1、第三章第三章 生物信息的传递（上）生物信息的传递（上）从从DNA到到RNA本章将介绍生物信息的本章将介绍生物信息的传递的上半部分，即转录传递的上半部分，即转录从从DNA到到RNA。2022-11-111第三章第三章 生物信息的传递（上）生物信息的传递（上）v基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，其基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，其生理学功能以蛋白质形式得到表达。生理学功能以蛋白质形式得到表达。vDNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成到永存，并通过转录生成mRNA，翻译生成蛋白质，翻译生成蛋白质的过程控制所有生命
2、现象。的过程控制所有生命现象。2022-11-112第三章第三章 生物信息的传递（上）生物信息的传递（上）v转录（转录（transcription）生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程。的过程。n转录后得到的RNA要经过加工才能变成成熟的mRNAn转录产物还可以变为rRNA和tRNA。v参 与 转 录 的 物 质：n底物:4种NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)n模板:DNAn 酶 :RNA聚合酶n其他蛋白质因子2022-11-113第三章第三章 生物信息的传递（上）生物信息的传递（上）v第一节 转录的基本过程v第二节 转录机器的组成v第三节 启动子与转录起始v第四节 原
3、核与真核生物 mRNA的特征比较v第五节 终止与抗终止v第六节 mRNA的加工2022-11-114第一节 转录的基本过程v无论在原核还是真核细胞中，无论在原核还是真核细胞中，RNA链的合成都具链的合成都具有以下几个特点：有以下几个特点：nRNA按53方向合成n以DNA双链中的反义链为模板n不需要引物参与n合成的RNA有与DNA编码链相同的序列（A-U）v转录的基本过程包括：模板的识别，转录起始，转录的基本过程包括：模板的识别，转录起始，转录延伸，转录终止转录延伸，转录终止2022-11-115第一节 转录的基本过程1.模板的识别模板的识别v 模板的识别阶段主要指RNA聚合酶与启动子DNA双链
4、相互作用并与之相结合的过程。v 启动子是基因转录起始所必需的一段DNA序列，是基因表达调控的上游顺式作用元件之一。v 真核细胞中的模板识别与原核细胞有所不同，需要一些转录调控因子（辅助蛋白），RNA聚合酶才能识别启动子并形成转录前起始复合物（PIC）。2022-11-1162022-11-1172.转录起始转录起始v RNA聚合酶结合到启动子上以后，使启动子附近的DNA解旋并解链，形成转录泡以促使核糖核苷酸与模板DNA配对。v 转录起始即是RNA链上第一个核苷酸链的产生。v 无需引物。v 起始后直到形成9个核苷酸的过程是通过启动子阶段，此时RNA聚合酶一直在启动子处，之后进入正常延伸。2022
5、-11-1183.转录延伸转录延伸v 转录延伸即是RNA聚合酶释放因子离开启动子后，核心酶沿着模板DNA移动并使新生RNA链不断伸长的过程。4.转录终止转录终止v 当RNA链延伸到终止位点时，RNA将停止合成，转录泡瓦解，DNA链复原，新生RNA链和RNA聚合酶将被释放下来。这即是转录终止。第二节 转录机器的组成v转录机器即是转录复合物，其最核心成分是RNA聚合酶。2022-11-119第二节 转录机器的组成1.RNA聚合酶聚合酶vRNA聚合酶是转录过程中最关键的酶。聚合酶是转录过程中最关键的酶。v原核和真核生物的原核和真核生物的RNA聚合酶虽然都能催化聚合酶虽然都能催化RNA的合成，但在其分
6、子组成、种类和生物化学特性的合成，但在其分子组成、种类和生物化学特性上各有特色。上各有特色。2022-11-1110第二节 转录机器的组成1.RNA聚合酶聚合酶v原核生物原核生物RNA聚合酶聚合酶v 在细菌中，一种RNA聚合酶几乎负责所有mRNA、rRNA和tRNA的合成。v 大肠杆菌RNA聚合酶：n2个亚基n1个亚基n1个亚基n1个亚基2022-11-1111核心酶核心酶全酶全酶v原核生物原核生物RNA聚合酶聚合酶v 转录的其实过程需要全酶，延伸过程仅需要核心酶。转录的其实过程需要全酶，延伸过程仅需要核心酶。v 各亚基的功能：各亚基的功能：n亚基和亚基组成了聚合酶的催化中心，它们在序列上与真
7、核生物RNA聚合酶的两个大亚基同源。亚基能与模板DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合。n亚基可能与核心酶的组装及启动子的识别有关，并参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用。2022-11-1113v 各亚基的功能：各亚基的功能：n因子的作用是负责模板链的选择与转录的起始，它是酶的别构效应物，使酶专一性识别启动子。n提高酶对启动子的亲和力，酶底结合常数提高103倍n降低酶对非专一性位点的亲和力，非特异性结合常数降低104倍n某些细菌内含有能识别不同启动子的因子。2022-11-1114第二节 转录机器的组成1.RNA聚合酶聚合酶v真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶v 在真核生物中共有3类RN
8、A聚合酶。v 真核生物RNA聚合酶一般由8-16个亚基所组成，相对分子质量超过5105。2022-11-1115酶酶位置位置转录产物转录产物相对活性相对活性对对-鹅膏蕈鹅膏蕈的敏感性的敏感性RNA聚合酶核仁28s,18s,5.8s rRNAs5070%不敏感RNA聚合酶核质hnRNA,mRNA,某些SnRNAs2040%高度敏感RNA聚合酶核质tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs10%存在物种特异性 第二节 转录机器的组成1.RNA聚合酶聚合酶v 其它其它RNA聚合酶聚合酶v 除了前述两种除了前述两种RNA聚合酶，还有：聚合酶，还有：nT3和T7噬菌体RNA聚合酶。仅有一条多肽链组成，相对
9、分子质量小于1105。n线粒体RNA聚合酶。仅有一条多肽链组成，相对分子质量小于7104，与T7噬菌体RNA聚合酶有同源性。n叶绿体RNA聚合酶。结构比较大，与细菌RNA聚合酶相似，由多个亚基组成。2022-11-1116第二节 转录机器的组成2.转录复合物转录复合物v 在转录的不同阶段，RNA聚合酶将同DNA结合，形成不同的复合物：n在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭二元复合物。n接着，结合处DNA双链解开，封闭复合物变为开放二元复合物。n转录开始，由RNA聚合酶、DNA和新生RNA形成三元复合物。2022-11-1117第二节 转录机器的组成2.转录复合物转录复合物v 除RNA聚
10、合酶外，真核生物转录还需要至少7中辅助因子参与。这些蛋白辅助因子统称转录因子。v 一般情况下，三元复合物进入以下两条途径：n合成并释放2-9nt的短RNA转录物，即流产式转录。n尽快释放亚基，转录起始复合物通过启动子区域形成转录延伸复合物。2022-11-1118第三三节 启动子与转录起始1.启动子区的基本结构启动子区的基本结构v 启动子是一段位于结构基因5端上游区的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确地结合，并具有转录起始的特异性。2022-11-1119第三三节 启动子与转录起始1.启动子区的基本结构启动子区的基本结构v 原核生物中经对启动子的比较，它们有共有序列：n在上游
11、10bp处为TATAAT，又称为Pribnow盒n在上游35bp处为TTGACA。nT82T84G78A65C54A45 T80A95T45A60A50T96 2022-11-1120第三三节 启动子与转录起始1.启动子区的基本结构启动子区的基本结构v真核生物中：nTATA序列(TATA box)：位于-25-35，使转录精确地起始，TATA序列也叫核心启动元件。nCCAAT序列(CAAT box)：位于-70-80，CAAT区主要控制转录起始频率。nGCCACACCC或GGGCGGG序列（GC box）：位于-110-80，主要控制转录起始频率。v并非每个基因中都包含这3个区域。2022-1
12、1-1121第三三节 启动子与转录起始2.启动子区的识别启动子区的识别v RNA聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过氢键互补的方式加以识别。v 在启动子区DNA双螺旋结构中，存在特定方位的氢键供体和受体（碱基上的基团），能与酶分子内也处于特定空间构象的氢键受体与供体结合，从而相互识别。3.RNA聚合酶与启动子区的结合聚合酶与启动子区的结合v 在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭二元复合物。接着，结合处DNA双链解开，封闭复合物变为开放二元复合物。2022-11-1122第三三节 启动子与转录起始4.-10区与区与-35区的最佳距离区的最佳距离v 原核生物中，-10区与-35区之间的距
13、离大约是1619bp，小于15bp或大于19bp都会降低启动子的活性。v 细菌中常见的两种突变：n下降突变：如果Pribnow区从TATAAT变为AATAAT就会大大降低其结构基因的转录水平。n上升突变：即增加Pribnow区共同序列的同一性。2022-11-1123第三三节 启动子与转录起始4.-10区与区与-35区的最佳距离区的最佳距离v 原核生物中，-10区与-35区之间的距离大约是1619bp，小于15bp或大于19bp都会降低启动子的活性。v 细菌中常见的两种突变：n下降突变：如果Pribnow区从TATAAT变为AATAAT就会大大降低其结构基因的转录水平。n上升突变：即增加Pri
14、bnow区共同序列的同一性。2022-11-1124第三三节 启动子与转录起始5.增强子及其功能增强子及其功能v 增强子是长约100200bp的序列，它们与启动子不同，可以位于转录起始位点的上游，也可位于其下游。v 增强子具有增加启动子的作用，与启动子一起都可视为基因表达调控中的顺式 作用元件，可与转录 因子和 RNA聚合酶结 合，启动并调节基因 转录。2022-11-1125第三节 启动子与转录起始5.增强子及其功能增强子及其功能v 增强子的特点：增强子的特点：n远距离效应。一般位于上游-200bp处。n无方向性。可位于靶基因的上游、下游或内部。n顺式调节。只调节位于同一染色体上的靶基因。n
15、无物种和基因特异性。可连接到异源基因上发挥作用。n有组织特异性。需要特定的蛋白因子参与。n有相位性。其作用与DNA的构想有关。n有的增强子可以对外部信号产生反应。2022-11-1126第三节 启动子与转录起始6.转录的抑制转录的抑制v 转录抑制剂根据其作用性质主要可以分为两大类：转录抑制剂根据其作用性质主要可以分为两大类：nDNA模板功能抑制剂，与DNA结合而改变模板的功能。nRNA聚合酶抑制剂，与RNA聚合酶结合而抑制其活力。v除上述抑制剂外，还有一些嘌呤和嘧啶的类似物，如5-氟尿嘧啶等，可以作为核苷酸代谢拮抗物来抑制核酸前体的合成。2022-11-1127抑制剂抑制剂靶酶靶酶抑制作用抑制
16、作用利福霉素细菌的全酶与亚基结合，阻止起始链霉溶菌素细菌的核心酶与亚基结合，阻止延长放线菌素D真核RNA聚合酶与DNA结合，并阻止延长-鹅膏蕈碱真核RNA聚合酶与RNA聚合酶结合第四节 mRNA的特征1.原核生物原核生物mRNA的特征的特征v 原核生物mRNA半衰期短v 许多原核生物mRNA可能已多顺反子的形式存在v 5端无帽子结构，3端没有或只有较短的poly(A)结构v 起始密码子常为AUG，有时也为GUG，甚至UUG2022-11-1128第四节 mRNA的特征1.原核生物原核生物mRNA的特征的特征v 存在SD序列(Shine-Dalgarno sequence)。原核生物起始密码子A
17、UG上游712个核苷酸处的一段保守序列，与16S rRNA端3端反向互补，被认为在核糖体-mRNA的结合过程中起作用。2022-11-1129第四节 mRNA的特征2.真核核生物真核核生物mRNA的特征：的特征：v 单顺反子v 5端存在帽子结构。v 3端具poly(A)尾巴 （除组蛋白基因外）v 起始密码子仅为AUG2022-11-11305m7GpppNmNmAUGpolyA3非编码区长度不一编码区几百-几千核苷酸非编码区100-250核苷酸UGAUAGUAA真核生物真核生物mRNAmRNA的结构模式的结构模式2022-11-11312.真核核生物真核核生物mRNA的特征的特征v 5端加帽反
18、应在转录早期即已完成。帽子结构有三种不同甲基化形式。v 帽子的作用可能使mRNA免遭核酸酶的破坏。v 甲基化的帽子也可能是蛋白质合成起始信号的一部分。2022-11-11322.真核核生物真核核生物mRNA的特征的特征v 多聚尾巴是在转录后，由内切酶切开mRNA3端的特定部位，然后由poly A 聚合酶催化多聚腺苷酸反应。v Poly A是mRNA进入胞质必需的形式，增强稳定性。v mRNA刚进入进入胞质时，poly A尾巴较长，随时间推移将变短 直 至 消 失，随 后mRNA将降解。第五节 终止和抗终止至目前为止，尚未发现某一特定位点具有特异至目前为止，尚未发现某一特定位点具有特异的转录终止
19、功能。的转录终止功能。RNA终止时，终止时，3端核苷酸如何定位？端核苷酸如何定位？根据转录终止是否需要辅助因子，可将终止子根据转录终止是否需要辅助因子，可将终止子分为两类：分为两类：l 不依赖于因子的终止l 依赖于因子的终止2022-11-1133第五节 终止和抗终止1.不依赖于不依赖于因子的终止因子的终止v 此类终止反应中，无任何其它因子参与。此类终止反应中，无任何其它因子参与。v 模板中存在终止转录的特殊信号模板中存在终止转录的特殊信号终止子，又称内在终终止子，又称内在终止子（止子（intrinsic termation）v 每个基因或操纵子都有一个启动子和一个终止子。每个基因或操纵子都有
20、一个启动子和一个终止子。2022-11-1134第五节 终止和抗终止1.不依赖于不依赖于因子的终止因子的终止v 内在终止子的特点内在终止子的特点：n终止位点上游一般存在一段富含GC碱基的二重对称区，其转录生成的mRNA容易互补形成的发卡式结构。n终止位点上游一般有48个A组 成 的 序 列，转录生 成 的mRNA的3末端中相应的有一连串U序列。2022-11-11352022-11-11361.不依赖于不依赖于因子的终止因子的终止v 新生RNA中出现发卡结构可导致RNA聚合酶暂停，破坏RNA-DNA杂合链5端正常结构，寡聚U是杂合链3端部分出现不稳定rUdA区域。新生RNA链将解离出来。v 终
21、止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关。2022-11-11372.依赖于依赖于因子的终止因子的终止v 有些终止点的DNA序列缺乏共性，不能诱导转录的自发终止，需要因子的参与。v“穷追”模型v 大肠杆菌-依赖型终止子占所有终止子的一半左右。第五节 终止和抗终止3.抗终止抗终止2022-11-1138v由于不同生理要求，转录过程由于不同生理要求，转录过程中有时即使遇到终止信号，仍中有时即使遇到终止信号，仍需要继续转录的现象。需要继续转录的现象。第五节 终止和抗终止3.抗终止抗终止v两种类型：两种类型：n破坏终止位点RNA的茎-环结构n当介质中某一氨基酸的浓度较低时，缺乏相应氨酰-tRNA，将致使核糖体滞留在串联密码子上，mRNA不能形成特定的二级结构，末端茎-环结构被破坏，因此转录仍将继续进行，出现抗终止现象。2022-11-1139
