【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 核苷酸之間的遠(yuǎn)程相互作用。左邊圖中，胞苷酸用藍(lán)色表示、腺苷酸用紅色表示、鳥(niǎo)苷酸用黑色表示、鳥(niǎo)苷酸用綠色表示。右邊圖中，標(biāo)準(zhǔn)WatsonCrick堿基對(duì)的氫鍵用黑色虛線表示，其它氫鍵用綠色虛線表示。 DNA聚合酶依據(jù)模板指令復(fù)制DNA現(xiàn)在我們談?wù)凞NA復(fù)制。細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行DNA復(fù)制的機(jī)器有20多種蛋白質(zhì)。1958年Arthur Kornberg及其同事從大腸桿菌分離出第一種DNA復(fù)制的酶，即DNA聚合酶，能夠促進(jìn)DNA骨架的形成。在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)參與DNA復(fù)制和修復(fù)的DNA聚合酶有好幾種，分別用羅馬數(shù)字表示（第28章）DNA聚合酶促進(jìn)磷酸二酯鍵形成DNA聚合酶催化一個(gè)個(gè)脫氧核苷酸加合到DNA鏈上（）。這個(gè)催化反應(yīng)的最簡(jiǎn)形式是 其中dNTP表示任意一種脫氧核苷酸，PPi是焦磷酸離子。 DNA聚合酶催化的聚合反應(yīng)。 DNA合成具有下列特征：1. 需要四種前體(即脫氧核苷539。三磷酸 dATP, dGTP, dCTP, 和TTP)和Mg2+離子。2. 需要模板。新進(jìn)入的核苷酸與模板鏈相應(yīng)位點(diǎn)的堿基完全互補(bǔ)，DNA聚合酶才能催化此反應(yīng)形成磷酸二酯鍵。因此DNA聚合酶催化反應(yīng)模板指導(dǎo)的、合成與模板互補(bǔ)的DNA鏈。3. 需要引物啟動(dòng)DNA合成。引物鏈序列與模板鏈互補(bǔ)，并且有游離的339。OH。DNA聚合酶催化的鏈延伸反應(yīng)是生長(zhǎng)鏈339。OH親核攻擊脫氧核苷三磷酸最內(nèi)部的磷原子（），形成磷酸二酯鍵，釋放焦磷酸。隨后焦磷酸酶水解焦磷酸、形成兩個(gè)磷酸根。DNA鏈延伸的方向從539。到339。4. 很多DNA聚合酶能夠刪除DNA鏈誤配核苷酸，從而糾正錯(cuò)誤。這些DNA聚合酶的核酸酶活性能夠切除堿基錯(cuò)誤的核苷酸。核酸酶活性顯著提高了DNA合成的忠實(shí)度，使每個(gè)堿基的錯(cuò)誤率低于108。 鏈延伸反應(yīng)。DNA聚合酶催化磷酸二酯鍵的形成。有些病毒的基因是RNA所有細(xì)胞生物的基因都是DNA。有些病毒的基因也是DNA。但是還有些病毒的基因是RNA。病毒是用蛋白質(zhì)包裹遺傳物質(zhì)的顆粒，獨(dú)立狀態(tài)下病毒不能繁殖，但是能夠在細(xì)胞內(nèi)繁殖、并從一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞。煙草花葉病毒是研究得很充分的一種RNA病毒。這種病毒能夠感染煙草葉子。病毒顆粒有一個(gè)單鏈RNA分子(有6390核苷酸），和包裹該核酸分子的蛋白質(zhì)衣殼。衣殼由2130個(gè)完全相同的亞基構(gòu)成。一種RNA聚合酶在RNA模板指導(dǎo)下合成RNA分子（負(fù)責(zé)病毒RNA的復(fù)制），這種酶稱(chēng)為RNA指導(dǎo)的RNA聚合酶。另一類(lèi)重要的RNA病毒是反轉(zhuǎn)錄病毒，感染細(xì)胞后病毒的遺傳物質(zhì)RNA轉(zhuǎn)變成DNA(而不是從DNA轉(zhuǎn)變成RNA)。這類(lèi)病毒包括引起艾滋病的人免疫缺陷病毒(HIV1)，以及一些動(dòng)物致瘤的RNA病毒。反轉(zhuǎn)錄病毒顆粒有兩拷貝的單鏈RNA分子。進(jìn)入細(xì)胞后，RNA分子經(jīng)病毒反轉(zhuǎn)錄酶作用轉(zhuǎn)變成DNA分子（）。病毒的雙螺旋DNA（形式）能整合到宿主細(xì)胞的染色體中，與正常細(xì)胞DNA一道復(fù)制。感染后期，整合到宿主染色體的病毒基因組表達(dá)形成病毒RNA和病毒蛋白質(zhì)，這些病毒RNA和病毒蛋白質(zhì)包裝形成病毒顆粒。 反轉(zhuǎn)錄病毒遺傳信息流動(dòng)（從RNA到DNA）。反轉(zhuǎn)錄酶是感染病毒顆粒攜帶的DNA聚合酶，能夠?qū)⒎床《綬NA基因組轉(zhuǎn)變成DNA。反轉(zhuǎn)錄沒(méi)具有下列活性：催化合成與RNA鏈互補(bǔ)的DNA鏈；降解RNA/DNA雜合鏈的RNA鏈；隨后合成另一條與RNA序列相同的DNA鏈。 基因表達(dá)就是DNA信息轉(zhuǎn)化成功能分子當(dāng)DNA序列信息表達(dá)成RNA和蛋白質(zhì)時(shí)，基因的功能才能表達(dá)出來(lái)。這是本書(shū)后面章節(jié)要介紹的內(nèi)容。此處我們只介紹基因表達(dá)的一些基本知識(shí)。DNA就像檔案信息，適當(dāng)?shù)貎?chǔ)存、操作避免損傷（突變）。DNA表達(dá)分兩個(gè)步驟。首先將DNA序列信息拷貝到RNA分子上，這個(gè)過(guò)程能形成很多拷貝的RNA分子，后者所攜帶的信息能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。進(jìn)一步翻譯mRNA、合成有功能的蛋白質(zhì)。細(xì)胞內(nèi)還有其他類(lèi)型的RNA分子，它們協(xié)助mRNA翻譯成蛋白質(zhì)。在基因表達(dá)過(guò)程中起關(guān)鍵作用的幾類(lèi)RNA分子人們?cè)?jīng)認(rèn)為RNA分子在基因表達(dá)過(guò)程中處于被動(dòng)狀態(tài)，像mRNA那樣只是傳遞信息。然而，最近的研究表明RNA分子的功能很多，從催化到調(diào)節(jié)都有RNA分子參與。1. mRNA是蛋白質(zhì)合成或翻譯的模板。大腸桿菌的一個(gè)基因或一組基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生一種mRNA分子。真核生物一個(gè)基因就能產(chǎn)生一種mRNA。細(xì)胞內(nèi)mRNAs差異很大。在原核生物， kb左右。真核生物mRNA有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)（包括莖環(huán)結(jié)構(gòu)），這些結(jié)構(gòu)能調(diào)節(jié)mRNA的翻譯效率和mRNA的壽命。2. tRNA是多肽合成的氨基酸載體。它們攜帶氨基酸到達(dá)核糖體，依據(jù)mRNA序列組裝成多肽。一種氨基酸至少有一種tRNA。tRNA的長(zhǎng)度約為75核苷酸（相當(dāng)于25 kd)。3. rRNA是核糖體的主要組分（30章）。原核生物有三類(lèi)rRNA，根據(jù)它們的沉降系數(shù)將原核rRNA分別命名為23S，16S，和5S RNA。每個(gè)核糖體含有一個(gè)23S，一個(gè)16S，和一個(gè)5S RNA。過(guò)去曾經(jīng)認(rèn)為rRNA在核糖體中只起結(jié)構(gòu)作用，現(xiàn)在知道這些RNA分子才是蛋白質(zhì)合成的真正催化劑。在三類(lèi)RNA分子中，rRNA是細(xì)胞內(nèi)含量最豐富的RNA分子，tRNA分子的細(xì)胞含量次之，mRNA分子的含量最少（只有細(xì)胞RNA總量的5%）。真核細(xì)胞還含有其他的小分子RNA。4. 核小分子RNA參與RNA外顯子的剪接。5. 一種小分子RNA是信號(hào)識(shí)別顆粒的必需組分。信號(hào)識(shí)別顆粒是細(xì)胞質(zhì)的一種RNA蛋白質(zhì)復(fù)合物，能協(xié)助胞內(nèi)新生蛋白質(zhì)定位于細(xì)胞特異位置或分泌到細(xì)胞外。6. miRNA（微RNA)是一類(lèi)長(zhǎng)度只有21核苷酸左右的非編碼RNA。與序列互補(bǔ)的mRNA結(jié)合后阻止mRNA翻譯。7. 小分子干擾RNA（siRNA)與mRNA結(jié)合后，促進(jìn)mRNA降解。miRNA和siRNA是科研人員抑制細(xì)胞內(nèi)特定基因表達(dá)的實(shí)驗(yàn)工具。8. RNA是端粒酶組分。端粒酶能維持DNA復(fù)制過(guò)程中染色體端粒的完整性。本章我們集中討論rRNA，mRNA，和tRNA。所有細(xì)胞RNA都由RNA聚合酶合成從DNA模板合成RNA，叫轉(zhuǎn)錄。RNA聚合酶催化轉(zhuǎn)錄反應(yīng)（）。RNA聚合酶催化RNA鏈合成的起始和延伸。此酶催化反應(yīng)可簡(jiǎn)寫(xiě)為： RNA聚合酶。RNA聚合酶有很多亞基，包括b亞基（紅色）和b39。亞基（黃色）。這些亞基之間形成一個(gè)“鉗子”結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)錄DNA夾住?；钚晕稽c(diǎn)還有一個(gè)Mg2+（綠色），彎曲管道表示多肽鏈骨架。RNA聚合酶需要下列組分：1. 模板。優(yōu)先選擇的模板是DNA雙鏈。單鏈DNA分子也能充當(dāng)RNA合成的模板。但是RNA分子(無(wú)論單鏈還是雙鏈）都不能充當(dāng)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶酶促反應(yīng)的模板，RNADNA雜合鏈也不能充當(dāng)RNA聚合酶促反應(yīng)的模板。2. 活化前體，即四種核苷539。三磷酸。3. 二價(jià)金屬離子，如Mg2+或 Mn2+。RNA合成和DNA合成有幾個(gè)共同點(diǎn)（）。（1）合成方向也是從539。339。（2）延伸機(jī)制類(lèi)似，即生長(zhǎng)鏈的339。OH親和進(jìn)攻參與的核苷三磷酸最內(nèi)部的磷原子。（3）合成的驅(qū)動(dòng)力是焦磷酸水解。與DNA聚合酶不同的是，RNA聚合酶促反應(yīng)不需要引物。此外RNA聚合酶沒(méi)有核酸酶活性，缺乏校正功能。 RNA聚合酶催化的鏈延伸機(jī)制。在大腸桿菌中合成這三類(lèi)RNA（mRNA, rRNA, 和tRNA)的酶都是同一種RNA聚合酶依據(jù)DNA模板的指導(dǎo)合成的。哺乳細(xì)胞合成這三類(lèi)RNA的聚合酶不同。我們?cè)?9章將介紹這些RNA聚合酶。RNA聚合酶接受DNA模板的指導(dǎo)與早先介紹的DNA聚合酶類(lèi)似，RNA聚合酶也接受DNA模板的指導(dǎo)。最早的證據(jù)來(lái)自新生RNA鏈的堿基組成與DNA模板鏈的堿基組成互補(bǔ)。fX174病毒是單鏈DNA病毒，從這種單鏈DNA模板轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA分子的堿基組成就是這樣（）。雜交試驗(yàn)揭示RNA聚合酶合成的RNA鏈與DNA模板鏈互補(bǔ)。在RNA分子存在時(shí)，將DNA分子熔化、再重新結(jié)合。如果RNA鏈與DNA模板鏈序列互補(bǔ)，就會(huì)產(chǎn)生RNADNA雜合鏈。轉(zhuǎn)錄直接受DNA模板鏈指導(dǎo)的最有力證據(jù)是序列分析的結(jié)果—RNA堿基序列與DNA模板堿基序列完全互補(bǔ)（） mRNA與DNA序列互補(bǔ)。mRNA堿基序列（紅色）與DNA模板鏈的堿基序列（藍(lán)色）互補(bǔ)。該序列是色氨酸操縱子的一部分。色氨酸操縱子有5個(gè)基因，負(fù)責(zé)色氨酸合成另一條鏈叫編碼鏈，其序列與RNA鏈完全相同（除了T替代U外）。轉(zhuǎn)錄從啟動(dòng)子附近起始、在轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)結(jié)束在一串很長(zhǎng)的DNA序列中，RNA聚合酶要先探測(cè)出哪個(gè)區(qū)域需要轉(zhuǎn)錄，確定轉(zhuǎn)錄得起始位點(diǎn)。DNA模板含有啟動(dòng)子(promoter)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域能夠與RNA聚合