第五章生物信息传递详解

第五章生物信息传递详解演示文稿当前第1页\共有77页\编于星期五\22点优选第五章生物信息传递当前第2页\共有77页\编于星期五\22点现代分子生物学的最基本原理：

基因作为惟一能够自主复制、永久存在的单位，其生物功能是以蛋白质的形式表达出来的。所以，DNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成信使RNA、翻译生成蛋白的过程来控制生命现象。当前第3页\共有77页\编于星期五\22点基因表达包括转录和翻译两个阶段。

转录是指拷贝出一条与DNA链序列完全相同（T/U）的RNA单链的过程，是基因表达的核心。

翻译是指以新生的mRNA为模板，把核苷酸三联体密码子翻译成氨基酸序列、合成多肽链的过程，是基因表达的最终目的。当前第4页\共有77页\编于星期五\22点一、基本概念即生物体以DNA为模板合成RNA的过程。转录RNADNA

转录(transcription)：DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中的过程称为转录。转录产物有mRNA，

tRNA和rRNA。mRNA不能自我复制，即其本身不能作为复制模板，因此在转录过程中即使出现某些差错，也不会遗传下去。当前第5页\共有77页\编于星期五\22点转录的基本过程P67无论是原核还是真核细胞，转录的基本过程都包括：模板识别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和终止。全酶上的因子辨认DNA模板上的起始位点，使全酶结合在起始位点上形成全酶-DNA复合物，从而开始“起始反应”；转录开始后，因子立即从复合物上脱落，由核心酶催化RNA的合成；当转录到一定长度时，终止因子识别模板上的终止信号，终止转录，释放转录产物。当前第6页\共有77页\编于星期五\22点当前第7页\共有77页\编于星期五\22点参与转录的物质原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶其他蛋白质因子RNA合成方向：5'3'当前第8页\共有77页\编于星期五\22点参与原核细胞RNA复制的酶类及有关因子DNA指导下的RNA聚合酶（RNApolymerases）:以四种NTP为底物，在双链DNA模板的指导下，以Mg2+、Mn2+为辅助因子，按碱基互补原则，把NTP逐个从单核苷酸3’-OH末端加上去，形成3’-5’的磷酸二酯键，合成的RNA链按5’-3’方向延长，且与模板链反向平行。不需要引物，且无校正功能。催化反应速度很快，在37℃时RNA链的延伸可达40个核苷酸/秒。

当前第9页\共有77页\编于星期五\22点真核细胞RNA聚合酶的性质与大肠杆菌RNA聚合酶相似。真核细胞中转录速度很快，在37℃时RNA链的延伸可达2500个核苷酸/分。

RNA聚合酶所合成的RNA（前体）分布IIIIIIrRNA(5.8s,18s,28s)mRNAtRNA,5sRNA核仁核质核质参与真核细胞RNA复制的酶类及有关因子当前第10页\共有77页\编于星期五\22点转录的不对称性：

在RNA的合成中，DNA的两条链中仅有一条链可作为转录的模板，称为转录的不对称性。编码链与模板链与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链（codingstrand）或称有意义链（sensestrand）；将另一条根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为模板链（templatestrand）或称反意义链（antisensestrand）。当前第11页\共有77页\编于星期五\22点当前第12页\共有77页\编于星期五\22点模板链并非永远在同一条单链上转录方向5335模板链编码链编码链模板链转录方向转录单元（transcriptionunit）一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。当前第13页\共有77页\编于星期五\22点二、参与转录起始的关键酶与元件（一）RNA聚合酶

原核生物RNA聚合酶（大肠杆菌为例）全酶=核心酶+σ因子当前第14页\共有77页\编于星期五\22点当前第15页\共有77页\编于星期五\22点大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析亚基基因相对分子量亚基数组分功能αrpoA365002核心酶核心酶组装，启动子识别βrpoB1510001核心酶β和β'共同形成RNA合成的活性中心β'rpoC1550001核心酶β和β'共同形成RNA合成的活性中心ω？110001核心酶？σrpoD700001σ因子存在多种σ因子，用于识别不同的启动子当前第16页\共有77页\编于星期五\22点真核生物RNA聚合酶P71酶位置转录产物相对活性对α-鹅膏蕈碱的敏感性RNA聚合酶Ⅰ核仁rRNA50-70%不敏感RNA聚合酶Ⅱ核质hnRNA20-40%敏感RNA聚合酶Ⅲ核质tRNA约10%存在物种特异性真核细胞的三种RNA聚合酶特征比较当前第17页\共有77页\编于星期五\22点RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大，4.8×105dol小，1.09×105dol引物无有产物较短，游离较长，与模板以氢键相连作用方式一条链的某一段两条链同时进行外切酶活性无5’3’，3’5’校对合成能力无有修复能力无有当前第18页\共有77页\编于星期五\22点（二）启动子(promoter)启动子定义：指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。当前第19页\共有77页\编于星期五\22点

原核生物启动子结构当前第20页\共有77页\编于星期五\22点

TTGACA区：提供了RNA聚合酶全酶识别的信号，酶的结合位点。TATA区：Pribnowbox，酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开。）

当前第21页\共有77页\编于星期五\22点编码链AACTGTATATTA模板链TTGACATATAAT3’5’DNA转录起始点Pribnow盒子启动子35

10

+1转录区5’3’RNA转录起点与新生RNA链第一个核甘酸相对应DNA链上的碱基（通常为嘌呤）。当前第22页\共有77页\编于星期五\22点大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区T85T83G81A61C69A52T89A89T50A65A100当前第23页\共有77页\编于星期五\22点典型启动子的结构-35-10转录起点TTGACA16-19bpTATAAT5-9bp当前第24页\共有77页\编于星期五\22点真核生物启动子真核生物中有三种不同的RNA聚合酶，因此也有三种不同的启动子和相关元件，其中以启动子Ⅱ最为复杂：有多种转录因子识别和结合元件；结构不恒定，不同启动子中各种元件的位置、序列、距离和方向都不完全相同，有的有远距离的调控元件存在，如增强子，这些元件常常起到控制转录效率和选择起始位点的作用；不直接和RNA聚合酶结合，转录时先和其他转录激活因子相结合，再和聚合酶结合。当前第25页\共有77页\编于星期五\22点PromoterscontaindifferentcombinationsofTATAboxes,CAATboxes,GCboxes,andotherelements.PromotersforRNApolymeraseIIhaveshortsequenceelements

当前第26页\共有77页\编于星期五\22点UpstreamtranscriptionfactorsbindtosequenceelementsthatarecommontomammalianRNApolymeraseIIpromoters.PromotersforRNApolymeraseIIhaveshortsequenceelementsModuleConsnesusDNAboundFactorTATAboxTATAAAA~10bpTBPCAATboxGGCCAATCT~22bpCTF/NF1GCboxGGGCGG~20bpSP1OctamerATTTGCAT~20bpOct-1OctamerATTTGCAT~23bpOct-2kBGGGACTTTCC~10bpNFkBATFGTGACGT~20bpATF当前第27页\共有77页\编于星期五\22点真核生物启动子的结构核心启动子（corepromoter）上游启动子元件（upstreampromoterelement，UPE）当前第28页\共有77页\编于星期五\22点1、核心启动子定义：指保证RNA聚合酶Ⅱ转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游TATA区。

作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始TATA常在-25bp左右，相当于原核的-10序列T85A97T93A85A63A83A50当前第29页\共有77页\编于星期五\22点2、上游启动子元件

包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等

作用：控制转录起始频率。CAAT：-70~-80bpGGGCGG：-80~-110bp当前第30页\共有77页\编于星期五\22点增强子及其功能P78增强子：一类可促进起始的序列，处于上游或下游区离起始点很远的地方，这类序列所组成的元件称为增强子。

增强子特点：①增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加10-200倍②增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以什么方向排列（5’→3’或3’→5’），甚至和靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表现出增强效应；③大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），该序列是产生增强效应时所必需的；当前第31页\共有77页\编于星期五\22点④增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明增强子只有与特定的蛋白质（转录因子）相互作用才能发挥其功能；⑤没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应；⑥有相位性，其作用和DNA的构象有关；⑦许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。当前第32页\共有77页\编于星期五\22点转录起始复合物P73原核生物转录1.RNApol全酶与启动子结合形成封闭复合物。2.DNA构象变化，形成开放复合物。3.开放复合物在两个NTP之间形成磷酸二酯键。4.因子解离。当前第33页\共有77页\编于星期五\22点

转录因子转录复合体TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIFPolIITFIIERNApolⅡ的转录起始真核生物转录起始复合物当前第34页\共有77页\编于星期五\22点三、转录的基本过程1、起始位点的识别：RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。2、转录起始

RNA链上第一个核苷酸键的产生。当前第35页\共有77页\编于星期五\22点启动子是DNA分子可以与RNA聚合酶特异结合的部位，也就是使转录开始的部位。在基因表达的调控中，转录的起始是个关键。常常某个基因是否应当表达决定于在特定的启动子的起始过程。DNA链上从启动子直到终止子为止的长度称为一个转录单位。一个转录单位可以包括一个基因，也可以包括几个基因。当前第36页\共有77页\编于星期五\22点启动子选择阶段聚合酶全酶对启动子的识别：聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭复合物（closedcomplex）。伴随着DNA构象的变化，封闭复合物变成开放复合物（opencomplex），聚合酶全酶所结合的DNA序列中有一小段双链被解开。开放复合物与最初的两个NTP相结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RNA聚合酶、DNA和新生RNA的三元复合物。

当前第37页\共有77页\编于星期五\22点一般情况下，该复合物可以进入两条不同的反应途径：一是合成并释放2~9个核苷酸的短RNA转录产物，即所谓的流产式起始；二是尽快释放亚基，转录起始复合物通过上游启动子区并生成由核心酶、DNA和新生RNA所组成的转录延伸复合物。启动子的识别要靠因子来完成。当前第38页\共有77页\编于星期五\22点3、RNA链的延伸亚基脱落，RNA聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。当前第39页\共有77页\编于星期五\22点RNA链的延伸阶段开始后，σ因子即从核心酶-DNA-新生RNA复合体上解离下来，并可再用于和新的核心酶结合。

一般认为，σ因子被解离是因为此时它已不起作用了，或是因为σ因子的存在会造成RNA聚合酶与启动子序列结合过紧，以致不能沿着模板移动。所以当新生链-酶复合体与DNA模板的结合很弱，并且酶亦不再要求与特异序列的DNA结合时，链的延伸才能达到最佳状态。当前第40页\共有77页\编于星期五\22点RNA聚合酶起始基因转录后，它就会沿着模板5’—3’方向不断移动，合成RNA链，直到碰上终止信号时才与模板DNA相脱离并释放新生RNA链。终止发生时，所有参与形成RNA-DNA杂合体的氢键都必须被破坏，模板DNA链才能与有意义链重新组合成DNA链。4、转录终止当前第41页\共有77页\编于星期五\22点

终止子（terminator）强终止子－内部终止子弱终止子－需要ρ因子（rhofactor）又称为ρ依赖性终止子（Rho-dependentterminator）不依赖Rho(ρ)因子的转录终止依赖Rho(ρ)因子的转录终止当前第42页\共有77页\编于星期五\22点不依赖因子的终止子

终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的二重对称区，RNA形成发夹结构；在终止位点前面有一段由4-8个A组成的序列，RNA的3’端为寡聚U。当前第43页\共有77页\编于星期五\22点发夹式结构和寡聚U的共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。当前第44页\共有77页\编于星期五\22点

终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关，长度效率当前第45页\共有77页\编于星期五\22点依赖因子的终止因子：六聚体蛋白、水解各种核苷三磷酸促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。当前第46页\共有77页\编于星期五\22点当前第47页\共有77页\编于星期五\22点转录的基本过程当前第48页\共有77页\编于星期五\22点转录的抑制DNA模板功能抑制剂：通过与DNA结合而改变模板的功能。放线菌素D。RNA聚合酶抑制物：与RNA聚合酶结合而抑制其活力。利福霉素、利迪霉素、α-鹅膏蕈碱。当前第49页\共有77页\编于星期五\22点四、转录后加工当前第50页\共有77页\编于星期五\22点不论原核或真核生物的rRNA和tRNA都是以更为复杂的初级转录体形式被合成的，然后才能加工成为成熟的RNA分子。然而绝大数原核生物的mRNA却不需加工，仍为初级转录体的形式。相反，真核生物从断裂基因产生的mRNA要经过复杂的加工历程，包括去除内含子的剪接反应(splicing)。当前第51页\共有77页\编于星期五\22点当前第52页\共有77页\编于星期五\22点mRNA的加工(真核生物)5’端加帽3’端加尾RNA的剪接RNA的编辑当前第53页\共有77页\编于星期五\22点当前第54页\共有77页\编于星期五\22点

5’端的一个核苷酸总是7-甲基鸟核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5’端的这种结构称为帽子（cap）。1、在5’端加帽当前第55页\共有77页\编于星期五\22点

帽子结构功能：

①能被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核糖体的结合；②m7Gppp结构能有效地封闭mRNA5’末端，以保护mRNA免受5’核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定性。当前第56页\共有77页\编于星期五\22点2、3’端加尾多聚腺苷酸尾巴AAUAAA：★准确切割★加poly（A）Poly-A尾巴功能：提高mRNA在细胞质中的稳定性。当前第57页\共有77页\编于星期五\22点3、RNA的剪接P96RNAsplicingistheprocessofexcisingthesequencesinRNAthatcorrespondtointrons,sothatthesequencescorrespondingtoexonsareconnectedintoacontinuousmRNA.

当前第58页\共有77页\编于星期五\22点生物体内内含子的主要类型：

GU-AG、AU-AC、Ⅰ类内含子、Ⅱ类内含子当前第59页\共有77页\编于星期五\22点mRNA前体的剪接

5’..AAGUAAGU…….CURAY..(10-40)…(U/C)11NCAGG….3’IntronexonexonPolyprimidine内含子5’边界序列为GU（供体衔接点的5’端），3’边界序列为AG（受体衔接点的3’端）。当前第60页\共有77页\编于星期五\22点参与RNA剪接的物质：snRNA（核内小分子RNA）snRNP（与snRNA结合的核蛋白）许多相对分子质量较小（106-185bp）的核内RNA以及与这些RNA相结合的核蛋白(snRNP)参与RNA的剪接。mRNA链上每一个内含子的5’和3’端分别与不同的snRNP相结合，形成RNA和RNP复合物。当前第61页\共有77页\编于星期五\22点当前第62页\共有77页\编于星期五\22点Ⅰ类内含子的自我剪接P98核酶（RibozymeRNA）：有酶活性的RNA（RNA性质的酶）。L19RNA当前第63页\共有77页\编于星期五\22点Ⅱ类内含子的自我剪接当前第64页\共有77页\编于星期五\22点4、RNA的编辑P99编辑（editing）是指转录后的RNA在编码区发生碱基的突变、加入或丢失等现象。当前第65页\共有77页\编于星期五\22点C变为U碱基的突变当前第66页\共有77页\编于星期五\22点尿苷酸的缺失和添加在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸，1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象。当前第67页\共有77页\编于星期五\22点锥虫coxII基因的编辑当前第68页\共有77页\编于星期五\22点尿苷酸的缺失和添加当前第69页\共有77页\编于星期五\22点五、原核生物与真核生物mRNA的特征比较1、原核生物mRNA的特征半衰期短