03生物信息的传递(上)

3生物信息的传递（上）3.1RNA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原核生物与真核生物mRNA的特征比较3.5终止与抗终止3.6内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰基因表达包括转录（transcription）和翻译（translation）两个阶段。转录是以DNA为模板，在依赖DNA的RNA聚合酶的催化下，以4种NTP（ATP、CTP、GTP和UTP）为原料，合成RNA的过程。mRNA：编码特定蛋白质序列tRNA：能特异性解读mRNA中的遗传信息并将其转化成相应氨基酸后加入多肽链中rRNA：直接参与核糖体中蛋白质合成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，是基因表达的最终目的。DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制参与转录的物质：原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶其他蛋白质因子RNA合成方向：5'3'转录的不对称性：在RNA的合成中，DNA的两条链中仅有一条链可作为转录的模板。编码链（有义链）：与mRNA序列相同的那条DNA链模板链（反义链）：根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链GCAGTACATGTC…………5533′′′′DNACGTCATGTACAG编码链模板链GCAGUACAUGUCmRNA转录模板链并非永远在同一条单链上转录方向5335模板链编码链编码链模板链转录方向DNA模板与mRNA分子及多肽链之间存在共线性关系转录单元（transcriptionunit）：一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。3.1转录的基本过程转录的基本过程包括：模板识别，转录起始，转录延伸，转录终止1.模板的识别模板识别阶段主要指RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。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）。2.转录起始转录起始就是RNA链上第一个核苷酸键的产生。RNA聚合酶结合到启动子上后，使启动子附近的DNA解旋并解链，形成转录泡。为RNA合成提供单链模板，并按碱基配对原则，结合核苷酸，在核苷酸之间形成磷酸二酯键。起始后直到形成9个核苷酸短链，是通过启动子阶段，此时RNA聚合酶一直在启动子处，新生的RNA链与DNA模板链的结合不够牢固，很容易从DNA链上掉下来并导致转录重新开始。一旦RNA聚合酶成功地合成9个以上核苷酸并离开启动子区，转录就进入正常的延伸阶段。之后RNA聚合酶释放σ因子，进入正常延伸。通过启动子的时间代表一个启动子的强弱。一般说来，通过启动子的时间越短，该基因转录起始的频率也越高。转录起始示意图3.转录延伸RNA聚合酶释放σ因子，核心酶沿着模板DNA移动并使新生RNA链不断伸长的过程。37℃时，转录生成mRNA的速度大约是每分钟2500个核苷酸，即每秒钟合成14个密码子，而蛋白质合成的速度大约是每秒钟15个氨基酸。正常情况下，从一个基因开始表达到细胞中出现其mRNA的间隔约为2.5分钟，而再过半分钟就能在细胞内测到相应的蛋白质。4.转录终止当RNA链延伸到终止位点时，RNA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。转录过程示意图2.2转录机器的组成转录机器即是转录复合物，其最核心成分是RNA聚合酶。RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶，主要以双链DNA为模板，以4种核苷三磷酸作为活性前体，并以Mg2+/Mn2+为辅助因子，催化RNA链的起始、延伸和终止，它不需要任何引物，催化生成的产物是与DNA模板链互补的RNA。1.原核生物RNA聚合酶在细菌中，一种RNA聚合酶几乎负责所有mRNA、rRNA和tRNA的合成。大肠杆菌RNA聚合酶：2个α亚基1个β亚基1个β’亚基1个ω亚基1个σ亚基核心酶全酶转录的起始需要全酶，延伸仅需要核心酶亚基基因相对分子量亚基数功能αrpoA365002核心酶组装，参与启动子识别βrpoB1510001β和β'共同形成RNA合成的活性中心β'rpoC1550001ω？110001？σrpoD700001存在多种σ因子，用于识别不同的启动子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。T4噬菌体感染大肠杆菌后对α亚基的一个精氨酸残基进行ADP糖基化修饰，造成RNA聚合酶全酶对启动子亲和力降低。由β和β’亚基组成了聚合酶的催化中心，它们在序列上与真核生物RNA聚合酶的两个大亚基有同源性。β亚基与DNA模板、新生RNA链及核苷酸底物相结合。β’亚基结合相应的DNA编码链。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。如环境温度升高时，大肠杆菌会开启rpoH基因的表达，其产物32能识别热激基因的启动子，而正常状态下表达的基因会关闭或表达水平下降。大肠杆菌中的σ因子及其特性2.真核生物RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶一般有8-14个亚基所组成有两个相对分子质量超过1×105的大亚基；同种生物3类聚合酶有“共享”小亚基的倾向，即有几个小亚基是其中3类或2类聚合酶所共有的。目前尚不能完成RNA聚合酶的体外重建，无法确定哪些亚基是活性所必需的。酶位置转录产物相对活性对α-鹅膏蕈的敏感性RNA聚合酶Ⅰ核仁28s,18s,5.8srRNAs50～70%不敏感RNA聚合酶Ⅱ核质hnRNA,mRNA,某些SnRNAs20～40%高度敏感RNA聚合酶Ⅲ核质tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs～10%存在物种特异性除了上述三种RNA聚合酶，还有：T3和T7噬菌体RNA聚合酶。仅有一条多肽链组成，相对分子质量小于1×105。线粒体RNA聚合酶。仅有一条多肽链组成，相对分子质量小于7×104，与T7噬菌体RNA聚合酶有同源性。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。RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别：RNA聚合酶DNA聚合酶大小大，4.8×105da小，1.09×105da引物不需要需要产物较短，游离较长，与模板以氢键相连作用方式一条链的某一段两条链同时进行外切酶活性无5’3’，3’5’校对合成能力无有修复能力无有3.转录复合物在转录的不同阶段，RNA聚合酶与DNA结合，形成不同的复合物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。然后，结合处DNA双链解开，封闭复合物变为开放二元复合物。转录开始，由RNA聚合酶、DNA和新生RNA形成三元复合物。一般情况下，三元复合物进入以下两条途径合成并释放2-9nt的短RNA转录物，即流产式转录。尽快释放σ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。除RNA聚合酶外，真核生物转录还需要至少7种辅助因子参与。这些蛋白辅助因子统称转录因子。真核生物RNA聚合酶II所形成的转录起始复合物真核生物转录起始复合物3.3启动子与转录起始启动子：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。转录起始位点：DNA链上与新生RNA链第一个核甘酸相对应的碱基。记为＋1，其上游记为负值，下游记为正值多数情况下为嘌呤，常见的序列为CAT，A为转录起始位点1.启动子的基本结构原核生物启动子：Pribnow盒（-10区）：TATAAT，位于上游10bp处，RNA聚合酶的结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）Sexfama盒（-35区）：TTGACA，位于上游35bp处，RNA聚合酶的识别位点，决定转录启动的强弱---T85T83G81A61C69A52---T89A89T50A65A100T96----10区与-35区之间的距离：16～19bp，小于15bp或大于20bp都会降低启动子的活性。适宜的距离可以为RNA聚合酶提供合适的空间结构，便于转录的起始。寒冬里的两只刺猬细菌中常见的两种突变：1）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2）上升突变：即增加Pribnow区共同序列的同一性。例如乳糖操纵子的TATGTT变为TATATT启动子研究方法：DNA酶法突变法真核生物启动子：真核有三种不同的启动子和有关的元件RNA聚合酶Ⅱ启动子:TATA区(TATAbox)或Hogness区：TATAAA，位于-25～-35，核心启动元件，使转录精确地起始，T85A97T93A85A63A83CAAT区(CAATbox)：CCAAT，位于-70～-80，上游启动子元件，控制转录起始频率GC区(GCbox)：GGGCGG,位于-80～-110，上游启动子元件，控制转录起始频率绝大多数基因启动子中都包含这3个区域，少数例外：RNA聚合酶I启动子:比较单一，由转录起始位点附近的两部分序列构成。核心启动子（corepromoter）：由-45～+20位核苷酸组成，单独存在时就足以起始转录。上游调控元件：由-170～-107位序列组成，能有效地增强转录效率。RNA聚合酶III启动子:5SrRNA和tRNA基因的启动子位于转录起始点的下游，称为内部启动子（internalpromoter）。snRNA基因的启动子位于转录起始点的上游，和其他基因的启动子比较相似。2.启动子的识别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。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聚合酶与启动子的结合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。4.增强子及其功能增强子：强化转录起始的序列，长约100～200bp，核心序列为AAAGGTGTGGGTTTGG，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。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。增强子的特点：远距离效应。一般位于上游-200bp处。无方向性。可位于靶基因的上游、下游或内部。顺式调节。只调节位于同一染色体上的靶基因。无物种和基因特异性。可连接到异源基因上发挥作用。有组织特异性。需要特定的蛋白因子参与。有相位性。其作用与DNA的构象有关。有的增强子可以对外部信号产生反应。5.转录的抑制转录抑制剂根据其作用性质主要可以分为两大类：DNA模板功能抑制剂，与DNA结合而改变模板的功能。RNA聚合酶抑制剂，与RNA聚合酶结合而抑制其活力。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。抑制剂靶酶抑制作用利福霉素细菌的全酶与β亚基结合，阻止起始链霉溶菌素细菌的核心酶与β亚基结合，阻止延长放线菌素D真核RNA聚合酶Ⅰ与DNA结合，并阻止延长α-鹅膏蕈碱真核RNA聚合酶Ⅱ与RNA聚合酶Ⅱ结合转录全过程3.4mRNA的特征1.原核生物mRNA的特征半衰期短原核生物中，mRNA的转录和翻译是在同一个细胞空间里同步进行的，蛋白质合成往往在mRNA刚开始转录时就被引发了。大多数细菌mRNA在转录开始1分钟后就开始降解。原核生物常以AUG（有时GUG，甚至UUG）作为起始密码子，而真核生物几乎永远以AUG作为起始密码子。大多数以多顺反子的形式存在单顺反子mRNA：只编码一个蛋白质的mRNA。多顺反子mRNA：编码多个蛋白质的mRNA。5’端无帽子结构，3’端没有或只有较短的poly(A)结构SD序列(Shine-Dalgarnosequence)：原核生物起始密码子AUG上游7～12个核苷酸处的一段保守序列，与16SrRNA3′端反向互补，在核糖体-mRNA的结合过程中起作用。2.真核生物mRNA的特征：以单顺反子形式存在5′端存在