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1、基因信息的传递及其调控基因信息的传递及其调控武汉大学医学院病毒所武汉大学医学院病毒所细胞的生物学性状是由其遗传物质携带的遗传信息所决细胞的生物学性状是由其遗传物质携带的遗传信息所决定，定，绝大多数生物的遗传物质是绝大多数生物的遗传物质是DNA，少数噬菌体和，少数噬菌体和病毒的是病毒的是RNA。基因，基因，gene是细胞内遗传物质的最小是细胞内遗传物质的最小功能单位，是负载有特定遗传信息的功能单位，是负载有特定遗传信息的DNA片段，其结片段，其结构一般包括构一般包括DNA编码序列、非编码调节序列和内含子。编码序列、非编码调节序列和内含子。基因的功能是为生物活性物质编码，其产物为各种基因的功能是为
2、生物活性物质编码，其产物为各种RNA和蛋白质。蛋白质是生命活动的执行者，基因能和蛋白质。蛋白质是生命活动的执行者，基因能通过转录和翻译，由通过转录和翻译，由DNA决定蛋白质一级结构，从而决定蛋白质一级结构，从而决定蛋白质的功能。同时基因还能通过复制将遗传信息决定蛋白质的功能。同时基因还能通过复制将遗传信息代代相传。代代相传。 19581958年，年，CrickCrick提出分子生物学的提出分子生物学的“中心法则中心法则”，central dogmacentral dogma，阐明了从阐明了从DNADNA到蛋白质的遗传信息到蛋白质的遗传信息流动方向和过程。最初的中心法则认为流动方向和过程。最初的
3、中心法则认为 遗传信息包含在遗传信息包含在DNADNA的碱基顺序中，通过的碱基顺序中，通过DNADNA的复的复制使其代代相传；制使其代代相传； DNA DNA遗传信息通过转录传递给遗传信息通过转录传递给mRNAmRNA，再通过翻译传，再通过翻译传递给蛋白质，生物的性状由蛋白质决定递给蛋白质，生物的性状由蛋白质决定 遗传信息的传递可以由遗传信息的传递可以由DNADNA到到DNADNA，DNADNA到到RNARNA， RNA RNA到蛋白质，但遗传信息一旦进入蛋白质就不能到蛋白质，但遗传信息一旦进入蛋白质就不能再传出。再传出。分子生物学的中心法则分子生物学的中心法则 这些观点涵盖了大多数生物遗传信
4、息贮存和表达的基这些观点涵盖了大多数生物遗传信息贮存和表达的基本规律。本规律。 1970 1970年，年，TeminTemin发现了逆转录现象和逆转录酶，发现了逆转录现象和逆转录酶，表明表明少数少数RNARNA也是遗传信息的携带者，也是遗传信息的携带者，并阐明了生物界中并阐明了生物界中另外一种遗传信息的流动方向，从而使另外一种遗传信息的流动方向，从而使“中心法则中心法则”更加完善更加完善 而最近而最近“朊病毒，朊病毒，prion”prion”概念的提出，概念的提出，表明蛋白质表明蛋白质也可能是遗传信息的载体，也可能是遗传信息的载体，这一观点对中心法则提出这一观点对中心法则提出了挑战。了挑战。
5、就单个生物体而言，其所有细胞都具有同样的基就单个生物体而言，其所有细胞都具有同样的基因，因，然而不同组织细胞的基因表达情况不同，有些基然而不同组织细胞的基因表达情况不同，有些基因被启动进行表达，有些基因被抑制不表达或少表达。因被启动进行表达，有些基因被抑制不表达或少表达。即使在同一类型细胞的不同发育阶段，基因表达情况即使在同一类型细胞的不同发育阶段，基因表达情况也有不同。也有不同。基因表达调控遵循一般的规则，即一个体基因表达调控遵循一般的规则，即一个体系在需要时被打开，不需要时就被关闭或抑制。系在需要时被打开，不需要时就被关闭或抑制。这种这种基因基因“开开”和和“关关”的控制是通过对基因信息传
6、递过的控制是通过对基因信息传递过程的多个环节来实现的。程的多个环节来实现的。第一节基因转录和转录后加工第一节基因转录和转录后加工 基因转录是基因转录是RNA合成的主要方式和基因信息合成的主要方式和基因信息表达的重要环节，是遗传信息从表达的重要环节，是遗传信息从DNA向向RNA传传递的过程。递的过程。转录生成的转录生成的RNA是初级转录产物是初级转录产物, primary transcripts，必须经过不同方式的加工和必须经过不同方式的加工和修饰才具有生物活性。修饰才具有生物活性。 以以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程称为转录的过程称为转录, transcription，即把，即把DNA
7、的碱基序列转抄成的碱基序列转抄成RNA。在这个过程有很多因素参与其中，包括在这个过程有很多因素参与其中，包括1. DNA模板模板, template2. RNA聚合酶聚合酶, RNA polymerase3. 三磷酸核糖核苷三磷酸核糖核苷, NTP4 .一些与转录相关的蛋白因子一些与转录相关的蛋白因子 转录将基因信息从转录将基因信息从DNA传递到蛋白质传递到蛋白质 ( (一一) ) 转录是基因信息从转录是基因信息从DNADNA传递到蛋白质的重要环节传递到蛋白质的重要环节 DNA DNA碱基排列顺序决定了编码蛋白质的氨基酸序列，碱基排列顺序决定了编码蛋白质的氨基酸序列，是蛋白质合成的原始模板。是
8、蛋白质合成的原始模板。mRNAmRNA是蛋白质合成的直接模板，是蛋白质合成的直接模板，其他几种其他几种RNARNA是参与翻译过程的重要因子。通过基因转录是参与翻译过程的重要因子。通过基因转录遗传信息从细胞核转运到细胞质，从功能上衔接了遗传信息从细胞核转运到细胞质，从功能上衔接了DNADNA和和蛋白质这两种生物大分子。基因转录具有以下特点：蛋白质这两种生物大分子。基因转录具有以下特点：1 1合成合成RNARNA的底物是的底物是5-5-三磷酸核苷，包括三磷酸核苷，包括ATPATP、GTPGTP、CTPCTP和和UTPUTP。2 2在在RNARNA聚合酶作用下一个聚合酶作用下一个NTPNTP的的3-
9、OH3-OH和另一个和另一个NTPNTP的的5-5-P P反应，形成磷酸酯键。反应，形成磷酸酯键。3 3RNARNA碱基顺序由模板碱基顺序由模板DNADNA碱基顺序决定，依靠碱基顺序决定，依靠NTPNTP与与DNADNA碱基配对的亲和力被选择。碱基配对的亲和力被选择。4在被转录的双链在被转录的双链DNA分子的任何一个特定区分子的任何一个特定区域都是以单链为模板。域都是以单链为模板。 5RNA合成的方向是合成的方向是5一一3，生成的，生成的RNA链与模链与模板链反向平行，游离的板链反向平行，游离的NTP只能连接到只能连接到RNA链的链的3-OH端。端。 6在在RNA的合成中不需要引物。的合成中不
10、需要引物。DNA双链的不对称转录双链的不对称转录 (二二)DNA链是基因转录的模板链是基因转录的模板 DNA双链上有转录的启动部位和终止部位，两者之双链上有转录的启动部位和终止部位，两者之间的核苷酸序列是遗传信息的储存区域，在转录时起模间的核苷酸序列是遗传信息的储存区域，在转录时起模板作用。在基因组全长板作用。在基因组全长DNA链中只有部分链中只有部分DNA片段能片段能发生转录，这种能转录出发生转录，这种能转录出RNA的的DNA区域称为区域称为结构基结构基因，因，structural gene。DNA链这种选择性转录也称链这种选择性转录也称为为不对称转录，不对称转录，asymmetric tr
11、anscription，它它有两方面含义：有两方面含义：在在DNA分子双链上，总是只有一股链用作模板指引分子双链上，总是只有一股链用作模板指引转录，另一股链不转录。能指引转录生成转录，另一股链不转录。能指引转录生成RNA的的DNA单链称为单链称为模板链，模板链，template strain，有时也称为有时也称为有有意义链，意义链，sense strain或或Watson链；链；相对于模板链相对于模板链不指引转录的另外一股不指引转录的另外一股DNA单链称为单链称为编码链，编码链，coding strain，又称为又称为反义链，反义链，antisense strain或或Qick链。链。模板链并
12、非总是在同一单链上。在模板链并非总是在同一单链上。在DNA双链某一区双链某一区段，以其中一单链为模板，而在另一区段，又反过来以段，以其中一单链为模板，而在另一区段，又反过来以其相对应单链为模板。其相对应单链为模板。 (三三)RNA聚合酶是基因转录的关键酶聚合酶是基因转录的关键酶 基因转录过程本质也是一个以核糖核苷酸为底物的基因转录过程本质也是一个以核糖核苷酸为底物的多步酶促反应过程，这些反应需要有转录酶催化，多步酶促反应过程，这些反应需要有转录酶催化，转转录酶，录酶，transcriptase即即RNA聚合酶，聚合酶，又称又称DNA依赖的依赖的RNA聚合酶，聚合酶，DNA dependent
13、RNA polymerase。该酶。该酶分布于原核细胞的胞液和真核细胞的胞核，分别催化分布于原核细胞的胞液和真核细胞的胞核，分别催化转录的进行。转录的进行。原核生物细胞的原核生物细胞的RNA聚合酶只有一种类型，能催化各聚合酶只有一种类型，能催化各类类RNA包括包括mRNA、rRNA、tRNA的生物合成。目前的生物合成。目前研究得比较清楚的是大肠杆菌的研究得比较清楚的是大肠杆菌的RNA聚合酶，它在执聚合酶，它在执行不同的行不同的生理功能时分别以全酶，生理功能时分别以全酶，holoenzyme和核心酶，和核心酶，core enzyme两种不同的状态存在。两种不同的状态存在。全酶由四种全酶由四种5个
14、亚基组成个亚基组成,2，核心酶由全酶的，核心酶由全酶的2四个亚基组成。四个亚基组成。 亚基又称亚基又称因子，因子，它本身并没有催化活性，其作用是它本身并没有催化活性，其作用是识别识别DNA模板上的启动子，辨认转录起始位点。模板上的启动子，辨认转录起始位点。亚基亚基结合到核心酶上后可能引起酶构型的变化，改变了结合到核心酶上后可能引起酶构型的变化，改变了核心酶与核心酶与DNA结合的特性。核心酶的作用是使已开始合结合的特性。核心酶的作用是使已开始合成的成的RNA链延伸，链延伸，亚基亚基可以单独与可以单独与DNA结合，它参与结合，它参与RNA聚合酶与聚合酶与DNA模板反应，也可能与核心酶和模板反应，也
15、可能与核心酶和亚基亚基结合以及转录的终止有关。结合以及转录的终止有关。亚基亚基具有与具有与亚基结合的位亚基结合的位点，参与特定的基因表达，与酶和点，参与特定的基因表达，与酶和DNA上启动区域的反上启动区域的反应有关。试管内的转录试验证实，应有关。试管内的转录试验证实，单纯的核心酶就能催单纯的核心酶就能催化化NTP按模板的指引合成按模板的指引合成RNA，但合成的，但合成的RNA没有固定没有固定的起始位点。的起始位点。由此可见，活细胞在转录开始需要全酶，由此可见，活细胞在转录开始需要全酶，但在转录延长阶段，但在转录延长阶段，亚基从全酶上脱落，仅剩下核心酶亚基从全酶上脱落，仅剩下核心酶维持转录进行。
16、维持转录进行。A 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶全酶聚合酶全酶 B 酝酒酵母酝酒酵母RNA聚合酶全酶聚合酶全酶真核生物细胞有三种类型的真核生物细胞有三种类型的RNA聚合酶，分别称为聚合酶，分别称为RNA聚合酶聚合酶、。它们专一性地转录不同的基因。它们专一性地转录不同的基因而合成各不相同的产物。而合成各不相同的产物。RNA聚合酶聚合酶的转录产物是的转录产物是45S-rRNA，经剪接修饰生，经剪接修饰生成除成除5S-rRNA外的各种外的各种rRNARNA聚合酶聚合酶的转录产物是的转录产物是mRNA的前体的前体hnRNARNA聚合酶聚合酶的转录产物是一些小分子量的转录产物是一些小分子量RNA，如，如5S-rRNA、tRNA、snRNA等等真核细胞真核细胞RNA聚合酶结构比较复杂，往往由多个亚基聚合酶结构比较复杂，往往由多个亚基组成，如图为酿酒酵母组成，如图为酿酒酵母RNA聚合酶聚合酶，由，由12个亚基组个亚基组成。成。 (四四) DNA模板上启动子是控制转录的关键部位模板上启动子是控制转录的关键部位 基因转录的第一步就是基因转录的第一步就是RNA聚合酶结合到模板聚合酶结合到模板DNA分分子上，
