现代分子生物学_课件(3)生物信息的传递(上)

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•以基因的形式荷载遗传信息，是生命遗传的物质基础。DNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存（DNA复制）。•作为基因复制和转录的模板，是个体生命活动的信息基础。DNA的生物学功能是以蛋白质的形式表达出来的。通过转录生成信使RNA，翻译生成蛋白质的过程来控制生物个体性状（基因表达）。DNA的基本功能：基因表达(geneexpression)：是指细胞在生命过程中,把储存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译,转变成具有生物活性的蛋白质分子。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)：转录是生物界RNA合成的主要方式，是遗传信息从DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始。第一节转录的基本原理参与转录的物质模板:DNA酶:RNA聚合酶原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)其他蛋白质因子RNA合成方向：5'3'转录模板•DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因。•一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列为一个转录单元。•DNA双链按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(templatestrand)，也称作反意义链或Waston链。•相对的另一股单链是编码链(codingstrand)，也称为有意义链或Crick链。5´……GCAGTACATGTC……3´3´……cgtcatgtacag……5´5´……GCAGUACAUGUC……3´N……Ala·Val·His·Val……CDNA转录mRNA翻译肽DNA模板、转录产物mRNA和氨基酸序列之间的关系编码链模板链｝不对称转录(asymmetrictranscription)•在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；•模板链并非永远在同一条单链上。转录方向5335模板链编码链编码链模板链转录方向转录与复制的相似之处：⑴都是酶促的核苷酸聚合过程；⑵都以DNA为模板；⑶都需依赖DNA的聚合酶；⑷聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸二酯键；⑸都从5′至3′方向延伸成新链多聚核苷酸；⑹都遵从碱基配对规律——但转录忠实性要低于DNA复制。⑺转录与复制都受到严格的调控二、转录与复制的异同转录和复制的区别A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）产物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板转录复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）产物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板转录复制引物有无高度进行性中途不停止可一段一段复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）产物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板转录复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）产物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板转录复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）产物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板转录复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）产物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板转录复制（一）原核生物RNA聚合酶●RNA聚合酶（大肠杆菌为例）全酶=核心酶+σ因子第二节DNA指导下的RNA聚合酶核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)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亚基含有核苷三磷酸的结合位点；与转录全过程有关（催化）β'rpoC1550001核心酶β’亚基含有与DNA模板的结合位点；结合DNA模板（开链）σrpoD700001σ因子存在多种σ因子，用于识别不同的启动子RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合RNA聚合酶——(二）真核生物RNA聚合酶真核生物的RNA聚合酶定位核仁核质核质转录产物45s-rRNAhnRNA5s-rRNA,tRNA,U1-13snRNAU6snRNA，（U6除外）非UsnRNA对鹅膏蕈碱反应耐受极敏感中度敏感种类ⅠⅡⅢRNA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第三节与转录起始和终止有关的DNA结构一、原核生物的启动子和终止子启动子定义：指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。5335结构基因调控序列RNA-pol原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。（一）启动子结构转录单元●RNA聚合酶保护法分析启动子结构Pribnow41-44bp开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205335原核生物启动子保守序列(Sextamabox)提供了RNA聚合酶全酶识别的信号55RNA聚合酶保护区结构基因33大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区序列分析T85T83G81A61C69A52T89A89T50A65A100Pribnow框Sextama框1、Pribnow框：－10区，保守序列为TATAAT。Pribnow框是RNA聚合酶的牢固结合位点，细菌中常见两种启动子突变：启动子上升突变，提高转录活性；启动子下降突变，降低转录水平。σ的存在保证原核生物RNA聚合酶只能与启动子区而不是其它区域形成稳定的二元复合物。2、Sextama框：－35区，保守序列为TTGACA。Sextama框是RNA聚合酶中σ的识别位点，也是RNA聚合酶的初始结合位点。Pribnow框与Sextama框之间的碱基序列并不重要，但两个序列之间的距离十分重要；天然启动子这段距离多为15～20bp，距离的大小可能是决定启动子强度的因素之一。实验表明：两个序列之间的距离为17bp时，转录效率最高。3、CAP位点：（乳糖操纵子的启动子序列）CAP即分解代谢物基因激活蛋白(catabolitegeneactivationProtein)也称环腺苷酸受体蛋白（CRP）。CAP分子内有两个结构域：羧基末端结构域是DNA结合区；氨基末端结构域是cAMP结合位点。CAP与cAMP的结合能提高CAP对双链DNA的亲和力；CAP与启动子（CAP位点）的结合是激活乳糖操纵子转录的必要条件。乳糖启动子中有两个CAP结合位点：一个在－70～－50位点，称位点Ⅰ；一个在－50～－40位点，称位点Ⅱ。位点Ⅰ包含一个反向重复序列，是强结合位点；位点Ⅱ是弱结合位点。AATGTGAGTTAGCTCACTCATTACACTCAATCGAGTGAGT位点Ⅰ的反向重复序列典型启动子的结构-35-10转录起点TTGACA16-19bpTATAAT5-9bp（二）终止子结构提供转录终止信号的序列称为终止子（terminator）;终止信号存在于RNA聚合酶已经转录过的序列之中。原核生物终止子分为两类：一类是不依赖于ρ因子的转录终止；一类是依赖ρ因子的转录终止；两类终止子有共同的序列特征：在转录终止点之前有一段间断的回文结构。两类终止子碱基组成的不同点：不依赖ρ因子回文结构富含G-C下游富含A-T依赖ρ因子G-C含量较少下游无特征转录方向3´3´5´TCGGGCGAGCCCGCCGCCCGAGCGGGCTAAAAAATTTTTT3´3´5´5´DNA模板链编码链AAAAAAUUUUUU5´CGCCCGAGCGGGCU5´TTTTTTDNA模板链编码链转录产物3´不依赖ρ因子的终止子转录方向3´3´5´TAAGTAGATTCATCCTACTTAGATGAATAGCTACTCGATG3´3´5´5´DNA模板链编码链AGCTACUCGAUG5´CUACUUAGAUGAAU5´TCGATGDNA模板链编码链转录产物3´依赖ρ因子的终止子Ⅰ类启动子分两部分：－40～＋5称为近启动子，决定转录起始的位点；－165～－40称为远启动子，影响转录的频率。（一）RNA聚合酶Ⅰ的启动子即rRNA基因的启动子，称Ⅰ类启动子。二、真核生物的启动子和终止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（二）RNA聚合酶Ⅱ的启动子1、帽子位点（capsite）：即转录起始位点，其碱基大多为A。2、TATA框：又称Hogness框，位于－25附近，由含有TATA的6～7个核苷酸组成，保守序列为TATA（A/T）A（A/T）。但TATA框的两侧富含G-C碱基对。即mRNA基因的启动子，称Ⅱ类启动子核心启动子元件作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始。其序列的完整与准确对维持启动子的功能是必需的。3、CAAT框：位于－75附近，保守序列为GGNCAATCT。头两个G非常重要，一但突变，转录效率大大下降。4、GC框：位于－110附近，以5′CCGCC3′序列为特征。上游启动子元件作用：控制着转录起始的频率。5、增强子（enhancer）：能结合反式作用因子，决定基因的时间和空间特异性表达，增强启动子转录活性的DNA序列。增强子作用特点：⑴增强效应十分明显：使转录频率增加百倍或千倍。⑵增强效应与其所处的位置和取向无关：增强子以5´→3´或3´→5´排列对启动子都有作用。⑶大多为重复序列：长约50bp，适合与反式因子结合，内部常有一个核心序列，为增强效应所必需。⑷增强效应具有严密的组织和细胞特异性。⑸没有基因专一性。⑹许多增强子受外部信号的调控。（三）RNA聚合酶Ⅲ的启动子即tRNA基因的启动子，称Ⅲ类启动子。Ⅲ类启动子位于转录起始点下游，称下游启动子或内部启动子。Ⅲ类启动子包括：A盒、B盒A盒靠近5′方向；B盒靠近3′方向。Ⅲ类启动子需要的转录因子包括：TFⅢC、TFⅢB、TFⅢA，前两者是共同的，后者为5SrRNA基因转录所需。三、原核生物和真核生物转录起始位点的结构差异原核生物真核生物帽子结构没有有起始核苷酸嘌呤或嘧啶嘌呤（A为主）启动区范围较小(＋1～－70)较大(＋1～－110)上游序列TTGACACAAT、GC、增强子图5-4P155页原核生物与真核生物启动子比较原核生物和真核生物转录及抑制剂第四节原核生物转录的起始原核生物转录的延长原核生物转录的终止与新合成RNA链的释放真核生物的转录RNA生物合成抑制剂转录起始需解决两个问题：1.DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。2.RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。一、原核生物转录的起始4.当三元复合物中RNA长6～9个核苷酸时，因子从全酶解离下来，进入延长阶段。2.RNA聚合酶向－10区转移，并与之牢固结合。－10区DNA双链解开12～17bp，形成开放的二元启动子复合物（模板－酶）。转录起始过程1.因子辨认转录起始点（-35区的