生物信息的傳遞上2

生物信息的傳遞上2第1頁/共38頁2DNA序列是遺傳信息的貯存者，它通過自主復(fù)制得到永存，并通過轉(zhuǎn)錄生成信使RNA、翻譯生成蛋白質(zhì)的過程來控制生命現(xiàn)象?；虮磉_(dá)包括轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個階段。轉(zhuǎn)錄是指拷貝出一條與DNA鏈序列完全相同的RNA單鏈的過程，是基因表達(dá)的核心步驟。翻譯是指以新生的mRNA為模板，把核苷酸三聯(lián)遺傳密碼子翻譯成氨基酸序列、合成多肽鏈的過程，是基因表達(dá)的最終目的。編碼鏈(有意義鏈)與mRNA序列相同的DNA單鏈。模板鏈(反義鏈)指導(dǎo)mRNA合成的DNA單鏈。不對稱轉(zhuǎn)錄：RNA只轉(zhuǎn)錄DNA的模板鏈。第2頁/共38頁3DNA模板-mRNA-多肽鏈之間的共線性關(guān)系第3頁/共38頁43.1RNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能RNA主要以單鏈形式存在于細(xì)胞中。堿基主要有A、G、C、U。RNA鏈可自身折疊形成局部雙螺旋。主要是A-U、G-C配對，偶而有G-U配對。RNA雙螺旋的大小溝差異不大，不適合與蛋白質(zhì)進(jìn)行序列特異性相互作用。RNA可折疊形成復(fù)雜的三級結(jié)構(gòu)。RNA主鏈上的未配對區(qū)可自由旋轉(zhuǎn)，以及不規(guī)則的堿基配對。3.1.1RNA的結(jié)構(gòu)特點第4頁/共38頁53.1.2RNA的種類和功能mRNA：編碼了一個或多個多肽鏈序列。tRNA：把mRNA上的遺傳信息變?yōu)槎嚯闹械陌被嵝畔ⅰRNA：是核糖體中的主要成分。hnRNA：由DNA轉(zhuǎn)錄生成的原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。snRNA：核小RNA，在前體mRNA加工中，參與去除內(nèi)含子。snoRNA：核仁小RNA，主要參與rRNA及其它RNA的修飾、加工、成熟等過程。scRNA：細(xì)胞質(zhì)小RNA在蛋白質(zhì)合成過程起作用。第5頁/共38頁63.2DNA轉(zhuǎn)錄的基本過程RNA鏈合成的特點：新鏈合成方向5'→3'。DNA模板鏈方向3'→5'。以DNA雙鏈中的反義鏈(模板鏈)為模板。RNA聚合酶以四種核苷三磷酸(NTP)為底物。DNA模板鏈與RNA鏈之間的堿基配對規(guī)則：A-U、T-A、G-C、C-G。各核苷酸之間通過3',5'磷酸二酯鍵相連。RNA聚合酶不需要引物，可從頭合成RNA。RNA鏈帶有與DNA編碼鏈相同的序列(U→T)。RNA轉(zhuǎn)錄的基本過程：模板識別、轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄延伸和轉(zhuǎn)錄終止。第6頁/共38頁73.2.1模板識別模板識別是指RNA聚合酶與啟動子DNA雙鏈相互作用并與之相結(jié)合的過程。啟動子是基因轉(zhuǎn)錄起始所必需的一段DNA序列。真核細(xì)胞中模板識別與原核細(xì)胞不同。真核生物RNA聚合酶不能直接識別基因的啟動子區(qū)，需要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子(輔助蛋白)按特定順序結(jié)合于啟動子上，RNA聚合酶才能與之結(jié)合并形成復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄前啟始復(fù)合物。第7頁/共38頁83.2.2轉(zhuǎn)錄起始RNA聚合酶結(jié)合到啟動子上后，使啟動子附近的DNA雙鏈解旋并解鏈，形成轉(zhuǎn)錄泡以便底物核苷酸與模板上的堿基配對。轉(zhuǎn)錄起始是RNA鏈上第一個磷酸二酯鍵的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)錄起始可分為3個階段：RNA聚合酶全酶與啟動子結(jié)合形成封閉復(fù)合物。DNA構(gòu)象改變，封閉復(fù)合物轉(zhuǎn)變成開放復(fù)合物。開放復(fù)合物與最初兩個NTP結(jié)合形成磷酸二酯鍵，轉(zhuǎn)變成RNA聚合酶、DNA和新RNA三元復(fù)合物。第8頁/共38頁93.2.3轉(zhuǎn)錄延伸當(dāng)RNA聚合酶催化新生RNA鏈長達(dá)9~10核苷酸時，σ因子從全酶上脫落下來。核心酶沿DNA模板鏈移動使新生RNA鏈不斷伸長，這個過程稱為轉(zhuǎn)錄延伸。全酶構(gòu)象是與DNA專一結(jié)合所要求的，核心酶就失去了對DNA特異性序列的識別和結(jié)合能力。在延伸階段，底物NTP不斷被添加到RNA鏈的3'-OH端。DNA雙鏈不斷解開，RNA新鏈繼續(xù)延伸。由核心酶、DNA和新生RNA組成的延伸復(fù)合物直到遇到轉(zhuǎn)錄終止信號時，才停止加入新的核苷酸。第9頁/共38頁103.2.4轉(zhuǎn)錄終止當(dāng)RNA鏈延伸到轉(zhuǎn)錄終止位點時，RNA聚合酶不再形成磷酸二酯鍵，RNA-DNA雜合雙鏈分離，DNA恢復(fù)雙鏈狀態(tài)，而RNA聚合酶和RNA鏈從模板上釋放出來，這就是轉(zhuǎn)錄的終止。轉(zhuǎn)錄的終止信號存在已經(jīng)轉(zhuǎn)錄的RNA序列中，提供終止信號的這段DNA序列稱為終止子。終止子的主要特征：轉(zhuǎn)錄終止點前有一段富含G-C堿基對的回文序列，能形成莖環(huán)或發(fā)卡結(jié)構(gòu)；其后有一段4~8個寡聚A序列。轉(zhuǎn)錄終止分為不依賴ρ因子和依賴ρ因子兩類。有時轉(zhuǎn)錄遇到終止信號仍繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，稱為抗終止。第10頁/共38頁11原核細(xì)胞中的RNA轉(zhuǎn)錄過程第11頁/共38頁123.3RNA聚合酶大多數(shù)原核生物RNA聚合酶的組成是相同的。大腸桿菌RNA聚合酶由2個α亞基、一個β亞基、一個β'亞基和一個ω亞基組成，稱為核心酶。加上一個σ亞基后則成為聚合酶全酶(見P82表3-2)。轉(zhuǎn)錄起始需要全酶，延伸過程僅需核心酶。α亞基與核心酶的組裝及啟動子識別有關(guān)，并參與RNA聚合酶和部分調(diào)節(jié)因子的相互作用。由β和β'亞基組成了聚合酶的催化中心。σ因子的作用是負(fù)責(zé)模板鏈的選擇和轉(zhuǎn)錄的起始。3.3.1原核生物RNA聚合酶第12頁/共38頁133.3.2真核生物生物RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶有3種(見P83表3-4)。RNA聚合酶Ⅰ存在于細(xì)胞核的核仁中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是45SrRNA前體，經(jīng)剪接修飾后生成除5SrRNA外的各種rRNA。RNA聚合酶Ⅱ存在于細(xì)胞核質(zhì)內(nèi)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為hnRNA，經(jīng)加工后生成mRNA。RNA聚合酶Ⅲ存在于細(xì)胞核質(zhì)內(nèi)，主要轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為tRNA、5SrRNA、snRNA。真核生物RNA聚合酶一般由8~16個亞基所組成，相對分子質(zhì)量超過5×105

。第13頁/共38頁143.4啟動子與轉(zhuǎn)錄起始啟動子是一段位于結(jié)構(gòu)基因5'端上游區(qū)的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之與模板DNA準(zhǔn)確地結(jié)合，并具有轉(zhuǎn)錄起始的特異性。轉(zhuǎn)錄單位是一段從啟動子開始至終止子結(jié)束的DNA序列。啟動子區(qū)是RNA聚合酶的結(jié)合區(qū)，其結(jié)構(gòu)關(guān)系到轉(zhuǎn)錄效率。轉(zhuǎn)錄起始點為嘌呤，多數(shù)為A。-10區(qū)保守序列TATAAT，RNA聚合酶結(jié)合部位，形成開放啟動復(fù)合體，使RNA聚合酶定向轉(zhuǎn)錄。-35區(qū)保守序列TTGACA，RNA聚合酶識別位點。σ亞基識別-35序列，為轉(zhuǎn)錄選擇模板鏈。3.4.1啟動子區(qū)的基本結(jié)構(gòu)第14頁/共38頁15原核生物啟動子結(jié)構(gòu)第15頁/共38頁163.4.2RNA聚合酶與啟動子區(qū)的識別和結(jié)合RNA聚合酶并不直接識別啟動子區(qū)的堿基對，而是通過氫鍵互補(bǔ)的方式加以識別。在RNA聚合酶與啟動子相互作用的過程中，聚合酶首先與啟動子區(qū)雙鏈DNA結(jié)合，形成二元閉合復(fù)合物，再經(jīng)解鏈生成二元開鏈復(fù)合物。解鏈區(qū)一般在-9~+13之間，RNA聚合酶與啟動子結(jié)合的主要區(qū)域在其上游。RNA聚合酶既是雙鏈DNA結(jié)合蛋白，又是DNA單鏈結(jié)合蛋白。-10區(qū)與-35區(qū)之間小于15bp或大于20bp都會降低啟動子的活性。將TATAAT變成AATAAT將會大降低轉(zhuǎn)錄水平，將TATGTT變?yōu)門ATATT則提高效率。第16頁/共38頁173.4.3增強(qiáng)子及其功能能強(qiáng)化轉(zhuǎn)錄起始的DNA序列稱為增強(qiáng)子，其特點：遠(yuǎn)距離效應(yīng)。一般位于上游-200bp處。無方向性?？晌挥诎谢虻纳嫌巍⑾掠位騼?nèi)部。順式調(diào)節(jié)。只調(diào)節(jié)位于同一染色體上的靶基因。無物種和基因特異性。可接到異源基因上發(fā)揮作用。有組織特異性。需要特定的蛋白因子參與。有相位性。其作用與DNA的構(gòu)象有關(guān)。有的增強(qiáng)子可以對外部信號產(chǎn)生反應(yīng)。第17頁/共38頁183.4.4真核生物啟動子對轉(zhuǎn)錄的影響真核生物啟動子的結(jié)構(gòu)包括核心啟動子和上游啟動子元件。核心啟動子指保證RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始位點及轉(zhuǎn)錄起始位點上游-25~-35區(qū)TATA序列(TATA盒)。其作用是選擇正確的轉(zhuǎn)錄起始位點，保證精確起始。上游啟動子元件包括-70~-80區(qū)CCAAT序列(CAAT盒)和-80~-110區(qū)GGGCGG序列(GC盒)。其作用是控制轉(zhuǎn)錄起始頻率。第18頁/共38頁193.4.5轉(zhuǎn)錄的抑制轉(zhuǎn)錄抑制劑根據(jù)其作用性質(zhì)可以分為兩大類：DNA模板功能抑制劑與DNA結(jié)合改變模板的功能。RNA聚合酶抑制劑與RNA聚合酶結(jié)合抑制其活力。抑制劑

靶酶

抑制作用利福霉素細(xì)菌的全酶與β亞基結(jié)合，阻止起始鏈霉溶菌素細(xì)菌的核心酶與β亞基結(jié)合，阻止延長放線菌素D真核RNA聚合酶Ⅰ與DNA結(jié)合，并阻止延長α-鵝膏蕈堿真核RNA聚合酶Ⅱ與RNA聚合酶Ⅱ結(jié)合除上述抑制劑外，還有一些嘌呤和嘧啶的類似物，如5-氟尿嘧啶等，可以作為核苷酸代謝拮抗物來抑制核酸前體的合成。第19頁/共38頁203.5原核生物與真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物比較原核生物只一種RNA聚合酶參與基因轉(zhuǎn)錄。真核生物有3種RNA聚合酶負(fù)責(zé)不同基因轉(zhuǎn)錄，合成不同類型和不同定位的RNA。原核生物初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生大多是編碼序列。真核生物初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物很大，含有內(nèi)含子序列。原核初級產(chǎn)物不需剪接加工，可直接作為翻譯模板。真核初級產(chǎn)物需經(jīng)剪接、修飾等轉(zhuǎn)錄后加工。原核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯同時同地同步進(jìn)行，真核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯不同步。第20頁/共38頁213.6mRNA的特征原核生物mRNA半衰期短。原核生物mRNA以多順反子的形式存在。5'端無“帽子”結(jié)構(gòu)，3'端沒有或只有較短的polyA結(jié)構(gòu)。原核生物起始密碼子(AUG)上游7-12bp核苷酸處有一個稱為SD序列的保守區(qū)，在核糖體-mRNA的結(jié)合過程中起作用。3.6.1原核生物mRNA的特征第21頁/共38頁223.6.2真核生物mRNA的特征“基因”的分子生物學(xué)定義：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核甘酸序列。真核生物mRNA的5'端存在帽子結(jié)構(gòu)。5'端加帽反應(yīng)在轉(zhuǎn)錄早期即已完成。帽子結(jié)構(gòu)可使mRNA免遭核酸酶的破壞。真核生物多數(shù)mRNA3'端具有poly(A)尾巴(組蛋白除外)。尾巴是在轉(zhuǎn)錄后在3'端的特定部位由內(nèi)切酶切開，然后由polyA聚合酶催化多聚腺苷酸反應(yīng)。PolyA是mRNA進(jìn)入胞質(zhì)必需的形式，增強(qiáng)穩(wěn)定性。真核生物mRNA以單順反子的形式存在。真核生物起始密碼子僅為AUG。第22頁/共38頁23原核生物與真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的比較第23頁/共38頁24第24頁/共38頁253.7真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄后加工真核基因大多是斷裂的，一個基因由多個內(nèi)含子和外顯子間隔排列而成。內(nèi)含子在真核基因中所占的比例很高。真核基因的表達(dá)都伴隨著RNA的剪接。從hnRNA中切除內(nèi)含子的非編碼區(qū)，將外顯子的編碼區(qū)拼接形成成熟mRNA(見P99圖3-33)。3.7.1真核生物RNA中的內(nèi)含子第25頁/共38頁263.7.2真核生物tRNA前體的轉(zhuǎn)錄后加工真核生物tRNA基因有內(nèi)含子，前體需剪接。tRNA基因內(nèi)含子的特點：長度和序列沒有共同性，位于反密碼子后，內(nèi)含子和外顯子間的邊界沒有保守序列。tRNA的加工包括3個方面：內(nèi)含子的剪接

tRNA核酸內(nèi)切酶切除前體中的內(nèi)含子，RNA連接酶將外顯子連接在一起。3'端添加CCA

在tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶催化下從3'端添加-CCA-OH。核苷酸修飾

tRNA中稀有堿基較多，修飾很平繁。第26頁/共38頁273.7.3真核生物rRNA前體的轉(zhuǎn)錄后加工大多數(shù)真核生物rRNA基因無內(nèi)含子。新生rRNA前體與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成巨大的核糖核蛋白前體顆粒。rRNA前體的剪切過程包括如下4個步驟：在rRNA前體5'端切除非編碼的序列，生成41S中間物。41SRNA被切割成兩段，32SRNA和20SRNA。32SRNA切割產(chǎn)生成熟28SrRNA和5.8SrRNA。20SRNA切割產(chǎn)生成熟18SrRNA。第27頁/共38頁283.7.4真核生物mRNA的剪接由DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物hnRNA，經(jīng)過5'端加帽、3'端酶切加多聚腺苷酸；再經(jīng)RNA的剪接，將編碼蛋白質(zhì)的外顯子部分連接成一個連續(xù)的可讀框，形成成熟的mRNA；通過核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，作為指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的模板。每個真核基因平均有8~10個內(nèi)含子，前體分子一般比成熟mRNA大4~10倍。不同生物內(nèi)含子的邊界處存在相似的核苷酸序列，內(nèi)含子剪接過程在進(jìn)化上是保守的。人類的許多疾病是內(nèi)含子剪接異常引起的。第28頁/共38頁291)RNA序列決定了剪接的發(fā)生位點在mRNA前體中內(nèi)含子的兩端邊界存在共同的序列，5'邊界序列為GU，3'邊界序列為AG。這些序列結(jié)構(gòu)是mRNA前體產(chǎn)生剪接的信號。內(nèi)含子與外顯子交界外的序列，內(nèi)含子內(nèi)部的部分序列也可能參與內(nèi)含子的剪接。在3'端AG附近有一段富含嘧啶(10~20)的區(qū)域。在5'端有一保守序列(5'-GUPuAGU-3')。在分叉剪接保守序列中的A具有2'-OH(分支點)。內(nèi)含子中的保守序列是mRNA前體剪接過程中各種核糖核蛋白剪接調(diào)節(jié)蛋白因子的結(jié)合位點。第29頁/共38頁302)RNA剪接中的兩步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)RNA剪接是由兩步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)完成，使前體RNA中原有磷酸二酯鍵斷開，并形成新的磷酸二酯鍵。第一步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)由位于分支點A上的2'-OH引發(fā)。2'-OH作為親核基團(tuán)攻擊5'剪接位點保守G的磷酸基團(tuán)，造成外顯子3'端的核糖與內(nèi)含子5'端磷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。內(nèi)含子游離出來的5'端磷酸與分支點A上的2'-OH連接，形成磷酸二酯鍵，產(chǎn)生一個三叉交匯。第二步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)中，5'外顯子作為親核基團(tuán)攻擊3'剪接位點的磷酸基團(tuán)。導(dǎo)致二個結(jié)果。第30頁/共38頁31一是將5'和3'外顯子連接越來，二是把內(nèi)含子作為游離基團(tuán)釋放出去。釋放出來的內(nèi)含子的5'端在第一次轉(zhuǎn)酯中與分支點A相連，形狀像一個套索。第31頁/共38頁323)RNA剪接大多發(fā)生在剪接體上RNA剪接的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)是由大型剪接體介導(dǎo)的。這個大型復(fù)合物包含約150種蛋白質(zhì)和5種RNA。5種核小RNA(snRNA)為：U1,U2,U4,U5,U6。與snRNA相結(jié)合的蛋白質(zhì)稱為核小核蛋白(snRNPs)。snRNA與snRNPs形成的復(fù)合物稱為核小核糖核蛋白(snRNP)。剪接體就是由這些snRNP形成的巨型復(fù)合物。不同的snRNP執(zhí)行不同的任務(wù)，不同剪接反應(yīng)的復(fù)合物中含有不同的snRNP。snRNP在剪接中的功能：識別5'剪接位點和分支點，按需要將這兩個位點集合到一起，催化或協(xié)助催化RNA的剪接和連接反應(yīng)。(過程見P104圖3-28)第32頁/共38頁334)RNA的可變剪接在高等生物中，內(nèi)含子通常是有序或組成型地從mRNA前體中被剪接。在個體發(fā)育和細(xì)胞分化時可選擇性地越過某些外顯子或某個剪接點進(jìn)行變位剪接，以產(chǎn)生組織或發(fā)育階段特異性mRNA，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)含子的可變剪接或變位剪接。見P104圖3-29。果蠅中與性別分化相關(guān)基因產(chǎn)物的特異性剪接過程見P105圖3-30。脊椎動物中約有5%的基因以這種方式剪接?？勺兗艚幽鼙ＷC同源蛋白質(zhì)之間既有大致相同的結(jié)構(gòu)，又有特定的性質(zhì)差異。第33頁/共38頁345)Ⅰ類和Ⅱ類自剪接內(nèi)含子Ⅰ類和Ⅱ類內(nèi)含子本身具有催化活性，能進(jìn)行內(nèi)含子的自我剪接。內(nèi)含子的類型見P106表3-11。Ⅰ類自我剪接內(nèi)含子剪接過程主要是轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，首先由游離鳥苷酸的3'-OH攻擊內(nèi)含子的5'剪接點，上游切開RNA鏈；左外顯子的3'-OH攻擊3'剪接點，上下游兩個外顯子相連，同時釋放線狀的內(nèi)含子(見P107圖3-31)。Ⅱ類自我剪接內(nèi)含子主要存在于線粒體和葉綠體rRNA基因中。剪接過程也是