之间常有一小段不翻译的顺序，叫做间隔区。有的噬菌体RNA中2个相邻的顺反子共用一段相同的编码顺序，例如，M 噬菌体RNA中的溶菌蛋白编码区共225个核苷酸中有189个核苷酸是由相邻两个蛋白质共用的。原核mRNA与真核mRNA一样使用同一套三联体密

46、码子（真核生物线粒体mRNA有例外）。原核生物合成氨基酸的操纵子mRNA的5端前导顺序上有一段顺序称作弱化子。弱化子具有两种可以互变的构象，其中一种构象是转录终止的信号，能使转录中止（或衰减）。衰减调节是原核生物合成氨基酸的调控方式之一。真核生物 mRNA（细胞质中的）一般由5端帽子结构、5端不翻译区、翻译区（编码区）、3端不翻译区和3端聚腺苷酸尾巴构成。分子中除 G构成帽子外，常含有其他修饰核苷酸，如 A等。5端帽子结构通常有3种类型，即： G（5）ppp(5)N； G(5)ppp(5) N和 G(5)ppp（5） N。真核细胞线粒体中的mRNA无帽子结构。一般认为帽子的功能与翻译的启动有关

47、。许多真核生物 mRNA(如珠蛋白mRNA)除去帽子后翻译效率大大降低。5端不翻译区，也叫前导顺序。不同的真核mRNA的前导顺序长度不同，有的只有10个核苷酸,有的则有200个核苷酸。与原核mRNA相似,真核mRNA5端不翻译区中常有一段顺序与核糖体小亚基上的18SrRNA的3端的一段顺序互补并结合，这种结合与真核mRNA的翻译启动有关。翻译区(编码区)使用的密码子除线粒体（如人、牛和酵母线粒体）外与原核生物mRNA是一样的。真核生物mRNA的起始密码子都是AUG。真核和原核生物mRNA使用的密码子也都有“简并现象”，即几种不同的密码子翻译出同一种氨基酸，但不同的mRNA中简并密码子的利用率是

48、不同的，真核与原核生物之间的差别就更大。mRNA的终止密码子有3个（UAG、UGA和UAA），其功能是停止翻译，一般只用一个终止密码子就能使翻译停止。有的mRNA有2个连续的终止密码子。3端不翻译区的长短在不同的mRNA上有所不同，珠蛋白mRNA只有39个核苷酸,而卵白蛋白mRNA则有637个核苷酸。真核生物mRNA3端不翻译区常有 AAUAA(A)或AUUUA(A)等顺序，它们和识别多聚A聚合酶及装配多聚A尾巴有关。除个别组蛋白mRNA外，真核生物mRNA3端均有多聚A尾巴 3端多聚A尾巴的长度随来源不同而不同,且随mRNA的老化而变短,通常有20200个A。多聚A与mRNA稳定性及mRNA

49、从细胞核转到细胞浆中有关。真核生物mRNA通常都有相应的前体。从DNA转录产生的原始转录产物可称作原始前体（或mRNA前体）。一般认为原始前体要经过hnRNA核不均-RNA的阶段，最终才被加工为成熟的 mRNA。hnRNA上的蛋白质编码区被一些居间顺序分隔成若干段；不同的基因转录产物所含的居间顺序的数目不同，人胰岛素只有两个，而牛眼的晶体蛋白则含有数十个；居间顺序的长短也各不相同，从数十个到上千个核苷酸（鸡卵白蛋白有一个1550个核苷酸的居间顺序）。居间顺序将在剪接过程中去除。约有1040的hnRNA含有3端多聚A尾巴。hnRNA经过进一步加工切除居间顺序并把分隔的蛋白质编码区连接起来，最终成

50、为成熟的mRNA。二级结构与功能的关系通常mRNA(单链)分子自身回折产生许多双链结构。原核生物,例如M 噬菌体RNA外壳蛋白编码区，经计算有66.4的核苷酸以双链结构的形式存在。M RNA能翻译4种蛋白质，但效率各不相同。在通常条件下翻译外壳蛋白(其编码区在成熟蛋白的下游)的效率高于成熟蛋白的效率。但用甲醛处理M RNA破坏二级结构后，则翻译成熟蛋白的效率提高。噬菌体M RNA中外壳蛋白的起始密码子 AUG(13351337)通常处于环(Loop)的顶端，暴露在外面，因而易于与翻译的启动因子结合而进行翻译。成熟蛋白的编码区尽管处在外壳蛋白的前面，但其起始密码子GUG(130132)却埋在二级

51、结构之中，故翻译效率低，只有将二级结构松开（如甲醛处理）之后才能被翻译。可见mRNA分子的二级结构对翻译蛋白质的效率有很大影响。真核生物mRNA也具有丰富的二级结构，如鸭珠蛋白mRNA和兔珠蛋白mRNA分别有4560和5562的核苷酸残基处在碱基配对之中。在真核生物蛋白质启动复合物中,40S核糖体实际上覆盖着mRNA上包括帽子结构在内的5054个核苷酸,但是40S核糖体的大小比50个核苷酸的长度小得多由于形成的发夹结构(二级结构使帽子与起始密码子之间的空间距离缩短)，造成40S核糖体能够覆盖包括帽子结构和起始密码子 AUG在内的50多个核苷酸，从而启动蛋白质合成。不同的mRNA中发夹结构的有无

52、或多少各不相同。在蛋白质合成肽链继续延伸时，不需要帽子结构参加，此时核糖体覆盖的mRNA的区域约为2535个核苷酸，mRNA的构象已不同于启动阶段而是处于一种伸展的状态，从而有利于转译的延续。可见，折叠起来的mRNA二级结构有利于蛋白质合成的启动，以后mRNA处于伸展的状态则有利于转译的继续。 5 信使RNA与密码子遗传信息从DNA分子转录到RNA分子中的过程称为转录（transcription）。在真核生物中，最初转录生成的RNA称为不均一核RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA），然而在细胞浆中起作用，作为蛋白质的氨基酸序列合成模板的是mRNA（m

53、essenger RNA）。hnRNA是mRNA的未成熟前体。两者之间的差别主要有两点：一是hnRNA核苷酸链中的一些片段将不出现于相应的mRNA中，这些片段称为内含子（intron），而那些保留于mRNA中的片段称为外显子（exon）。也就是说，hnRNA在转变为mRNA的过程中经过剪接，被去掉了一些片段，余下的片段被重新连接在一起；二是mRNA的5末端被加上一个m7pGppp帽子，在mRNA3末端多了一个多聚腺苷酸（polyA）尾巴。mRNA从5末端到3末端的结构依次是5帽子结构，5末端非编码区，决定多肽氨基酸序列的编码区，3末端非编码区，和多聚腺苷酸尾巴。多聚腺苷酸尾一般由数十个至一百几

54、十个腺苷酸连接而成。随着mRNA存在时间的延续，这段聚A尾巴慢慢变短。因此，目前认为这种3末端结构可能与增加转录活性以及使mRNA趋于相对稳定有关。原核生物的mRNA没有这种首、尾结构。1961年，Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核细胞中，由于蛋白质是在胞浆中而不是在核内合成，因此显然要求有一个中间物将DNA上的遗传信息传递至胞浆中。后来的研究证实，这种中间物即信使RNA。mRNA的核苷酸序列与DNA序列相应，决定着合成蛋白质的氨基酸序列。它如何指导氨基酸以正确的顺序连接起来呢？不同的mRNA碱基组成和排列顺序都不同，但都只有A，G，C，U 4种碱基，如果一个碱基就可以决定

55、一个氨基酸，则只有四种变化方式，如果两个碱基决定一个氨基酸，则只有16种变化方式，都不能满足20种氨基酸的需要。1961年Crick和Brenner的实验得出了三个核苷酸编码一个氨基酸的结论，并将这种三位一体的核苷酸编码称做遗传密码（genetic code）或三联体密码，这样就可以有64种不同的密码，但此情况下必须假定有一些氨基酸使用两个以上的密码。这一假定很快就被证明是对的。遗传密码具有下列特征：（1）三个核苷酸组成一个密码子，每个密码子由三个前后相联的核苷酸组成，一个密码子只为一种氨基酸编码。共有64个密码子；（2）密码子之间不重叠使用核苷酸，也无核苷酸间隔；（3）一种氨基酸可有多个密码

56、子，这个特点称为密码子的简并性；（4）密码子的通用性，所有生物从最低等的病毒直至人类，蛋白质合成都使用同一套密码子表，仅有极少的例外，如特殊细胞器线粒体，叶绿体所用的密码稍有不同。通用遗传密码与线粒体遗传密码之间的一些差异。究竟哪一个密码子为哪一种氨基酸编码，即密码子与氨基酸之间的对应关系已在60年代研究解决了。1964年Nirenberg用一种RNA聚合酶体外合成了多聚尿苷酸、多聚腺苷酸等多聚核苷酸，将这些多聚核苷酸分别用于蛋白质的体外合成。发现，当所用的多聚核苷酸为多聚尿苷酸时，只有多聚苯丙氨酸合成，这意味着UUU为苯丙氨酸编码；用其它多聚核苷酸进行相应的实验后发现，CCC为脯氨酸编码，而

57、AAA为赖氨酸编码；其后，有人又用核苷酸比例为已知，但是核苷酸序列随机的多聚核苷酸，以及用已知序列的含两种或两种以上核苷酸的多聚核苷酸进行相应的实验，将结果加以数理统计处理，又解读了一批密码子，其中包括三个终止码，最后，还有一些密码子是通过合成已知序列的三聚核苷酸与核蛋白体和载有放射性同位素标记的氨基酸的tRNA共沉淀原理予以解读的。在所有密码子中，AUG不仅为蛋氨酸编码，而且又是翻译（translation，以mRNA上的遗传信息指导核蛋白体上多肽链合成的过程）的起始信号，UAA、UAG和UGA不为任何氨基酸编码，而是作为翻译的终止信号，统称为终止码（stop codon），又常被叫作无意义

58、码（nonsense codon）。大多数氨基酸是由一个以上的密码子所编码。这个事实提出了一个问题：编码同一种氨基酸的一组密码子的使用频率是否都相同？细致的分析表明，无论是原核生物，还是高等真核生物，密码子的使用频率并不是平均的，有些密码子的使用率很高，有些则几乎不使用，其使用频率主要与细胞内tRNA含量呈正相关。 6  信使RNA与遗传信息的传递转录是在原核和真核细胞中以DNA为模板合成RNA的过程。 在原核和真核生物中，转录过程是相似的。包括DNA变性，RNA聚合酶结合在单链DNA上以53方向合成RNA分子。双链中只有一条链作为转录模板，合成单链RNA分子。启

59、动子和终止子序列决定转录的起始和终止。 在E.coli中RNA多聚酶转录各种RNA（mRNA，tRNA和rRNA）。在真核细胞中有三类不同的RNA多聚酶，它们的功能不同。RNA pol 转录4种rRNA中的3种；RNA pol 转录mRNA和一些snRNA；RNA转录第四种rRNA，tRNA以及其余的snRNA。 3种真核生物的RNA pol，不像E.coli RNA pol，没有一个直接地和启动子区结合，而是通过转录起始因子的介导来起始RNA的合成。对于每一种RNA多聚酶来说，转录因子是特异的，它可以识别启动子的特殊序列。 蛋白质编码基因的启动子位于转录起始位点

60、的上游，由不同组合的启动原件所构成。特异的转录因子和调节因子结合在这些原件上，促进RNA pol 转录起始。增强子离启动子较远，它可被调节因子识别结合，具有促进基因转录的功能。 由RNA pol 转录的启动子，位于下游，在其基因编码序列内部。这种启动子，根据所转录的RNA的种类，由不同的功能区组合而构成。转录因子识别这些功能区，促进RNA聚合酶转录起始。 18S，5.8S和28S rRNA作为一个转录单位一道转录，产生前体RNA分子。大部分真核生物的18S，5-8S和28S rRNA都是以串联重复排列，每个重复单位被不转录的间隔序列（nontranscribed specer,NTs）所分隔。转录单位的启动子位于NTS中，其功能是和特异的转录因子相结合，促进RNA pol 的转录起始。 从孟德尔定律问世以后，人们就知道了生物的各种性状是由基因控制的。一基因一酶学说的建立进一步地明确了基因是以酶的形式通过控制生化反应链来控制的。酶或蛋白和基因又是什么样的关系呢？也就是说遗传信息怎样传递，怎样表达成性状呢？就在Watson和Crick建立DNA双螺旋模型后的第三年，1957年Crick