分子生物学 第三章 生物信息传递(上) 课件.ppt
2022/12/7,1,2022/12/7,2,转录（transcription) 以DNA单链为模板，NTP为原料，在依赖DNA的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。,模板链（template strans） 或无意义链( antisense strand)：作为模板，按碱基互补配对原则转录成RNA的DNA链。,编码链（coding strand）或有意义链(sense strand) 与模板链互补的非模板链，其编码区的碱基序列与转录产物mRNA的序列相同（仅T、U互换）。,2022/12/7,3,编码链（coding strand）模板链（template strans）,2022/12/7,4,转录与复制的异同点,2022/12/7,5,第一节 RNA转录的基本过程第二节 转录机器的主要成分第三节 启动子与转录的起始第四节 原核生物与真核生物 mRNA 特征的比较第五节 终止与抗终止第六节 内含子的剪切、编辑及化学修释,2022/12/7,6,第一节 RNA 的 转录,一、转录的基本过程,模板的识别转录的起始通过启动子转录的延伸转录的终止,2022/12/7,7,随机扩散,定向取代,随机行走,模板识别：RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。,2022/12/7,8,启动子（promoter)：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。,在原核生物中， 因子辨认-35区，全酶与该区结合形成疏松复合物，继而全酶向-10区及起始位点移动，到起始位点后全酶与DNA结合紧密。,2022/12/7,9,全酶-启动子形成闭合二重复合体；闭合复合体转变为开放复合体；整合进最初两个核苷酸，形成一个磷酸二酯键，形成三重复合体；,转录的起始,原核生物转录的起始,2022/12/7,10,通过启动子在酶不需要移动时，即可加入9个核苷酸，但在加入核苷酸过程中，随时可能释放RNA；起始成功后，释放出 因子。,2022/12/7,11,真核生物转录的起始,真核生物有三种RNA聚合酶，分别催化不同RNA的合成，每种酶的作用均需一些蛋白辅助因子的参与，将这些因子称为转录因子。 转录因子的命名冠以聚合酶的名称，如RNA聚合酶II所需的转录因子称为转录因子II（transcription factor II , TF II)。,2022/12/7,12,TFs 帮助RNA聚合酶识别启动子。TFs ( 转录因子）必须先与DNA形成复合物，帮助RNA聚合酶定位到转录起始的位点。 RNA聚合酶和转录因子在DNA上的定位形成前起始复合物，由于转录因子的作用复合物由封闭型转换成开放型。,2022/12/7,13,正常的延伸中，新的磷酸二酯键在特定的活性位点进行；(NMP)n + NTP= (NMP)n+1 + PPi,转录的延伸,2022/12/7,14,出现故障时，RNA聚合酶停止前进并回撤；在RNA的3端切割，形成新的3-OH末端；重新开始延伸RNA链。,2022/12/7,15,转录的终止,RNA聚合酶释放， RNA链释放， DNA恢复成双螺旋状态,2022/12/7,16,第二节 转录机器的主要成分,一、RNA聚合酶,RNA聚合酶主要以双链DNA为模板；RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶；每个细胞中约有7 000个RNA 聚合酶； 任何时候大约2 0002 500个核心酶执行转录功能。,2022/12/7,17,1、原核生物RNA聚合酶,与模板DNA、底物NTP及新生RNA链结合,2022/12/7,18,核心酶可以DNA为模板合成RNA，但不能在正确的位点起始。起始必须有 因子； 因子能够提高酶和启动子识别的特异性，同时也降低酶和非特异位点的亲和力。在某些细菌细胞内含有能识别不同启动子的 因子，以适应不同生长发育阶段的要求，调控不同基因转录的起始。, 因子,2022/12/7,19,热激反应（heat shock response）正常条件下，核心酶与70结合，转录普通基因；温度升高后，新的转录因子表达，激活热激基因的表达。32可与70竞争核心酶，并可迅速降解。,2022/12/7,20, 因子与核心酶的解离-结合对RNA聚合酶功能的影响,核心酶与DNA双链的作用比较松散，结合半寿期约1 h。核心酶不区分启动子和其他序列。 因子加入后，全酶与松散结合位点的结合力下降，半寿期1 s；但与启动子结合可增强1000倍，半寿期达几个小时。全酶与启动子结合常数基本反映了启动子的强度。,2022/12/7,21,聚合酶前进时，将前端的DNA双链解旋，在后方则重新结合。聚合酶所保护的DNA序列约为40 bp，而解旋的DNA区域大约17 bp，RNA的3端大约有2030个核苷酸与DNA或聚合酶结合，而其中RNA-DNA杂交区仅约9 bp。,2022/12/7,22,细胞中不同状态RNA聚合酶的数量,每个E.coli细胞中含约7000个RNA 聚合酶；,核心酶主要以松散的闭合复合体为主；足量的因子使三分之一的聚合酶以全酶形式存在，主要是在非特异位点的松散复合体和启动子处的紧密（开放）复合体；约2500个核心酶正在进行转录。,2022/12/7,23,2、真核生物RNA聚合酶,2022/12/7,24,真核生物RNA聚合酶一般由816个亚基所组成。其中RNA 聚合酶II的两个大亚基（RPB1和RPB2）与细菌核心酶的两个大（和）；（RPB3和RPB11）与亚基同源；RPB6与亚基同源。 真核生物RNA聚合酶共性：聚合酶中有两个相对分子质量超过 1 x 105 的大亚基；三类聚合酶有“共享”小亚基的倾向。,2022/12/7,25,RNA聚合酶I的转录产物是45S rRNA，经剪接修饰后生成除5S rRNA外的各种rRNA。RNA聚合酶II在核内转录生成hnRNA，经剪接加工后生成成熟mRNA被运送到细胞质中作为蛋白质合成的模板。 核不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA）：核内未被剪接的有内含子的mRNA前体，或是核内mRNA的初级转录产物。,2022/12/7,26,RNA聚合酶III的转录产物是tRNA，5S rRNA，snRNA。SnRNA（small nuclear RNA），即核内小RNA，主要存在于核内，是核内100300个核苷酸序列的小型RNA，参与RNA的剪接。,2022/12/7,27,蟹爪,RNA聚合酶的结构,当钳子形结构处于开放状态，启动子DNA序列才能进入，起始基因的转录。,2022/12/7,28,2、转录复合物,全酶-启动子形成闭合二重复合体；闭合复合体转变为开放复合体；整合进最初两个核苷酸，形成一个磷酸二酯键，形成三重复合体；在酶不需要移动时，即可加入9个核苷酸，但在加入核苷酸过程中，随时可能释放RNA；起始成功后，释放出 因子。核心酶、DNA和新生RNA组成转录延伸复合物。,2022/12/7,29,RNA聚合酶结合在DNA上时，其长度会发生变化起始复合物（包括 因子）结合DNA的长度为7580bp起始延伸复合物结合DNA的长度为5560bp一般延伸复合物结合DNA的长度为3040bp,2022/12/7,30,DNA转录循环理论1、NTP填补了开放的底物位点，并在活性位点形成磷脂键；2、处于聚合酶中心的核酸发生位移，其是连接区螺旋结构由笔直变为弯曲再恢复成为笔直状态，为下一轮RNA的合成留出了空的底物位点。,Pg 74,2022/12/7,31,转录因子（transcription factor, TF）：真核生物转录起始过程中，除RNA聚合酶之外的其它辅助因子统称为转录因子。,2022/12/7,32,小 结,一、转录的基本过程,模板的识别转录的起始通过启动子转录的延伸转录的终止,2022/12/7,33,第三节 启动子与转录的起始,一、启动子区的基本结构 启动子（promoter）：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。,2022/12/7,34,转录单元（transcription unit）：是一段从启动子开始到终止子结束的DNA序列，RNA聚合酶从转录起始位点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条RNA链。 转录起始位点：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。,2022/12/7,35,转录单元（transcription unit）,起点（startpoint）上游（upstream）下游（downstream）,2022/12/7,36,启动子区的基本结构,细菌启动子特征：1、起点通常是一个嘌呤；2、起点上游10 bp处，有一约6 bp的保守区域，称为-10 区（也叫Pribnow Box），共有序列为：T A T A A；3、起点上游35 bp处，有一约 6 bp的保守区，称为-35区，共有序列为：T T G A C A；4、90%的启动子中，-10与-35区的距离在16-19bp之间；两个保守区之间的序列并不重要，但距离很关键。,2022/12/7,37,2022/12/7,38,TATA box：位于RNA聚合酶II转录起点上游约-35-25 bp处的共同序列TATAAA，绝大多数情况下全部是A-T碱基对，只有少数含有G-C。CAAT box：在起点上游-78-70 bp处还有另一段共有序列CCAAT，称为CAAT区。GC box：在起点上游-110-80 bp处有一段富含GC碱基对的序列（GCCACACCC或GGGCGGG），称为GC区。增强子：能强化转录起始频率的DNA序列。,真核生物基因中启动子特征：,2022/12/7,39,二、启动子区的识别,RNA聚合酶对启动子的识别是通过与碱基上的氢键供体和受体在一定距离内互补，形成氢键而实现的。,启动子的功能既受DNA序列的影响，又受其构象的影响。,2022/12/7,40,70的氨基酸与启动子-10区非模板链特异碱基的结合,2022/12/7,41,三、RNA聚合酶与启动子区的结合,开链区一般在-9 +13，而酶与启动子结合的区域主要在其上游。,2022/12/7,42,四、-10区和-35区的最佳距离,-10与-35区的距离在16-19 bp之间，否则会降低启动子的活性。即一旦-10与-35区间的超螺旋结构发生改变，RNA聚合酶就难以保持正确的取向。,2022/12/7,43,启动子突变,下降突变：降低其结构基因转录水平的启动子突变，称为下降突变。,上升突变：提高其结构基因转录水平的启动子突变，称为上升突变。,2022/12/7,44,五、增强子及其功能,增强子或强化子(enhancer)：指能强化转录起始频率的DNA序列。,增强子的特点：（1）远距离作用；（2）无方向性；（3）顺式调节；（4）无物种和基因的特异性；（5）具有组织特异性；（6）有相位性；（7）有的增强子可对外部产生信号。,2022/12/7,45,六、真核生物启动子对转录的影响,真核生物启动子,2022/12/7,46,2022/12/7,47,七、转录的抑制,抑制剂,DNA模板功能抑制剂，如放线菌素D,RNA聚合酶的抑制物，如-鹅膏蕈碱,2022/12/7,48,小 结,一、启动子区的基本结构,原核生物,真核生物,2022/12/7,49,第四节 原核生物与真核生物 mRNA 特征的比较,一、原核生物mRNA的特征,1、半衰期短,基因的连续性,转录和翻译在时间和空间上的一致性,2022/12/7,50,2、许多原核生物 mRNA 以多顺反子的形式存在,操纵子（operon）:一组相邻或相互重叠的基因, 在基因转录时协同作用，这样一组基因称为操纵子（operon）。 多顺反子（polycistronic mRNA ) ：编码多个蛋白质的mRNA称为多顺反子mRNA 。 单顺反子(monocistronic mRNA) ：只编码一个蛋白质的mRNA称为单顺反子mRNA。,2022/12/7,51,阻遏蛋白,2022/12/7,52,在原核生物中，一条mRNA链可编码多个蛋白；而在真核生物中，一条成熟的mRNA链只编码一种蛋白。,2022/12/7,53,在真核生物中一个基因可以编码不同的蛋白质，但一条mRNA链只编码一个蛋白质。,原因：真核生物基因的不连续性，使得前体mRNA发生选择性剪切，而产生不同的成熟mRNA，但基因指的是DNA序列，其本身不变。,2022/12/7,54,3、原核生物mRNA 5端无帽子结构，3 端没有或只有较短的poly(A) 结构，在起始密码子AUG上游712个核苷酸处有6个核苷酸的保守序列，被称为SD序列。 SD序列在与核糖体的结合过程中起作用。,2022/12/7,55,二、真核生物mRNA的特征,基因：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。,2022/12/7,56,5 5 Gppp + pppApNpNp. 5 5 GpppApNpNp. + pp + p,在磷酸酶的作用下，将5-端的磷酸基水解，由腺苷酸转移酶加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再由鸟嘌呤-7-甲基转移酶对G进行甲基化。新加的G以反方向与5连接，这一结构称为帽子（cap）结构。,1、真核生物mRNA的5端存在“帽子”结构,2022/12/7,57,甲基化,只在末端G的7位甲基化的帽子称为帽子0（cap 0），写作m7GpppX；,若第二个核苷酸2-OH甲基化，则称为帽子1（cap 1），写作m7GpppXm；,若第三个核苷酸2-OH甲基化，则称为帽子2（cap 2），写作m7GpppXmpYm。,2022/12/7,58,帽子结构的作用:1、提高mRNA的活性及稳定性；2、作为蛋白质合成起始信号的一部分。,2022/12/7,59,Pol I 和pol III 在特定的位点终止合成,Pol II无特定终止位点？,2、真核生物mRNA的3端存在poly(A)尾巴,2022/12/7,60,Pol II无特定终止位点，3-OH末端通过在特定位点切割后加上poly(A)来形成。几乎所有真核基因的3转录终止位点上游1530 bp存在保守序列AAUAAA,该序列作为切割和添加poly(A)位点的信号。,2022/12/7,61,特异组分（Cut and polyA Special factor, CPSF）识别AAUAAA序列；产生正确的末端结构需要核酸内切酶（由CFI和CFII组成）切割RNA；激发因子CstF，结合在切割位点下游一富含G-U的序列poly(A)聚合酶（PAP）合成poly(A)尾部；,2022/12/7,62,小 结,2022/12/7,63,第五节 终止和抗终止,大肠杆菌的终止子,不依赖于因子的终止,依赖于因子的终止,2022/12/7,64,一、不依赖于因子的终止,合成的RNA尾部的序列特征：1、二重对称的序列形成发卡结构；在发卡结构的茎基部富含G-C对；发卡结构可减缓或暂停合成；2、尾部有约48个连续的U；连续的A-U对使杂交链更容易分离。,2022/12/7,65,2022/12/7,66,二、依赖于因子的终止,因子是由 rho 基因编码，分子量为55 KDa 的蛋白质，其活性形式为六聚体，在离体条件下有两种活性，一种是解螺旋酶的活性，另一种是NTP酶的活性。 因子可结合于自由RNA链，并沿RNA链移动。,2022/12/7,67,结合在正在合成的RNA链的5端，利用水解NTP释放的能量，从5端向3端移动，当RNA聚合酶移动到终止子而暂停时， 因子达到RNA的3-OH端追上并取代了停在终止位点的RNA聚合酶， 因子的解螺旋活性使转录产物RNA链从模板DNA上释放，使转录终止。,2022/12/7,68,先结合于终止区上游；沿 RNA链移动；RNA聚合酶在终止子处暂停；因子追上聚合酶并使之解离，并拆分RNA-DNA杂交链。,2022/12/7,69,三、抗终止,1、破坏终止位点RNA的茎环结构,在原核生物中，转录和翻译相偶联。当介质中氨基酸减少时，相对应的携带这种氨基酸的tRNA也减少，使得核糖体不能顺利通过串联密码子，而破坏了mRNA的茎环结构，使得转录不能终止。,2022/12/7,70,2、依赖于蛋白质因子的转录抗终止,噬菌体中的N蛋白具有抗转录终止的作用。,DNA序列,A区（CGCTCTTA）,二重对称序列,结合,N蛋白,结合,NusA,RNA聚合酶,结合,随后NusG，S10，NusB都结合在Nut位点，形成复合物，使RNA聚合酶构象改变，对终止信号不敏感，使RNA链的合成继续。,2022/12/7,71,问 题,转录的基本过程？终止子的类型，它们各自的作用机理？细菌及真核生物启动子的特征？原核生物及真核生物 mRNA 特征?什么是多顺反子？什么是单顺反子？,2022/12/7,72,第六节 内含子的剪接、编辑、再编辑及化学修释,一、RNA中的内含子,不连续基因（interrupted / discontinuous gene，split gene，断裂基因）：真核生物基因除了与mRNA相对应的编码序列外，还含有一些不编码序列插在编码序列之间，这些不编码序列在加工为成熟的mRNA时被去除。这样的基因称为不连续基因或断裂基因。,2022/12/7,73,外显子（exon）：基因中与mRNA一致的序列。一个基因总是以外显子为起点和终点。内含子（intron）：基因中编码序列之间的介入序列，在原初转录物加工为mRNA时被去除。,2022/12/7,74,内含子两端没有长的同源或互补序列，但有极短的保守的共有序列，左端（上游）为GU，右端（下游）为AG。这一现象称为GU-AG规则。,左端的位点也叫供体位点（donor site）或者5，右端也叫受体位点（acceptor site）或者3。,2022/12/7,75,内含子的结构特点,GU-AG法则,3端附近有一段1020个嘧啶核苷酸的区域,5端有保守序列5-GUPuAGU-3,3 端上游1850个核苷酸处有保守序列Py80NPy87Pu75APy95（分支位点）,3,2022/12/7,76,剪接体的组装和剪接过程,内含子释放,进一步与U4、U5、U6三聚体结合，形成 60 S 剪接体,U1释放，U5从内含子区移到外显子区，U6结合在5剪切位点,U1结合在5剪切位点，U2AF结合在多嘧啶区U2结合在分支点，形成剪接前体,U4释放，U6/U2催化5剪切，U5结合在3剪切位点,U2/U5/U6催化3剪切,二、mRNA的剪接,2022/12/7,77,内含子的剪接方式有：,组成性剪接：在高等真核生物中，内含子通常是有序或组成性地从mRNA前体中被剪接，这种剪接方式称为组成性剪接。 变位剪接：又叫选择性剪接，指在剪接过程中可以有选择性地越过某些外显子或某个剪接位点进行变位剪接，产生出不同mRNA，这种剪接方式称为变位剪接。,2022/12/7,78,内含子的类型,2022/12/7,79,I 类内含子（Group I ）,出现于低等真核生物四膜虫pre-RNA。在真菌线粒体中很普遍。也存在于噬菌体T4和细菌中。这类内含子具有自我剪接（self-splicing / autosplicing）的能力。,2022/12/7,80,GNP的3-OH攻击内含子5端，形成G-内含子，和外显子部分； 分离的外显子3-OH攻击下一个外显子的5端； 释放的内含子3-OH攻击自身5端15碱基处。,类内含子的剪接主要是转酯反应,2022/12/7,81,具有9个配对区（双螺旋区），其中P4、P7比较保守； P3、P4、P6、P7形成内含子的“核心”，是可进行具催化反应的最小区域； P1包括一段外显子，称为IGS（internal guide sequence）。,I 类内含子的一般二级结构,2022/12/7,82,类内含子主要存在于真核生物的线粒体和叶绿体rRNA基因中。,两步反应都通过酯基转（transesterification）进行。,分支位点A残基2-OH攻击5位点。,上游外显子3-OH攻击3位点。,2022/12/7,83,剪接的第一步，分支位点A残基2 OH 攻击内含子5位点，使内含子5 端与上游外显子之间断裂； 5端与内含子中靠近3端的一A 残基2-OH 形成一索套形中间产物; A 所在位点称为分支位点（branch site）; 第二步，上游外显子3 OH 攻击3位点，在3位点切割，释放出内含子，连接两个外显子。,II 类（group II）内含子的剪接,2022/12/7,84,翻译,转录,末端修饰,剪接,RNA剪接、加工均发生于核内。,翻译发生于细胞质中的核糖体上。,2022/12/7,85,三、RNA的编辑、再编辑及化学修饰,1、RNA的编辑 指某些RNA，特别是在mRNA中插入、删除或取代一些核苷酸残基，导致DNA所编码遗传信息的改变，从而翻译出多种氨基酸序列不同的蛋白质。结果使成熟mRNA的核苷酸序列不同于前体，也不同于DNA模板，使遗传信息在mRNA水平上发生改变。,2022/12/7,86,介导RNA编辑的机制有两种：a、脱氨基作用b、引导RNA指导的尿嘧啶插入或删除,2022/12/7,87,(1)、单碱基突变(脱氨基作用）,载脂蛋白基因在动物肝脏和小肠中的表达。C U转变通过脱氨反应进行，由脱氨酶催化。,载脂蛋白mRNA的编辑,2022/12/7,88,细胞色素氧化酶II蛋白的序列与其基因相比，发生了移码（frameshift）。移码是通过在移码位点附近插入4个U形成。,(2)、尿苷酸的缺失和添加,2022/12/7,89,利什曼原虫（Leishmania）的细胞色素 b 基因表达时的RNA编辑,指导RNA（guide RNA）：指导RNA编辑的小分子RNA，又称向导RNA。长度大约是6080个核苷酸，中间有一段与被编辑mRNA相当程度互补的序列。,指导RNA上存在一些未能配对的腺嘌呤，形成缺口，为插入尿嘧啶提供了模板。,2022/12/7,90,RNA编辑的生物学意义：,（1）校正作用（2）调控翻译（3）扩充遗传信息,2022/12/7,91,2、RNA的再编码,指RNA的编码和读码方式的改变。,2022/12/7,92,RNA的化学修饰具有位点特异性。核仁RNA(snoRNAs)参与RNA的化学修饰，因为这些RNA能通过碱基配对的方式，把rRNA分子上需要修饰的位点找出来。snoRNA上的D盒是甲基化酶的识别位点。,3、RNA的化学修饰,2022/12/7,93,2022/12/7,94,四、核酶,核酶（ribozyme）：是指一类具有催化功能的RNA分子，通过催化靶位点RNA链中磷酸二酯键的断裂，特异性地剪切底物RNA分子，从而阻断基因的表达。,2022/12/7,95,锤头型核酶的二级结构和空间立体结构示意图,三个双螺旋区1113个核苷酸残基保守序列剪切反应在GUX序列的3端自动发生,2022/12/7,96,核酶的分类：,2022/12/7,97,五、RNA在生物进化中的地位,1、反馈效应2、获得性遗传,2022/12/7,98,小 结,一、RNA中的内含子结构的特点,二、RNA的剪切：剪切体的组装和剪切过程,四、RNA的编辑和化学修释,单碱基突变(脱氨基作用）,尿苷酸的缺失和添加,五、核酶的概念、分类及结构特点,2022/12/7,99,总 结,什么是转录？简述转录的基本过程？ 什么是模板链？什么是编码链？ 简述转录与复制的异同点？ 大肠肝菌RNA聚合酶有哪些组分？各个亚基的作用如何？ 真核生物RNA聚合酶分几类？各自的转录产物是什么？,2022/12/7,100,原核生物、真核生物启动子区的特征分别是什么？ 简述原核生物和真核生物mRNA的区别。 大肠肝菌终止子有哪两类？各自的作用机理如何？ 简述剪接体的组装和剪接过程？ 简述类内含子和类内含子的剪接特点？,2022/12/7,101,什么是RNA编辑？ 什么是核酶？,
