第三讲-生物信息的传递(上)-转录

分子生物学

(MolecularBiology)陈爱群主讲第三章生物信息的传递（上）

——从DNA到RNA

基本概念

转录起始：RNA聚合酶、启动子

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

RNA合成与DNA合成异同点Contents一、基本概念

以DNA为模板，在依赖于DNA的RNA聚和酶催化下，以4中rNTP（ATP、CTP、GTP和UTP）为原料，合成RNA的过程。

在有些病毒中，RNA也可以指导合成RNA或逆转录成DNA转录RNADNA

转录(transcription)：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'转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。转录的不对称性：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，称为转录的不对称性。编码链与模板链与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链(有义链）；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（反义链）。模板链并非永远在同一条单链上转录方向5

3

3

5

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：一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列，RNA聚合酶从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。原核生物的转录单位多为多顺反子，真核生物的转录单位为单顺反子。转录单元（transcriptionunit）

基本概念

转录起始：RNA聚合酶、启动子

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

RNA合成与DNA合成异同点Contents

相关概念:＊操纵元(operon):是原核生物基因表达调控的一个完整单元，其中包括结构基因、调节基因、操纵子和启动子ipozyaNolacmRNAAbsenceoflactoseActiveipozya

-GalactosidasePermeaseTransacetylasePresenceoflactose

Inactive结构基因：一般指编码蛋白质的基因。广义上也包括编码RNA的基因。能将携带的遗传信息转录给mRNA,再以mRNA为模板合成具有特定氨基酸序列的蛋白质。调节基因：控制结构基因表达的基因。如编码激活蛋白或阻遏蛋白的基因。能使结构基因需要某种酶时就合成某种酶,不需要时,则停止合成，它对不同染色体上的结构基因有调节作用。操纵基因：与一个或者一组结构基因相邻近，并且能够与一些特异的阻遏蛋白或激活蛋白相互作用，从而控制邻近的结构基因表达的基因。操作基因与一系列受它操纵的结构基因合起来就形成一个操纵子。二、参与转录起始的关键酶与元件（一）RNAσ聚合酶●原核生物RNA聚合酶（大肠杆菌为例）全酶=核心酶+σ(sigma)因子大肠杆菌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？σrpoD700001σ因子存在多种σ因子，用于识别不同的启动子σ因子:负责模板链的选择和转录的起始，使酶专一性的识别模板上的启动子(1)全酶（HoloEnzyme）

•用于转录的起始•依靠空间结构与DNA模板结合(σ与核心酶结合后引起的构象变化)

•专一性地与DNA序列(启动子)结合

•结合常数：1014／mol

•半衰期：数小时（107／mol1秒以下）

•转录效率低，速度缓慢（σ的结合

）（2）核心酶（CoreEnzyme）•作用于转录的延伸过程（终止）•依靠静电引力与DNA模板结合（蛋白质中碱性基团与DNA的磷酸根之间）•非专一性的结合（与DNA的序列无关）•结合常数：1011／mol•半衰期：60秒此外，新发现的一种ω亚基的功能尚不清楚。2、各亚基的特点和功能（1）σ因子•σ因子可重复使用

•修饰RNApol构型

•使HoloEnzyme识别启动子的SextamaBox(－35区),并通过σ与模板链结合2α＋βα2ββ’＋σ

α

2β

＋β’α2ββ’σ（3）全酶的组装过程•不同的σ因子识别不同的启动子E.coli中有五种σ因子（σ70、σ32、σ54、σ28、σ24

）枯草杆菌中有11种σ因子（σ因子的更替对转录起始的调控）（2）α因子•核心酶的组建因子

•促使RNApol与DNA模板链结合α＋α2α＋β

α2β＋β’•前端α因子－－使模板DNA双链解链为单链•尾端α因子－－使解链的单链DNA重新聚合为双链（3）β因子•促进RNApol＋NTPRNAelongation•完成NTP之间的磷酸酯键的连接•Editing功能（排斥与模板链不互补的碱基）•与Rho（ρ）因子竞争RNA3’－end

Esite（elongationsite.RifR）:对NTP非专一性地结合（催化作用和Editing功能）（4）β’因子•参与RNA非模板链（sensestrand）的结合（充当SSB）•构成Holoenzyme后，β因子含有两个位点Isite（initiationsite.Rifs）:该位点专一性地结合ATP或者GTP（需要高浓度的ATP或GTP）由于各亚基的功能，使全酶本身含有五个功能位点有义DNA链结合位点（β’亚基提供）DNA/RNA杂交链结合位点（β亚基提供）双链DNA解链位点（前端α亚基提供）单链DNA重旋位点（后端α亚基提供）

σ因子作用位点E.coliRNApolymerase用于起始和延伸只用于起始36.5KD36.5KD151KD155KD11KD70KD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tRNAsnRNA5srRNA约10%存在物种特异性真核细胞的三种RNA聚合酶特征比较真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大，4.8×105dol小，1.09×105dol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催化过程都需要Mg2+或Mn2+（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。●原核生物启动子结构Pribnow41-44bp

TTGACA区：提供了RNA聚合酶全酶识别的信号TATA区：酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）转录起点与新生RNA链第一个核甘酸相对应DNA链上的碱基。

RNA聚合酶的进入位点（1）Sextama框（SextamaBox）§-35序列，RNA聚合酶的松弛（初始）结合位点，§RNA聚合酶依靠其σ亚基识别该位点

—识别位点（R位点）§大多数启动子中共有序列为T82T84G78A65C54A45§重要性:很大程度上决定了启动子的强度（RNApol的σ因子）§

位置在不同启动子中略有变动（2）Pribonow框（PribonowBox）§-10序列，RNA聚合酶的牢固结合位点

结合位点（B位点）§一致序列：T80A95T45A60A50T96（TATPUAT）§位置范围－4到－13因此又称TATABox保守T

启动子各位点与转录效率的关系（1）－35序列与－10序列与转录效率的关系

标准启动子－35TTGACA－10TATAAT则不同的启动子a.与标准启动子序列同源性越高→启动强度越大b.与标准启动子同源性越低→启动强度越小c.与标准启动子差异很大时→由另一种σ因子启动原因:•－35序列通过被σ因子识别的容易→决定启动子强度•－10序列影响开放型启动子复合物形成的速度→决定启动子强度大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区（2）－35序列与－10序列的间隔区与转录效率的关系◆碱基序列并不重要◆间距非常重要，17bp的间距转录效率最高◆间距上的突变种类：间距趋向于17bp→上升突变间距远离17bp→下降突变•启动子上升突变、启动子下降突变（3）起始位点（initiationsite）：＋1位点RNA聚合酶的转录起始位点

起始NTP多为ATP或GTP（嘌呤）

典型启动子的结构

-35-10转录起点TTGACA16-19bpTATAAT5-9bp●真核生物启动子真核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）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T85A97T93A85A63A83A502、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。CAAT：-70--80bpGGGCGG：-80--110bpSV40早期启动子组蛋白H2B

TATACAATGC增强子：增强基因启动子工作效率的顺式作用序列，能够在相对于启动子的任何方向和任何位置(上游或下游)上都发挥作用。

增强子是通过启动子来增加转录的。有效的增强子可以位于基因的5’端，也可位于基因的3’端，有的还可位于基因的内含子中。

增强子的效应很明显，一般能使基因转录频率增加10～200倍，有的甚至可以高达上千倍。3、增强子增强子特点增强子提高基因转录效率，可以远距离起作用，增强子的作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒置就不能起作用。顺式调节，只调节统一染色体上的靶基因无物种和基因的特异性具有组织特异性有相位性作用与DNA构象有关有的增强子对外界环境产生反应（诱导性）

小结：

★不同启动子中每种元件与转录起始点的距离不同

★不同启动子中的相应元件互相交换,形成的杂交（融合）启动子功能没有变化

★

各种元件将相应的蛋白因子结合到启动子上，组起始复合物，蛋白因子间的相互作用决定了转录的起始（三）转录起始复合物

原核生物转录起始复合物

转录因子转录复合体TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIF

PolIITFIIERNApolⅡ的转录起始●真核生物转录起始复合物

基本概念

转录起始：RNA聚合酶、启动子

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RNA合成与DNA合成异同点Contents三、转录的基本过程1、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。a.全酶与启动子结合的封闭型启动子复合物的形成（R位点被σ因子发现并结合）b、开放型启动子复合物的形成

§RNApol的一个适合位点到达－10序列区域，诱导富含A·T的Pribnow框的“熔解”，形成12－17bp的泡状物，同时酶分子向－10序列转移并与之牢固结合§开放型启动子复合物使RNApol聚合酶定向§两种复合物均为二元复合物（全酶和DNA）转录的起始过程σ核心酶12～17bpc.在开放型的启动子复合物中，RNApol的I位点和E位点的核苷酸前体间形成第一个磷酸二酯键（β亚基）

三元复合物形成+1位多为CAT模式,位于离开保守T6~9个核苷酸处---6-9bp---GCTATTGACATATAAT-----16-18bp-------+1-35sequence-10sequence（4）σ因子解离

→核心酶与DNA的亲和力下降起始过程结束→核心酶移动进入延伸过程（β亚基）3、RNA链的延伸●

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；●在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。核心酶

····DNA

····RNA4、转录终止终止子（terminator，t）

●强终止子－内部终止子

●弱终止子－需要ρ因子（rhofactor）又称为ρ依赖性终止子（Rho-dependentterminator）不依赖Rho(ρ)因子的转录终止依赖Rho(ρ)因子的转录终止不依赖

因子的终止终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的二重对称区，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。终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关，长度效率依赖

因子的终止

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。转录的基本过程

基本概念

转录起始：RNA聚合酶、启动子

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

RNA合成与DNA合成异同点Contents四、转录后加工5’端加帽3’端加尾RNA的剪接RNA的编辑5’端的一个核苷酸总是7-甲基鸟核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5’端的这种结构称为帽子（cap）。1、在5’端加帽m7Gppp鸟甘酸转移酶帽子结构功能：①能被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核糖体的结合；②m7Gppp结构能有效地封闭mRNA5’末端，以保护mRNA免受5’核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定。2、3’端加尾多聚腺苷酸尾巴AAUAAA：★准确切割★加poly（A）多聚腺苷酸尾巴功能：提高了mRNA在细胞质中的稳定性。3、RNA的剪接地中海贫血病人的珠蛋白基因，1/4生物体内内含子的主要类型：

GU-AG、AU-AC、Ⅰ类内含子、Ⅱ类内含子

5’..AAGUAAGU…….CURAY..(10-40)…(U/C)11NCAGG….3’IntronexonexonPolyprimidineCAG=UAG>AAG>GAG参与RNA剪接的物质：snRNA（核内小分子RNA）snRNP（与snRNA结合的核蛋白）①②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5Ⅰ类内含子的自我剪接Ⅱ类内含子的自我剪接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。C变为U碱基的突变尿苷酸的缺失和添加1986.R.Benne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。RNA编辑的意义锥虫coxII

基因的编辑RNA的再编码硒代半胱氨酸吡咯赖氨酸RNA的化学修饰核酶（ribozyme）核酶：具有催化活性的RNA,即化学本质是核糖核酸(RNA),却具有酶的催化功能。打破了酶是蛋白质的传统观念。

大多数核酶通过催化转磷酸酯和磷酸二酯键水解反应参与RNA自身剪切、加工过程。

剪切型核酶剪接型核酶：III类内含子

基本概念

转录起始：RNA聚合酶、启动子

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

RNA合成与DNA合成异同点Contents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。结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透过酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA●5’

端无“帽子”结构，3’

端没有或只有较短的poly（A）结构。SD序列：mRNA中用于结合原核生物核糖体的序列。2、真核生物mRNA的特征●5’端存在“帽子”结构●

多数mRNA

3’端具有poly（A）尾巴（组蛋白除外）●以单顺反子的形式存在“基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核甘酸序列。原核生物和真核生物mRNA结构的比较

基本概念

转录起始：RNA聚合酶、启动子

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

RNA合成与DNA合成异同点Contents六、RNA合成与DNA合成异同点

相同点：1、都以DNA链作为模板2、合成的方向均为5’→3’3、聚合反应均是通过核苷酸之间形成的3’,5’-磷酸二酯键，使核苷酸链延长。不同点：复制转录模板两条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RNA引物无中国科学院2001年硕士研究生入学考试：名词解释：Transcription;Reversetranscription1、下列有关TATA盒(Hognessbox)的叙述,哪个是正确的:A.它位于第一个结构基因处

B.它和RNA聚合酶结合

C.它编码阻遏蛋白

D.它和反密码子结合

B

2.转录需要的原料是:dNTPB.dNDPC.dNMPD.NTPE.NMPD3、