分子生物學(xué)第四講-生物信息的傳遞(上)-從DNA到RNA一

第四講

生物信息的傳遞（上）－從DNA到RNADNA序列是遺傳信息的貯存者，它通過(guò)自主復(fù)制得到永存，并通過(guò)轉(zhuǎn)錄生成mRNA.翻譯生成蛋白質(zhì)的過(guò)程來(lái)控制生命現(xiàn)象?；虮磉_(dá)包括轉(zhuǎn)錄(transcription)和翻譯(translation)兩個(gè)階段。轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板,在RNA聚合酶的作用下,利用4種三磷酸核苷酸合成互補(bǔ)的RNA的過(guò)程。是基因表達(dá)的核心步驟。編碼鏈（非編碼鏈）除了少數(shù)RNA病毒外,所有的RNA分子都來(lái)自DNA。生物體內(nèi)共有3種RNA：1、信使RNA(mRNA)2、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)3.核糖體RNA(rRNA)一、依賴于DNA的RNA合成（轉(zhuǎn)錄）A.轉(zhuǎn)錄中不需要RNA引物(RNA聚合酶性質(zhì))；

B.轉(zhuǎn)錄反應(yīng)一般只用一小段DNA做模板；

C.在轉(zhuǎn)錄區(qū)，一般都只有一條DNA鏈可以作為模板。D.原料:三磷酸核苷酸轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的不同點(diǎn):真核生物的基因結(jié)構(gòu)大腸桿菌乳糖操縱子LacZ（半乳糖苷酶）3510bpLacY（半乳糖苷通透酶）780bpLacA（半乳糖乙酰酶）825bp結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子（P）

TGTTGACATTTATTTGTTATAATGCAT

6~9bp4~7bp操縱基因（O）5

3

識(shí)別部位結(jié)合部位乳糖操縱子調(diào)節(jié)基因（R）1040bp

原核生物基因的結(jié)構(gòu)模板識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄延伸轉(zhuǎn)錄終止（一）轉(zhuǎn)錄的基本過(guò)程模板識(shí)別階段主要指: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(guò)程。原核生物:RNA聚合酶與啟動(dòng)子直接識(shí)別。真核生物:RNA聚合酶不能直接識(shí)別基因的啟動(dòng)子區(qū)，需要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子(輔助蛋白質(zhì))按特定順序結(jié)合于啟動(dòng)子上，RNA聚合酶才能與之相結(jié)合并形成復(fù)雜的前起始復(fù)合物。轉(zhuǎn)錄起始:RNA鏈上第一個(gè)核苷酸鍵的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)錄的延伸:RNA聚合酶離開啟動(dòng)子，沿DNA鏈移動(dòng)并使新生RNA鏈不斷伸長(zhǎng)的過(guò)程。轉(zhuǎn)錄起始后直到形成9個(gè)核苷酸短鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)啟動(dòng)子階段，此時(shí)RNA聚合酶一直處于啟動(dòng)子區(qū)，新生的RNA鏈與DNA模板鏈的結(jié)合不夠牢固，很容易從DNA鏈上掉下來(lái)并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄重新開始。一旦RNA聚合酶成功地合成9個(gè)以上核苷酸并離開啟動(dòng)子區(qū)，轉(zhuǎn)錄就進(jìn)入正常的延伸階段。轉(zhuǎn)錄的終止當(dāng)RNA鏈延伸到轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)時(shí),RNA聚合酶不再形成新的磷酸二酯鍵,RNA-DNA雜合物分離,轉(zhuǎn)錄泡瓦解,DNA恢復(fù)成雙鏈狀態(tài),而RNA聚合酶和RNA鏈都被從模板上釋放出來(lái),這就是轉(zhuǎn)錄的終止。動(dòng)畫（二）轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要成分1.RNA聚合酶以DNA序列為模板的RNA聚合酶主要以雙鏈DNA中的一條鏈為模板，以4種核苷三磷酸為原料，并以Mg2＋/Mn2＋為輔助因子，催化RNA鏈的起始、延伸和終止，它不需要任何引物，催化生成的產(chǎn)物是與DNA模板鏈互補(bǔ)的RNA。大腸桿菌RNA聚合酶大多數(shù)原核生物RNA聚合酶的組成是相同的,大腸桿菌RNA聚合酶由2個(gè)α亞基、一個(gè)β亞基、一個(gè)β’亞基和一個(gè)ω亞基組成,稱為核心酶。加上一個(gè)σ亞基后則成為聚合酶全酶(holoenzyme),相對(duì)分子質(zhì)量為4.65×l05(圖3-3)。由β和β’亞基組成了聚合酶的催化中心。β亞基能與模板DNA.新生RNA鏈及核苷酸底物相結(jié)合。α亞基與核心酶的組裝及啟動(dòng)子識(shí)別有關(guān)，并參與RNA聚合酶和部分調(diào)節(jié)因子的相互作用。σ因子的作用是負(fù)責(zé)模板鏈的選擇和轉(zhuǎn)錄的起始，它使酶專一性識(shí)別模板上的啟動(dòng)子。σ因子可以極大地提高RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子區(qū)DNA序列的親和力。真核細(xì)胞RNA聚合酶真核生物中共有3類RNA聚合酶,它們?cè)诩?xì)胞核中的位置不同,負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的基因不同。真核生物RNA聚合酶一般有8～14個(gè)亞基所組成,相對(duì)分子質(zhì)量超過(guò)5×105。不同生物3類聚合酶的亞基種類和大小存在兩條普遍遵循的原則:一是聚合酶中有兩個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量超過(guò)l×105的大亞基；二是同種生物3類聚合酶有"共享"小亞基的傾向,即有幾個(gè)小亞基是其中3類或2類聚合酶所共有的。2、轉(zhuǎn)錄復(fù)合物σ因子的作用是啟動(dòng)子的選擇和轉(zhuǎn)錄的起始,而核心酶的作用是鏈的延伸。原核生物原核生物啟動(dòng)子選擇階段包括RNA聚合酶全酶對(duì)啟動(dòng)子的識(shí)別,聚合酶與啟動(dòng)子可逆性結(jié)合形成封閉復(fù)合物。伴隨著DNA構(gòu)象上的重大變化,封閉復(fù)合物轉(zhuǎn)變成開放復(fù)合物,聚合酶全酶所結(jié)合的DNA序列中有一小段雙鏈被解開。開放復(fù)合物與最初的兩個(gè)NTP相結(jié)合并在這兩個(gè)核苷酸之間形成磷酸二酯鍵后→(RNA聚合酶、DNA和新生RNA)三元起始復(fù)合物三元起始復(fù)合物可以進(jìn)入兩條不同的反應(yīng)途徑:①是合成并釋放2～9個(gè)核苷酸的短RNA轉(zhuǎn)錄物－流產(chǎn)式起始②是盡快釋放σ亞基，轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物通過(guò)上游啟動(dòng)子區(qū)并生成由核心酶、DNA和新生RNA所組成的三元延伸復(fù)合物。轉(zhuǎn)錄延伸復(fù)合物是轉(zhuǎn)錄循環(huán)中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。與轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物相比,延伸復(fù)合物極為穩(wěn)定,可以長(zhǎng)時(shí)間地與DNA模板相結(jié)合而不解離。只有在它遇到轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)時(shí),RNA聚合酶才停止加入新的核苷酸,RNA－DNA雜合物解離,釋放轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物并導(dǎo)致聚合酶本身從模板DNA上掉下來(lái)。從化學(xué)過(guò)程來(lái)看:轉(zhuǎn)錄的起始是單個(gè)核苷酸與開鏈啟動(dòng)子－酶復(fù)合物相結(jié)合構(gòu)成新生RNA的5’端，再以磷酸二酯鍵的形式與第二個(gè)核苷酸相結(jié)合，起始的終止反映在σ因子的釋放。當(dāng)新生RNA鏈達(dá)到9個(gè)以上核苷酸時(shí)，能形成穩(wěn)定的酶－DNA－RNA三元復(fù)合物，并釋放σ因子，轉(zhuǎn)錄進(jìn)入延伸期。真核生物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的分子量很大:RNA聚合酶、7種輔助因子，輔助因子又包含多個(gè)亞基。真核生物二、啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄起始（一）啟動(dòng)子區(qū)的基本結(jié)構(gòu)啟動(dòng)子是一段位于結(jié)構(gòu)基因5‘端上游的DNA序列,能活化RNA聚合酶,使之與模板DNA準(zhǔn)確地結(jié)合并具有轉(zhuǎn)錄起始的特異性。轉(zhuǎn)錄的起始是基因表達(dá)的關(guān)鍵階段,而這一階段的重要問(wèn)題是RNA聚合酶與啟動(dòng)子的相互作用。啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)影響了它與RNA聚合酶的親和力,從而影響了基因表達(dá)的水平。轉(zhuǎn)錄單元(transcriptionunit)是一段從啟動(dòng)子開始至終止子結(jié)束的DNA序列。轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)是指與新生RNA鏈第一個(gè)核苷酸相對(duì)應(yīng)DNA鏈上的堿基，研究證實(shí)通常為一個(gè)嘌呤。常把起點(diǎn)前面，即5’末端的序列稱為上游，而把其后面即3’末端的序列稱為下游。描述堿基的位置：一般用數(shù)字表示，起點(diǎn)為+1，下游方向依次為+2.+3……，上游方向依次為-1、-2.-3……。TATA區(qū)又稱Pribnow區(qū):位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游－10bp處。TTGACA區(qū)位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游－35bp。-10位的TATA區(qū)是RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合位點(diǎn)，-35位的TTGACA區(qū)能與σ因子相互識(shí)別而具有很高的親和力。原核生物基因中的啟動(dòng)子TATA區(qū):位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游－25～－30bp處的共同序列TATAAA。CAAT區(qū):在起始位點(diǎn)上游-70～-80bp處有一段共同序列CCAAT。GC區(qū):在起始位點(diǎn)上游-80～-110bp處還有GCCACACCC或GGGCGGG序列。真核生物基因中的啟動(dòng)子TATA區(qū):使轉(zhuǎn)錄精確地起始。CAAT區(qū)和GC區(qū)又稱為上游啟動(dòng)子元件(upstreampromoterelement，UPE)或稱上游激活序列(upstreamactivatingsequence，UAS)主要控制轉(zhuǎn)錄起始頻率，基本上不參與起始位點(diǎn)的確定。盡管這3種啟動(dòng)子區(qū)序列都有著重要功能，但并不是每個(gè)基因的啟動(dòng)子區(qū)都包含這3種序列。有些基因，如組蛋白H2B，不含GC區(qū)，但有兩個(gè)CAAT區(qū)，一個(gè)TATA區(qū)。啟動(dòng)子區(qū)的識(shí)別RNA聚合酶是通過(guò)氫鍵互補(bǔ)的方式識(shí)別啟動(dòng)子的。在啟動(dòng)子區(qū)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中,腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶上的某些基團(tuán)是氫鍵供體,而4種堿基中的某些基團(tuán)是氫鍵受體。由于它們分別處于DNA雙螺旋的大溝或小溝內(nèi),因此都具有特定的方位,而酶分子中也有處于特定空間構(gòu)象的氫鍵受體與供體,當(dāng)它們與啟動(dòng)子中對(duì)應(yīng)的分子在一定距離內(nèi)互補(bǔ)時(shí),就形成氫鍵,相互結(jié)合。酶與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合在RNA聚合酶與啟動(dòng)子相互作用的過(guò)程中,聚合酶首先與啟動(dòng)子區(qū)閉合雙鏈DNA相結(jié)合,形成二元閉合復(fù)合物,然后經(jīng)過(guò)解鏈得到二元開鏈復(fù)合物。解鏈區(qū)一般在-9～+13之間,而酶與啟動(dòng)子結(jié)合的主要區(qū)域在其上游。增強(qiáng)子及其功能增強(qiáng)子的發(fā)現(xiàn)從SV40開始,在SV40的轉(zhuǎn)錄單元上發(fā)現(xiàn)它的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游約200bp處有兩段72bp長(zhǎng)的重復(fù)序列,它們不是啟動(dòng)子的一部分,但能增強(qiáng)或促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的起始,除去這兩段序列會(huì)大大降低這些基因的轉(zhuǎn)錄水平。能強(qiáng)化轉(zhuǎn)錄起始的序列為增強(qiáng)子或強(qiáng)化子(enhancer)。后來(lái)在許多基因的啟動(dòng)區(qū)中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了增強(qiáng)子的存在。三、終止子與轉(zhuǎn)錄終止一般情況下,RNA聚合酶啟始基因轉(zhuǎn)錄后,它就會(huì)沿著模板5'→3'方向不停地移動(dòng),合成RNA鏈,直到碰上終止信號(hào)時(shí)才與模板DNA相脫離并釋放新生RNA鏈。終止發(fā)生時(shí),所有參與形成RNA-DNA雜合體的氫鍵都必須被破壞,模板DNA鏈才能與有意義鏈重新組合成DNA雙鏈。轉(zhuǎn)錄終止子終止子（terminator）:位于基因的末端，由一段特定序列組成，具有終止轉(zhuǎn)錄的作用。終止子的共同順序特征是在轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)之前有一段回文序列（反向重復(fù)序列）約6-20bp。真核生物終止子:由一段特定序列5′－AATAAA－3′和回文序列（反向重復(fù)序列）組成。終止子有兩類:①?gòu)?qiáng)終止子:含有反向重復(fù)序列可以形成發(fā)卡式結(jié)構(gòu)，其后面為PolyA結(jié)構(gòu)。這樣的終止子無(wú)需要ρ因子參與即可以使轉(zhuǎn)錄終止。②弱終止子:也有反向重復(fù)序列，但無(wú)PolyA結(jié)構(gòu)，需要ρ因子參與才能使轉(zhuǎn)錄終止。不依賴于ρ因子的終止

(由基因序列決定的終止)終止位點(diǎn)上游存在富含GC堿基的二重對(duì)稱區(qū),由這段DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA形成發(fā)卡式結(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,所以轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的3’端為寡聚U,這種結(jié)構(gòu)特征決定了轉(zhuǎn)錄的終止。在新生RNA中出現(xiàn)發(fā)卡式結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致RNA聚合酶的暫停,破壞RNA-DNA雜合鏈5‘端的正常結(jié)構(gòu)。寡聚U的存在使雜合鏈的3’端部分出現(xiàn)不穩(wěn)定的rU·dA區(qū)域。兩者共同作用使RNA從三元復(fù)合物中解離出來(lái)。終止效率與二重對(duì)稱序列和寡聚U的長(zhǎng)短有關(guān),隨著發(fā)卡式結(jié)構(gòu)(至少6bp)和寡聚U序列(至少4個(gè)U)長(zhǎng)度的增加,終止效率逐步提高。2依賴于ρ因子的終止ρ因子是分子質(zhì)量為2.0xl05的六聚體蛋白,它是NTP酶,它通過(guò)催化NTP的水解促使新生RNA鏈從三元轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中解離出來(lái),從而終止轉(zhuǎn)錄。RNA合成起始以后,ρ因子即附著在新生的RNA鏈上,靠ATP水解產(chǎn)生的能量,沿著5′→3′方向朝RNA聚合酶移動(dòng),到達(dá)RNA的3′-OH端后取代了暫停在終止位點(diǎn)上的RNA聚合酶,使之從模板DNA上釋放出來(lái),同時(shí)釋放mRNA,完成轉(zhuǎn)錄過(guò)程。小結(jié):RNA聚合酶首先與啟動(dòng)子區(qū)閉合雙鏈DNA相結(jié)合，形成二元閉合復(fù)合物，然后經(jīng)過(guò)解鏈得到二元開鏈復(fù)合物（模板識(shí)別）三元起始復(fù)合物（轉(zhuǎn)錄起始）三元延伸復(fù)合物（轉(zhuǎn)錄延伸）遇到終止信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)錄終止。動(dòng)畫真核生物DNA轉(zhuǎn)錄生成的原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是核不均一RNA(hnRNA,RNA前體),