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第三章生物信息的传递(上)——从DNA到RNADNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制在遗传学上,把遗传信息的流动方向叫做信息流。信息流的方向可以用科学家克里克提出的“中心法则”来表示。从“中心法则”可以看出,遗传信息的一般流动方向是:遗传信息可以从DNA流向DNA,即完成DNA的自我复制过程,也可以从DNA流向RNA,进而流向蛋白质,即完成遗传信息的转录和翻译过程。1970年,巴尔的摩和梯明在致癌的RNA病毒中,发现一种酶,能以RNA为模板合成DNA。他们称这种酶为依赖RNA的DNA多聚酶,现在一般称为逆转录酶。这就是说,遗传信息流也可以反过来,从RNA→DNA。这是一项重要的发现。巴尔的摩和梯明于1975年荣获诺贝尔奖。中心法则复制转录翻译DNARNA蛋白质mRNAtRNA反转录rRNA转录、翻译RNA(病毒)蛋白质(病毒)复制●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RNADNA转录(transcription)生物体以DNA的一条链为模板,按照碱基配对原则,在依赖DNA的RNA聚合酶的作用下合成一条与DNA链的一定区段互补的RNA链,这个过程称为转录。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'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。编码链与模板链编码链:与RNA序列相同的那条DNA链,又称正(+)链(plusstrand)、有意义链(sensestrand)模板链:指导RNA合成的DNA链称,又称负(-)链(minusstrand)、反意义链(antisensestrand)GCAGTACATGTC…………5533′′′′DNACGTCATGTACAG编码链模板链GCAGUACAUGUCmRNA转录模板链并非永远在同一条单链上转录方向5335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:转录单元(transcriptionunit)一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。比较转录与DNA复制的异同相同:模板,新链延伸方向,碱基的加入原则。相异:①引物②信息全保留与信息半保留。③底物、与T配对的碱基④模板的数量(一条与两条)。⑤所需要的酶,及酶的外切活性的有无。返回●基本概念●转录起始:RNA聚合酶、启动子●转录的基本过程●转录机器的主要成分●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●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(一)RNA聚合酶●原核生物RNA聚合酶(大肠杆菌为例)全酶=核心酶+σ因子(P71,表3-2)σ因子负责模板链的选择与转录的起始。不仅能增加聚合酶对启动子的亲和力,还降低它对非专一位点的亲和力有许多不同的σ因子,识别不同的启动子.在大肠杆菌中一般情况下起作用的是---σ70核心酶参与转录的全过程,但不能精确起始P67•因子•RNA聚合酶要负责所有基因的转录,也就是说要识别所有转录单位的启动子。因此,因子在RNA聚合酶识别启动子的过程中起关键作用。•因子的二级结构属于螺旋,是通过识别启动子上的某一序列来控制RNA聚合酶与启动子的结合的。目前已发现了至少4种因子。•在细菌受到外界环境的急剧影响时,会改变所表达的基因,产生因子更替的现象。如环境温度升高时,大肠杆菌会开启rpoH基因的表达,其产物32能识别热激基因的启动子,而正常状态下表达的基因会关闭或表达水平下降。•芽孢菌生活周期过程中生活方式的改变也是通过因子的更替完成的。βασωαβ’图12-5E.coliRNA聚合酶的亚基组成大肠杆菌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•亚基可能参与全酶的组装及全酶识别启动子。另外,亚基还参与RNA聚合酶与一些转录调控因子间的作用。•亚基具有与底物(NTP及新生的RNA链)结合的能力。利福霉素可以阻断转录的起始,链霉溶菌素可抑制延伸反应,二者均是通过与亚基的结合而发挥作用的。•’亚基可能与模板结合。•肝素可与’亚基结合而抑制转录,并且可以和’亚基竞争DNA的结合位点。•肝素是一种抗凝剂,由二中多糖交替而成的多聚体,在体内外都有抗凝作用。临床上主要用于血栓栓塞、心肌梗死、心血管手术,血液透析等等。•亚基和’亚基提供了RNA聚合酶的活性中心,其一级结构与真核生物RNA聚合酶大亚基有同源性。•亚基的功能是帮助全酶识别启动子并与之结合。亚基也可被看作一种辅助因子,因此又可称为因子(sigmafactor)。●真核生物RNA聚合酶酶位置转录产物相对活性对α-鹅膏蕈(xùn)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α-鹅膏蕈碱是致死鹅膏菌属中最毒的成分,它是一种含有几种特殊氨基酸的环八肽,作用于真核生物细胞时,能专一性的抑制真核生物的RNA多聚酶Ⅱ,hnRNA不均一核RNA•RNA聚合酶Ⅰ位于核仁,活性所占比例最大,负责rRNA(5.8S、18S和28S)的转录。RNA聚合酶Ⅰ负责了大部分细胞RNA的转录。•(S为沉降系数,是某种颗粒在超速离心时沉降速度的数值,此数值与颗粒的大小直接成比例)•RNA聚合酶Ⅱ位于核质,活性所占比例仅次于RNA聚合酶Ⅰ,主要负责核内不均一RNA(heterogenousnuclearRNA,hnRNA/mRNA前体)的转录。•RNA聚合酶Ⅲ也位于核质,活性所占比例最小,负责tRNA、5SRNA、Alu序列和其他小RNA的转录。•真核生物的RNA聚合酶的分子量都很大,由8至16个亚基组成。经纯化的RNA聚合酶具有以DNA为模板合成RNA的能力,但不能正确地选择启动子。•目前尚不能完成RNA聚合酶的体外重建,无法确定哪些亚基是活性所必需的。RNA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转录复合物包括:RNA聚合酶、DNA、新生RNA的三元复合物。两个途径:(1)流产式复制;(2)组成延伸复合物。(二)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。●原核生物启动子结构Pribnow41-44bp原核基因转录起录区的上游10碱基处(-10bp)的序列,在原核生物中,是一致序列如RNA聚合酶核心酶结合位点,其基本结构是TATaATG。因普利布瑙首先报道,故名。大肠杆菌中部分启动子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)编码链AACTGTATATTA模板链TTGACATATAAT3’5’DNA转录起始点Probnow盒子启动子3510+1转录区5’3’RNA转录起点与新生RNA链第一个核苷酸相对应DNA链上的碱基。大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区T85T83G81A61C69A52T89A89T50A65A10035区10区原核启动子区的经典结构-10区(Pribnow区)保守序列:TATAAT-35区(sextamabox)保守区序列:TTGACA典型启动子的结构-35-10转录起点TTGACA16-19bpTATAAT5-9bp保守区1sextamabox(-35区):RNA聚合酶识别位点,该序列提供了RNA聚合酶识别的信号。σ亚基识别-35序列,为转录选择模板。这一序列的核苷酸结构在很大程度上决定了启动子的强度。2Pribnowbox(-10区):RNA聚合酶牢固结合位点,此处AT含量多,有助于DNA局部双链解开。是使起始复合物由关闭状态转变成启动状态的特定序列此外,在启动子上游部位还有一个代谢分解物基因激活蛋白(cataboliticgeneactivationprotein,CAP)结合位点。CAP是生物基因表达的一种正调节蛋白,当它与cAMP形成复合物后,能改变构象,提高对启动子的亲和力,促进转录进行。原核启动子保守区的功能-10区序列对转录的效率影响:•TATAAT→AATAAT,转录效率下降,称为下降突变(downmutation)。•TATGTT→TATATT,转录效率上升,为上升突变(upmutation)。•以上突变为何会影响转录效率?•碱基的改变可能导致DNA双链的双螺旋发生改变,最终导致酶与DNA结合所需要的自由能增加或者降低,从而使转录的效率上升或者下降SextamaBox与PribnowBox间距为17bp,有利于RNApol启动lSextamaBoxorPribnowBoxmut.17bp的间距较17bp的序列对转录更为重要2SextamaBoxandPribnowBoxmut.→转录率下降100X→转录率下降1000X增强子及其功能:(1)远距离效益(2)无方向性(3)顺式调节(4)增强效应一般具有组织或细胞特异性(5)没有物种和基因的特异性(6)有相位性(7)许多增强子还受外部信号的调控。●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)真核生物有三种不同的启动子,其中以第II类启动子最为复杂,它由核心启动子和上游启动子元件两个部分组成。与原核的启动子有很多不同:(1)有多种元件:TATA框,GC框,CATT框,OCT等;(2)有的有远距离的调控元件存在,如增强子;(3)这些元件常常起到控制转录效率和选择起始位点的作用;(4)不直接和RNApol结合;(5)需多种转录因子介入。1、核心启动子●核心启动子:指保证RNA聚合酶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起始位点上游的TATA盒。核心启动子单独起作用时,只能确定转录起始位点并产生基础水平的转录起始位点:mRNA的第一个碱基倾向ATATA框:其一致序列是T85A97T93A85A63A83A50,TATA框的作用:(1)选择正确的转录起始位点,保证精确起始,故也称为选择子(selector)。(2)影响转录的速率。2、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,基本不参与起始位点的确定。其中CAAT对转录起始频率影响最大。CAAT:-70--80bpGGGCGG:-80--110bp真核生物启动子的基本结构-75区-25区+1CAATboxTATAbox(hognessbox)-80~-110区GCbox上游启动子元件(UPE)核心启动子(corepromoter)除了启动子外,还有许多序列与转录的起始有关,它们的存在,对真核生物的基因表达调节起着重要作用:如增强子(enhomcer)、减弱子(dehancer)、沉默子(sisencer)等(三)转录起始复合物●原核生物转录起始复合物转录因子转录复合体TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIFPolIITFIIERNApolⅡ的转录起始●真核生物转录起始复合物●基本概念●转录起始:RNA聚合酶、启动子●转录
本文标题:第三章生物信息的传递(上)转录
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