生物化学DNA复制RNA转录转录

1、会计学1生物化学生物化学DNA复制复制RNA转录转录转录转录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 5 3 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： 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、空间等有选择性（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

2、能；功能；无需引物，方向无需引物，方向5 5 3 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聚合酶聚合酶亚基亚基 基因基因 Mr 亚基亚基 功能功能 数目数目 rpoA 40,OOO 2 rpoA 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 155,000 1 rpoB 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 160,000 1 rpoC 160,000 1 与模板结合与模板结合 rpoD 32,OOO- 1 rpoD

3、 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物产物- -鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱对酶的作用对酶的作用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rRNA5.8SrRNA18SrRNA28SrRNAmRNAsnRNAtRNA 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 000700 000700 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+浓度浓度同样，真核同样，真核RNARNA聚合酶聚合酶无校对功能。

4、无校对功能。（一）相关概念（一）相关概念1.1.链的名称链的名称2.2.转录单位：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+14.4.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 转录转录起始位起始位( (pribnow box)pribnow box)-35 -35 区区

5、-10 -10 区区 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

6、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. . for standard promoters; for standard promoters; for heat-shock promoters; for heat-shock promoters; for nitrogen-starvation promoters for nitrogen-starvation promotersStandard

7、Heat-shockNitrogenstarvation2.2.延长延长因子循环因子循环 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RNARNA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暂停前进，时暂停前进， r r - -因子追上酶，与酶因子追上酶，与酶相互作用释放相互作用释放RNARNA。还具有还具有RNA-DNARNA-DNA解螺解螺旋酶旋酶活性。活性。调节序列调节序列起始子起始子GC

8、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 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，抑制其模板功能（低浓度抑制转录，较高浓度物，抑制其

9、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NNNHNN

10、H2NH2SH 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。NNNHNNH2NH2NHNHOOF（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

11、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。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。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 转录初始产物（转录初始产物（hnRNAhnRNA）（一）（一）mRNAmRNA前体的加工前体的加工（1 1）hnRNAh

12、nRNA被剪接，把内含子（被剪接，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）5 5端连接端连接“帽子帽子”结构（结构（m m7 7G G5 5 pppppp5 5 NmpNp-NmpNp-）；）；（2 2）3 3端添加端添加polyA polyA “尾巴尾巴”；多聚腺苷酸聚合酶多聚腺苷酸聚合酶内切酶内切酶加尾信号加尾信

13、号（三）真核（三）真核tRNAtRNA前体的加工前体的加工 大多真核生物基因是大多真核生物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

14、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hnRNAhnRNA的拼接：的拼接：核内小核内小RNA(SnRNA)RNA(SnRNA)与蛋白质组成核糖与蛋白质组成核糖核蛋白体核蛋白体（snRNPsnRNP）的作用的作用(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 19811981年年Cech TCech T在研究在研究四膜虫四膜虫( (Tetrahymena Tetrahymena thermophila) rRNAthermophila) rRNA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

15、酶蛋白质的酶参与作用，它可自我催化完成。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 Tcech 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Rnase PRnase 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

16、生物化学领域中最最令人鼓舞的成就之一。令人鼓舞的成就之一。The M1 RNAin ribonucleaseP is catalyticThe intron inthe pre-rRNA ofTetrahemena is self-spliced1 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。 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

17、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,snRNAnuclear RNA,snRNA）。）。U U系列的系列的snRNAsnRNA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

18、的结合形成的snRNPsnRNP参与参与hnRNAhnRNA的拼的拼接，接，U3 snRNPU3 snRNP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酯环磷酸二酯酶酶激酶激酶激酶激酶连接酶连接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）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

19、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，对细胞其合成后再拼接是一

20、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？收益是什么？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型内含子能产生核酸内切酶，切酶，型内含子能产生核酸内切酶和逆转录酶。以帮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。助内含子的转移。RNARNA拼接的意义拼接的意义

21、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，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

22、进化中已将内含子丢掉。事实上，快速速生长的需要，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。生长的单细胞如酵母，其编码的基因也几乎没有内含子。然而然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存在和拼接作用对生物机体的进化十分重要。降钙素降钙素甲状腺甲状腺脑脑降钙素基因相降钙素基因相关肽关肽返回 1970 1970年年TeminTemin等和等和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分离出逆转录逆转录酶酶，迄今已知的，迄今已知的致

23、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的过程称为逆转录，由逆转录酶催化进行。的过程称为逆转录，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RNARNA病毒的复制过程必然涉及到病毒的复制过程必然涉及到DNAD

24、NA。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 53 3方向合成方向合成DNADNA，底物为四种底物为四种dNTP,dNTP,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，兼有逆转录酶是多功能酶，兼有3 3种酶的活性：种酶的活性： RNARN

25、A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5 53 3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+ 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传递到传递到DNADNA。促进了分子促进了分子生

26、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些学科的工具。录酶已经成为研究这些学科的工具。 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 deficience virus,HIV),human immune deficience virus,HIV),感染感染T T淋巴细胞后即杀死细胞淋巴细胞后即杀死细胞, ,造成宿主机体免疫系统损伤造成宿主机体免疫系统损伤, ,引起艾滋病引起艾滋病( (acquired acquired immuno

27、deficiency syndrome,AIDS)immunodeficiency syndrome,AIDS)，该病毒为该病毒为逆转录病毒。逆转录病毒。（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RNARNA分子的过程称为分子的过程称为RNARNA的复制。的复制。（噬菌体（噬菌体QQ和灰质炎病毒）和灰质炎病毒）（2 2）复制酶的）复制酶的亚基与来自宿主细胞的亚基亚基与

28、来自宿主细胞的亚基 自自 动装配成动装配成RNARNA复制酶，进行复制酶，进行RNARNA复制，通常以分子中复制，通常以分子中 单链单链RNARNA为模板（正链），复制出一条新的为模板（正链），复制出一条新的RNARNA链链 （负链），然后以负链为模板复制出大量正链，再（负链），然后以负链为模板复制出大量正链，再 与外壳蛋白组装成新的噬菌体颗粒。与外壳蛋白组装成新的噬菌体颗粒。 两个阶段两个阶段: : 以四种以四种NTPNTP为底物；为底物； 专一性地选择病毒专一性地选择病毒RNARNA为模板；为模板； 按按5 5 3 3的方向合成病毒的方向合成病毒RNARNA； 无外切酶活性（即无校对功能）

29、。无外切酶活性（即无校对功能）。1 1、病毒含正链、病毒含正链RNARNA：进入宿主细胞后先进行病毒进入宿主细胞后先进行病毒RNARNA复复制酶和有关病毒蛋白质的合成（借助于宿主细胞的蛋白制酶和有关病毒蛋白质的合成（借助于宿主细胞的蛋白质合成体系），然后进行质合成体系），然后进行RNARNA的复制，再装配病毒颗粒的复制，再装配病毒颗粒。如：噬菌体。如：噬菌体Q Q和灰质炎病毒和灰质炎病毒。2 2、病毒含负链、病毒含负链RNARNA和复制酶：和复制酶：这类病毒进入宿主细胞后这类病毒进入宿主细胞后，先进行，先进行RNARNA的复制合成正链的复制合成正链RNARNA，再以正链再以正链RNARNA为模板为模板合成病毒蛋白质合成病毒蛋白质RNARNA，然后装配病毒颗粒。如：狂犬病然后装配病毒颗粒。如