第三章-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信息的儲(chǔ)存與傳遞之中心法則3.1RNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能3.2RNA轉(zhuǎn)錄的基本過程3.3轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要成分—RNA聚合酶3.7真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄后加工3.8RNA的編輯、再編碼和化學(xué)修飾3.4啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄起始3.5原核生物與真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的比較3.6原核生物與真核生物mRNA的特征比較1.RNA含有核糖和嘧啶，通常是單鏈線性分子2.RNA鏈自身折疊程局部雙螺旋，堿基配對(duì)規(guī)則：A-U，G-C，不能配對(duì)區(qū)域形成突起。3.RNA可折疊形成復(fù)雜的三級(jí)結(jié)構(gòu)4.RNA分子比DNA分子小得多，一般含幾十至幾千個(gè)核苷酸一、RNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第一節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能核糖體RNA（rRNA）：

核蛋白體組成成分轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）：

轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸信使RNA（mRNA）：

蛋白質(zhì)合成模板不均一核RNA（hnRNA）：成熟mRNA的前體小核RNA（snRNA）：參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)小核仁RNA（snoRNA）：rRNA的加工和修飾小胞質(zhì)RNA（scRNA/7s-RNA）：蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定 位合成的信號(hào)識(shí)別體的組成成分二、RNA的分類1、蛋白質(zhì)生物合成的主要參與者（信息分子）2、核酶作用，可催化轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物剪接加工3、參與基因表達(dá)調(diào)控，與生物生長發(fā)育密切相關(guān)4、某些病毒，RNA是遺傳物質(zhì)，例如：SARS病毒，AIDS病毒

三、RNA的功能3.1RNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能3.2RNA轉(zhuǎn)錄的基本過程

3.3轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要成分—RNA聚合酶3.7真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄后加工3.8RNA的編輯、再編碼和化學(xué)修飾3.4啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄起始3.5原核生物與真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的比較3.6原核生物與真核生物mRNA的特征比較基因蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯生物性狀控制RNA第二節(jié)RNA的轉(zhuǎn)錄的基本過程是指以DNA為模板，在依賴于DNA的RNA聚和酶催化下，以4中NTP（ATP、CTP、GTP和UTP）為原料，合成RNA的過程。

RNA合成方向：5'3'原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶其他蛋白質(zhì)因子一、轉(zhuǎn)錄的基本概念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通過核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)UCAUGAUUAmRNA轉(zhuǎn)錄的不對(duì)稱性：在RNA的合成中，DNA的二條鏈中僅有一條鏈可作為轉(zhuǎn)錄的模板，稱為轉(zhuǎn)錄的不對(duì)稱性。編碼鏈與模板鏈編碼鏈：又稱有義鏈，與mRNA序列相同的那條DNA鏈。模板鏈：又稱反義鏈，一條根據(jù)堿基互補(bǔ)原則指導(dǎo)mRNA合成的DNA鏈。二、轉(zhuǎn)錄的基本過程

模板識(shí)別、轉(zhuǎn)錄起始、延伸、終止

轉(zhuǎn)錄單元：從啟動(dòng)子到終止子稱為轉(zhuǎn)錄單元啟動(dòng)子：模板上專一地與RNA聚合酶結(jié)合并決定轉(zhuǎn)錄從何處起始的DNA序列，也決定基因的轉(zhuǎn)錄效率。原核大約20-200bp，真核不同基因差別比較大，一般小于2kb

轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)：即轉(zhuǎn)錄原點(diǎn)記為＋1，其5‘上游記為負(fù)值，下游記為正值，研究表明通常為一個(gè)嘌呤（A或Ｇ）。

路標(biāo)，收費(fèi)站，高速路，收費(fèi)站1、模板識(shí)別和轉(zhuǎn)錄起始識(shí)別啟動(dòng)子DNA+全酶DNA+全酶DNA+全酶+2NTPDNA+核酶+RNA合成9-10NTP合成后，σ因子決定轉(zhuǎn)錄的起始，不參與延伸。原核真核需至少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。表12-5人類Ⅱ型啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄因子 因子 分子量 功能 RNAPolⅡ≥10K 依賴模板合成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 RNA鏈不斷伸長，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，DNA雙鏈重新形成。2、轉(zhuǎn)錄的延伸

●強(qiáng)終止子－不依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止

●弱終止子－需要ρ因子又稱為ρ依賴性終止子

3、轉(zhuǎn)錄的終止發(fā)夾式結(jié)構(gòu)和寡聚U的共同作用使RNA從三元復(fù)合物中解離出來終止效率與二重對(duì)稱序列和寡聚U的長短有關(guān)，長度效率（１）強(qiáng)終止子－－不依賴

因子的終止二重對(duì)稱區(qū)（２）弱終止子－－依賴

因子的終止

因子：六聚體蛋白、具NTP酶和解螺旋酶活性，水解各種核甘三磷酸促使新生RNA鏈從三元轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中解離出來，從而終止轉(zhuǎn)錄。RNA合成過程起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)到達(dá)基因終點(diǎn)延長階段5

3

RNA

啟動(dòng)子

終止子5

RNA聚合酶

5

3

5

3

5

離開識(shí)別（ρ-dependentterminator）；經(jīng)轉(zhuǎn)錄生成的RNA有多種，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和hnRNA。

4、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物

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5′3′；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。三、轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制的異同3.1RNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能3.2RNA轉(zhuǎn)錄的基本過程3.3轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要成分—RNA聚合酶3.7真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄后加工3.8RNA的編輯、再編碼和化學(xué)修飾3.4啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄起始3.5原核生物與真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的比較3.6原核生物與真核生物mRNA的特征比較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)，通過識(shí)別終止序列停止轉(zhuǎn)錄。第三節(jié)轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要成分-RNA聚合酶原核生物：全酶(HoloEnzyme)和核心酶(CoreEnzyme)3.1RNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能3.2RNA轉(zhuǎn)錄的基本過程3.3轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要成分—RNA聚合酶3.7真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄后加工3.8RNA的編輯、再編碼和化學(xué)修飾3.4啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄起始3.5原核生物與真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的比較3.6原核生物與真核生物mRNA的特征比較啟動(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。第四節(jié)啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄起始一、啟動(dòng)子（promoter）的結(jié)構(gòu)與功能啟動(dòng)子(promoter)：是指DNA分子上被RNA聚合酶識(shí)別并結(jié)合形成起始轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的區(qū)域，它還包括一些調(diào)節(jié)蛋白因子的結(jié)合位點(diǎn).啟動(dòng)子是由一些短的保守序列組成的。位于轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)附近。啟動(dòng)子可位于上游，也可在下游（個(gè)別）。轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)即轉(zhuǎn)錄原點(diǎn)記為＋1，其上游5’記為負(fù)值，下游記為正值

upstreamstartpointdownstream－10＋1＋10二、原核生物啟動(dòng)子二、原核生物啟動(dòng)子-10區(qū)與-35區(qū)的最佳間距增強(qiáng)子增加或促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始三、真核生物啟動(dòng)子四、轉(zhuǎn)錄的抑制劑1、模板抑制劑如烷化劑，放線菌素D，嵌入染料，與DNA結(jié)合，抑制DNA的模版功能2、RNA聚合酶抑制劑如利福霉素，利鏈霉素，-鵝膏蕈堿：抑制RNA聚合酶活性。3.1RNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能3.2RNA轉(zhuǎn)錄的基本過程3.3轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要成分—RNA聚合酶3.7真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄后加工3.8RNA的編輯、再編碼和化學(xué)修飾3.4啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄起始3.5原核生物與真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的比較3.6原核生物與真核生物mRNA的特征比較第六節(jié)原核生物和真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的比較原核生物和真核生物的mRNA在結(jié)構(gòu)上有所不同：原核生物的mRNA是多順反子的，真核生物的mRNA是單順反子的；2)原核mRNA5'端無帽子結(jié)構(gòu)，真核mRNA5'端有一段帽子結(jié)構(gòu)（m7GpppNmpNmp-）；3)原核mRNA3’端無PolyA，真核mRNA3’端有PolyA。單順反子mRNA：只編碼一個(gè)蛋白質(zhì)的mRNA。多順反子mRNA：編碼多個(gè)蛋白質(zhì)的mRNA。原核與真核mRNA對(duì)比

真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)帽子作用：是加速翻譯的起始速度，增加mRNA的穩(wěn)定性PolyA作用：它與mRNA由核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移及與mRNA的穩(wěn)定性有關(guān)。3.1RNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能3.2RNA轉(zhuǎn)錄的基本過程3.3轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要成分—RNA聚合酶3.7真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄后加工3.8RNA的編輯、再編碼和化學(xué)修飾3.4啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄起始3.5原核生物與真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的比較3.6原核生物與真核生物mRNA的特征比較5’端加帽3’端加尾RNA的剪接RNA的編輯RNA的再編碼RNA的化學(xué)修飾第七節(jié)真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄后加工5’端的一個(gè)核苷酸總是7-甲基鳥核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5’端的這種結(jié)構(gòu)稱為帽子（cap）。一、在5’端加帽P97一、在5’端加帽（1）5′端形成特殊的帽子結(jié)構(gòu)，有三類：①帽子0：m7GpppX單細(xì)胞生物（如酵母）②帽子1：m7GpppXm多細(xì)胞生物，主要形式③帽子2：m7GpppXmpYm占10-15%（2）帽子結(jié)構(gòu)功能：①能被核糖體小亞基識(shí)別，促使mRNA和核糖體的結(jié)合；②m7Gppp結(jié)構(gòu)能有效地封閉mRNA5’末端，以保護(hù)mRNA免受5’核酸外切酶的降解，增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定。P97二、3’-端加尾多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴功能：提高了mRNA在細(xì)胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。AAUAAA：準(zhǔn)確切割★加poly（A）三、RNA的剪接三、RNA的剪接內(nèi)含子剪切異?？梢鸺膊?，如地中海貧血病人的珠蛋白基因1、mRNA前體的主要剪接方式pre-mRNA剪接

（ＧＵ-ＡＧ類）P102ＡＧ前一位核苷酸可影響剪接效率：CAG=UAG>AAG>GAG②剪接的過程：①參與RNA剪接的物質(zhì)：snRNA（核內(nèi)小分子RNA）snRNP（與snRNA結(jié)合的核蛋白）U1snoRNA含與內(nèi)含子５’-端互補(bǔ)序列；U2snoRNA含與分支處互補(bǔ)序列2、Ⅰ類內(nèi)含子的自我剪接借助與鳥苷酸或鳥苷的作用，內(nèi)含子自我催化，通過兩次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)完成拼接。3、Ⅱ類內(nèi)含子的自我剪接

也是由內(nèi)含子自我催化完成，但轉(zhuǎn)酯反應(yīng)無鳥苷的參與，兩次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)后內(nèi)含子形成套索結(jié)構(gòu)而切下。3.1RNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能3.2RNA轉(zhuǎn)錄的基本過程3.3轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要成分—RNA聚合酶3.7真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄后加工3.8RNA的編輯、再編碼和化學(xué)修飾3.4啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄起始3.5原核生物與真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的比較3.6原核生物與真核生物mRNA的特征比較一、RNA的編輯

1、定義編輯（editing）是指轉(zhuǎn)錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基的突變、添加或缺失等現(xiàn)象。3.8RNA的編輯、再編碼和化學(xué)修飾2、編輯機(jī)制：

①堿基的突變，C變?yōu)閁②尿苷酸的缺失和添加1986.R.Benne在研究錐蟲線粒體mRNA轉(zhuǎn)錄加工時(shí)發(fā)現(xiàn)mRNA的多個(gè)編碼位置上加入或丟失尿苷酸，1990年在高等動(dòng)物和病毒中也發(fā)現(xiàn)了編輯現(xiàn)象。3、RNA編輯的生物學(xué)意義

校正作用：消除移碼突變等基因突變的危害；

擴(kuò)充遺傳信息：增加了基因產(chǎn)物的多樣性，有于生物進(jìn)化；

調(diào)控翻譯：與生物發(fā)育與分化有關(guān)，是基因調(diào)控的一種重要方式。二、RNA的再編碼(1)定義：把RNA編碼和讀碼方式的改變稱為RNA的再編碼（RNArecding)。(2)RNA再編碼的主要表現(xiàn)：

①+1/-1移碼②核糖體跳躍③終止子通讀三、RNA的化學(xué)修飾(1)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的化學(xué)修飾對(duì)象：前體rRNA和Trna(2)參與化學(xué)修飾的物質(zhì)：70~100個(gè)核苷酸的核仁ＲＮＡ（snoRNA),

一般認(rèn)為，snoRNA上的D盒是甲基化酶的識(shí)別位點(diǎn).(3)化學(xué)修飾的主要類型:甲基化、去氨基化、硫代、堿基的同分異構(gòu)等。四、核酶

1981年CechT在研究四膜蟲(Tetrahymenathermophila)rRNA前體拼接過程中發(fā)現(xiàn)，此類的拼接無需蛋白質(zhì)的酶參與作用，它可自我催化完成。Cech稱具有催化功能的RNA為核酶（ribozyme）。1989年cechT和AltmanS共同獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，AltmanS的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)RnaseP中的M1RNA單獨(dú)也具有催化功能。核酶的發(fā)現(xiàn)改變了酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念，被認(rèn)為是近二十年來生物化學(xué)領(lǐng)域中最令人鼓舞的成就之一。一、選擇題1、下列有關(guān)TATA盒(Hognessbox)的敘述,哪個(gè)是正確的:A.它位于第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因處

B.它和RNA聚合酶結(jié)合

C.它編碼阻遏蛋白

D.它和反密碼子結(jié)合

B

復(fù)習(xí)題

2.轉(zhuǎn)錄需要的原料是:dNTPB.dNDPC.dNMPD.NTPE.NMPD3、DNA模板鏈為5’-ATTCAG-3’,其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是:A.5’-GACTTA-3’

B.5’-CTGAAT-3’

C.5’-UAAGUC-3’

D.5’-CUGAAU-3’

D4、DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程有許多相同點(diǎn),下列描述哪項(xiàng)是錯(cuò)誤的?A.轉(zhuǎn)錄以DNA一條鏈為模板,而以DNA兩條鏈為模板進(jìn)行復(fù)制

B.在這兩個(gè)過程中合成均為5`-3`方向

C.復(fù)制的產(chǎn)物通常情況下大于轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物

D.兩過程均需RNA引物

D

5、真核生物的mRNA加工過程中,5’端加上（），在3’端加上（），后者