生物信息传递(上)-从DNA到RNA

1、第三章 生物信息传递（上） 从DNA到RNA逆转录8/27/20221 转录（transcription) 以DNA单链为模板，NTP为原料，在依赖DNA的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。 模板链（template strans） 或无意义链( antisense strand)：作为模板，按碱基互补配对原则转录成RNA的DNA链。 编码链（coding strand）或有意义链(sense strand) 与模板链互补的非模板链，其编码区的碱基序列与转录产物mRNA的序列相同（仅T、U互换）。8/27/20222编码链（coding strand）模板链（template strans

2、）8/27/20223相同或相似差异转录复制模板DNA模板链转录两股链均可复制原料核苷三磷酸NTPdNTP碱基配对遵从碱基配对原则A-U;T-A;G-CA-T;G-C聚合酶依赖DNA的聚合酶RNA聚合酶DNA聚合酶产物多核苷酸链mRNA , tRNA , rRNA 等子代双链DNA特点不对称转录半保留、半不连续复制转录与复制的异同点8/27/20224第一节 RNA转录的基本过程第二节 转录机器的主要成分第三节 启动子与转录的起始第四节 原核生物与真核生物 mRNA 特征的比较第五节 终止与抗终止第六节 内含子的剪切、编辑及化学修释8/27/20225第一节 RNA 的 转录一、转录的基本过程

3、模板的识别转录的起始通过启动子转录的延伸转录的终止8/27/20226随机扩散定向取代随机行走模板识别：RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程.在原核生物中， 因子辨认-35区，全酶与该区结合形成疏松复合物，继而全酶向-10区及起始位点移动，到起始位点后全酶与DNA结合紧密。启动子（promoter)：是基因转录起始所必需的一段DNA序列，是基因表达调控的上游顺式作用元件之一。8/27/20227全酶-启动子形成闭合二重复合体；闭合复合体转变为开放复合体；整合进最初两个核苷酸，形成一个磷酸二酯键，形成三重复合体；转录的起始原核生物转录的起始通过启动子在酶不需要移动时，即可加入

4、9个核苷酸，但在加入核苷酸过程中，随时可能释放RNA；起始成功后，释放出 因子。8/27/20228真核生物转录的起始 真核生物有三种RNA聚合酶，分别催化不同RNA的合成，每种酶的作用均需一些蛋白辅助因子的参与，将这些因子称为转录因子。 转录因子的命名冠以聚合酶的名称，如RNA聚合酶II所需的转录因子称为转录因子II（transcription factor II , TF II)。 TFs 帮助RNA聚合酶识别启动子。TFs ( 转录因子）必须先与DNA形成复合物，帮助RNA聚合酶定位到转录起始的位点。 RNA聚合酶和转录因子在DNA上的定位形成前起始复合物，由于转录因子的作用复合物由封闭

5、型转换成开放型。8/27/20229正常的延伸中，新的磷酸二酯键在特定的活性位点进行；出现故障时，RNA聚合酶停止前进并回撤；在RNA的3端切割，形成新的3-OH末端；重新开始延伸RNA链。转录的延伸(NMP)n + NTP= (NMP)n+1 + PPi8/27/202210转录的终止RNA聚合酶释放RNA链释放DNA恢复成双螺旋状态8/27/202211第二节 转录机器的主要成分一、RNA聚合酶RNA聚合酶主要以双链DNA为模板；RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶；每个细胞中约有7 000个RNA 聚合酶； 任何时候大约2 0002 500个核心酶执行转录功能。8/27/202212催化中

6、心：参与核心酶组装及的启动子识别 全 酶2 核心酶 2亚基识别模板链并与启动子结合使转录起始，在 转录延伸阶段， 亚基与核心酶解离，仅由核心酶参与延伸过程。1、原核生物RNA聚合酶与模板DNA、底物NTP及新生RNA链结合8/27/202213 核心酶可以DNA为模板合成RNA，但不能在正确的位点起始。起始必须有 因子； 因子能够提高酶和启动子识别的特异性，同时也降低酶和非特异位点的亲和力。在某些细菌细胞内含有能识别不同启动子的 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。 因子因子基因功能70rpoD广泛32rpoH热休克54rpoN氮代谢8/27/202214聚合酶前进时，

7、将前端的DNA双链解旋，在后方则重新结合。聚合酶所保护的DNA序列约为40 bp，而解旋的DNA区域大约17 bp，RNA的3端大约有2030个核苷酸与DNA或聚合酶结合，而其中RNA-DNA杂交区仅约9 bp。8/27/202215 2、真核生物的RNA聚合酶酶细胞内定位转录产物相对活性对-鹅膏蕈碱的敏感程度RNA聚合酶I核仁rRNA5070不敏感RNA聚合酶II核质mRNA2040敏感RNA聚合酶III核质tRNA约10存在物种特异性 8/27/202216 真核生物RNA聚合酶一般由816个亚基所组成。其中RNA 聚合酶II的两个大亚基（RPB1和RPB2）与细菌核心酶的两个大（和）；（

8、RPB3和RPB11）与亚基同源；RPB6与亚基同源。 真核生物RNA聚合酶共性：聚合酶中有两个相对分子质量超过1X105的大亚基；三类聚合酶有共显小亚基的倾向。8/27/202217RNA聚合酶I的转录产物是45S rRNA，经剪接修饰后生成除5S rRNA外的各种rRNA。RNA聚合酶II在核内转录生成hnRNA，经剪接加工后生成成熟mRNA被运送到细胞质中作为蛋白质合成的模板。 核不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA）：核内未被剪接的有内含子的mRNA前体，或是核内mRNA的初级转录产物。8/27/202218RNA聚合酶III的转录产物是tRNA

9、，5S rRNA，snRNA。SnRNA（small nuclear RNA），即核内小RNA，主要存在于核内，是核内100300个核苷酸序列的小型RNA，参与RNA的剪接。8/27/2022192、转录复合物全酶-启动子形成闭合二重复合体；闭合复合体转变为开放复合体；整合进最初两个核苷酸，形成一个磷酸二酯键，形成三重复合体；在酶不需要移动时，即可加入9个核苷酸，但在加入核苷酸过程中，随时可能释放RNA；起始成功后，释放出 因子。核心酶、DNA和新生RNA组成转录延伸复合物。8/27/202220 转录因子（transcription factor, TF）：真核生物转录起始过程中，除RNA聚

10、合酶之外的其它辅助因子统称为转录因子。8/27/202221小 结一、转录的基本过程模板的识别转录的起始通过启动子转录的延伸转录的终止二、转录的主要机器RNA聚合酶转录复合物原核生物真核生物核心酶 因子闭合二重复合体开放二重复合体三重复合体转录延伸复合物8/27/202222第三节 启动子与转录的起始一、启动子区的基本结构 启动子（promoter）：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准确地相结合并具有转录起始的特异性。8/27/202223 转录单元（transcription unit）：是一段从启动子开始到终止子结束的DNA序列，RNA聚合酶从

11、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。8/27/202224转录单元（transcription unit）起点（startpoint）上游（upstream）下游（downstream）8/27/202225启动子区的基本结构细菌启动子特征：1、起点通常是一个嘌呤；2、起点上游10 bp处，有一约6 bp的保守区域，称为-10 区（也叫Pribnow Box），共有序列为：T80 A95 T45 A60 A50 T96 ；3、起点上游35 bp处，有一约 6 bp的保守区

12、，称为-35区，共有序列为：T82 T84 G78 A65 C54 A45；4、90%的启动子中，-10与-35区的距离在16-19bp之间；两个保守区之间的序列并不重要，但距离很关键。8/27/2022268/27/202227TATA box：位于RNA聚合酶II转录起点上游约-35-25 bp处的共同序列TATAAA，绝大多数情况下全部是A-T碱基对，只有少数含有G-C。CAAT box：在起点上游-78-70 bp处还有另一段共有序列CCAAT，称为CAAT区。GC box：在起点上游-110-80 bp处有一段富含GC碱基对的序列（GCCACACCC或GGGCGGG），称为GC区。增

13、强子：能强化转录起始频率的DNA序列。真核生物基因中启动子特征：8/27/202228二、启动子区的识别 RNA聚合酶对启动子的识别是通过与碱基上的氢键供体和受体在一定距离内互补，形成氢键而实现的。 启动子的功能既受DNA序列的影响，又受其构象的影响。8/27/20222970的氨基酸与启动子-10区非模板链特异碱基的结合8/27/2022308/27/202231第四节 原核生物与真核生物 mRNA 特征的比较一、原核生物mRNA的特征1、半衰期短基因的连续性转录和翻译在时间和空间上的一致性8/27/2022322、许多原核生物 mRNA 以多顺反子的形式存在 操纵子（operon）功能相关

14、的基因前后串联，再加一个共同的调节基因和一组共同的控制位点即启动子（promoter）和操作子（operator）在基因转录时协同作用。细菌基因表达调控的这样一个完整的单元，称为操纵子（operon）。 多顺反子（polycistronic mRNA ) ：编码多个蛋白质的mRNA称为多顺反子mRNA 。 单顺反子(monocistronic mRNA) ：只编码一个蛋白质的mRNA称为单顺反子mRNA。8/27/202233 -半乳糖苷酶透过酶乙酰基转移酶大肠杆菌乳糖操纵子阻遏蛋白8/27/202234mRNAAUG 之前的5端上游非编码区编码区终止密码子之后3端下游非编码区8/27/202

15、2353、原核生物mRNA 5端无帽子结构，3 端没有或只有较短的poly(A) 结构，在起始密码子AUG上游712个核苷酸处有6个核苷酸的保守序列，被称为SD序列。 SD序列在与核糖体的结合过程中起作用。8/27/2022365 5 Gppp + pppApNpNp. 5 5 GpppApNpNp. + pp + p 在磷酸酶的作用下，将5-端的磷酸基水解，由腺苷酸转移酶加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再由鸟嘌呤-7-甲基转移酶对G进行甲基化。新加的G以反方向与5连接，这一结构称为帽子（cap）结构。二、真核生物mRNA的特征1、真核生物mRNA的5端存在“帽子”结构8/27/2022

16、37甲基化只在末端G的7位甲基化的帽子称为帽子0（cap 0），写作m7GpppX；若第二个核苷酸2-OH甲基化，则称为帽子1（cap 1），写作m7GpppXm；若第三个核苷酸2-OH甲基化，则称为帽子2（cap 2），写作m7GpppXmpYm。8/27/202238帽子结构的作用:1、提高mRNA的活性及稳定性；2、作为蛋白质合成起始信号的一部分。8/27/202239Pol I 和pol III 在特定的位点终止合成Pol II无特定终止位点？2、真核生物mRNA的3端存在poly(A)尾巴8/27/202240Pol II无特定终止位点，3-OH末端通过在特定位点切割后加上poly(

17、A)来形成。几乎所有真核基因的3转录终止位点上游1530 bp存在保守序列AAUAAA,该序列作为切割和添加poly(A)位点的信号。8/27/202241特异组分（Cut and polyA Special factor, CPSF）识别AAUAAA序列；产生正确的末端结构需要核酸内切酶（由CFI和CFII组成）切割RNA；激发因子CstF，结合在切割位点下游一富含G-U的序列poly(A)聚合酶（PAP）合成poly(A)尾部； 。8/27/202242小 结一、原核生物mRNA的特征：半衰期短许多mRNA以多顺反子的形式存在二、真核生物mRNA的特征5端存在“帽子”结构3端存在poly(

18、A)尾巴无帽子和尾巴结构8/27/202243第五节 终止和抗终止大肠杆菌的终止子不依赖于因子的终止依赖于因子的终止8/27/202244一、不依赖于因子的终止合成的RNA尾部的序列特征：1、二重对称的序列形成发卡结构；在发卡结构的茎基部富含G-C对；发卡结构可减缓或暂停合成；2、尾部有约48个连续的U；连续的A-U对使杂交链更容易分离。8/27/2022458/27/202246先结合于终止区上游；沿 RNA链移动；RNA聚合酶在终止子处暂停；因子追上聚合酶并使之解离，并拆分RNA-DNA杂交链。二、依赖因子的终止8/27/202247三、抗终止 1、破坏终止位点RNA的茎环结构 在原核生物

19、中，转录和翻译相偶联。当介质中氨基酸减少时，相对应的携带这种氨基酸的tRNA也减少，使得核糖体不能顺利通过串联密码子，而破坏了mRNA的茎环结构，使得转录不能终止。8/27/202248 2、依赖于蛋白质因子的转录抗终止 噬菌体中的N蛋白具有抗转录终止的作用。DNA序列A区（CGCTCTTA）二重对称序列结合N蛋白结合NusARNA聚合酶结合 随后NusG，S10，NusB都结合在Nut位点，形成复合物，使RNA聚合酶构象改变，对终止信号不敏感，使RNA链的合成继续。8/27/202249第六节 内含子的剪接、编辑、再编辑及化学修释一、RNA中的内含子不连续基因（interrupted / d

20、iscontinuous gene，split gene，割裂基因）真核生物基因除了与mRNA相对应的编码序列外，还含有一些不编码的序列插在编码序列之间。这些序列在加工为成熟的mRNA时被去除。外显子（exon）：基因中与mRNA一致的序列。一个基因总是以外显子为起点和终点。内含子（intron）：基因中编码序列之间的介入序列，在原初转录物加工为mRNA时被去除。8/27/202250 内含子两端没有长的同源或互补序列，但有极短的保守的共有序列，左端（上游）为GU，右端（下游）为AG。这一现象称为GU-AG规则。左端的位点也叫供体位点（donor site）或者5，右端也叫受体位点（accep

21、tor site）或者3。8/27/202251内含子的结构特点GU-AG法则3端附近有一段1020个嘧啶核苷酸的区域5端有保守序列5-GUPuAGU-33 端上游1850个核苷酸处有保守序列Py80NPy87Pu75APy953A/CAGGUPuAGU A Py rich AGG55剪接位点分支点3剪接位点内含子外显子外显子8/27/202252剪接体的组装和剪接过程内含子释放进一步与U4、U5、U6三聚体结合，形成 60 S 剪接体U1释放，U5从内含子区移到外显子区，U6结合在5剪切位点U1结合在5剪切位点，U2AF结合在多嘧啶区U2结合在分支点，形成剪接前体U4释放，U6/U2催化5剪

22、切，U5结合在3剪切位点U2/U5/U6催化3剪切二、mRNA的剪接8/27/202253内含子的剪接方式有： 组成性剪接：在高等真核生物中，内含子通常是有序或组成性地从mRNA前体中被剪接，这种剪接方式称为组成性剪接。 变位剪接：又叫选择性剪接，指在剪接过程中可以有选择性地越过某些外显子或某个剪接位点进行变位剪接，产生出不同mRNA，这种剪接方式称为变位剪接。8/27/202254I 类内含子（Group I ） 出现于低等真核生物四膜虫pre-RNA。在真菌线粒体中很普遍。也存在于噬菌体T4和细菌中。这类内含子具有自我剪接（self-splicing / autosplicing）的能力。

23、8/27/202255 GNP的3-OH攻击内含子5端，形成G-内含子，和外显子部分； 分离的外显子3-OH攻击下一个外显子的5端； 释放的内含子3-OH攻击自身5端15碱基处。类内含子的剪接主要是转酯反应8/27/202256 具有9个配对区（双螺旋区），其中P4、P7比较保守； P3、P4、P6、P7形成内含子的“核心”，是可进行具催化反应的最小区域； P1包括一段外显子，称为IGS（internal guide sequence）。I 类内含子的一般二级结构8/27/202257 类内含子主要存在于真核生物的线粒体和叶绿体rRNA基因中。 两步反应都通过酯基转（transesterifi

24、cation）进行。 分支位点A残基2-OH攻击5位点。 上游外显子3-OH攻击3位点。8/27/202258 剪接的第一步，分支位点A残基2 OH 攻击内含子5位点，使内含子5 端与上游外显子之间断裂； 5端与内含子中靠近3端的一A 残基2-OH 形成一索套形中间产物; A 所在位点称为分支位点（branch site）; 第二步，上游外显子3 OH 攻击3位点，在3位点切割，释放出内含子，连接两个外显子。II 类（group II）内含子的剪接8/27/202259翻译转录末端修饰剪接 RNA剪接、加工均发生于核内。 翻译发生于细胞质中的核糖体上。8/27/202260三、RNA的编辑、再

25、编辑及化学修饰1、RNA的编辑 指某些RNA，特别是在mRNA中插入、删除或取代一些核苷酸残基，导致DNA所编码遗传信息的改变，从而翻译出多种氨基酸序列不同的蛋白质。结果使成熟mRNA的核苷酸序列不同于前体，也不同于DNA模板，使遗传信息在mRNA水平上发生改变。8/27/202261介导RNA编辑的机制有两种：a、脱氨基作用b、引导RNA指导的尿嘧啶插入或删除8/27/202262(1)、单碱基突变(脱氨基作用） 载脂蛋白基因在动物肝脏和小肠中的表达。C U转变通过脱氨反应进行，由脱氨酶催化。载脂蛋白mRNA的编辑8/27/202263 细胞色素氧化酶II蛋白的序列与其基因相比，发生了移码（frameshift）。移码是通过在移码位点附近插入4个U形成。(2)、尿苷酸的缺失和添加8/27/202264利什曼原虫（Leishmania）的细胞色素 b 基因表达时的RNA编辑 指导RNA（guide RNA）：指导RNA编辑的小分子RNA，又称向导RNA。长度大约是6080个核苷酸，中间有一段与被编辑mRNA相当程度互补的序列。 指导RNA上存在一些未能配对的腺嘌呤，形成缺口，为插入尿嘧啶提供了模板。8/27/202265RNA编辑的生物学意义：（1）校正作用（2）调控翻译（3）扩充遗传信息8/27/2022