基因工程PPT课件 第三章 生物信息的传递(上)-从DNA到RNA

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1、2020/9/22,1,第三章 生物信息的传递（上）,从DNA到RNA,本章将介绍生物信息的传递的上半部分，即转录从DNA到RNA。,2020/9/22,2,第三章 生物信息的传递（上）,基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，其生理学功能以蛋白质形式得到表达。 DNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成mRNA，翻译生成蛋白质的过程控制所有生命现象。,2020/9/22,3,第三章 生物信息的传递（上）,转录（transcription）生物体以DNA为模板合成RNA的过程。 转录后得到的RNA要经过加工才能变成成熟的mRNA 转录产物还可以变为rRNA和tRNA

2、。 参 与 转 录 的 物 质： 底物 : 4种NTP ( ATP, UTP, GTP, CTP ) 模板 : DNA 酶 : RNA聚合酶 其他蛋白质因子,2020/9/22,4,第三章 生物信息的传递（上）,第一节 转录的基本过程 第二节 转录机器的组成 第三节 启动子与转录起始 第四节 原核与真核生物 mRNA的特征比较 第五节 终止与抗终止 第六节 mRNA的加工,2020/9/22,5,第一节 转录的基本过程,无论在原核还是真核细胞中，RNA链的合成都具有以下几个特点： RNA按53方向合成 以DNA双链中的反义链为模板 不需要引物参与 合成的RNA有与DNA编码链相同的序列（A-U

3、） 转录的基本过程包括：模板的识别，转录起始，转录延伸，转录终止,2020/9/22,6,第一节 转录的基本过程,1. 模板的识别 模板的识别阶段主要指RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。 启动子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。 真核细胞中的模板识别与原核细胞有所不同，需要一些转录调控因子（辅助蛋白），RNA聚合酶才能识别启动子并形成转录前起始复合物（PIC）。,2020/9/22,7,2. 转录起始 RNA聚合酶结合到启动子上以后，使启动子附近的DNA解旋并解链，形成转录泡以促使核糖核苷酸与模板DNA配对。 转录起始即是RNA

4、链上第一个核苷酸链的产生。 无需引物。 起始后直到形成9个核苷酸的过程是通过启动子阶段，此时RNA聚合酶一直在启动子处，之后进入正常延伸。,2020/9/22,8,3. 转录延伸 转录延伸即是RNA聚合酶释放因子离开启动子后，核心酶沿着模板DNA移动并使新生RNA链不断伸长的过程。 4. 转录终止 当RNA链延伸到终止位点时，RNA将停止合成，转录泡瓦解，DNA链复原，新生RNA链和RNA聚合酶将被释放下来。这即是转录终止。,2020/9/22,9,第二节 转录机器的组成,转录机器即是转录复合物，其最核心成分是RNA聚合酶。,2020/9/22,10,第二节 转录机器的组成,1. RNA聚合酶

5、 RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶。 原核和真核生物的RNA聚合酶虽然都能催化RNA的合成，但在其分子组成、种类和生物化学特性上各有特色。,2020/9/22,11,第二节 转录机器的组成,1. RNA聚合酶 原核生物RNA聚合酶 在细菌中，一种RNA聚合酶几乎负责所有mRNA、rRNA和tRNA的合成。 大肠杆菌RNA聚合酶： 2个亚基 1个亚基 1个亚基 1个亚基,核心酶,全酶,2020/9/22,13,原核生物RNA聚合酶 转录的其实过程需要全酶，延伸过程仅需要核心酶。 各亚基的功能： 亚基和亚基组成了聚合酶的催化中心，它们在序列上与真核生物RNA聚合酶的两个大亚基同源。 亚基能与模板

6、DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合。 亚基可能与核心酶的组装及启动子的识别有关，并参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用。,2020/9/22,14,各亚基的功能： 因子的作用是负责模板链的选择与转录的起始，它是酶的别构效应物，使酶专一性识别启动子。 提高酶对启动子的亲和力，酶底结合常数提高103倍 降低酶对非专一性位点的亲和力，非特异性结合常数降低104倍 某些细菌内含有能识别不同启动子的因子。,2020/9/22,15,第二节 转录机器的组成,1. RNA聚合酶 真核生物RNA聚合酶 在真核生物中共有3类RNA聚合酶。 真核生物RNA聚合酶一般由8-16个亚基所组成，相对分子质量超过

7、5105 。,2020/9/22,16,第二节 转录机器的组成,1. RNA聚合酶 其它RNA聚合酶 除了前述两种RNA聚合酶，还有： T3和T7噬菌体RNA聚合酶。仅有一条多肽链组成，相对分子质量小于1105。 线粒体RNA聚合酶。仅有一条多肽链组成，相对分子质量小于7104，与T7噬菌体RNA聚合酶有同源性。 叶绿体RNA聚合酶。结构比较大，与细菌RNA聚合酶相似，由多个亚基组成。,2020/9/22,17,第二节 转录机器的组成,2. 转录复合物 在转录的不同阶段，RNA聚合酶将同DNA结合，形成不同的复合物： 在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭二元复合物。 接着，结合处DNA

8、双链解开，封闭复合物变为开放二元复合物。 转录开始，由RNA聚合酶、DNA和新生RNA形成三元复合物。,2020/9/22,18,第二节 转录机器的组成,2. 转录复合物 除RNA聚合酶外，真核生物转录还需要至少7中辅助因子参与。这些蛋白辅助因子统称转录因子。 一般情况下，三元复合物进入以下两条途径： 合成并释放2-9nt的短RNA转录物，即流产式转录。 尽快释放亚基，转录起始复合物通过启动子区域形成转录延伸复合物。,2020/9/22,19,第三节 启动子与转录起始,1. 启动子区的基本结构 启动子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

9、有转录起始的特异性。,2020/9/22,20,第三节 启动子与转录起始,1. 启动子区的基本结构 原核生物中经对启动子的比较，它们有共有序列： 在上游10bp处为TATAAT，又称为Pribnow盒 在上游35bp处为TTGACA。 T82T84G78A65C54A45 T80A95T45A60A50T96,2020/9/22,21,第三节 启动子与转录起始,1. 启动子区的基本结构 真核生物中： TATA序列(TATA box)：位于-25-35，使转录精确地起始，TATA序列也叫核心启动元件。 CCAAT序列(CAAT box) ：位于-70-80，CAAT区主要控制转录起始频率。 GC

10、CACACCC或GGGCGGG序列（GC box）：位于-110 -80，主要控制转录起始频率。 并非每个基因中都包含这3个区域。,2020/9/22,22,第三节 启动子与转录起始,2. 启动子区的识别 RNA聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过氢键互补的方式加以识别。 在启动子区DNA双螺旋结构中，存在特定方位的氢键供体和受体（碱基上的基团），能与酶分子内也处于特定空间构象的氢键受体与供体结合，从而相互识别。 3. RNA聚合酶与启动子区的结合 在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭二元复合物。接着，结合处DNA双链解开，封闭复合物变为开放二元复合物。,2020/9/22,23,第

11、三节 启动子与转录起始,4. -10区与-35区的最佳距离 原核生物中， -10区与-35区之间的距离大约是1619bp，小于15bp或大于19bp都会降低启动子的活性。 细菌中常见的两种突变： 下降突变：如果Pribnow区从TATAAT变为AATAAT就会大大降低其结构基因的转录水平。 上升突变：即增加Pribnow区共同序列的同一性。,2020/9/22,24,第三节 启动子与转录起始,4. -10区与-35区的最佳距离 原核生物中， -10区与-35区之间的距离大约是1619bp，小于15bp或大于19bp都会降低启动子的活性。 细菌中常见的两种突变： 下降突变：如果Pribnow区从

12、TATAAT变为AATAAT就会大大降低其结构基因的转录水平。 上升突变：即增加Pribnow区共同序列的同一性。,2020/9/22,25,第三节 启动子与转录起始,5. 增强子及其功能 增强子是长约100200bp的序列，它们与启动子不同，可以位于转录起始位点的上游，也可位于其下游。 增强子具有增加启动子的作用，与启动子一起都可视为基因表达调控中的顺式 作用元件，可与转录 因子和 RNA聚合酶结 合，启动并调节基因 转录。,2020/9/22,26,第三节 启动子与转录起始,5. 增强子及其功能 增强子的特点： 远距离效应。一般位于上游-200bp处。 无方向性。可位于靶基因的上游、下游或

13、内部。 顺式调节。只调节位于同一染色体上的靶基因。 无物种和基因特异性。可连接到异源基因上发挥作用。 有组织特异性。需要特定的蛋白因子参与。 有相位性。其作用与DNA的构想有关。 有的增强子可以对外部信号产生反应。,2020/9/22,27,第三节 启动子与转录起始,6. 转录的抑制 转录抑制剂根据其作用性质主要可以分为两大类： DNA模板功能抑制剂，与DNA结合而改变模板的功能。 RNA聚合酶抑制剂，与RNA聚合酶结合而抑制其活力。 除上述抑制剂外，还有一些嘌呤和嘧啶的类似物，如5-氟尿嘧啶等，可以作为核苷酸代谢拮抗物来抑制核酸前体的合成。,2020/9/22,28,第四节 mRNA的特征,

14、1.原核生物mRNA的特征 原核生物mRNA半衰期短 许多原核生物mRNA可能已多顺反子的形式存在 5端无帽子结构，3端没有或只有较短的poly(A)结构 起始密码子常为AUG，有时也为GUG，甚至UUG,2020/9/22,29,第四节 mRNA的特征,1.原核生物mRNA的特征 存在SD序列(Shine-Dalgarno sequence)。原核生物起始密码子AUG上游712个核苷酸处的一段保守序列，与16S rRNA端3端反向互补，被认为在核糖体-mRNA的结合过程中起作用。,2020/9/22,30,第四节 mRNA的特征,2. 真核核生物mRNA的特征： 单顺反子 5端存在帽子结构。

15、 3端具poly(A)尾巴 （除组蛋白基因外） 起始密码子仅为AUG,2020/9/22,31,2. 真核核生物mRNA的特征 5端加帽反应在转录早期即已完成。帽子结构有三种不同甲基化形式。 帽子的作用可能使mRNA免遭核酸酶的破坏。 甲基化的帽子也可能是蛋白质合成起始信号的一部分。,2020/9/22,32,2. 真核核生物mRNA的特征 多聚尾巴是在转录后，由内切酶切开mRNA3端的特定部位，然后由poly A 聚合酶催化多聚腺苷酸反应。 Poly A是mRNA进入胞质必需的形式，增强稳定性。,mRNA刚进入进入胞质时，poly A尾巴较长，随时间推移将变短直至消失，随后mRNA将降解。,

16、2020/9/22,33,第五节 终止和抗终止,至目前为止，尚未发现某一特定位点具有特异的转录终止功能。 RNA终止时，3端核苷酸如何定位？ 根据转录终止是否需要辅助因子，可将终止子分为两类： 不依赖于因子的终止 依赖于因子的终止,2020/9/22,34,第五节 终止和抗终止,1. 不依赖于因子的终止 此类终止反应中，无任何其它因子参与。 模板中存在终止转录的特殊信号终止子，又称内在终止子（intrinsic termation） 每个基因或操纵子都有一个启动子和一个终止子。,2020/9/22,35,第五节 终止和抗终止,1. 不依赖于因子的终止 内在终止子的特点： 终止位点上游一般存在一段富含GC碱基的二重对称区，其转录生成的mRNA容易互补形成的发卡式结构。 终止位点上游一般有48个A组成的序列，转录生成的mRNA的3末端中相应的有一连串U序列。,2020/9/22,36,1. 不依赖于因子的终止 新生RNA中出现发卡结构可导致RNA聚合酶暂停，破坏RNA-DNA杂合链5端正常结构，寡聚U是杂合链3端部分出现不稳定rUdA区域。新生RNA链将