第三章-生物信息傳遞(上)-從DNA到RNA

2024/12/41第三章生物信息傳遞（上）

從DNA到RNA逆轉錄2024/12/42轉錄（transcription)以DNA單鏈為模板,NTP為原料,在依賴DNA的RNA聚合酶催化下合成RNA鏈的過程。模板鏈（templatestrans）或無意義鏈(antisensestrand):作為模板，按堿基互補配對原則轉錄成RNA的DNA鏈。編碼鏈（codingstrand）或有意義鏈(sensestrand)與模板鏈互補的非模板鏈,其編碼區(qū)的堿基序列與轉錄產(chǎn)物mRNA的序列相同（僅T、U互換）。2024/12/43編碼鏈（codingstrand）模板鏈（templatestrans）2024/12/44相同或相似差異轉錄復制模板DNA模板鏈轉錄兩股鏈均可復制原料核苷三磷酸NTPdNTP堿基配對遵從堿基配對原則A-U;T-A;G-CA-T;G-C聚合酶依賴DNA的聚合酶RNA聚合酶DNA聚合酶產(chǎn)物多核苷酸鏈mRNA,tRNA,rRNA

等子代雙鏈DNA特點不對稱轉錄半保留、半不連續(xù)復制轉錄與復制的異同點2024/12/45第一節(jié)RNA轉錄的基本過程第二節(jié)轉錄機器的主要成分第三節(jié)啟動子與轉錄的起始第四節(jié)原核生物與真核生物mRNA特征的比較第五節(jié)終止與抗終止第六節(jié)內(nèi)含子的剪切、編輯及化學修釋2024/12/46第一節(jié)RNA的轉錄一、轉錄的基本過程模板的識別轉錄的起始通過啟動子轉錄的延伸轉錄的終止2024/12/47隨機擴散定向取代隨機行走模板識別:RNA聚合酶與啟動子DNA雙鏈相互作用并與之相結合的過程.在原核生物中,σ因子辨認-35區(qū),全酶與該區(qū)結合形成疏松復合物,繼而全酶向-10區(qū)及起始位點移動,到起始位點后全酶與DNA結合緊密。啟動子（promoter):是基因轉錄起始所必需的一段DNA序列，是基因表達調(diào)控的上游順式作用元件之一。2024/12/48全酶-啟動子形成閉合二重復合體；閉合復合體轉變?yōu)殚_放復合體；整合進最初兩個核苷酸,形成一個磷酸二酯鍵,形成三重復合體；轉錄的起始原核生物轉錄的起始通過啟動子在酶不需要移動時,即可加入9個核苷酸,但在加入核苷酸過程中,隨時可能釋放RNA；起始成功后,釋放出σ因子。2024/12/49真核生物轉錄的起始真核生物有三種RNA聚合酶,分別催化不同RNA的合成,每種酶的作用均需一些蛋白輔助因子的參與,將這些因子稱為轉錄因子。轉錄因子的命名冠以聚合酶的名稱,如RNA聚合酶II所需的轉錄因子稱為轉錄因子II（transcriptionfactorII,TFII)。TFs幫助RNA聚合酶識別啟動子。TFs(轉錄因子）必須先與DNA形成復合物,幫助RNA聚合酶定位到轉錄起始的位點。RNA聚合酶和轉錄因子在DNA上的定位形成前起始復合物,由于轉錄因子的作用復合物由封閉型轉換成開放型。2024/12/410正常的延伸中,新的磷酸二酯鍵在特定的活性位點進行；出現(xiàn)故障時,RNA聚合酶停止前進并回撤；在RNA的3’端切割,形成新的3'-OH末端；重新開始延伸RNA鏈。轉錄的延伸(NMP)n+NTP=(NMP)n+1+PPi2024/12/411轉錄的終止RNA聚合酶釋放RNA鏈釋放DNA恢復成雙螺旋狀態(tài)2024/12/412第二節(jié)轉錄機器的主要成分一、RNA聚合酶RNA聚合酶主要以雙鏈DNA為模板；RNA聚合酶是轉錄過程中最關鍵的酶；每個細胞中約有7000個RNA聚合酶；任何時候大約2000~2500個核心酶執(zhí)行轉錄功能。2024/12/413催化中心ββ′α：參與核心酶組裝及的啟動子識別

全酶α2ββ′ωσ

核心酶

α2ββ′ωσ亞基識別模板鏈并與啟動子結合使轉錄起始，在轉錄延伸階段，σ亞基與核心酶解離，僅由核心酶參與延伸過程。1.原核生物RNA聚合酶與模板DNA.底物NTP及新生RNA鏈結合2024/12/414核心酶可以DNA為模板合成RNA,但不能在正確的位點起始。起始必須有σ因子；σ因子能夠提高酶和啟動子識別的特異性,同時也降低酶和非特異位點的親和力。在某些細菌細胞內(nèi)含有能識別不同啟動子的σ因子,以適應不同生長發(fā)育階段的要求,調(diào)控不同基因轉錄的起始。σ因子因子基因功能σ70rpoD廣泛σ32rpoH熱休克σ54rpoN氮代謝2024/12/415聚合酶前進時,將前端的DNA雙鏈解旋,在后方則重新結合。聚合酶所保護的DNA序列約為40bp,而解旋的DNA區(qū)域大約17bp,RNA的3‘端大約有20~30個核苷酸與DNA或聚合酶結合,而其中RNA-DNA雜交區(qū)僅約9bp。2024/12/416

2.真核生物的RNA聚合酶酶細胞內(nèi)定位轉錄產(chǎn)物相對活性對α-鵝膏蕈堿的敏感程度RNA聚合酶I核仁rRNA50％～70％不敏感RNA聚合酶II核質mRNA20％～40％敏感RNA聚合酶III核質tRNA約10％存在物種特異性

2024/12/417真核生物RNA聚合酶一般由8~16個亞基所組成。其中RNA聚合酶II的兩個大亞基（RPB1和RPB2）與細菌核心酶的兩個大（β和β‘）；（RPB3和RPB11）與α亞基同源；RPB6與ω亞基同源。真核生物RNA聚合酶共性:聚合酶中有兩個相對分子質量超過1X105的大亞基；三類聚合酶有共顯小亞基的傾向。2024/12/418RNA聚合酶I的轉錄產(chǎn)物是45SrRNA，經(jīng)剪接修飾后生成除5SrRNA外的各種rRNA。RNA聚合酶II在核內(nèi)轉錄生成hnRNA，經(jīng)剪接加工后生成成熟mRNA被運送到細胞質中作為蛋白質合成的模板。核不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA）:核內(nèi)未被剪接的有內(nèi)含子的mRNA前體，或是核內(nèi)mRNA的初級轉錄產(chǎn)物。2024/12/419RNA聚合酶III的轉錄產(chǎn)物是tRNA,5SrRNA,snRNA。SnRNA（smallnuclearRNA）,即核內(nèi)小RNA,主要存在于核內(nèi),是核內(nèi)100~300個核苷酸序列的小型RNA,參與RNA的剪接。2024/12/4202.轉錄復合物全酶-啟動子形成閉合二重復合體；閉合復合體轉變?yōu)殚_放復合體；整合進最初兩個核苷酸,形成一個磷酸二酯鍵,形成三重復合體；在酶不需要移動時,即可加入9個核苷酸,但在加入核苷酸過程中,隨時可能釋放RNA；起始成功后,釋放出σ因子。核心酶、DNA和新生RNA組成轉錄延伸復合物。2024/12/421轉錄因子（transcriptionfactor,TF）:真核生物轉錄起始過程中，除RNA聚合酶之外的其它輔助因子統(tǒng)稱為轉錄因子。2024/12/422小結一、轉錄的基本過程模板的識別轉錄的起始通過啟動子轉錄的延伸轉錄的終止二、轉錄的主要機器RNA聚合酶轉錄復合物原核生物真核生物核心酶σ因子閉合二重復合體開放二重復合體三重復合體轉錄延伸復合物2024/12/423第三節(jié)啟動子與轉錄的起始一、啟動子區(qū)的基本結構啟動子（promoter）:是一段位于結構基因5’端上游區(qū)的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之與模板DNA準確地相結合并具有轉錄起始的特異性。2024/12/424轉錄單元（transcriptionunit）:是一段從啟動子開始到終止子結束的DNA序列，RNA聚合酶從轉錄起始位點開始沿著模板前進，直到終止子為止，轉錄出一條RNA鏈。轉錄起始位點:是指與新生RNA鏈第一個核苷酸相對應DNA鏈上的堿基，研究證實通常為一個嘌呤。2024/12/425轉錄單元（transcriptionunit）起點（startpoint）上游（upstream）下游（downstream）2024/12/426啟動子區(qū)的基本結構細菌啟動子特征：1、起點通常是一個嘌呤；2、起點上游10bp處，有一約6bp的保守區(qū)域，稱為-10區(qū)（也叫PribnowBox），共有序列為：T80A95T45A60A50T96；3、起點上游35bp處，有一約6bp的保守區(qū)，稱為-35區(qū)，共有序列為：T82T84G78A65C54A45；4.90%的啟動子中，-10與-35區(qū)的距離在16-19bp之間；兩個保守區(qū)之間的序列并不重要，但距離很關鍵。2024/12/4272024/12/428TATAbox:位于RNA聚合酶II轉錄起點上游約-35~-25bp處的共同序列TATAAA，絕大多數(shù)情況下全部是A-T堿基對，只有少數(shù)含有G-C。CAATbox:在起點上游-78~-70bp處還有另一段共有序列CCAAT，稱為CAAT區(qū)。GCbox:在起點上游-110~-80bp處有一段富含GC堿基對的序列（GCCACACCC或GGGCGGG），稱為GC區(qū)。增強子:能強化轉錄起始頻率的DNA序列。真核生物基因中啟動子特征:2024/12/429二、啟動子區(qū)的識別RNA聚合酶對啟動子的識別是通過與堿基上的氫鍵供體和受體在一定距離內(nèi)互補,形成氫鍵而實現(xiàn)的。啟動子的功能既受DNA序列的影響,又受其構象的影響。2024/12/430σ70的氨基酸與啟動子-10區(qū)非模板鏈特異堿基的結合2024/12/4312024/12/432第四節(jié)原核生物與真核生物mRNA特征的比較一、原核生物mRNA的特征1.半衰期短基因的連續(xù)性轉錄和翻譯在時間和空間上的一致性2024/12/4332.許多原核生物mRNA以多順反子的形式存在操縱子（operon）功能相關的基因前后串聯(lián)，再加一個共同的調(diào)節(jié)基因和一組共同的控制位點即啟動子（promoter）和操作子（operator）在基因轉錄時協(xié)同作用。細菌基因表達調(diào)控的這樣一個完整的單元，稱為操縱子（operon）。多順反子（polycistronicmRNA):編碼多個蛋白質的mRNA稱為多順反子mRNA。單順反子(monocistronicmRNA):只編碼一個蛋白質的mRNA稱為單順反子mRNA。2024/12/434β-半乳糖苷酶透過酶乙酰基轉移酶大腸桿菌乳糖操縱子阻遏蛋白2024/12/435mRNAAUG之前的5′端上游非編碼區(qū)編碼區(qū)終止密碼子之后3‘端下游非編碼區(qū)2024/12/4363.原核生物mRNA5′端無帽子結構，3′端沒有或只有較短的poly(A)結構，在起始密碼子AUG上游7~12個核苷酸處有6個核苷酸的保守序列，被稱為SD序列。SD序列在與核糖體的結合過程中起作用。2024/12/4375′5′Gppp+pppApNpNp...↓5′5′GpppApNpNp...+pp+p在磷酸酶的作用下,將5‘-端的磷酸基水解,由腺苷酸轉移酶加上鳥苷三磷酸,形成GpppN的結構,再由鳥嘌呤-7-甲基轉移酶對G進行甲基化。新加的G以反方向與5′連接,這一結構稱為帽子（cap）結構。二、真核生物mRNA的特征1.真核生物mRNA的5’端存在“帽子”結構2024/12/438甲基化只在末端G的7位甲基化的帽子稱為帽子0（cap0）,寫作m7GpppX；若第二個核苷酸2'-OH甲基化,則稱為帽子1（cap1）,寫作m7GpppXm；若第三個核苷酸2’-OH甲基化,則稱為帽子2（cap2）,寫作m7GpppXmpYm。2024/12/439帽子結構的作用:1、提高mRNA的活性及穩(wěn)定性；2.作為蛋白質合成起始信號的一部分。2024/12/440PolI和polIII在特定的位點終止合成PolII無特定終止位點？2.真核生物mRNA的3’端存在poly(A)尾巴2024/12/441PolII無特定終止位點,3’-OH末端通過在特定位點切割后加上poly(A)來形成。幾乎所有真核基因的3’轉錄終止位點上游15~30bp存在保守序列AAUAAA,該序列作為切割和添加poly(A)位點的信號。2024/12/442特異組分（CutandpolyASpecialfactor,CPSF）識別AAUAAA序列；產(chǎn)生正確的末端結構需要核酸內(nèi)切酶（由CFI和CFII組成）切割RNA；激發(fā)因子CstF,結合在切割位點下游一富含G-U的序列poly(A)聚合酶（PAP）合成poly(A)尾部；。2024/12/443小結一、原核生物mRNA的特征:半衰期短許多mRNA以多順反子的形式存在二、真核生物mRNA的特征5’端存在“帽子”結構3’端存在poly(A)尾巴無帽子和尾巴結構2024/12/444第五節(jié)終止和抗終止大腸桿菌的終止子不依賴于ρ因子的終止依賴于ρ因子的終止2024/12/445一、不依賴于ρ因子的終止合成的RNA尾部的序列特征：1、二重對稱的序列形成發(fā)卡結構；在發(fā)卡結構的莖基部富含G-C對；發(fā)卡結構可減緩或暫停合成；2.尾部有約4~8個連續(xù)的U；連續(xù)的A-U對使雜交鏈更容易分離。2024/12/4462024/12/447ρ先結合于終止區(qū)上游；沿RNA鏈移動；RNA聚合酶在終止子處暫停；ρ因子追上聚合酶并使之解離,并拆分RNA-DNA雜交鏈。二、依賴ρ因子的終止2024/12/448三、抗終止1.破壞終止位點RNA的莖環(huán)結構在原核生物中,轉錄和翻譯相偶聯(lián)。當介質中氨基酸減少時,相對應的攜帶這種氨基酸的tRNA也減少,使得核糖體不能順利通過串聯(lián)密碼子,而破壞了mRNA的莖環(huán)結構,使得轉錄不能終止。2024/12/4492.依賴于蛋白質因子的轉錄抗終止

λ噬菌體中的N蛋白具有抗轉錄終止的作用。DNA序列A區(qū)（CGCTCTTA）二重對稱序列結合N蛋白結合NusARNA聚合酶結合隨后NusG,S10,NusB都結合在Nut位點,形成復合物,使RNA聚合酶構象改變,對終止信號不敏感,使RNA鏈的合成繼續(xù)。2024/12/450第六節(jié)內(nèi)含子的剪接、編輯、再編輯及化學修釋一、RNA中的內(nèi)含子不連續(xù)基因（interrupted/discontinuousgene,splitgene,割裂基因）真核生物基因除了與mRNA相對應的編碼序列外,還含有一些不編碼的序列插在編碼序列之間。這些序列在加工為成熟的mRNA時被去除。外顯子（exon）:基因中與mRNA一致的序列。一個基因總是以外顯子為起點和終點。內(nèi)含子（intron）:基因中編碼序列之間的介入序列，在原初轉錄物加工為mRNA時被去除。2024/12/451內(nèi)含子兩端沒有長的同源或互補序列,但有極短的保守的共有序列,左端（上游）為GU,右端（下游）為AG。這一現(xiàn)象稱為GU-AG規(guī)則。左端的位點也叫供體位點（donorsite）或者5',右端也叫受體位點（acceptorsite）或者3'。2024/12/452內(nèi)含子的結構特點GU-AG法則3'端附近有一段10~20個嘧啶核苷酸的區(qū)域5'端有保守序列5'-GUPuAGU-3'3'端上游18~50個核苷酸處有保守序列Py80NPy87Pu75APy953'A/CAGGUPuAGU

A

Pyrich

AGG5'5'剪接位點分支點3'剪接位點內(nèi)含子外顯子外顯子2024/12/453剪接體的組裝和剪接過程內(nèi)含子釋放進一步與U4、U5.U6三聚體結合，形成60S剪接體U1釋放,U5從內(nèi)含子區(qū)移到外顯子區(qū),U6結合在5’剪切位點U1結合在5’剪切位點,U2AF結合在多嘧啶區(qū)U2結合在分支點,形成剪接前體U4釋放,U6/U2催化5’剪切,U5結合在3’剪切位點U2/U5/U6催化3’剪切二、mRNA的剪接2024/12/454內(nèi)含子的剪接方式有:組成性剪接:在高等真核生物中，內(nèi)含子通常是有序或組成性地從mRNA前體中被剪接，這種剪接方式稱為組成性剪接。變位剪接:又叫選擇性剪接，指在剪接過程中可以有選擇性地越過某些外顯子或某個剪接位點進行變位剪接，產(chǎn)生出不同mRNA，這種剪接方式稱為變位剪接。2024/12/455I類內(nèi)含子（GroupI）

出現(xiàn)于低等真核生物四膜蟲pre-RNA。在真菌線粒體中很普遍。也存在于噬菌體T4和細菌中。這類內(nèi)含子具有自我剪接（self-splicing/autosplicing）的能力。2024/12/456GNP的3’-OH攻擊內(nèi)含子5’端,形成G-內(nèi)含子,和外顯子部分；分離的外顯子3’-OH攻擊下一個外顯子的5’端；釋放的內(nèi)含子3’-OH攻擊自身5’端15堿基處。Ⅰ類內(nèi)含子的剪接主要是轉酯反應2024/12/457具有9個配對區(qū)（雙螺旋區(qū)），其中P4、P7比較保守；P3、P4、P6.P7形成內(nèi)含子的“核心”，是可進行具催化反應的最小區(qū)域；P1包括一段外顯子，稱為IGS（internalguidesequence）。I類內(nèi)含子的一般二級結構2024/12/458Ⅱ類內(nèi)含子主要存在于真核生物的線粒體和葉綠體rRNA基因中。

兩步反應都通過酯基轉（transesterification）進行。

分支位點A殘基2‘-OH攻擊5’位點。

上游外顯子3‘-OH攻擊3’位點。2024/12/459剪接的第一步,分支位點A殘基2’–OH攻擊內(nèi)含子5’位點,使內(nèi)含子5’端與上游外顯子之間斷裂；5’端與內(nèi)含子中靠近3’端的一A殘基2’-OH形成一索套形中間產(chǎn)物;A所在位點稱為分支位點（branchsite）;第二步,上游外顯子3’–OH攻擊3’位點,在3’位點切割,釋放出內(nèi)含子,連接兩個外顯子。II類（groupII）內(nèi)含子的剪接2024/12/460翻譯轉錄末端修飾剪接RNA剪接、加工均發(fā)生于核內(nèi)。

翻譯發(fā)生于細胞質中的核糖體上。2024/12/461三、RNA的編輯、再編輯及化學修飾1.RNA的編輯指某些RNA，特別是在mRNA中插入、刪除或取代一些核苷酸殘基，導致DNA所編碼遺傳信息的改變，從而翻譯出多種氨基酸序列不同的蛋白質。結果使成熟mRNA的核苷酸序列不同于前體，也不同于DNA模板，使遺傳信息在mRNA水平上發(fā)生改變。2024/12/462介導RNA編輯的機制有兩種:a、脫氨基作用b、引導RNA指導的尿嘧啶插入或刪除2024/12/463(1)、單堿基突變(脫氨基作用）載脂蛋白基因在動物肝臟和小腸中的表達。CU轉變通過脫氨反應進行,由脫氨酶催化。載脂蛋白mRNA的編輯2024/12/464細胞色素氧化酶II蛋白的序列與其基因相比,發(fā)生了移碼（frameshift）。移碼是通過在移碼位點附近插入4個U形成。(2)、尿苷酸的缺失和添加2024/12/465利什曼原蟲（Leishmania）的細胞色素

b基因表達時的RNA編輯指導RNA（guideRNA）:指導RNA編輯的小分子RNA，又稱向導RNA。長度大約是60~80個核苷酸，中間有一段與被編輯mRNA相當程度互補的序列。指導RNA上存在一些未能配對的腺嘌呤,形成缺口,為插入尿嘧啶提供了模板。2024/12/466RNA編輯的生