第三章-生物信息传递(上.ppt

,同学们,开始上课了!,生物信息的传递(上),Chapter3转录,黄冈师范学院生物系生化与分子教研室授课对象:生物科学2003级,swygl,杨谷良,DNA复制DNA修复遗传重组,Content:,基本概念原核生物的转录真核生物的转录原核与真核生物mRNA的异同真核生物中的成熟mRNA无密码子的基因的转录,基因,一段能够转录成功能产物的核苷酸序列.下面几个区域对于基因功能是必须的:调控区:一段控制转录起始的DNA序列编码区:一段能够译成功能分子(RNAorprotein)的核苷酸序列终止区:一段终止转录的核苷酸序列,当一种蛋白是一个细胞需要的时候,编码该蛋白的遗传密码必需能够从DNA所阅读并得到加工两步加工过程:1.转录=利用DNA模板合成单链RNA分子(1strandofDNAistranscribed).真核生物的转录发生在细胞核.2.翻译:=将信使RNA序列上储存的信息转变成蛋白质的多肽序列信息(i.e.,proteinsynthesis)翻译发生在核糖体或糙面内质网两个过程几乎在整个细胞周期中都发生.,Templatestrand(模板链/无义链):DNA编码区由3到5排列的DNA链,是RNA合成的模板,.编码链(有义链):编码区中由5到3排列的那条DNA链,在RNA合成中没有任何功能,它的序列与合成的RNA完全相同(T_U).,正义链Sense/antisense反义链Nontranscribed/transcribedNontemplate/template编码链coding/模板链template,描述DNA链的一些习惯,两条链都可以编码,但转录常以3-5的那条链作为RNA聚合酶移动的方向,即常编码那条链.,mRNA-(messenger)信使RNA,从DNA到protein的信息传递者.rRNA-(ribosomal)核糖体RNA,核糖体组成成分的一功能RNA,直接参与核糖体中蛋白质的合成.tRNA-(transfer)转移RNA,在转录过程中的一个信息传递者.能解读mRNA中的遗传信息并将其转化成相应氨基酸加入多肽链中.snRNA-(smallnuclear)没有经过内含子剪辑等加工过程的RNA分子.VariousotherfunctionalRNAs:scRNA(细胞质)Howtoexplain:Themusic(polypeptide)dependsonthetape(mRNA),nottheplayer(ribosome),5种不同类型的RNA:,和DNA复制不同,转录只是在特定时期、特定的细胞类型中,获取特定的序列信息需要特定的起始和终止集信号只拷贝一个基因的信息。,RNA链是如何合成的?每个基因内的调控序列的调整.DNA几乎解链达一个基因.转录方向是5to3.与DNA复制的不同:RNA聚合酶不需要引物没有核对核糖核酸代替脱氧核糖核酸U代替T,原核生物的转录,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,模板单链DNA的极性方向为35,而非模板单链DNA的极性方向与RNA链相同，均为53.,DNA,(书写DNA序列时，仅写非模板序列，可不注明极性方向),3-TACTCAT-5,RNA5-AUGAGUA-3,5-ATGAGTA-3,Non-template(sensestrand),template(antisensestrand),若干基本概念,RNA聚合酶:以双链DNA为模板,以4种核苷酸为材料,在Mg2+/Mn2+存在的前提下,在不信赖于引物的条件下催化RNA链的起始、延伸和终止的一种蛋白质。E.coli中只有一种RNA聚合酶负责所有RNA的合成,E.coliRNA聚合酶,有聚合的功能但没有启始的功能,RNA聚合酶：核心酶,Core:核心酶Holoenzyme：全酶,核心酶+sigma因子（）sigma是一个与起始有关的蛋白sigma因子有多种，不同种sigma因子启动不同基因的表达。,RNA聚合酶：全酶,a2bbs,a2bb+s,全酶核心酶sigma因子,因子的特点：,重复使用(Reusable),使全酶识别-10区,与模板链结合,修饰RNApol构型，,降低全酶与DNA的非专一性结合力（107/mol）,增强全酶与R,Bsite的专一性结合力(1014/mol),导致RNA链的延伸缓慢,启动子与因子间的结合专效性,决定了是强启动子或弱启动子,不同启动子的-35，-10区序列间存在较为保守的标准序列(标准启动子),启动子中-35,-10区序列的差异影响与RNApol中因子的结合能力,是保守序列的识别过程所必需的，只是在起始过程中需要,各亚基的功能P67,核心酶具有的四个功能位点,DNA/RNA杂合链杂交位点(),D.S.DNA解链位点(),D.S.DNA重旋(),启动子识别位点,DNA无义链结合位点(),RNA聚合酶的可信度,没有校正活性1/105的错误率,启动子,一段指导相邻DNA转录的核苷酸序列,保守序列,GATCTGATATGACCTGTTCTAATCTConsensus:GATCT,启动子中的识别序列,Primbnowbox，包括：-10区保守序列:TATAAT-35区保守序列:TTGACA,l（-10区）SextamaBox与（-35区）PribnowBox间距17bp,有利于RNApol启动,lSextamaBoxorPribnowBox突变.,间距趋近于17bp，upmutation,间距远离于17bp，downmutation,17bp的间距较17bp的序列对转录更为重要,SextamaBoxandPribnowBox突变.,转录率下降100X,转录率下降1000X,模板识别,RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。此时，启动子附近的DNA双链分开形成转录泡，转录起始直到形成9个核苷酸短链后离开启动子，转录过程进入延伸阶段。（转录效率）,RNA聚合酶如何找到启动子?,RNA聚合酶扫描DNA模板链SlidesalongDNAwithoutopeningstrands在大沟中寻找-10区和-35区Sigma因子与核心酶结合,转录过程的第一个事件,RNA聚合酶结合到-35区此时的DNA链仍然是双链.,StepsofTranscription,Step1-起始-当全酶与启动子结合区结合后开始.,E.coli模型:每个基因的3个区域:5区,结合RNA聚合酶e.g.,-10bp5-TATAAT-3e.g.,-35bp5-TTGACA-3转录序列,orRNA编码区3终止区,终止位点的信号-值表示mRNA转录起始点的上游区,+1是RNA转录的第一个碱基.,RNA结合sigma因子(一个多肽)形成RNA聚合酶全酶识别启动子并开始转录.Sigma因子的高效结合和转录.不同的sigma因子识别不同的启动子序列.RNA结合在启动子上并解旋双链DNAe.g.,与-35的较松散的结合(DNAisd.s.)e.g.,与-10区的紧密结合并解旋不同类型的Sigma因子的启动效率有差异,起始,聚合酶与启动子紧密结合聚合酶打开DNA双螺放(-10to+3),开始合成RNA,Step2-延伸-RNA聚合酶结合在转录泡上并随着它一同移动(about18bases)。,三磷酸核苷作为RNA链合成的原料.除第一个外，所有的核苷酸与已经存在的前一核苷酸的3羟基相连.外部的两个磷酸基团丢失形成磷酸二脂键.所以，RNA链的延伸方向是5to3.RNA链的核苷酸排列顺序由DNA模板链所决定.,在合成8-9bp的RNA后，sigma因子释放出来并在其它基因的转录中重复使用.RNA聚合酶的转录速度是30-50bp/second.DNA迅速解链,并在聚合酶后重新退火.部分RNA链以DNA-RNA杂合链形式存在,但大多RNA链在DNA链的退火后形成单链.,当约10nt被加入，5末端游离出来.s因子从全酶中脱离.RNA-DNA杂合形式仍保留.Sigma因子在新的合成中循环利用.,Step3-终止-终止RNA链的合成,终止的不同机制不依赖rho（）-因子的终止：形成发夹结构依赖rho-因子的终止：,原核生物的两种类型的终止序列:TypeI(-independent)反向重复序列形成发夹结构使DNA-RNA结合不牢固.TypeII(-dependent)因子的参与，使DNA-RNA结合的形式被破坏.,不依赖Rho因子,发夹结构和poly(U)序列因为回文序列的存在形成发夹结构,“Hairpin”,结合不紧密A:U对与G:C对.,转录终止区的终止信号的存在,终止信号,依赖于Rho因子,Rho具有水解酶活性，促使新生的RNA链从转录的三元复合物中解离出来有发夹结构但没有poly(U)序列,依赖于Rho因子,依赖于Rho因子:“Rho”是细菌中的一种终止转录的因子是一个相对分子质量为2.0*106的六聚体蛋白-结合一段序列特异的长约72base的ssRNA通过NTP的水解促使新生链与模板链的分离。,聚合酶的移动与超螺旋,负超螺旋,正超螺旋,mRNA的产生:三个主要部分:5非编码区(UTR)编码区,将翻译成AA序列3非编码区(UTR),真核生物的转录,原核生物只有一种RNA聚合酶转录mRNAs,tRNAs,和rRNAs真核生物的转录更为复杂：真核生物有三种RNA聚合酶:RNApolymeraseI,主要转录12S,18S,5.8SrRNAsRNApolymeraseII,转录mRNAs和一些snRNAsRNApolymeraseIII,转录tRNAs,5SrRNA,和snRNAs*rRNAs的Svalues是指RNA分子的大小，由蔗糖梯度离心决定,RNAP（RNApolymerase）的作用和存在位置(P69),真核生物RNA聚合酶II启动子(a.k.a.ClassII),有4个组成部分:上游调控元件TATABox(atapprox.25)起始区下游调控元件,ManyclassIIpromoterslack3and4.,1.2.3.4.,真核生物RNA聚合酶II的TATABox,TATAbox=TATAAAA转录起始位点需要一些辅助因子的参与.有的真核生物RNA聚合酶II启动子(e.g.,管家基因or发育调控基因(e.g.,homeotic)不需要TATAbox.,转录从约25-30bpTATAbox的一嘌呤开始.,SV40的转录分析。invivo.,Normalpromoter.,上游序列的分析,有几类在许多真核生物RNA聚合酶II的上游序列中发现两种:GCboxes(GGGCGGandCCGCCCC)起始转录可能有多个拷贝必需与TATAbox紧密连锁(不同于增强子)结合Sp1因子CCAATbox起始转录结合CCAAT-转录结合因子(CTF)orCCAAT/enhancer-bindingprotein（增强子结合蛋白）(C/EBP),真核生物RNA聚合酶IPromoters(fornRNAPI),与真核生物RNA聚合酶II相比，保守性要差通常有两部分:UCE上游调控元件:人的-150to-100rRNACore:from-45to+20两者间的距离有一定影响,-150-100-50+20,UCE,Core,真核生物RNA聚合酶III(fornRNAPIII),2类:内部启动子-5SrRNA(BoxA,BoxC)-tRNA(BoxA,B)ClassII类启动子-含TATAbox-7SLgene,在编码区上游,增强子和沉默子,增强子使转录作用增强,沉默子停止转录.没有方向性.序列倒置后没有影响其效果的发挥没有位置效应.可以在与启动子相距很远的地方发挥作用在基因上游、下游或内部都有发现与转录调控因子结合.,原核和真核生物mRNA的差异,原核生物转录的mRNA是成熟的，不需要加工便可直接进行翻译.由于原核生物没有细胞核，其没有完成转录的mRNA同样可以在核糖体上进行转录(i.e.,转录与翻译同时进行).原核生物的是多顺反子，它们包含的氨基酸的信息不只代表一个基因.,真核生物：转录后的mRNA是不成熟的(pre-mRNA)，有一个加工的过程。转录和翻译分开进行（翻译之前mRNA必需转运到细胞质中）.真核生物mRNAs是单顺反子,它只包含一个基因的信息.,原核细胞和真核细胞,真核生物的成熟mRNA产物,转录后的多步修饰过程,转录5加帽3成熟:剪切GU;AI,-一些基因有较高的频率:,锥虫mtcoxIIImRNA407Uinsertedin145loci19Udeletedin9loci,绒泡菌mRNAofATPsynthetasesubunit54siteCinserted,相继在真核生物及病毒中发现,Examples:原生生物,粒液莲类,植物的细胞器,哺乳动物在锥形虫的线粒体中发现在植物线粒体中也普遍在高等植物的叶绿体和哺乳动物的核内也有发现,COXIII细胞色素氧化酶IIIFromTrypanosomabrucei,小的Us是编辑后插入的.上方的Ts(在DNA中发现)表示被删除.,有些基因进行了较多的编辑!,TUTase:终端尿嘧啶转移酶,在酶作用下的编辑.,常见tRNA中的修饰核苷酸,其它方式的编辑,陆地植物(CU)andPhysarum线粒体(nt的插入)被子植物的叶绿体(CU)少数哺乳动物的核基因阿朴脂蛋白B(CU)谷氨酸酯受体AI(次黄嘌呤)Hepatitusdeltavirus(AI)副粘病毒(Ginsertions),Editing的生物学意义,形成/删除AUG,UAA,UAG,UGA,改变codon信息,扩大编码的遗传信息量,mRNAediting较大程度地改变了DNA的遗传信息，使该基因的DNA序列仅是一串简略意义模糊的序列（abbreviated）或称为隐秘基因、模糊基因（crypticgene,cryptogene）,中心法则的发展,后转录水平基因的沉默(PTGS),也称为RNA干扰或RNAi.结果是因为在RNA水平的负调控.同样有转录水平基因的沉默(TGS).Examples:转位子,异染色体,PTGS的发现,首先是在植物中发现的(1990)向植物中转入同源性互补基因的两个基因都会沉默!称之为共抑制结果是因为导入的和同源mRNA都被降解。,DiscoveryofPTGS(cont.),尝试控制牵牛花的颜色这类基因是类黄酮花青素合成酶:当将这些基因在强启动子介导下导入牵牛花时，其mRNA合成水平和相关色素合成水平都下降。,植物中的类黄酮/花青素途径,Stronglypigmentedcompounds,DFRconstructintroducedintopetuniaCaMV-35SpromoterfromCauliflowerMosaicVirusDFRcDNAcDNAcopyoftheDFRmRNA(intronlessDFRgene)TNos-3processingsignalfromtheNopalinesynthasegene,转基因后的植物的花，后2种。Flowersfrom3differentTransgenicpetuniaplantsthatcarrycopiesofthechimericDFRgeneabove.TheseflowersshowedreducedDFRmRNAlevels(lowerthanwild-type)inthenon-pigmentedareas.,反义技术,有大约20年的发展历史将反义基因导入细胞或组织来阻止正义基因mRNA的翻译。它比基因剔除在高等植物和动物中的难度要小。,反义技术可能是因为RNAi的原理来阻止翻译。RNAi是在