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1、第三章 生物信息的传递（上）,第一节 RNA的转录,基 因,蛋白质,转录,翻译,生物性状控制,RNA,一、概述,转录： 在细胞核内，以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则合成一条与DNA链互补的RNA单链的过程。,DNA的平面结构图,细胞核中,DNA 解旋，以一条链为模板合成RNA,细胞核中,DNA与RNA的碱基互补配对：AU； TA； CG； GC,细胞核中,组成 RNA 的核糖核苷酸一个个连接起来,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,DNA上的遗传信息就传递到mRNA上,mRNA,DNA,细胞核中,细胞质,细胞核,核孔,DNA,mRNA在细
2、胞核中合成,细胞质,细胞核,mRNA通过核孔进入细胞质,mRNA：(messenger)编码了一个或多个蛋白质序列； tRNA：(transfer)把mRNA上的遗传信息变为多肽中的氨基酸信息； rRNA：(ribosomal)是合成蛋白质的工厂核糖体中的主要成分。 hnRNA：(heterogeneous nuclear)由DNA转录生成的原始转录产物，即前体mRNA。,snRNA：(small nuclear)在前体mRNA加工中，参与去除内含子。 snoRNA：(small nucleolar)核仁小RNA，主要参与rRNA及其它RNA 的修饰、加工、成熟等过程。scRNA：细胞质小RN
3、A(small cytoplasmic ) 主要在蛋白质合成过程起作用。,其他非编码RNA： 按大小分： (1) 2125 个核苷酸的RNA, 包括microRNA(miRNA) 和小干扰RNA ( small interferin RNA（siRNA）。 (2) 100200个核苷酸的small RNA (sRNA) ,往往在细菌细胞起翻译调节子功能。 (3) 大于 10000个核苷酸的非编码RNA，参与更高级真核生物的基因沉默。,端体酶RNA(telomerase RNA):与染色体末端的复制有关； 反义RNA(antisense RNA): 是指与mRNA互补的RNA分子, 也包括与其它
4、RNA互补的RNA分子。它参与基因表达的调控。,转录的基本过程,1、模板识别 (Template Recognition),2、转录起始 (Initiation),3、转录的延伸 (Elongation),4、转录的终止 (Termination),1、RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。,模板识别,2、转录起始前，启动子附近的DNA双链分开形成转录泡以促使底物核糖核苷酸与模板DNA的碱基配对。,1.在起始位点合成RNA链：第一个核苷酸键的产生，该位点被称为position +1 。,转录起始,2. 转录起始后直到形成9个核苷酸短链是通过启动子阶段。,3. 通过启动子的时
5、间代表一个启动子的强弱。,转录起始就是RNA链上第一个核苷酸键的产生。,转录的延伸RNA聚合酶离开启动子，沿DNA链移动并使新生RNA链不断伸长的过程就是转录的延伸。,共价地向生长RNA链的3端添加核糖核苷酸RNA聚合酶是以5 3 方向来延长RNA链RNA聚合酶本身沿着反义链以3 5方向移动,转录的终止,合成的终止： 当RNA链延伸到转录终止位点时，RNA polymerase 和RNA链均从DNA模板上释放出来。 Terminator: 通常含有自我互补区域(self-complementary regions) ，在RNA产物中可以形成stem-loop 或hairpin结构 。,转录与D
6、NA复制的异同相同点： 合成反应的化学本质模板的使用合成的方向发生的部位不同点： （1）转录：一条DNA链为模板复制：两条链都可作模板；,（2）DNA-RNA杂合双链不稳定，RNA合成后释放，而DNA复制结束后，新链和母链形成双链； （3）RNA合成不需引物，而DNA复制需引物； （4) 转录的底物是rNTP，复制的底物是dNTP；碱基由复制时的T替换为转录时的U。 （5）聚合酶系统不同。,有义链的确定,把与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链（coding strand）或称有意义链（sense strand）（+）； 把另一条根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为模板链（tem
7、plate strand）或称反义链（antisense strand）（-）。 在体外DNA的两条链都可作为RNA合成的模板。,转录的基本特点： （1）以核糖核苷三磷酸（rNTP）为底物，以Mg2+/Mn2+为辅助因子； （2）仅以一条DNA链为模板； （3）按5 3方向合成； （4）无需引物的存在能单独起始链的合成； （5）第一个引入的rNTP是以三磷酸形式存在； （6）RNA的序列和模板是互补的。 （7）需要RNA聚合酶和多种辅助因子参与。,DNA,启动子区,编码区,终止区,转录起始,+1,-10,-35,RNA转录单元的模式图,原核大约20-200 bp，真核不同基因差别比较大，一般小
8、于2 kb,5,3,启动子：基因转录起始所必需的一段DNA序列,第二节 转录机器的主要成分,RNA聚合酶 (RNA polymerase) 转录复合物,RNA聚合酶 (RNA polymerase),RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶。 主要以双链DNA为模板，以4种核苷三磷酸作为活性前体。 需要Mg2+/Mn2+为辅助因子。 它不需要任何引物。 以5 3 方向合成RNA链。 缺乏3 5 外切酶活性。 是一个含有多个亚单位(multi-subunit)的酶。,识别DNA双链上的起始子； (2) 使DNA变性在启动子处解旋成单链； (3) 通过阅读启动子序列，RNA Pol 确定它自己的转录方向
9、和模板链。 (4) 最后当它达到终止子时，通过识别停止转录。,RNA聚合酶 需执行的功能,2 alpha () subunit, 1 beta () subunit, 1 beta prime () subunit, 1 omega () subunit, 1 sigma () subunit,原核生物(E. coli)的RNA聚合酶,Core enzyme,Holoenzyme 聚合酶全酶,相对分子量：4.65105,参与转录延伸,只与转录的 起始有关,36.5 KD,36.5 KD,151 KD,155 KD,11 KD,70 KD,E. coli 只有一个 DNA-directed RN
10、A聚合酶 ，来合成所有类型的RNA。,原核生物(E. coli)的RNA聚合酶,是细胞中最大的酶之一。,由5种subunits 组成 聚合酶全酶(holoenzyme),包括 2 , 1 , 1, 1 以及1 subunits 。,形状象一个圆筒状通道，可以直接与16 bp DNA结合。整个聚合酶可结合60 bp DNA。,RNA 合成速率: 40 nt /秒, 37oC 。,表3-1 大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析,是核心酶中的两个相同的亚单位由rpoA 基因编码与核心酶的组装有关参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用,E. coli RNA polymerase :subunit,* T
11、4噬菌体感染大肠杆菌后对亚基的一个精氨酸残基进行ADP糖基化修饰，造成RNA聚合酶全酶对启动子亲和力降低。, 和分别由 rpoB 和 rpoC 基因编码。,E. coli RNA polymerase : & subunit,由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有同源性。,亚基能与模板DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合。 rpoB 和 rpoC 基因的突变会影响转录所有的阶段。,负责模板链的选择和转录的起始：,E. coli RNA polymerase : factor,与因子的结合使RNA聚合酶从核心酶转变为聚合酶全酶。,是启动子识别的关键的
12、酶，不仅增加聚合酶对启 动子的亲和力(提高103倍)，还可降低它对非专一位点的亲和力(降低104倍)，使酶底复合物的半衰期小于1s。,在细胞中对因子量的需求少于聚合酶中其它亚单位。,大肠杆菌中的因子能识别并与 启动子区的特异性序列相结合,有3类RNA聚合酶；,真核生物的RNA聚合酶,结构比大肠杆菌RNA聚合酶复杂；,在细胞核中的位置不同；,负责转录的基因不同，对-鹅膏蕈碱的敏感 性也不同。,真核生物RNA聚合酶一般有8-14个亚基所组成，相对分子质量超过5105。,真核细胞中三类RNA聚合酶特性比较,*hnRNA: heterogeneous nuclear RNA,核内不均一RNA, RNA
13、的前体,RNA合成抑制剂主要分两类: 1. 模板结合抑制剂 2. 聚合酶抑制剂,在动、植物及昆虫的细胞中，RNA Pol 的活性可被低浓度的-鹅膏蕈碱所抑制。但却不抑制pol 。 Pol 对-鹅膏蕈的反应，不同的生物有所差异。在动物细胞中高浓度的-鹅膏蕈可抑制转录，在昆虫中不受抑制。,真核生物RNA聚合酶的亚基,注：亚基按照分子量由大到小的顺序排列。,真核生物RNA聚合酶一般有8-16个亚基所组成, 相对分子质量超过5105。,聚合酶中有两个相对分子质量超过1105的大亚基；,真核生物RNA聚合酶的主要特征,同种生物3类聚合酶有“共享”小亚基的倾向，即有几个小亚基是其中3类或2类聚合酶所共有的
14、。,真核生物线粒体和叶绿体中存在 不同的RNA聚合酶,线粒体中RNA聚合酶： 只有一条多肽链，相对分子量小于7 X 104，是已知最小的RNA聚合酶之一； 与T7噬菌体RNA聚合酶有同源性。 叶绿体中RNA聚合酶： 比较大； 结构上与细菌中的聚合酶相似，由多个亚基组成，部分亚基由叶绿体基因编码。,线粒体和叶绿体RNA聚合酶活性不受-鹅膏蕈碱所抑制。,模板DNA进入转录复合体的路径,（A）俯瞰图。双螺旋DNA用倾斜的圆筒表示，TF II转录因子的结合位点用虚圈表示；,（B）后视图。DNA从钳子型结构和墙体或平滑结构的中间穿越。,There are various channels allowin
15、g DNA, RNA and ribonucleotides (rNTPs) into and out of the enzymes active center cleft,RNA polymerase/transcription and DNA polymerase/replication,封闭复合物（closed complex）: 启动子选择阶段包括RNA聚合酶全酶对启动子的识别，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭复合物，此时，DNA仍处于双链状态。,开放复合物（open complex）:聚合酶全酶所结合的DNA序列中有一小段双链被解开,封闭复合物转变成开放复合物 。,对于强启动子来说，
16、从封闭复合物到开放复合物的转变是不可逆的，是快反应。,转录复合物,开放复合物与最初的两个NTP相结合并在这两个核苷酸之间形成磷酸二酯键后即转变成包括RNA聚合酶、DNA和新生RNA的三元复合物(ternary complex )。,RNA合成的起始,核心酶在因子参与下与模板DNA接触，生成非专一、不稳定的复合物在模板上移动； 2.起始识别：全酶与模板的启动子结合，产生封闭的“酶-启动子二元复合物”（closed binary complex）；,3.全酶紧密地结合在启动子的-10序列处，模板DNA局部变性，形成“开放的启动子二元复合体”（open binary complex）； 4.酶移动到转录起始点挂上，第一个rNTP转录开始，因子释放，形成酶-启动子-rNTP三元复合体。,DNA的转录循环假说 transcription cycletranslocation mechanism,
