第三章-生物信息的传递---从DNA到RNA

L/O/G/O第三章生物信息的传递（上）----从DNA到RNA海洋与环境学院赵晶[e-mail]•3.1转录概述•3.2RNA的转录•3.3启动子与转录起始•3.4终止和抗终止•3.5原核与真核生物mRNA的特征比较•3.6内含子的剪接、编辑及化学修饰Crick的中心法则（centraldogma）DNA1957年transcriptionRNAtranslationProteinDNA1970年ReversetranscriptionProteinRNAFromDNAtoProteinDNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成信使RNA，翻译生成蛋白质的过程来控制生命现象。基因表达包括转录（transcription）和翻译（translation）两个阶段。•转录是指拷贝出一条与DNA链序列完全相同(除了T→U之外）的RNA单链的过程，是基因表达的核心步骤。•翻译是指以新生的mRNA为模板，把核苷酸三联遗传密码子翻译成氨基酸序列、合成多肽链的过程，是基因表达的最终目的。2006年度诺贝尔医学奖：发现了RNA干扰现象AndrewZ.Fire斯坦福医学院病理学和遗传学教授CraigC.Mello马萨诸塞州医学院分子医学教授2006年度诺贝尔化学奖：描述真核细胞的转录RogerD.Kornberg斯坦福大学医学院医学教授首位在分子基础上展示真核转录过程是如何运行的。他制作了详细的检晶仪图片，形容了真核细胞转录的整个运传情况。我们在他的图片中可以看到新的RNA反转录酶是如何演变的，和数个在转录过程中必需的其它分子的作用。RNA主要以单链形式存在于生物体内（发夹）hairpinBulgeLoop(环)RNAchainsfoldbackonthemselvestoformlocalregionsofdoublehelix.•RNA二级结构ThedoublehelicalstructureofRNAresemblestheA-formstructureofDNA•RNA一般为单链长分子，不形成双螺旋结构.天然RNA只有局部区域为双螺旋结构。•RNA中的双螺旋结构为A-DNA类型的结构。每一段双螺旋区至少需要有4~6对碱基才能保持稳定，同样以氢键和碱基堆积力为稳定因素。•一般说，双螺旋区约占RNA分子的50%。RNA的这种结构称为茎环结构，是各种RNA的共同的二级结构特征。Non-Watson-CrickG:UbasepairsrepresentadditionalregularbasepairinginRNA,whichenrichedthecapacityforself-complementarityG:Ubasepair•生物体内拥有三类主要RNA：1、编码特定蛋白质序列的mRNA；2、能特异性解读mRNA中的遗传信息并将其转化成相应氨基酸后加入多肽链中的tRNA；3、直接参与核糖体中蛋白质合成的rRNA。FunctionsofRNAs•Functionsinproteinsynthesisa.mRNA:astheintermediatebetweenthegeneandtheprotein-synthesizingmachinery.b.tRNA:asanadaptorbetweenthecodonsinthemRNAandaminoacids.c.rRNA:playastructuralrole,asinthecaseoftheRNAcomponentsoftheribosome.•AsgeneticmaterialServingasatemplateforitsownreplicationincertainviruses•RNAascatalysts(ribozyme)SomeRNAs(includingoneofthestructuralRNAsoftheribosome)areenzymesthatcatalyzeessentialreactionsinthecell.•RNAisaregulatorymoleculeSmallnon-codingRNAwhichthroughsequencecomplementaritybindsto,andinterfereswiththetranslationofcertainmRNAs.•转录----生物体以DNA为模板合成RNA的过程•转录所需的酶叫RNA聚合酶（依赖DNA的RNA聚合酶）•复制和转录的异同点相同点：1.都以DNA为模板2.原料为核苷酸3.合成方向均为5′→3′方向4.都需要依赖DNA的聚合酶5.遵守碱基互补配对规律6.产物为多聚核苷酸链复制转录•模板两股链均作为模板模板链作为模板•原料dNTPNTP•聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶•产物子代DNA双链mRNA;tRNA;rRNA•配对A-T；G-CA-U；T-A；G-C•引物需RNA引物--------•方式(特点)半保留复制不对称转录不同点SchematicillustrationoftranscriptionTranscriptionbubbleThelengthofthebubbleis~17bp,andthelengthofRNA-DNAhybridwithinitis~8-9bp.DNA-mRNA-theencodedpeptide(sensestrand)（antisensestrand）编码链（codingstrand）:与mRNA序列相同的那条DNA链,或称有意义链（sensestrand）.模板链（templatestrand）:根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链,或称反义链（antisensestrand）。3’5’newRNAstrand3’5’3’5’templatestrand*codingstrand*GTACGUACCATGnegativestrandantisensestrandpositivestrandsensestrandWatsonstrandCrickstrand•转录作用的特点①转录作用是DNA指导的RNA合成作用。------反应是以DNA为模板，在RNA聚合酶催化下，以四种三磷酸核苷（NTP）即ATP、GTP、CTP及UTP为原料，各种核苷酸之间的3′、5′磷酸二酯键相连进行的聚合反应。②合成反应的方向为5′→3′。③RNA合成的方式——不对称转录转录区只有一小段DNA的一条链作为模板链(templatestrand)进行转录，称为不对称转录：DNA分子上一股可转录,另一股不转录;模板链并非永远在同一单链上.RNA不对称转录：④反应体系中还有Mg2+、Mn2+等参与，反应中不需要引物参与。⑤碱基互补原则为A-U、G-C，在RNA中U替代T与A配对。⑥转录必须成分：RNApolymerase,rNTPs,transcriptionfactors,promoter&terminator，template⑥在多基因的双链DNA分子中，每个基因的模板不是全在同一条链上，也就是在双链DNA分子中的一条链，对于某基因是有义链，但对另一个基因则可能是反义链。模板链是针对某一基因而言的。3.2RNA的转录3.2.1转录的基本过程3.2.2转录机器的主要成分•转录是从DNA分子的特定部位开始的，这个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部位。•转录时不需引物，由RNA聚合酶催化以NTP为底物，连续合成RNA链。•模板DNA上都有终止转录的特殊信号——终止子，每个基因或操纵子都有一个启动子和一个终止子。•DNA链上从启动子直到终止子为止的序列称为一个转录单位。一个转录单位包括一个或几个基因。RNApolymerasesareenzymesthatsynthesizeRNAusingaDNAtemplate(formallydescribedasDNA-dependentRNApolymerases).PromoterisaregionofDNAwhereRNApolymerasebindstoinitiatetranscription.Startpoint(Startsite)referstothepositiononDNAcorrespondingtothefirstbaseincorporatedintoRNA.TerminatorisasequenceofDNAthatcausesRNApolymerasetoterminatetranscription.TranscriptionunitisthedistancebetweensitesofinitiationandterminationbyRNApolymerase.•KeytermsrelatedtotranscriptionUpstreamidentifiessequencesproceedingintheoppositedirectionfromexpression;forexample,thebacterialpromoterisupstreamofthetranscriptionunit,theinitiationcodonisupstreamofthecodingregion.Downstreamidentifiessequencesproceedingfartherinthedirectionofexpression;forexample,thecodingregionisdownstreamoftheinitiationcodon.PrimarytranscriptistheoriginalunmodifiedRNAproductcorrespondingtoatranscriptionunit.在DNA上开始转录的第一个碱基规定为+1，与转录相反的方向称上游(upstream)；转录方向为下游(downstream)。在上游方向与转录起点相邻的位置定为-1。•RNA的转录(Transcription)•HowdoesRNApolymerasefindpromotersonDNA?(howdoproteinsdistinguishtheirspecificbindingsitesinDNAfromothersequences?)•HowdoregulatoryproteinsinteractwithRNApolymerasetoactivateortorepressspecificstepsintheinitiation,elongation,orterminationoftranscription?1、模板识别(TemplateRecognition)2、转录起始(Initiation)3、转录的延伸(Elongation)4、转录的终止(Termination)3.2.1转录的基本过程1）RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。2）转录起始前，启动子附近的DNA双链分开形成转录泡(transcriptionbubble)，以促使底物核糖核苷酸与模板DNA的碱基配对。1.模板识别•σ因子控制聚合酶与DNA的结合：只有全酶才能起始转录。σ因子能够保证RNA聚合酶稳定地结合到某个特异的、唯一的启动子上。•核心酶不能区别启动子和其它DNA序列。1）在起始位点合成RNA链：第一个核苷酸键的产生，该位点被称为position+1。2）转录起始后直到形成9个核苷酸短链是通过启动子阶段。3）通过启动子的时间代表一个启动子的强弱:时间越短，转录起始的频率也越高。2.转录起始转录起始就是RNA链上第一个核苷酸键的产生。一般情况下，转录起始复合物可以进入两条不同的反应途径：•合成并释放2-9个核苷酸的短RNA转录物，即所谓的流产式起始；•一旦RNA聚合酶成功地合成9个以上核苷酸,尽快释放σ亚基，RNA聚合酶离开启动子区，转录就进入正常的延伸阶段。•转录起始复合物通过上游启动子区并生成由核心酶、DNA和新生RNA所组成的转录延伸复合物。