第三章-生物信息传递(上)-从DNA到RNA教学课件

第三章生物信息传递（上）

从DNA到RNA逆转录7/29/20231

转录（transcription)以DNA单链为模板，NTP为原料，在依赖DNA的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。

模板链（templatestrans）或无意义链(antisensestrand)：作为模板，按碱基互补配对原则转录成RNA的DNA链。

编码链（codingstrand）或有意义链(sensestrand)

与模板链互补的非模板链，其编码区的碱基序列与转录产物mRNA的序列相同（仅T、U互换）。7/29/20232编码链（codingstrand）模板链（templatestrans）7/29/20233相同或相似差异转录复制模板DNA模板链转录两股链均可复制原料核苷三磷酸NTPdNTP碱基配对遵从碱基配对原则A-U;T-A;G-CA-T;G-C聚合酶依赖DNA的聚合酶RNA聚合酶DNA聚合酶产物多核苷酸链mRNA,tRNA,rRNA等子代双链DNA特点不对称转录半保留、半不连续复制转录与复制的异同点7/29/20234第一节RNA的转录第二节转录机器的主要成分第三节启动子与转录的起始第四节原核生物与真核生物mRNA特征的比较第五节终止与抗终止第六节内含子的剪切、编辑及化学修释7/29/20235第一节RNA的转录转录的基本过程模板的识别转录的起始通过启动子转录的延伸转录的终止7/29/202367/29/202377/29/20238随机扩散定向取代随机行走模板识别：RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。7/29/20239启动子（promoter)：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。在原核生物中，σ因子辨认-35区，全酶与该区结合形成疏松复合物，继而全酶向-10区及起始位点移动，到起始位点后全酶与DNA结合紧密。7/29/202310全酶-启动子形成闭合二重复合体；闭合复合体转变为开放复合体；整合进最初两个核苷酸，形成一个磷酸二酯键，形成三重复合体；转录的起始原核生物转录的起始7/29/202311通过启动子在酶不需要移动时，即可加入9个核苷酸，但在加入核苷酸过程中，随时可能释放RNA；起始成功后，释放出σ因子。7/29/202312真核生物转录的起始

真核生物有三种RNA聚合酶，分别催化不同RNA的合成，每种酶的作用均需一些蛋白辅助因子的参与，将这些因子称为转录因子。转录因子的命名冠以聚合酶的名称，如RNA聚合酶II所需的转录因子称为转录因子II（transcriptionfactorII,TFII)。

7/29/202313TFs帮助RNA聚合酶识别启动子。TFs(转录因子）必须先与DNA形成复合物，帮助RNA聚合酶定位到转录起始的位点。RNA聚合酶和转录因子在DNA上的定位形成前起始复合物，由于转录因子的作用复合物由封闭型转换成开放型。7/29/2023147/29/202315正常的延伸中，新的磷酸二酯键在特定的活性位点进行；(NMP)n+NTP=(NMP)n+1+PPi转录的延伸7/29/202316出现故障时，RNA聚合酶停止前进并回撤；在RNA的3'端切割，形成新的3'-OH末端；重新开始延伸RNA链。7/29/202317转录的终止RNA聚合酶释放，RNA链释放，DNA恢复成双螺旋状态7/29/202318第二节转录机器的主要成分一、RNA聚合酶RNA聚合酶主要以双链DNA为模板；RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶；每个细胞中约有7000个RNA聚合酶；任何时候大约2000~2500个核心酶执行转录功能。7/29/202319催化中心ββ′α：参与核心酶组装及的启动子识别

全酶α2ββ′ωσ

核心酶

α2ββ′ωσ亚基识别模板链并与启动子结合使转录起始，在转录延伸阶段，σ亚基与核心酶解离，仅由核心酶参与延伸过程。1、原核生物RNA聚合酶与模板DNA、底物NTP及新生RNA链结合7/29/202320

核心酶可以DNA为模板合成RNA，但不能在正确的位点起始。起始必须有σ因子；σ因子能够提高酶和启动子识别的特异性，同时也降低酶和非特异位点的亲和力。σ因子7/29/202321在某些细菌细胞内含有能识别不同启动子的σ因子，以适应不同生长发育阶段的要求，调控不同基因转录的起始。因子基因功能σ70rpoD广泛σ32rpoH热休克σ54rpoN氮代谢7/29/202322Tσ32蛋白部分变性rpoH表达热激蛋白基因转录热激反应正常条件下，核心酶与σ70结合，转录普通基因；温度升高后，新的转录因子表达，激活热激基因的表达。σ32可与σ70竞争核心酶，并可迅速降解。7/29/202323σ因子与核心酶的解离-结合对RNA聚合酶功能的影响核心酶与DNA双链的作用比较松散，结合半寿期约1h。核心酶不区分启动子和其他序列。σ因子加入后，全酶与松散结合位点的结合力下降，半寿期<1s；但与启动子结合可增强1000倍，半寿期达几小时。全酶与启动子结合常数基本反映了启动子的强度。7/29/202324聚合酶前进时，将前端的DNA双链解旋，在后方则重新结合。聚合酶所保护的DNA序列约为40bp，而解旋的DNA区域大约17bp，RNA的3'端大约有20~30个核苷酸与DNA或聚合酶结合，而其中RNA-DNA杂交区仅约9bp。7/29/202325细胞中不同状态RNA聚合酶的数量每个E.coli细胞中含约7000个RNA聚合酶；核心酶主要以松散的闭合复合体为主；足量的σ因子使三分之一的聚合酶以全酶形式存在，主要是在非特异位点的松散复合体和启动子处的紧密（开放）复合体；约2500个核心酶正在进行转录。7/29/202326

2、真核生物RNA聚合酶酶细胞内定位转录产物相对活性对α-鹅膏蕈碱的敏感程度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

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真核生物RNA聚合酶一般由8~16个亚基所组成。其中RNA聚合酶II的两个大亚基（RPB1和RPB2）与细菌核心酶的两个大（β和β'）；（RPB3和RPB11）与α亚基同源；RPB6与ω亚基同源。真核生物RNA聚合酶共性：聚合酶中有两个相对分子质量超过1x105的大亚基；三类聚合酶有“共享”小亚基的倾向。7/29/202328RNA聚合酶I的转录产物是45SrRNA，经剪接修饰后生成除5SrRNA外的各种rRNA。RNA聚合酶II在核内转录生成hnRNA，经剪接加工后生成成熟mRNA被运送到细胞质中作为蛋白质合成的模板。核不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA）：核内未被剪接的有内含子的mRNA前体，或是核内mRNA的初级转录产物。7/29/202329RNA聚合酶III的转录产物是tRNA，5SrRNA，snRNA。SnRNA（smallnuclearRNA），即核内小RNA，主要存在于核内，是核内100~300个核苷酸序列的小型RNA，参与RNA的剪接。7/29/202330蟹爪2个钳子RPB1RPB2RNA聚合酶Ⅱ的结构活性中心由RPB1和RPB2的一些区域共同构成活性中心裂隙位于钳子基部当钳子形结构处于开放状态，启动子DNA序列才能进入，起始基因的转录。7/29/202331RNA聚合酶II自身不能起始转录，需要依靠转录因子的协助。7/29/2023322、转录复合物全酶-启动子形成闭合二重复合体；闭合复合体转变为开放复合体；整合进最初两个核苷酸，形成一个磷酸二酯键，形成三重复合体；在酶不需要移动时，即可加入9个核苷酸，但在加入核苷酸过程中，随时可能释放RNA；起始成功后，释放出σ因子。核心酶、DNA和新生RNA组成转录延伸复合物。7/29/202333RNA聚合酶结合在DNA上时，其长度会发生变化起始复合物（包括σ因子）结合DNA的长度为75～80bp起始延伸复合物结合DNA的长度为55～60bp一般延伸复合物结合DNA的长度为30～40bp7/29/202334DNA转录循环理论1、NTP填补了开放的底物位点，并在活性位点形成磷脂键；2、处于聚合酶中心的核酸发生位移，其是连接区α螺旋结构由笔直变为弯曲再恢复成为笔直状态，为下一轮RNA的合成留出了空的底物位点。Pg747/29/202335

转录因子（transcriptionfactor,TF）：真核生物转录起始过程中，除RNA聚合酶之外的其它辅助因子统称为转录因子。7/29/202336小结一、转录的基本过程模板的识别转录的起始通过启动子转录的延伸转录的终止闭合二重复合体二、转录的主要机器RNA聚合酶转录复合物原核生物真核生物核心酶σ因子开放二重复合体三重复合体转录延伸复合物7/29/202337第三节启动子与转录的起始一、启动子区的基本结构启动子（promoter）：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。7/29/202338

转录单元（transcriptionunit）：是一段从启动子开始到终止子结束的DNA序列，RNA聚合酶从转录起始位点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条RNA链。转录起始位点：是指与新生RNA链第一个核苷酸相对应DNA链上的碱基，研究证实通常为一个嘌呤。7/29/202339转录单元（transcriptionunit）起点（startpoint）上游（upstream）下游（downstream）7/29/202340启动子区的基本结构细菌启动子特征：7/29/202341启动子区的基本结构细菌启动子特征：2、起点上游10bp处，有一约6bp的保守区域，称为-10区（也叫PribnowBox），共有序列为：TATAA；1、起点通常是一个嘌呤；7/29/2023423、起点上游35bp处，有一约6bp的保守区，称为-35区，共有序列为：TTGACA；4、90%的启动子中，-10与-35区的距离在16-19bp之间；两个保守区之间的序列并不重要，但距离很关键。7/29/2023437/29/202344真核生物基因中启动子特征：7/29/202345TATAbox：位于RNA聚合酶II转录起点上游约-35~-25bp处的共同序列TATAAA，绝大多数情况下全部是A-T碱基对，只有少数含有G-C。真核生物基因中启动子特征：CAATbox：在起点上游-78~-70bp处还有另一段共有序列CCAAT，称为CAAT区。7/29/202346GCbox：在起点上游-110~-80bp处有一段富含GC碱基对的序列（GCCACACCC或GGGCGGG），称为GC区。增强子：能强化转录起始频率的DNA序列。7/29/202347二、启动子区的识别

RNA聚合酶对启动子的识别是通过与碱基上的氢键供体和受体在一定距离内互补，形成氢键而实现的。

启动子的功能既受DNA序列的影响，又受其构象的影响。7/29/202348σ70的氨基酸与启动子-10区非模板链特异碱基的结合7/29/202349三、RNA聚合酶与启动子区的结合开链区一般在-9~+13，而酶与启动子结合的区域主要在其上游。二元闭合复合物二元开链复合物7/29/202350四、-10区和-35区的最佳距离-10与-35区的距离在16-19bp之间，否则会降低启动子的活性。即一旦-10与-35区间的超螺旋结构发生改变，RNA聚合酶就难以保持正确的取向。7/29/202351启动子突变下降突变：降低其结构基因转录水平的启动子突变，称为下降突变。上升突变：提高其结构基因转录水平的启动子突变，称为上升突变。7/29/202352五、增强子及其功能增强子或强化子(enhancer)：指能强化转录起始频率的DNA序列。增强子的特点：（1）远距离作用；（2）无方向性；（3）顺式调节；（4）无物种和基因的特异性；（5）具有组织特异性；（6）有相位性；（7）有的增强子可对外部产生信号。7/29/202353六、真核生物启动子对转录的影响真核生物启动子TATA（-35~-25）CAAT（-80~-70）GC（-110~-80）上游启动子元件（UPE）或上游激活序列（UAS）启动子的作用TATA：使转录精确地起始上游启动子元件：控制转录起始频率7/29/2023547/29/202355七、转录的抑制抑制剂DNA模板功能抑制剂，如放线菌素DRNA聚合酶的抑制物，如α-鹅膏蕈碱7/29/202356小结一、启动子区的基本结构原核生物真核生物7/29/202357第四节原核生物与真核生物mRNA特征的比较一、原核生物mRNA的特征1、半衰期短基因的连续性转录和翻译在时间和空间上的一致性7/29/2023582、许多原核生物mRNA以多顺反子的形式存在操纵子（operon）:一组相邻或相互重叠的基因,

在基因转录时协同作用，这样一组基因称为操纵子（operon）。多顺反子（polycistronicmRNA)：编码多个蛋白质的mRNA称为多顺反子mRNA。单顺反子(monocistronicmRNA)：只编码一个蛋白质的mRNA称为单顺反子mRNA。7/29/202359β-半乳糖苷酶透过酶乙酰基转移酶大肠杆菌乳糖操纵子阻遏蛋白7/29/202360mRNAAUG之前的5´端上游非编码区编码区终止密码子之后3´端下游非编码区

在原核生物中，一条mRNA链可编码多个蛋白；而在真核生物中，一条成熟的mRNA链只编码一种蛋白。7/29/202361

在真核生物中一个基因可以编码不同的蛋白质，但一条成熟mRNA链只编码一个蛋白质。7/29/2023623、原核生物mRNA5′端无帽子结构，3′端没有或只有较短的poly(A)结构，在起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处有6个核苷酸的保守序列，被称为SD序列。SD序列在与核糖体的结合过程中起作用。7/29/202363二、真核生物mRNA的特征

基因：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。7/29/2023645′5′Gppp+pppApNpNp...↓5′5′GpppApNpNp...+pp+p在磷酸酶的作用下，将5‘-端的磷酸基水解，由腺苷酸转移酶加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再由鸟嘌呤-7-甲基转移酶对G进行甲基化。新加的G以反方向与5′连接，这一结构称为帽子（cap）结构。1、真核生物mRNA的5'端存在“帽子”结构7/29/202365甲基化只在末端G的7位甲基化的帽子称为帽子0（cap0），写作m7GpppX；若第二个核苷酸2'-OH甲基化，则称为帽子1（cap1），写作m7GpppXm；若第三个核苷酸2’-OH甲基化，则称为帽子2（cap2），写作m7GpppXmpYm。7/29/202366帽子结构的作用:1、提高mRNA的活性及稳定性；2、作为蛋白质合成起始信号的一部分。7/29/202367PolI和polIII在特定的位点终止合成PolII无特定终止位点？2、真核生物mRNA的3’端存在poly(A)尾巴7/29/202368PolII无特定终止位点，3’-OH末端通过在特定位点切割后加上poly(A)来形成。几乎所有真核基因的3’转录终止位点上游15~30bp存在保守序列AAUAAA,该序列作为切割和添加poly(A)位点的信号。7/29/202369特异组分（CutandpolyASpecialfactor,CPSF）识别AAUAAA序列；产生正确的末端结构需要核酸内切酶（由CFI和CFII组成）切割RNA；激发因子CstF，结合在切割位点下游一富含G-U的序列;poly(A)聚合酶（PAP）合成poly(A)尾部。7/29/202370小结二、真核生物mRNA的特征5’端存在“帽子”结构3’端存在poly(A)尾巴一、原核生物mRNA的特征半衰期短许多mRNA以多顺反子的形式存在无帽子和尾巴结构7/29/202371第五节终止和抗终止大肠杆菌的终止子不依赖于ρ因子的终止依赖于ρ因子的终止7/29/202372一、不依赖于ρ因子的终止7/29/202373合成RNA尾部的序列特征：1、二重对称的序列形成发卡结构；在发卡结构的茎基部富含G-C对；发卡结构可减缓或暂停合成；2、尾部有约4~8个连续的U；连续的A-U对使杂交链更容易分离。7/29/2023747/29/202375二、依赖于ρ因子的终止

ρ因子是由rho基因编码，分子量为55KDa的蛋白质，其活性形式为六聚体，在离体条件下有两种活性，一种是解螺旋酶的活性，另一种是NTP酶的活性。ρ因子可结合于自由RNA链，并沿RNA链移动。7/29/202376ρ先结合于终止区上游；沿RNA链移动；RNA聚合酶在终止子处暂停；ρ因子追上聚合酶并使之解离，并拆分RNA-DNA杂交链。7/29/202377结合在正在合成的RNA链的5’端，利用水解NTP释放的能量，从5’端向3’端移动，当RNA聚合酶移动到终止子而暂停时，ρ因子达到RNA的3’-OH端追上并取代了停在终止位点的RNA聚合酶，

ρ因子的解螺旋活性使转录产物RNA链从模板DNA上释放，使转录终止。7/29/202378三、抗终止

1、破坏终止位点RNA的茎环结构

在原核生物中，转录和翻译相偶联。当介质中氨基酸减少时，相对应的携带这种氨基酸的tRNA也减少，使得核糖体不能顺利通过串联密码子，而破坏了mRNA的茎环结构，使得转录不能终止。7/29/202379

2、依赖于蛋白质因子的转录抗终止

λ噬菌体中的N蛋白具有抗转录终止的作用。DNA序列A区（CGCTCTTA）二重对称序列结合N蛋白结合NusARNA聚合酶结合随后NusG，S10，NusB都结合在Nut位点，形成复合物，使RNA聚合酶构象改变，对终止信号不敏感，使RNA链的合成继续。7/29/202380问题转录的基本过程？终止子的类型，它们各自的作用机理？细菌及真核生物启动子的特征？原核生物及真核生物mRNA特征?什么是多顺反子？什么是单顺反子？7/29/202381第六节内含子的剪接、编辑、再编辑及化学修释一、RNA中的内含子不连续基因（interruptedgene，splitgene，断裂基因）：真核生物基因除了与mRNA相对应的编码序列外，还含有一些不编码序列，这样的基因称为不连续基因或断裂基因。不编码序列插在编码序列之间，这些不编码序列在加工为成熟的mRNA时被去除。7/29/202382外显子（exon）：基因中与mRNA一致的序列。一个基因总是以外显子为起点和终点。内含子（intron）：基因中编码序列之间的介入序列，在原初转录物加工为mRNA时被去除。7/29/202383

内含子两端没有长的同源或互补序列，但有极短的保守的共有序列，左端（上游）为GU，右端（下游）为AG。这一现象称为GU-AG规则。左端的位点也叫供体位点（donorsite）或者5'，右端也叫受体位点（acceptorsite）或者3'。7/29/202384内含子的结构特点GU-AG法则3'端附近有一段10~20个嘧啶核苷酸的区域5'端有保守序列5'-GUPuAGU-3'3‘端上游18~50个核苷酸处有保守序列Py80NPy87Pu75APy95（分支位点）3'A/CAGGUPuAGU

A

Pyrich

AGG5'5'剪接位点分支点3'剪接位点内含子外显子外显子7/29/202385剪接体的组装和剪接过程内含子释放进一步与U4、U5、U6三聚体结合，形成60S剪接体U1释放，U5从内含子区移到外显子区，U6结合在5’剪切位点U1结合在5’剪切位点，U2AF结合在多嘧啶区U2结合在分支点，形成剪接前体U4释放，U6/U2催化5’剪切，U5结合在3’剪切位点U2/U5/U6催化3’剪切二、mRNA的剪接7/29/202386内含子的剪接方式有：组成性剪接：在高等真核生物中，内含子通常是有序或组成性地从mRNA前体中被剪接，这种剪接方式称为组成性剪接。变位剪接：又叫选择性剪接，指在剪接过程中可以有选择性地越过某些外显子或某个剪接位点进行变位剪接，产生出不同mRNA，这种剪接方式称为变位剪接。7/29/202387内含子类型细胞内定位GU-AG细胞核，前mRNA（真核）AU-AC细胞核，前mRNA（真核）I类内含子细胞核，前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）内含子的类型7/29/202388I类内含子（GroupI）

出现于低等真核生物四膜虫pre-RNA。在真菌线粒体中很普遍。也存在于噬菌体T4和细菌中。这类内含子具有自我剪接（self-splicing/autosplicing）的能力。7/29/202389

GNP的3’-OH攻击内含子5’端，形成G-内含子，和外显子部分；分离的外显子3’-OH攻击下一个外显子的5’端；释放的内含子3’-OH攻击自身5’端15碱基处。Ⅰ类内含子的剪接主要是转酯反应7/29/202390

具有9个配对区（双螺旋区），其中P4、P7比较保守；P3、P4、P6、P7形成内含子的“核心”，是可进行具催化反应的最小区域；P1包括一段外显子，称为IGS（internalguidesequence）。I类内含子的一般二级结构7/29/202391Ⅱ类内含子主要存在于真核生物的线粒体和叶绿体rRNA基因中。

两步反应都通过酯基转（transesterification）进行。

分支位点A残基2‘-OH攻击5’位点。

上游外显子3‘-OH攻击3’位点。7/29/202392剪接的第一步，分支位点A残基2’–OH攻击内含子5’位点，使内含子5’端与上游外显子之间断裂；5’端与内含子中靠近3’端的一A残基2’-OH形成一索套形中间产物;A所在位点称为分支位点（branchsite）;第二步，上游外显子3’–OH攻击3’位点，在3’位点切割，释放出内含子，连接两个外显子。II类（groupII）内含子的剪接7/29/202393翻译转录末端修饰剪接

RNA剪接、加工均发生于核内。

翻译发生于细胞质中的核糖体上。7/29/202394三、RNA的编辑、再编码及化学修饰1、RNA的编辑指某些RNA，特别是在mRNA中插入、删除或取代一些核苷酸残基，导致DNA所编码遗传信息的改变，从而翻译出多种氨基酸序列不同的蛋白质。结果使成熟mRNA的核苷酸序列不同于前体，也不同于DNA模板，使遗传信息在mRNA水平上发生改变。7/29/202395介导RNA编辑的机制有两种：a、脱氨基作用b、引导RNA指导的尿嘧啶插入或删除7/29/202396(1)、单碱基突变(脱氨基作用）载脂蛋白基因在动物肝脏和小肠中的表达。CU转变通过脱氨反应进行，由脱氨酶催化。载脂蛋白mRNA的编辑7/29/202397

细胞色素氧化酶II蛋白的序列与其基因相比，发生了移码（frameshift）。移码是通过在移码位点附近插入4个U形成。(2)、尿苷酸的缺失和添加7/29/202398

指导RNA（guideRNA）：指导RNA编辑的小分子RNA，又称向导RNA。长度大约是60~80个核苷酸，中间有一段与被编辑mRNA相当程度互补的序列。7/29/202399利什曼原虫（Leishmania）的细胞色素b基因表达时的RNA编辑

指导RNA上存在一些未能配对的腺嘌呤，形成缺口，为插入尿嘧啶提供了模板。7/29/2023100RNA编辑的生物学