第三章 第一讲 生物信息的传递(上)从DNA到RNA

第三章生物信息的传递（上）—从DNA到RNA

RNA的转录启动子与转录起始原核生物与真核生物mRNA的特征比较终止和抗终止

RNA加工第一节RNA的转录一、概述二、转录机器的主要成分三、转录的基本过程基因蛋白质转录翻译生物性状RNA一、概述转录：在细胞核内，以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则合成一条与DNA链互补的RNA单链的过程。TCATGATTAAG

T

AC

TA

A

T

DNA的平面结构图细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

DNA的一条链AGCUGACGGUUU游离的核糖核苷酸

(原料）DNA解旋，以一条链为模板合成RNA细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

AGCUGACGGUUU

DNA与RNA的碱基互补配对：A——U；T——A；C——G；G—CRNA聚合酶细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

AGCGACGGUUUU

组成

RNA的核糖核苷酸一个个连接起来细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUUUA细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGUUGUUA细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGUGUUAA细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUAAU细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUAAUA细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGCGGUUAAUAU细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GGCGGUUAAUAUC细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GGCGGUUAAUAUCDNA上的遗传信息就传递到mRNA上mRNADNA细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

UCAUGAUUAmRNA

细胞质

细胞核

核孔DNAmRNA在细胞核中合成AG

T

AC

TA

A

T

UCAUGAUUAmRNA

细胞质

细胞核mRNA通过核孔进入细胞质UCAUGAUUAmRNAmRNA：(messenger)编码了一个或多个蛋白质序列；tRNA：(transfer)把mRNA上的遗传信息变为多肽中的氨基酸信息；rRNA：(ribosomal)是合成蛋白质的工厂核糖体中的主要成分。hnRNA：(heterogeneousnuclear)由DNA转录生成的原始转录产物，即前体mRNA。

snRNA：(smallnuclear)在前体mRNA加工中，参与去除内含子。

snoRNA：(small

nucleolar)核仁小RNA，主要参与rRNA及其它RNA的修饰、加工、成熟等过程。

scRNA：细胞质小RNA(small

cytoplasmic)主要在蛋白质合成过程起作用。其他非编码RNA：按大小分：(1)21～25个核苷酸的RNA,包括微小RNA即microRNA(miRNA)和小干扰RNA(smallinterferingRNA（siRNA）。(2)100～200个核苷酸的smallRNA(sRNA),往往在细菌细胞起翻译调节子功能。(3)大于10000个核苷酸的非编码RNA，参与更高级真核生物的基因沉默。微小RNA(miRNA)小干扰RNA(siRNA)相同点:(1)二者的长度都约22nt左右;(2)二者同是Dicer（一种具有RNAaseⅢ活性的核酸酶）产物;(3)二者同是RISC(RNA－inducedsilencingcomplex)的组分，因此在siRNA和miRNA介导的沉默机制上有重叠。不同点：(1)二者的来源不同，miRNA来源于内源转录本，即单链RNA；siRNA来源于内源或外源的同源双链RNA；(2)miRNA参与动植物正常的生长发育基因调控，而现在一般认为siRNA不参与正常的基因调控，只在病毒或其他dsRNA诱导的情况下才产生;(3)miRNA主要在翻译水平起作用，而siRNA为转录后水平调控。端体酶RNA(telomeraseRNA):与染色体末端的复制有关；反义RNA(antisenseRNA):是指与mRNA互补的RNA分子,也包括与其它RNA互补的RNA分子。它参与基因表达的调控。转录与DNA复制的异同

相同点：

合成反应的化学本质模板的使用合成的方向发生的部位不同点：

（1）转录：一条DNA链为模板复制：两条链都可作模板；（2）DNA-RNA杂合双链不稳定，RNA合成后释放，而DNA复制结束后，新链和母链形成双链；（3）RNA合成不需引物，而DNA复制需引物；（4)转录的底物是rNTP，复制的底物是dNTP；碱基由复制时的T替换为转录时的U。（5）聚合酶系统不同。有义链的确定：把与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链（codingstrand）或称有意义链（sensestrand）（+）；把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）或称反义链（antisensestrand）（-）。在体外DNA的两条链都可作为RNA合成的模板。转录的基本特点：（1）以核糖核苷三磷酸（rNTP）为底物，以Mg2+/Mn2+为辅助因子；（2）仅以一条DNA链为模板；（3）按5′3′方向合成；（4）无需引物的存在能单独起始链的合成；（5）第一个引入的rNTP是以三磷酸形式存在；（6）RNA的序列和模板是互补的。（7）需要RNA聚合酶和多种辅助因子参与。DNA启动子区编码区终止区转录起始+1-10-35RNA转录单元的模式图原核大约20-200bp，真核不同基因差别比较大，一般小于2kb5′3′启动子：基因转录起始所必需的一段DNA序列二、转录机器的主要成分RNA聚合酶：依赖DNA合成RNA1.原核生物（大肠杆菌）的RNA聚合酶（RNApol）RNApol和DNApol有2点不同：（1）RNApol没有任何校对功能；（2）能起始新的RNA链。核心酶全酶亚基基因相对分子量亚基数组分功能αββ′ωσrpoArpoBrpoC?rpoD3.65×104

1.51×105

1.55×105

11×104

7.0×104

21111核心酶核心酶核心酶核心酶σ因子核心酶组装，启动子识别Β和β′共同形成RNA合成的活性中心未知模板链的识别，转录起始，存在多种σ因子，用于识别不同的启动子α:形成二聚体，核心酶组装，启动子识别，参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用。β:能与模板DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合。催化磷酸二酯键的形成。β和β′共同形成聚合酶的催化中心σ：负责模板链的选择和转录的起始，是酶的别构效应物，使酶和专一性识别模板上的启动子，起始转录。某些细菌含有能识别不同启动子的σ因子，调控不同基因转录的起始，如枯草杆菌有6种不同的σ因子：σ55、σ29等。E.coli中不同的因子可识别不同的启动子RNApol执行多种功能(1)识别DNA双链上的启动子；(2)使DNA变性，在启动子处解旋成单链；(3)通过阅读启动子序列，RNApol确定它自己的转录方向和模板链。(4)起始，延伸RNA链，最后当它达到终止子时，通过识别终止序列停止转录。真核生物三种RNA聚合酶的特点 RNAPol 位置 产物 相对活性对α-鹅膏蕈碱的敏感性 PolⅠ 核仁 28S,18S,5.8SrRNAs50～70%不敏感 PolⅡ 核质 hnRNA,mRNA,某些SnRNA20～40% 高度敏感 PolⅢ 核质 tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs～10%存在特异性，中等敏感

一般由8-16个亚基组成，相对分子量超过5×105。共同点:(1)聚合酶中有两个相对分子质量超过1×105的大亚基;(2)同种生物三类聚合酶有“共享”小亚基的倾向，几个小亚基是其中3类或2类聚合酶所共有的。2.真核的RNA聚合酶除了细胞核RNA聚合酶外，真核生物线粒体和叶绿体中存在不同的RNA聚合酶。线粒体RNA聚合酶：一条多肽链，小，小于7×104，不受α-鹅膏蕈碱抑制；叶绿体RNA聚合酶：多亚基，部分亚基由叶绿体基因编码，较大，不受α-鹅膏蕈碱抑制。三、转录的基本过程模板识别转录起始通过启动子转录延伸转录终止全酶识别启动子，与其可逆性结合形成封闭复合物——DNA为双链。DNA构象变化，开放复合物形成，全酶结合的一小段双链解开。开放复合物与最初2个NTP结合，短RNA链形成。模板识别和转录起始转录起始：第一个核苷酸键形成通过启动子：2-9核苷酸短链形成启动子的强弱：通过启动子的时间，时间越短，起始频率越高。真正的起始——释放σ因子，转录起始复合物通过启动子区，并生成由核心酶、DNA和新生RNA所组成的转录延伸复合物。σ因子决定转录的起始，不参与延伸。真核生物还需要至少7种辅助因子——转录因子参与，形成复杂的前起始复合物。

转录因子转录复合体TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIFPolIITFIIERNApolⅡ的转录起始人类Ⅱ型启动子的转录因子 因子 分子量 功能 RNAPolⅡ≥10K 依赖模板合成RNA TFⅡA 12,19,35K稳定TFⅡD和DNA的结合，激活TBP亚基 TFⅡB 33K 结合模板链（-10～+10），起始PolⅡ结合，和TFⅡE/F

相互作用 TFⅡD (TBP,30K)TBP亚基识别TATA，将聚合酶组入复合体中，TAFs识别特殊启动子 TFⅡE 34K(β)结合在PolⅡ的前部，使复合体的保护区延伸到下游 57K(α)TFⅡF 38,74K 大亚基具解旋酶活性（RAP74）,小亚基和PolⅡ结合，介导其加入复合体 TFⅡH 具激酶活性，可以磷酸化PolⅡC端的CTD，使PolⅡ逸出，延伸 TFⅡI 120K 识别Inr，起始TFⅡF/D结合 TFⅡJ 在TFⅡF后加入复合体，不改变DNA的结合方式 TFⅡS RNA合成延伸 聚合酶横跨约35bp，解旋的DNA约17bp。转录的延伸：RNA链不断伸长，速度不均一。大肠杆菌：50-90个核苷酸/秒。解链区：RNA-DNA杂合链解开，DNA双链重新形成。转录的终止：转录到终止位点，不再形成磷酸二酯键，RNA-DNA杂合链分开，DNA双链形成，聚合酶及RNA单链释放。第二节启动子与转录起始启动子是一段位于结构基因5′端上游区的DNA序列，能与RNA聚合酶结合，起始基因的转录。启动子的结构影响其与RNA聚合酶的结合，从而影响基因表达的水平。启动子的结构(1)结构典型,都含识别（R),结合（B)和起始（I）位点;(2)存在保守序列;(3)保守序列的位置和距离都比较恒定；(4)与多聚酶相结合；(5)位于基因的5′端；(6)决定转录的起始和方向。

1.-10序列：-10序列是由Pribnow和Schaller（1975）发现，故也称为Pribnow框盒（Pribnowbox）。保守序列为T80A95T45A60A50T96位于-10bp左右，AT较丰富，易于解链。其功能是:(1)RNApol紧密结合;(2)形成开放起始复合物；(3)使RNApol定向转录。一、原核生物启动子的基本结构2.-35序列-35序列又称为Sextama盒（Sextamabox），其保守序列为（T82T84G78A65C54A45）其功能是:(1)为RNApol的识别位点。

σ亚基识别-35序列，为转录选择模板(2)-35和-10序列的距离是稳定的，此与RNApol的结合有关。4.转录起始位点（I）转录开始时模板上的第一个碱基在原核中常为A或G而且位置固定－10区和－35区的最佳间距