三 生物信息的传递课件（精品ppt）

第三章 生物信息的传 递（上） 第一节 RNA的转录 基 因 蛋白质 转录 翻译 生物性状控制 RNA 一、概述 转录： 在细胞核内，以DNA的一条链为模 板，按照碱基互补配对原则合成 一条与DNA链互补的RNA单链的过 程。 TCATG A TT A AG T AC T A A T DNA的平面结构图 细胞核中 AG T AC T A A T DNA的 一条链 A G C U G A C G G U U U 游离的核糖核苷酸 (原料） DNA 解旋，以一条链为模板合成RNA 细胞核中 AG T AC T A A T A G C U G A C G G U U U DNA与RNA的碱基互补配对：AU； TA； CG； GC RNA 聚合酶 细胞核中 AG T AC T A A T A G C G A C G G U U U U 组成 RNA 的核糖核苷酸一个个连接起来 细胞核中 AG T AC T A A T G C G A C G G U U U U A 细胞核中 AG T AC T A A T G C G A C G U U GU UA 细胞核中 AG T AC T A A T G C G A C G U GU UAA 细胞核中 AG T AC T A A T G C G A C G GU UAA U 细胞核中 AG T AC T A A T G C G A C G GU UAA UA 细胞核中 AG T AC T A A T G C G C G GU UAA UA U 细胞核中 AG T AC T A A T G G C G GU UAA UA U C 细胞核中 AG T AC T A A T G G C G GU UAA UA U C DNA上的遗传信息就传递到mRNA上 mRNA DNA 细胞核中 AG T AC T A A T UCAUG A UUA mRNA 细胞质 细胞核 核孔 DNA mRNA在细胞核中合成 AG T AC T A A T UCAUG A UUA mRNA 细胞质 细胞核 mRNA通过核孔进入细胞质 UCAUG A UUA mRNA lmRNA：(messenger)编码了一个或多 个蛋白质序列； ltRNA：(transfer)把mRNA上的遗传 信息变为多肽中的氨基酸信息； lrRNA：(ribosomal)是合成蛋白质的工 厂核糖体中的主要成分。 lhnRNA：(heterogeneous nuclear)由 DNA转录生成的原始转录产物，即前 体mRNA。 l snRNA：(small nuclear)在前体mRNA 加工中，参与去除内含子。 l snoRNA：(small nucleolar)核仁小RNA ，主要参与rRNA及其它RNA 的修饰、 加工、成熟等过程。 l scRNA：细胞质小RNA(small cytoplasmic ) 主要在蛋白质合成过程起作用。 l其他非编码RNA： 按大小分： (1) 2125 个核苷酸的RNA, 包括 microRNA(miRNA) 和小干扰RNA ( small interferin RNA（siRNA）。 (2) 100200个核苷酸的small RNA (sRNA) , 往往在细菌细胞起翻译调节子功能。 (3) 大于 10000个核苷酸的非编码RNA，参与 更高级真核生物的基因沉默。 端体酶RNA(telomerase RNA):与染色体 末端的复制有关； 反义RNA(antisense RNA): 是指与mRNA 互补的RNA分子, 也包括与其它RNA互补 的RNA分子。它参与基因表达的调控。 转录的基本过程 1、模板识别 (Template Recognition) 2、转录起始 (Initiation) 3、转录的延伸 (Elongation) 4、转录的终止 (Termination) 1、RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用 并与之相结合的过程。 模板识别 2、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。 1.在起始位点合成RNA链：第一个核苷酸键的 产生，该位点被称为position +1 。 转录起始 2. 转录起始后直到形成9个核苷酸短链是通过启 动子阶段。 3. 通过启动子的时间代表一个启动子的强弱。 转录起始就是RNA链上第一个核苷酸键的产 生。 转录的延伸 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。 共价地向生长RNA链的3端添加核糖核苷酸 RNA聚合酶是以5 3 方向来延长RNA链 RNA聚合酶本身沿着反义链以3 5方向移动 转录的终止 n合成的终止： 当RNA链延伸到转录终止位点时， RNA polymerase 和RNA链均从DNA模板上释放出 来。 nTerminator: 通常含有自我互补区域(self- complementary regions) ，在RNA产物中可以形成 stem-loop 或hairpin结构 。 n转录与DNA复制的异同 相同点： 合成反应的化学本质 模板的使用 合成的方向 发生的部位 不同点： （1）转录：一条DNA链为模板 复制：两条链都可作模板； （2）DNA-RNA杂合双链不稳定，RNA 合成后释放，而DNA复制结束后，新 链和母链形成双链； （3）RNA合成不需引物，而DNA复制 需引物； （4) 转录的底物是rNTP，复制的底物是 dNTP；碱基由复制时的T替换为转录 时的U。 （5）聚合酶系统不同。 有义链的确定 n把与mRNA序列相同的那条DNA链 称为编码链（coding strand）或称 有意义链（sense strand）（+）； n把另一条根据碱基互补原则指导 mRNA合成的DNA链称为模板链（ template strand）或称反义链（ antisense strand）（-）。 n在体外DNA的两条链都可作为RNA 合成的模板。 转录的基本特点： （1）以核糖核苷三磷酸（rNTP）为底物，以 Mg2+/Mn2+为辅助因子； （2）仅以一条DNA链为模板； （3）按5 3方向合成； （4）无需引物的存在能单独起始链的合成； （5）第一个引入的rNTP是以三磷酸形式存在 ； （6）RNA的序列和模板是互补的。 （7）需要RNA聚合酶和多种辅助因子参与。 DNA 启动子区编码区 终止区 转录起始 +1-10 -35 RNA转录单元的模式图 原核大约20-200 bp，真核不同基 因差别比较大，一般小于2 kb 53 启动子：基因转录起始所必需的一段DNA序列 第二节 转录机器的主要成分 1. RNA聚合酶 (RNA polymerase) 2. 转录复合物 RNA聚合酶 (RNA polymerase) RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶。 1.主要以双链DNA为模板，以4种核苷三磷酸作 为活性前体。 2.需要Mg2+/Mn2+为辅助因子。 3.它不需要任何引物。 4.以5 3 方向合成RNA链。 5.缺乏3 5 外切酶活性。 6.是一个含有多个亚单位(multi-subunit)的酶。 (1)识别DNA双链上的起始子； (2) 使DNA变性在启动子处解旋成单链； (3) 通过阅读启动子序列，RNA Pol 确定 它自己的转录方向和模板链。 (4) 最后当它达到终止子时，通过识别停 止转录。 RNA聚合酶 需执行的功能 2 alpha () subunit, 1 beta () subunit, 1 beta prime () subunit, 1 omega () subunit, 1 sigma () subunit 原核生物(E. coli)的RNA聚合酶 Core enzyme Holoenzyme 聚合酶全酶 相对分子量：4.65105 参与转录转录 延伸 只与转录转录 的 起始有关 36.5 KD 36.5 KD 151 KD 155 KD 11 KD 70 KD E. coli 只有一个 DNA-directed RNA聚合酶 ， 来合成所有类类型的RNA。 原核生物(E. coli)的RNA聚合酶 是细胞中最大的酶之一。 由5种subunits 组成 聚合酶全酶(holoenzyme), 包括 2 , 1 , 1, 1 以及1 subunits 。 形状象一个圆筒状通道，可以直接与16 bp DNA结合。整个聚合酶可结合60 bp DNA。 RNA 合成速率: 40 nt /秒, 37oC 。 表3-1 大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析 亚基基因相对分 子量 亚基 数 组分功能 rpoA3.6510 4 2核心酶核心酶组装，启动子识别。 rpoB1.5110 5 1核心酶和共同形成RNA合成的 活性中心。 rpoC1.5510 5 1核心酶 ？111041核心酶未知 rpoD7.01041因子存在多种因子，用于识别 不同的启动子 是核心酶中的两个相同的亚单位 由rpoA 基因编码 与核心酶的组装有关 参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用 E. coli RNA polymerase :subunit * T4噬菌体感染大肠杆菌后对亚基的一个精氨 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。 和分别由 rpoB 和 rpoC 基因编码。 E. coli RNA polymerase : (2)存在保守序列; (3)保守序列的位置和距离都比较恒定 ； (4)与多聚酶相结合； (5)位于基因的5端； (6)决定转录的起始和方向。 1. -10序列： -10序列是由Pribnow和Schaller（1975） 发现，故也称为Pribnow框盒（ Pribnow box）。 保守序列为T80A95T45A60A50T96 位于-10bp左右，A T较丰富，易于解链 。其功能是: (1) RNA pol紧密结合; (2) 形成开放起始复合物； (3) 使RNA pol定向转录。 一、原核生物启动子的基本结构 2. -35序列 n-35序列又称为Sextama盒（Sextama box）， n其保守序列为（T82T84G78A65C54A45） n其功能是: (1) 为RNA pol的识别位点。 亚基识别-35序列，为转录选择模板 (2)-35和-10序列的距离是稳定的，此与 RNA pol的结合有关。 4. 转录起始位点（I） n转录开始时模板上的第一个碱基 n在原核中常为A或G n而且位置固定 3. 10区和35区的最佳间距 4. 1619 bp 典型启动子的结构 -35 -10 转录起 点 TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp 聚合酶通过氢键互补识别启动子。 二、启动子区的识别 三、酶与启动子区的结合 1.全酶与模板的DNA接触， 生成非专一的,不稳定的复 合物； 2. 起始识别：全酶与35序列 结合，产生封闭的酶-启动 子二元复合物； 3.全酶紧密地结合在-10序列处 ，模板DNA局部变性，形 成开放的启动子二元复合 体；解链区：913 四、增强子 n它是在1981年由Benerji, Rusconi小组和 Chambom等发现的，其特点是： 具有远距离效应。 无方向性。 顺式调节。 无物种和基因的特异性。 具有组织的特异性。 其作用和DNA的构象有关。 有的增强子可以对外部信号产生反应。 n机理： 增强子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 容易与模板DNA相结合，起始基因转录 。 除SV40外，还有许多基因的启动区 中发现有增强子存在。 五、真核生物的启动子和转录起始 （一） 型启动子和转录起始 负责蛋白质基因和部分snRNA， 结构最为复杂，由核心元件和上游 元件组成。 1.核心元件： （1）转录起始位点或起始子 n起始点mRNA的第一个碱基倾向A，两 侧各有若干个嘧啶核苷酸. n提供RNA pol 识别。 n无论TATA是否存在，起始子对启动子 的强度和起始位点的选择都是重要的 。 n现已纯化了起始子结合蛋白。 （2）保守序列TATA框：又称Hogness 或 Goldberg-Hogness框， -25-35 ，其一致 序列为： A63 A50 T82A97T93A85 A83 T37 T37 基本由A和T组成，框两侧富含GC碱基。结 构和功能类似原核的Pribnow框。 功能：决定了大多数真核基因转录起始点 的选择。 2.上游元件： （1）CAAT框：一致序列为 GGC(T)CAATCT, 一般位于-70-80。 功能：控制着转录起始的频率。 （2）GC框：保守序列为C（T）GGGCGGG （A）G（A）G（T） ，常以多拷贝形式 存在于-80-110。 功能：控制转录起始频率。 （3）还有一些其它保守序列，如八聚体 （octamer）和B等 上游启动子元件（UPE） 表12-4 哺乳动物RNA Pol 上游转录因子结合的元件 元件保守序列结合DNA的长度 蛋白质因子 TATAboxTATAAAA 10bp TBP CAAT boxGGCCAATCT 22bp CTF/NF1 GC boxGGGCGG 20bp SP1 OctamerATTTGCAT 20bp Oct-1 OctamerATTTGCAT 23bp Oct-2 B GGGACTTTCC 10bp NFKB ATF GTGACGT 20bp ATF B. Lewin:GENES.1997,Table 28.2 型启动子含有的不同组件 SV40 早期启动子 胸苷激酶 组蛋白H2B 140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 +1 Oct CAAT GC TATA 3.远端调控区 （1）增强子。许多基因具有不止一个增 强子 （2）减弱子：在某些基因的上游远端或 下游远端具有负调节序列，其作用不受距 离和方向的影响。 （3）静息子：在酵母中发现，与阻遏蛋 白结合，抑制基因表达。 （4）上游激活序列（UASs）：在酵母中 发现，仅影响转录强度，类似增强子，但 有方向性。 型基因的启动子和调控区小结 TATA框 核心元件 起始子（initiator，Inr）:一般由PY2CAPY5构成， 位于-3+5 ，可能提供RNA pol 识别。 CAAT box、 类启动子 上游元件组成 GC box Oct 增强子（enhencer） 远端调控区 减弱子（dehancer） 静息子（sisencer） 上游激活序列（upstream activating sequences UASs） 转录特点： （1）RNA聚合酶不直接和启动子结合 ； （2）结合需多种转录因子介入。与 不同保守序列结合的转录因子数目及 种类不尽相同。 （1）直接与DNA结合 A、与启动子结合：基本转录因子 B、与增强子结合：转录调控因子 （2）非直接结合DNA的蛋白质 与其他转录因子结合，通过蛋白质 之间的相互作用，改变其他蛋白质结合 DNA的专一性和亲和性。 转录因子的种类 转录的起始机制： 具体机制不清楚，有证据显示，RNA聚 合酶除了需要TATA框及其蛋白质结合 因子TFD外，至少还需要两种启动子 及其蛋白质结合因子 (二)型启动子和转录起始 转录rRNA基因 n核心启动子(近启动子)：位于-40到+5，决定 转录起始的精确位置。 n上游控制区(远启动子)：（upstream,control element UCE），从 -165延伸到-40，影响转 录的频率。 这两个区富含GC（达85%） 两个元件之间的距离非常重要。 RNA聚合酶具有明显的种族特异性 （三） 启动子的结构和起始