生物信息的传递DNA--RNA课件

南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院分分分分 子子子子 生生生生 物物物物 学学学学第三章第三章 生物信息的传递（上）生物信息的传递（上）从从DNA到到RNA本本章章将将介介绍绍生生物物信信息息的的传传递递的的上上半半部部分分，即即转转录录从从DNA到到RNA。2024/7/102第三章第三章 生物信息的传递（上）生物信息的传递（上）v基基因因作作为为唯唯一一能能够够自自主主复复制制、永永久久存存在在的的单单位位，其其生理学功能以蛋白质形式得到表达。生理学功能以蛋白质形式得到表达。vDNA序序列列是是遗遗传传信信息息的的贮贮存存者者，它它通通过过自自主主复复制制得得到到永永存存，并并通通过过转转录录生生成成mRNA，翻翻译译生生成成蛋蛋白白质质的过程控制所有生命现象。的过程控制所有生命现象。2024/7/103第三章第三章 生物信息的传递（上）生物信息的传递（上）v转转录录（transcription）生生物物体体以以DNA为为模模板板合合成成RNA的过程。的过程。n转录后得到的RNA要经过加工才能变成成熟的mRNAn转录产物还可以变为rRNA和tRNA。v参 与 转 录 的 物 质：n底物:4种NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)n模板:DNAn 酶 :RNA聚合酶n其他蛋白质因子2024/7/104第三章第三章 生物信息的传递（上）生物信息的传递（上）v第一节 转录的基本过程v第二节 转录机器的组成v第三节 启动子与转录起始v第四节 原核与真核生物 mRNA的特征比较v第五节 终止与抗终止v第六节 mRNA的加工2024/7/105第一节 转录的基本过程v无论在原核还是真核细胞中，无论在原核还是真核细胞中，RNA链的合成都具有链的合成都具有以下几个特点：以下几个特点：nRNA按53方向合成n以DNA双链中的反义链为模板n不需要引物参与n合成的RNA有与DNA编码链相同的序列（A-U）v转录的基本过程包括：模板的识别，转录起始，转转录的基本过程包括：模板的识别，转录起始，转录延伸，转录终止录延伸，转录终止2024/7/106第一节 转录的基本过程1.模板的识别模板的识别v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。v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。v真核细胞中的模板识别与原核细胞有所不同，需要一些转录调控因子（辅助蛋白），RNA聚合酶才能识别启动子并形成转录前起始复合物（PIC）。2024/7/1072.转录起始转录起始vRNA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，形成转录泡以促使核糖核苷酸与模板DNA配对。v转录起始即是RNA链上第一个核苷酸链的产生。v无需引物。v起始后直到形成9个核苷酸的过程是通过启动子阶段，此时RNA聚合酶一直在启动子处，之后进入正常延伸。2024/7/1083.转录延伸转录延伸v转录延伸即是RNA聚合酶释放因子离开启动子后，核心酶沿着模板DNA移动并使新生RNA链不断伸长的过程。4.转录终止转录终止v当RNA链延伸到终止位点时，RNA将停止合成，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。2024/7/109第二节 转录机器的组成v转录机器即是转录复合物，其最核心成分是RNA聚合酶。2024/7/1010第二节 转录机器的组成1.RNA聚合酶聚合酶vRNA聚合酶是转录过程中最关键的酶。聚合酶是转录过程中最关键的酶。v原核和真核生物的原核和真核生物的RNA聚合酶虽然都能催化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的合成，但在其分子组成、种类和生物化学特性上各有特色。各有特色。2024/7/1011第二节 转录机器的组成1.RNA聚合酶聚合酶v原核生物原核生物RNA聚合酶聚合酶v在细菌中，一种RNA聚合酶几乎负责所有mRNA、rRNA和tRNA的合成。v大肠杆菌RNA聚合酶：n2个亚基n1个亚基n1个亚基n1个亚基核核心心酶酶全全酶酶2024/7/1012v原核生物原核生物RNA聚合酶聚合酶v转录的其实过程需要全酶，延伸过程仅需要核心酶。转录的其实过程需要全酶，延伸过程仅需要核心酶。v各亚基的功能：各亚基的功能：n亚基和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。亚基能与模板DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合。n亚基可能与核心酶的组装及启动子的识别有关，并参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用。2024/7/1013v各亚基的功能：各亚基的功能：n因子的作用是负责模板链的选择与转录的起始，它是酶的别构效应物，使酶专一性识别启动子。n提高酶对启动子的亲和力，酶底结合常数提高103倍n降低酶对非专一性位点的亲和力，非特异性结合常数降低104倍n某些细菌内含有能识别不同启动子的因子。2024/7/1014第二节 转录机器的组成1.RNA聚合酶聚合酶v真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶v在真核生物中共有3类RNA聚合酶。v真核生物RNA聚合酶一般由8-16个亚基所组成，相对分子质量超过5105。酶酶位置位置转录产物转录产物相对活性相对活性对对-鹅膏蕈鹅膏蕈的敏感性的敏感性RNA聚合酶核仁28s,18s,5.8srRNAs5070%不敏感RNA聚合酶核质hnRNA,mRNA,某些SnRNAs2040%高度敏感RNA聚合酶核质tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs10%存在物种特异性2024/7/1015第二节 转录机器的组成1.RNA聚合酶聚合酶v其它其它RNA聚合酶聚合酶v除了前述两种除了前述两种RNA聚合酶，还有：聚合酶，还有：nT3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1105。n线粒体RNA聚合酶。仅有一条多肽链组成，相对分子质量小于7104，与T7噬菌体RNA聚合酶有同源性。n叶绿体RNA聚合酶。结构比较大，与细菌RNA聚合酶相似，由多个亚基组成。2024/7/1016第二节 转录机器的组成2.转录复合物转录复合物v在转录的不同阶段，RNA聚合酶将同DNA结合，形成不同的复合物：n在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭二元复合物。n接着，结合处DNA双链解开，封闭复合物变为开放二元复合物。n转录开始，由RNA聚合酶、DNA和新生RNA形成三元复合物。2024/7/1017第二节 转录机器的组成2.转录复合物转录复合物v除RNA聚合酶外，真核生物转录还需要至少7中辅助因子参与。这些蛋白辅助因子统称转录因子。v一般情况下，三元复合物进入以下两条途径：n合成并释放2-9nt的短RNA转录物，即流产式转录。n尽快释放亚基，转录起始复合物通过启动子区域形成转录延伸复合物。2024/7/1018第三三节 启动子与转录起始1.启动子区的基本结构启动子区的基本结构v启动子是一段位于结构基因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。2024/7/1019第三三节 启动子与转录起始1.启动子区的基本结构启动子区的基本结构v原核生物中经对启动子的比较，它们有共有序列：n在上游10bp处为TATAAT，又称为Pribnow盒n在上游35bp处为TTGACA。nT82T84G78A65C54A45 T80A95T45A60A50T96 2024/7/1020第三三节 启动子与转录起始1.启动子区的基本结构启动子区的基本结构v真核生物中：nTATA序列(TATA box)：位于-25-35，使转录精确地起始，TATA序列也叫核心启动元件。nCCAAT序列(CAAT box)：位于-70-80，CAAT区主要控制转录起始频率。nGCCACACCC或GGGCGGG序列（GC box）：位于-110-80，主要控制转录起始频率。v并非每个基因中都包含这3个区域。2024/7/1021第三三节 启动子与转录起始2.启动子区的识别启动子区的识别vRNA聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过氢键互补的方式加以识别。v在启动子区DNA双螺旋结构中，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聚合酶与启动子区的结合v在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭二元复合物。接着，结合处DNA双链解开，封闭复合物变为开放二元复合物。2024/7/1022第三三节 启动子与转录起始4.-10区与区与-35区的最佳距离区的最佳距离v原核生物中，-10区与-35区之间的距离大约是1619bp，小于15bp或大于19bp都会降低启动子的活性。v细菌中常见的两种突变：n下降突变：如果Pribnow区从TATAAT变为AATAAT就会大大降低其结构基因的转录水平。n上升突变：即增加Pribnow区共同序列的同一性。2024/7/1023第三三节 启动子与转录起始4.-10区与区与-35区的最佳距离区的最佳距离v原核生物中，-10区与-35区之间的距离大约是1619bp，小于15bp或大于19bp都会降低启动子的活性。v细菌中常见的两种突变：n下降突变：如果Pribnow区从TATAAT变为AATAAT就会大大降低其结构基因的转录水平。n上升突变：即增加Pribnow区共同序列的同一性。2024/7/1024第三三节 启动子与转录起始5.增强子及其功能增强子及其功能v增强子是长约100200bp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。v增强子具有增加启动子的作用，与启动子一起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，启动并调节基因 转录。2024/7/1025第三节 启动子与转录起始5.增强子及其功能增强子及其功能v增强子的特点：增强子的特点：n远距离效应。一般位于上游-200bp处。n无方向性。可位于靶基因的上游、下游或内部。n顺式调节。只调节位于同一染色体上的靶基因。n无物种和基因特异性。可连接到异源基因上发挥作用。n有组织特异性。需要特定的蛋白因子参与。n有相位性。其作用与DNA的构想有关。n有的增强子可以对外部信号产生反应。2024/7/1026第三节 启动子与转录起始6.转录的抑制转录的抑制v转录抑制剂根据其作用性质主要可以分为两大类：转录抑制剂根据其作用性质主要可以分为两大类：nDNA模板功能抑制剂，与DNA结合而改变模板的功能。nRNA聚合酶抑制剂，与RNA聚合酶结合而抑制其活力。v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。抑制剂抑制剂靶酶靶酶抑制作用抑制作用利福霉素细菌的全酶与亚基结合，阻止起始链霉溶菌素细菌的核心酶与亚基结合，阻止延长放线菌素D真核RNA聚合酶与DNA结合，并阻止延长-鹅膏蕈碱真核RNA聚合酶与RNA聚合酶结合2024/7/1027第四节 mRNA的特征1.原核生物原核生物mRNA的特征的特征v原核生物mRNA半衰期短v许多原核生物mRNA可能已多顺反子的形式存在v5端无帽子结构，3端没有或只有较短的poly(A)结构v起始密码子常为AUG，有时也为GUG，甚至UUG2024/7/1028第四节 mRNA的特征1.原核生物原核生物mRNA的特征的特征v存在SD序列(Shine-Dalgarno sequence)。原核生物起始密码子AUG上游712个核苷酸处的一段保守序列，与16S rRNA端3端反向互补，被认为在核糖体-mRNA的结合过程中起作用。2024/7/1029第四节 mRNA的特征2.真核核生物真核核生物mRNA的特征：的特征：v单顺反子v5端存在帽子结构。v3端具poly(A)尾巴 （除组蛋白基因外）v起始密码子仅为AUG5m7GpppNmNmAUGpolyA3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真核生物真核生物mRNAmRNA的结构模式的结构模式2024/7/10302.真核核生物真核核生物mRNA的特征的特征v5端加帽反应在转录早期即已完成。帽子结构有三种不同甲基化形式。v帽子的作用可能使mRNA免遭核酸酶的破坏。v甲基化的帽子也可能是蛋白质合成起始信号的一部分。2024/7/10312.真核核生物真核核生物mRNA的特征的特征v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poly A 聚合酶催化多聚腺苷酸反应。vPoly A是mRNA进入胞质必需的形式，增强稳定性。vmRNA刚进入进入胞质时，poly A尾巴较长，随时间推移将变短直至消失，随后mRNA将降解。2024/7/1032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。的转录终止功能。RNA终止时，终止时，3端核苷酸如何定位？端核苷酸如何定位？根据转录终止是否需要辅助因子，可将终止子根据转录终止是否需要辅助因子，可将终止子分为两类：分为两类：l 不依赖于因子的终止l 依赖于因子的终止2024/7/1033第五节 终止和抗终止1.不依赖于不依赖于因子的终止因子的终止v此类终止反应中，无任何其它因子参与。此类终止反应中，无任何其它因子参与。v模模板板中中存存在在终终止止转转录录的的特特殊殊信信号号终终止止子子，又又称称内内在在终终止子（止子（intrinsic termation）v每个基因或操纵子都有一个启动子和一个终止子。每个基因或操纵子都有一个启动子和一个终止子。2024/7/1034第五节 终止和抗终止1.不依赖于不依赖于因子的终止因子的终止v内在终止子的特点内在终止子的特点：n终止位点上游一般存在一段富含GC碱基的二重对称区，其转录生成的mRNA容易互补形成的发卡式结构。n终止位点上游一般有48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。2024/7/10351.不依赖于不依赖于因子的终止因子的终止v新生RNA中出现发卡结构可导致RNA聚合酶暂停，破坏RNA-DNA杂合链5端正常结构，寡聚U是杂合链3端部分出现不稳定rUdA区域。新生RNA链将解离出来。v终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关。2024/7/10362.依赖于依赖于因子的终止因子的终止v有些终止点的DNA序列缺乏共性，不能诱导转录的自发终止，需要因子的参与。v“穷追”模型v大肠杆菌-依赖型终止子占所有终止子的一半左右。2024/7/1037第五节 终止和抗终止3.抗终止抗终止v由由于于不不同同生生理理要要求求，转转录录过过程程中中有有时时即即使使遇遇到到终终止止信信号号，仍仍需需要要继继续续转转录录的的现现象象。2024/7/1038第五节 终止和抗终止3.抗终止抗终止v两种类型：两种类型：n破坏终止位点RNA的茎-环结构n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不能形成特定的二级结构，末端茎-环结构被破坏，因此转录仍将继续进行，出现抗终止现象。2024/7/10393.抗终止抗终止n依赖于蛋白质因子的转录抗终止n蛋白复合物形成后，将会改变聚合酶的构象，使之对终止信号不敏感，从而抗终止。2024/7/1040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能变成有活性的RNA分子。2024/7/1041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(hn RNA,hetero-geneous nuclear RNA)，而不是成熟的RNA，它们没有生物学活性，还要在酶的作用下，进行加工才能变为成熟的、有活性的RNA。RNA的加工过程主要是在细胞核内进行，也有少数反应是在胞质中进行。2024/7/1042第六节 mRNA的加工1.RNA中的内含子中的内含子v真核生物的基因往往是断裂的基因，其转录所形成的RNA前体要经过剪切，将内含子切除后，将外显子拼接起来才能形成成熟的mRNA。v真核基因平均含810个内含子，前体分子一般比成熟mRNA大410倍。2024/7/10431.RNA中的内含子中的内含子v内含子两端边界存在共有序列：（GU-AG法则）v在内含子内部部分序列也可能参与内含子的剪接，他们可能是pre-mRNA剪接过程中各种核糖核蛋白剪接调节因子的结合位点。2024/7/10442.mRNA的剪接的剪接v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。2024/7/10452024/7/10462.mRNA的剪接的剪接v内含子的末端识别有内含子限定和外显子限定两种方式。2024/7/10472.mRNA的剪接的剪接v生物体内各种内含子：v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类内含子能进行自我剪接。内含子类型内含子类型细胞内定位细胞内定位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-mRNA（真核），细胞器RNA，少数细菌RNAII类内含子细胞器RNA，部分细菌RNAIII类内含子细胞器RNA双内含子细胞器RNAPre-tRNA内含子细胞核，pre-tRNA（真核）2024/7/10483.RNA的编辑、再编码及化学修饰的编辑、再编码及化学修饰vRNA的编辑nRNA的编辑是某些RNA，特别是mRNA前体的一种加工方式，如插入、删除或取代一些核苷酸残基，导致DNA编码的遗传信息的改变。n介导RNA编辑的机制有两种：n位点特异性脱氨基作用n引导RNA指导的尿嘧啶插入或删除。2024/7/1049v位点特异性脱氨基作用位点特异性脱氨基作用n载脂蛋白CU导致提前终止n由脱氨基酶催化2024/7/1050v引导RNA指导的尿嘧啶插入或删除2024/7/1051v引导RNA指导的尿嘧啶插入或删除2024/7/10523.RNA的编辑、再编码及化学修饰的编辑、再编码及化学修饰vRNA的编辑nRNA的编辑的生物学意义：n校正作用 有些基因在突变过程中丢失的遗传信息可能通过RNA编辑修复。n调控翻译 通过编辑可以构建和去除起始或终止密码子，是基因表达调控的一种方式。n扩充遗传信息 能是基因产物获得新的结构和功能，有利于生物进化。2024/7/10533.RNA的编辑、再编码及化学修饰的编辑、再编码及化学修饰vRNA的再编码nmRNA在某些情况下不是以固定的方式被翻译，而可以改变原来的信息，以不同的方式进行翻译，科学上八RNA编码和读码方式的改变称为RNA的再编码。nRNA的再编码的表现方式：n核糖体程序性+1/-1移位n核糖体跳跃n终止子通读vRNA的化学修饰2024/7/1054