第三章 生物信息传递(上)-从DNA到RNA

2019/8/141第三章生物信息传递（上）从DNA到RNA逆转录2019/8/142转录（transcription)以DNA单链为模板，NTP为原料，在依赖DNA的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。模板链（templatestrans）或无意义链(antisensestrand)：作为模板，按碱基互补配对原则转录成RNA的DNA链。编码链（codingstrand）或有意义链(sensestrand)与模板链互补的非模板链，其编码区的碱基序列与转录产物mRNA的序列相同（仅T、U互换）。2019/8/143编码链（codingstrand）模板链（templatestrans）2019/8/144相同或相似差异转录复制模板DNA模板链转录两股链均可复制原料核苷三磷酸NTPdNTP碱基配对遵从碱基配对原则A-U;T-A;G-CA-T;G-C聚合酶依赖DNA的聚合酶RNA聚合酶DNA聚合酶产物多核苷酸链mRNA,tRNA,rRNA等子代双链DNA特点不对称转录半保留、半不连续复制转录与复制的异同点2019/8/145第一节RNA转录的基本过程第二节转录机器的主要成分第三节启动子与转录的起始第四节原核生物与真核生物mRNA特征的比较第五节终止与抗终止第六节内含子的剪切、编辑及化学修释2019/8/146第一节RNA的转录一、转录的基本过程模板的识别转录的起始通过启动子转录的延伸转录的终止2019/8/147随机扩散定向取代随机行走模板识别：RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程.在原核生物中，σ因子辨认-35区，全酶与该区结合形成疏松复合物，继而全酶向-10区及起始位点移动，到起始位点后全酶与DNA结合紧密。启动子（promoter)：是基因转录起始所必需的一段DNA序列，是基因表达调控的上游顺式作用元件之一。2019/8/148全酶-启动子形成闭合二重复合体；闭合复合体转变为开放复合体；整合进最初两个核苷酸，形成一个磷酸二酯键，形成三重复合体；转录的起始原核生物转录的起始通过启动子在酶不需要移动时，即可加入9个核苷酸，但在加入核苷酸过程中，随时可能释放RNA；起始成功后，释放出σ因子。2019/8/149真核生物转录的起始真核生物有三种RNA聚合酶，分别催化不同RNA的合成，每种酶的作用均需一些蛋白辅助因子的参与，将这些因子称为转录因子。转录因子的命名冠以聚合酶的名称，如RNA聚合酶II所需的转录因子称为转录因子II（transcriptionfactorII,TFII)。TFs帮助RNA聚合酶识别启动子。TFs(转录因子）必须先与DNA形成复合物，帮助RNA聚合酶定位到转录起始的位点。RNA聚合酶和转录因子在DNA上的定位形成前起始复合物，由于转录因子的作用复合物由封闭型转换成开放型。2019/8/1410正常的延伸中，新的磷酸二酯键在特定的活性位点进行；出现故障时，RNA聚合酶停止前进并回撤；在RNA的3’端切割，形成新的3'-OH末端；重新开始延伸RNA链。转录的延伸(NMP)n+NTP=(NMP)n+1+PPi2019/8/1411转录的终止RNA聚合酶释放RNA链释放DNA恢复成双螺旋状态2019/8/1412第二节转录机器的主要成分一、RNA聚合酶RNA聚合酶主要以双链DNA为模板；RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶；每个细胞中约有7000个RNA聚合酶；任何时候大约2000~2500个核心酶执行转录功能。2019/8/1413催化中心ββ′α：参与核心酶组装及的启动子识别全酶α2ββ′ωσ核心酶α2ββ′ωσ亚基识别模板链并与启动子结合使转录起始，在转录延伸阶段，σ亚基与核心酶解离，仅由核心酶参与延伸过程。1、原核生物RNA聚合酶与模板DNA、底物NTP及新生RNA链结合2019/8/1414核心酶可以DNA为模板合成RNA，但不能在正确的位点起始。起始必须有σ因子；σ因子能够提高酶和启动子识别的特异性，同时也降低酶和非特异位点的亲和力。在某些细菌细胞内含有能识别不同启动子的σ因子，以适应不同生长发育阶段的要求，调控不同基因转录的起始。σ因子因子基因功能σ70rpoD广泛σ32rpoH热休克σ54rpoN氮代谢2019/8/1415聚合酶前进时，将前端的DNA双链解旋，在后方则重新结合。聚合酶所保护的DNA序列约为40bp，而解旋的DNA区域大约17bp，RNA的3‘端大约有20~30个核苷酸与DNA或聚合酶结合，而其中RNA-DNA杂交区仅约9bp。2019/8/14162、真核生物的RNA聚合酶酶细胞内定位转录产物相对活性对α-鹅膏蕈碱的敏感程度RNA聚合酶I核仁rRNA50％～70％不敏感RNA聚合酶II核质mRNA20％～40％敏感RNA聚合酶III核质tRNA约10％存在物种特异性2019/8/1417真核生物RNA聚合酶一般由8~16个亚基所组成。其中RNA聚合酶II的两个大亚基（RPB1和RPB2）与细菌核心酶的两个大（β和β‘）；（RPB3和RPB11）与α亚基同源；RPB6与ω亚基同源。真核生物RNA聚合酶共性：聚合酶中有两个相对分子质量超过1X105的大亚基；三类聚合酶有共显小亚基的倾向。2019/8/1418RNA聚合酶I的转录产物是45SrRNA，经剪接修饰后生成除5SrRNA外的各种rRNA。RNA聚合酶II在核内转录生成hnRNA，经剪接加工后生成成熟mRNA被运送到细胞质中作为蛋白质合成的模板。核不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA）：核内未被剪接的有内含子的mRNA前体，或是核内mRNA的初级转录产物。2019/8/1419RNA聚合酶III的转录产物是tRNA，5SrRNA，snRNA。SnRNA（smallnuclearRNA），即核内小RNA，主要存在于核内，是核内100~300个核苷酸序列的小型RNA，参与RNA的剪接。2019/8/14202、转录复合物全酶-启动子形成闭合二重复合体；闭合复合体转变为开放复合体；整合进最初两个核苷酸，形成一个磷酸二酯键，形成三重复合体；在酶不需要移动时，即可加入9个核苷酸，但在加入核苷酸过程中，随时可能释放RNA；起始成功后，释放出σ因子。核心酶、DNA和新生RNA组成转录延伸复合物。2019/8/1421转录因子（transcriptionfactor,TF）：真核生物转录起始过程中，除RNA聚合酶之外的其它辅助因子统称为转录因子。2019/8/1422小结一、转录的基本过程模板的识别转录的起始通过启动子转录的延伸转录的终止二、转录的主要机器RNA聚合酶转录复合物原核生物真核生物核心酶σ因子闭合二重复合体开放二重复合体三重复合体转录延伸复合物2019/8/1423第三节启动子与转录的起始一、启动子区的基本结构启动子（promoter）：是一段位于结构基因5’端上游区的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确地相结合并具有转录起始的特异性。2019/8/1424转录单元（transcriptionunit）：是一段从启动子开始到终止子结束的DNA序列，RNA聚合酶从转录起始位点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条RNA链。转录起始位点：是指与新生RNA链第一个核苷酸相对应DNA链上的碱基，研究证实通常为一个嘌呤。2019/8/1425转录单元（transcriptionunit）起点（startpoint）上游（upstream）下游（downstream）2019/8/1426启动子区的基本结构细菌启动子特征：1、起点通常是一个嘌呤；2、起点上游10bp处，有一约6bp的保守区域，称为-10区（也叫PribnowBox），共有序列为：T80A95T45A60A50T96；3、起点上游35bp处，有一约6bp的保守区，称为-35区，共有序列为：T82T84G78A65C54A45；4、90%的启动子中，-10与-35区的距离在16-19bp之间；两个保守区之间的序列并不重要，但距离很关键。2019/8/14272019/8/1428TATAbox：位于RNA聚合酶II转录起点上游约-35~-25bp处的共同序列TATAAA，绝大多数情况下全部是A-T碱基对，只有少数含有G-C。CAATbox：在起点上游-78~-70bp处还有另一段共有序列CCAAT，称为CAAT区。GCbox：在起点上游-110~-80bp处有一段富含GC碱基对的序列（GCCACACCC或GGGCGGG），称为GC区。增强子：能强化转录起始频率的DNA序列。真核生物基因中启动子特征：2019/8/1429二、启动子区的识别RNA聚合酶对启动子的识别是通过与碱基上的氢键供体和受体在一定距离内互补，形成氢键而实现的。启动子的功能既受DNA序列的影响，又受其构象的影响。2019/8/1430σ70的氨基酸与启动子-10区非模板链特异碱基的结合2019/8/14312019/8/1432第四节原核生物与真核生物mRNA特征的比较一、原核生物mRNA的特征1、半衰期短基因的连续性转录和翻译在时间和空间上的一致性2019/8/14332、许多原核生物mRNA以多顺反子的形式存在操纵子（operon）功能相关的基因前后串联，再加一个共同的调节基因和一组共同的控制位点即启动子（promoter）和操作子（operator）在基因转录时协同作用。细菌基因表达调控的这样一个完整的单元，称为操纵子（operon）。多顺反子（polycistronicmRNA)：编码多个蛋白质的mRNA称为多顺反子mRNA。单顺反子(monocistronicmRNA)：只编码一个蛋白质的mRNA称为单顺反子mRNA。2019/8/1434β-半乳糖苷酶透过酶乙酰基转移酶大肠杆菌乳糖操纵子阻遏蛋白2019/8/1435mRNAAUG之前的5´端上游非编码区编码区终止密码子之后3‘端下游非编码区2019/8/14363、原核生物mRNA5′端无帽子结构，3′端没有或只有较短的poly(A)结构，在起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处有6个核苷酸的保守序列，被称为SD序列。SD序列在与核糖体的结合过程中起作用。2019/8/14375′5′Gppp+pppApNpNp...↓5′5′GpppApNpNp...+pp+p在磷酸酶的作用下，将5‘-端的磷酸基水解，由腺苷酸转移酶加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再由鸟嘌呤-7-甲基转移酶对G进行甲基化。新加的G以反方向与5′连接，这一结构称为帽子（cap）结构。二、真核生物mRNA的特征1、真核生物mRNA的5’端存在“帽子”结构2019/8/1438甲基化只在末端G的7位甲基化的帽子称为帽子0（cap0），写作m7GpppX；若第二个核苷酸2'-OH甲基化，则称为帽子1（cap1），写作m7GpppXm；若第三个核苷酸2’-OH甲基化，则称为帽子2（cap2），写作m7GpppXmpYm。2019/8/1439帽子结构的作用:1、提高mRNA的活性及稳定性；2、作为蛋白质合成起始信号的一部分。2019/8/1440PolI和polIII在特定的位点终止合成PolII无特定终止位点？2、真核生物mRNA的3’端存在poly(A)尾巴2019/8/1441PolII无特定终止位点，3’-OH末端通过在特定位点切割后加上poly(A)来形成。几乎所有真核基因的3’转录终止位点上游15~30bp存在保守序列AAUAAA,该序列作为切割和添加poly(A)位点的信号。2019/8/1442特异组分（CutandpolyASpecialfactor,CPSF）识别AAUAAA序列；产生正确的末端结构需要核酸内切酶（由CFI和CFII组成）切割RNA；激发因子CstF，结合在切割位点下游一富含G-U的序列poly(A)聚合酶（PAP）合成poly(A)尾部；。2019/8/1443小结一、原核生物mRNA的特征：半衰期短许多mRNA以多顺反子的形式存在二、真