分子生物学第章生物信息传递(上)从dna到rna

●基本概念●转录机器的主要成分——RNA聚合酶、启动子、增强子、转录因子●转录的基本过程●转录后加工●原核生物与真核生物mRNA的特征比较Contents当前1页，总共106页。是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。但对于rRNA、tRNA编码基因来说，基因表达就是转录生成RNA的过程。一、基本概念基因表达（geneexpression）当前2页，总共106页。生物体以DNA为模板合成RNA的过程。转录RNADNA

转录(transcription)：当前3页，总共106页。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'当前4页，总共106页。转录的不对称性：

(1)在RNA的合成中，DNA的二条链中仅有一条链可作为转录的模板，另一股链不转录。

⑵模板链或编码链并非永远在同一条单链上。编码链与模板链:与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链；将另一条根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为模板链。当前5页，总共106页。模板链或编码链并非永远在同一条单链上。转录方向5335模板链编码链编码链模板链转录方向DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因。结构基因：当前6页，总共106页。5´……GCAGTACATGTC……3´3´……cgtcatgtacag……5´5´……GCAGUACAUGUC……3´N……Ala·Val·His·Val……CDNA转录mRNA翻译肽DNA模板、转录产物mRNA

和氨基酸序列之间的关系编码链模板链｝当前7页，总共106页。●基本概念●转录机器的主要成分———

RNA聚合酶、启动子、增强子、转录因子●转录的基本过程●转录后加工●原核生物与真核生物mRNA的特征比较Contents当前8页，总共106页。

转录酶(transcriptase)即为RNA聚合酶，是依

赖DNA的RNA聚合酶(DNAdependentRNApolymerase,RNA-pol)。

大肠杆菌(E.coli)的RNA聚合酶是由5种亚基α、β、β´、ω和σ(sigma)组成的六聚体蛋白质，分子量为4.65KD。α2ββ´

ω合称为核心酶(coreenzyme),在试管内能催化NTP聚合生成RNA。σ亚基加上核心酶(α2ββ´ωσ)称为全酶（holoenzyme)。1、原核生物的RNA聚合酶（一）

RNA聚合酶二、转录机器的主要成分——

RNA聚合酶、启动子、增强子、转录因子当前9页，总共106页。当前10页，总共106页。核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)ωω当前11页，总共106页。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αrpoA365002核心酶核心酶组装，启动子识别βrpoB1510001核心酶β和β'共同形成RNA合成的活性中心β'rpoC1550001核心酶ω？110001核心酶？σrpoD700001全酶存在多种σ因子，用于识别不同的启动子当前12页，总共106页。2、真核生物RNA聚合酶酶位置转录产物相对活性对α-鹅膏蕈碱的敏感性RNA聚合酶Ⅰ核仁rRNA50-70%不敏感RNA聚合酶Ⅱ核质hnRNA20-40%敏感RNA聚合酶Ⅲ核质tRNA5SRNAsnRNA约10%存在物种特异性真核细胞的三种RNA聚合酶特征比较当前13页，总共106页。RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大，4.8×105小，1.09×105引物无有产物较短，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当前14页，总共106页。（二）启动子(promoter)启动子定义：指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。当前15页，总共106页。RNA聚合酶保护法41-44bp1、原核生物启动子结构当前16页，总共106页。开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205335原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点(recognitionsite)55RNA聚合酶保护区结构基因33当前17页，总共106页。模板链AACTGTATATTATTGACATATAAT3’5’DNA转录起始点Probnow盒子启动子35

10

+1转录区5’3’RNA转录起始点与新生RNA链第一个核甘酸相对应DNA链上的碱基。编码链当前18页，总共106页。

-35区：TTGACA保守序列（Sextamabox）。是RNA聚合酶全酶对转录起始的辨认位点(recognition）-10区：TATAAT保守序列（PribnowBox）。

是RNA聚合酶的紧密结合位点（富含AT碱基，有利于双链打开）当前19页，总共106页。大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区T85T83G81A61C69A52T89A89T50A65A100当前20页，总共106页。原核生物典型启动子的结构

-35-10转录起点TTGACA16-19bpTATAAT5-9bp-10区与-35区的最佳间距当前21页，总共106页。Pribnow框与Sextama框之间的碱基序列并不重要，但两个序列之间的距离十分重要；天然启动子这段距离多为16～19bp，距离的大小可能是决定启动子强度的因素之一。实验表明：两个序列之间的距离为17bp时，转录效率最高。启动子上升突变，提高转录活性；启动子下降突变，降低转录水平。

细菌中常见两种启动子突变：当前22页，总共106页。2、真核生物启动子真核生物有三种不同的启动子和有关的元件。启动子Ⅱ最为复杂，它和原核的启动子有很多不同当前23页，总共106页。真核生物启动子的结构核心启动子（corepromoter）上游启动子元件（upstreampromoterelement，UPE）当前24页，总共106页。（1）核心启动子●定义：指保证RNA聚合酶Ⅱ转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游TATA区.●作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始TATA常在-25bp左右，相当于原核的-10序列T85A97T93A85A63A83A50当前25页，总共106页。当前26页，总共106页。（2）上游启动子元件●包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等●作用：控制转录起始频率，基本不参与起始位点

的确定。尤其是CAAT区的影响最大。CAAT：-70—-80bpGGGCGGG：-80——-110bp当前27页，总共106页。转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒

增强子AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体真核生物RNApolⅡ转录的基因当前28页，总共106页。SV40早期启动子组蛋白H2BTATACAATGC当前29页，总共106页。（三）转录起始复合物●原核生物转录起始复合物当前30页，总共106页。

转录因子转录复合体TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIFPolIITFIIE

RNApolⅡ的转录起始●真核生物转录起始复合物当前31页，总共106页。真核细胞基本转录因子结构与功能转录因子功能TFⅡD

与TATA盒结合，起始点固定TBP与TATA盒特异结合TAF决定启动子和RNApol特异性TFⅡA稳定TFⅡD与TATA间的相互作用TFⅡB起始点选择，帮助其它因子进入，与上游转录因子作用TFⅡF与RNApolⅡ结合，共同进入起始复合物TFⅡE与polⅡ相互作用，协助TFⅡH的作用TFⅡH蛋白激酶活性，解链酶及ATP酶活性TFⅡJ功能不清楚当前32页，总共106页。当前33页，总共106页。能结合反式作用因子，决定基因的时间和空间特异性表达，增强启动子转录活性的DNA序列。

增强子作用特点：⑴远距离效应：一般位于-200bp处。⑴无方向性：增强子无论位于基因的上游、下游或

或内部都有增强转录的作用。⑵顺式调节：只调节位于同一染色体上的靶基因。⑶无物种和基因的特异性。⑷具有严密的组织或细胞特异性。⑸具有相位性：其作用与DNA的构象有关。⑹许多增强子受外部信号的调控。（四）增强子当前34页，总共106页。●基本概念●转录机器的主要成分———

RNA聚合酶、启动子、增强子、转录因子●转录的基本过程●转录后加工●原核生物与真核生物mRNA的特征比较Contents当前35页，总共106页。三、转录的基本过程1、模板（起始位点）的识别：RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与

之相结合的过程。转录分四个阶段：

模板的识别、转录起始、转录延伸、转录终止当前36页，总共106页。（4）

－10区DNA双链解开12～17bp，形成开放的

二元启动子复合物（模板－酶）。

（2）RNA聚合酶全酶(2ω)与模板－35序列结合，形成闭合的二元闭合启动子复合物。（1）因子辨认转录起始点（-35区的TTGACA序列）（3）RNA聚合酶向－10区转移，并与之牢固结合。2、转录起始当前37页，总共106页。RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3转录起始复合物:5-pppG-OH+NTP

5-pppGpN-OH3+ppi（5）在RNA聚合酶β亚基催化下形成第一个磷酸二酯键，形成三元复合物（模板－酶－RNA）。（6）当三元复合物中RNA长达9个核苷酸以上时，

因子从全酶解离下来，进入延长阶段。当前38页，总共106页。当前39页，总共106页。（1）亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；

（2）在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。(NMP)n

+

NTP(NMP)n+1

+PPi（3）碱基配对原则：A-U，T-A，G-C（4）

延长中的转录复合物也叫转录空泡。随着RNA

聚合酶前移，转录产物RNA不断移出转录空泡，已转录完毕的DNA双链又重新复合而不再打开。（5）原核生物的转录和翻译偶联进行。3、RNA链的延伸当前40页，总共106页。转录空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）

····DNA····RNA当前41页，总共106页。当前42页，总共106页。53DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶当前43页，总共106页。4、转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。（1）不依赖Rho因子的转录终止－强终止子（2）依赖ρ因子的转录终止－弱终止子分类：当前44页，总共106页。终止子（terminator，t）

●强终止子－内部终止子（不依赖ρ因子）

●弱终止子－需要ρ因子（rhofactor）又称为ρ依赖性终止子（Rho-dependentterminator）当前45页，总共106页。转录方向3´3´5´TCGGGCGAGCCCGCCGCCCGAGCGGGCTAAAAAATTTTTT3´3´5´5´DNA模板链编码链AAAAAAUUUUUU5´CGCCCGAGCGGGCU5´TTTTTTDNA模板链编码链转录产物3´

不依赖ρ因子的终止子当前46页，总共106页。不依赖因子的终止终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的反向重复序列，转录产物RNA形成发夹结构；在终止位点前面有一段由4-8个A组成的序列，RNA的3’端为寡聚U当前47页，总共106页。发夹式结构和寡聚U的共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。当前48页，总共106页。终止效率与反向重复序列和寡聚U的长短有关，长度效率当前49页，总共106页。依赖因子的转录终止因子：六聚体蛋白、水解各种核甘三磷酸促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。当前50页，总共106页。当前51页，总共106页。转录的基本过程当前52页，总共106页。

转录与复制的相似之处：⑴都以DNA为模板；⑵都需依赖DNA的聚合酶；⑶聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸二酯键；⑷都从5´→3´方向延伸成新链多聚核苷酸；⑸都遵从碱基配对规律。但转录忠实性要低于DNA复制。

当前53页，总共106页。转录和复制的区别复制转录模板两股链均复制模板链转录(不对称转录)原料dNTPNTP酶DNA聚合酶RNA聚合酶产物子代双链DNA(半保留复制)mRNA,tRNA,rRNA配对A-T,G-CA-U,T-A,G-C引物需要RNA引物无当前54页，总共106页。●基本概念●转录机器的主要成分———

RNA聚合酶、启动子、增强子、转录因子●转录的基本过程●转录后加工●原核生物与真核生物mRNA的特征比较Contents当前55页，总共106页。四、转录后加工当前56页，总共106页。

原核细胞转录产物特点：⑴原核细胞没有核膜，转录和翻译场所不是分开的。⑵mRNA的转录产物不是前体的形式，其初级产物本身就具备活性，不必加工和运输就可执行翻译功能，且边转录RNA边翻译蛋白质。即转录和翻译是紧密偶联进行的。⑶tRNA和rRNA的初级转录产物仍为前体的形式，需经过加工处理才能执行各自的功能。当前57页，总共106页。

真核细胞转录产物特点：⑴每种转录产物都是各种RNA的前身，即无活性，亦无功能。⑵初级转录产物必须在胞核内经过适当加工，使之变成具有活性的成熟RNA后，由胞核运至胞质才能执行翻译功能。⑶真核细胞转录作用和翻译作用无论在空间上还是时间上都是彼此分开进行的。当前58页，总共106页。tRNA前体RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA（一）tRNA前体的加工

真核tRNA基因大多成簇存在。当前59页，总共106页。当前60页，总共106页。tRNA前体的加工反应剪接去除内含子

剪切作用——剪掉5´端前导序列：

添加或修饰3´端CCA序列某些碱基的化学修饰⑴甲基化：如A→mA，G→mG。⑵还原反应：尿嘧啶还原为双氢尿嘧啶

(U→DHU)。⑶核苷内的转位反应：尿嘧啶核苷转变为假尿嘧啶核苷(φ)。(N1-C1´→C5-C1´)⑷脱氨反应：腺苷酸脱氨成为次黄嘌呤核苷

(A→I)。当前61页，总共106页。（二）rRNA前体的加工

原核生物rRNA基因转录的初

级产物为30SrRNA。经加工形成成熟的16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA及tRNA分子。大肠杆菌共有7个转录单位，每个转录单位由16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA及一个或几个tRNA基因组成。

真核生物rRNA基因转录的初级产物为

48SrRNA。经加工形成成熟的18SrRNA、

28SrRNA、5.8SrRNA。当前62页，总共106页。大肠杆菌rRNA前体加工过程当前63页，总共106页。18S5.8S28S18S-rRNA5.8S和28S-rRNA内含子45S转录产物剪接终产物rDNA基因间隔哺乳动物细胞rRNA前体加工过程当前64页，总共106页。5’端加帽3’端加尾(polyA)mRNA的剪接RNA的编辑（三）真核生物mRNA前体的加工当前65页，总共106页。5’端的第一个核苷酸总是7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5’端的这种结构称为帽子（cap）。1、在5’端加帽当前66页，总共106页。m7Gppp鸟甘酸转移酶当前67页，总共106页。5´端加帽的作用：①保护mRNA，防止降解。因为RNA酶的5´→3´

外切酶活性不能裂解三磷酸连接。②增强mRNA的可翻译性。帽结合蛋白首先识别和结合5´端帽子，促进mRNA与核糖体结合。③促进mRNA从细胞核运输到细胞浆。④增强mRNA的剪接效率。5´端帽子对于第一个外显子的剪接非常重要。当前68页，总共106页。2、3’端加尾多聚腺苷酸尾巴AAUAAA：★准确切割★加poly（A）当前69页，总共106页。当前70页，总共106页。3´端poly（A）的作用：①保护mRNA免于迅速降解；

提高了mRNA在细胞质中的稳定性。②促进mRNA的翻译效率。

除去poly（A）和poly（A）结合蛋白

（PABP）都会抑制翻译的起始。当前71页，总共106页。3、mRNA的剪接——剪去内含子(P93)①5´端边界序列为GU；5´端保守序列5´GUPuAGU②

3´端边界序列为AG;③距3´端18-40个核苷酸处有一个“分支点”，一定含保守A﹡，A﹡发动第一次转酯反应。④

在3´端与“分子点”中间有一段富含嘧啶的区域。

核mRNA前体的剪接信号:

真核mRNA基因平均含有8-10个内含子。多数核mRNA基因内含子遵循GU-AG法则。当前72页，总共106页。当前73页，总共106页。①snRNA种类：20多种，U族13种，其余为非U族。②U族snRNA特点：

尿嘧啶核苷酸占35％以上，故而得名；

5´端也有帽子结构(m32,2,7G-或mPPPN-)；二级结构含有若干个发夹氏结构，极大保守；

剪接参与因素：snRNA与snRNPU族snRNA与蛋白结合构成snRNP；

snRNP与hnRNA结合成为剪接体，进行剪接；参与mRNA剪切的snRNP包括U1、U2

、U4

、U5

、U6剪接反应：当前74页，总共106页。剪接过程CAG=UAG》AAG》GAG3´AG的剪接效率：当前75页，总共106页。

5’..AAGUAAGU…….CURAY..(10-40)…(U/C)11NCAGG….3’IntronexonexonPolyprimidineCAG=UAG>AAG>GAG当前76页，总共106页。生物体内内含子的主要类型：

GU-AG

细胞核pre-mRNA（真核）

AU-AC

细胞核pre-mRNA（真核）

Ⅰ类内含子细胞核pre-rRNA（真核）

Ⅱ类内含子线粒体和叶绿体pre-rRNA

Ⅲ类内含子细胞器pre-mRNA

双内含子细胞器RNA

tRNA前体中的内含子细胞核pre-tRNA

当前77页，总共106页。Ⅰ类内含子的自我剪接最终形成稳定的线形产物L-19，具有酶的活性和特征当前78页，总共106页。Ⅱ类内含子的自我剪接当前79页，总共106页。当前80页，总共106页。当前81页，总共106页。4、RNA的编辑编辑（editing）是指转录后的RNA在编码区发生碱基的突变、加入或丢失等现象。

近年发现某些mRNA前体的核苷酸序列需加以改编，才能变成正确的有翻译活性的模板。

mRNA的这种编辑作用广泛存在于原生动物及植物细胞的线粒体。

改编过程包括：在mRNA前体中插入、剔除或置换一些核苷酸。当前82页，总共106页。C变为U碱基的突变当前83页，总共106页。尿苷酸的缺失和添加在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸，1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象。当前84页，总共106页。锥虫coxII基因的编辑当前85页，总共106页。当前86页，总共106页。RNA编辑的生物学意义：

校正作用；调控翻译；如Apo-B基因在肠道的表达。扩充遗传信息：按照基因信息传递的理论，这种mRNA的编辑作用无疑是对传统分子生物学原理的挑战。RNA编辑的四种类型：①简单编辑：单碱基的转变；②插入编辑：插入单个核苷酸；③泛编辑：插入或丢失多个尿嘧啶核苷酸；④多聚腺嘌呤编辑：在转录产物末端加A。当前87页，总共106页。RNA的再编码：mRNA在某些情况下不是以固定的方式被翻译，而可以改变原来的编码信息，以不同的方式进行翻译。这种RNA编码和读码方式的改变称为RNA的再编码。核糖体程序性+1/-1移位；核糖体跳跃；终止子通读——硒代半胱氨酸、吡咯赖氨酸RNA的化学修饰当前88页，总共106页。

核酶：具有催化功能的RNA分子。L-19具有酶的主要特征：专一性强，加快反应速度，反应前后酶分子保持不变，这种由

RNA构成的酶称之为核酶。

核酶首先是美国Colorado大学Cech在研究四膜虫rRNA剪接机制时发现的（1982年）。他一方面证明了四膜虫rRNA的剪接机制；另一方面证明了L-19分子的催化活性。

继而在1983年，耶鲁大学SidneyAltamn

发现了第二个核酶，参与tRNA前体加工的

RNaseP。1992年，加州大学的HarryNoller

又证明了核糖体大亚基rRNA的催化活性。当前89页，总共106页。

核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要修正；核酶的发现是对传统酶学的挑战；为基因治疗提供了新的策略；为生命起源的研究提供了新思路。核酶分类：

剪切型核酶：如RNaseP

剪接型核酶：Ⅰ类和Ⅱ类内含子当前90页，总共106页。RNA在生物进化中的地位：1、RNA比相应DNA序列含有更多的遗传信息；2、RNA是获得性遗传的分子基础。DNA是信息分子蛋白质是功能分子RNA既是信息分子，又是功能分子3类生物大分子当前91页，总共106页。●基本概念●转录机器的主要成分———

RNA聚合酶、启动子、增强子、转录因子●转录的基本过程●转录后加工●原核生物与真核生物mRNA的特征比较Contents当前92页，总共106页。五、原核生物与真核生物mRNA的特征比较

1、原核生物mRNA的特征●半衰期短●多以多顺反子的形式存在多顺反子mRNA：编码多个蛋白质的mRNA。单顺反子mRNA：只编码一个蛋白质的mRNA。当前93页，总共106页。结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透过酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA当前94页，总共106页。●5’

端无“帽子”结构，3’

端没有或只有较短的poly（A）结构。起始密码子