第三章 第一講 生物信息的傳遞(上)從DNA到RNA

第三章生物信息的傳遞（上）—從DNA到RNA

RNA的轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄起始原核生物與真核生物mRNA的特征比較終止和抗終止

RNA加工第一節(jié)RNA的轉(zhuǎn)錄一、概述二、轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要成分三、轉(zhuǎn)錄的基本過(guò)程基因蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯生物性狀RNA一、概述轉(zhuǎn)錄：在細(xì)胞核內(nèi)，以DNA的一條鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則合成一條與DNA鏈互補(bǔ)的RNA單鏈的過(guò)程。TCATGATTAAG

T

AC

TA

A

T

DNA的平面結(jié)構(gòu)圖細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

DNA的一條鏈AGCUGACGGUUU游離的核糖核苷酸

(原料）DNA解旋，以一條鏈為模板合成RNA細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

AGCUGACGGUUU

DNA與RNA的堿基互補(bǔ)配對(duì)：A——U；T——A；C——G；G—CRNA聚合酶細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

AGCGACGGUUUU

組成

RNA的核糖核苷酸一個(gè)個(gè)連接起來(lái)細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUUUA細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGUUGUUA細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGUGUUAA細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUAAU細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUAAUA細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGCGGUUAAUAU細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GGCGGUUAAUAUC細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GGCGGUUAAUAUCDNA上的遺傳信息就傳遞到mRNA上mRNADNA細(xì)胞核中AG

T

AC

TA

A

T

UCAUGAUUAmRNA

細(xì)胞質(zhì)

細(xì)胞核

核孔DNAmRNA在細(xì)胞核中合成AG

T

AC

TA

A

T

UCAUGAUUAmRNA

細(xì)胞質(zhì)

細(xì)胞核mRNA通過(guò)核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)UCAUGAUUAmRNAmRNA：(messenger)編碼了一個(gè)或多個(gè)蛋白質(zhì)序列；tRNA：(transfer)把mRNA上的遺傳信息變?yōu)槎嚯闹械陌被嵝畔ⅲ籸RNA：(ribosomal)是合成蛋白質(zhì)的工廠核糖體中的主要成分。hnRNA：(heterogeneousnuclear)由DNA轉(zhuǎn)錄生成的原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，即前體mRNA。

snRNA：(smallnuclear)在前體mRNA加工中，參與去除內(nèi)含子。

snoRNA：(small

nucleolar)核仁小RNA，主要參與rRNA及其它RNA的修飾、加工、成熟等過(guò)程。

scRNA：細(xì)胞質(zhì)小RNA(small

cytoplasmic)主要在蛋白質(zhì)合成過(guò)程起作用。其他非編碼RNA：按大小分：(1)21～25個(gè)核苷酸的RNA,包括微小RNA即microRNA(miRNA)和小干擾RNA(smallinterferingRNA（siRNA）。(2)100～200個(gè)核苷酸的smallRNA(sRNA),往往在細(xì)菌細(xì)胞起翻譯調(diào)節(jié)子功能。(3)大于10000個(gè)核苷酸的非編碼RNA，參與更高級(jí)真核生物的基因沉默。微小RNA(miRNA)小干擾RNA(siRNA)相同點(diǎn):(1)二者的長(zhǎng)度都約22nt左右;(2)二者同是Dicer（一種具有RNAaseⅢ活性的核酸酶）產(chǎn)物;(3)二者同是RISC(RNA－inducedsilencingcomplex)的組分，因此在siRNA和miRNA介導(dǎo)的沉默機(jī)制上有重疊。不同點(diǎn)：(1)二者的來(lái)源不同，miRNA來(lái)源于內(nèi)源轉(zhuǎn)錄本，即單鏈RNA；siRNA來(lái)源于內(nèi)源或外源的同源雙鏈RNA；(2)miRNA參與動(dòng)植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育基因調(diào)控，而現(xiàn)在一般認(rèn)為siRNA不參與正常的基因調(diào)控，只在病毒或其他dsRNA誘導(dǎo)的情況下才產(chǎn)生;(3)miRNA主要在翻譯水平起作用，而siRNA為轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控。端體酶RNA(telomeraseRNA):與染色體末端的復(fù)制有關(guān)；反義RNA(antisenseRNA):是指與mRNA互補(bǔ)的RNA分子,也包括與其它RNA互補(bǔ)的RNA分子。它參與基因表達(dá)的調(diào)控。轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制的異同

相同點(diǎn)：

合成反應(yīng)的化學(xué)本質(zhì)模板的使用合成的方向發(fā)生的部位不同點(diǎn)：

（1）轉(zhuǎn)錄：一條DNA鏈為模板復(fù)制：兩條鏈都可作模板；（2）DNA-RNA雜合雙鏈不穩(wěn)定，RNA合成后釋放，而DNA復(fù)制結(jié)束后，新鏈和母鏈形成雙鏈；（3）RNA合成不需引物，而DNA復(fù)制需引物；（4)轉(zhuǎn)錄的底物是rNTP，復(fù)制的底物是dNTP；堿基由復(fù)制時(shí)的T替換為轉(zhuǎn)錄時(shí)的U。（5）聚合酶系統(tǒng)不同。有義鏈的確定：把與mRNA序列相同的那條DNA鏈稱(chēng)為編碼鏈（codingstrand）或稱(chēng)有意義鏈（sensestrand）（+）；把另一條根據(jù)堿基互補(bǔ)原則指導(dǎo)mRNA合成的DNA鏈稱(chēng)為模板鏈（templatestrand）或稱(chēng)反義鏈（antisensestrand）（-）。在體外DNA的兩條鏈都可作為RNA合成的模板。轉(zhuǎn)錄的基本特點(diǎn)：（1）以核糖核苷三磷酸（rNTP）為底物，以Mg2+/Mn2+為輔助因子；（2）僅以一條DNA鏈為模板；（3）按5′3′方向合成；（4）無(wú)需引物的存在能單獨(dú)起始鏈的合成；（5）第一個(gè)引入的rNTP是以三磷酸形式存在；（6）RNA的序列和模板是互補(bǔ)的。（7）需要RNA聚合酶和多種輔助因子參與。DNA啟動(dòng)子區(qū)編碼區(qū)終止區(qū)轉(zhuǎn)錄起始+1-10-35RNA轉(zhuǎn)錄單元的模式圖原核大約20-200bp，真核不同基因差別比較大，一般小于2kb5′3′啟動(dòng)子：基因轉(zhuǎn)錄起始所必需的一段DNA序列二、轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要成分RNA聚合酶：依賴(lài)DNA合成RNA1.原核生物（大腸桿菌）的RNA聚合酶（RNApol）RNApol和DNApol有2點(diǎn)不同：（1）RNApol沒(méi)有任何校對(duì)功能；（2）能起始新的RNA鏈。核心酶全酶亞基基因相對(duì)分子量亞基數(shù)組分功能αββ′ωσrpoArpoBrpoC?rpoD3.65×104

1.51×105

1.55×105

11×104

7.0×104

21111核心酶核心酶核心酶核心酶σ因子核心酶組裝，啟動(dòng)子識(shí)別Β和β′共同形成RNA合成的活性中心未知模板鏈的識(shí)別，轉(zhuǎn)錄起始，存在多種σ因子，用于識(shí)別不同的啟動(dòng)子α:形成二聚體，核心酶組裝，啟動(dòng)子識(shí)別，參與RNA聚合酶和部分調(diào)節(jié)因子的相互作用。β:能與模板DNA、新生RNA鏈及核苷酸底物相結(jié)合。催化磷酸二酯鍵的形成。β和β′共同形成聚合酶的催化中心σ：負(fù)責(zé)模板鏈的選擇和轉(zhuǎn)錄的起始，是酶的別構(gòu)效應(yīng)物，使酶和專(zhuān)一性識(shí)別模板上的啟動(dòng)子，起始轉(zhuǎn)錄。某些細(xì)菌含有能識(shí)別不同啟動(dòng)子的σ因子，調(diào)控不同基因轉(zhuǎn)錄的起始，如枯草桿菌有6種不同的σ因子：σ55、σ29等。E.coli中不同的因子可識(shí)別不同的啟動(dòng)子RNApol執(zhí)行多種功能(1)識(shí)別DNA雙鏈上的啟動(dòng)子；(2)使DNA變性，在啟動(dòng)子處解旋成單鏈；(3)通過(guò)閱讀啟動(dòng)子序列，RNApol確定它自己的轉(zhuǎn)錄方向和模板鏈。(4)起始，延伸RNA鏈，最后當(dāng)它達(dá)到終止子時(shí)，通過(guò)識(shí)別終止序列停止轉(zhuǎn)錄。真核生物三種RNA聚合酶的特點(diǎn) RNAPol 位置 產(chǎn)物 相對(duì)活性對(duì)α-鵝膏蕈堿的敏感性 PolⅠ 核仁 28S,18S,5.8SrRNAs50～70%不敏感 PolⅡ 核質(zhì) hnRNA,mRNA,某些SnRNA20～40% 高度敏感 PolⅢ 核質(zhì) tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs～10%存在特異性，中等敏感

一般由8-16個(gè)亞基組成，相對(duì)分子量超過(guò)5×105。共同點(diǎn):(1)聚合酶中有兩個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量超過(guò)1×105的大亞基;(2)同種生物三類(lèi)聚合酶有“共享”小亞基的傾向，幾個(gè)小亞基是其中3類(lèi)或2類(lèi)聚合酶所共有的。2.真核的RNA聚合酶除了細(xì)胞核RNA聚合酶外，真核生物線粒體和葉綠體中存在不同的RNA聚合酶。線粒體RNA聚合酶：一條多肽鏈，小，小于7×104，不受α-鵝膏蕈堿抑制；葉綠體RNA聚合酶：多亞基，部分亞基由葉綠體基因編碼，較大，不受α-鵝膏蕈堿抑制。三、轉(zhuǎn)錄的基本過(guò)程模板識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始通過(guò)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄延伸轉(zhuǎn)錄終止全酶識(shí)別啟動(dòng)子，與其可逆性結(jié)合形成封閉復(fù)合物——DNA為雙鏈。DNA構(gòu)象變化，開(kāi)放復(fù)合物形成，全酶結(jié)合的一小段雙鏈解開(kāi)。開(kāi)放復(fù)合物與最初2個(gè)NTP結(jié)合，短RNA鏈形成。模板識(shí)別和轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始：第一個(gè)核苷酸鍵形成通過(guò)啟動(dòng)子：2-9核苷酸短鏈形成啟動(dòng)子的強(qiáng)弱：通過(guò)啟動(dòng)子的時(shí)間，時(shí)間越短，起始頻率越高。真正的起始——釋放σ因子，轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物通過(guò)啟動(dòng)子區(qū)，并生成由核心酶、DNA和新生RNA所組成的轉(zhuǎn)錄延伸復(fù)合物。σ因子決定轉(zhuǎn)錄的起始，不參與延伸。真核生物還需要至少7種輔助因子——轉(zhuǎn)錄因子參與，形成復(fù)雜的前起始復(fù)合物。

轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄復(fù)合體TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIFPolIITFIIERNApolⅡ的轉(zhuǎn)錄起始人類(lèi)Ⅱ型啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄因子 因子 分子量 功能 RNAPolⅡ≥10K 依賴(lài)模板合成RNA TFⅡA 12,19,35K穩(wěn)定TFⅡD和DNA的結(jié)合，激活TBP亞基 TFⅡB 33K 結(jié)合模板鏈（-10～+10），起始PolⅡ結(jié)合，和TFⅡE/F

相互作用 TFⅡD (TBP,30K)TBP亞基識(shí)別TATA，將聚合酶組入復(fù)合體中，TAFs識(shí)別特殊啟動(dòng)子 TFⅡE 34K(β)結(jié)合在PolⅡ的前部，使復(fù)合體的保護(hù)區(qū)延伸到下游 57K(α)TFⅡF 38,74K 大亞基具解旋酶活性（RAP74）,小亞基和PolⅡ結(jié)合，介導(dǎo)其加入復(fù)合體 TFⅡH 具激酶活性，可以磷酸化PolⅡC端的CTD，使PolⅡ逸出，延伸 TFⅡI 120K 識(shí)別Inr，起始TFⅡF/D結(jié)合 TFⅡJ 在TFⅡF后加入復(fù)合體，不改變DNA的結(jié)合方式 TFⅡS RNA合成延伸 聚合酶橫跨約35bp，解旋的DNA約17bp。轉(zhuǎn)錄的延伸：RNA鏈不斷伸長(zhǎng)，速度不均一。大腸桿菌：50-90個(gè)核苷酸/秒。解鏈區(qū)：RNA-DNA雜合鏈解開(kāi)，DNA雙鏈重新形成。轉(zhuǎn)錄的終止：轉(zhuǎn)錄到終止位點(diǎn)，不再形成磷酸二酯鍵，RNA-DNA雜合鏈分開(kāi)，DNA雙鏈形成，聚合酶及RNA單鏈釋放。第二節(jié)啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄起始啟動(dòng)子是一段位于結(jié)構(gòu)基因5′端上游區(qū)的DNA序列，能與RNA聚合酶結(jié)合，起始基因的轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)影響其與RNA聚合酶的結(jié)合，從而影響基因表達(dá)的水平。啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)(1)結(jié)構(gòu)典型,都含識(shí)別（R),結(jié)合（B)和起始（I）位點(diǎn);(2)存在保守序列;(3)保守序列的位置和距離都比較恒定；(4)與多聚酶相結(jié)合；(5)位于基因的5′端；(6)決定轉(zhuǎn)錄的起始和方向。

1.-10序列：-10序列是由Pribnow和Schaller（1975）發(fā)現(xiàn)，故也稱(chēng)為Pribnow框盒（Pribnowbox）。保守序列為T(mén)80A95T45A60A50T96位于-10bp左右，AT較豐富，易于解鏈。其功能是:(1)RNApol緊密結(jié)合;(2)形成開(kāi)放起始復(fù)合物；(3)使RNApol定向轉(zhuǎn)錄。一、原核生物啟動(dòng)子的基本結(jié)構(gòu)2.-35序列-35序列又稱(chēng)為Sextama盒（Sextamabox），其保守序列為（T82T84G78A65C54A45）其功能是:(1)為RNApol的識(shí)別位點(diǎn)。

σ亞基識(shí)別-35序列，為轉(zhuǎn)錄選擇模板(2)-35和-10序列的距離是穩(wěn)定的，此與RNApol的結(jié)合有關(guān)。4.轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（I）轉(zhuǎn)錄開(kāi)始時(shí)模板上的第一個(gè)堿基在原核中常為A或G而且位置固定－10區(qū)和－35區(qū)的最佳間距