分子生物学 第三章 生物信息传递(上) 课件.ppt
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1、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
2、/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
3、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
4、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
5、/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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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,D
11、NA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
12、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,
13、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 bo
14、x: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
15、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)
16、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,202
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