分子生物学第四讲-生物信息的传递(上)-从DNA到RNA一

第四讲

生物信息的传递（上）－从DNA到RNADNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成mRNA.翻译生成蛋白质的过程来控制生命现象。基因表达包括转录(transcription)和翻译(translation)两个阶段。转录是以DNA为模板,在RNA聚合酶的作用下,利用4种三磷酸核苷酸合成互补的RNA的过程。是基因表达的核心步骤。编码链（非编码链）除了少数RNA病毒外,所有的RNA分子都来自DNA。生物体内共有3种RNA：1、信使RNA(mRNA)2、转运RNA(tRNA)3.核糖体RNA(rRNA)一、依赖于DNA的RNA合成（转录）A.转录中不需要RNA引物(RNA聚合酶性质)；

B.转录反应一般只用一小段DNA做模板；

C.在转录区，一般都只有一条DNA链可以作为模板。D.原料:三磷酸核苷酸转录与复制的不同点:真核生物的基因结构大肠杆菌乳糖操纵子LacZ（半乳糖苷酶）3510bpLacY（半乳糖苷通透酶）780bpLacA（半乳糖乙酰酶）825bp结构基因启动子（P）

TGTTGACATTTATTTGTTATAATGCAT

6~9bp4~7bp操纵基因（O）5

3

识别部位结合部位乳糖操纵子调节基因（R）1040bp

原核生物基因的结构模板识别转录起始转录延伸转录终止（一）转录的基本过程模板识别阶段主要指:RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。原核生物:RNA聚合酶与启动子直接识别。真核生物:RNA聚合酶不能直接识别基因的启动子区，需要转录调控因子(辅助蛋白质)按特定顺序结合于启动子上，RNA聚合酶才能与之相结合并形成复杂的前起始复合物。转录起始:RNA链上第一个核苷酸键的产生。转录的延伸:RNA聚合酶离开启动子，沿DNA链移动并使新生RNA链不断伸长的过程。转录起始后直到形成9个核苷酸短链是通过启动子阶段，此时RNA聚合酶一直处于启动子区，新生的RNA链与DNA模板链的结合不够牢固，很容易从DNA链上掉下来并导致转录重新开始。一旦RNA聚合酶成功地合成9个以上核苷酸并离开启动子区，转录就进入正常的延伸阶段。转录的终止当RNA链延伸到转录终止位点时,RNA聚合酶不再形成新的磷酸二酯键,RNA-DNA杂合物分离,转录泡瓦解,DNA恢复成双链状态,而RNA聚合酶和RNA链都被从模板上释放出来,这就是转录的终止。动画（二）转录机器的主要成分1.RNA聚合酶以DNA序列为模板的RNA聚合酶主要以双链DNA中的一条链为模板，以4种核苷三磷酸为原料，并以Mg2＋/Mn2＋为辅助因子，催化RNA链的起始、延伸和终止，它不需要任何引物，催化生成的产物是与DNA模板链互补的RNA。大肠杆菌RNA聚合酶大多数原核生物RNA聚合酶的组成是相同的,大肠杆菌RNA聚合酶由2个α亚基、一个β亚基、一个β’亚基和一个ω亚基组成,称为核心酶。加上一个σ亚基后则成为聚合酶全酶(holoenzyme),相对分子质量为4.65×l05(图3-3)。由β和β’亚基组成了聚合酶的催化中心。β亚基能与模板DNA.新生RNA链及核苷酸底物相结合。α亚基与核心酶的组装及启动子识别有关，并参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用。σ因子的作用是负责模板链的选择和转录的起始，它使酶专一性识别模板上的启动子。σ因子可以极大地提高RNA聚合酶对启动子区DNA序列的亲和力。真核细胞RNA聚合酶真核生物中共有3类RNA聚合酶,它们在细胞核中的位置不同,负责转录的基因不同。真核生物RNA聚合酶一般有8～14个亚基所组成,相对分子质量超过5×105。不同生物3类聚合酶的亚基种类和大小存在两条普遍遵循的原则:一是聚合酶中有两个相对分子质量超过l×105的大亚基；二是同种生物3类聚合酶有"共享"小亚基的倾向,即有几个小亚基是其中3类或2类聚合酶所共有的。2、转录复合物σ因子的作用是启动子的选择和转录的起始,而核心酶的作用是链的延伸。原核生物原核生物启动子选择阶段包括RNA聚合酶全酶对启动子的识别,聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭复合物。伴随着DNA构象上的重大变化,封闭复合物转变成开放复合物,聚合酶全酶所结合的DNA序列中有一小段双链被解开。开放复合物与最初的两个NTP相结合并在这两个核苷酸之间形成磷酸二酯键后→(RNA聚合酶、DNA和新生RNA)三元起始复合物三元起始复合物可以进入两条不同的反应途径:①是合成并释放2～9个核苷酸的短RNA转录物－流产式起始②是尽快释放σ亚基，转录起始复合物通过上游启动子区并生成由核心酶、DNA和新生RNA所组成的三元延伸复合物。转录延伸复合物是转录循环中一个十分重要的环节。与转录起始复合物相比,延伸复合物极为稳定,可以长时间地与DNA模板相结合而不解离。只有在它遇到转录终止信号时,RNA聚合酶才停止加入新的核苷酸,RNA－DNA杂合物解离,释放转录产物并导致聚合酶本身从模板DNA上掉下来。从化学过程来看:转录的起始是单个核苷酸与开链启动子－酶复合物相结合构成新生RNA的5’端，再以磷酸二酯键的形式与第二个核苷酸相结合，起始的终止反映在σ因子的释放。当新生RNA链达到9个以上核苷酸时，能形成稳定的酶－DNA－RNA三元复合物，并释放σ因子，转录进入延伸期。真核生物转录起始复合物的分子量很大:RNA聚合酶、7种辅助因子，辅助因子又包含多个亚基。真核生物二、启动子与转录起始（一）启动子区的基本结构启动子是一段位于结构基因5‘端上游的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。转录的起始是基因表达的关键阶段,而这一阶段的重要问题是RNA聚合酶与启动子的相互作用。启动子的结构影响了它与RNA聚合酶的亲和力,从而影响了基因表达的水平。转录单元(transcriptionunit)是一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。转录起点是指与新生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。常把起点前面，即5’末端的序列称为上游，而把其后面即3’末端的序列称为下游。描述碱基的位置：一般用数字表示，起点为+1，下游方向依次为+2.+3……，上游方向依次为-1、-2.-3……。TATA区又称Pribnow区:位于转录起始点上游－10bp处。TTGACA区位于转录起始点上游－35bp。-10位的TATA区是RNA聚合酶与启动子的结合位点，-35位的TTGACA区能与σ因子相互识别而具有很高的亲和力。原核生物基因中的启动子TATA区:位于转录起始点上游－25～－30bp处的共同序列TATAAA。CAAT区:在起始位点上游-70～-80bp处有一段共同序列CCAAT。GC区:在起始位点上游-80～-110bp处还有GCCACACCC或GGGCGGG序列。真核生物基因中的启动子TATA区:使转录精确地起始。CAAT区和GC区又称为上游启动子元件(upstreampromoterelement，UPE)或称上游激活序列(upstreamactivatingsequence，UAS)主要控制转录起始频率，基本上不参与起始位点的确定。尽管这3种启动子区序列都有着重要功能，但并不是每个基因的启动子区都包含这3种序列。有些基因，如组蛋白H2B，不含GC区，但有两个CAAT区，一个TATA区。启动子区的识别RNA聚合酶是通过氢键互补的方式识别启动子的。在启动子区DNA双螺旋结构中,腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶上的某些基团是氢键供体,而4种碱基中的某些基团是氢键受体。由于它们分别处于DNA双螺旋的大沟或小沟内,因此都具有特定的方位,而酶分子中也有处于特定空间构象的氢键受体与供体,当它们与启动子中对应的分子在一定距离内互补时,就形成氢键,相互结合。酶与启动子区的结合在RNA聚合酶与启动子相互作用的过程中,聚合酶首先与启动子区闭合双链DNA相结合,形成二元闭合复合物,然后经过解链得到二元开链复合物。解链区一般在-9～+13之间,而酶与启动子结合的主要区域在其上游。增强子及其功能增强子的发现从SV40开始,在SV40的转录单元上发现它的转录起始位点上游约200bp处有两段72bp长的重复序列,它们不是启动子的一部分,但能增强或促进转录的起始,除去这两段序列会大大降低这些基因的转录水平。能强化转录起始的序列为增强子或强化子(enhancer)。后来在许多基因的启动区中陆续发现了增强子的存在。三、终止子与转录终止一般情况下,RNA聚合酶启始基因转录后,它就会沿着模板5'→3'方向不停地移动,合成RNA链,直到碰上终止信号时才与模板DNA相脱离并释放新生RNA链。终止发生时,所有参与形成RNA-DNA杂合体的氢键都必须被破坏,模板DNA链才能与有意义链重新组合成DNA双链。转录终止子终止子（terminator）:位于基因的末端，由一段特定序列组成，具有终止转录的作用。终止子的共同顺序特征是在转录终止点之前有一段回文序列（反向重复序列）约6-20bp。真核生物终止子:由一段特定序列5′－AATAAA－3′和回文序列（反向重复序列）组成。终止子有两类:①强终止子:含有反向重复序列可以形成发卡式结构，其后面为PolyA结构。这样的终止子无需要ρ因子参与即可以使转录终止。②弱终止子:也有反向重复序列，但无PolyA结构，需要ρ因子参与才能使转录终止。不依赖于ρ因子的终止

(由基因序列决定的终止)终止位点上游存在富含GC碱基的二重对称区,由这段DNA转录产生的RNA形成发卡式结构。在终止位点前面有一段由4～8个A组成的序列,所以转录产物的3’端为寡聚U,这种结构特征决定了转录的终止。在新生RNA中出现发卡式结构会导致RNA聚合酶的暂停,破坏RNA-DNA杂合链5‘端的正常结构。寡聚U的存在使杂合链的3’端部分出现不稳定的rU·dA区域。两者共同作用使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,随着发卡式结构(至少6bp)和寡聚U序列(至少4个U)长度的增加,终止效率逐步提高。2依赖于ρ因子的终止ρ因子是分子质量为2.0xl05的六聚体蛋白,它是NTP酶,它通过催化NTP的水解促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来,从而终止转录。RNA合成起始以后,ρ因子即附着在新生的RNA链上,靠ATP水解产生的能量,沿着5′→3′方向朝RNA聚合酶移动,到达RNA的3′-OH端后取代了暂停在终止位点上的RNA聚合酶,使之从模板DNA上释放出来,同时释放mRNA,完成转录过程。小结:RNA聚合酶首先与启动子区闭合双链DNA相结合，形成二元闭合复合物，然后经过解链得到二元开链复合物（模板识别）三元起始复合物（转录起始）三元延伸复合物（转录延伸）遇到终止信号时，转录终止。动画真核生物DNA转录生成的原始转录产物是核不均一RNA(hnRNA,RNA前体),