生物信息的传递(上)--从DNA到RNA

生物信息的传递（上）

——从DNA到RNA1基本原理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来控制生命现象。基因表达转录(transcription)翻译(translation)2

基因表达包括转录(transcription)和翻译(translation)两个阶段。转录是指拷贝出一条与DNA链序列完全相同(除T－U)的RNA链的过程,是基因表达的核心步骤；翻译是指以新生的mRNA为模板，从一特定的位点开始，把核苷酸三联子遗传密码翻译成氨基酸序列，合成多肽链的过程，是基因表达的最终目的。3RNA的结构与功能RNA转录的基本过程转录机器的主要成分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内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰主要内容4RNA的结构与功能5RNA的种类6tRNA78910111213141516rRNA1718192021mRNA2223242526snRNA27scRNA28antisense,anRNA29303132ribozyme

（核酶）33343536生物体以DNA为模板合成RNA的过程。转录RNADNA

转录(transcription)：RNA转录的基本过程37参与转录的物质原料: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：5'3'38转录的不对称性：在RNA的合成中，DNA的二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；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。3940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DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因。结构基因：41转录单元（transcriptionunit）一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。42转录的基本过程（transcription）基本过程：模板识别转录起始通过启动子链的延伸链的终止RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。RNA链上第一个核苷酸的产生转录起始后直到形成九个核苷酸短链是通过启动子阶段RNA聚合酶离开启动子区，沿DNA链移动并使新生的RNA链不断延伸当RNA链延伸到转录终止位点时，RNA聚合酶链不再形成新的磷酸二酯键RNA-DNA杂合物分离，转录泡瓦解，DNA恢复成双链状态，RNA聚合酶和RNA链都从模板链上释放出来43

转录过程有四个阶段，涉及到RNA聚合酶与DNA间不同类型的作用。聚合酶结合到启动子上，解旋DNA，在起始阶段中保持稳定，在延伸阶段沿着模板运动，最后在终止阶段脱离DNA。摘自09-全-生91-李萌松44

转录发生在一个“泡”中。转录期间，该泡被保持在细菌RNA聚合酶中。聚合酶解开DNA,复旋DNA，保持DNA模版链和RNA杂合的条件，进而合成RNA。摘自09-全-生91-李萌松45转录机器的主要成分RNA聚合酶转录复合物46

RNA聚合酶——转录过程中最关键的酶

以DNA链为模板的RNA聚合酶主要以双链DNA为模板，若以单链为模板则活性大大降低，它以4种核苷酸为活化前体，并以Mg2＋和Mn2+为辅助因子，催化RNA链的起始、延伸和中止，不需要任何引物，催化产物是与DNA模板相互补的RNA。RNA或RNA－DNA杂和体不能作为模板。47原核生物的RNA聚合酶大多数原核生物的RNA聚合酶由2个α亚基、1个β亚基、1个β‘亚基和1个ω亚基组成，称为核心酶。

因子是一种蛋白质因子，负责RNA合成的起始，可以极大地提高RNA聚合酶对启动子区DNA序列的亲和力。RNA全酶48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49细菌RNA聚合酶有4种类型的亚单位:αβ和β‘在不同的细菌种类中有比较固定的大小,但是σ变化范围较广。50真核生物的RNA聚合酶真核细胞核内产生三种RNA聚合酶，位于不同的部位，且均有复杂的亚基结构。普遍遵循的原则：聚合酶中有两个相对分子质量超过1×103的大亚基同种生物3类聚合酶有“共享”小亚基的倾向51●真核生物RNA聚合酶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52除了RNA聚合酶之外，真核生物转录起始过程中至少还需要7种辅助因子的参与。53RNA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54转录复合物

在启动子选择阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭复合物，此时DNA仍处于双链状态。之后，封闭复合物转变成开放复合物，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。55●原核生物转录起始复合物56

转录因子转录复合体TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIF

PolIITFIIERNApolⅡ的转录起始●真核生物转录起始复合物57转录起始复合物转录延伸复合物与转录起始复合物相比，延伸复合物极为稳定5859启动子与转录起始启动子区的基本结构启动子区的识别酶与启动子区的结合60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。61●原核生物启动子结构Pribnow41-44bp62

TTGACA区：提供了RNA聚合酶全酶识别的信号TATA区：酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）63编码链AACTGTATATTA模板链TTGACATATAAT3’5’DNA转录起始点Probnow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。64大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区T85T83G81A61C69A52T89A89T50A65A10065典型启动子的结构

-35-10转录起点TTGACA16-19bpTATAAT5-9bp66●真核生物启动子真核有三种不同的启动子和有关的元件启动子Ⅱ最为复杂，它和原核的启动子有很多不同67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）681、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T85A97T93A85A63A83A50692、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--110bp7071真核生物除启动子外，真核生物转录起始点上游还有一个称为增强子的序列，它能极大地增强启动子的活性。

72Enhancer增强子的特点：远距离效应无方向性顺式调节无物种和基因的特异性具有组织特异性有相位性有的增强子可以对外部信号产生反应

73Enhancer增强子作用实现的原理讨论：

1.增强子可以改变整个模板的总体结构。比如影响超螺旋的程度。

2.增强子可以将模板定位在细胞中某个特定的地方，使之附着在核矩阵上。

3.增强子可以为RNA聚合酶（或其它一些关键的蛋白质）结合染色体提供一个进入位点。74转录的抑制DNA模版功能抑制剂放射线素D,与DNA结合,阻止延伸RNA聚合酶抑制物利福霉素利迪链霉素α-鹅膏覃碱嘌呤嘧啶类似物,抑制核酸前体的合成75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，腺嘌呤分子上的N6、鸟嘌呤上的N2、胞嘧啶上的N4都是氢键供体，而腺嘌呤上的N7、N3，胸腺嘧啶上的O4、O2，鸟嘌呤上的N7、O6、N3和胞嘧啶上的O2都是氢键受体。由于它们分别处于DNA螺旋的大沟小沟内，因此都具有特定的方位，而酶分子中也有处于特定空间构象的氢键受体与供体，当它们与启动子中对应的分子在一定距离内相互补时，就形成氢键，相互结合。76酶与启动子区的结合777879原核生物与真核生物mRNA的特征比较真核细胞mRNA的合成和功能表达发生在不同的空间和时间范畴内。原核生物中，mRNA的转录和翻译不仅发生在同一个细胞空间里，而且这两个过程几乎是同时进行的。8081原核生物mRNA的半衰期短细菌基因的转录和翻译是紧密相联的。绝大多数细菌mRNA的mRNA的降解紧随着蛋白质翻译过程的发生。82许多原核生物mRNA以多顺反子的形式存在83(a)当两个顺反子之间距离较远时，前一顺反子翻译的终止与后一顺反子翻译的起始是相互独立的；(b)当两个顺反子之间距离较近时，前一顺反子翻译的终止与后一顺反子翻译的起始相衔接，30S小亚基始终与mRNA结合，只有50S大亚基可能与mRNA分离84

mRNA的次级结构有可能控制翻译的起始，在噬菌体RNA中，一个顺反子的翻译有时完全取决于它前面顺反子的翻译。85

5’端无“帽子”结构，3’端没有或只有较短的poly（A）结构。SD序列：mRNA中用于结合原核生物核糖体的序列。8687细菌16SrRNA的3’端既非常保守，又高度自我互补，能形成“发卡”式结构。与mRNA互补的部分也参与这个“发卡”的形成。序列配对是动态的、可变的。翻译起始复合物的生成很可能包含了rRNA的3’端的“发卡”式结构的改变。88真核生物mRNA的特征凡是编码功能蛋白的真核基因都通过RNA聚合酶Ⅱ进行转录，真核基因几乎都是单顺反子，只包含一个蛋白质的信息，其长度在几百到几千个核苷酸之间。一个完整的基因包括：编码区(codingregion)，还包括5‘和3’端长度不等的特异性序列。真核生物mRNA结构上的最大特征是5'端的帽子及3'的poly(A)结构。89真核生物的mRNA的5’端存在帽子结构帽子结构可能使mRNA免遭核酸酶的破坏。有帽子结构的mRNA更容易被蛋白质合成的起始因子所识别。甲基化的帽子结构可能是蛋白质合成起始信号的一部分。绝大多数真核生物mRNA具有poly(A)尾巴Poly(A)是mRNA由细胞核进入细胞质所必须的形式，它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性。90真核生物mRNA的5'端存在“帽子”结构真核生物的mRNA(不包括叶绿体和线粒体)5‘端都是经过修饰的。帽子结构常常被甲基化。帽子结构可能使mRNA免遭核酸酶的破坏。甲基化的帽子结构可能是蛋白质合成起始信号的一部分。0号帽子存在于所有帽子结构中此处也可能被甲基化，1号帽子1号帽子2号帽子通过5’→5’磷酸二酯键在原初mRNA5’端倒扣一个“G”

摘自05-全-生04-曹征91绝大多数真核生物mRNA具有poly(A)尾巴其长度因mRNA种类不同而变化，一般为40~200个左右。poly(A)序列是转录后加上的。po1y(A)是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式。细胞中仍有1/3的mRNA没有po1y(A)，带有po1y(A)的mRNA称po1y(A)+，没有po1y(A)的mRNA称po1y(A)-。92真核生物mRNA中的加多聚A反应93（1分钟内）转录开始：5’端被修饰。（6分钟左右）mRNA的3’端被切割分离。

（4小时后）核糖体开始翻译mRNA。

(20分钟左右)3’端被多聚腺苷酸化。（25分钟左右）mRNA被转移至细胞质中。

真核生物mRNA的表达过程94原核生物和真核生物mRNA结构的比较95终止与抗终止不依赖于ρ因子的终止依赖于ρ因子的终止抗终止96

转录终止信号，又称为终止子(terminator)。终止子的作用是在DNA模板的特异位点处终止RNA的合成。在终止子处，RNA聚合酶停止其聚合作用，将新生RNA链释出，并离开模板DNA。实现转录的终止。终止和抗终止摘自《基因的表达》97不依赖于ρ因子的终止

特征:

在终止点上游的DNA顺序有富含GC对的双重对称，位于RNA3‘端之前15-20核苷酸处，由这段DNA转录产生的RNA容易形成发卡式结构；

DNA模板链中在终止点前面有一段由4～8个A组成的序列，转录为RNA3'端的寡聚U。

发卡式结构会导致RNA聚合酶的暂停，破坏RNA－DNA杂和链5'端的正常结构，而3'端的U－A区域很不稳定，于是新生RNA链很快自DNA双链中被排除出来。

摘自《基因的表达》98由基因序列决定的转录终止99依赖于ρ因子的终止

ρ因子具有NTP酶活性和解旋酶活性，它能解开RNA－DNA杂和链解链，同时水解NTP，促使三元复合物解离，从而终止转录。RNA合成起始以后，ρ因子即附着在新生的RNA链上，靠ATP水解产生的能量，沿着5‘→3’方向朝RNA聚合酶移动，到达RNA的3‘—OH端后取代了暂停在终止位点上的RNA聚合酶，使之从模板DNA上释放mRNA，完成转录过程。100ρ因子是由6个相同的亚基构成。

ρ因子在转录过程中，依附于新生RNA链上，并向3‘端移动。101Rho因子依附在RNA链上，沿着RNA链运动，跟踪聚合酶。赶上在终止位点暂停的聚合酶终止转录102RNA聚合酶沿模板移动ρ因子依附在RNA链的5’端ρ因子沿RNA链运动,跟踪聚合酶ρ因子解开DNA-RNA复合物ρ因子赶上在终止位点暂停的聚合酶终止,三元复合物解体摘自《Gene7-09》103抗终止摘自《Gene7-09》104

由于不同的生理要求，在转录过程中有时即使遇到终止信号，仍然需要继续转录，于是出现了抗转录终止现象。

主要方式：

破坏终止位点RNA的茎环结构

依赖于蛋白质因子的转录抗终止105破坏终止位点RNA的茎环结构

有一些控制氨基酸合成的操纵子的结构基因前面有一段前导序列，具有终止信号，中间有串联的编码某一氨基酸的密码子。转录mRNA翻译过程中当介质中该氨基酸含量较高时，相应的氨酰基tRNA含量也较高当介质中该氨基酸含量较低时，缺乏相应的氨酰基tRNA核糖体顺利通过串联密码子，mRNA形成正常二级结构，转录终止核糖体滞留，mRNA无法形成正常的二级结构，抗终止106依赖于蛋白质因子的转录抗终止某些情况下，一些蛋白质与RNA聚合酶相结合，改变了RNA聚合酶的构象，使之对于终止信号不敏感，继续催化RNA链的合成。107AnexampleRNA聚合酶遇到终止序列，RNA聚合酶脱落，转录停止。只表达基因一。RNA聚合酶和一个抗终止因子结合后继续前行（抗终止）。基因二表达。108RNA合成与DNA合成异同点

相同点：1、都以DNA链作为模板2、合成的方向均为5’→3’3、聚合反应均是通过核苷酸之间形成的3’,5’-磷酸二酯键，使核苷酸链延长。109不同点：复制转录模板两条链均复制模板链转录（不对称转录）原料dNTPNTP酶DNA聚合酶RNA聚合酶产物子代双链DNA（半保留复制）mRNA，tRNA，rRNA配对A-T；G-CA-U；T-A；G-C引物RNA引物无110内含子的剪接、编辑及化学修饰RNA中的内含子RNA的剪接RNA的编辑和化学修饰111真核生物的基因大多是断裂的，也就是说，一个基因可由多个内含子和外显子间隔排列而成。内含子在真核基因中所占比例很高，甚至超过99%。112mRNA前体5’加帽3’加尾巴RNA剪接成熟RNA113原始转录产物的生成及其主要加工剪接过程图示114不同生物的内含子边界处存在相似的核苷酸序列，表明内含子的剪接过程在进化上是保守的。比较同源基因的进化过程发现内含子的异化大于外显子，特定的内含子还可能在进化过程中丢失。另外，很多人类疾病是内含子剪接异常引起的。例如，地中海贫血（珠蛋白基因）。115内含子5’和3’边界序列、外显子和内含子交界处的序列、内含子内部的部分序列都有可能参与内含子的剪接。116研究表明，许多分子量较小的核内RNA以及与这些RNA相结合的核蛋白参与RNA的剪接。mRNA链上每个内含子的5’和3’端分别与不同的snRNP结合，形成剪接复合体。剪接体117U1snoRNP以碱基互补方式识别5‘剪接点U2AF识别3’剪接点，并引导U2snRNP和分支点结合，形成剪接前体进一步结合U4、U5、U6三聚体snRNP，形成剪接体。118内含子的变位剪接内含子的变位剪接，大大拓展了基因所携带的遗传信息。Anexample:

果蝇中发现的与性别分化相关基因的特异性剪接。119120内含子的自我剪接Ⅰ类内含子的自我剪接Ⅱ类内含子的自我剪接121Ⅰ类内含子的自我剪接122Ⅱ类内含子的自我剪接123转录后的RNA发生碱基的加入、丢失、转换的现象。RNA的编辑是某些RNA，特别是mRNA前体的一种加工方式，它导致了DNA所编码的遗传信息的改变。RNA的编辑虽不是很普遍，但在真核生物中也时有发生。RNA的编辑

124RNA的编辑（碱基的转换）125RNA的编辑（碱基的转换）126RNA的编辑（碱基的转换）UC脱氨酶127RNA的编辑（碱基的加入和丢失）指导RNA(gRNA)的作用机制：

1.5‘端附着在未编辑的mRNA上

2.3‘端作为编辑的模板128RNA的编辑生物学意义校正作用调控翻译扩充遗传信息129RNA的再编码RNA编码和读码方式的改变有研究发现，mRNA在某些情况下不是以固定的方式被翻译，而可以改变原来的编码信息，以不同的方式进行翻译。130RNA的化学修饰1311、下列有关TATA盒(Hognessbox)的叙述,哪个是正确的:A.它位于第一个结构基因处

B.它和RNA聚合酶结合

C.它编码阻遏蛋白

D.它和反密码子结合

B132

2.转录需要的原料是:

dNTPB.dNDP

C.dNMP

D.NTPE.NMPD1333、DNA模板链为

5’-ATTCAG-3’,其转录产物是:A.5’-GACTTA-3’B.5’-CTGAAT-3’C.5’-UAAGUC-3’D.5’-CUGAAU-3’

D1344、DNA复制和转录过程有许多相同点,下列描述哪项是错误的?A.转录以DNA一条链为模板,而以DNA两条链为模板进行复制

B.在这两个过程中合成均为5`-3`方向

C.复制的产物通常情况下大于转录的产物

D.两过程均需RNA引物

D135

5、真核生物的mRNA加工过程中,5’端加上（），在3’端加上（），后者由（）催化。如果被转录基因是不连续的，那么，（）一定要被切除，并通过（）过程将（）连接在一起。帽子结构、多聚腺苷酸尾巴、poly(A)聚合酶、内含子、剪接、外显子1366、–10位的（）区和–35位的（）区是RNA聚合酶与启动子的结合位点，能与σ因子相互识别而具有很高的亲和力。TATA、TTGACA1377、决定基因转录基础频率的DNA元件是（），它是（）的结合位点启动子、RNA聚合酶8、原核生物RNA聚合酶核心酶由（）组成，全酶由（）组成。2αββ′ω、2αββ′ωσ1389、下面那一项不属于原核生物mRNA的特征CA：半衰期短B：存在多顺反子的形式

C：5’端有帽子结构D：3’端没有或只有较短的多聚（A）结构13910、比较RNA转录与DNA复制，下列哪些是正确的？

A.都在细胞核内进行B.转录是连续的

C.链的延长均为5’→3’D.与模板链的碱基配对均为G－C14011、真核细胞中的mRNA帽子结构是（）

AA.7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸B.7-甲基尿嘧啶核苷三磷酸

C.7-甲基腺嘌呤核苷三磷酸D.7-甲基胞嘧啶核苷三磷酸14112、下面哪一项是对三元转录复合物的正确描述

B（A）σ因子、核心酶和双链DN