第五章 生物信息传递

第五章生物信息的传递

--从DNA到RNA基本概念转录的基本过程转录机器的主要成分原核生物与真核生物mRNA的特征比较终止和抗终止内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰内容提要：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。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。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。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。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：5'3'参与原核细胞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。

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）。模板链并非永远在同一条单链上转录方向5

3

3

5

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。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（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。

原核生物启动子结构

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。）

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）。大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区T85T83G81A61C69A52T89A89T50A65A100典型启动子的结构-35-10转录起点TTGACA16-19bpTATAAT5-9bp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。PromoterscontaindifferentcombinationsofTATAboxes,CAATboxes,GCboxes,andotherelements.PromotersforRNApolymeraseIIhaveshortsequenceelements

UpstreamtranscriptionfactorsbindtosequenceelementsthatarecommontomammalianRNApolymeraseIIpromoters.PromotersforRNApolymeraseIIhaveshortsequenceelementsModuleConsnesusDNAboundFactorTATAboxTATAAAA~10bpTBPCAATboxGGCCAATCT~22bpCTF/NF1GCboxGGGCGG~20bpSP1OctamerATTTGCAT~20bpOct-1OctamerATTTGCAT~23bpOct-2kBGGGACTTTCC~10bpNFkBATFGTGACGT~20bpATF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）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T85A97T93A85A63A83A502、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；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。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。

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。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。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。

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。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。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。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

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。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。

终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关，长度效率依赖

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。转录的基本过程转录的抑制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。四、转录后加工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)。mRNA的加工(真核生物)5’端加帽3’端加尾RNA的剪接RNA的编辑

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

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’