第三章 RNA的轉(zhuǎn)錄機(jī)制_第1頁
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文檔簡介

第3章生物信息的傳遞----

從DNA到RNA(轉(zhuǎn)錄)

本章主要內(nèi)容1、轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的中心環(huán)節(jié)2、轉(zhuǎn)錄涉及的酶與過程3、轉(zhuǎn)錄后的加工

轉(zhuǎn)錄(transcription)以DNA為模板,在RNA聚合酶(RNApolymerase)的作用下合成mRNA,將遺傳信息從DNA分子上轉(zhuǎn)移到mRNA分子上,這一過程稱為轉(zhuǎn)錄。1轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的中心環(huán)節(jié)

轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板合成RNA,并且只是以單股DNA為模板,因此具有不對(duì)稱性;用以轉(zhuǎn)錄的單鏈DNA,稱為模板鏈,與復(fù)制不同,轉(zhuǎn)錄是局部的,從啟動(dòng)子開始到終止子結(jié)束,為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位;

轉(zhuǎn)錄不需要引物;轉(zhuǎn)錄首先得到RNA前體,然后再進(jìn)行加工轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓腞NA.被轉(zhuǎn)錄成單個(gè)RNA分子的一段DNA稱為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位(transcript)由5種亞基組成:

全酶=核心酶(α2ββ’)+σ因子

α亞基決定轉(zhuǎn)錄的基因β亞基在5’——3’方向上延長多核苷酸鏈,其方式與DNA聚合酶相同,原料為NTP,沒有糾錯(cuò)的功能。β’亞基結(jié)合DNA模板

σ因子識(shí)別“啟動(dòng)子”并與之結(jié)合2轉(zhuǎn)錄涉及的酶與過程1)原核的RNA聚合酶2.1RNA聚合酶(RNApolymerase)類型細(xì)胞內(nèi)定位催化轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物對(duì)鵝膏蕈堿的反應(yīng)Ⅰ核仁rRNA前體耐受Ⅱ核質(zhì)mRNA前體(hnRNA)極敏感Ⅲ

核質(zhì)5SrRNAtRNA中度敏感2)真核的RNA聚合酶(注意:S)RNA聚合酶與DNA聚合酶的區(qū)別RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大,4.8×105dol小,1.09×105dol引物無有產(chǎn)物較短,游離較長,與模板以氫鍵相連作用方式一條鏈的某一段兩條鏈同時(shí)進(jìn)行外切酶活性無5’3’,3’5’校對(duì)合成能力無有修復(fù)能力無有

沉降系數(shù)S

生物大分子在離心場(chǎng)中沉降,受到三種力的影響,它們是離心力,浮力和摩擦力。物質(zhì)在單位離心力場(chǎng)下的沉降速度是個(gè)定值,稱為沉降系數(shù)(sedimentationcoefficient)。蛋白質(zhì)、核酸等的沉降系數(shù)在1X10-13到200X10-13秒之間。為方便將10-13秒作為一個(gè)單位,稱Svedberg單位,用S表示。其數(shù)值不僅與物質(zhì)分子的質(zhì)量有關(guān),也與分子的形狀有關(guān)。

2.2轉(zhuǎn)錄模板轉(zhuǎn)錄的模板:DNA雙鏈中的一條模板鏈:DNA雙鏈中具有轉(zhuǎn)錄功能的一條鏈(templatestrand)編碼鏈:貯存有遺傳信息與模板鏈互補(bǔ)的一條鏈(codingstrand)5/3/3/5/不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄:

1、RNA分子上只有一條可轉(zhuǎn)錄2、模板鏈并不總是在同一單鏈上RNA合成方向:5/→3/不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription)DNA5′……GGAGTACATGTC…3′(編碼鏈,+,)

3′……CCTCAUGUACAG…5′(模板鏈,-,)↓(轉(zhuǎn)錄)5′……GGAGUACAUGUC……3′

mRNA

↓(翻譯)N……Ala…Val…His…Val…C

多肽

RNA聚合酶的底物(RNA合成的原料):ATP、GTP、CTP、UTP2.3底物

DNA上的轉(zhuǎn)錄起始序列,稱為啟動(dòng)子,有序列保守性,不僅是轉(zhuǎn)錄起始的位置,而且影響轉(zhuǎn)錄的活性。RNA聚合酶結(jié)合在啟動(dòng)子上上游下游2.4啟動(dòng)子(promoter)注意原核啟動(dòng)子在-35和-10區(qū)域的保守序列Pribnowbox編碼鏈AACTGTATATTA模板鏈TTGACATATAAT3’5’DNA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)Probnow盒子啟動(dòng)子35

10

+1轉(zhuǎn)錄區(qū)5’3’RNA轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)與新生RNA鏈第一個(gè)核甘酸相對(duì)應(yīng)DNA鏈上的堿基。真核生物啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)核心啟動(dòng)子(corepromoter)上游啟動(dòng)子元件(upstreampromoterelement,UPE)1、核心啟動(dòng)子

定義:指保證RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄正常起始所必需的、最少的DNA序列,包括轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游TATA區(qū)作用:選擇正確的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn),保證精確起始TATA常在-25bp左右,相當(dāng)于原核的-10序列T85A97T93A85A63A83A502、上游啟動(dòng)子元件●包括CAAT盒(CCAAT)和GC盒(GGGCGG)等●作用:控制轉(zhuǎn)錄起始頻率。CAAT:-70--80bpGGGCGG:-80--110bp轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物●原核生物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物

轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄復(fù)合體TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIFPolIITFIIERNApolⅡ的轉(zhuǎn)錄起始●真核生物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物過程:啟動(dòng)子的選擇、轉(zhuǎn)錄起始、RNA鏈的延伸、終止啟動(dòng)子的選擇

包括RNA聚合酶全酶對(duì)啟動(dòng)子的識(shí)別,聚合酶與啟動(dòng)子可逆性結(jié)合形成封閉復(fù)合物——DNA鏈仍處于雙鏈狀態(tài)。接著,隨著DNA構(gòu)象上的變化,封閉復(fù)合物轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放復(fù)合物,聚合酶全酶所結(jié)合的DNA序列中有一小段雙鏈解開。2.5轉(zhuǎn)錄過程及其特點(diǎn)2)轉(zhuǎn)錄開始

由σ因子辨認(rèn)并且結(jié)合到啟動(dòng)子上,局部解鏈(10-20bp),拓樸異構(gòu)酶等也參與。3)RNA鏈的延伸

由核心酶催化,以其中的一股DNA單鏈作為模板鏈,以NTP為原料,按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則,通常是由5’ppp嘌呤核苷(G或A)開頭向著3’方向延長多核苷酸鏈,合成開始后,σ因子從模板上脫離下來(可以重復(fù)利用)。核心酶覆蓋雙鏈DNA和RNA復(fù)合物,向前推進(jìn),一邊解開螺旋,一邊釋放出新合成的RNA鏈,后面已經(jīng)轉(zhuǎn)錄的區(qū)域中分開的DNA鏈又重新形成雙螺旋。“轉(zhuǎn)錄泡(transcriptionbubble)”轉(zhuǎn)錄過程中的模板識(shí)別、起始和延伸

A.依賴ρ因子的終止

新生RNA上有ρ因子的識(shí)別位點(diǎn)。它與聚合酶-DNA-RNA復(fù)合物結(jié)合,向3’端移動(dòng),并解開DNA-RNA雜交體,需ATP。弱終止子-需要ρ因子B.依賴于特定序列的終止(不依賴ρ因子的終止)

轉(zhuǎn)錄終止區(qū)有特殊結(jié)構(gòu)。終止區(qū)的上游有GC二重對(duì)稱區(qū),轉(zhuǎn)錄的RNA容易形成多個(gè)“發(fā)卡”結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的3’端有polyU序列。這種特殊的二級(jí)結(jié)構(gòu)阻止了轉(zhuǎn)錄向下游繼續(xù)推進(jìn)。強(qiáng)終止子-內(nèi)部終止子4)轉(zhuǎn)錄的終止不依賴因子的終止終止位點(diǎn)上游一般存在一個(gè)富含GC堿基的二重對(duì)稱區(qū),RNA形成發(fā)夾結(jié)構(gòu);在終止位點(diǎn)前面有一段由4-8個(gè)A組成的序列,RNA的3’端為寡聚U發(fā)夾式結(jié)構(gòu)和寡聚U的共同作用使RNA從三元復(fù)合物中解離出來。終止效率與二重對(duì)稱序列和寡聚U的長短有關(guān),長度效率依賴因子的終止因子:六聚體蛋白、水解各種核甘三磷酸促使新生RNA鏈從三元轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中解離出來,從而終止轉(zhuǎn)錄。AB轉(zhuǎn)錄終止的兩種方式

轉(zhuǎn)錄得到的只是RNA的初級(jí)產(chǎn)物,通常要經(jīng)過加工,才能轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓腞NA。tRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工比較簡單.

3RNA后的加工(post-transcriptionalprocessing)原核前體RNA的加工tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工與修飾

注意tRNA上的修飾和稀有堿基

mRNA轉(zhuǎn)錄后的加工

原核生物的結(jié)構(gòu)基因(編碼的)是多順反子(poly-cistron),通常是將幾個(gè)相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因一起轉(zhuǎn)錄得到多個(gè)mRNA。(順反子cistron一詞可以視作基因的同義詞)。而真核基因是單順反子(mono-cistron),其mRNA的轉(zhuǎn)錄比較復(fù)雜,因?yàn)檎婧送ǔV晦D(zhuǎn)錄出一個(gè)結(jié)構(gòu)基因,而且其結(jié)構(gòu)基因通常又是斷裂基因,即是由編碼的外顯子(exon)和不編碼的內(nèi)含子(intron)間隔排開組成的。因此,轉(zhuǎn)錄得到的僅僅是mRNA的“毛坯”,稱為核不均RNA(hnRNA),要進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后的加工-----------在其5’端加上鳥嘌呤“帽子”,3’端加上polyA的“尾巴”,再切除內(nèi)含子,將外顯子拼接,才能成為一個(gè)成熟的mRNA。真核mRNA前體轉(zhuǎn)錄后加工(以卵清蛋白mRNA的轉(zhuǎn)錄為例)外顯子內(nèi)含子5’3’真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工,包括:

1.在5’端加鳥嘌呤“帽”結(jié)構(gòu)

2.在3’端加polyA的“尾”

3.切除內(nèi)含子;

4.拼接外顯子。5’帽結(jié)構(gòu)5’端的一個(gè)核苷酸總是7-甲基鳥核苷三磷酸(m7Gppp)。mRNA5’端的這種結(jié)構(gòu)稱為帽子(cap)。1、在5’端加帽通過5′→5′磷酸二酯鍵在原初mRNA的5’端倒扣一個(gè)“G”。?在新生mRNA鏈達(dá)到50個(gè)核苷酸前,甚至可能在RNAPolII離開轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)之前,帽子結(jié)構(gòu)就已加到mRNA的第一個(gè)核苷酸上了。?5′末端加上鳥苷是由鳥苷轉(zhuǎn)移酶催化的。?帽子結(jié)構(gòu)是GTP和原5’三磷酸腺苷(或鳥苷)縮合反應(yīng)的產(chǎn)物。?mRNA的帽子結(jié)構(gòu)常常被甲基化。

真核生物mRNA的“帽子”結(jié)構(gòu)

mRNA的帽子結(jié)構(gòu)常常被甲基化零類帽子(cap0):第一個(gè)甲基出現(xiàn)在所有真核細(xì)胞的mRNA中(單細(xì)胞真核生物mRNA主要是這個(gè)結(jié)構(gòu)),由鳥苷酸-7甲基轉(zhuǎn)移酶催化,稱為零類帽子。1類帽子(cap1):如在第二個(gè)核苷酸(原mRNA5’第一位)的2’-OH位上加另一個(gè)甲基,這步反應(yīng)由2’-O-甲基轉(zhuǎn)移酶完成。一般把有這兩個(gè)甲基的結(jié)構(gòu)稱為1類帽子。真核生物中以這類帽子結(jié)構(gòu)為主。2類帽子(cap2):在某些生物細(xì)胞內(nèi),mRNA鏈上的第三個(gè)核苷酸的2’-OH位也可能被甲基化,因?yàn)檫@個(gè)反應(yīng)只以帶有1類帽子的mRNA為底物,所以被稱為2類帽子。只占有帽mRNA總量的10%-15%以下。帽子結(jié)構(gòu)功能:①能被核糖體小亞基識(shí)別,促使mRNA和核糖體的結(jié)合;②m7Gppp結(jié)構(gòu)能有效地封閉mRNA5’末端,以保護(hù)mRNA免受5’核酸外切酶的降解,增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定。2、3’端加尾多聚腺苷酸尾巴AAUAAA:★準(zhǔn)確切割★加poly(A)多聚腺苷酸尾巴功能:提高了mRNA在細(xì)胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。3、RNA的剪接(切除內(nèi)含子,拼接外顯子)地中海貧血病人的珠蛋白基因,1/4生物體內(nèi)內(nèi)含子的主要類型:

GU-AG、AU-AC、Ⅰ類內(nèi)含子、Ⅱ類內(nèi)含子

5’..AAGUAAGU…….CURAY..(10-40)…(U/C)11NCAGG….3’IntronexonexonPolyprimidineCAG=UAG>AAG>GAG參與RNA剪接的物質(zhì):snRNA(核內(nèi)小分子RNA)snRNP(與snRNA結(jié)合的核蛋白)①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5Ⅰ類內(nèi)含子的自我剪接Ⅱ類內(nèi)含子的自我剪接4、RNA的編輯編輯(editing)是指轉(zhuǎn)錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基的突變、加入或丟失等現(xiàn)象。C變?yōu)閁堿基的突變尿苷酸的缺失和添加1986.R.Benne在研究錐蟲線粒體mRNA轉(zhuǎn)錄加工時(shí)發(fā)現(xiàn)mRNA的多個(gè)編碼位置上加入或丟失尿苷酸,1990年在高等動(dòng)物和病毒中也發(fā)現(xiàn)了編輯現(xiàn)象。

錐蟲coxII基因的編輯RNA的再編碼4、原核生物與真核生物mRNA的特征比較

1)原核生物mRNA的特征●半衰期短●多以多順反子的形式存在多順反子mRNA:編碼多個(gè)蛋白質(zhì)的mRNA。單順反子mRNA:只編碼一個(gè)蛋白質(zhì)的mRNA。結(jié)構(gòu)基因Z:β-半乳糖苷酶Y:透過酶A:乙?;D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA●5’端無“帽子”結(jié)構(gòu),3’端沒有或只有較短的poly(A)結(jié)構(gòu)。SD序列:mRNA中用于結(jié)合原核生物核糖體的序列。2)真核生物mRNA的特征●5’端存在“帽子”結(jié)構(gòu)●多數(shù)mRNA3’端具有poly(A)尾巴(組蛋白除外)●以單順反子的形式存在“基因”的分子生物學(xué)定義:產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核甘酸序列。原核生物和真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的比較

DNA和RNA生物合成的比較(1)

復(fù)制

轉(zhuǎn)錄1.原料dNTPNTP2.模板DNA兩條鏈DNA一條鏈3.引物需要RNA引物不需引物4.新連延伸方向5ˊ→3ˊ5ˊ→3ˊ5.主要酶類DNA聚合酶RNA聚合酶解旋、解鏈酶類(α2ββˊσ)引物酶終止因子(ρ)DNA連接酶DNA和RNA生物合成的比較(2)

復(fù)制過程轉(zhuǎn)錄過程模板DNA解旋與解鏈,σ因子辨認(rèn)起始點(diǎn),

形成復(fù)制叉;帶動(dòng)全酶解開DNA雙鏈,形成引發(fā)體,促使轉(zhuǎn)錄起動(dòng);合成RNA引物;σ因子隨之脫落下來;3.按A=T、G=C堿基配對(duì)在核心酶催化下,

規(guī)則,合成DNA;使RNA鏈不斷延長;切除引物、填補(bǔ)空隙、ρ因子終止鏈延長。形成岡崎片段;DNA連接酶連接封口,形成長鏈DNA;6.在Tus蛋白參與下,終止復(fù)制中國科學(xué)院2001年碩士研究生入學(xué)考試:名詞解釋:Transcription;Reversetranscription1、下列有關(guān)TATA盒(Hognessbox)的敘述,哪個(gè)是正確的:A.它位于第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因處

B.它和RNA聚合酶結(jié)合

C.它編碼阻遏蛋白

D.它和反密碼子結(jié)合

B

2.轉(zhuǎn)錄需要的原料是:

dNTPB.dNDP

C.dNMP

D.NTPE.NMPD3、DNA模板鏈為5’-ATTCAG-3’,其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是:A.5’-GACTTA-3’B.5’-CTGAAT-3’C.5’-UAAGUC-3’D.5’-CUGAAU-3’

D4、DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程有許多相同點(diǎn),下列描述哪項(xiàng)是錯(cuò)誤的?A.轉(zhuǎn)錄以DNA一條鏈為模板,而以DNA兩條鏈為模板進(jìn)行復(fù)制

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