1、核酸的合成核酸的合成分子生物学分子生物学( (分子遗传学分子遗传学) )中心法则中心法则 反映了从反映了从DNADNARNARNA蛋白质的遗传信息主蛋白质的遗传信息主流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律表达的规律。转录转录RNA翻译翻译蛋白质蛋白质DNA RNA （病毒）病毒）复制复制复制复制翻译翻译 蛋白质蛋白质 （病毒）（病毒）反转录反转录第一节 DNA的生物合成& DNADNA DNA复制复制& RNADNA 反转录反转录两种方式两种方式 复制：复制：以亲代以亲代DNADNA或或RNARNA为模板，为模板，根据根据碱基配对的原则碱基配
2、对的原则，在一系列酶，在一系列酶的作用下，生成与亲代相同的子代的作用下，生成与亲代相同的子代DNADNA或或RNARNA的过程。的过程。一、 DNA的复制复制的方式DNADNA的半保留复制的半保留复制一、一、DNADNA的半保留复制的半保留复制2.2.半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据: :1.1.定义定义： 19581958年年MeselsonMeselson和和StahlStahl用同位素用同位素1515N N标记标记大大肠杆菌肠杆菌DNADNA, ,首先证明了首先证明了DNADNA的半保留复制。的半保留复制。 以以亲代亲代DNADNA双链双链为模板以为模板以碱基互补碱基互补方式合方
3、式合成子成子代代DNADNA，这样这样新形成的子代新形成的子代DNADNA中，一条链来自亲中，一条链来自亲代代DNADNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫式叫半保留复制半保留复制。DNA半保留复制半保留复制DNA的复制的方式-1958, Messelson and Stahl实验证实实验证实细菌的细菌的DNA双链双链(蓝蓝线的代表含线的代表含15N)含含15N-DNA的细菌的细菌培养于普培养于普通培养液通培养液第一代第一代重重DNA普通普通DNA普通普通DNADNA半保留复制的证据半保留复制的证据混合式混合式重重DNA普通普通DNA重重DNA第二代第二
4、代半保留式半保留式第一代第一代故可排除混合式复制方式故可排除混合式复制方式培养第一代培养第一代结果结果重重DNA普通普通DNA母链母链全保留式全保留式半保留式半保留式混合式混合式重重DNA普通普通DNA排除全保留式排除全保留式细菌的细菌的DNA双链双链(蓝蓝线的代表含线的代表含15N)(红红线的代表含线的代表含14N)含含15N-DNA的细菌的细菌培养于普培养于普通培养液通培养液继续培养于继续培养于 普通培养液普通培养液第二代第二代重重DNA第一代第一代重重DNA普通普通DNA普通普通DNADNA半保留复制的证据半保留复制的证据排除混合式排除混合式Why?DNADNA的半保留复制的生物学意义：
5、的半保留复制的生物学意义： DNADNA在代谢上的稳定性并非指在代谢上的稳定性并非指DNADNA是一种惰性物质是一种惰性物质。 DNADNA的半保留复制表明的半保留复制表明DNADNA在代谢上在代谢上的的稳定性稳定性，是是保证亲代的遗传信息稳保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代必要措施。定地传递给后代必要措施。& 必须具备的基本条件 模板模板：母链：母链DNA 原料原料：dNTP(包括包括dATP、dGTP、dCTP、dTTP) 酶和蛋白质因子酶和蛋白质因子： 引物引物：一小段：一小段RNA 能量能量（ATP）及某些及某些无机离子无机离子参与DNA复制的酶类与蛋白质因子及其主要作用1. 拓扑异构
6、酶（topoisomerase,Topo） 无无ATP时时：作用相当于：作用相当于Topo,但切割的但切割的是是双链双链DNA某一部位某一部位(断双链断双链)。 有有ATP时时：使带断口、松弛状的：使带断口、松弛状的DNA分分子旋紧转变成负超螺旋结构，再连接断端。子旋紧转变成负超螺旋结构，再连接断端。 不需耗能不需耗能(ATP)，切割切割(断断)双链双链DNA中的中的一链一链，松解螺旋，松解螺旋, 封闭切口。封闭切口。又称又称切割封口酶切割封口酶。Topo 的作用的作用Topo(又称旋转酶又称旋转酶)的作用的作用拓扑异拓扑异 构酶构酶II+ATP拓扑异拓扑异 构酶构酶IDNA的松弛状态与超螺旋
7、的松弛状态与超螺旋2. 解链酶解链酶(又称又称解螺旋酶或螺旋酶解螺旋酶或螺旋酶,helicase)解链酶作用作用：断裂互补碱基间的氢键：断裂互补碱基间的氢键, ,使使DNADNA双链分离形双链分离形成成“复制叉复制叉”。3. 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白(DNA结合蛋白结合蛋白)(single stranded DNA-binding protein,SSB)作用作用：防止重新形成双防止重新形成双 链和防止单链模板链和防止单链模板被核酸酶水解被核酸酶水解,维持维持DNA单链状态和完整性单链状态和完整性 4.引物酶(Primase)53 5RNA引引物物55RNA引引物物3RNA的合成：需引物
8、酶，它是一种特殊的合成：需引物酶，它是一种特殊的的RNA聚合酶。聚合酶。 DNA不能从无不能从无有合成，需在一小段有合成，需在一小段RNA基础上合成基础上合成DNA5. DNA聚合酶聚合酶（DNA polymerase, DNA pol） 即依赖于即依赖于DNA的的DNA聚合酶（聚合酶（DDDP） y原核生物原核生物（E.coli）迄今已知只有迄今已知只有3种：种：DNA pol、 DNA pol、 DNA pol。 y真核生物真核生物 亦发现有多种亦发现有多种DDDP：DDDP 、 、 、 、 。 y其性质与功能其性质与功能n原料：原料：四种脱氧核苷三磷酸四种脱氧核苷三磷酸 （dATPdAT
9、P、dGTPdGTP dCTPdCTP dTTPdTTP) )n需要需要模板：模板：以以DNADNA为模板链，合成子代为模板链，合成子代DNADNA，模板可模板可以是双链，也可以是单链以是双链，也可以是单链DNADNA。合成产物与模板互补。合成产物与模板互补。n 需要需要引物：引物：一小段一小段RNA(RNA(或或DNADNA）为引物，在大肠杆为引物，在大肠杆 菌中，菌中，DNADNA的合成需要一段的合成需要一段RNARNA链作为引物链作为引物，引物含，引物含3 3 - -OHOH. . n合成方向：合成方向：5 5 3 3 ( (一一) ) DNADNA聚合酶：聚合酶：19561956年年K
10、ornbergKornberg等在大肠杆菌中等在大肠杆菌中首先发现首先发现DNADNA聚合酶，其后发现该酶在许多生物中广聚合酶，其后发现该酶在许多生物中广泛存在。泛存在。该酶的催化性质如下：该酶的催化性质如下： 大肠杆菌中大肠杆菌中DNA聚合酶某些性质聚合酶某些性质 DNA聚合酶聚合酶 性性 质质 - 酶分子酶分子/细胞细胞 400 40 20 酶分子量酶分子量(kd) 109 90 140 5 3 聚合功能聚合功能 有有 有有 有有 5 3 外切酶活性外切酶活性 有有 有有 无无 3 5 外切酶活性外切酶活性 有有 有有 有有 聚合核苷酸数聚合核苷酸数/分钟分钟/分子分子(37) 1000
11、50 15000 主要功能主要功能 修复等修复等 修复作用修复作用 复制复制 表13-2 真核细胞中真核细胞中DNA聚合酶的性质聚合酶的性质 DNA聚合酶聚合酶 性质性质 - 分布分布 细胞核细胞核 细胞核细胞核 线粒体线粒体 细胞核细胞核 细胞核细胞核 分子量分子量(kd) 250 36-38 160-300 170 256 3 5外切酶活性外切酶活性 无无 无无 有有 有有 有有 5 3聚合作用聚合作用 有有 有有 有有 有有 有有 主要功能主要功能 复制复制 损伤修复损伤修复 复制复制 复制复制 复制复制,损伤修复损伤修复 (随从链随从链) (领头链领头链) DDDP 53聚合作用示意图
12、聚合作用示意图3 模板链模板链 5 53DDDP 的的 53外切及外切及35外切外切作用示意图作用示意图35外切外切5 3外切外切53CA36. DNA连接酶连接酶(DNA Ligase)作用：在有模板指导的条件下，催化2个DNA片段(两片段间的距离为1个3 ,5 -磷酸二酯键的键长)的连接。 原理：在一个DNA片段的3 -OH末端和另一个DNA片段的5-P末端形成3,5-磷酸二酯键，从而实现连接。 特点：原核细胞:需辅助因子NAD+ 真核细胞:不需辅助因子NAD+,但需耗能(ATP) 表表13-4 参与参与DNA复制的酶及蛋白质复制的酶及蛋白质 酶或蛋白质酶或蛋白质 主要作用主要作用 拓扑异
13、构酶类拓扑异构酶类 克服解链时打结及缠绕、松驰或引克服解链时打结及缠绕、松驰或引 进负超螺旋进负超螺旋 解链酶类解链酶类 解开解开DNA双链双链 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白 维持已解开单链维持已解开单链DNA的稳定的稳定 引物酶引物酶 合成合成RNA引物引物 DNA聚合酶聚合酶 DNA复制复制 DNA聚合酶聚合酶 水解引物、填补空隙、修复作用水解引物、填补空隙、修复作用 DNA连接酶连接酶 催化双链催化双链DNA中单链缺口的连接中单链缺口的连接 （五）、参（五）、参与与DNA复制复制的酶与蛋白的酶与蛋白因子总览图因子总览图 DNA的复制过程 复制的起始 链的延长 复制的终止复制的起始1.在
14、拓扑异构酶、解链酶及单链DNA 结合蛋白的共同作用下，DNA解旋、解链，形成复制叉。 2.依赖于单链模板，由引物酶催化按碱基配对规律合成一小段RNA引物(原核细胞引物长50-100个碱基，真核约10个碱基)。 DNADNA的复制过程的复制过程：（以大肠杆菌（以大肠杆菌为例）为例） 复制的终止复制的终止： 复制的起始复制的起始1 1、起始复合物的形成：称为引发、起始复合物的形成：称为引发2 2、RNARNA引物的合成引物的合成 链的延伸链的延伸：复制起始阶段的特点真核细胞真核细胞：具有多个具有多个 起始位点起始位点原核细胞原核细胞：仅有一个复制起始位点，但往往是双向复制仅有一个复制起始位点，但往
15、往是双向复制链的延长n引物合成后，由引物合成后，由DNA pol（真核细胞真核细胞为为DNA聚合酶聚合酶 或或 )催化，在引物催化，在引物3-OH末端逐一添加与模板链对应互补的末端逐一添加与模板链对应互补的脱氧核苷磷酸脱氧核苷磷酸,使新合成的链不断延长。使新合成的链不断延长。 前导链前导链: :链的链的延长方向延长方向(5 3)与与解链方向解链方向(复制复制叉移动方向叉移动方向)相同相同, 为为连续连续合成。合成。 随从链随从链: 链的链的延长方向延长方向(53)与与解链方向解链方向(复制复制叉移动方向叉移动方向)相反相反，为，为不连续不连续合成。合成。 n分段合成的分段合成的DNA片段片段,
16、 最初被命名为最初被命名为冈冈崎片段崎片段III三、三、DNADNA复制的半不连续性复制的半不连续性前导链前导链滞后链滞后链冈崎片段冈崎片段前导链：前导链：以以3 5 方向的方向的亲代链为模板连续合成的子代链。亲代链为模板连续合成的子代链。滞后链：滞后链：以以5 3方向方向的亲代链为模板的子代链先逆的亲代链为模板的子代链先逆复制叉移动方向合成冈崎片段，复制叉移动方向合成冈崎片段，再连接成滞后链。再连接成滞后链。 DNA DNA链的延伸链的延伸 在在DNADNA聚合酶聚合酶的催化下，的催化下，以四种以四种5 -5 -脱氧核苷三磷脱氧核苷三磷酸为底物，在酸为底物，在RNARNA引物的引物的33端以
17、磷酸二酯键连接上脱端以磷酸二酯键连接上脱氧核糖核苷酸并释放出焦氧核糖核苷酸并释放出焦磷酸。磷酸。DNADNA链的延伸同时进链的延伸同时进行前导链和滞后链的合成。行前导链和滞后链的合成。两条链方向相反。两条链方向相反。 前导链前导链 滞后链滞后链 冈崎片段冈崎片段 半不连续复制半不连续复制冈崎模型冈崎模型复制的终止复制的终止1.1.水解引物及填补空隙水解引物及填补空隙 冈崎片段合成后，由冈崎片段合成后，由DNA pol(真核细胞真核细胞可能是可能是DNA聚合酶聚合酶 )水解去除水解去除RNA引物引物，并并填补填补留下的留下的空隙空隙(5 3)聚合。聚合。 2.2.完整双链完整双链DNADNA分子
18、的形成分子的形成 填补空隙后，填补空隙后，DNA片段与片段之间还有一片段与片段之间还有一个缺口个缺口(一个一个3,5-磷酸二酯键的长度磷酸二酯键的长度), 由由DNA连接酶连接酶催化连接成完整的链，从而产催化连接成完整的链，从而产生生完整的双链完整的双链DNA分子分子。DNADNA复制的精确性（高保真复制）复制的精确性（高保真复制）1 1、碱基的配对规律：、碱基的配对规律：摸板链与新生链之间的碱基配摸板链与新生链之间的碱基配对保证碱基配错几率约为对保证碱基配错几率约为1/101/104 41/101/105 5。2 2、DNADNA聚合酶的聚合酶的3535外切酶活性的校对功能，外切酶活性的校对
19、功能，使使碱基的错配几率又降低碱基的错配几率又降低10010010001000倍。倍。3 3、DNADNA的损伤修复系统。的损伤修复系统。 DNA DNA复制必须具有复制必须具有高度精确性高度精确性，在大肠杆菌的细胞，在大肠杆菌的细胞DNADNA复制中其复制中其错误率约为错误率约为1/101/109 91/101/101010，即每即每10109 910101010个核苷酸才出现一个错误，也就是大肠杆菌染色个核苷酸才出现一个错误，也就是大肠杆菌染色体体DNADNA复制复制100010001000010000次才出现一个核苷酸的错误。次才出现一个核苷酸的错误。这么高的精确性的保证主要与下列因素有
20、关：这么高的精确性的保证主要与下列因素有关：二、反转录( (reverse transcription)reverse transcription)概念概念 以以RNA为模板，为模板，dNTP为原料，反转录酶为原料，反转录酶催化，按碱基配对规律合成催化，按碱基配对规律合成DNA的过程。的过程。 反转录酶反转录酶, 又称为又称为依赖依赖RNA的的DNA聚合酶聚合酶(RNA-dependent DNA polymerase, RDDP) DNA转录转录RNARNA(病毒病毒)反转录反转录.RDDP引物引物, 4种种dNTPRDDPRNase H4种种dNTPRDDP或或DDDP病毒病毒RNARNA
21、-DNA 杂化分子杂化分子cDNA前病毒前病毒 (双链双链DNA)酶催化反应示意图酶催化反应示意图 反向转录酶存在于反向转录酶存在于所有致癌所有致癌RNA病病毒毒中中, 其功能可能与病毒的恶其功能可能与病毒的恶性转化作用性转化作用有关有关;但它也存在于但它也存在于某些正常细胞某些正常细胞中，在中，在细胞分化细胞分化与胚胎发生与胚胎发生中可能起某些作用。中可能起某些作用。反转录病毒和反转录酶的发现反转录病毒和反转录酶的发现, 提出了一个提出了一个重要的医学问题重要的医学问题病毒致癌及癌基因病毒致癌及癌基因 反转录的医学意义反转录的医学意义反转录的医学意义反转录的医学意义癌基因癌基因(oncoge
22、ne):能在体外引起细胞恶性能在体外引起细胞恶性转化转化,在体内诱发肿瘤的基因在体内诱发肿瘤的基因.细胞癌基因细胞癌基因(c-onc)或原癌基因或原癌基因(pro-onc): 存存在于生物正常细胞基因组中的癌基因在于生物正常细胞基因组中的癌基因. 正常正常情况下情况下基因处于静止或低表达的状态基因处于静止或低表达的状态. 当受当受到致癌刺激到致癌刺激被活化并发生异常被活化并发生异常时则可发生细时则可发生细胞癌变胞癌变. 病毒癌基因病毒癌基因(v-onc): 存在于致瘤病毒中的存在于致瘤病毒中的能使靶细胞发生恶性转化的基因能使靶细胞发生恶性转化的基因.用三个小写字母表示癌基因名称用三个小写字母表
23、示癌基因名称,如如myc, fos, ras, src等等抑癌基因抑癌基因: 是一类抑制细胞过度生长是一类抑制细胞过度生长,增殖增殖从而遏制肿瘤形成的基因从而遏制肿瘤形成的基因.如如Rb,P53,P16等等癌基因与抑癌基因之间一般处于动态平衡状态癌基因与抑癌基因之间一般处于动态平衡状态是一种是一种反转录病毒反转录病毒, 可引起获得性免疫缺陷可引起获得性免疫缺陷综合征综合征(AIDS,艾滋病艾滋病).反转录酶在反转录酶在基因工程基因工程,分子病的分子病的基因治疗基因治疗方面方面也有重要作用也有重要作用.人类免疫缺陷病毒人类免疫缺陷病毒(HIV)反转录的医学意义反转录的医学意义第二节第二节 DNA
24、的损伤与修复的损伤与修复一、一、DNA的损伤的损伤 生物体受某些理化和生物等外源性生物体受某些理化和生物等外源性因素或机体内环境改变的影响，引起因素或机体内环境改变的影响，引起DNA分子结构的任何异常改变称为分子结构的任何异常改变称为DNA损伤损伤(DNA damage)概念概念ONHNOCH3RPONHNOCH3RONHNOCH3RPNHNOROCH3UV引起引起DNA损伤的因素损伤的因素紫外线紫外线(常产生嘧啶二聚体常产生嘧啶二聚体) 电离辐射电离辐射(断磷酸二酯键断磷酸二酯键) 物理因素物理因素胸腺嘧啶二聚体的产生胸腺嘧啶二聚体的产生化学因素：化学因素：均能干扰复制与转录功能均能干扰复制
25、与转录功能烷化剂烷化剂：(如氮芥类如氮芥类, CTX)，使鸟嘌呤的使鸟嘌呤的 N7烷基化后脱落，成为无鸟嘌呤的位点烷基化后脱落，成为无鸟嘌呤的位点亚硝酸盐亚硝酸盐：使碱基脱氨：使碱基脱氨原原G-C配对最终变为配对最终变为A-T配对，导致配对，导致错配错配CUAIGXCOHNCCHCHNOUCONCCHCHNNH2CANNH2NNNNOHNNNIN OHNNNHH2NGN OHNNNHHOX化学因素：化学因素：均能干扰复制与转录功能均能干扰复制与转录功能烷化剂烷化剂：(如氮芥类如氮芥类, CTX)，使鸟嘌呤的使鸟嘌呤的 N7烷基化后脱落，成为无鸟嘌呤的位点烷基化后脱落，成为无鸟嘌呤的位点亚硝酸盐
26、亚硝酸盐：使碱基脱氨：使碱基脱氨原原G-C配对最终变为配对最终变为A-T配对，导致配对，导致错配错配CUAIGX丝裂霉素：丝裂霉素：与与DNA共价连接引起链交联共价连接引起链交联 目前多指目前多指病毒病毒糖苷键自行断裂；自发脱氨基作用糖苷键自行断裂；自发脱氨基作用, CU，AI。生物因素生物因素生理因素生理因素 机率极低机率极低突变突变(mutation) ：有机体基因组可遗传的有机体基因组可遗传的改变，即改变，即DNA序列的改变序列的改变. 根据引发的根据引发的原因原因，可将突变分为：，可将突变分为： 诱发突变诱发突变和和自发突变自发突变。 缺失缺失根据根据 DNA分子的改变，突变可分为分子
27、的改变，突变可分为4类类：点突变点突变颠换颠换：异型碱基间变异：异型碱基间变异, 转换转换：同型碱基间变异：同型碱基间变异,缺失或插入的碱基数不是缺失或插入的碱基数不是3的整的整倍数时，则引起倍数时，则引起移码突变移码突变插入插入倒位倒位(或易位或易位)基因突变可能出现的后果基因突变可能出现的后果 生物体致死生物体致死 生物体某些功能丧失生物体某些功能丧失 仅改变基因型，表现型不受影响仅改变基因型，表现型不受影响 改变生物物种，出现新的生物特征改变生物物种，出现新的生物特征t DNA复制过程所发生的突变复制过程所发生的突变(碱基配对碱基配对错误错误)，由核内，由核内DNA聚合酶聚合酶以其以其校
28、读功能校读功能予以纠正予以纠正.u 若碱基错配若碱基错配频频发生频频发生或或损伤范围大损伤范围大，则，则需采用需采用以下修复方式以下修复方式进行修复进行修复.二、二、DNA损伤的修复损伤的修复TT光复活酶光复活酶（可见光可见光）T + TDNA修复方式修复方式1. 光修复光修复:2.切除修复切除修复：由：由3种种酶酶共同参与完成。共同参与完成。特异性核酸内切酶特异性核酸内切酶DNA pol IDNA连接酶连接酶55335533553355335335533553355335533553355335复制复制重组重组DDDP IDNA连接酶连接酶重组修复过程重组修复过程3.重组修复重组修复：亦称：
29、亦称复制后修复复制后修复4. SOS修复修复：DNA分子受到较大范围的损分子受到较大范围的损伤，细胞对危急状态所作出的反应。伤，细胞对危急状态所作出的反应。机制机制 引起引起DNA较长期的、广泛的突变。较长期的、广泛的突变。SOS调节网诱导产生的调节网诱导产生的DNA聚合酶聚合酶特异性特异性低，识别碱基能力差低，识别碱基能力差, 使修复部位仍存在较使修复部位仍存在较多错配的碱基，但细胞能继续生存。多错配的碱基，但细胞能继续生存。后果后果第二节 RNA的生物合成& DNARNA 转录转录& RNARNA RNA复制复制两种方式两种方式存在于绝大多数生物体存在于绝大多数生物体存在于某些病毒体内存在
30、于某些病毒体内一、转一、转 录录（一）概念（一）概念 在在DNA指导的指导的RNA聚合酶聚合酶催化下，以催化下，以DNA的模板链为的模板链为模板模板，4种种NTP为为原料原料，按，按碱基配对规律碱基配对规律(T-A,A-U,G-C)合成一条合成一条与模与模板链互补的板链互补的RNA链的过程链的过程。 RNA聚合酶聚合酶常称为转录酶常称为转录酶(transcriptase)其全称为其全称为 ：DNA依赖的依赖的RNA聚合酶聚合酶(DNA-dependent RNA polymerase , DDRP) E.Coli的的DDRP 由由 5 个亚基组成个亚基组成（二）参与转录的酶和有关因子（二）参与
31、转录的酶和有关因子+因子因子2(核心酶核心酶)2(全酶全酶) 表表13-6 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶亚基组成及其功能聚合酶亚基组成及其功能 类型类型 亚基亚基/酶分子酶分子 主主 要要 功功 能能 2 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 1 参与转录的全过程参与转录的全过程 1 与模板与模板DNA结合结合 被被利福平利福平 1 识别转录起始点识别转录起始点 被被利福霉素利福霉素核心酶核心酶 ( (core enzyme)core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 真核生物真核生物DDRP的种类与功能的种类与功
32、能 种类种类 存在部位存在部位 转录产物转录产物 对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱 的敏感性的敏感性RNA聚合酶聚合酶 核仁核仁 45S rRNA 不不敏感敏感 RNA聚合酶聚合酶 核质核质 hnRNA和和snRNA 极极敏感敏感 RNA聚合酶聚合酶 核质核质 tRNA和和5S-rRNA 中度中度敏感敏感 DDRP无无3 5外切酶活性外切酶活性, 有什么结果有什么结果? RNA聚合酶的主要功能聚合酶的主要功能 能能识别并结合识别并结合于于DNA模板的模板的启动子启动子部位部位（真核生物还需要转录因子的帮助）（真核生物还需要转录因子的帮助） 解开转录起始点下游一小段解开转录起始点下游一小段(约约 17bp)
33、 DNA双螺旋，产生单链模板双螺旋，产生单链模板; 不需引物不需引物，催化形成第一个，催化形成第一个3,5-磷酸二酯磷酸二酯键，沿键，沿 53方向延伸方向延伸RNA链链 能能识别识别DNA模板上的转录模板上的转录终止信号终止信号(依赖依赖于于因子因子) 在基因表达中，参与转录水平的调控在基因表达中，参与转录水平的调控 因子因子(Rho factor)功能功能 (1)能帮助能帮助 DDRP识别终止信号并停止转录识别终止信号并停止转录 (2)具有具有ATP酶和解链酶活性，使酶和解链酶活性，使RNA-DNA杂化分子解链，从而释放转录产物杂化分子解链，从而释放转录产物RNA分子分子3. 转录的转录的D
34、NA模板模板 细胞内细胞内DNA不是其全长都可作为转录不是其全长都可作为转录模板模板 DNA双链中，可作为模板转录成双链中，可作为模板转录成 RNA 的一条链，称为模板链的一条链，称为模板链(或反意义链或反意义链) 同一同一DNA双链中与模板链相对双链中与模板链相对(互补互补)的的一条链称为编码链一条链称为编码链(或有意义链或有意义链)，可见，可见转录是不对称的转录是不对称的 模板链模板链=反意义链反意义链=负链负链 编码链编码链=有意义链有意义链=正链正链为何称模板链为反意义链为何称模板链为反意义链 ，编码链为有意义链？，编码链为有意义链？可从下图理解：可从下图理解： GCA GTA CAT
35、 GTC 3 编码链编码链3 CGT CAT GTA CAG 模板链模板链DNA转录转录 GCA GUA CAU GUC 3 mRNA翻译翻译N 丙丙 缬缬 组组 缬缬 C 肽肽 比较编码链和比较编码链和 RNA 链的碱基序列可见，除了以链的碱基序列可见，除了以代外，其余均一致。基因组序列均以编码链代外，其余均一致。基因组序列均以编码链(正链正链)表示表示.不对称转录的两方面含义不对称转录的两方面含义 ：5 3 3 5 模板链（含结构基因）模板链（含结构基因）编码链编码链 DNA 分子上的一条链可转录，另一条分子上的一条链可转录，另一条不转录不转录 模板链并非永远在同一单链上模板链并非永远在同
36、一单链上 1. 启动子（启动子（promoter）RNA 聚合酶与模板聚合酶与模板DNA结合的特定部位，是基结合的特定部位，是基因转录的开始部位。因转录的开始部位。一般可一般可分为分为 两类两类DDRP 能直接识别的启动子能直接识别的启动子需蛋白质辅助因子的帮助，需蛋白质辅助因子的帮助，DDRP 才才能识别的启动子能识别的启动子（四）启动子及终止信号（四）启动子及终止信号确保转录精确而有效地起始的确保转录精确而有效地起始的DNA 序序列列 原核生物启动子的原核生物启动子的3个功能部位个功能部位 转录起始点转录起始点, 常标以常标以+1,第第1个核苷酸个核苷酸为嘌呤核苷酸为嘌呤核苷酸(A或或G)
37、. 上游或下游上游或下游, +或或-表示表示 结合部位结合部位, 长度为长度为7bp, 位于位于-10bp处处,有一有一共有序列共有序列(-TATAAT-, Pribnow盒盒) RNA聚合酶的识别部位聚合酶的识别部位, 由约由约6bp, 位于位于-35bp, 也有也有共有序列共有序列(-TTGACA-)编码链编码链 5 3 启动子启动子5 MeGPPPRNA产物产物原核生物启动子原核生物启动子转录起始部位转录起始部位+1基因转录区基因转录区-10区区TATAAT Pribnow 盒盒结合部位结合部位TGTTGACA -35区区识别部位识别部位DNA模板链模板链 3 5 编码链编码链 5 3
38、DNA模板链模板链 3 5 CCAAT CAAT盒盒-70真核生物启动子真核生物启动子RNA产物产物转录起始部位转录起始部位+1基因基因 转录区转录区TATA TATA盒盒-25Hogness盒盒结合部位结合部位GAGCCACCCGC盒盒(少数少数)2. 终止信号终止信号(终止子终止子)DNA分子中决定分子中决定RNA聚合酶终止转录聚合酶终止转录的特定碱基序列。的特定碱基序列。原核生物终止信号碱基组成特点原核生物终止信号碱基组成特点有反向重复序列有反向重复序列决定转录产物的回折形决定转录产物的回折形成茎成茎-环环(或称发夹或称发夹)结构结构AT富集区富集区GC富集区富集区反向重复序列反向重复序
39、列AT富集区富集区GC富集区富集区一般认为由终止子一般认为由终止子引导的转录终止是引导的转录终止是不依赖不依赖因子的因子的(五五) 转录过程转录过程起始起始 延长延长 终止终止(以大肠杆菌的转录为例）以大肠杆菌的转录为例）1. 转录起始转录起始形成形成转录空泡转录空泡（DNA解链长约解链长约20bp)DDRP(亚基亚基)辨认并结合于启动子部位辨认并结合于启动子部位由由DDRP催化，催化，头头2 个个NTP直接在起始点形成直接在起始点形成 第一个第一个磷酸二酯键磷酸二酯键(不需引物，由模板指导不需引物，由模板指导), 形形成成转录起始复合物转录起始复合物亚基脱落（参与下一轮转录）亚基脱落（参与下
40、一轮转录）由核心酶由核心酶(2)催化链的延伸催化链的延伸第一个总是第一个总是GTP全酶全酶( 2 )-DNA模板模板(启动子启动子)-pppGpN-OH3 5 DNA5 3 DNA起始点起始点RNA聚合酶聚合酶 pppGpppNpppN5pppGpN转录起始时转录起始时pppGpN-OH的生成的生成CN3 5 模板链模板链CN3 5 模板链模板链进一步延长进一步延长起始起始2. 链的延长链的延长 转录起始时形成的转录起始时形成的“转录泡转录泡”仍保留仍保留 RNA链的延长由核心酶催化链的延长由核心酶催化 核心酶核心酶沿模板链沿模板链35方向移动，方向移动，RNA链链按按碱基配对规律碱基配对规律
41、沿沿53方向延伸方向延伸 新生链与模板链形成杂化双链新生链与模板链形成杂化双链(该杂化分子该杂化分子结构不稳定，结构不稳定，RNA链游离后，链游离后，DNA双链重双链重新形成新形成) 随随“转录泡转录泡”和和DDRP不断移动不断移动(单链模板不单链模板不断暴露断暴露)，转录连续不断地进行，转录连续不断地进行 要要 点点 3. 转录终止转录终止 依赖依赖 因子的终止因子的终止 不依赖于不依赖于 因子的终止因子的终止依赖依赖 因子的因子的 终止作用机理终止作用机理l 作用机理作用机理：终止信号区特殊碱基：终止信号区特殊碱基 序列决定序列决定RNA形成发夹形二级结构，形成发夹形二级结构， 这是阻止转
42、录继续向下游推进的关键；这是阻止转录继续向下游推进的关键； l RNA-DNA杂化双链不稳定因素杂化双链不稳定因素 ： DNA复性，复性，RNA自身形成双链；自身形成双链； RNA3端，连续多个不稳定的端，连续多个不稳定的rU： dA 碱基配对，使转录复合体解体碱基配对，使转录复合体解体。 不依赖不依赖因子的终止因子的终止RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU
43、. 3茎环茎环(stem-loop)/发夹发夹(hairpin)结构结构茎环结构使转录终止的机理茎环结构使转录终止的机理 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。5 pppG5 3 3 5 RNA-pol转录过程转录过程二、真核生物的转录后修饰二、真核生物的转录后修饰几种主要的修饰方式几种主要的修饰方式1. 剪接剪接(splicing)2. 剪切剪切(cleavage)3. 修饰修饰(modification)4. 添加添加(addition)一、真核生物mRNA的转录后加工（一）首、尾修饰（一）首、尾修饰
44、5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppGp ) 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)帽子结构帽子结构5 pppGp5 GpppGppppG ppi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5 m7GpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAM帽帽子子结结构构的的生生成成5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi（二）（二）mRNA内含子的剪接内含子的剪接 1. hnRNA 和和 snRNA 核内的初级核内的初级mRNA称为杂化核称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA) 核内的蛋白质核内的蛋白质小分子核糖核
45、酸蛋白体小分子核糖核酸蛋白体（剪剪接体接体, , splicesome）snRNA真核生物结构基因，由若干个编码区和非真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。 2.断裂基因断裂基因(splite gene)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区 外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron) 外显子外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现，在断裂基
46、因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 内含子内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。除去的核酸序列。 鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录、录、转转录录后后修修饰饰目目 录录鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图DNAmRNA目目 录录3. 内含子的分类内含子的分类 根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为子分为4 4类。类。 I
47、I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的核生物的 rRNA基因；基因；II II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA； IIIIII：是常见的形成套索结构后剪接，大多数是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；基因有此类内含子； IVIV：是是tRNA基因及其初级转录产物中的内基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及含子，剪接过程需酶及ATP。4. mRNA的剪接的剪接 套索剪接模式套索剪接模式(1)内含子两端的序列：内含子两端的序列：5GUAG 3 5GU可结合可结合U1-snRNA
48、 分支点分支点A可结合可结合U2-snRNA(2)U1-snRNA, U2-snRNA等形成并接体等形成并接体将内含子切除将内含子切除（三）（三）mRNA编辑编辑(mRNA editing) RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工化加工(differential RNA processing)。人类人类apo B基因基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏apo B100（分子量为分子量为500 000）肠道细胞肠道细胞apo B48（分子量为分子量为24
49、0 000）mRNA编辑编辑二、tRNA的转录后加工（一）剪接和剪切（一）剪接和剪切（二）（二）3端添加端添加CCA（三）化学修饰三）化学修饰 RNAaseP、内切酶内切酶（一）剪接和剪切（一）剪接和剪切（三）化学修饰（三）化学修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）三、rRNA的转录后加工转录转录45S - rRNA剪接剪接18S - rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S
