【正文】 第三章 生物信息的傳遞（上）－從 DNA到 RNA ? RNA的轉(zhuǎn)錄 ? 啟動子與轉(zhuǎn)錄起始 ? 原核生物與真核生物 mRNA的特征比較 ? 終止與抗終止 ? 內(nèi)含子的剪接、編輯及化學(xué)修飾 ? DNA序列是 遺傳信息的貯存者， 它通過自主復(fù)制得到永存，并通過 轉(zhuǎn)錄 生成信使RNA、 翻譯 生成蛋白質(zhì)的過程來控制生命現(xiàn)象。 轉(zhuǎn)錄 (transcription) 基因表達(dá) 翻譯 (translation) 拷貝出一條與 DNA鏈序列完全相同 (U替換 T)的 RNA單鏈的過程，是基因表達(dá)的核心步驟； 以新生的 mRNA為模板，把核苷酸三聯(lián)遺傳密碼子翻譯成氨基酸序列、合成多肽鏈的過程，是基因表達(dá)的最終目的。 DNA RNA Protein 轉(zhuǎn) 錄 翻 譯 ATGC ? RNA分子 來自 DNA。儲存于 DNA雙鏈中的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄酶促反應(yīng)按照 堿基互補配對 的原則被轉(zhuǎn)化成為 單鏈RNA分子 。 ? 生物體內(nèi)共有 3種 信使 RNA(messenger RNA， mRNA) 轉(zhuǎn)移 RNA(transfer RNA， tRNA) 核糖體 RNA(ribosomal RNA， rRNA) 轉(zhuǎn)錄 (transcription):是指以 DNA為模板，在依賴于 DNA的 RNA聚和酶催化下，以 4中 rNTP（ ATP、 CTP、 GTP和 UTP）為原料，合成 RNA 的過程。 轉(zhuǎn)錄 ( transcription ) —— 生物體以 DNA為模板合成 RNA的過程 轉(zhuǎn)錄 RNA DNA 在有些病毒中， RNA也可以指導(dǎo)合成 RNA。 ? 是基因表達(dá)的第一步，也是最關(guān)鍵的一步。 ? 以 Double Strand DNA中的一條單鏈作為轉(zhuǎn)錄模板 (雜交實驗所證實 ) T C G A G T A C A G C T C A T G C G A G U A C RNA聚合酶 有意義鏈 反意義鏈 RNA PPi 5’ 5’ 3’ GTP UTP CTP ATP UTP RNA在 DNA模板上的生物合成 3’ 3’ 5’ 轉(zhuǎn) 錄 過 程 ? 有義鏈 (sense strand) [又稱編碼鏈 coding strand]: 指不作模板的 DNA單鏈 ? 反義鏈 (antisense strand) [又稱模板鏈 template srand] : 指作為模板進(jìn)行 RNA轉(zhuǎn)錄的鏈 (60年代以前的表示方法與此相反 ) 沒有 A＝ U G＝ C 的規(guī)律 ? 在依賴 DNA的 RNA聚合酶作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)錄 ? A＝ U、 C≡ G 合成 RNA分子 ? 轉(zhuǎn)錄合成 RNA鏈的方向為 5′→3′ ， 模板單鏈 DNA的極性 方向為 3′→ 5′， 而非模板單鏈的極性方向與 RNA鏈相 同，均為 5′→3′ 。（書寫） ? 基因轉(zhuǎn)錄方式為不對稱轉(zhuǎn)錄 (一條單鏈 DNA 為模板 ,RNA 聚合酶的結(jié)合 ) 參 與 轉(zhuǎn) 錄 的 物 質(zhì)： 原料 : 4種 NTP ( ATP, UTP, GTP, CTP ) 模板 : DNA 酶 : RNA聚合酶 其他蛋白質(zhì)因子 不對稱轉(zhuǎn)錄 兩層含義： （ 1）在 DNA雙鏈分子上，僅一股鏈可轉(zhuǎn)錄 （ 2）模板鏈非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上 模 板 為結(jié)構(gòu)基因 （有義鏈、編碼連） 為反義鏈（模板鏈） 不對稱轉(zhuǎn)錄 3180。 3180。 5180。 5180。 （箭頭表示轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物生成方向） RNA的轉(zhuǎn)錄 ? 轉(zhuǎn)錄的基本過程 無論是原核還是真核細(xì)胞，轉(zhuǎn)錄的基本過程都包括 :模板識別 、 轉(zhuǎn)錄起始 、 通過啟動子 及 轉(zhuǎn)錄的延伸和終止 。 RNA 的轉(zhuǎn)錄包括 promotion. elongation. terminaton 三過程 ? 從啟動子 (promoter)到終止子 (terminator)稱為轉(zhuǎn)錄單 位 (transcription unit) (轉(zhuǎn)錄起始點 ) ? 原核生物的轉(zhuǎn)錄單位多為 polycistron in operon,真 核生物中的 轉(zhuǎn)錄單位多為 monocistron, No operon ? 轉(zhuǎn)錄起點即轉(zhuǎn)錄原點記為＋ 1，其上游記為負(fù)值，下游 記為正值 upstream start point downstream － 10 ＋ 1 ＋ 10 轉(zhuǎn)錄起始點 兩個相關(guān)概念 : ＊ 操縱元 (operon): 是原核生物基因 表達(dá)調(diào)控的一個 完整單元，其中 包括結(jié)構(gòu)基因、 調(diào)節(jié)基因、操縱 子和啟動子 i p o z y a No lac mRNA Absence of lactose Active i p o z y a ?Galactosidase Permease Transacetylase Presence of lactose Inactive 酶與模板的辯認(rèn)結(jié)合 轉(zhuǎn)錄起始點 ——開始轉(zhuǎn)錄的位點，常標(biāo)以 +1 結(jié)合部位 ——約為 7個堿基長度，其中心位于上 游 10 bp處被稱為 – 10區(qū) 或 Pribnow 盒 (TATA盒）。該 區(qū)具高度保守性，并易解鏈。 識別部位 ——RNA聚合酶 ?亞基識別的部位， 約 含 6個堿基長度，其中心位于上游 35 bp處被稱為 –35 區(qū) 。 啟動序列(原核） 啟動子（真核） —— 順式作用元件 TGTTGACA TATAAT 339。 539。 5‘ 339。 DNA 編碼鏈 模板鏈 35 區(qū) 10 區(qū) + 1 5‘ McGPPP 轉(zhuǎn)錄起始部位 啟動子 基因轉(zhuǎn)錄區(qū) RNA產(chǎn)物 NH2 翻譯開始 轉(zhuǎn)錄開始 基本過程 轉(zhuǎn)錄起始 原核生物 需要依賴 ? 因子辨認(rèn)轉(zhuǎn)錄起始點， 被辨認(rèn)的 DNA區(qū)段處 35區(qū)特定序列。 真核生物 轉(zhuǎn)錄起始也需要 RNApol對起始區(qū) 上游 DNA序列做辨認(rèn)和結(jié)合，并生成起始復(fù)合物， 但其上游 DNA序列（統(tǒng)稱為順式作用元件）不象 原核生物那樣典型。 延長 在 RNA聚合酶催化下，按 5??3? 方向合成 5?， 3?磷酸二酯鍵。酶 DNARNA形成 轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。 終止 原核生物有兩種機制： （ 1）依賴 ? 因子（ Rho factor） 的轉(zhuǎn)錄終止 ——可識別來自 RNA產(chǎn)物的終止信號，而不是來自 DNA摸板。 （ 2）非依賴 ? 因子 的轉(zhuǎn)錄終止 ——終止子特點是 RNA產(chǎn)物具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)（莖 環(huán)結(jié)構(gòu)）和一段富含 polyU片段。 真核生物的轉(zhuǎn)錄終止是與轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)的： 啟動子 (promoter) 指 DNA分子上被 RNA聚合酶識別并結(jié)合形成起始轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的區(qū)域 ，它還包括一些調(diào)節(jié)蛋白因子的結(jié)合位點 (頻率、效率 ) 模板識別階段 主要指 RNA聚合酶與啟動子 DNA雙鏈相互作用并與之相結(jié)合的過程。 轉(zhuǎn)錄起始前，啟動子附近的 DNA雙鍵分開形成轉(zhuǎn)錄泡以促使底物核糖核苷酸與模板 DNA的堿基配對。轉(zhuǎn)錄起始就是 RNA鏈上第一個核苷酸鍵的產(chǎn)生。 在原核生物中 通過啟動子階段 轉(zhuǎn)錄起始后直到形成 9個核苷酸短鏈 此時 RNA聚合酶一直處于啟動子區(qū)，新生的 RNA鏈與 DNA模板鏈的結(jié)合不夠牢固，很容易從 DNA鏈上掉下來并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄重新開始。一旦 RNA聚合酶成功地合成 9個以上核苷酸并離開啟動子區(qū)，轉(zhuǎn)錄就進(jìn)人正常的 延伸 階段。 所以，通過啟動子的時間代表一個啟動子的強弱。一般說來，通過啟動子的時間越短，該基因轉(zhuǎn)錄起始的頻率也越高。 轉(zhuǎn)錄的延伸 RNA聚合酶離開啟動子，沿DNA鏈移動并使新生 RNA鏈不斷伸長的過程 在 37℃ 時，大腸桿菌 RNA聚合酶完成該反應(yīng)的速度為每秒 40個核苷酸。 RNA聚合酶的移動 新的單鏈DNA模板 新生 RNA鏈的 3′末端不斷延伸 解鏈區(qū)形成 RNADNA雜合物 雙螺旋重新合成 RNA鏈的延伸圖解 3180。 5180。 RNADNA雜交螺旋 聚合酶的移動方向 新生 RNA 復(fù)鏈 解鏈 有義鏈 模板鏈（反義鏈） 延長部位 轉(zhuǎn)錄的終止 當(dāng) RNA鏈延伸到轉(zhuǎn)錄終止位點時，RNA聚合酶不再形成新的磷酸二酯鍵， RNADNA雜合物分離，轉(zhuǎn)錄泡瓦解， DNA恢復(fù)成雙鏈狀態(tài)，而 RNA聚合酶和 RNA鏈都被從模板上釋放出來 復(fù) 制 轉(zhuǎn) 錄 模板 兩股鏈 模板鏈（反義鏈） 原料 dNTP NTP 配對 A T , G C A U , G C 聚合酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶 產(chǎn)物 半保留 DNA 三種 RNA 轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的區(qū)別 真核生物 RNA聚合酶 不能直接識別基因的啟動子區(qū)， 需要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子 (輔助蛋白質(zhì) )按特定順序結(jié)合于啟動子上，RNA聚合酶才能與之相結(jié)合并形成復(fù)雜的前起始復(fù)合物。 轉(zhuǎn)錄和翻譯的速度基本相等， 37℃ 時，轉(zhuǎn)錄生成 mRNA的速度每秒鐘合成 14個密碼子，而蛋白質(zhì)合成的速度大約是每秒鐘 15個氨基酸。 轉(zhuǎn)錄機器的主要成分 RNA聚合酶 ?原核和真核生物的 RNA在分子組成、種類和生化特性上各有特色。 不需要任何引物 RNA或 RNADNA雙鏈雜合體不能作為模板 雙鏈 DNA為模板 4種核苷三磷酸作為活性前體 Mg2＋ /Mn2＋為輔助因子 一、原核生物的 RNA polymerase (E. coli) 全酶 (Holo Enzyme)和核心酶 (Core Enzyme) ＋ σ β β′ α α Core Enzyme β α α β′ σ Holo Enzyme 原核生物的 RNA聚合酶 (DDRP) E. coli的 RNA聚合酶是由四種亞基組成的五聚體（ ?2 ? ?? ?） αββ 39。α核 心 酶 （ c o r e e n z y m e ）