第三章+生物信息的传递.课件2.ppt

1、第三章 生物信息的传递（上）,第一节 RNA的转录,基 因,蛋白质,转录,翻译,生物性状控制,RNA,一、概述,转录： 在细胞核内，以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则合成一条与DNA链互补的RNA单链的过程。,DNA的平面结构图,细胞核中,DNA 解旋，以一条链为模板合成RNA,细胞核中,DNA与RNA的碱基互补配对：AU； TA； CG； GC,细胞核中,组成 RNA 的核糖核苷酸一个个连接起来,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,DNA上的遗传信息就传递到mRNA上,mRNA,DNA,细胞核中,细胞质,细胞核,核孔,DNA,mRNA在细

2、胞核中合成,细胞质,细胞核,mRNA通过核孔进入细胞质,mRNA：(messenger)编码了一个或多个蛋白质序列； tRNA：(transfer)把mRNA上的遗传信息变为多肽中的氨基酸信息； rRNA：(ribosomal)是合成蛋白质的工厂核糖体中的主要成分。 hnRNA：(heterogeneous nuclear)由DNA转录生成的原始转录产物，即前体mRNA。,snRNA：(small nuclear)在前体mRNA加工中，参与去除内含子。 snoRNA：(small nucleolar)核仁小RNA，主要参与rRNA及其它RNA 的修饰、加工、成熟等过程。 scRNA：细胞质小R

3、NA(small cytoplasmic ) 主要在蛋白质合成过程起作用。,其他非编码RNA： 按大小分： (1) 2125 个核苷酸的RNA, 包括microRNA(miRNA) 和小干扰RNA ( small interferin RNA（siRNA）。 (2) 100200个核苷酸的small RNA (sRNA) ,往往在细菌细胞起翻译调节子功能。 (3) 大于 10000个核苷酸的非编码RNA，参与更高级真核生物的基因沉默。,端体酶RNA(telomerase RNA):与染色体末端的复制有关； 反义RNA(antisense RNA): 是指与mRNA互补的RNA分子, 也包括与其

4、它RNA互补的RNA分子。它参与基因表达的调控。,转录的基本过程,1、模板识别 (Template Recognition),2、转录起始 (Initiation),3、转录的延伸 (Elongation),4、转录的终止 (Termination),1、RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。,模板识别,2、转录起始前，启动子附近的DNA双链分开形成转录泡以促使底物核糖核苷酸与模板DNA的碱基配对。,1.在起始位点合成RNA链：第一个核苷酸键的产生，该位点被称为position +1 。,转录起始,2. 转录起始后直到形成9个核苷酸短链是通过启动子阶段。,3. 通过启动子的

5、时间代表一个启动子的强弱。,转录起始就是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链不断伸长的过程就是转录的延伸。,共价地向生长RNA链的3端添加核糖核苷酸 RNA聚合酶是以5 3 方向来延长RNA链 RNA聚合酶本身沿着反义链以3 5方向移动,转录的终止,合成的终止： 当RNA链延伸到转录终止位点时，RNA polymerase 和RNA链均从DNA模板上释放出来。 Terminator: 通常含有自我互补区域(self-complementary regions) ，在RNA产物中可以形成stem-loop 或hairpin结构 。,

6、转录与DNA复制的异同 相同点： 合成反应的化学本质 模板的使用 合成的方向 发生的部位 不同点： （1）转录：一条DNA链为模板 复制：两条链都可作模板；,（2）DNA-RNA杂合双链不稳定，RNA合成后释放，而DNA复制结束后，新链和母链形成双链； （3）RNA合成不需引物，而DNA复制需引物； （4) 转录的底物是rNTP，复制的底物是dNTP；碱基由复制时的T替换为转录时的U。 （5）聚合酶系统不同。,有义链的确定,把与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链（coding strand）或称有意义链（sense strand）（+）； 把另一条根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA

7、链称为模板链（template strand）或称反义链（antisense strand）（-）。 在体外DNA的两条链都可作为RNA合成的模板。,转录的基本特点： （1）以核糖核苷三磷酸（rNTP）为底物，以Mg2+/Mn2+为辅助因子； （2）仅以一条DNA链为模板； （3）按5 3方向合成； （4）无需引物的存在能单独起始链的合成； （5）第一个引入的rNTP是以三磷酸形式存在； （6）RNA的序列和模板是互补的。 （7）需要RNA聚合酶和多种辅助因子参与。,DNA,启动子区,编码区,终止区,转录起始,+1,-10,-35,RNA转录单元的模式图,原核大约20-200 bp，真核不同基

8、因差别比较大，一般小于2 kb,5,3,启动子：基因转录起始所必需的一段DNA序列,第二节 转录机器的主要成分,RNA聚合酶 (RNA polymerase) 转录复合物,RNA聚合酶 (RNA polymerase),RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶。 主要以双链DNA为模板，以4种核苷三磷酸作为活性前体。 需要Mg2+/Mn2+为辅助因子。 它不需要任何引物。 以5 3 方向合成RNA链。 缺乏3 5 外切酶活性。 是一个含有多个亚单位(multi-subunit)的酶。,识别DNA双链上的起始子； (2) 使DNA变性在启动子处解旋成单链； (3) 通过阅读启动子序列，RNA Pol

9、确定它自己的转录方向和模板链。 (4) 最后当它达到终止子时，通过识别停止转录。,RNA聚合酶 需执行的功能,2 alpha () subunit, 1 beta () subunit, 1 beta prime () subunit, 1 omega () subunit, 1 sigma () subunit,原核生物(E. coli)的RNA聚合酶,Core enzyme,Holoenzyme 聚合酶全酶,相对分子量：4.65105,参与转录延伸,只与转录的 起始有关,36.5 KD,36.5 KD,151 KD,155 KD,11 KD,70 KD,E. coli 只有一个 DNA-d

10、irected RNA聚合酶 ，来合成所有类型的RNA。,原核生物(E. coli)的RNA聚合酶,是细胞中最大的酶之一。,由5种subunits 组成 聚合酶全酶(holoenzyme),包括 2 , 1 , 1, 1 以及1 subunits 。,形状象一个圆筒状通道，可以直接与16 bp DNA结合。整个聚合酶可结合60 bp DNA。,RNA 合成速率: 40 nt /秒, 37oC 。,表3-1 大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析,是核心酶中的两个相同的亚单位 由rpoA 基因编码 与核心酶的组装有关 参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用,E. coli RNA polymerase

11、 :subunit,* T4噬菌体感染大肠杆菌后对亚基的一个精氨酸残基进行ADP糖基化修饰，造成RNA聚合酶全酶对启动子亲和力降低。, 和分别由 rpoB 和 rpoC 基因编码。,E. coli RNA polymerase : (2)存在保守序列; (3)保守序列的位置和距离都比较恒定； (4)与多聚酶相结合； (5)位于基因的5端； (6)决定转录的起始和方向。,1. -10序列：,-10序列是由Pribnow和Schaller（1975）发现，故也称为Pribnow框盒（Pribnow box）。 保守序列为T80A95T45A60A50T96 位于-10bp左右，A T较丰富，易于解

12、链。其功能是: (1) RNA pol紧密结合; (2) 形成开放起始复合物； (3) 使RNA pol定向转录。,一、原核生物启动子的基本结构,2. -35序列,-35序列又称为Sextama盒（Sextama box）， 其保守序列为（T82T84G78A65C54A45） 其功能是: (1) 为RNA pol的识别位点。 亚基识别-35序列，为转录选择模板 (2)-35和-10序列的距离是稳定的，此与RNA pol的结合有关。,4. 转录起始位点（I）,转录开始时模板上的第一个碱基 在原核中常为A或G 而且位置固定,10区和35区的最佳间距 1619 bp,典型启动子的结构,-35 -1

13、0 转录起点 TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp,聚合酶通过氢键互补识别启动子。,二、启动子区的识别,三、酶与启动子区的结合,1.全酶与模板的DNA接触，生成非专一的,不稳定的复合物； 2. 起始识别：全酶与35序列结合，产生封闭的酶-启动子二元复合物； 3.全酶紧密地结合在-10序列处，模板DNA局部变性，形成开放的启动子二元复合体；解链区：913,四、增强子,它是在1981年由Benerji, Rusconi小组和Chambom等发现的，其特点是： 具有远距离效应。 无方向性。 顺式调节。 无物种和基因的特异性。 具有组织的特异性。 其作用和DNA的构象有关。 有的增强

14、子可以对外部信号产生反应。,机理： 增强子可能通过影响染色质DNA-蛋白质结构或改变超螺旋的密度而改变模板的整体结构，从而使得RNA聚合酶更容易与模板DNA相结合，起始基因转录。,除SV40外，还有许多基因的启动区中发现有增强子存在。,五、真核生物的启动子和转录起始,（一） 型启动子和转录起始 负责蛋白质基因和部分snRNA，结构最为复杂，由核心元件和上游元件组成。 1.核心元件：,（1）转录起始位点或起始子,起始点mRNA的第一个碱基倾向A，两侧各有若干个嘧啶核苷酸. 提供RNA pol 识别。 无论TATA是否存在，起始子对启动子的强度和起始位点的选择都是重要的 。 现已纯化了起始子结合蛋

15、白。,（2）保守序列TATA框：又称Hogness 或Goldberg-Hogness框， -25-35 ，其一致序列为： A63 A50 T82A97T93A85 A83 T37 T37 基本由A和T组成，框两侧富含GC碱基。结构和功能类似原核的Pribnow框。,功能：决定了大多数真核基因转录起始点的选择。,2.上游元件： （1）CAAT框：一致序列为GGC(T)CAATCT, 一般位于-70-80。 功能：控制着转录起始的频率。 （2）GC框：保守序列为C（T）GGGCGGG（A）G（A）G（T） ，常以多拷贝形式存在于-80-110。 功能：控制转录起始频率。 （3）还有一些其它保守序

16、列，如八聚体（octamer）和B等,上游启动子元件（UPE）,表12-4 哺乳动物RNA Pol 上游转录因子结合的元件 元件保守序列结合DNA的长度 蛋白质因子 TATAboxTATAAAA 10bp TBP CAAT boxGGCCAATCT 22bp CTF/NF1 GC boxGGGCGG 20bp SP1 OctamerATTTGCAT 20bp Oct-1 OctamerATTTGCAT 23bp Oct-2 B GGGACTTTCC 10bp NFKB ATF GTGACGT 20bp ATF B. Lewin:GENES.1997,Table 28.2,型启动子含有的不同组件

17、,SV40 早期启动子 胸苷激酶 组蛋白H2B 140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 +1 Oct CAAT GC TATA,3.远端调控区 （1）增强子。许多基因具有不止一个增强子 （2）减弱子：在某些基因的上游远端或下游远端具有负调节序列，其作用不受距离和方向的影响。 （3）静息子：在酵母中发现，与阻遏蛋白结合，抑制基因表达。 （4）上游激活序列（UASs）：在酵母中发现，仅影响转录强度，类似增强子，但有方向性。,型基因的启动子和调控区小结,TATA框 核心元件 起始子（initiator，Inr）:一般由PY2CAPY5构成， 位于-3+5 ，可能提供RNA pol

18、 识别。 CAAT box、 类启动子 上游元件组成 GC box Oct 增强子（enhencer） 远端调控区 减弱子（dehancer） 静息子（sisencer） 上游激活序列（upstream activating sequences UASs）,转录特点： （1）RNA聚合酶不直接和启动子结合； （2）结合需多种转录因子介入。与不同保守序列结合的转录因子数目及种类不尽相同。,（1）直接与DNA结合 A、与启动子结合：基本转录因子 B、与增强子结合：转录调控因子 （2）非直接结合DNA的蛋白质 与其他转录因子结合，通过蛋白质之间的相互作用，改变其他蛋白质结合DNA的专一性和亲和性。,

19、转录因子的种类,转录的起始机制： 具体机制不清楚，有证据显示，RNA聚合酶除了需要TATA框及其蛋白质结合因子TFD外，至少还需要两种启动子及其蛋白质结合因子,(二)型启动子和转录起始,转录rRNA基因,核心启动子(近启动子)：位于-40到+5，决定转录起始的精确位置。 上游控制区(远启动子)：（upstream,control element UCE），从 -165延伸到-40，影响转录的频率。 这两个区富含GC（达85%） 两个元件之间的距离非常重要。 RNA聚合酶具有明显的种族特异性,（三） 启动子的结构和起始,基因内启动子：5 S RNA和 tRNA, 基因外启动子：snRNA,A 区 保守区为：5 - TGGN/NAGTGG-3 位于tRNA的D臂上; B区保守区为