生物信息的传递（上）-从DNA到RNA

1、南京农业大学 生命科学学院分 子 生 物 学第三章 生物信息的传递（上）从DNA到RNA本章将介绍生物信息的传递的上半部分，即转录从DNA到RNA。2022/8/292南京农业大学 生命科学学院第三章 生物信息的传递（上）基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，其生理学功能以蛋白质形式得到表达。DNA序列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mRNA，翻译生成蛋白质的过程控制所有生命现象。2022/8/293南京农业大学 生命科学学院第三章 生物信息的传递（上）转录（transcription）生物体以DNA为模板合成RNA的过程。转录后得到的RNA要经过加工才能变成成熟

2、的mRNA转录产物还可以变为rRNA和tRNA。参 与 转 录 的 物 质：底物 : 4种NTP ( ATP, UTP, GTP, CTP ) 模板 : DNA 酶 : RNA聚合酶其他蛋白质因子2022/8/294南京农业大学 生命科学学院第三章 生物信息的传递（上）第一节 转录的基本过程第二节 转录机器的组成第三节 启动子与转录起始第四节 原核与真核生物 mRNA的特征比较第五节 终止与抗终止第六节 mRNA的加工2022/8/295南京农业大学 生命科学学院第一节 转录的基本过程无论在原核还是真核细胞中，RNA链的合成都具有以下几个特点：RNA按53方向合成以DNA双链中的反义链为模板不

3、需要引物参与合成的RNA有与DNA编码链相同的序列（A-U）转录的基本过程包括：模板的识别，转录起始，转录延伸，转录终止2022/8/29南京农业大学 生命科学学院6第一节 转录的基本过程1. 模板的识别模板的识别阶段主要指RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。启动子是基因转录起始所必需的一段DNA序列，是基因表达调控的上游顺式作用元件之一。真核细胞中的模板识别与原核细胞有所不同，需要一些转录调控因子（辅助蛋白），RNA聚合酶才能识别启动子并形成转录前起始复合物（PIC）。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院72022/8/29南京农业大学 生命科学学院82. 转录

4、起始RNA聚合酶结合到启动子上以后，使启动子附近的DNA解旋并解链，形成转录泡以促使核糖核苷酸与模板DNA配对。转录起始即是RNA链上第一个核苷酸链的产生。无需引物。起始后直到形成9个核苷酸的过程是通过启动子阶段，此时RNA聚合酶一直在启动子处，之后进入正常延伸。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院93. 转录延伸转录延伸即是RNA聚合酶释放因子离开启动子后，核心酶沿着模板DNA移动并使新生RNA链不断伸长的过程。4. 转录终止当RNA链延伸到终止位点时，RNA将停止合成，转录泡瓦解，DNA链复原，新生RNA链和RNA聚合酶将被释放下来。这即是转录终止。第二节 转录机器的组成转录机器即

5、是转录复合物，其最核心成分是RNA聚合酶。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院10第二节 转录机器的组成1. RNA聚合酶RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶。原核和真核生物的RNA聚合酶虽然都能催化RNA的合成，但在其分子组成、种类和生物化学特性上各有特色。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院11第二节 转录机器的组成1. RNA聚合酶原核生物RNA聚合酶在细菌中，一种RNA聚合酶几乎负责所有mRNA、rRNA和tRNA的合成。大肠杆菌RNA聚合酶：2个亚基1个亚基1个亚基1个亚基2022/8/29南京农业大学 生命科学学院12核心酶全酶原核生物RNA聚合酶转录的其实过程需要全

6、酶，延伸过程仅需要核心酶。各亚基的功能：亚基和亚基组成了聚合酶的催化中心，它们在序列上与真核生物RNA聚合酶的两个大亚基同源。 亚基能与模板DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合。亚基可能与核心酶的组装及启动子的识别有关，并参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院13各亚基的功能：因子的作用是负责模板链的选择与转录的起始，它是酶的别构效应物，使酶专一性识别启动子。提高酶对启动子的亲和力，酶底结合常数提高103倍降低酶对非专一性位点的亲和力，非特异性结合常数降低104倍某些细菌内含有能识别不同启动子的因子。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院

7、14第二节 转录机器的组成1. RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶在真核生物中共有3类RNA聚合酶。真核生物RNA聚合酶一般由8-16个亚基所组成，相对分子质量超过5105 。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院15酶位置转录产物相对活性对-鹅膏蕈的敏感性RNA聚合酶核仁28s,18s,5.8s rRNAs5070%不敏感RNA聚合酶核质hnRNA,mRNA,某些SnRNAs2040%高度敏感RNA聚合酶核质tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs10%存在物种特异性第二节 转录机器的组成1. RNA聚合酶其它RNA聚合酶除了前述两种RNA聚合酶，还有：T3和T7噬菌体RNA聚合酶。仅有

8、一条多肽链组成，相对分子质量小于1105。线粒体RNA聚合酶。仅有一条多肽链组成，相对分子质量小于7104，与T7噬菌体RNA聚合酶有同源性。叶绿体RNA聚合酶。结构比较大，与细菌RNA聚合酶相似，由多个亚基组成。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院16第二节 转录机器的组成2. 转录复合物在转录的不同阶段，RNA聚合酶将同DNA结合，形成不同的复合物：在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭二元复合物。接着，结合处DNA双链解开，封闭复合物变为开放二元复合物。转录开始，由RNA聚合酶、DNA和新生RNA形成三元复合物。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院17第二节 转录机

9、器的组成2. 转录复合物除RNA聚合酶外，真核生物转录还需要至少7中辅助因子参与。这些蛋白辅助因子统称转录因子。一般情况下，三元复合物进入以下两条途径：合成并释放2-9nt的短RNA转录物，即流产式转录。尽快释放亚基，转录起始复合物通过启动子区域形成转录延伸复合物。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院18第三节 启动子与转录起始1. 启动子区的基本结构启动子是一段位于结构基因5端上游区的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确地结合，并具有转录起始的特异性。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院19第三节 启动子与转录起始1. 启动子区的基本结构原核生物中经对启动子的

10、比较，它们有共有序列：在上游10bp处为TATAAT，又称为Pribnow盒在上游35bp处为TTGACA。T82T84G78A65C54A45 T80A95T45A60A50T96 2022/8/29南京农业大学 生命科学学院20第三节 启动子与转录起始1. 启动子区的基本结构真核生物中：TATA序列(TATA box)：位于-25-35，使转录精确地起始，TATA序列也叫核心启动元件。CCAAT序列(CAAT box) ：位于-70-80，CAAT区主要控制转录起始频率。GCCACACCC或GGGCGGG序列（GC box）：位于-110 -80，主要控制转录起始频率。并非每个基因中都包含

11、这3个区域。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院21第三节 启动子与转录起始2. 启动子区的识别RNA聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过氢键互补的方式加以识别。在启动子区DNA双螺旋结构中，存在特定方位的氢键供体和受体（碱基上的基团），能与酶分子内也处于特定空间构象的氢键受体与供体结合，从而相互识别。3. RNA聚合酶与启动子区的结合在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭二元复合物。接着，结合处DNA双链解开，封闭复合物变为开放二元复合物。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院22第三节 启动子与转录起始4. -10区与-35区的最佳距离原核生物中， -10区与-35区

12、之间的距离大约是1619bp，小于15bp或大于19bp都会降低启动子的活性。细菌中常见的两种突变：下降突变：如果Pribnow区从TATAAT变为AATAAT就会大大降低其结构基因的转录水平。上升突变：即增加Pribnow区共同序列的同一性。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院23第三节 启动子与转录起始4. -10区与-35区的最佳距离原核生物中， -10区与-35区之间的距离大约是1619bp，小于15bp或大于19bp都会降低启动子的活性。细菌中常见的两种突变：下降突变：如果Pribnow区从TATAAT变为AATAAT就会大大降低其结构基因的转录水平。上升突变：即增加Prib

13、now区共同序列的同一性。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院24第三节 启动子与转录起始5. 增强子及其功能增强子是长约100200bp的序列，它们与启动子不同，可以位于转录起始位点的上游，也可位于其下游。增强子具有增加启动子的作用，与启动子一起都可视为基因表达调控中的顺式 作用元件，可与转录 因子和 RNA聚合酶结 合，启动并调节基因 转录。 2022/8/29南京农业大学 生命科学学院25第三节 启动子与转录起始5. 增强子及其功能增强子的特点：远距离效应。一般位于上游-200bp处。无方向性。可位于靶基因的上游、下游或内部。顺式调节。只调节位于同一染色体上的靶基因。无物种和基因

14、特异性。可连接到异源基因上发挥作用。有组织特异性。需要特定的蛋白因子参与。有相位性。其作用与DNA的构想有关。有的增强子可以对外部信号产生反应。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院26第三节 启动子与转录起始6. 转录的抑制转录抑制剂根据其作用性质主要可以分为两大类：DNA模板功能抑制剂，与DNA结合而改变模板的功能。RNA聚合酶抑制剂，与RNA聚合酶结合而抑制其活力。除上述抑制剂外，还有一些嘌呤和嘧啶的类似物，如5-氟尿嘧啶等，可以作为核苷酸代谢拮抗物来抑制核酸前体的合成。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院27抑制剂靶酶抑制作用利福霉素细菌的全酶与亚基结合，阻止起始链霉溶菌

15、素细菌的核心酶与亚基结合，阻止延长放线菌素D真核RNA聚合酶与DNA结合，并阻止延长-鹅膏蕈碱真核RNA聚合酶与RNA聚合酶结合第四节 mRNA的特征1.原核生物mRNA的特征原核生物mRNA半衰期短许多原核生物mRNA可能已多顺反子的形式存在5端无帽子结构，3端没有或只有较短的poly(A)结构起始密码子常为AUG，有时也为GUG，甚至UUG2022/8/29南京农业大学 生命科学学院28第四节 mRNA的特征1.原核生物mRNA的特征存在SD序列(Shine-Dalgarno sequence)。原核生物起始密码子AUG上游712个核苷酸处的一段保守序列，与16S rRNA端3端反向互补，

16、被认为在核糖体-mRNA的结合过程中起作用。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院29第四节 mRNA的特征2. 真核核生物mRNA的特征：单顺反子5端存在帽子结构。3端具poly(A)尾巴 （除组蛋白基因外）起始密码子仅为AUG2022/8/29南京农业大学 生命科学学院305 m7GpppNmNm AUG poly A 3非编码区长度不一编码区几百-几千核苷酸非编码区100-250核苷酸UGAUAGUAA真核生物mRNA的结构模式2022/8/29南京农业大学 生命科学学院312. 真核核生物mRNA的特征5端加帽反应在转录早期即已完成。帽子结构有三种不同甲基化形式。帽子的作用可能使

17、mRNA免遭核酸酶的破坏。甲基化的帽子也可能是蛋白质合成起始信号的一部分。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院322. 真核核生物mRNA的特征多聚尾巴是在转录后，由内切酶切开mRNA3端的特定部位，然后由poly A 聚合酶催化多聚腺苷酸反应。Poly A是mRNA进入胞质必需的形式，增强稳定性。mRNA刚进入进入胞质时，poly A尾巴较长，随时间推移将变短直至消失，随后mRNA将降解。第五节 终止和抗终止至目前为止，尚未发现某一特定位点具有特异的转录终止功能。RNA终止时，3端核苷酸如何定位？根据转录终止是否需要辅助因子，可将终止子分为两类： 不依赖于因子的终止 依赖于因子的终止

18、2022/8/29南京农业大学 生命科学学院33第五节 终止和抗终止1. 不依赖于因子的终止此类终止反应中，无任何其它因子参与。模板中存在终止转录的特殊信号终止子，又称内在终止子（intrinsic termation）每个基因或操纵子都有一个启动子和一个终止子。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院34第五节 终止和抗终止1. 不依赖于因子的终止内在终止子的特点：终止位点上游一般存在一段富含GC碱基的二重对称区，其转录生成的mRNA容易互补形成的发卡式结构。终止位点上游一般有48个A组成的序列，转录生成的mRNA的3末端中相应的有一连串U序列。2022/8/29南京农业大学 生命科学学

19、院352022/8/29南京农业大学 生命科学学院361. 不依赖于因子的终止新生RNA中出现发卡结构可导致RNA聚合酶暂停，破坏RNA-DNA杂合链5端正常结构，寡聚U是杂合链3端部分出现不稳定rUdA区域。新生RNA链将解离出来。终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院372. 依赖于因子的终止有些终止点的DNA序列缺乏共性，不能诱导转录的自发终止，需要因子的参与。“穷追”模型大肠杆菌-依赖型终止子占所有终止子的一半左右。第五节 终止和抗终止3. 抗终止2022/8/29南京农业大学 生命科学学院38由于不同生理要求，转录过程中有时即使遇到终止

20、信号，仍需要继续转录的现象。第五节 终止和抗终止3. 抗终止两种类型：破坏终止位点RNA的茎-环结构当介质中某一氨基酸的浓度较低时，缺乏相应氨酰-tRNA，将致使核糖体滞留在串联密码子上，mRNA不能形成特定的二级结构，末端茎-环结构被破坏，因此转录仍将继续进行，出现抗终止现象。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院392022/8/29南京农业大学 生命科学学院403. 抗终止依赖于蛋白质因子的转录抗终止蛋白复合物形成后，将会改变聚合酶的构象，使之对终止信号不敏感，从而抗终止。第六节 mRNA的加工转录产生的RNA要经过剪接、编辑、再编码及化学修饰等加工过程才能变成有活性的RNA分子。

21、2022/8/29南京农业大学 生命科学学院41第六节 mRNA的加工转录作用产生出的 mRNA、tRNA及rRNA的初级转录本全是前体RNA或核不均一RNA(hn RNA, hetero-geneous nuclear RNA)，而不是成熟的RNA，它们没有生物学活性，还要在酶的作用下，进行加工才能变为成熟的、有活性的RNA。 RNA的加工过程主要是在细胞核内进行，也有少数反应是在胞质中进行。 2022/8/29南京农业大学 生命科学学院42第六节 mRNA的加工1. RNA中的内含子真核生物的基因往往是断裂的基因，其转录所形成的RNA前体要经过剪切，将内含子切除后，将外显子拼接起来才能形成

22、成熟的mRNA。真核基因平均含810个内含子，前体分子一般比成熟mRNA大410倍。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院431. RNA中的内含子内含子两端边界存在共有序列：（GU-AG法则）在内含子内部部分序列也可能参与内含子的剪接，他们可能是pre-mRNA剪接过程中各种核糖核蛋白剪接调节因子的结合位点。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院442. mRNA的剪接许多相对分子质量较小的核内RNA（如U1，U2，U3，U4，U5和U6）以及与这些RNA相结合的核蛋白参与RNA的剪接。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院452022/8/29南京农业大学 生命科学学院462. mRNA的剪接内含子的末端识别有内含子限定和外显子限定两种方式。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院472. mRNA的剪接生物体内各种内含子：与mRNA前体中主要（GU-AG类）和次要（AU-AC类）内含子剪接方式不同，I、II类内含子能进行自我剪接。2022/8/29南京农业大学 生命科学学院48内含子类型细胞内定位GU-AG细胞核，pre-mRNA（