第三章 生物信息的传递(上)

第三章生物信息的传递（上）-------从DNA到RNA本章的主要内容一、RNA转录的基本过程二、转录机器的主要成分三、启动子与转录起始四、原核与真核生物mRNA的特征比较五、内含子的剪接、编辑、再编辑及化学修饰Reversetranscription基因表达一、RNA转录的基本过程(自学)转录的不对称性•转录(transcription)的不对称性就是指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递给RNA。•经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，scRNA,snRNA,snoRNA和hnRNA。•信息从DNA到RNA转录二、转录机器的主要成分底物：四种核糖核苷酸，即ATP，GTP，CTP，UTP。模板：以一段单链DNA作为模板。RNA聚合酶（DDRP）：这是一种不同于引物酶的依赖DNA的RNA聚合酶。该酶在双链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从5'→3'聚合RNA。（一）原核生物RNA聚合酶起始识别因子与模板DNA结合与核苷酸结合，起始和催化部位与DNA上启动子结合ω：还未清楚它的功能。但是它在耻垢分枝杆菌中似乎是提供保护功能予β'亚基。亚基组成：a2bb'ws=a2bb'w+s全酶核心酶σ亚基：识别DNA上转录的起始部位，从而引导全酶结合上去核心酶：解开前方的DNA双螺旋、RNA链的延伸、恢复后面的DNA双螺旋此外，每个RNA聚合酶还含有2个Zn离子。σ因子决定RNA聚合酶识别特异性枯草杆菌噬菌体SPOI早、中、晚基因表达的转换早期基因gp28中期基因gp32gp34晚期基因早期，a2bb‘s55，产生gp28(二)真核生物RNA聚合酶(1)真核生物RNA聚合酶种类人类RNA聚合酶I、Ⅱ及Ⅲ的必要亚基转录因子功能TFⅡA稳定TFⅡD与启动子结合TFⅡB促进polⅡ结合TFⅡD结合TATA盒，TBP是3类启动子的基本转录因子TFⅡEATPaseTFⅡF解旋酶TFⅡH解旋酶、激酶真核生物RNA聚合酶Ⅱ转录因子及其功能•启动子(promoter)是指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。•转录单位(transcriptionunit)是一段从启动子开始至终止子(terminator)结束的DNA序列。•转录起点是指与新生RNA链第一个核苷酸相对应DNA链上的碱基,通常为一个嘌呤。三、启动子与转录起始（一）原核生物启动子TTGACATATAAT16~19bp5~9bp-35-10startpoint原核生物启动子特点：1.启动子是一些特定位点的短保守序列；2.启动子的保守序列包括起始点处的一个嘌呤碱基，-10区的六聚体TATAAT以及-35区的另外一个六聚体；3.不同启动子之间通常在共有序列的一个或多个位置上存在差别。启动子功能——突变原核生物中转录起始区的共同序列（二）真核生物启动子启动子区作用：使转录精确起始作用：控制转录起始频率，基本不参与起始位点的确定3.远端调控区增强子（enhancer）：位于转录起始位点的上游，它们不是启动子的一部分，但能增强或促进转录的起始。称这种能强化转录起始的序列为~。增强子功能：（1）远距离效应增强子调节功能可以超长距离.（2）增强子为顺式作用（调节）只调节位于同一染色体上的靶基因，而对于其他染色体上的基因没有作用.（3）无方向性无论位于靶序列的上游、下游或内部都可以发挥增强转录的作用.（4）增强子无物种和基因的特异性增强子连接到异源基因上发挥作用。（5）增强子具有组织特异性SV40的增强子在Hela细胞和多瘤病毒中的强度不同（6）增强子有相位性其作用和DNA的构象有关。（7）有的增强子可以对外界的信号产生反应如高温、金属离子（镉和锌）或类固醇类激素等。（8）增强子具有独立的结构,改变其两侧的顺序组成不影响增强子的作用.（9）有许多增强子的结构成分含有重复拷贝,这些重复拷贝中如果缺失其中某些成员并不丧失整个增强子的功能.①影响模板附近的DNA双螺旋结构，导致DNA双螺旋弯折或在反式因子的参与下，以蛋白质之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之间“成环”连接，活化基因转录；②将模板固定在细胞核内特定位置，如连接在核基质上，有利于DNA拓扑异构酶改变DNA双螺旋结构的张力，促进RNA聚合酶II在DNA链上的结合和滑动；③增强子区可以作为反式作用因子或RNA聚合酶II进入染色质结构的“入口”。增强子可能有如下3种作用机制：远距离增强子元件的成环作用机制四、转录的终止（一）原核生物转录的终止（二）真核生物转录的终止终止子：在DNA分子上（基因末端）提供转录停止信号的DNA序列，它能使RNA聚合酶停止合成RNA并释放出RNA。（一）原核生物转录的终止原核生物RNA转录合成的终止机制有两种：•自动终止：模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC的反向重复序列区域，使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，破坏RNA-DNA杂合链5’端的正常结构；寡聚U的存在则使杂合链的3’端产生不稳定的dA.rU(DNA.RNA)区域，使DNA和RNA杂交链易于拆开，导致RNA转录的终止。发夹结构和寡聚U二者的长短与终止效率成正比。•依赖辅助因子的终止：由终止因子(ρ因子)识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。大肠杆菌两类终止子的回文结构不依赖于Rho（）的终止子依赖于Rho（）的终止子富含G-C系列U5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3DNAUUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构有些终止子的作用可被特异的因子所阻止，使酶得以越过终止子继续转录，称为通读。能够引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子。（二）真核生物的转录终止——和转录后修饰密切相关mRNA核酸酶AATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点5’5’3’3’RNA-pol五、原核与真核生物mRNA的特征比较（一）原核生物mRNA1.半衰期短。细菌mRNA在转录1min后就开始降解。2.多顺反子3.原核生物5‘端无帽子结构，3’有较短或没有polyA。（二）真核生物mRNA的结构特征1.六、内含子的剪接、编辑、再编辑及化学修饰（一）RNA的剪接1.剪接信号–hnRNA中具有内含子剪接的特定结构信号，在一系列剪接加工因子的参与下，在内含子上构建剪接体，行使mRNA内含子的剪接，最后产生成熟的mRNA2.剪接过程3.RNA的自我剪接•研究四膜虫RNA前体的内含子时，发现rRNA内含子可以自我剪接，不需要剪接体复合物，甚至不需要任何蛋白质•RNA自我剪接有Ⅰ型和Ⅱ型两种类型（二）RNA的编辑、再编码及化学修饰1.RNA的编辑RNA编辑是某些RNA，特别是mRNA前体的加工方式，如插入、删除或取代一些核苷酸残基，导致DNA所编码的遗传信息的改变。编辑的生物学意义：(1)校正作用；(2)调控翻译；(3)扩充遗传信息。ApoB基因有29个外显子CAA第2153个密码子编码Glu编辑CAAUAA翻译翻译在肝中剪接后的mRNA肠中的mRNA经编辑编码了4563aa的载脂蛋白产生了终止密码子，在2153aa处终止合成图13-42载脂蛋白的基因ApoB在肠中经过编辑，引入终止密码子，不能翻译成完整的载脂蛋白。(参考B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997，Fig31.14)编辑的调控作用基因组中编码ISSLCIKVENLVGVMDNA序列ATATCAAGTTTAGCTTATAAAGTAGAGAACCTGGTAGGTGTAAT480400500移框－1个碱基RNA序列AUAUCAAGUUUAGGUAUAAAAGUAGAUUGUAUACCUGGUAGGUGUAAU蛋白质顺序ISSLGIKVDCIPGRCN图13-43锥虫coxⅡ基因片断及其产物顺序的比较。核酸序列的数字是以起始密码子AUG的A开始编号。蛋白质以单个字母表示。方框表示与酵母、人类同源的氨基酸。黑体表示编辑位点。(参考B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997，Fig31.15)编辑的校正作用TUAUAUGUUUUGUUGUUUAUUAUGUGAUUAUGGUUUUGUUUUUUAUUGGUAUUUUUUAUAUUUAUUUAAUUUGUUGAUAAAUACAUUUUAUUUGUUUGUUAAUUUUUUUGUUUUGUGUUUUUGGUUTTTTTTUAGGUUUUUUUGUUGUUGUUGUUUUGUAUUAUGAUUGAGUUUGUUGUUUGGUUUUUUGUUUUTTTTTTUUGUGAAACCAGUUAUGAGAGUUUGCAUUGUUAUUUAUUACAUUAAGUUGGUGUUUUUGGUUC图13-44锥虫(T.brucei)coxⅡ基因的部分RNA顺序。很多U(红色)在DNA中未编码，而另一些在DNA中编码的T(紫色)在mRNA中被删除了。(参考B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997，Fig31.16)扩充遗传信息锥虫coxII的mRNA上158个位点插放了394核苷酸；在9个位点删去了18个尿苷酸，实际增加了376个核苷酸，使coxII的长度增加了55%。因此coxII的基因比成熟的mRNA小了很多，故称其隐匿基因。2.RNA的再编码RNA的再编码：mRNA在某些情况下不是以固定的方式被翻译，而可以改变原来的编码信息，以不同的方式进行翻译，科学上把RNA编码和读码方式的改变称为RNA的再编码。3.核酶•核酶是指一类具有催化功能的RNA分子，通过催化靶位点RNA链中磷酸二酯键的断裂，特异性地剪切底物RNA分子，从而阻断基因的表达。•核酶根据不同的催化功能，可以分为两大类：•（1）剪切型核酶•（2）剪接型核酶