3从DNA到RNA

3.生物信息的传递（上）——从DNA到RNA现代分子生物学的一个基本原理：基因作为唯一能够自主复制、永久存在的遗传单位，其生物功能是以蛋白质的形式表达出来的。DNA的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RNA、翻译形成蛋白质的过程来控制生命现象。转录和翻译是基因表达的两个阶段。转录是指拷贝出一条与DNA链序列完全相同（除了T→U之外）的RNA单链的过程；翻译是指以新生的mRNA为模板，把核苷酸三联遗传密码子翻译成氨基酸序列、合成多肽链的过程。3.生物信息的传递（上）——从DNA到RNA3.1RNA转录的基本过程3.2转录机器的主要成分3.3启动子与转录起始3.4原核与真核生物mRNA的特征比较3.5终止和抗终止3.6内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰3.1RNA转录的基本过程原核、真核细胞，RNA链的合成特点：按5’→3’方向合成，以反义链为模板，在RNA聚合酶催化下，以4种三磷酸核苷（NTPs）为原料，根据碱基配对原则，各核苷酸间通过磷酸二酯键相连，不需要引物的参与，合成的RNA带有与DNA编码链相同的序列。转录的过程包括模板识别、转录起始、通过启动子、转录的延伸和终止。3.1.1模板识别RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之结合的过程。启动子是基因转录起始必需的一段DNA序列，是基因表达调控的上游顺式作用元件之一。真核RNA聚合酶不能直接识别基因的启动子区，需要转录因子按特定顺序结合于启动子上，RNA聚合酶再与之结合形成转录起始前复合物。转录泡非模板链重新形成螺旋解链模板链杂合物活性位点转录方向3.1.2转录起始RNA聚合酶结合在启动子上后，使启动子附近的DNA双链解旋并解链，形成转录泡，底物核糖核苷酸与模板DNA的碱基配对。转录起始就是RNA链上第一个核苷酸键的产生。转录起始后直到形成9个核苷酸链的RNA是通过启动子阶段。3.1.3转录延伸RNA聚合酶释放σ因子离开启动子后，核心酶沿模板链移动并使新生RNA链不断伸长的过程。3555离开终止子RNA聚合酶启动子大肠杆菌RNA聚合酶：50-90核苷酸/S3.1.4转录终止当RNA链延伸到转录终止位点时，RNA聚合酶不再形成磷酸二酯键，RNA-DNA杂合物分离，转录泡瓦解，DNA恢复成双链，RNA聚合酶和RNA链都从模板上释放。533启动子终止子553RNA3.2转录机器的主要成分3.2.1RNA聚合酶以双链DNA为模板，4种核苷三磷酸为活性前体，Mg2+/Mn2+为辅助因子，催化RNA链的起始、延伸和终止，无须引物，产物是与DNA模板链互补的RNA。每个细胞中约有7000个RNA聚合酶分子，根据细胞的生长情况，任何时候都有2000-5000个酶在执行转录功能。1)原核生物RNA聚合酶细菌中，一种RNA聚合酶几乎负责所有类型RNA的合成。转录起始过程需要全酶，延伸过程仅需要核心酶的催化。大肠杆菌RNA聚合酶β和β’亚基组成聚合酶的催化中心，β亚基能与模板DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合；α亚基可能与核心酶的组装及启动子识别有关，并参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用；σ因子的作用是负责模板链的选择和转录的起始，它是酶的别构效应物，使酶专一性识别模板上的启动子。1)原核生物RNA聚合酶某些细菌细胞内含有能识别不同启动子的σ因子，以适应不同生长发育阶段的要求，调控不同基因转录的起始。因子基因功能-35区间隔（bp）-10区σ70σ32σ54rpoDrpoHrpoN广泛热休克氮代谢TTGACATCTCNCCCTTGAACTGGNA16-1813-156TATAATCCCCATNTATTGCA大肠杆菌中的σ因子能识别并与启动子区的特异性序列相结合酶细胞内定位转录产物相对活性对α-鹅膏蕈碱的敏感程度RNA聚合酶ⅠRNA聚合酶ⅡRNA聚合酶Ⅲ核仁核质核质45SrRNAhnRNAtRNA、5SrRNA、snRNA50-70%20-40%约10%不敏感敏感存在种属特异性2)真核生物RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶由8-16个亚基组成，不同聚合酶亚基种类和大小各异，遵循2条原则：①聚合酶中有2个大亚基；②同种生物3类聚合酶有“共享”小亚基的倾向。酵母的RNA聚合酶Ⅱ12个亚基酵母的RNA聚合酶Ⅱ12个亚基3.2.2转录复合物二元闭合复合物二元开链复合物三元复合物转录起始复合物的形成3.2.2转录复合物三元复合物可以进入2条反应途径：①合成并释放2-9个核苷酸的短RNA转录物——流产式起始；②释放σ亚基，转录起始复合物通过启动子区，生成由核心酶、DNA和新生RNA组成的转录延伸复合物。3555离开3.2.2转录复合物转录延伸复合物比起始复合物更稳定，可以长时间与模板结合而不解离；遇到转录终止信号时，RNA聚合酶停止加入新核苷酸，RNA-DNA复合物解离，释放转录产物，聚合酶从模板上解离。5353RNA3.3启动子与转录起始3.3.1启动子区的基本结构3.3.2启动子区的识别3.3.3RNA聚合酶与启动子区的结合3.3.4-10区与-35区的最佳间距3.3.5增强子及其功能3.3.6真核生物启动子对转录的影响3.3.7转录的抑制3.3.1启动子区的基本结构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。转录单元是一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列，RNA聚合酶从转录起始位点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条RNA链。转录起始位点是与新生RNA链第一个核苷酸相对应DNA链上的碱基。AUACG……5’RNA3’启动子终止子转录区ATACG……TATGC……转录5’3’3’5’编码链模板链DNA-1+1转录起点上游序列下游序列3.3.1启动子区的基本结构原核生物绝大部分启动子都存在两段共同序列，位于-10bp处的TATA区（Pribnow区）和-35bp处的TTGACA区，是RNA聚合酶与启动子的结合位点，与σ因子相互识别并有很高的亲和力。真核生物也有位于-30~-25bp的TATAAA（TATA区）；-78~-70bp的CCAAT，是与原核生物-35区相对应的序列，称为CAAT区。上游元件-35区间隔区-10区间隔区转录起始位点-60-40多种调控元件CCAATTATAAAYANT(A)YY-78~-70-30~-25+13.3.2启动子区的识别RNA聚合酶并不直接识别碱基本身，而是通过氢键互补的方式加以识别。启动子区DNA结构中，A上的N6、G上的N2、C上的N4→氢键供体，A上的N7、N3，T上的O4、O2，G上的N7、O6、N3和C上的O2→氢键受体，它们分别处于DNA双螺旋的大沟或小沟内，具有特定的方位。酶分子中也有处于特定空间构象的氢键受体与供体，与启动子中对应的分子在一定距离内互补时，形成氢键，相互结合。氢键互补学说解释了启动子功能既受DNA序列影响，又受其构象影响这个事实。3.3.3RNA聚合酶与启动子区的结合RNA聚合酶+启动子区闭合双链DNA→二元闭合复合物，解链后→二元开链复合物。解链区在-9~+13，酶与启动子结合区域在其上游。RNA聚合酶既是双链DNA结合蛋白，又是单链DNA结合蛋白。3.3.4-10区与-35区的最佳间距原核生物中，-35区与-10区间的距离约16-19bp，15bp或20bp都会降低启动子的活性。可能与RNA聚合酶本身的大小和空间结构有关。细菌中常见两种启动子突变：①下降突变，Pribnow区从TATAAT变成AATAAT，降低结构基因的转录水平；②上升突变，增加Pribnow区共同序列的一致性，乳糖操纵子启动子从TATGTT变成TATATT，提高启动子的效率。3.3.5增强子及其功能增强子（强化子）：能强化转录起始的序列，可能通过影响染色质DNA-蛋白质结构或改变超螺旋的密度而改变模板的整体结构，从而使RNA聚合酶更易与模板DNA结合，起始基因转录。特点：①远距离效应；②无方向性；③顺式调节；④无物种和基因的特异性；⑤具有组织特异性；⑥有相位性；⑦有的增强子可以对外部信号产生反应。3.3.6真核生物启动子对转录的影响-35区-10区转录起始位点-70-30-20+1RNA聚合酶主要接触位点正调控因子结合区负调控因子结合区原核上游启动子元件（UPE）CAAT区TATA区YANT(A)YY-110~-80-80~-70-35~-25+1GCbox增强子真核3.3.6真核生物启动子对转录的影响TATA区的主要作用是使转录精确地起始，除去或碱基突变，获得的RNA产物起始点不固定。CAAT区和GC区主要控制转录起始频率，CAAT区的影响最大，任意碱基突变都影响靶基因的转录强度。TATA区和上游启动子元件之间插入核苷酸会使转录减弱。真核细胞中存在大量特异性或组成型表达的、与不同基因上游启动子元件相结合的转录因子。3.3.7转录的抑制RNA转录抑制剂根据作用的性质分为2类：①DNA模板功能抑制剂，通过与DNA结合而改变模板的功能；②RNA聚合酶的抑制物，与RNA聚合酶结合而抑制其活力。抑制剂靶酶抑制作用放射线素D利福霉素利迪链霉素α-鹅膏蕈碱真核RNA聚合酶Ⅰ细菌全酶细菌核心酶真核RNA聚合酶Ⅱ与DNA结合，阻止延伸与β亚基结合，抑制起始与β亚基结合，抑制起始与RNA聚合酶Ⅱ结合3.4原核与真核生物mRNA的特征比较mRNA在细胞内的功能是通过密码三联子翻译生成蛋白质；原核和真核细胞中，其生物合成过程及成熟mRNA的结构是不同的。真核mRNA以大分子量的前体形式出现在核内，经过转录后加工形成的成熟的、分子量小的、化学修饰的mRNA才能进入细胞质，参与蛋白质合成。原核生物mRNA的转录和翻译发生在同一细胞空间且同步进行。3.4.1原核生物mRNA的特征①原核生物mRNA的半衰期短mRNA的降解紧随着蛋白质翻译发生，降解的速度是转录或翻译速度的一半。3.4.1原核生物mRNA的特征②许多原核生物mRNA可能以多顺反子形式存在多顺反子mRNA是一组相邻或相互重叠的基因产物——操纵子。③原核生物mRNA的5’端无帽子结构，3’端没有或只有较短的polyA结构。乳糖操纵子3.4.1原核生物mRNA的特征原核生物起始密码子上游7-12个核苷酸处有一SD序列（Shine-Dalgarno）保守区，与16SrRNA3’端反向互补，在核糖体-mRNA的结合过程中起作用。细菌16SrRNA3’端非常保守，又高度自我互补，形成“发卡”结构，与mRNA互补的部分也参与“发卡”的形成。SDSD3.从DNA到RNA1.RNA转录的基本过程：模板识别、转录起始、延伸、终止。2.转录机器的主要成分RNA聚合酶原核：核心酶（2αββ’ω），全酶（+σ）真核：3种转录复合物：二元闭合→二元开链→三元→延伸复合物3.启动子与转录起始：启动子的基本结构原核：—-35区—-10区—+1真核：—增强子—GC区—CAAT区—TATA区—+14.原核与真核生物mRNA的特征比较3.4.2真核生物mRNA的特征真核基因为单顺反子，长度几百~几千个核苷酸。一个完整的基因，包括编码区和5’和3’端不编码氨基酸的特异性序列，这些序列在基因表达过程中起重要作用。基因的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列！5’5’mRNA3’上游非编码区下游非编码区编码区AUG终止密码子5’-UTR3’-UTR3.4.2真核生物mRNA的特征①真核生物mRNA的5’端存在“帽子”结构基因转录从嘌呤开始，5’端经过修饰，形成的第一个核苷酸要加上G，与链上其他核苷酸方向相反，像帽子倒扣在mRNA上。加G反应由腺苷酸转移酶完成。帽子结构的功能：使mRNA免遭核酸酶的破坏；有助于mRNA越过核膜，进入细胞质；翻译时易被蛋白质合成的起始因子识别。帽子结构常被甲基化。第一个甲基由G-7-甲基转移酶催化产生→零类帽子（