生物信息的傳遞DNA-RNA課件

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院分子生物學(xué)第三章生物信息的傳遞（上）——從DNA到RNA

本章將介紹生物信息的傳遞的上半部分，即轉(zhuǎn)錄——從DNA到RNA。2023/7/242第三章生物信息的傳遞（上）基因作為唯一能夠自主復(fù)制、永久存在的單位，其生理學(xué)功能以蛋白質(zhì)形式得到表達(dá)。DNA序列是遺傳信息的貯存者，它通過自主復(fù)制得到永存，并通過轉(zhuǎn)錄生成mRNA，翻譯生成蛋白質(zhì)的過程控制所有生命現(xiàn)象。2023/7/243第三章生物信息的傳遞（上）轉(zhuǎn)錄（transcription）——生物體以DNA為模板合成RNA的過程。轉(zhuǎn)錄后得到的RNA要經(jīng)過加工才能變成成熟的mRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物還可以變?yōu)閞RNA和tRNA。參

與

轉(zhuǎn)

錄

的

物

質(zhì)：底物:4種NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶其他蛋白質(zhì)因子2023/7/244第三章生物信息的傳遞（上）第一節(jié)轉(zhuǎn)錄的基本過程第二節(jié)轉(zhuǎn)錄機(jī)器的組成第三節(jié)啟動子與轉(zhuǎn)錄起始第四節(jié)原核與真核生物

mRNA的特征比較第五節(jié)終止與抗終止第六節(jié)mRNA的加工2023/7/245第一節(jié)轉(zhuǎn)錄的基本過程無論在原核還是真核細(xì)胞中，RNA鏈的合成都具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：RNA按5’→3’方向合成以DNA雙鏈中的反義鏈為模板不需要引物參與合成的RNA有與DNA編碼鏈相同的序列（A-U）轉(zhuǎn)錄的基本過程包括：模板的識別，轉(zhuǎn)錄起始，轉(zhuǎn)錄延伸，轉(zhuǎn)錄終止2023/7/246第一節(jié)轉(zhuǎn)錄的基本過程1.模板的識別模板的識別階段主要指RNA聚合酶與啟動子DNA雙鏈相互作用并與之相結(jié)合的過程。啟動子是基因轉(zhuǎn)錄起始所必需的一段DNA序列，是基因表達(dá)調(diào)控的上游順式作用元件之一。真核細(xì)胞中的模板識別與原核細(xì)胞有所不同，需要一些轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子（輔助蛋白），RNA聚合酶才能識別啟動子并形成轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物（PIC）。2023/7/2472.轉(zhuǎn)錄起始RNA聚合酶結(jié)合到啟動子上以后，使啟動子附近的DNA解旋并解鏈，形成轉(zhuǎn)錄泡以促使核糖核苷酸與模板DNA配對。轉(zhuǎn)錄起始即是RNA鏈上第一個(gè)核苷酸鏈的產(chǎn)生。無需引物。起始后直到形成9個(gè)核苷酸的過程是通過啟動子階段，此時(shí)RNA聚合酶一直在啟動子處，之后進(jìn)入正常延伸。2023/7/2483.轉(zhuǎn)錄延伸轉(zhuǎn)錄延伸即是RNA聚合酶釋放σ因子離開啟動子后，核心酶沿著模板DNA移動并使新生RNA鏈不斷伸長的過程。4.轉(zhuǎn)錄終止當(dāng)RNA鏈延伸到終止位點(diǎn)時(shí)，RNA將停止合成，轉(zhuǎn)錄泡瓦解，DNA鏈復(fù)原，新生RNA鏈和RNA聚合酶將被釋放下來。這即是轉(zhuǎn)錄終止。2023/7/249第二節(jié)轉(zhuǎn)錄機(jī)器的組成轉(zhuǎn)錄機(jī)器即是轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，其最核心成分是RNA聚合酶。2023/7/2410第二節(jié)轉(zhuǎn)錄機(jī)器的組成1.RNA聚合酶RNA聚合酶是轉(zhuǎn)錄過程中最關(guān)鍵的酶。原核和真核生物的RNA聚合酶雖然都能催化RNA的合成，但在其分子組成、種類和生物化學(xué)特性上各有特色。2023/7/2411第二節(jié)轉(zhuǎn)錄機(jī)器的組成1.RNA聚合酶原核生物RNA聚合酶在細(xì)菌中，一種RNA聚合酶幾乎負(fù)責(zé)所有mRNA、rRNA和tRNA的合成。大腸桿菌RNA聚合酶：2個(gè)α亞基1個(gè)β亞基1個(gè)β’亞基1個(gè)σ亞基核心酶全酶2023/7/2412原核生物RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的其實(shí)過程需要全酶，延伸過程僅需要核心酶。各亞基的功能：β亞基和β’亞基組成了聚合酶的催化中心，它們在序列上與真核生物RNA聚合酶的兩個(gè)大亞基同源。β亞基能與模板DNA、新生RNA鏈及核苷酸底物相結(jié)合。α亞基可能與核心酶的組裝及啟動子的識別有關(guān)，并參與RNA聚合酶和部分調(diào)節(jié)因子的相互作用。2023/7/2413各亞基的功能：σ因子的作用是負(fù)責(zé)模板鏈的選擇與轉(zhuǎn)錄的起始，它是酶的別構(gòu)效應(yīng)物，使酶專一性識別啟動子。提高酶對啟動子的親和力，酶底結(jié)合常數(shù)提高103倍降低酶對非專一性位點(diǎn)的親和力，非特異性結(jié)合常數(shù)降低104倍某些細(xì)菌內(nèi)含有能識別不同啟動子的σ因子。2023/7/2414第二節(jié)轉(zhuǎn)錄機(jī)器的組成1.RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶在真核生物中共有3類RNA聚合酶。真核生物RNA聚合酶一般由8-16個(gè)亞基所組成，相對分子質(zhì)量超過5×105。

酶位置轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物相對活性對α-鵝膏蕈的敏感性RNA聚合酶Ⅰ核仁28s,18s,5.8srRNAs50～70%不敏感RNA聚合酶Ⅱ核質(zhì)hnRNA,mRNA,某些SnRNAs20～40%高度敏感RNA聚合酶Ⅲ核質(zhì)tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs～10%存在物種特異性

2023/7/2415第二節(jié)轉(zhuǎn)錄機(jī)器的組成1.RNA聚合酶其它RNA聚合酶除了前述兩種RNA聚合酶，還有：T3和T7噬菌體RNA聚合酶。僅有一條多肽鏈組成，相對分子質(zhì)量小于1×105。線粒體RNA聚合酶。僅有一條多肽鏈組成，相對分子質(zhì)量小于7×104，與T7噬菌體RNA聚合酶有同源性。葉綠體RNA聚合酶。結(jié)構(gòu)比較大，與細(xì)菌RNA聚合酶相似，由多個(gè)亞基組成。

2023/7/2416第二節(jié)轉(zhuǎn)錄機(jī)器的組成2.轉(zhuǎn)錄復(fù)合物在轉(zhuǎn)錄的不同階段，RNA聚合酶將同DNA結(jié)合，形成不同的復(fù)合物：在識別階段，聚合酶與啟動子可逆性結(jié)合形成封閉二元復(fù)合物。接著，結(jié)合處DNA雙鏈解開，封閉復(fù)合物變?yōu)殚_放二元復(fù)合物。轉(zhuǎn)錄開始，由RNA聚合酶、DNA和新生RNA形成三元復(fù)合物。

2023/7/2417第二節(jié)轉(zhuǎn)錄機(jī)器的組成2.轉(zhuǎn)錄復(fù)合物除RNA聚合酶外，真核生物轉(zhuǎn)錄還需要至少7中輔助因子參與。這些蛋白輔助因子統(tǒng)稱轉(zhuǎn)錄因子。一般情況下，三元復(fù)合物進(jìn)入以下兩條途徑：合成并釋放2-9nt的短RNA轉(zhuǎn)錄物，即流產(chǎn)式轉(zhuǎn)錄。盡快釋放σ亞基，轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物通過啟動子區(qū)域形成轉(zhuǎn)錄延伸復(fù)合物。

2023/7/2418第三節(jié)啟動子與轉(zhuǎn)錄起始1.啟動子區(qū)的基本結(jié)構(gòu)啟動子是一段位于結(jié)構(gòu)基因5’端上游區(qū)的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之與模板DNA準(zhǔn)確地結(jié)合，并具有轉(zhuǎn)錄起始的特異性。2023/7/2419第三節(jié)啟動子與轉(zhuǎn)錄起始1.啟動子區(qū)的基本結(jié)構(gòu)原核生物中經(jīng)對啟動子的比較，它們有共有序列：在上游10bp處為TATAAT，又稱為Pribnow盒在上游35bp處為TTGACA。T82T84G78A65C54A45···T80A95T45A60A50T96

2023/7/2420第三節(jié)啟動子與轉(zhuǎn)錄起始1.啟動子區(qū)的基本結(jié)構(gòu)真核生物中：TATA序列(TATAbox)：位于-25～-35，使轉(zhuǎn)錄精確地起始，TATA序列也叫核心啟動元件。CCAAT序列(CAATbox)：位于-70～-80，CAAT區(qū)主要控制轉(zhuǎn)錄起始頻率。GCCACACCC或GGGCGGG序列（GCbox）：位于-110～-80，主要控制轉(zhuǎn)錄起始頻率。并非每個(gè)基因中都包含這3個(gè)區(qū)域。2023/7/2421第三節(jié)啟動子與轉(zhuǎn)錄起始2.啟動子區(qū)的識別RNA聚合酶并不直接識別堿基對本身，而是通過氫鍵互補(bǔ)的方式加以識別。在啟動子區(qū)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，存在特定方位的氫鍵供體和受體（堿基上的基團(tuán)），能與酶分子內(nèi)也處于特定空間構(gòu)象的氫鍵受體與供體結(jié)合，從而相互識別。3.RNA聚合酶與啟動子區(qū)的結(jié)合在識別階段，聚合酶與啟動子可逆性結(jié)合形成封閉二元復(fù)合物。接著，結(jié)合處DNA雙鏈解開，封閉復(fù)合物變?yōu)殚_放二元復(fù)合物。2023/7/2422第三節(jié)啟動子與轉(zhuǎn)錄起始4.-10區(qū)與-35區(qū)的最佳距離原核生物中，-10區(qū)與-35區(qū)之間的距離大約是16～19bp，小于15bp或大于19bp都會降低啟動子的活性。細(xì)菌中常見的兩種突變：下降突變：如果Pribnow區(qū)從TATAAT變?yōu)锳ATAAT就會大大降低其結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄水平。上升突變：即增加Pribnow區(qū)共同序列的同一性。2023/7/2423第三節(jié)啟動子與轉(zhuǎn)錄起始4.-10區(qū)與-35區(qū)的最佳距離原核生物中，-10區(qū)與-35區(qū)之間的距離大約是16～19bp，小于15bp或大于19bp都會降低啟動子的活性。細(xì)菌中常見的兩種突變：下降突變：如果Pribnow區(qū)從TATAAT變?yōu)锳ATAAT就會大大降低其結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄水平。上升突變：即增加Pribnow區(qū)共同序列的同一性。2023/7/2424第三節(jié)啟動子與轉(zhuǎn)錄起始5.增強(qiáng)子及其功能增強(qiáng)子是長約100～200bp的序列，它們與啟動子不同，可以位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的上游，也可位于其下游。增強(qiáng)子具有增加啟動子的作用，與啟動子一起都可視為基因表達(dá)調(diào)控中的順式

作用元件，可與轉(zhuǎn)錄

因子和RNA聚合酶結(jié)

合，啟動并調(diào)節(jié)基因

轉(zhuǎn)錄。2023/7/2425第三節(jié)啟動子與轉(zhuǎn)錄起始5.增強(qiáng)子及其功能增強(qiáng)子的特點(diǎn)：遠(yuǎn)距離效應(yīng)。一般位于上游-200bp處。無方向性?？晌挥诎谢虻纳嫌?、下游或內(nèi)部。順式調(diào)節(jié)。只調(diào)節(jié)位于同一染色體上的靶基因。無物種和基因特異性?？蛇B接到異源基因上發(fā)揮作用。有組織特異性。需要特定的蛋白因子參與。有相位性。其作用與DNA的構(gòu)想有關(guān)。有的增強(qiáng)子可以對外部信號產(chǎn)生反應(yīng)。2023/7/2426第三節(jié)啟動子與轉(zhuǎn)錄起始6.轉(zhuǎn)錄的抑制轉(zhuǎn)錄抑制劑根據(jù)其作用性質(zhì)主要可以分為兩大類：DNA模板功能抑制劑，與DNA結(jié)合而改變模板的功能。RNA聚合酶抑制劑，與RNA聚合酶結(jié)合而抑制其活力。除上述抑制劑外，還有一些嘌呤和嘧啶的類似物，如5-氟尿嘧啶等，可以作為核苷酸代謝拮抗物來抑制核酸前體的合成。抑制劑靶酶抑制作用利福霉素細(xì)菌的全酶與β亞基結(jié)合，阻止起始鏈霉溶菌素細(xì)菌的核心酶與β亞基結(jié)合，阻止延長放線菌素D真核RNA聚合酶Ⅰ與DNA結(jié)合，并阻止延長α-鵝膏蕈堿真核RNA聚合酶Ⅱ與RNA聚合酶Ⅱ結(jié)合2023/7/2427第四節(jié)mRNA的特征1.原核生物mRNA的特征原核生物mRNA半衰期短許多原核生物mRNA可能已多順反子的形式存在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)起始密碼子常為AUG，有時(shí)也為GUG，甚至UUG2023/7/2428第四節(jié)mRNA的特征1.原核生物mRNA的特征存在SD序列(Shine-Dalgarnosequence)。原核生物起始密碼子AUG上游7～12個(gè)核苷酸處的一段保守序列，與16SrRNA端3′端反向互補(bǔ)，被認(rèn)為在核糖體-mRNA的結(jié)合過程中起作用。2023/7/2429第四節(jié)mRNA的特征2.真核核生物mRNA的特征：單順反子5′端存在帽子結(jié)構(gòu)。3′端具poly(A)尾巴

（除組蛋白基因外）起始密碼子僅為AUG5’m7GpppNmNmAUGpolyA3’非編碼區(qū)長度不一編碼區(qū)幾百-幾千核苷酸非編碼區(qū)100-250核苷酸UGAUAGUAA真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)模式2023/7/24302.真核核生物mRNA的特征5’端加帽反應(yīng)在轉(zhuǎn)錄早期即已完成。帽子結(jié)構(gòu)有三種不同甲基化形式。帽子的作用可能使mRNA免遭核酸酶的破壞。甲基化的帽子也可能是蛋白質(zhì)合成起始信號的一部分。2023/7/24312.真核核生物mRNA的特征多聚尾巴是在轉(zhuǎn)錄后，由內(nèi)切酶切開mRNA3’端的特定部位，然后由polyA聚合酶催化多聚腺苷酸反應(yīng)。PolyA是mRNA進(jìn)入胞質(zhì)必需的形式，增強(qiáng)穩(wěn)定性。mRNA剛進(jìn)入進(jìn)入胞質(zhì)時(shí)，polyA尾巴較長，隨時(shí)間推移將變短直至消失，隨后mRNA將降解。2023/7/2432第五節(jié)終止和抗終止

至目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)某一特定位點(diǎn)具有特異的轉(zhuǎn)錄終止功能。 RNA終止時(shí)，3’端核苷酸如何定位？

根據(jù)轉(zhuǎn)錄終止是否需要輔助因子，可將終止子分為兩類：不依賴于ρ因子的終止依賴于ρ因子的終止2023/7/2433第五節(jié)終止和抗終止1.不依賴于ρ因子的終止此類終止反應(yīng)中，無任何其它因子參與。模板中存在終止轉(zhuǎn)錄的特殊信號——終止子，又稱內(nèi)在終止子（intrinsictermation）每個(gè)基因或操縱子都有一個(gè)啟動子和一個(gè)終止子。2023/7/2434第五節(jié)終止和抗終止1.不依賴于ρ因子的終止內(nèi)在終止子的特點(diǎn)：終止位點(diǎn)上游一般存在一段富含GC堿基的二重對稱區(qū)，其轉(zhuǎn)錄生成的mRNA容易互補(bǔ)形成的發(fā)卡式結(jié)構(gòu)。終止位點(diǎn)上游一般有4～8個(gè)A組成的序列，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA的3′末端中相應(yīng)的有一連串U序列。2023/7/24351.不依賴于ρ因子的終止新生RNA中出現(xiàn)發(fā)卡結(jié)構(gòu)可導(dǎo)致RNA聚合酶暫停，破壞RNA-DNA雜合鏈5’端正常結(jié)構(gòu)，寡聚U是雜合鏈3’端部分出現(xiàn)不穩(wěn)定rU·dA區(qū)域。新生RNA鏈將解離出來。終止效率與二重對稱序列和寡聚U的長短有關(guān)。2023/7/24362.依賴于ρ因子的終止有些終止點(diǎn)的DNA序列缺乏共性，不能誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的自發(fā)終止，需要ρ因子的參與。“窮追”模型大腸桿菌ρ-依賴型終止子占所有終止子的一半左右。2023/7/2437第五節(jié)終止和抗終止3.抗終止由于不同生理要求，轉(zhuǎn)錄過程中有時(shí)即使遇到終止信號，仍需要繼續(xù)轉(zhuǎn)錄的現(xiàn)象。2023/7/2438第五節(jié)終止和抗終止3.抗終止兩種類型：破壞終止位點(diǎn)RNA的莖-環(huán)結(jié)構(gòu)當(dāng)介質(zhì)中某一氨基酸的濃度較低時(shí)，缺乏相應(yīng)氨酰-tRNA，將致使核糖體滯留在串聯(lián)密碼子上，mRNA不能形成特定的二級結(jié)構(gòu)，末端莖-環(huán)結(jié)構(gòu)被破壞，因此轉(zhuǎn)錄仍將繼續(xù)進(jìn)行，出現(xiàn)抗終止現(xiàn)象。2023/7/24393.抗終止依賴于蛋白質(zhì)因子的轉(zhuǎn)錄抗終止蛋白復(fù)合物形成后，將會改變聚合酶的構(gòu)象，使之對終止信號不敏感，從而抗終止。2023/7/2440第六節(jié)mRNA的加工

轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA要經(jīng)過剪接、編輯、再編碼及化學(xué)修飾等加工過程才能變成有活性的RNA分子。2023/7/2441第六節(jié)mRNA的加工

轉(zhuǎn)錄作用產(chǎn)生出的mRNA、tRNA及rRNA的初級轉(zhuǎn)錄本全是前體RNA或核不均一RNA(hnRNA,hetero-geneousnuclearRNA)，而不是成熟的RNA，它們沒有生物學(xué)活性，還要在酶的作用下，進(jìn)行加工才能變?yōu)槌墒斓?、有活性的RNA。 RNA的加工過程主要是在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行，也有少數(shù)反應(yīng)是在胞質(zhì)中進(jìn)行。2023/7/2442第六節(jié)mRNA的加工1.RNA中的內(nèi)含子真核生物的基因往往是斷裂的基因，其轉(zhuǎn)錄所形成的RNA前體要經(jīng)過剪切，將內(nèi)含子切除后，將外顯子拼接起來才能形成成熟的mRNA。真核基因平均含8～10個(gè)內(nèi)含子，前體分子一般比成熟mRNA大4～10倍。2023/7/24431.RNA中的內(nèi)含子內(nèi)含子兩端邊界存在共有序列：（GU-AG法則）在內(nèi)含子內(nèi)部部分序列也可能參與內(nèi)含子的剪接，他們可能是pre-mRNA剪接過程中各種核糖核蛋白剪接調(diào)節(jié)因子的結(jié)合位點(diǎn)。2023/7/24442.mRNA的剪接許多相對分子質(zhì)量較小的核內(nèi)RNA（如U1，U2，U3，U4，U5和U6）以及與這些RNA相結(jié)合的核蛋白參與RNA的剪接。2023/7/24452023/7/24462.mRNA的剪接內(nèi)含子的末端識別有內(nèi)含子限定和外顯子限定兩種方式。2023/7/24472.mRNA的剪接生物體內(nèi)各種內(nèi)含子：與mRNA前體中主要（GU-AG類）和次要（AU-AC類）內(nèi)含子剪接方式不同，I、II類內(nèi)含子能進(jìn)行自我剪接。內(nèi)含