第三章生物信息的传递（上）从DNA到RNA

南京农业大学生命科学学院分子生物学第三章生物信息的传送〔上〕——从DNA到RNA 本章将引见生物信息的传送的上半部分，即转录——从DNA到RNA。2023/12/272南京农业大学生命科学学院第三章生物信息的传送〔上〕基因作为独一可以自主复制、永久存在的单位，其生理学功能以蛋白质方式得到表达。DNA序列是遗传信息的储存者，它经过自主复制得到永存，并经过转录生成mRNA，翻译生成蛋白质的过程控制一切生命景象。2023/12/273南京农业大学生命科学学院第三章生物信息的传送〔上〕转录〔transcription〕——生物体以DNA为模板合成RNA的过程。转录后得到的RNA要经过加工才干变成成熟的mRNA转录产物还可以变为rRNA和tRNA。参与转录的物质：底物:4种NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶其他蛋白质因子2023/12/274南京农业大学生命科学学院第三章生物信息的传送〔上〕第一节转录的根本过程第二节转录机器的组成第三节启动子与转录起始第四节原核与真核生物mRNA的特征比较第五节终止与抗终止第六节mRNA的加工2023/12/275南京农业大学生命科学学院第一节转录的根本过程无论在原核还是真核细胞中，RNA链的合成都具有以下几个特点：RNA按5’→3’方向合成以DNA双链中的反义链为模板不需求引物参与合成的RNA有与DNA编码链一样的序列〔A-U〕转录的根本过程包括：模板的识别，转录起始，转录延伸，转录终止2023/12/27南京农业大学生命科学学院6第一节转录的根本过程1.模板的识别模板的识别阶段主要指RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。启动子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。真核细胞中的模板识别与原核细胞有所不同，需求一些转录调控因子〔辅助蛋白〕，RNA聚合酶才干识别启动子并构成转录前起始复合物〔PIC〕。2023/12/27南京农业大学生命科学学院72023/12/27南京农业大学生命科学学院82.转录起始RNA聚合酶结合到启动子上以后，使启动子附近的DNA解旋并解链，构成转录泡以促使核糖核苷酸与模板DNA配对。转录起始即是RNA链上第一个核苷酸链的产生。无需引物。起始后直到构成9个核苷酸的过程是经过启动子阶段，此时RNA聚合酶不断在启动子处，之后进入正常延伸。2023/12/27南京农业大学生命科学学院93.转录延伸转录延伸即是RNA聚合酶释放σ因子分开启动子后，中心酶沿着模板DNA挪动并使新生RNA链不断伸长的过程。4.转录终止当RNA链延伸到终止位点时，RNA将停顿合成，转录泡瓦解，DNA链复原，新生RNA链和RNA聚合酶将被释放下来。这即是转录终止。第二节转录机器的组成转录机器即是转录复合物，其最中心成分是RNA聚合酶。2023/12/27南京农业大学生命科学学院10第二节转录机器的组成1.RNA聚合酶RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶。原核和真核生物的RNA聚合酶虽然都能催化RNA的合成，但在其分子组成、种类和生物化学特性上各有特征。2023/12/27南京农业大学生命科学学院11第二节转录机器的组成1.RNA聚合酶原核生物RNA聚合酶在细菌中，一种RNA聚合酶几乎担任一切mRNA、rRNA和tRNA的合成。大肠杆菌RNA聚合酶：2个α亚基1个β亚基1个β’亚基1个σ亚基2023/12/27南京农业大学生命科学学院12中心酶全酶原核生物RNA聚合酶转录的其实过程需求全酶，延伸过程仅需求中心酶。各亚基的功能：β亚基和β’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同源。β亚基能与模板DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合。α亚基能够与中心酶的组装及启动子的识别有关，并参与RNA聚合酶和部分调理因子的相互作用。2023/12/27南京农业大学生命科学学院13各亚基的功能：σ因子的作用是担任模板链的选择与转录的起始，它是酶的别构效应物，使酶专注性识别启动子。提高酶对启动子的亲和力，酶底结合常数提高103倍降低酶对非专注性位点的亲和力，非特异性结合常数降低104倍某些细菌内含有能识别不同启动子的σ因子。2023/12/27南京农业大学生命科学学院14第二节转录机器的组成1.RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶在真核生物中共有3类RNA聚合酶。真核生物RNA聚合酶普通由8-16个亚基所组成，相对分子质量超越5×105。2023/12/27南京农业大学生命科学学院15

酶位置转录产物相对活性对α-鹅膏蕈的敏感性RNA聚合酶Ⅰ核仁28s,18s,5.8srRNAs50～70%不敏感RNA聚合酶Ⅱ核质hnRNA,mRNA,某些SnRNAs20～40%高度敏感RNA聚合酶Ⅲ核质tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs～10%存在物种特异性

第二节转录机器的组成1.RNA聚合酶其它RNA聚合酶除了前述两种RNA聚合酶，还有：T3和T7噬菌体RNA聚合酶。仅有一条多肽链组成，相对分子质量小于1×105。线粒体RNA聚合酶。仅有一条多肽链组成，相对分子质量小于7×104，与T7噬菌体RNA聚合酶有同源性。叶绿体RNA聚合酶。构造比较大，与细菌RNA聚合酶类似，由多个亚基组成。2023/12/27南京农业大学生命科学学院16

第二节转录机器的组成2.转录复合物在转录的不同阶段，RNA聚合酶将同DNA结合，构成不同的复合物：在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合构成封锁二元复合物。接着，结合处DNA双链解开，封锁复合物变为开放二元复合物。转录开场，由RNA聚合酶、DNA和新生RNA构成三元复合物。2023/12/27南京农业大学生命科学学院17

第二节转录机器的组成2.转录复合物除RNA聚合酶外，真核生物转录还需求至少7中辅助因子参与。这些蛋白辅助因子统称转录因子。普通情况下，三元复合物进入以下两条途径：合成并释放2-9nt的短RNA转录物，即流产式转录。尽快释放σ亚基，转录起始复合物经过启动子区域构成转录延伸复合物。2023/12/27南京农业大学生命科学学院18

第三节启动子与转录起始1.启动子区的根本构造启动子是一段位于构造基因5’端上游区的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确地结合，并具有转录起始的特异性。2023/12/27南京农业大学生命科学学院19第三节启动子与转录起始1.启动子区的根本构造原核生物中经对启动子的比较，它们有共有序列：在上游10bp处为TATAAT，又称为Pribnow盒在上游35bp处为TTGACA。T82T84G78A65C54A45···T80A95T45A60A50T96

2023/12/27南京农业大学生命科学学院20第三节启动子与转录起始1.启动子区的根本构造真核生物中：TATA序列(TATAbox)：位于-25～-35，使转录准确地起始，TATA序列也叫中心启动元件。CCAAT序列(CAATbox)：位于-70～-80，CAAT区主要控制转录起始频率。GCCACACCC或GGGCGGG序列〔GCbox〕：位于-110～-80，主要控制转录起始频率。并非每个基因中都包含这3个区域。2023/12/27南京农业大学生命科学学院21第三节启动子与转录起始2.启动子区的识别RNA聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是经过氢键互补的方式加以识别。在启动子区DNA双螺旋构造中，存在特定方位的氢键供体和受体〔碱基上的基团〕，能与酶分子内也处于特定空间构象的氢键受体与供体结合，从而相互识别。3.RNA聚合酶与启动子区的结合在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合构成封锁二元复合物。接着，结合处DNA双链解开，封锁复合物变为开放二元复合物。2023/12/27南京农业大学生命科学学院22第三节启动子与转录起始4.-10区与-35区的最正确间隔原核生物中，-10区与-35区之间的间隔大约是16～19bp，小于15bp或大于19bp都会降低启动子的活性。细菌中常见的两种突变：下降突变：假设Pribnow区从TATAAT变为AATAAT就会大大降低其构造基因的转录程度。上升突变：即添加Pribnow区共同序列的同一性。2023/12/27南京农业大学生命科学学院23第三节启动子与转录起始4.-10区与-35区的最正确间隔原核生物中，-10区与-35区之间的间隔大约是16～19bp，小于15bp或大于19bp都会降低启动子的活性。细菌中常见的两种突变：下降突变：假设Pribnow区从TATAAT变为AATAAT就会大大降低其构造基因的转录程度。上升突变：即添加Pribnow区共同序列的同一性。2023/12/27南京农业大学生命科学学院24第三节启动子与转录起始5.加强子及其功能加强子是长约100～200bp的序列，它们与启动子不同，可以位于转录起始位点的上游，也可位于其下游。加强子具有添加启动子的作用，与启动子一同都可视为基因表达调控中的顺式作用元件，可与转录因子和RNA聚合酶结合，启动并调理基因转录。2023/12/27南京农业大学生命科学学院25第三节启动子与转录起始5.加强子及其功能加强子的特点：远间隔效应。普通位于上游-200bp处。无方向性。可位于靶基因的上游、下游或内部。顺式调理。只调理位于同一染色体上的靶基因。无物种和基因特异性。可衔接到异源基因上发扬作用。有组织特异性。需求特定的蛋白因子参与。有相位性。其作用与DNA的想象有关。有的加强子可以对外部信号产生反响。2023/12/27南京农业大学生命科学学院26第三节启动子与转录起始6.转录的抑制转录抑制剂根据其作用性质主要可以分为两大类：DNA模板功能抑制剂，与DNA结合而改动模板的功能。RNA聚合酶抑制剂，与RNA聚合酶结合而抑制其活力。除上述抑制剂外，还有一些嘌呤和嘧啶的类似物，如5-氟尿嘧啶等，可以作为核苷酸代谢拮抗物来抑制核酸前体的合成。2023/12/27南京农业大学生命科学学院27抑制剂靶酶抑制作用利福霉素细菌的全酶与β亚基结合，阻止起始链霉溶菌素细菌的核心酶与β亚基结合，阻止延长放线菌素D真核RNA聚合酶Ⅰ与DNA结合，并阻止延长α-鹅膏蕈碱真核RNA聚合酶Ⅱ与RNA聚合酶Ⅱ结合第四节mRNA的特征1.原核生物mRNA的特征原核生物mRNA半衰期短许多原核生物mRNA能够已多顺反子的方式存在5’端无帽子构造，3’端没有或只需较短的poly(A)构造起始密码子常为AUG，有时也为GUG，甚至UUG2023/12/27南京农业大学生命科学学院28第四节mRNA的特征1.原核生物mRNA的特征存在SD序列(Shine-Dalgarnosequence)。原核生物起始密码子AUG上游7～12个核苷酸处的一段保守序列，与16SrRNA端3′端反向互补，被以为在核糖体-mRNA的结合过程中起作用。2023/12/27南京农业大学生命科学学院29第四节mRNA的特征2.真核核生物mRNA的特征：单顺反子5′端存在帽子构造。3′端具poly(A)尾巴〔除组蛋白基因外〕起始密码子仅为AUG2023/12/27南京农业大学生命科学学院305’m7GpppNmNmAUGpolyA3’非编码区长度不一编码区几百-几千核苷酸非编码区100-250核苷酸UGAUAGUAA真核生物mRNA的构造方式2023/12/27南京农业大学生命科学学院312.真核核生物mRNA的特征5’端加帽反响在转录早期即已完成。帽子构造有三种不同甲基化方式。帽子的作用能够使mRNA免遭核酸酶的破坏。甲基化的帽子也能够是蛋白质合成起始信号的一部分。2023/12/27南京农业大学生命科学学院322.真核核生物mRNA的特征多聚尾巴是在转录后，由内切酶切开mRNA3’端的特定部位，然后由polyA聚合酶催化多聚腺苷酸反响。PolyA是mRNA进入胞质必需的方式，加强稳定性。mRNA刚进入进入胞质时，polyA尾巴较长，随时间推移将变短直至消逝，随后mRNA将降解。第五节终止和抗终止 至目前为止，尚未发现某一特定位点具有特异的转录终止功能。 RNA终止时，3’端核苷酸如何定位？ 根据转录终止能否需求辅助因子，可将终止子分为两类：不依赖于ρ因子的终止依赖于ρ因子的终止2023/12/27南京农业大学生命科学学院33第五节终止和抗终止1.不依赖于ρ因子的终止此类终止反响中，无任何其它因子参与。模板中存在终止转录的特殊信号——终止子，又称内在终止子〔intrinsictermation〕每个基因或支配子都有一个启动子和一个终止子。2023/12/27南京农业大学生命科学学院34第五节终止和抗终止1.不依赖于ρ因子的终止内在终止子的特点：终止位点上游普通存在一段富含GC碱基的二重对称区，其转录生成的mRNA容易互补构成的发卡式构造。终止位点上游普通有4～8个A组成的序列，转录生成的mRNA的3′末端中相应的有一连串U序列。2023/12/27南京农业大学生命科学学院352023/12/27南京农业大学生命科学学院361.不依赖于ρ因子的终止新生RNA中出现发卡构造可导致RNA聚合酶暂停，破坏RNA-DNA杂合链5’端正常构造，寡聚U是杂合链3’端部分出现不稳定rU·dA区域。新生RNA链将解离出来。终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关。2023/12/27南京农业大学生命科学学院372.依赖于ρ因子的终止有些终止点的DNA序列缺乏共性，不能诱导转录的自发终止，需求ρ因子的参与。“穷追〞模型大肠杆菌ρ-依赖型终止子占一切终止子的一半左右。第五节终止和抗终止3.抗终止2023/12/27南京农业大学生命科学学院38由于不同生理要求，转录过程中有时即使遇到终止信号，仍需求继续转录的景象。第五节终止和抗终止3.抗终止两种类型：破坏终止位点RNA的茎-环构造当介质中某一氨基酸的浓度较低时，缺乏相应氨酰-tRNA，将致使核糖体滞留在串联密码子上，mRNA不能构成特定的二级构造，末端茎-环构造被破坏，因此转录仍将继续进展，出现抗终止景象。2023/12/27南京农业大学生命科学学院392023/12/27南京农业大学生命科学学院403.抗终止依赖于蛋白质因子的转录抗终止蛋白复合物构成后，将会改动聚合酶的构象，使之对终止信号不敏感，从而抗终止。第六节mRNA的加工 转录产生的RNA要经过剪接、编辑、再编码及化学修饰等加工过程才干变成有活性的RNA分子。2023/12/27南京农业大学生命科学学院41第六节mRNA的加工 转录作用产生出的mRNA、tRNA及rRNA的初级转录本全是前体RNA或核不均一RNA(hnRNA,hetero-geneousnuclearRNA)，而不是成熟的RNA，它们没有生物学活性，还要在酶的作用下，进展加工才干变为成熟的、有活性的RNA。 RNA的加工过程主要是在细胞核内进展，也有少数反响是在胞质中进展。2023/12/27南京农业大学生命科学学院42第六节mRNA的加工1.RNA中的内含子真核生物的基因往往是断裂的基因，其转录所构成的RNA前体要经过剪切，将内含子切除后，将外显子拼接起来才干构成成熟的mRNA。真核基因平均含8～10个内含子，前体分子普通比成熟mRNA大4～10倍。2023/12/27南京农业大学生命科学学院431.RNA中的内含子内含子两端边境存在共有序列：〔GU-AG法那么〕在内含子内部部分序列也能够参与内含子的剪接，他们能够是pre-mRNA剪接过程中各种核糖核蛋白剪接调理因子的结合位点。2023/12/27南京农业大学生命科学学院442.mRNA的剪接许多相对分子质量较小的核内RNA〔如U1，U2，U3，U4，U5和U6〕以及与这些RNA相结合的核蛋白参与RNA的剪接。2023/12/27南京农业大学生命科学学院452023/12/27南京农业大学生命科学学院462.mRNA的剪接内含子的末端识别有内含子限定和外显子限定两种方式。2023/12/27南京农业大学生命科学学院472.mRNA的剪接生物体内各种内含子：与mRNA前体中主要〔GU-AG类〕和次要〔AU-AC类〕内含子剪接方式不同，I、II类内含子能进展自我剪接。2023/12/27南京农业大学生命科学学院48内含子类型细胞内定位GU-AG细胞核，pre-mRNA