第三講-生物信息的傳遞(上)-轉(zhuǎn)錄

分子生物學(xué)

(MolecularBiology)陳愛群主講第三章生物信息的傳遞（上）

——從DNA到RNA

基本概念

轉(zhuǎn)錄起始：RNA聚合酶、啟動(dòng)子

轉(zhuǎn)錄的基本過程

轉(zhuǎn)錄后加工

原核生物與真核生物mRNA的特征比較

RNA合成與DNA合成異同點(diǎn)Contents一、基本概念

以DNA為模板，在依賴于DNA的RNA聚和酶催化下，以4中rNTP（ATP、CTP、GTP和UTP）為原料，合成RNA的過程。

在有些病毒中，RNA也可以指導(dǎo)合成RNA或逆轉(zhuǎn)錄成DNA轉(zhuǎn)錄RNADNA

轉(zhuǎn)錄(transcription)：參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶其他蛋白質(zhì)因子RNA合成方向：5'3'轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的第一步，也是最關(guān)鍵的一步。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。編碼鏈與模板鏈與mRNA序列相同的那條DNA鏈稱為編碼鏈(有義鏈）；將另一條根據(jù)堿基互補(bǔ)原則指導(dǎo)mRNA合成的DNA鏈稱為模板鏈（反義鏈）。模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上轉(zhuǎn)錄方向5

3

3

5

模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈轉(zhuǎn)錄方向DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因。結(jié)構(gòu)基因：一段從啟動(dòng)子開始至終止子結(jié)束的DNA序列，RNA聚合酶從轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)開始沿著模板前進(jìn)，直到終止子為止，轉(zhuǎn)錄出一條RNA鏈。原核生物的轉(zhuǎn)錄單位多為多順反子，真核生物的轉(zhuǎn)錄單位為單順反子。轉(zhuǎn)錄單元（transcriptionunit）

基本概念

轉(zhuǎn)錄起始：RNA聚合酶、啟動(dòng)子

轉(zhuǎn)錄的基本過程

轉(zhuǎn)錄后加工

原核生物與真核生物mRNA的特征比較

RNA合成與DNA合成異同點(diǎn)Contents

相關(guān)概念:＊操縱元(operon):是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的一個(gè)完整單元，其中包括結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因、操縱子和啟動(dòng)子ipozyaNolacmRNAAbsenceoflactoseActiveipozya

-GalactosidasePermeaseTransacetylasePresenceoflactose

Inactive結(jié)構(gòu)基因：一般指編碼蛋白質(zhì)的基因。廣義上也包括編碼RNA的基因。能將攜帶的遺傳信息轉(zhuǎn)錄給mRNA,再以mRNA為模板合成具有特定氨基酸序列的蛋白質(zhì)。調(diào)節(jié)基因：控制結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因。如編碼激活蛋白或阻遏蛋白的基因。能使結(jié)構(gòu)基因需要某種酶時(shí)就合成某種酶,不需要時(shí),則停止合成，它對(duì)不同染色體上的結(jié)構(gòu)基因有調(diào)節(jié)作用。操縱基因：與一個(gè)或者一組結(jié)構(gòu)基因相鄰近，并且能夠與一些特異的阻遏蛋白或激活蛋白相互作用，從而控制鄰近的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因。操作基因與一系列受它操縱的結(jié)構(gòu)基因合起來就形成一個(gè)操縱子。二、參與轉(zhuǎn)錄起始的關(guān)鍵酶與元件（一）RNAσ聚合酶●原核生物RNA聚合酶（大腸桿菌為例）全酶=核心酶+σ(sigma)因子大腸桿菌RNA聚合酶的組成分析亞基基因相對(duì)分子量亞基數(shù)組分功能αrpoA365002核心酶核心酶組裝，啟動(dòng)子識(shí)別βrpoB1510001核心酶β和β'共同形成RNA合成的活性中心β'rpoC1550001核心酶ω？110001核心酶？σrpoD700001σ因子存在多種σ因子，用于識(shí)別不同的啟動(dòng)子σ因子:負(fù)責(zé)模板鏈的選擇和轉(zhuǎn)錄的起始，使酶專一性的識(shí)別模板上的啟動(dòng)子(1)全酶（HoloEnzyme）

?用于轉(zhuǎn)錄的起始?依靠空間結(jié)構(gòu)與DNA模板結(jié)合(σ與核心酶結(jié)合后引起的構(gòu)象變化)

?專一性地與DNA序列(啟動(dòng)子)結(jié)合

?結(jié)合常數(shù)：1014／mol

?半衰期：數(shù)小時(shí)（107／mol1秒以下）

?轉(zhuǎn)錄效率低，速度緩慢（σ的結(jié)合

）（2）核心酶（CoreEnzyme）?作用于轉(zhuǎn)錄的延伸過程（終止）?依靠靜電引力與DNA模板結(jié)合（蛋白質(zhì)中堿性基團(tuán)與DNA的磷酸根之間）?非專一性的結(jié)合（與DNA的序列無關(guān)）?結(jié)合常數(shù)：1011／mol?半衰期：60秒此外，新發(fā)現(xiàn)的一種ω亞基的功能尚不清楚。2、各亞基的特點(diǎn)和功能（1）σ因子?σ因子可重復(fù)使用

?修飾RNApol構(gòu)型

?使HoloEnzyme識(shí)別啟動(dòng)子的SextamaBox(－35區(qū)),并通過σ與模板鏈結(jié)合2α＋βα2ββ’＋σ

α

2β

＋β’α2ββ’σ（3）全酶的組裝過程?不同的σ因子識(shí)別不同的啟動(dòng)子E.coli中有五種σ因子（σ70、σ32、σ54、σ28、σ24

）枯草桿菌中有11種σ因子（σ因子的更替對(duì)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控）（2）α因子?核心酶的組建因子

?促使RNApol與DNA模板鏈結(jié)合α＋α2α＋β

α2β＋β’?前端α因子－－使模板DNA雙鏈解鏈為單鏈?尾端α因子－－使解鏈的單鏈DNA重新聚合為雙鏈（3）β因子?促進(jìn)RNApol＋NTPRNAelongation?完成NTP之間的磷酸酯鍵的連接?Editing功能（排斥與模板鏈不互補(bǔ)的堿基）?與Rho（ρ）因子競爭RNA3’－end

Esite（elongationsite.RifR）:對(duì)NTP非專一性地結(jié)合（催化作用和Editing功能）（4）β’因子?參與RNA非模板鏈（sensestrand）的結(jié)合（充當(dāng)SSB）?構(gòu)成Holoenzyme后，β因子含有兩個(gè)位點(diǎn)Isite（initiationsite.Rifs）:該位點(diǎn)專一性地結(jié)合ATP或者GTP（需要高濃度的ATP或GTP）由于各亞基的功能，使全酶本身含有五個(gè)功能位點(diǎn)有義DNA鏈結(jié)合位點(diǎn)（β’亞基提供）DNA/RNA雜交鏈結(jié)合位點(diǎn)（β亞基提供）雙鏈DNA解鏈位點(diǎn)（前端α亞基提供）單鏈DNA重旋位點(diǎn)（后端α亞基提供）

σ因子作用位點(diǎn)E.coliRNApolymerase用于起始和延伸只用于起始36.5KD36.5KD151KD155KD11KD70KD酶位置轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物相對(duì)活性對(duì)α-鵝膏蕈堿的敏感性RNA聚合酶Ⅰ核仁rRNA50-70%不敏感RNA聚合酶Ⅱ核質(zhì)hnRNA20-40%敏感RNA聚合酶Ⅲ核質(zhì)tRNAsnRNA5srRNA約10%存在物種特異性真核細(xì)胞的三種RNA聚合酶特征比較真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶與DNA聚合酶的區(qū)別RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大，4.8×105dol小，1.09×105dol引物無有產(chǎn)物較短，游離較長，與模板以氫鍵相連作用方式一條鏈的某一段兩條鏈同時(shí)進(jìn)行外切酶活性無5’3’，3’5’校對(duì)合成能力無有修復(fù)能力無有催化過程都需要Mg2+或Mn2+（二）啟動(dòng)子(promoter)啟動(dòng)子定義：指能被RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。●原核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)Pribnow41-44bp

TTGACA區(qū)：提供了RNA聚合酶全酶識(shí)別的信號(hào)TATA區(qū)：酶的緊密結(jié)合位點(diǎn)（富含AT堿基，利于雙鏈打開）轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)與新生RNA鏈第一個(gè)核甘酸相對(duì)應(yīng)DNA鏈上的堿基。

RNA聚合酶的進(jìn)入位點(diǎn)（1）Sextama框（SextamaBox）§-35序列，RNA聚合酶的松弛（初始）結(jié)合位點(diǎn)，§RNA聚合酶依靠其σ亞基識(shí)別該位點(diǎn)

—識(shí)別位點(diǎn)（R位點(diǎn)）§大多數(shù)啟動(dòng)子中共有序列為T82T84G78A65C54A45§重要性:很大程度上決定了啟動(dòng)子的強(qiáng)度（RNApol的σ因子）§

位置在不同啟動(dòng)子中略有變動(dòng)（2）Pribonow框（PribonowBox）§-10序列，RNA聚合酶的牢固結(jié)合位點(diǎn)

結(jié)合位點(diǎn)（B位點(diǎn)）§一致序列：T80A95T45A60A50T96（TATPUAT）§位置范圍－4到－13因此又稱TATABox保守T

啟動(dòng)子各位點(diǎn)與轉(zhuǎn)錄效率的關(guān)系（1）－35序列與－10序列與轉(zhuǎn)錄效率的關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)子－35TTGACA－10TATAAT則不同的啟動(dòng)子a.與標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)子序列同源性越高→啟動(dòng)強(qiáng)度越大b.與標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)子同源性越低→啟動(dòng)強(qiáng)度越小c.與標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)子差異很大時(shí)→由另一種σ因子啟動(dòng)原因:?－35序列通過被σ因子識(shí)別的容易→決定啟動(dòng)子強(qiáng)度?－10序列影響開放型啟動(dòng)子復(fù)合物形成的速度→決定啟動(dòng)子強(qiáng)度大腸桿菌RNA聚合酶全酶所識(shí)別的啟動(dòng)子區(qū)（2）－35序列與－10序列的間隔區(qū)與轉(zhuǎn)錄效率的關(guān)系◆堿基序列并不重要◆間距非常重要，17bp的間距轉(zhuǎn)錄效率最高◆間距上的突變種類：間距趨向于17bp→上升突變間距遠(yuǎn)離17bp→下降突變?啟動(dòng)子上升突變、啟動(dòng)子下降突變（3）起始位點(diǎn)（initiationsite）：＋1位點(diǎn)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)

起始NTP多為ATP或GTP（嘌呤）

典型啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)

-35-10轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)TTGACA16-19bpTATAAT5-9bp●真核生物啟動(dòng)子真核有三種不同的啟動(dòng)子和有關(guān)的元件啟動(dòng)子Ⅱ最為復(fù)雜，它和原核的啟動(dòng)子有很多不同真核生物啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)核心啟動(dòng)子（corepromoter）上游啟動(dòng)子元件（upstreampromoterelement，UPE）1、核心啟動(dòng)子●定義：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(diǎn)及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游TATA區(qū)●作用：選擇正確的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，保證精確起始TATA常在-25bp左右，相當(dāng)于原核的-10序列T85A97T93A85A63A83A502、上游啟動(dòng)子元件●包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等●作用：控制轉(zhuǎn)錄起始頻率。CAAT：-70--80bpGGGCGG：-80--110bpSV40早期啟動(dòng)子組蛋白H2B

TATACAATGC增強(qiáng)子：增強(qiáng)基因啟動(dòng)子工作效率的順式作用序列，能夠在相對(duì)于啟動(dòng)子的任何方向和任何位置(上游或下游)上都發(fā)揮作用。

增強(qiáng)子是通過啟動(dòng)子來增加轉(zhuǎn)錄的。有效的增強(qiáng)子可以位于基因的5’端，也可位于基因的3’端，有的還可位于基因的內(nèi)含子中。

增強(qiáng)子的效應(yīng)很明顯，一般能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加10～200倍，有的甚至可以高達(dá)上千倍。3、增強(qiáng)子增強(qiáng)子特點(diǎn)增強(qiáng)子提高基因轉(zhuǎn)錄效率，可以遠(yuǎn)距離起作用，增強(qiáng)子的作用與其序列的正反方向無關(guān)，將增強(qiáng)子方向倒置依然能起作用。而將啟動(dòng)子倒置就不能起作用。順式調(diào)節(jié)，只調(diào)節(jié)統(tǒng)一染色體上的靶基因無物種和基因的特異性具有組織特異性有相位性作用與DNA構(gòu)象有關(guān)有的增強(qiáng)子對(duì)外界環(huán)境產(chǎn)生反應(yīng)（誘導(dǎo)性）

小結(jié)：

★不同啟動(dòng)子中每種元件與轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的距離不同

★不同啟動(dòng)子中的相應(yīng)元件互相交換,形成的雜交（融合）啟動(dòng)子功能沒有變化

★

各種元件將相應(yīng)的蛋白因子結(jié)合到啟動(dòng)子上，組起始復(fù)合物，蛋白因子間的相互作用決定了轉(zhuǎn)錄的起始（三）轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物

原核生物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物

轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄復(fù)合體TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIF

PolIITFIIERNApolⅡ的轉(zhuǎn)錄起始●真核生物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物

基本概念

轉(zhuǎn)錄起始：RNA聚合酶、啟動(dòng)子

轉(zhuǎn)錄的基本過程

轉(zhuǎn)錄后加工

原核生物與真核生物mRNA的特征比較RNA合成與DNA合成異同點(diǎn)Contents三、轉(zhuǎn)錄的基本過程1、起始位點(diǎn)的識(shí)別：RNA聚合酶與啟動(dòng)子DNA雙鏈相互作用并與之相結(jié)合的過程。a.全酶與啟動(dòng)子結(jié)合的封閉型啟動(dòng)子復(fù)合物的形成（R位點(diǎn)被σ因子發(fā)現(xiàn)并結(jié)合）b、開放型啟動(dòng)子復(fù)合物的形成

§RNApol的一個(gè)適合位點(diǎn)到達(dá)－10序列區(qū)域，誘導(dǎo)富含A·T的Pribnow框的“熔解”，形成12－17bp的泡狀物，同時(shí)酶分子向－10序列轉(zhuǎn)移并與之牢固結(jié)合§開放型啟動(dòng)子復(fù)合物使RNApol聚合酶定向§兩種復(fù)合物均為二元復(fù)合物（全酶和DNA）轉(zhuǎn)錄的起始過程σ核心酶12～17bpc.在開放型的啟動(dòng)子復(fù)合物中，RNApol的I位點(diǎn)和E位點(diǎn)的核苷酸前體間形成第一個(gè)磷酸二酯鍵（β亞基）

三元復(fù)合物形成+1位多為CAT模式,位于離開保守T6~9個(gè)核苷酸處---6-9bp---GCTATTGACATATAAT-----16-18bp-------+1-35sequence-10sequence（4）σ因子解離

→核心酶與DNA的親和力下降起始過程結(jié)束→核心酶移動(dòng)進(jìn)入延伸過程（β亞基）3、RNA鏈的延伸●

亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移；●在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。核心酶

····DNA

····RNA4、轉(zhuǎn)錄終止終止子（terminator，t）

●強(qiáng)終止子－內(nèi)部終止子

●弱終止子－需要ρ因子（rhofactor）又稱為ρ依賴性終止子（Rho-dependentterminator）不依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止不依賴

因子的終止終止位點(diǎn)上游一般存在一個(gè)富含GC堿基的二重對(duì)稱區(qū)，RNA形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；在終止位點(diǎn)前面有一段由4-8個(gè)A組成的序列，RNA的3’端為寡聚U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)，長度效率依賴

因子的終止

因子：六聚體蛋白、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。轉(zhuǎn)錄的基本過程

基本概念

轉(zhuǎn)錄起始：RNA聚合酶、啟動(dòng)子

轉(zhuǎn)錄的基本過程

轉(zhuǎn)錄后加工

原核生物與真核生物mRNA的特征比較

RNA合成與DNA合成異同點(diǎn)Contents四、轉(zhuǎn)錄后加工5’端加帽3’端加尾RNA的剪接RNA的編輯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）。1、在5’端加帽m7Gppp鳥甘酸轉(zhuǎn)移酶帽子結(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。2、3’端加尾多聚腺苷酸尾巴AAUAAA：★準(zhǔn)確切割★加poly（A）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。3、RNA的剪接地中海貧血病人的珠蛋白基因，1/4生物體內(nèi)內(nèi)含子的主要類型：

GU-AG、AU-AC、Ⅰ類內(nèi)含子、Ⅱ類內(nèi)含子

5’..AAGUAAGU…….CURAY..(10-40)…(U/C)11NCAGG….3’IntronexonexonPolyprimidineCAG=UAG>AAG>GAG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）①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5Ⅰ類內(nèi)含子的自我剪接Ⅱ類內(nèi)含子的自我剪接4、RNA的編輯編輯（editing）是指轉(zhuǎn)錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基的突變、加入或丟失等現(xiàn)象。C變?yōu)閁堿基的突變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。RNA編輯的意義錐蟲coxII

基因的編輯RNA的再編碼硒代半胱氨酸吡咯賴氨酸RNA的化學(xué)修飾核酶（ribozyme）核酶：具有催化活性的RNA,即化學(xué)本質(zhì)是核糖核酸(RNA),卻具有酶的催化功能。打破了酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念。

大多數(shù)核酶通過催化轉(zhuǎn)磷酸酯和磷酸二酯鍵水解反應(yīng)參與RNA自身剪切、加工過程。

剪切型核酶剪接型核酶：III類內(nèi)含子

基本概念

轉(zhuǎn)錄起始：RNA聚合酶、啟動(dòng)子

轉(zhuǎn)錄的基本過程

轉(zhuǎn)錄后加工

原核生物與真核生物mRNA的特征比較

RNA合成與DNA合成異同點(diǎn)Contents五、原核生物與真核生物mRNA的特征比較

1、原核生物mRNA的特征

半衰期短

多以多順反子的形式存在多順反子mRNA：編碼多個(gè)蛋白質(zhì)的mRNA。單順反子mRNA：只編碼一個(gè)蛋白質(zhì)的mRNA。結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透過酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA●5’

端無“帽子”結(jié)構(gòu)，3’

端沒有或只有較短的poly（A）結(jié)構(gòu)。SD序列：mRNA中用于結(jié)合原核生物核糖體的序列。2、真核生物mRNA的特征●5’端存在“帽子”結(jié)構(gòu)●

多數(shù)mRNA

3’端具有poly（A）尾巴（組蛋白除外）●以單順反子的形式存在“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。原核生物和真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的比較

基本概念

轉(zhuǎn)錄起始：RNA聚合酶、啟動(dòng)子

轉(zhuǎn)錄的基本過程

轉(zhuǎn)錄后加工

原核生物與真核生物mRNA的特征比較

RNA合成與DNA合成異同點(diǎn)Contents六、RNA合成與DNA合成異同點(diǎn)

相同點(diǎn)：1、都以DNA鏈作為模板2、合成的方向均為5’→3’3、聚合反應(yīng)均是通過核苷酸之間形成的3’,5’-磷酸二酯鍵，使核苷酸鏈延長。不同點(diǎn)：復(fù)制轉(zhuǎn)錄模板兩條鏈均復(fù)制模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄）原料dNTPNTP酶DNA聚合酶RNA聚合酶產(chǎn)物子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）mRNA，tRNA，rRNA配對(duì)A-T；G-CA-U；T-A；G-C引物RNA引物無中國科學(xué)院2001年碩士研究生入學(xué)考試：名詞解釋：Transcription;Reversetranscription1、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

2.轉(zhuǎn)錄需要的原料是:dNTPB.dNDPC.dNMPD.NTPE.NMPD3、