分子生物學(xué)課件-第三章-生物信息傳遞(上).ppt

1、第三章 生物信息的傳遞（上） 從DNA到RNA, 基本概念 轉(zhuǎn)錄起始： RNA聚合酶、啟動(dòng)子 轉(zhuǎn)錄的基本過程 轉(zhuǎn)錄后加工 原核生物與真核生物mRNA的特征比較 RNA合成與DNA合成異同點(diǎn),Contents,一、基本概念,生物體以DNA為模板合成RNA的過程 。,轉(zhuǎn)錄(transcription) ：, RNA主要以單鏈的形式存在 轉(zhuǎn)錄后得到的RNA要經(jīng)過加工才能變成成熟的mRNA 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物還可以變?yōu)閞RNA和tRNA。,生物體內(nèi)共有三種RNA,信使RNA（mRNA）：編碼特定蛋白質(zhì)序列,轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）：可特異性的解讀mRNA中的 遺傳信息，將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)氨基酸后加入多肽鏈中,核糖體R

2、NA（rRNA）：直接參與核糖體中蛋白質(zhì) 的合成,參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì),原料: 4種核糖核苷三磷酸NTPs (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板:DNA 酶: RNA聚合酶 其他蛋白質(zhì)因子, TTP,RNA和DNA結(jié)構(gòu)相似， T U 脫氧核糖 核糖 （p32）,DNA （脫氧核糖核酸） RNA（核糖核酸）,鳥嘌呤-脫氧核糖核苷三磷酸 dGTP GTP腺嘌呤-脫氧核糖核苷三磷酸 dATP ATP胸腺啶-脫氧核糖核苷三磷酸dTTP TTP 胞嘧啶-脫氧核糖核苷三磷酸dCTP CTP,dNTP指堿基脫氧核糖核苷三磷酸，表示dGTP，dATP, dTTP,dCTP的混合物。T就是英文的three，

3、P是指phosphate 即磷酸，d指的是deoxy 即脫氧。 NTP指堿基核糖核苷三磷酸，表示GTP，ATP, UTP,CTP的混合物。,腺嘌呤-脫氧核糖核苷酸dAMP，AMP 鳥嘌呤-脫氧核糖核苷酸dGMP，GMP 胞嘧啶-脫氧核糖核苷酸dCMP，CMP 胸腺嘧啶-脫氧核糖核苷酸dTMP TMP 是DNA 或者RNA的組成成分。,腺嘌呤-脫氧核糖核苷三磷酸 dATP ATP,無論在原核還是真核細(xì)胞中，RNA鏈的合成都具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：,RNA按53方向合成 以DNA雙鏈中的反義鏈為模板 不需要引物參與 合成的RNA有與DNA編碼鏈相同的序列（T-U）,轉(zhuǎn)錄的不對(duì)稱性：,在RNA的合成中，D

4、NA的二條鏈中僅有一條鏈可作為轉(zhuǎn)錄的模板，稱為轉(zhuǎn)錄的不對(duì)稱性。,編碼鏈與模板鏈,與合成的mRNA序列相同的那條DNA鏈稱為編碼鏈；將另一條根據(jù)堿基互補(bǔ)原則指導(dǎo)mRNA合成的DNA鏈稱為模板鏈。,模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上, 基本概念 轉(zhuǎn)錄起始： RNA聚合酶、啟動(dòng)子 轉(zhuǎn)錄的基本過程 轉(zhuǎn)錄后加工 原核生物與真核生物mRNA的特征比較 RNA合成與DNA合成異同點(diǎn),Contents,二、參與轉(zhuǎn)錄起始的關(guān)鍵酶與元件轉(zhuǎn)錄機(jī)器（p69）即是轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，其最核心成分是RNA聚合酶。,（一） RNA聚合酶,原核生物RNA聚合酶,在細(xì)菌中，一種RNA聚合酶幾乎負(fù)責(zé)所有mRNA、rRNA和tRNA的合成。 大

5、多數(shù)原核生物RNA聚合酶的組成是相同的。,全酶=核心酶+ 亞基 （大腸桿菌為例）,大腸桿菌RNA聚合酶： 2個(gè)亞基 1個(gè)亞基 1個(gè)亞基 1個(gè)亞基 1個(gè)亞基,核心酶,全酶,大腸桿菌RNA聚合酶的組成分析, 真核生物RNA聚合酶,在真核生物中共有3類RNA聚合酶。 真核生物RNA聚合酶一般由8-16個(gè)亞基所組成。,在真核生物中，最初轉(zhuǎn)錄生成的RNA稱為不均一核RNA(hnRNA)。一般認(rèn)為hnRNA多是信使RNA（mRNA）的前體。,RNA polymerase II (RNA 聚合酶II）,P73,在轉(zhuǎn)錄的不同階段，RNA聚合酶將同DNA結(jié)合，形成不同的復(fù)合物： 在識(shí)別階段，聚合酶與啟動(dòng)子可逆性

6、結(jié)合形成封閉二元復(fù)合物。 接著，結(jié)合處DNA雙鏈解開，封閉復(fù)合物變?yōu)殚_放二元復(fù)合物。 轉(zhuǎn)錄開始，由RNA聚合酶、DNA和新生RNA形成三元復(fù)合物。,2. 轉(zhuǎn)錄復(fù)合物（p74）,轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor),除RNA聚合酶外，真核生物轉(zhuǎn)錄還需要至少7種輔助因子參與。這些蛋白輔助因子統(tǒng)稱轉(zhuǎn)錄因子（TF), 不少輔助因子本身包含多個(gè)亞基，所以轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的相對(duì)分子量特別大。,全酶=核心酶+ 因子,（二） 啟動(dòng)子(promoter),啟動(dòng)子：一段位于結(jié)構(gòu)基因5端上游區(qū)的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之與模板DNA準(zhǔn)確地結(jié)合，并具有轉(zhuǎn)錄起始的特異性。 指能被RNA聚合酶識(shí)別

7、、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。,DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因。,結(jié)構(gòu)基因：,幾個(gè)基本概念,終止子 : DNA分子中終止轉(zhuǎn)錄的核苷酸序列 轉(zhuǎn)錄單元：一段從啟動(dòng)子開始至終止子結(jié)束的DNA序列。 轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)：與新生RNA鏈第一個(gè)核甘酸相對(duì)應(yīng)DNA鏈上的堿基。通常為一個(gè)嘌呤。,上游序列（upstream)：轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)前面，即5端的序列 下游序列(downstream)：轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)后面，即3端的序列 描述堿基位置時(shí)，起點(diǎn)為+1，下游方向依次為+2，+3.。 上游方向依次為1，2，3.。,1. 啟動(dòng)子區(qū)的基本結(jié)構(gòu) 原核生物中經(jīng)對(duì)啟動(dòng)子的比較，它們有共有序列： 在上游10bp處為TAT

8、AAT，又稱為Pribnow盒 在上游35bp處為TTGACA。,典型啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu),-35 -10 轉(zhuǎn)錄起點(diǎn) TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp,-10bp的Pribnow區(qū)和-35bp的TTGACA區(qū) 是RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合位點(diǎn)，能與因子相互識(shí)別二具有很高的親和力。,大腸桿菌RNA聚合酶全酶所識(shí)別的啟動(dòng)子區(qū),T85T83G81A61C69A52,T89A89T50A65A100,真核生物啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu),核心啟動(dòng)子（core promoter） 上游啟動(dòng)子元件（upstream promoter element，UPE）,1、核心啟動(dòng)子,定義：指保證RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄正常

9、起始所必需的、最少的DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游TATA區(qū),作用：選擇正確的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，保證精確起始,TATA 常在-25bp左右，相當(dāng)于原核的-10序列,2、上游啟動(dòng)子元件,將TATA區(qū)上游的保守序列稱為UPE。 包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等,作用：控制轉(zhuǎn)錄起始頻率。,CAAT：-70 - -80bp GGGCGG：-80 - -110bp,-10區(qū)與-35區(qū)的最佳距離 原核生物中， -10區(qū)與-35區(qū)之間的距離大約是1619bp，小于15bp或大于19bp都會(huì)降低啟動(dòng)子的活性。 細(xì)菌中常見的兩種突變： 下降突變：使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄水平下降 上升突變

10、：提高結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄水平,5. 增強(qiáng)子及其功能 增強(qiáng)子（enhancer）：能提高轉(zhuǎn)錄起始效率的序列被稱為增強(qiáng)子or強(qiáng)化子。,增強(qiáng)子的特點(diǎn)（p80）： 遠(yuǎn)距離效應(yīng)。一般位于上游-200bp處。 無方向性。可位于靶基因的上游、下游或內(nèi)部。 順式調(diào)節(jié)。只調(diào)節(jié)位于同一染色體上的靶基因。 無物種和基因特異性。可連接到異源基因上發(fā)揮作用。 有組織特異性。需要特定的蛋白因子參與。 有相位性。其作用與DNA的構(gòu)想有關(guān)。 有的增強(qiáng)子可以對(duì)外部信號(hào)產(chǎn)生反應(yīng)。,6. 轉(zhuǎn)錄的抑制 轉(zhuǎn)錄抑制劑根據(jù)其作用性質(zhì)主要可以分為兩大類： DNA模板功能抑制劑，與DNA結(jié)合而改變模板的功能。 RNA聚合酶抑制劑，與RNA聚合酶結(jié)

11、合而抑制其活力。 除上述抑制劑外，還有一些嘌呤和嘧啶的類似物，如5-氟尿嘧啶等，可以作為核苷酸代謝拮抗物來抑制核酸前體的合成。, 基本概念 轉(zhuǎn)錄起始： RNA聚合酶、啟動(dòng)子 轉(zhuǎn)錄的基本過程 轉(zhuǎn)錄后加工 原核生物與真核生物mRNA的特征比較 RNA合成與DNA合成異同點(diǎn),Contents,三、轉(zhuǎn)錄的基本過程,轉(zhuǎn)錄的基本過程包括：模板的識(shí)別，轉(zhuǎn)錄起始，轉(zhuǎn)錄延伸， 轉(zhuǎn)錄終止,1. 模板的識(shí)別 模板的識(shí)別階段主要指RNA聚合酶與啟動(dòng)子DNA雙鏈相互作用并與之相結(jié)合的過程。 真核細(xì)胞中的模板識(shí)別與原核細(xì)胞有所不同，需要一些轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子（輔助蛋白），RNA聚合酶才能識(shí)別啟動(dòng)子并形成轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物（PIC

12、）。,2. 轉(zhuǎn)錄起始 RNA聚合酶結(jié)合到啟動(dòng)子上以后，使啟動(dòng)子附近的DNA解旋并解鏈，形成轉(zhuǎn)錄泡以促使核糖核苷酸與模板DNA配對(duì)。 轉(zhuǎn)錄起始即是RNA鏈上第一個(gè)核苷酸鏈的產(chǎn)生。 無需引物。 起始后直到形成9個(gè)核苷酸的過程是通過啟動(dòng)子階段，此時(shí)RNA聚合酶一直在啟動(dòng)子處，之后進(jìn)入正常延伸。,3. 轉(zhuǎn)錄延伸 轉(zhuǎn)錄延伸即是RNA聚合酶釋放因子離開啟動(dòng)子后，核心酶沿著模板DNA移動(dòng)并使新生RNA鏈不斷伸長(zhǎng)的過程。 4. 轉(zhuǎn)錄終止 當(dāng)RNA鏈延伸到終止位點(diǎn)時(shí)，RNA將停止合成，轉(zhuǎn)錄泡瓦解，DNA鏈復(fù)原，新生RNA鏈和RNA聚合酶將被釋放下來。這即是轉(zhuǎn)錄終止。,4、轉(zhuǎn)錄終止,不依賴Rho ()因子的轉(zhuǎn)錄終

13、止 依賴Rho ()因子的轉(zhuǎn)錄終止,1. 不依賴于因子的終止,此類終止反應(yīng)中，無任何其它因子參與。 模板DNA中存在終止轉(zhuǎn)錄的特殊信號(hào)終止子，又稱內(nèi)在終止子（intrinsic termation）,不依賴因子的終止（p91）,終止位點(diǎn)上游一般存在一個(gè)富含GC堿基的二重對(duì)稱區(qū)，RNA形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；,在終止位點(diǎn)前面有一段由4-8個(gè)A組成的序列，RNA的3端為寡聚U.,終止效率與GC二重對(duì)稱序列和寡聚U的長(zhǎng)短有關(guān)，長(zhǎng)度 效率,發(fā)夾式結(jié)構(gòu)導(dǎo)致RNA聚合酶的暫停，破壞RNA-DNA雜合鏈5端的結(jié)構(gòu)； 2. 寡聚U使雜合鏈3端結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定 3. 發(fā)卡結(jié)構(gòu)和寡聚U的共同作用使RNA從三元復(fù)合物中解離出來。,

14、依賴因子的終止有些終止點(diǎn)的DNA序列缺乏共性，不能誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的自發(fā)終止，需要因子的參與。,因子：六聚體蛋白、水解各種核甘三磷酸，通過催化NTP的水解，促使新生RNA鏈從三元轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中解離出來，從而終止轉(zhuǎn)錄。,“窮追”模型(hot pursuit), 基本概念 轉(zhuǎn)錄起始： RNA聚合酶、啟動(dòng)子 轉(zhuǎn)錄的基本過程 轉(zhuǎn)錄后加工 原核生物與真核生物mRNA的特征比較 RNA合成與DNA合成異同點(diǎn),Contents,四、轉(zhuǎn)錄后加工,轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA要經(jīng)過剪接、編輯、再編碼及化學(xué)修飾等加工過程才能變成有活性的RNA分子。,5端加帽 3端加尾 RNA的剪接 RNA的編輯, 5端終端總是一個(gè)在mRNA轉(zhuǎn)錄后加上

15、去的7-甲基鳥苷。 這個(gè)反應(yīng)非常快，mRNA幾乎一誕生就戴上了帽子,1、在5端加帽,因?yàn)樾录由系腉與mRNA上所有其他核苷酸的方向正好相反，象一頂帽子倒扣在mRNA鏈上，故mRNA5端的這種結(jié)構(gòu)稱為帽子（cap），又稱甲基鳥苷帽子。p32 鳥苷以5-5三磷酸鍵與初級(jí)轉(zhuǎn)錄本的5-端相連。當(dāng)G第7位碳原子被甲基化形成m7GPPPN時(shí)，此時(shí)的帽子稱為“帽子0”。,1,2,3,4,1,2,3,4,帽子結(jié)構(gòu)功能： 能被核糖體小亞基識(shí)別，促使mRNA和核糖體的結(jié)合； m7Gppp結(jié)構(gòu)能有效地封閉mRNA 5末端，以保護(hù)mRNA免受5核酸外切酶的降解，增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定。,2、3端加尾,多聚腺苷酸尾巴（po

16、ly A）,多聚尾巴是在轉(zhuǎn)錄后，由內(nèi)切酶切開mRNA3端的特定部位，然后由poly A 聚合酶催化多聚腺苷酸反應(yīng)。,保守序列AAUAAA： 準(zhǔn)確切割 加poly（A）,Poly A尾巴的功能：,Poly A是mRNA進(jìn)入胞質(zhì)必需的形式，提高了mRNA在細(xì)胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。,3、RNA的剪接,RNA中的內(nèi)含子 真核生物的基因往往是斷裂的基因，其轉(zhuǎn)錄所形成的RNA前體要經(jīng)過剪切，將內(nèi)含子切除后，將外顯子拼接起來才能形成成熟的mRNA。 真核基因平均含810個(gè)內(nèi)含子，前體分子(hnRNA)一般比成熟mRNA大410倍。,內(nèi)含子（Intron）是一個(gè)基因中非編碼DNA片段，它分開相鄰的外顯子。DNA上的

17、內(nèi)含子會(huì)被轉(zhuǎn)錄到前體RNA中，但RNA上的內(nèi)含子會(huì)在RNA離開細(xì)胞核進(jìn)行轉(zhuǎn)譯前被剪除。 外顯子 (Exon) 是真核生物基因的一部分，它在成熟mRNA剪接 (Splicing)后仍會(huì)被保存下來，。 所有的外顯子一同組成了遺傳信息，并可在蛋白質(zhì)生物合成過程中被表達(dá)為蛋白質(zhì)。,內(nèi)含子兩端邊界存在共有序列：（GU-AG法則）p96,mRNA前體中內(nèi)含子的5邊界序列為GU，3邊界序列為AG，這種保守序列模式稱為GU-AG法則。 意義：保守序列是前體mRNA剪接過程中各種剪接調(diào)節(jié)因子的結(jié)合位點(diǎn)，對(duì)于準(zhǔn)確剪接非常重要。,CAG = UAG AAG GAG,參與RNA剪接的物質(zhì)：,snRNA（核內(nèi)小分子RN

18、A）：如U1，U2，U3，U4，U5和U6 snRNP（與snRNA結(jié)合的核蛋白） 內(nèi)含子的5和3端分別與不同snRNP和snRNA結(jié)合，誘導(dǎo)RNA剪接,生物體內(nèi)各種內(nèi)含子：,4、RNA的編輯,RNA的編輯是某些RNA，特別是mRNA前體的一種加工方式，如插入、刪除或取代一些核苷酸殘基，導(dǎo)致DNA編碼的遺傳信息的改變。 編輯（editing）是指轉(zhuǎn)錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基的突變、插入或丟失等現(xiàn)象。,介導(dǎo)RNA編輯的機(jī)制有兩種： 1）位點(diǎn)特異性脫氨基作用 2）引導(dǎo)RNA指導(dǎo)的尿嘧啶插入或刪除。,位點(diǎn)特異性脫氨基作用 CU導(dǎo)致蛋白合成提前終止 由脫氨基酶催化,C U,mRNA鏈上每三個(gè)核甘酸翻

19、譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個(gè)氨基酸，這三個(gè)核甘酸就稱為密碼子或三聯(lián)子密碼(triplet coden) 。,指導(dǎo)RNA指導(dǎo)的尿嘧啶插入或刪除,指導(dǎo)RNA （guide RNA) 1) The guide RNA base-pairs as best it can with this region. Note that in addition to the usual pairing of C-G and A-U, G-U base-pairing can also occur. 2） Because of the lack of precise sequence complementarity,

20、bulges occur in the guide RNA where, usually, there are As.,3) The bulges are eliminated by cutting the backbone of the shorter molecule and inserting complementary bases. this produces insertions (here of Us),指導(dǎo)RNA （guide RNA) 1）可以部分與RNA前體互補(bǔ) 2） 指導(dǎo)RNA上存在一些未能配對(duì)的腺嘌呤A，從而形成缺口，為插入尿嘧啶U提供了模板。,RNA的編輯的生物學(xué)意義：

21、,校正作用 有些基因在突變過程中丟失的遺傳信息可能通過RNA編輯修復(fù)。 調(diào)控翻譯 通過編輯可以構(gòu)建和去除起始密碼子或終止密碼子，是基因表達(dá)調(diào)控的一種方式。 擴(kuò)充遺傳信息 能使基因產(chǎn)物獲得新的結(jié)構(gòu)和功能，有利于生物進(jìn)化。, 基本概念 轉(zhuǎn)錄起始： RNA聚合酶、啟動(dòng)子 轉(zhuǎn)錄的基本過程 轉(zhuǎn)錄后加工 原核生物與真核生物mRNA的特征比較 RNA合成與DNA合成異同點(diǎn),Contents,五、原核生物與真核生物mRNA的特征比較（p84）,1、原核生物mRNA的特征 半衰期短 多以多順反子的形式存在,多順反子mRNA：編碼多個(gè)蛋白質(zhì)的mRNA。,單順反子mRNA：只編碼一個(gè)蛋白質(zhì)的mRNA。, 起始密碼子

22、常為AUG，有時(shí)也為GUG，甚至UUG 5 端無“帽子”結(jié)構(gòu)， 3 端沒有或只有較短的poly（A ）結(jié)構(gòu)。,SD序列：mRNA中用于結(jié)合原核生物核糖體的序列。 原核生物起始密碼子AUG上游712個(gè)核苷酸處的一段保守序列，與16S rRNA端3端反向互補(bǔ)。,2、真核生物mRNA的特征, 5 端存在“帽子”結(jié)構(gòu),多數(shù)mRNA 3 端具有poly（A ）尾巴（組蛋白除外）,以單順反子的形式存在,起始密碼子僅為AUG,原核生物和真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的比較, 基本概念 轉(zhuǎn)錄起始： RNA聚合酶、啟動(dòng)子 轉(zhuǎn)錄的基本過程 轉(zhuǎn)錄后加工 原核生物與真核生物mRNA的特征比較 RNA合成與DNA合成異同點(diǎn),Contents,六、RNA合成與DNA合成異同點(diǎn),相同點(diǎn)： 1、都以DNA鏈作為模板 2、合成的方向均為53 3、聚合反應(yīng)均是通過核苷酸之間形成的3,5-磷酸二酯鍵，使核苷酸鏈延長(zhǎng)。,不同點(diǎn)：,1、下列有關(guān)TATA盒(Hognessbox)的敘述,哪個(gè)是正確的: A.它位于第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因處B.它和RNA聚合酶結(jié)合C.它編碼阻遏蛋白D.它和反密碼子結(jié)合,B,2. 轉(zhuǎn)錄需要的原料是: dNTP B.