分子生物学基本含义

分子生物学 分子生物学的基本含义 (p8) 分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要 性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘， 由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。 分子生物学与其它学科的关系 分子生物学是由生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞学、以至信 息科学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的，凝聚了不同学科专 长的科学家的共同努力。它虽产生于上述各个学科，但已形成它独特的理论体 系和研究手段，成为一个独立的学科。 生物化学与分子生物学关系最为密切 : 生物化学是从化学角度研究生命现象的科学，它着重研究生物体内各种生物分 子的结构、转变与新陈代谢。传统生物化学的中心内容是代谢，包括糖、脂类、 氨基酸、核苷酸、以及能量代谢等与生理功能的联系。 分子生物学则着重阐明生命的本质-主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结 构与功能、生命信息的传递和调控。 细胞生物学与分子生物学关系也十分密切: 传统的细胞生物学主要研究细胞和亚细胞器的形态、结构与功能。探讨组成细 胞的分子结构比单纯观察大体结构能更加深入认识细胞的结构与功能，因此现 代细胞生物学的发展越来越多地应用分子生物学的理论和方法。 分子生物学则是从研究各个生物大分子的结构入手，但各个分子不能孤立发挥 作用，生命绝非组成成分的随意加和或混合，分子生物学还需要进一步研究各 生物分子间的高层次组织和相互作用，尤其是细胞整体反应的分子机理，这在 某种程度上是向细胞生物学的靠拢。 第一章序论 1859 年发表了物种起源，用事实证明“物竞天择，适者生存”的进化论思 想。 指出：物种的变异是由于大自然的环境和生物群体的生存竞争造成的，彻底否 定了“创世说”。达尔文第一个认识到生物世界的不连续性。 意义：达尔文关于生物进化的学说及其唯物主义的物种起源理论，是生物科学 史上最伟大的创举之一，具有不可磨灭的贡献。 细胞学说 细胞学说的建立及其意义 德国植物学家施莱登和德国动物学家施旺共同提出：一切植物、动物都是由细 胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。 经典遗传学 两条基本规律: 统一律：当两种不同植物杂交时，它们的下一代可能与亲本之一完全相同； 分离规律：将不同植物品种杂交后的 F1 代种子再进行杂交或自交时，下一代就 会按照一定的比例分离，因而具有不同的形式。 1865 年发表植物杂交试验，直到 1900 年才被人们重新发现。孟德尔被公 认为经典遗传学的奠基人。 现代遗传学 Morgan 及其助手第一次将代表某一特性的基因同染色体联系起来，使科学界普 遍认识了染色体的重要性并接受了孟德尔的遗传学原理。 Morgan 特别指出：种质必须由某些独立的要素组成，我们把这些要素称为遗传 因子或基因。 第二节 分子生物学发展简史 准备和酝酿阶段（19 世纪后期到 20 世纪 50 年代初） 对生命本质的认识上的两点重大突破： 1确定了蛋白质是生命的主要基础物质 2确定了生物遗传的物质基础是 DNA 现代分子生物学的建立和发展阶段（20 世纪 50 年代初到 70 年代初） 这一阶段以 1953 年 Watson 和 Crick 提出的 DNA 双螺旋结构模型作为现代分子 生物学诞生的里程碑开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时代。在此 期间的主要进展包括： 遗传信息传递中心法则的建立 对蛋白质结构与功能的进一步认识 DNA 双螺旋发现的意义： 确立了核酸作为信息分子的结构基础； 提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式； 从而最后确定了核酸是遗传的物质基础，为认识核酸与蛋白质的关系及其在生 命中的作用打下了最重要的基础。 Crick 于 1954 年所提出遗传信息传递的中心法则（Central Dogma ）： 初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段（20 世纪 70 年代后至今） 基因工程技术的出现作为标志。其间的重大成就包括： 重组 DNA 技术的建立和发展 基因组研究的发展 单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展 基因表达调控机理 细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域 第三节 分子生物学的主要研究内容 一DNA 重组技术（recombinant DNA technology） 定义：又称为基因工程，根据分子生物学和遗传学的原理，将一种生物的遗传 物质 DNA 转移到另一生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达出所需要的产 物。 DNA 重组技术的应用： 利用微生物基因工程生产重组基因工程药物 转基因植物和动物体细胞克隆 基因表达与调控的基础研究 二生物大分子的结构功能研究 三基因组、功能基因组与生物信息学的研究 基因组、蛋白质组与生物信息学 基因组(Genome)：细胞或生物体一条完整单体的全部染色体遗传物质的总和。 人类基因组计划（Human Genome Project, HGP）： 测定出人基因组全部 DNA3109 硷基对的序列、确定人类约 5-10 万个基因的一级结构 。 基因组、蛋白质组与生物信息学 蛋白组计划（Proteome project）:又称为后基因组计划或功能基因组计划，用 于揭示并阐明细胞、组织乃至整个生物个体全部蛋白质及其功能。 生物信息学（Bioinformatics）:是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生 物信息进行储存、检索和分析的科学。 四基因表达调控研究 第二章 染色体与 DNA 本章内容 1. 染色体 2. DNA 的结构 3. DNA 的复制 4. 原核生物和真核生物 DNA 复制特点 5. DNA 的修复 6. DNA 的转座 第一节 染色体(chromosome) 概念： 染色体(chromosome)：原指真核生物细胞分裂中期具有一定形态特征的染色质。 现在这一概念已扩大为包括原核生物及细胞器在内的基因载体的总称。 染色质(chromatin)：由 DNA 和蛋白质构成，在分裂间期染色体结构疏松，称为 染色质。其实染色质与染色体只是同一物质在不同细胞周期的表现。 常染色质(euchromatin)：是进行活跃转录的部位，呈疏松的环状，电镜下表现 为浅染，易被核酸酶在一些敏感的位点(hypersensitive sites)降解。 异染色质(heterochromatin)：在间期核中处于凝缩状态，无转录活性，也叫非 活动染色质(inactive chromatin)，是遗传惰性区。在细胞周期中表现为晚复 制，早凝缩，即异固缩现象(heteropycnosis)。 原核细胞与真核细胞特征分析 染色体特性： 分子结构相对稳定 能够自我复制，使亲、子代之间保持连续性 能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程 能够产生可遗传的变异 真核细胞染色体的组成 DNA 30%-40% 组蛋白(histone) 30%-40% 非组蛋白(NHP) 变化很大 少量 RNA 染色体中的蛋白质 组蛋白(histone)：一类小的带有丰富正电荷(富含 Lys、Arg)的核蛋白，与 DNA 有高亲和力。 组蛋白是染色体的结构蛋白，它与 DNA 组成核小体。 组蛋白分为 H1、H2A、H2B、H3 及 H4。 非组蛋白(non-histone protein)：是染色体上与特异 DNA 序列结合的蛋白质， 所以又称为序列特异性 DNA 结合蛋白。 组蛋白具有如下特性： 1、进化上的极端保守性。 2、 无组织特异性。 3、肽链上氨基酸分布的不对称性。 4、组蛋白的修饰作用。 5、富含赖氨酸的组蛋白 H5。 非组蛋白： 非组蛋白大约占组蛋白总量的 6070%，种类很多。 （1）HMG 蛋白(high mobility group protein) ，能与 DNA 结合(不牢固)，也 能与 H1 作用,可能与 DNA 的超螺旋结构有关。 （2）DNA 结合蛋白 ：可能是一些与 DNA 的复制或转录有关的酶或调节物质。 （3）A24 非组蛋白 ：与 H2A 差不多，位于核小体内，功能不祥。 非组蛋白的一般特性： 1.非组蛋白的多样性； 非组蛋白的量大约是组蛋白的 60%70%，但它的种类却很多，约在 20-100 种 之间，其中常见的有 15-20 种。 2.非组蛋白的组织专一性和种属专一性。 DNA C 值：通常指一种生物单倍体基因组 DNA 的总量。 C 值反常现象：真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，而且功 能 DNA 序列大多被不编码蛋白质的非功能 DNA 所隔开，这就是著名的“C 值反 常现象”。 染色体中的 DNA 根据 DNA 的动力学研究，真核细胞 DNA 可分为： 高度重复序列：几百几万 copy。如：卫星 DNA 和微卫星 DNA。 中度重复序列：10 几百 copy。如：各种 rDNA、tDNA 及组蛋白基因。 低度重复序列：2 10 copy。如：血红蛋白。 单拷贝序列：大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列。只有一个拷贝。 如：蛋清蛋白。 染色体折叠 DNA 核小体 螺线管 圆筒 超螺旋 （1）核小体 染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构。核小体(nucleosome)： DNA 绕在组蛋白八聚体(H2A、H2B、H3、H4 各一对)核心外 1.8 周(146bp)，形成 核小体核心颗粒。 （2）螺线管 10nm 的染色质细丝盘绕成螺旋管状的 30nm 纤维粗丝， 通称螺线管（ solenoid）。螺线管的每一螺旋包含 6 个核小体，其压缩比为 6。这种螺线管是分裂间期染色质和分裂中期染色体的基本组分。 （3）上述螺线管可进一步压缩形成超螺旋。由 30nm 螺线管缠绕而成一细长、 中空的圆筒，直径为 4 000nm，压缩比是 40。 （4）超螺旋进一步压缩 1/5 便成为染色体单体，总压缩比是 76405，将 近一万倍。 原核生物基因组 特点： 1、结构简练 2、存在转录单元 多顺反子 mRNA 3、有重叠基因 Sanger1977 在Nature上发表了 X174 DNA 的全部核苷酸序列，正式 发现了重叠基因。 第二节 DNA 的结构 一、DNA 的一级结构 所谓 DNA 的一级结构，就是指 4 种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该 DNA 分子的化学构成。 基本特点 DNA 分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。 DNA 分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排 列在内侧。 两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有一定的规律。这 就是嘌呤与嘧啶配对，而且腺嘌呤（A）只能与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤 （G）只能与胞嘧啶（C）配对。 2、DNA 的二级结构 DNA 的二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。 通常情况下，DNA 的二级结构分两大类：一类是右手螺旋，如 A-DNA 和 B-DNA； 另一类是左手螺旋，即 Z-DNA。 3、DNA 的高级结构 DNA 的高级结构是指 DNA 双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超 螺旋结构是 DNA 高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类。 DNA 分子的超螺旋化可以用一个数学公式来表示： L=T+W 其中 L 为连接数（linking number），是指环形 DNA 分子两条链间交叉 的次数。只要不发生链的断裂，L 是个常量。T 为双螺旋的盘绕数（twisting number），W 为超螺旋数（writhing number），它们是变量。 23DNA 的复制 2.3.1 DNA 的半保留复制机理 2.3.2 复制的起点、方向和速度 2.3.3 复制的几种主要方式 一、DNA 的复制 1、DNA 的半保留复制 每个子代分子的一条链来自亲代 DNA，另一条链则是新合成的，所以这种 复制方式被称为 DNA 的半保留复制（semiconservative replication）。DNA 的这种半保留复制保证了 DNA 在代谢上的稳定性。 2、复制的起点与方向 一般把生物体的复制单位称为复制子（replicon）。一个复制子只含一个复 制起点。 多复制子：DNA 复制时，原核生物一般只有一个起始位点，而真核生物则有多 个起始位点，因而在复制时呈现多复制泡，也称为多复制子。 DNA 的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的（图 2-18）。 复制叉以 DNA 分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。 拓扑异构酶 I 拓扑异构酶 I 解开负超螺旋，并与解链酶共同作用，在复制起点处解开双链。 参与解链的除一组解链酶外，还有 Dna 蛋白等。 DNA 解链酶（DNA helicase） DNA 解链酶能通过水解 ATP 获得能量来解开双链 DNA。 单链结合蛋白（SSB 蛋白 ） SSB 蛋白的作用是保证被解链酶解开的单链在复制完成前能保持单链结构， 它以四聚体形式存在于复制叉处，待单链复制后才掉下，重新循环。所以，SSB 蛋白只保持单链的存在，并不能起解链的作用。 3、DNA 的半不连续复制 与冈崎片段 DNA 复制时，短时间内合成的约 1000 个核苷酸左右的小片段，称之为冈崎片段 (Okazaki fragment) DNA 复制过程中至少有一条链首先合成较短的片段，然后再由连接酶连成大分 子 DNA。现在已知一般原核生物的冈崎片段要长些，真核生物中的要短些。进 一步研究还证明，这种前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在生物界是有 普遍性的，因而称之为双螺旋的半不连续复制。 DNA 链的延伸： DNA 复制体(replisome)：在复制叉附近，形成了以两套 DNA 聚合酶全酶分子、 引发体和解链酶构成的类似核糖体大小的复合体，称为 DNA 复制体。 4、滞后链的引发 DNA 复制时，往往先由 RNA 聚合酶在 DNA 模板上合成一段 RNA 引物，再由 DNA 聚合酶从 RNA 引物 3 端开始合成新的 DNA 链。滞后链的引发过程往往由引发 体（primosome）来完成。引发体由 6 种蛋白质 n、n、n、Dna B、C 和 I 共 同组成，只有当引发前体（preprimosome）把这 6 种蛋白质合在一起并与引发 酶（primase）进一步组装后形成引发体，才能发挥其功效。 5、链的终止 当复制叉前移，遇到 20bp 重复性终止子序列（Ter）时，Ter-Tus 复合物能 阻挡复制叉的继续前移，等到相反方向的复制叉到达后在 DNA 拓扑异构酶 IV 的 作用下使复制叉解体，释放子链 DNA。 6、复制的几种方式 (1)环状 DNA 双链的复制 环状双链 DNA 的复制可分为 型、滚环型和 D-环型几种类型。 (a) 型 复制的起始点涉及到 DNA 双链的解旋和松开，形成两个方向相反的复制叉 。前导链 DNA 开始复制前，复制原点的核酸序列被转录生成短 RNA 链，作为起 始 DNA 复制的引物。 (b) 滚环型（rolling circle） 这是单向复制的特殊方式。如 X174 的双链环状 DNA 复制型（RF）就是以 这种方式复制的。DNA 的合成由对正链原点的专一性切割开始，所形成的自由 5 端被从双链环中置换出来并为单链 DNA 结合蛋白所覆盖，使其 3OH 端 在 DNA 聚合酶的作用下不断延伸。在这个过程中，单链尾巴的延伸与双链 DNA 的绕轴旋转同步 。 （c） D-环型（D-loop） 这也是一种单向复制的特殊方式。这种方式首先在动物线粒体 DNA 的复制中 被发现。双链环在固定点解开进行复制。但两条链的合成是高度不对称的，一 条链上迅速合成出互补链，另一条链则成为游离的单链环（即 D-环）。 （2）线性 DNA 双链的复制 线性 DNA 复制中 RNA 引物被切除后，留下 5端部分单链 DNA，不能为 DNA 聚合酶所作用，使子链短于母链。T4 和 T7 噬菌体 DNA 通过其末端的简并性使 不同链的 3端因互补而结合，其缺口被聚合酶作用填满，再经 DNA 连接酶作用 生成二联体。这个过程可重复进行直到生成原长 20 多倍的多联体，并由噬菌体 DNA 编码的核酸酶特异切割形成单位长度的 DNA 分子。 二、原核和真核生物 DNA 的复制特点 1、原核生物 DNA 的复制特点 大肠杆菌 DNA 聚合酶 I、II 和 III 的性质比较 原核生物的 DNA 聚合酶 DNA 聚合酶：有 35外切酶活性和 53外切酶活性。保证 DNA 复制 的准确性。 DNA 聚合酶 ：活性低，其 35核酸外切酶活性可起校正作用。主要起修 复 DNA 的作用。 DNA 聚合酶：7 种亚单位 9 个亚基。只具 35外切酶活性，主导聚合酶。 Klenow fragment：用枯草杆菌蛋白酶处理大肠杆菌 DNA 聚合酶，获得两个片段， 大片段分子量 76000U，称为 Klenow 片段。它保留着聚合酶和 35外切酶 的活性，广泛使用于 DNA 序列分析中。 三、真核生物 DNA 的复制特点 真核生物 DNA 复制的起始需要起始原点识别复合物（ORC）参与。 真核生物 DNA 复制叉的移动速度大约只有 50bp/秒，还不到大肠杆菌的 1/20。 真核生物的染色体在全部完成复制之前，各个起始点上 DNA 的复制不能再开始。 真核生物 DNA 聚合酶的特性比较 2.4.3 DNA 复制的调控 原核细胞 DNA 的复制调控：复制叉的多少决定了复制频率的高低。 真核细胞 DNA 的复制调控： 1.细胞生活周期水平调控 2.染色体水平调控 3.复制子水平调控 真核和原核生物 DNA 复制的比较 相同： 1.半保留复制 2.都有引发、延长、终止三个阶段 3.都必须有相应功能的蛋白质和 DNA 聚合酶参与 区别： 1.真：多个复制起始点；原：一个复制起始点 2.真：所有复制受一种调控；原：一个复制子上有多个复制叉 2.5 DNA 的修复 DNA 修复系统 功能 错配修复 恢复错配 碱基切除修复 切除突变的碱基 核苷酸切除修复 修复被破坏的 DNA DNA 直接修复 修复嘧啶二体或甲基化 DNA 2.6 DNA 的转座 2.6.1 转座子的分类和结构特征 2.6.2 转座作用的机制 2.6.3 转座作用的遗传学效应 2.6.4 真核生物中的转座子 移动基因(Movable gene)：又称为转位因子(Transposable elements)，是存在 于染色体 DNA 上可自主复制和位移的基本单位。由于它可以从染色体基因组上 的一个位置转移到另一位置，甚至在不同染色体之间跃迁，因此有时也称为跳 跃基因(Jumping gene)。 原核生物的转座因子可分为： 插入序列(insertion sequence，IS)：最简单的不含有任何宿主基因的转位因 子。片段长度 7002500bp。 复合转座子(transposon，Tn)：是一类携带某些与转座无关的抗性基因(或其它 宿主基因)的转座子。分子量2000bp。 转座噬菌体(Mu，D108)：具有转座功能的一类可引起突变的溶源性噬菌体。 插入序列的结构特点： 1.在 IS 两端含有长度为 1040bp 反向重叠序列 2.含有一个编码转座酶的长编码区。 3.插入时在 DNA 位点产生一个短的(39bp)正向重复序列。 复合转座子的结构特点： 1.两翼为两个相同或相似的 IS 序列。 2.中部为某种抗性基因。 3.IS 序列一般不能单独移动。 Conclusion a) 转座过程是由 Donor 提供 Tn copy 到 target site， 涉及酶切、复制、 重组的遗传学过程。 b) 转座完成后，在 Tn 的两端出现 target site 序列的正向重复，其长度取决 于 staggered cutting 的长度。 c) 转座因子的 IR 序列是转座酶的重要识别位点，与转座，切除有关 d) Cointegrater 是转座过程的中间体 (具有两个 Tn 和两个 replicon), 其 稳定性依 Tn 不同而异，或 resolution 完成转座过程. e) Cointegrater 可能导致 Tn 和抗性的积累。 转座作用的遗传学效应 1. 诱变效应 （提高重组频率、形成易变基因） 2. 切除效应 (倒位、缺失、重复、footprinting) 3. 双转座效应（外显子改组 exon shuffling ） 4. 位置效应（启动表达、增强表达） 5. 转座爆炸（激活表达、基因内重排突变基因形成） 转位作用的机制：靶序列的复制。 转位作用的遗传学效应：引起插入突变；产生新基因；产生染色体畸变；引起 生物进化。 转座因子的应用：利用转座子分离、克隆基因；利用 Tn 进行基因定位；作为基 因转移载体。 真核生物中的转座子 1、玉米中的控制因子 自主性因子：具有自主剪接和转座的功能； 非自主性因子：单独存在时是稳定的，不能转座，当基因组中存在与非自主性 因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能，成为与自主性因子相同的转 座子。 AcDs 体系、Spm, En 转座子。 2、果蝇中的转座子 Copia 类、P 转座子等。 本章重点 染色体及 DNA 结构 DNA 复制 习题 1.DNA 以半保留方式进行复制,若一完全被标记的 DNA 分子,置于无放射标记的 溶液中复制两代,所产生的 4 个 DNA 分子中放射性状况如何? A.两个分子有放射性,两个分子无放射性 B.均有放射性 C.两条链中的半条具有放射性 D.两条链中的一条具有放射性 E.均无放射性 2.DNA 复制时哪种酶不需要? A.DNA 指导的 DNA 聚合酶 B.DNA 指导的 RNA 聚合酶 C.连接酶 D.RNA 指导的 DNA 聚合酶 E.拓扑异构酶 3.原核生物的 DNA 聚合酶: A.DNA 聚合酶有 7 种、9 个亚单位 B.DNA 聚合酶有最强的外切核酸酶的活 性 C.DNA 聚合酶是真正的起复制作用的酶 D.催化过程产生的焦磷酸是主要底物 E.用 4 种脱氧核苷作底物 生物信息的传递(上)从 DNA 到 RNA 基因表达：是基因经过转录、翻译、产生有生物活性的蛋白质的整个过程。 转录(transcription)：以 DNA 为模板，按照碱基互补原则合成一条单链 RNA， 从而将 DNA 中的遗传信息转移到 RNA 中去的过程称为转录。 编码链(coding strand)=有意义链 模板链(template strand)=反义链 不对称转录(asymmetric transcription)：转录仅发生在 DNA 的一条链上。 启动子(promoter)：是 DNA 转录起始信号的一段序列，它能指导全酶与模板正 确的结合，并活化酶使之具有起始特异性转录形式。 终止子(terminator)：转录终止的信号，其作用是在 DNA 模板特异位置处终止 RNA 的合成。 转录单位：DNA 链上从启动子直到终止子为止的长度称为一个转录单位。 3.1 RNA 的转录 转录的基本过程都包括：模板识别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和终 止。 1、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。转录起始前，启动子附近的 DNA 双链分开形成转录泡以促使底物核糖核 苷酸与模板 DNA 的碱基配对。 2、转录起始就是 RNA 链上第一个核苷酸键的产生。 3、转录起始后直到形成 9 个核苷酸短链是通过启动子阶段，通过启动子的时间 越短，该基因转录起始的频率也越高。 4、RNA 聚合酶离开启动子，沿 DNA 链移动并使新生 RNA 链不断伸长的过程就是 转录的延伸。 5、当 RNA 链延伸到转录终止位点时，RNA 聚合酶不再形成新的磷酸二酯键， RNA-DNA 杂合物分离，这就是转录的终止。 3.1.1 转录的基本过程 RNA 合成的基本特点： 1.底物是：ATP、GTP、CTP、UTP 2.在聚合酶作用下形成磷酸酯键 3.RNA 的碱基顺序由 DNA 的顺序决定 4.仅以一条 DNA 链作为模板 5.合成方向为 53 6.合成中不需要引物 3.1.2 转录机器的主要成分 原核生物 RNA 聚合酶： 亚基 基因 相对分子量 亚基数 组分 功能 rpoA 3.6510 4 2 核心酶 核心酶组装， 启动子识别 rpoB 1.5110 5 1 核心酶 和 共同形成 RNA 合成的活性中心 rpoC 1.5510 5 1 核心酶 ？ 1110 4 1 核心酶 未知 rpoD 7.010 4 1 因子 存在多种 因子，用 于识别不同的启动子 1、RNA 聚合酶 大多数原核生物 RNA 聚合酶的组成是相同的，大肠杆菌 RNA 聚合酶由 2 个 亚基、一个 亚基、一个 亚基和一个 亚基组成，称为核心酶。加上一 个 亚基后则成为聚合酶全酶（holoenzyme），相对分子质量为 4.65105。 研究发现，由 和 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。 亚基能与模板 DNA、新生 RNA 链及 核苷酸底物相结合。 因子可以极大地提高 RNA 聚合酶对启动子区 DNA 序列的亲和力，加入 因 子以后，RNA 聚合酶全酶识别启动子序列的特异性总共提高了 107倍。 因子的作用是负责模板链的选择和转录的起始， 转录的起始从化学过程来看是单个核苷酸与开链启动子-酶复合物相结合构成新 生 RNA 的 5端，再以磷酸二酯键的形式与第二个核苷酸相结合，起始的终止 反映在 因子的释放。过去认为二核苷酸的形成就是转录起始的终止，实际上， 只有当新生 RNA 链达到 6-9 个核苷酸时才能形成稳定的酶-DNA-RNA 三元复合物， 才释放 因子，转录进入延伸期。 真核生物 RNA 聚合酶 真核生物中共有 3 类 RNA 聚合酶。真核生物 RNA 聚合酶一般有 8-14 个亚基所 组成，相对分子质量超过 5105。 除了细胞核中的 RNA 聚合酶之外，真核生物线粒体和叶绿体中还存在着不同的 RNA 聚合酶。线粒体 RNA 聚合酶只有一条多肽链，相对分子质量小于 7104， 是已知最小的 RNA 聚合酶之一，与 T7 噬菌体 RNA 聚合酶有同源性。叶绿体 RNA 聚合酶比较大，结构上与细菌中的聚合酶相似，由多个亚基组成，部分亚基由 叶绿体基因组编码。线粒体和叶绿体 RNA 聚合酶活性不受 -鹅膏覃碱所抑制。 常用的转录抑制剂及其作用： 抑制剂 靶酶 抑制作用 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 起始复合物的形成 转录可被分为 4 个阶段，即启动子的选择、转录起始、RNA 链的延伸和终止。 原核生物中：启动子选择阶段包括 RNA 聚合酶全酶对启动子的识别，聚合酶与 启动子可逆性结合形成封闭复合物（closed complex）。 真核生物 RNA 聚合酶所形成的转录起始复合物：除了 RNA 聚合酶之外，真核 生物转录起始过程中至少还需要 7 种辅助因子参与 一般情况下，该复合物可以进入两条不同的反应途径， 一是合成并释放 2-9 个核苷酸的短 RNA 转录物，即所谓的流产式起始； 二是尽快释放 亚基，转录起始复合物通过上游启动子区并生成由核心酶、 DNA 和新生 RNA 所组成的转录延伸复合物。 RNA 聚合酶的核心酶虽可合成 RNA，但不能找到模板 DNA 上的起始位点。 只有带 因子的全酶才能专一地与 DNA 上的启动子结合，选择其中一条链作为 模板，合成均一的产物。 因子的作用只是起始而已，一旦转录开始，它就脱 离了起始复合物，而由核心酶负责 RNA 链的延伸。因此，聚合酶全酶的作用是 启动子的选择和转录的起始，而核心酶的作用是链的延伸。 真核生物 RNA Pol II 的转录起始复合物 真核生物转录起始除 RNA 聚合酶外，至少还需要 7 种辅助因子参与，如 TBP，TFIIA，TFIIB，TFIID，TFIIE，TFIIF 和 TFIIH。 3.2 启动子与转录起始 2、启动子与转录起始 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， 使之与范本 DNA 准确地相结合并具有转录起始的特异性。 转录的起始是基因表达的关键阶段，而这一阶段的重要问题是 RNA 聚合酶与 启动子的相互作用。 3.2.1 启动子区的基本结构 转录单元(transcription unit)：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。 转录起点是指与新生 RNA 链第一个核苷酸相对应 DNA 链上的碱基，研究证实通 常为一个嘌呤。 常把起点前面，即 5末端的序列称为上游(upstream)，而把其后面即 3末端 的序列称为下游(downstream)。 在启动子区内有一个由 5 个核苷酸组成的共同序列，是 RNA 聚合酶的紧密结合 点，现在称为 Pribnow 区(Pribnow box)，这个区的中央大约位于起点上游 10bp 处，所以又称为-10 区。 绝大部分启动子都存在位于-10bp 处的 TATA 区和-35bp 处的 TTGACA 区。这两段 共同序列是 RNA 聚合酶与启动子的结合位点，能与 因子相互识别而具有很高 的亲和力。 Pribnow 区（Pribnow box）这个区的中央大约位于起点上游 10bp 处，所以又 称为10 区。 TTGACA。这个区的中央大约位于起点上游 35bp 处，所以又称为35 区。 10 位的 TATA 区和35 位的 TTGACA 区是 RNA 聚合酶与启动子的结合位点，能 与 因子相互识别而具有很高的亲和力。 在真核生物基因中，Hogness 等先在珠蛋白基因中发现了类似 Pribnow 区的 Hogness 区（Hogness box），这是位于转录起始点上游2530 bp 处的共 同序列 TATAAA，也称为 TATA 区（图 3-7）。 另外，在起始位点上游7078 bp 处还有另一段共同序列 CCAAT，这是与原 核生物中35 bp 区相对应的序列，称为 CAAT 区（CAAT box）。 在7080 区含有 CCAAT 序列（CAAT box），在80110 含有 GCCACACCC 或 GGGCGGG 序列（GC box）。 3.2.2 启动子区的识别 氢键互补学说：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。 这种氢键互补学说较为圆满地解释了启动子功能既受 DNA 序列影响，又受其构 象影响这一事实。 3.2.3 酶与启动子区的结合 在 RNA 聚合酶与启动子相互作用的过程中，聚合酶首先与启动子区闭合双链 DNA 相结合，形成二元闭合复合物，然后经过解链得到二元开链复合物。 DNA 开链是按照 DNA 模板序列正确引入核苷酸底物的必要条件。 RNA 聚合酶既是双链 DNA 结合蛋白，又是单链 DNA 结合蛋白。 3.2.4 -10 区和-35 区的最佳间距 在原核生物中，-35 区与-10 区之间的距离大约是 1619bp，小于 15bp 或大于 20bp 都会降低启动子的活性。 在细菌中常见两种启动子突变，一种叫下降突变(down mutation)，如果把 Pribnow 区从 TATAAT 变成 AATAAT 就会大大降低其结构基因的转录水平；另一 类突变叫上升突变(up mutation)，即增加 Pribnow 区共同序列的同一性。 3.2.5 增强子及其功能 能强化转录起始的序列为增强子或强化子(enhancer)。 增强子很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，从而使得 RNA 聚合酶更容易与范本 DNA 相结合，起始基因转录。 增强子与启动子的区别： 1.增强子对于启动子的位置不固定，而能有很大的变动； 2.它能在两个方向产生作用。一个增强子并不限于促进某一特殊启动子的转录， 它能刺激在它附近的任一启动子。 3.2.6 真核生物启动子对转录的影响 习惯上，将 TATA 区上游的保守序列称为上游启动子元件(upstream promoter element，UPE)或称上游激活序列(upstream activating sequence，UAS)。 在真核生物基因中，Hogness 等先在珠蛋白基因中发现了类似 Pribnow 区的 Hogness 区（Hogness box），这是位于转录起始点上游2530 bp 处的共 同序列 TATAAA，也称为 TATA 区。 另外，在起始位点上游7078 bp 处还有另一段共同序列 CCAAT，这是与原 核生物中35 bp 区相对应的序列，称为 CAAT 区（CAAT box）。 在7080 区含有 CCAAT 序列（CAAT box），在80110 含有 GCCACACCC 或 GGGCGGG 序列（GC box）。 TATA 区的主要作用是使转录精确地起始； CAAT 区和 GC 区主要控制转录起始频率，基本不参与起始位点的确定。 转录实际上是 RNA 聚合酶、转录调控因子和启动子区各种调控元件相互作用的 结果。 转录的终止 RNA 聚合酶起始基因转录后，它就会沿着范本 53方向不停地移动，合成 RNA 链，直到碰上终止信号时才与模板 DNA 相脱离并释放新生 RNA 链。终止发 生时，所有参与形成 RNA-DNA 杂合体的氢键都必须被破坏，范本 DNA 链才能与 有意义链重新组合成 DNA 双链。 3.4 终止和抗终止 不依赖于 因子的终止 终止位点上游一般存在一个富含 GC 碱基的二重对称区，由这段 DNA 转录产 生的 RNA 容易形成发卡式结构。在终止位点前面有一段由 4-8 个 A 组成的序列， 所以转录产物的 3端为寡聚 U，这种结构特征的存在决定了转录的终止。终止 效率与二重对称序列和寡聚 U 的长短有关，随着发卡式结构（至少 6bp）和寡 聚 U 序列（至少 4 个 U）长度的增加，终止效率逐步提高。 依赖于 因子的终止 因子是一个相对分子质量为 2.0105 的六聚体蛋白，它能水解各种核苷 酸三磷酸，实际上是一种 NTP 酶，它通过催化 NTP 的水解促使新生 RNA 链从三 元转录复合物中解离出来，从而终止转录。 3.4.3 抗终止 抗转录终止主要有两种方式： 1.破坏终止位点 RNA 的茎环结构 2.依赖于蛋白质因子的转录抗终止 3.3 原核生物与真核生物 mRNA 的特征比较 原核生物 mRNA 的特征 mRNA 在大肠杆菌细胞内占总 RNA 的 2%左右（tRNA 占 16%，而 rRNA 则占 80%以 上）。原核生物中，mRNA 的转录和翻译不仅发生在同一个细胞空间里，而且这 两个过程几乎是同步进行的，蛋白质合成往往在 mRNA 刚开始转录时就被引发了。 一个原核细胞的 mRNA（包括病毒）有时可以编码几个多肽。 3.3.1 原核生物 mRNA 的特征 1.原核生物 mRNA 的半衰期短 2.许多原核生物 mRNA 以多顺反子的形式存在 3.原核生物 mRNA 的 5端无帽子结构，3端没有或只有较短的 poly(A)结构 4.原核生物起始密码子 AUG 上游 7-12 个核苷酸处有一被称为 SD 序列（Shine Dalgarno sequence）的保守区，因为该序列与 16S-rRNA 3端反向互补， 所以被认为在核糖体-mRNA 的结合过程中起作用。 只编码一个蛋白质的 mRNA 称为单顺反子 mRNA（monocistronic mRNA）， 把编码多个蛋白质的 mRNA 称为多顺反子 mRNA（polycistronic mRNA）。 多顺反子 mRNA 是一组相邻或相互重迭基因的转录产物，这样的一组基因可被称 为一个操纵子（operon），是生物体内的重要遗传单位。如大肠杆菌乳糖操纵 子转录成编码 3 条多肽的多顺反子 mRNA，经过翻译生成 半乳糖苷酶、透过 酶及乙酰基转移酶。 真核生物 mRNA 的特征 前体 RNA 成熟 mRNA “基因”的分子生物学定义是：产生一条多肽链或功能 RNA 所必需的全部核苷 酸序列！ 3.3.2 真核生物 mRNA 的特征 1. 真核生物 mRNA 的 5端存在“帽子”结构：pppApNpNp 。 2. 绝大多数真核生物 mRNA 具有多聚(A)尾巴。 帽子结构 帽子被扣在了 mRNA 的 5端，并可能在几个位置发生甲基化。 mRNA5端加“G”的反应是由鸟苷酸转移酶完成的 。 帽子甲基化作用 帽子 0：出现在所有真核生物中。 尿苷酸一 7 一甲基转移酶 在 G 的 7N 位甲基化 帽子 1：除单细胞生物以外所有其他真核生物中都有的最主要的帽子。 2一甲基一转移酶 第 2 个碱基的 2OH 位置上（实际上在任何修饰反应进行前，它是转录物中 原来的第 1 个碱基） 帽子 2：甲基基团可以添加到戴帽 mRNA 的第 3 碱基上。这个反应的底物是已经 具有两个甲基基团的帽子 mRNA。 2一甲基一转移酶催化 2OH 位置上甲基化 这种帽子通常低于戴帽群体总量的 1015。 二、mRNA 的转录后修饰-帽子 1、 帽子的种类 帽子 0（Cap-0） m 7GpppXpYp-（共有） 帽子 1 （Cap-1） m 7GpppXmpYp-第一个核苷酸的 2-O 位上产生甲基化 （A N 6 位甲基化） 帽子 2（Cap-2） m7GpppXmpYm 第二个核苷酸的 2-O 位上产生甲基化（A、G、C、U） 其中: 单细胞真核生物只有 Cap0 Cap1 是其余真核生物的主要帽子形式 Cap2 存在于某些真核生物中 2、 帽子结构的生成 甲基供体都为 S腺苷甲硫氨酸（SAM） RNA 鸟苷酸转移酶-戴帽酶（capping enzyme） 3、 帽子结构的功能 （1） 对翻译起识别作用-为核糖体识别 RNA 提供信号 Cap0 的全部都是识别的重要信号 Cap1,2 的甲基化能增进识别 （2） 增加 mRNA 的稳定性，使 5端免遭外切核酸酶的攻击 （3） 与某些 RNA 病毒的正链合成有关 （Cap1、 Cap2 ） 除帽子结构外的 Euk.mRNA 内部甲基化m6A 形式 Poly A 尾巴 3、 poly(A) 的功能 （1） 可能与核质转运有关 （2） 与 mRNA 的寿命有关 （3） 与翻译有关 a、 缺失可抑制体外翻译的起始 b、 胚胎发育中，poly(A) 对其 mRNA 的翻译有影 响（非 poly(A) 化的为储藏形式） c、对含 poly(A) 的 mRNA 失去 poly(A) 可减弱其翻译 （4） poly(A) 在分子生物学实验中有很大应用价值 a、 也可将 oligo (dT) 与载体相连，从总体 RNA 中分离 纯化 mRNA b、 用寡聚 dT（oligo (dT)）为引物，反转录合成 cDNA 若 干 基 本 概 念 基因表达的第一步 以 D. S. DNA 中的一条单链作为转录的模板 在依赖 DNA 的 RNA 聚合酶的作用下 按 A U，CG 配对的原则，合成 RNA 分子 模板单链 DNA 的极性方向为 3 5, 而非模板单链 DNA 的极性方向与 RNA 链相同，均为 5 3. 模板单链 DNA 的极性方向为 3 5, 而非模板单链 DNA 的极性方向与 RNA 链相同，均为 5 3. 3.5 内含子的剪接、编辑及化学修饰 一、概述 割裂基因（split gene）：指编码某一 RNA 的基因中有些序列并不出现在成 熟的 RNA 序列中，成熟 RNA 的序列在基因中被其他的序列隔开 内含子（intron）：原初转录物中通过 RNA 拼接反应而被去除的 RNA 序列或 基因中与这些 RNA 序列相应的 DNA 序列 外显子（excon）： RNA 拼接（RNA splicing）：一个基因的外显子和内含子共同转录在一条 转录产物中，将内含子去除而把外显子连接起来形成成熟 RNA 分子的过程 拼接点： 5 拼接点或左拼接点（内含子上游） 3 拼接点或右拼接点（下游） 3.5.1 RNA 中的内含子 真核生物 mRNA 前体的加工： 1. 5端形成特殊的帽子结构 2. 在 3端切断并加上一个 poly(A)的尾巴 3. 通过剪接除去转录来的 IVS(非翻译区) 4. 链内部核酸的甲基化 内含子的分类 中部核心结构（central core structure）:在有些内含子中，含有 4 个重复 的保守序列，长度为 10 20bp，4 个保守序列构成一种二级结构，在拼接中起 重要作用 由于并非所有的内含子都有中部核心结构，所以有了内含子的分类 类（group ）:含有中部核心结构的细胞器基因 核基因 类（group ）:不含有中部核心结构细胞器线粒体基因内 核基因 类（group ）:具有 GUAG 特征的边界序列核基因 mRNA 前体 RNA 基因的内元均位于 tRNA 的反密码环上 3、拼接方式 方式一：由拼接装置完成（核 mRNA 内含子）可供识别的特异序列拼接装 置由多种蛋白质和核蛋白组成 方式二：自我拼接（两类内含子 、 ）形成特定的二级结构 RNA 具有 催化拼接的能力 方式三：需要蛋白质酶参与的拼接（酵母 tRNA）前两种拼接都属于转酯反 应 3.5.2 RNA 的剪接 RNA 的剪接实质：就是要把断裂基因的内含子除去，连接外显子。 剪切方式：mRNA 前体的剪接；自我剪接；蛋白质剪接(tRNA)。 剪接体(spliceosome)：各种参与剪接的成分形成的一个体系。 Ribozyme：有酶活性的 RNA。 拼接机制（Splicing mehanism ) SnRNA (or ScRNA) 与拼接点序列间存在互补区域并参与剪接, 形成拼接体( spli