分子生物学课件-第三章-生物信息传递(上).ppt

1、第三章 生物信息的传递（上） 从DNA到RNA, 基本概念 转录起始： RNA聚合酶、启动子 转录的基本过程 转录后加工 原核生物与真核生物mRNA的特征比较 RNA合成与DNA合成异同点,Contents,一、基本概念,生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录(transcription) ：, RNA主要以单链的形式存在 转录后得到的RNA要经过加工才能变成成熟的mRNA 转录产物还可以变为rRNA和tRNA。,生物体内共有三种RNA,信使RNA（mRNA）：编码特定蛋白质序列,转运RNA（tRNA）：可特异性的解读mRNA中的 遗传信息，将其转化成相应氨基酸后加入多肽链中,核糖体R

2、NA（rRNA）：直接参与核糖体中蛋白质 的合成,参与转录的物质,原料: 4种核糖核苷三磷酸NTPs (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板:DNA 酶: RNA聚合酶 其他蛋白质因子, TTP,RNA和DNA结构相似， T U 脱氧核糖 核糖 （p32）,DNA （脱氧核糖核酸） RNA（核糖核酸）,鸟嘌呤-脱氧核糖核苷三磷酸 dGTP GTP腺嘌呤-脱氧核糖核苷三磷酸 dATP ATP胸腺啶-脱氧核糖核苷三磷酸dTTP TTP 胞嘧啶-脱氧核糖核苷三磷酸dCTP CTP,dNTP指碱基脱氧核糖核苷三磷酸，表示dGTP，dATP, dTTP,dCTP的混合物。T就是英文的three，

3、P是指phosphate 即磷酸，d指的是deoxy 即脱氧。 NTP指碱基核糖核苷三磷酸，表示GTP，ATP, UTP,CTP的混合物。,腺嘌呤-脱氧核糖核苷酸dAMP，AMP 鸟嘌呤-脱氧核糖核苷酸dGMP，GMP 胞嘧啶-脱氧核糖核苷酸dCMP，CMP 胸腺嘧啶-脱氧核糖核苷酸dTMP TMP 是DNA 或者RNA的组成成分。,腺嘌呤-脱氧核糖核苷三磷酸 dATP ATP,无论在原核还是真核细胞中，RNA链的合成都具有以下几个特点：,RNA按53方向合成 以DNA双链中的反义链为模板 不需要引物参与 合成的RNA有与DNA编码链相同的序列（T-U）,转录的不对称性：,在RNA的合成中，D

4、NA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,与合成的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。,模板链并非永远在同一条单链上, 基本概念 转录起始： RNA聚合酶、启动子 转录的基本过程 转录后加工 原核生物与真核生物mRNA的特征比较 RNA合成与DNA合成异同点,Contents,二、参与转录起始的关键酶与元件转录机器（p69）即是转录复合物，其最核心成分是RNA聚合酶。,（一） RNA聚合酶,原核生物RNA聚合酶,在细菌中，一种RNA聚合酶几乎负责所有mRNA、rRNA和tRNA的合成。 大

5、多数原核生物RNA聚合酶的组成是相同的。,全酶=核心酶+ 亚基 （大肠杆菌为例）,大肠杆菌RNA聚合酶： 2个亚基 1个亚基 1个亚基 1个亚基 1个亚基,核心酶,全酶,大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析, 真核生物RNA聚合酶,在真核生物中共有3类RNA聚合酶。 真核生物RNA聚合酶一般由8-16个亚基所组成。,在真核生物中，最初转录生成的RNA称为不均一核RNA(hnRNA)。一般认为hnRNA多是信使RNA（mRNA）的前体。,RNA polymerase II (RNA 聚合酶II）,P73,在转录的不同阶段，RNA聚合酶将同DNA结合，形成不同的复合物： 在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性

6、结合形成封闭二元复合物。 接着，结合处DNA双链解开，封闭复合物变为开放二元复合物。 转录开始，由RNA聚合酶、DNA和新生RNA形成三元复合物。,2. 转录复合物（p74）,转录因子（transcription factor),除RNA聚合酶外，真核生物转录还需要至少7种辅助因子参与。这些蛋白辅助因子统称转录因子（TF), 不少辅助因子本身包含多个亚基，所以转录起始复合物的相对分子量特别大。,全酶=核心酶+ 因子,（二） 启动子(promoter),启动子：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。 指能被RNA聚合酶识别

7、、结合并启动基因转录的一段DNA序列。,DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因。,结构基因：,几个基本概念,终止子 : DNA分子中终止转录的核苷酸序列 转录单元：一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。 转录起始位点：与新生RNA链第一个核甘酸相对应DNA链上的碱基。通常为一个嘌呤。,上游序列（upstream)：转录起点前面，即5端的序列 下游序列(downstream)：转录起点后面，即3端的序列 描述碱基位置时，起点为+1，下游方向依次为+2，+3.。 上游方向依次为1，2，3.。,1. 启动子区的基本结构 原核生物中经对启动子的比较，它们有共有序列： 在上游10bp处为TAT

8、AAT，又称为Pribnow盒 在上游35bp处为TTGACA。,典型启动子的结构,-35 -10 转录起点 TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp,-10bp的Pribnow区和-35bp的TTGACA区 是RNA聚合酶与启动子的结合位点，能与因子相互识别二具有很高的亲和力。,大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区,T85T83G81A61C69A52,T89A89T50A65A100,真核生物启动子的结构,核心启动子（core promoter） 上游启动子元件（upstream promoter element，UPE）,1、核心启动子,定义：指保证RNA聚合酶转录正常

9、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,2、上游启动子元件,将TATA区上游的保守序列称为UPE。 包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等,作用：控制转录起始频率。,CAAT：-70 - -80bp GGGCGG：-80 - -110bp,-10区与-35区的最佳距离 原核生物中， -10区与-35区之间的距离大约是1619bp，小于15bp或大于19bp都会降低启动子的活性。 细菌中常见的两种突变： 下降突变：使结构基因转录水平下降 上升突变

10、：提高结构基因的转录水平,5. 增强子及其功能 增强子（enhancer）：能提高转录起始效率的序列被称为增强子or强化子。,增强子的特点（p80）： 远距离效应。一般位于上游-200bp处。 无方向性。可位于靶基因的上游、下游或内部。 顺式调节。只调节位于同一染色体上的靶基因。 无物种和基因特异性。可连接到异源基因上发挥作用。 有组织特异性。需要特定的蛋白因子参与。 有相位性。其作用与DNA的构想有关。 有的增强子可以对外部信号产生反应。,6. 转录的抑制 转录抑制剂根据其作用性质主要可以分为两大类： DNA模板功能抑制剂，与DNA结合而改变模板的功能。 RNA聚合酶抑制剂，与RNA聚合酶结

11、合而抑制其活力。 除上述抑制剂外，还有一些嘌呤和嘧啶的类似物，如5-氟尿嘧啶等，可以作为核苷酸代谢拮抗物来抑制核酸前体的合成。, 基本概念 转录起始： RNA聚合酶、启动子 转录的基本过程 转录后加工 原核生物与真核生物mRNA的特征比较 RNA合成与DNA合成异同点,Contents,三、转录的基本过程,转录的基本过程包括：模板的识别，转录起始，转录延伸， 转录终止,1. 模板的识别 模板的识别阶段主要指RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。 真核细胞中的模板识别与原核细胞有所不同，需要一些转录调控因子（辅助蛋白），RNA聚合酶才能识别启动子并形成转录起始前复合物（PIC

12、）。,2. 转录起始 RNA聚合酶结合到启动子上以后，使启动子附近的DNA解旋并解链，形成转录泡以促使核糖核苷酸与模板DNA配对。 转录起始即是RNA链上第一个核苷酸链的产生。 无需引物。 起始后直到形成9个核苷酸的过程是通过启动子阶段，此时RNA聚合酶一直在启动子处，之后进入正常延伸。,3. 转录延伸 转录延伸即是RNA聚合酶释放因子离开启动子后，核心酶沿着模板DNA移动并使新生RNA链不断伸长的过程。 4. 转录终止 当RNA链延伸到终止位点时，RNA将停止合成，转录泡瓦解，DNA链复原，新生RNA链和RNA聚合酶将被释放下来。这即是转录终止。,4、转录终止,不依赖Rho ()因子的转录终

13、止 依赖Rho ()因子的转录终止,1. 不依赖于因子的终止,此类终止反应中，无任何其它因子参与。 模板DNA中存在终止转录的特殊信号终止子，又称内在终止子（intrinsic termation）,不依赖因子的终止（p91）,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.,终止效率与GC二重对称序列和寡聚U的长短有关，长度 效率,发夹式结构导致RNA聚合酶的暂停，破坏RNA-DNA杂合链5端的结构； 2. 寡聚U使杂合链3端结构不稳定 3. 发卡结构和寡聚U的共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。,

14、依赖因子的终止有些终止点的DNA序列缺乏共性，不能诱导转录的自发终止，需要因子的参与。,因子：六聚体蛋白、水解各种核甘三磷酸，通过催化NTP的水解，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。,“穷追”模型(hot pursuit), 基本概念 转录起始： RNA聚合酶、启动子 转录的基本过程 转录后加工 原核生物与真核生物mRNA的特征比较 RNA合成与DNA合成异同点,Contents,四、转录后加工,转录产生的RNA要经过剪接、编辑、再编码及化学修饰等加工过程才能变成有活性的RNA分子。,5端加帽 3端加尾 RNA的剪接 RNA的编辑, 5端终端总是一个在mRNA转录后加上

15、去的7-甲基鸟苷。 这个反应非常快，mRNA几乎一诞生就戴上了帽子,1、在5端加帽,因为新加上的G与mRNA上所有其他核苷酸的方向正好相反，象一顶帽子倒扣在mRNA链上，故mRNA5端的这种结构称为帽子（cap），又称甲基鸟苷帽子。p32 鸟苷以5-5三磷酸键与初级转录本的5-端相连。当G第7位碳原子被甲基化形成m7GPPPN时，此时的帽子称为“帽子0”。,1,2,3,4,1,2,3,4,帽子结构功能： 能被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核糖体的结合； m7Gppp结构能有效地封闭mRNA 5末端，以保护mRNA免受5核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定。,2、3端加尾,多聚腺苷酸尾巴（po

16、ly A）,多聚尾巴是在转录后，由内切酶切开mRNA3端的特定部位，然后由poly A 聚合酶催化多聚腺苷酸反应。,保守序列AAUAAA： 准确切割 加poly（A）,Poly A尾巴的功能：,Poly A是mRNA进入胞质必需的形式，提高了mRNA在细胞质中的稳定性。,3、RNA的剪接,RNA中的内含子 真核生物的基因往往是断裂的基因，其转录所形成的RNA前体要经过剪切，将内含子切除后，将外显子拼接起来才能形成成熟的mRNA。 真核基因平均含810个内含子，前体分子(hnRNA)一般比成熟mRNA大410倍。,内含子（Intron）是一个基因中非编码DNA片段，它分开相邻的外显子。DNA上的

17、内含子会被转录到前体RNA中，但RNA上的内含子会在RNA离开细胞核进行转译前被剪除。 外显子 (Exon) 是真核生物基因的一部分，它在成熟mRNA剪接 (Splicing)后仍会被保存下来，。 所有的外显子一同组成了遗传信息，并可在蛋白质生物合成过程中被表达为蛋白质。,内含子两端边界存在共有序列：（GU-AG法则）p96,mRNA前体中内含子的5边界序列为GU，3边界序列为AG，这种保守序列模式称为GU-AG法则。 意义：保守序列是前体mRNA剪接过程中各种剪接调节因子的结合位点，对于准确剪接非常重要。,CAG = UAG AAG GAG,参与RNA剪接的物质：,snRNA（核内小分子RN

18、A）：如U1，U2，U3，U4，U5和U6 snRNP（与snRNA结合的核蛋白） 内含子的5和3端分别与不同snRNP和snRNA结合，诱导RNA剪接,生物体内各种内含子：,4、RNA的编辑,RNA的编辑是某些RNA，特别是mRNA前体的一种加工方式，如插入、删除或取代一些核苷酸残基，导致DNA编码的遗传信息的改变。 编辑（editing）是指转录后的RNA在编码区发生碱基的突变、插入或丢失等现象。,介导RNA编辑的机制有两种： 1）位点特异性脱氨基作用 2）引导RNA指导的尿嘧啶插入或删除。,位点特异性脱氨基作用 CU导致蛋白合成提前终止 由脱氨基酶催化,C U,mRNA链上每三个核甘酸翻

19、译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这三个核甘酸就称为密码子或三联子密码(triplet coden) 。,指导RNA指导的尿嘧啶插入或删除,指导RNA （guide RNA) 1) The guide RNA base-pairs as best it can with this region. Note that in addition to the usual pairing of C-G and A-U, G-U base-pairing can also occur. 2） Because of the lack of precise sequence complementarity,

20、bulges occur in the guide RNA where, usually, there are As.,3) The bulges are eliminated by cutting the backbone of the shorter molecule and inserting complementary bases. this produces insertions (here of Us),指导RNA （guide RNA) 1）可以部分与RNA前体互补 2） 指导RNA上存在一些未能配对的腺嘌呤A，从而形成缺口，为插入尿嘧啶U提供了模板。,RNA的编辑的生物学意义：

21、,校正作用 有些基因在突变过程中丢失的遗传信息可能通过RNA编辑修复。 调控翻译 通过编辑可以构建和去除起始密码子或终止密码子，是基因表达调控的一种方式。 扩充遗传信息 能使基因产物获得新的结构和功能，有利于生物进化。, 基本概念 转录起始： RNA聚合酶、启动子 转录的基本过程 转录后加工 原核生物与真核生物mRNA的特征比较 RNA合成与DNA合成异同点,Contents,五、原核生物与真核生物mRNA的特征比较（p84）,1、原核生物mRNA的特征 半衰期短 多以多顺反子的形式存在,多顺反子mRNA：编码多个蛋白质的mRNA。,单顺反子mRNA：只编码一个蛋白质的mRNA。, 起始密码子

22、常为AUG，有时也为GUG，甚至UUG 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。 原核生物起始密码子AUG上游712个核苷酸处的一段保守序列，与16S rRNA端3端反向互补。,2、真核生物mRNA的特征, 5 端存在“帽子”结构,多数mRNA 3 端具有poly（A ）尾巴（组蛋白除外）,以单顺反子的形式存在,起始密码子仅为AUG,原核生物和真核生物mRNA结构的比较, 基本概念 转录起始： RNA聚合酶、启动子 转录的基本过程 转录后加工 原核生物与真核生物mRNA的特征比较 RNA合成与DNA合成异同点,Contents,六、RNA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53 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。,不同点：,1、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,B,2. 转录需要的原料是: dNTP B.