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1、第三章第三章 生物信息的传递（上）生物信息的传递（上）从从DNA到到RNA1、RNA的转录的转录2、启动子与转录起始、启动子与转录起始3、原核生物与真核生物、原核生物与真核生物mRNA的特征比较的特征比较4、终止与抗终止、终止与抗终止5、内含子的剪接、编辑及化学修饰、内含子的剪接、编辑及化学修饰vDNA序列是遗序列是遗传信息的贮存传信息的贮存者，它通过自者，它通过自主复制得到永主复制得到永存，并通过转存，并通过转录生成信使录生成信使RNA、翻译生、翻译生成蛋白质的过成蛋白质的过程来控制生命程来控制生命现象。现象。v基因表达包括转录基因表达包括转录(transcription)和和翻译翻译(tr
2、anslation)两个阶段。两个阶段。v转录是指拷贝出一条与转录是指拷贝出一条与DNA链序列完链序列完全相同全相同(U替换替换T)的的RNA单链的过程，单链的过程，是基因表达的核心步骤；是基因表达的核心步骤；v翻译是指以新生的翻译是指以新生的mRNA为模板，把为模板，把核苷酸三联遗传密码子翻译成氨基酸核苷酸三联遗传密码子翻译成氨基酸序列、合成多肽链的过程，是基因表序列、合成多肽链的过程，是基因表达的最终目的。达的最终目的。v与与mRNA序列相同的那条序列相同的那条DNA链称为编码链称为编码链链(coding strand)或称有意义链或称有意义链(sense strand)；v另一条根据碱基
3、互补原则指导另一条根据碱基互补原则指导mRNA合成合成的的 DNA链称为模板链链称为模板链(template strand)或或称反义链称反义链(antisense strand)。v贮藏在任何基因中的生物信息都必须首先贮藏在任何基因中的生物信息都必须首先被转录生成被转录生成RNA，才能得到表达。，才能得到表达。vRNA主要以单链形式存在于生物体内，其主要以单链形式存在于生物体内，其高级结构很复杂，它们既担负着贮藏及转高级结构很复杂，它们既担负着贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为核酶直接在移遗传信息的功能，又能作为核酶直接在细胞内发挥代谢功能。细胞内发挥代谢功能。vRNA分子来自分子来自DNA
4、。储存于。储存于DNA双链中的双链中的遗传信息通过转录酶促反应按照碱基互补遗传信息通过转录酶促反应按照碱基互补配对的原则被转化成为单链配对的原则被转化成为单链RNA分子。分子。v生物体内共有生物体内共有3种种RNA： 、信使、信使RNA(messenger RNA，mRNA) 编码特定蛋白质序列；编码特定蛋白质序列； 2、转移、转移RNA(transfer RNA，tRNA)特异特异 性解读性解读mRNA中的遗传信息、将其转化成中的遗传信息、将其转化成 相应氨基酸并将其加入多肽链中；相应氨基酸并将其加入多肽链中； 3、核糖体、核糖体RNA(ribosomal RNA，rRNA)直直 接参与核糖
5、体中蛋白质合成。接参与核糖体中蛋白质合成。 31 RNA的转录的转录311 转录的基本过程转录的基本过程v无论是原核还是真核细胞，转录的基无论是原核还是真核细胞，转录的基本过程都包括本过程都包括:模板识别、转录起始、模板识别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和终止。通过启动子及转录的延伸和终止。v在原核生物中，模板识别阶段主要指在原核生物中，模板识别阶段主要指RNA聚合酶与启动子聚合酶与启动子DNA双链相互作双链相互作用并与之相结合的过程。用并与之相结合的过程。v转录起始前，启动子附近的转录起始前，启动子附近的DNA双键分双键分开形成转录泡以促使底物核糖核苷酸与开形成转录泡以促使底物核糖核苷酸
6、与模板模板DNA的碱基配对。转录起始就是的碱基配对。转录起始就是RNA链上第一个核苷酸键的产生。链上第一个核苷酸键的产生。 v转录起始后直到形成转录起始后直到形成9个核酸苷短链前是通过个核酸苷短链前是通过启动子阶段，此时启动子阶段，此时RNA聚合酶一直处于启动聚合酶一直处于启动子区，新生的子区，新生的RNA链与链与DNA模板链的结合不模板链的结合不够牢固，很容易从够牢固，很容易从DNA链上掉下来并导致转链上掉下来并导致转录重新开始。录重新开始。v一旦一旦RNA聚合酶成功地合成聚合酶成功地合成9个以上核苷酸个以上核苷酸并离开启动子区，转录就进人正常的延伸阶并离开启动子区，转录就进人正常的延伸阶段
7、。所以，通过启动子的时间代表一个启动段。所以，通过启动子的时间代表一个启动子的强弱。一般说来，通过启动子的时间越子的强弱。一般说来，通过启动子的时间越短，该基因转录起始的频率也越高。短，该基因转录起始的频率也越高。vRNA聚合酶离开启动子，沿聚合酶离开启动子，沿DNA链移动并使链移动并使新生新生RNA链不断伸长的过程就是转录的延伸。链不断伸长的过程就是转录的延伸。随着随着RNA聚合酶的移动，聚合酶的移动，DNA双螺旋持双螺旋持续解开且新生续解开且新生RNA链的链的3末端不断延伸，在末端不断延伸，在解链区形成解链区形成RNA-DNA杂合物。杂合物。在解链区的后面在解链区的后面DNA模板与非模板链
8、重模板与非模板链重新结合成为双螺旋。新结合成为双螺旋。v当当RNA链延伸到转录终止位点时，链延伸到转录终止位点时，RNA聚聚合酶不再形成新的磷酸二酯键，合酶不再形成新的磷酸二酯键，RNA-DNA杂合物分离，转录泡瓦解，杂合物分离，转录泡瓦解，DNA恢复成双链恢复成双链状态，而状态，而RNA聚合酶和聚合酶和RNA链都被从模板链都被从模板上释放出来，这就是转录的终止。上释放出来，这就是转录的终止。v真核生物真核生物RNA聚合酶需要转录调聚合酶需要转录调控因子控因子(辅助蛋白质辅助蛋白质)按特定顺序按特定顺序结合于启动子上并形成复杂的前结合于启动子上并形成复杂的前起始复合物。起始复合物。v转录和翻译
9、的速度基本相等。转录和翻译的速度基本相等。312 转录机器的主要成分转录机器的主要成分3121 RNA聚合酶聚合酶v以以DNA序列为模板的序列为模板的RNA聚合酶主要聚合酶主要以双链以双链DNA为模板，以为模板，以4种为种为活性前体，催化活性前体，催化RNA链的起始、延伸链的起始、延伸和终止，和终止，不需任何引物不需任何引物，催化生成与，催化生成与DNA模板链互补的模板链互补的RNA。312 转录机器的主要成分转录机器的主要成分3121 RNA聚合酶聚合酶vRNA或或RNA-DNA双链杂合体不能作为双链杂合体不能作为模板。模板。大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的主要聚合酶的主要成分与功能成分与功能
10、v大多数原核生物大多数原核生物RNA聚合酶的组成是相聚合酶的组成是相同的，大肠杆菌同的，大肠杆菌RNA聚合酶由聚合酶由2个个亚基、亚基、一个一个亚基、一个亚基、一个亚基和一个亚基和一个亚基组亚基组成，称为核心酶。加上一个成，称为核心酶。加上一个亚基后则亚基后则成为聚合酶全酶成为聚合酶全酶(holoenzyme) 。v由由和和亚基组成了聚合酶的催化中亚基组成了聚合酶的催化中心。心。亚基能与模板亚基能与模板DNA、新生、新生RNA链及核苷酸底物相结合。链及核苷酸底物相结合。v亚基与核心酶的组装及启动子识别亚基与核心酶的组装及启动子识别有关，并参与有关，并参与RNA聚合酶和部分调聚合酶和部分调节因子
11、的相互作用。节因子的相互作用。v因子的作用是负责模板链的选择和转录因子的作用是负责模板链的选择和转录的起始，它使酶专一性识别模板上的启的起始，它使酶专一性识别模板上的启动子。动子。v因子可以极大地提高因子可以极大地提高RNA聚合酶对启聚合酶对启动子区动子区DNA序列的亲和力，同时使序列的亲和力，同时使RNA聚合酶与模板聚合酶与模板DNA上非特异性位点的结上非特异性位点的结合降低。合降低。v因子大大增加聚合酶对启动子的因子大大增加聚合酶对启动子的亲和力，并降低酶对非专一位点的亲和力，并降低酶对非专一位点的亲和力，使酶专一性识别模板上的亲和力，使酶专一性识别模板上的启动子。启动子。v转录的转录的起
12、始是单个核苷酸起始是单个核苷酸与开链启动与开链启动子酶复合物相结合构成新生子酶复合物相结合构成新生RNA的的5端，再以磷酸二酯键的形式与第二端，再以磷酸二酯键的形式与第二个核苷酸相结合，个核苷酸相结合，起始的终止反映在起始的终止反映在因子的释放因子的释放。v当新生当新生RNA链达到链达到69个核苷酸时，个核苷酸时，能形成稳定的酶能形成稳定的酶DNARNA三元复三元复合物，并释放合物，并释放因子，转录进入延伸因子，转录进入延伸期。期。v当聚合酶按当聚合酶按5 3方向延伸方向延伸RNA链时，解旋链时，解旋的的DNA区域也随之移动。聚合酶可以横跨约区域也随之移动。聚合酶可以横跨约40bp，而解旋的，
13、而解旋的DNA区域大约是区域大约是17bp。自由。自由核苷酸能被聚合酶加到新生的核苷酸能被聚合酶加到新生的RNA链上，并链上，并形成形成DNA-RNA杂合体。随着聚合酶在模板上杂合体。随着聚合酶在模板上的运动，靠近的运动，靠近3端的端的DNA不断解旋，同时在不断解旋，同时在5端重新形成端重新形成DNA双链，将双链，将RNA链挤出链挤出DNA-RNA杂合体。杂合体。RNA的的3端大约有端大约有2030个核个核苷酸与苷酸与DNA和聚合酶相结合。和聚合酶相结合。v真核生物中共有真核生物中共有3类类RNA聚合酶，它们在细聚合酶，它们在细胞核中的位置不同，负责转录的基因不同。胞核中的位置不同，负责转录的
14、基因不同。v不同生物不同生物3类聚合酶的亚基种类和大小存在类聚合酶的亚基种类和大小存在两条普遍遵循的原则两条普遍遵循的原则:一是聚合酶中有两个一是聚合酶中有两个相对分子质量超过相对分子质量超过l105的大亚基；二是同的大亚基；二是同种生物种生物3类聚合酶有类聚合酶有共享共享小亚基的倾向，小亚基的倾向，即有几个小亚基是其中即有几个小亚基是其中3类或类或2类聚合酶所类聚合酶所共有的共有的。v真核生物线粒体和叶绿体中还存在真核生物线粒体和叶绿体中还存在着不同的着不同的RNA聚合酶。聚合酶。线粒体线粒体RNA聚合酶聚合酶只有一条多肽链，是已知只有一条多肽链，是已知最小最小的的RNA聚合酶聚合酶之一，与
15、之一，与T7噬菌体噬菌体RNA聚合酶有同源性。聚合酶有同源性。v叶绿体叶绿体RNA聚合酶比较大，结构上聚合酶比较大，结构上与细菌中的聚合酶相似，由多个亚基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组编码。组成，部分亚基由叶绿体基因组编码。 3122 转录复合物转录复合物 启动子选择阶段包括启动子选择阶段包括RNA聚合聚合酶全酶对启动子的识别，聚合酶与酶全酶对启动子的识别，聚合酶与启动子可逆性结合形成启动子可逆性结合形成封闭复合物封闭复合物（closed complex）。）。3122 转录复合物转录复合物伴随着伴随着DNA构象上的重大变化，封闭构象上的重大变化，封闭复合物转变成
16、复合物转变成开放复合物开放复合物(open complex) ，聚合酶全酶所结合的，聚合酶全酶所结合的DNA序列中有一小序列中有一小段双链被解开。段双链被解开。 强强启动子启动子从封闭复合物到开放从封闭复合物到开放复合物的转变是不可逆的，是复合物的转变是不可逆的，是快快反应。反应。开放复合物与最初两个开放复合物与最初两个NTP相结合并相结合并在这两个核苷酸之间形成磷酸二酯键在这两个核苷酸之间形成磷酸二酯键后后(RNA聚合酶、聚合酶、DNA和新生和新生RNA)三元复合物。三元复合物。 真核生物转录起始复合物的分子真核生物转录起始复合物的分子量很大：量很大：RNA聚合酶、聚合酶、7种辅助因子，种辅
17、助因子，辅助因子又包含多个亚基。辅助因子又包含多个亚基。v三元复合物可以进入两条不同的三元复合物可以进入两条不同的反应途径，一是合成并释放反应途径，一是合成并释放29个核苷酸的短个核苷酸的短RNA转录物转录物流流产式起始产式起始.v二是二是尽快释放尽快释放亚基亚基，转录起始，转录起始复合物通过上游启动子区并生成复合物通过上游启动子区并生成由核心酶、由核心酶、DNA和新生和新生RNA所组所组成的成的转录延伸复合物转录延伸复合物。v转录的真实性取决于有特异的转录转录的真实性取决于有特异的转录起始位点，转录起始后按照碱基互起始位点，转录起始后按照碱基互补原则准确地转录模板补原则准确地转录模板DNA序
18、列及序列及具有特异的终止部位。具有特异的终止部位。vRNA的合成是在模板的合成是在模板DNA的启动子位的启动子位点上起始的，而这个任务是靠点上起始的，而这个任务是靠因子因子来完成的。来完成的。vRNA聚合酶的核心酶虽可合成聚合酶的核心酶虽可合成RNA，但不能找到模板但不能找到模板DNA上的起始位点。上的起始位点。核心酶的产物是不均一的，因为它没核心酶的产物是不均一的，因为它没有固定的起始位点，而且有固定的起始位点，而且DNA两条链两条链都可作为模板。都可作为模板。v只有带只有带因子的全酶才能专一地与因子的全酶才能专一地与DNA上的启动子结合，选择其中一条上的启动子结合，选择其中一条链作为模板，
19、合成链作为模板，合成均一的产物均一的产物。v因子的作用只是起始而已，一旦转因子的作用只是起始而已，一旦转录开始，它就脱离了起始复合物，而录开始，它就脱离了起始复合物，而由核心酶负责由核心酶负责RNA链的延伸。链的延伸。v因此，聚合酶全酶的作用是启动子因此，聚合酶全酶的作用是启动子的选择和转录的起始，而的选择和转录的起始，而核心酶核心酶的的作用是链的作用是链的延伸延伸。v转录延伸复合物是转录循环中一个十转录延伸复合物是转录循环中一个十分重要的环节。与转录起始复合物相分重要的环节。与转录起始复合物相比，延伸复合物极为稳定，可以长时比，延伸复合物极为稳定，可以长时间地与间地与DNA模板相结合而不解离
20、。模板相结合而不解离。v只有在它遇到转录终止信号时，只有在它遇到转录终止信号时，RNA聚合酶才停止加入新的核苷酸，聚合酶才停止加入新的核苷酸，RNADNA杂合物解离，释放转录产物并杂合物解离，释放转录产物并导致聚合酶本身从模板导致聚合酶本身从模板DNA上掉下来。上掉下来。32 启动子与转录起始启动子与转录起始v大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶与启动子的相聚合酶与启动子的相互作用主要包括启动子区的识别、互作用主要包括启动子区的识别、酶与启动子的结合及酶与启动子的结合及因子的结合与因子的结合与解离。解离。321 启动子区的基本结构启动子区的基本结构v启动子是一段位于结构基因启动子是一段位于结构基因5端
21、上游的端上游的DNA序列，能活化序列，能活化RNA聚合酶，使之与聚合酶，使之与模板模板DNA准确地结合并具有转录起始的准确地结合并具有转录起始的特异性。特异性。321 启动子区的基本结构启动子区的基本结构v基因的特异性转录取决于酶与启动子能基因的特异性转录取决于酶与启动子能否有效地形成二元复合物，所以，否有效地形成二元复合物，所以，RNA聚合酶如何有效地找到启动子并与之相聚合酶如何有效地找到启动子并与之相结合是转录起始过程中首要解决的问题。结合是转录起始过程中首要解决的问题。v转录的起始是基因表达的关键阶段，而转录的起始是基因表达的关键阶段，而这一阶段的重要问题是这一阶段的重要问题是RNA聚合
22、酶与启聚合酶与启动子的相互作用。启动子的结构影响了动子的相互作用。启动子的结构影响了它与它与RNA聚合酶的亲和力，从而影响了聚合酶的亲和力，从而影响了基因表达的水平。基因表达的水平。v转录单元转录单元(transcription unit)是一段从是一段从启动子至终止子启动子至终止子(terminator) 的的DNA序列。序列。vRNA聚合酶从转录起点开始沿模板前聚合酶从转录起点开始沿模板前进到终止子为止，转录出一条进到终止子为止，转录出一条RNA链。链。v在细菌中，一个转录单元可以是一个在细菌中，一个转录单元可以是一个基因，也可以是几个基因。基因，也可以是几个基因。v转录起点是指与新生转录
23、起点是指与新生RNA链第一个核苷链第一个核苷酸相对应酸相对应DNA链上的碱基，研究证实通链上的碱基，研究证实通常为一个嘌呤。常为一个嘌呤。v常把起点前面，即常把起点前面，即5末端的序列称为上游末端的序列称为上游(upstream)，而把其后面即，而把其后面即3末端的序末端的序列称为下游列称为下游(downstream)。v启动子区是启动子区是RNA聚合酶的结合区，启动子聚合酶的结合区，启动子区有什么结构特点呢区有什么结构特点呢?vPribnow设计了一个实验，他把设计了一个实验，他把RNA聚合聚合酶全酶与模板酶全酶与模板DNA结合后，用结合后，用DNaseI水解水解DNA，然后用酚抽提，沉淀纯
24、化，然后用酚抽提，沉淀纯化DNA后得后得到一个被到一个被RNA聚合酶保护的聚合酶保护的DNA片段，约片段，约有有4144个核苷酸对。个核苷酸对。v他分析发现，在被保护区内有一个由他分析发现，在被保护区内有一个由5个核苷酸组成的共同序列，是个核苷酸组成的共同序列，是RNA聚合聚合酶的紧密结合点，现在称为酶的紧密结合点，现在称为Pribnow区区(Pribnow box)，这个区的中央大约位，这个区的中央大约位于起点上游于起点上游10bp处，所以又称处，所以又称10区区。v科学家在启动子的科学家在启动子的35bp附近找到了另附近找到了另一段共同序列一段共同序列:TTGACA。v经过数年的努力，确证
25、绝大部分启动子经过数年的努力，确证绝大部分启动子都存在这两段共同序列，即都存在这两段共同序列，即10bp处的处的TATA区和区和35bp处的处的TTGACA区。区。v-10位的位的TATA区和区和-35位的位的TGACA区是区是RNA聚合酶与启动子的结合位点，能与聚合酶与启动子的结合位点，能与因子相互识别而具有很高的亲和力因子相互识别而具有很高的亲和力。 v在在真核生物真核生物基因中，位于转录起始基因中，位于转录起始点上游点上游2530bp处的共同序列处的共同序列TATAAA，也称为，也称为TATA区。区。v另外，在起始位点上游另外，在起始位点上游-70-78bp处还有另一段共同序列处还有另一
26、段共同序列CCAAT，这，这是与原核生物中是与原核生物中-35bp区相对应的序区相对应的序列，称为列，称为CAAT区区(CAAT box)。3.2.2 启动子区的识别启动子区的识别vRNA聚合酶是通过聚合酶是通过氢键互补氢键互补的方式的方式识别启动子的。碱基中的某些基团识别启动子的。碱基中的某些基团是氢键受体和氢键供体处于是氢键受体和氢键供体处于DNA双双螺旋的大沟或小沟内，因此都具有螺旋的大沟或小沟内，因此都具有特定的方位特定的方位.3.2.2 启动子区的识别启动子区的识别v酶分子酶分子中也有处于特定空间构象的氢中也有处于特定空间构象的氢键受体与供体，当它们与启动子中对键受体与供体，当它们与
27、启动子中对应的分子在一定距离内互补时，就应的分子在一定距离内互补时，就形形成氢键成氢键，相互结合相互结合。3.2.3 酶与启动子区的结合酶与启动子区的结合vRNA聚合酶闭合双链聚合酶闭合双链DNA二元闭二元闭合复合物合复合物二元开链复合物。二元开链复合物。v酶与启动子结合的主要区域在解链区酶与启动子结合的主要区域在解链区(-9+13)上游。上游。vRNA聚合酶既是双链聚合酶既是双链DNA结合蛋白，又结合蛋白，又是单链是单链DNA结合蛋白。结合蛋白。vDNA开链是按照开链是按照DNA模板序列正确引入模板序列正确引入核苷酸底物的必要条件。核苷酸底物的必要条件。3.2.4 -10区与区与-35区的最
28、佳间距区的最佳间距v在原核生物中，在原核生物中，-35区与区与-10区之间区之间距离大约是距离大约是1619bp，小于，小于15bp或大于或大于20bp都会降低启动子活性，都会降低启动子活性，并基因的表达水平。并基因的表达水平。v因为增减因为增减bp ，-35区相对于区相对于-10区旋区旋转（增减一个转（增减一个bp会使两者之间的夹会使两者之间的夹角发生角发生360的变化）产生超螺旋结构的变化）产生超螺旋结构的改变。的改变。v在细菌中常见两种启动子突变，一在细菌中常见两种启动子突变，一种叫种叫下降突变下降突变(down mutation)，如果把如果把Pribnow区从区从TATAAT变成变成
29、AATAAT就会大大就会大大降低降低其结构基因其结构基因的的转录水平转录水平。v另一类为另一类为上升突变上升突变(up mutation)，即增加即增加Pribnow区共同序列的同一区共同序列的同一性，性，提高基因的转录水平提高基因的转录水平。 325 增强子及其功能增强子及其功能v增强子增强子是在是在SV40转录单元转录起始转录单元转录起始位点上游约位点上游约200bp处有处有两段两段72bp长长的重复序列的重复序列。325 增强子及其功能增强子及其功能v增强子非启动子，但能增强或促进转录的增强子非启动子，但能增强或促进转录的起始。起始。v除去增强子会降低基因转录水平。除去增强子会降低基因转
30、录水平。v保留其一或将其插至保留其一或将其插至DNA分子的任何部分子的任何部位，可保持基因的正常转录。位，可保持基因的正常转录。v这种能强化转录起始的序列为这种能强化转录起始的序列为增增强子强子或或强化子强化子(enhancer)。后来。后来在许多基因的启动区中陆续发现在许多基因的启动区中陆续发现了增强子的存在。了增强子的存在。v增强子可能通过模板结构的改变，增强子可能通过模板结构的改变，使得使得RNA聚合酶易与模板聚合酶易与模板DNA相相结合，启动基因转录。结合，启动基因转录。 3.2.6 真核生物启动子对转真核生物启动子对转录的影响录的影响v启动子是确保转录启动子是确保转录精确精确而而有效
31、地起始有效地起始的的DNA序列序列。1979年美国科学家年美国科学家Goldberg注意到注意到真核生物由真核生物由RNA聚合酶聚合酶II催化转录的催化转录的DNA序序列列5上游区有一段与原核生物上游区有一段与原核生物Pribnow区区相相似的富含似的富含TA的保守序列。由于该序列前的保守序列。由于该序列前4个个碱基为碱基为TATA，所以又称为，所以又称为TATA区区(TATA box)。 3.2.6 真核生物启动子对转真核生物启动子对转录的影响录的影响v启动子是确保转录启动子是确保转录精确精确而而有效地起始有效地起始的的DNA序列序列 (TATA box)。 v真核启动子具有共同结构模式：真
32、核启动子具有共同结构模式： 1）真核基因的启动子在）真核基因的启动子在-25-35区含有区含有 TATA序列；序列； 2）在）在-70-80区含有区含有CCAAT序列序列(CAAT box)； 3）在）在-80-110含有含有GCCACACCC或或 GGGCGGG序列序列(GC box)。vTATA区上游的保守序列称为区上游的保守序列称为上游启动子元上游启动子元件件(upstream promoter element，UPE)或称或称上游激活序列上游激活序列(upstream activating sequence，UAS)。v原核基因启动区范围较小，原核基因启动区范围较小，TATAAT (P
33、ribnow区区)的中心位于的中心位于-10，上游只，上游只有有TTGACA区区(-35区区)作为作为RNA聚合酶聚合酶的主要结合位点，参与转录调控。的主要结合位点，参与转录调控。v真核基因的调控区较大，真核基因的调控区较大，TATA A/TA区区位于位于-20-30，-40-110区为上游激活区为上游激活区，区，CAAT区区(-70-78区区)，大多基因还，大多基因还拥有拥有GC区和增强子区。区和增强子区。vTATA区主要作用是使转录精确地区主要作用是使转录精确地（特异位点）起始，若除去（特异位点）起始，若除去TATA区或进行碱基突变，区或进行碱基突变，RNA产物起始产物起始点不固定点不固定
34、。vCAAT区或区或GC区是决定转录产物产区是决定转录产物产率高低的。率高低的。vCAAT区和区和GC区主要控制转录起区主要控制转录起始频率，基本不参与起始位点的确始频率，基本不参与起始位点的确定，定，CAAT区对转录起始频率的影区对转录起始频率的影响最大。响最大。v在在TATA区和相邻的区和相邻的UPE区之间插区之间插入核苷酸也会使转录减弱。入核苷酸也会使转录减弱。v尽管这尽管这3种启动子区序列都有着重种启动子区序列都有着重要功能，但并不是每个基因的启动要功能，但并不是每个基因的启动子区都包含这子区都包含这3种序列。种序列。v真核细胞中存在着大量特异性或组真核细胞中存在着大量特异性或组成型表
35、达的、能够与不同基因启动成型表达的、能够与不同基因启动子区子区UPE相结合的转录调控因子。相结合的转录调控因子。v基因转录实际上是基因转录实际上是RNA聚合酶聚合酶、转转录调控因子录调控因子和启动子区各种和启动子区各种调控元调控元件件相互作用的结果。相互作用的结果。3.3 原核与真核生物原核与真核生物mRNA的特征比较的特征比较vmRNA在大肠杆菌细胞内占总在大肠杆菌细胞内占总RNA的的2%左右左右(tRNA占占16%，而，而rRNA则占则占80%以上以上)。3.3 原核与真核生物原核与真核生物mRNA的特征比较的特征比较v科学家很早就猜想生物细胞内存在能将科学家很早就猜想生物细胞内存在能将遗
36、传信息从遗传信息从DNA上转移到蛋白质分子上上转移到蛋白质分子上的信使的信使(或称模板或称模板) 。v但由于但由于mRNA在细菌细胞内的在细菌细胞内的半衰期很半衰期很短短，直到，直到20世纪世纪70年代初才首次将这一年代初才首次将这一重要物质从细胞中分离出来。重要物质从细胞中分离出来。v现已清楚，许多基因的现已清楚，许多基因的mRNA在体内在体内还是相当稳定的，半衰期从几个小时还是相当稳定的，半衰期从几个小时到几天不等。目前，人们己能从几乎到几天不等。目前，人们己能从几乎所有生物体内分离纯化编码任何蛋白所有生物体内分离纯化编码任何蛋白质的质的mRNA。vmRNA在所有细胞内执行着相同的功在所有
37、细胞内执行着相同的功能，即通过密码三联子翻译生成蛋白质，能，即通过密码三联子翻译生成蛋白质，但其生物但其生物合成的具体过程合成的具体过程和和成熟成熟mRNA的结构的结构在原核和真核细胞内是在原核和真核细胞内是不同的。不同的。v真核细胞只有真核细胞只有成熟成熟的的mRNA 、相对、相对分子质量明显变小并经化学修饰的分子质量明显变小并经化学修饰的mRNA才能进入细胞质参与蛋白质才能进入细胞质参与蛋白质的合成。所以，的合成。所以，真核细胞真核细胞mRNA的的合成和功能表达发生在不同的空间合成和功能表达发生在不同的空间和时间范畴内。和时间范畴内。v原核生物中，原核生物中，mRNA的转录和翻译不的转录和
38、翻译不仅发生在仅发生在同一个同一个细胞空间里，而且这细胞空间里，而且这两个过程几乎是两个过程几乎是同步同步进行的，蛋白质进行的，蛋白质合成往往在合成往往在mRNA刚开始转录时就被刚开始转录时就被引发。引发。v一个原核细胞的一个原核细胞的mRNA(包括病毒包括病毒)有时有时可以编码几个多肽，而一个真核细胞的可以编码几个多肽，而一个真核细胞的mRNA最多只能编码一个多肽。最多只能编码一个多肽。v原核生物常以原核生物常以AUG作为起始密码子，有作为起始密码子，有时时GUG或或UUG也作为起始密码子；真核也作为起始密码子；真核生物几乎永远以生物几乎永远以AUG作为起始密码子。作为起始密码子。331 原
39、核生物原核生物mRNA的特征的特征1 原核生物原核生物mRNA的半衰期短的半衰期短 细菌基因的转录与翻译是紧密相联的，细菌基因的转录与翻译是紧密相联的，基因转录一旦开始，核糖体就结合到新生基因转录一旦开始，核糖体就结合到新生mRNA链的链的5端，启动蛋白质合成，而此时端，启动蛋白质合成，而此时该该mRNA的的3端还远远没有转录完全。端还远远没有转录完全。331 原核生物原核生物mRNA的特征的特征1 原核生物原核生物mRNA的半衰期短的半衰期短v在电子显微镜下，我们可以看到一连串在电子显微镜下，我们可以看到一连串核糖体紧紧跟在核糖体紧紧跟在RNA聚合酶后面。聚合酶后面。v绝大多数细菌绝大多数细
40、菌mRNA的半衰期很短的半衰期很短，mRNA降解紧随着蛋白质翻译过程发降解紧随着蛋白质翻译过程发生。转录开始生。转录开始1 min后，降解就开始了，后，降解就开始了，当当mRNA的的5端开始降解时，其端开始降解时，其3端部端部分仍在合成或被翻译。分仍在合成或被翻译。mRNA的降解的降解速度大概是转录或翻译速度的一半速度大概是转录或翻译速度的一半。v因为基因转录和多链肽延伸的速度基因为基因转录和多链肽延伸的速度基本相同，本相同，所以细胞内某一基因产物所以细胞内某一基因产物(蛋蛋白质白质)的多少决定于转录和翻译的起始的多少决定于转录和翻译的起始效率。效率。v以大肠杆菌色氨酸合成酶基因为例，平均以大
41、肠杆菌色氨酸合成酶基因为例，平均每分钟约有每分钟约有15次转录起始，这些次转录起始，这些mRNA链链从生成到降解平均被翻译从生成到降解平均被翻译10次，所以，稳次，所以，稳定状态下细胞中每分钟生成定状态下细胞中每分钟生成150个多肽。个多肽。2、原核生物原核生物mRNA多以多顺反子存在多以多顺反子存在 细菌细菌mRNA可同时编码不同蛋白可同时编码不同蛋白质。编码多个蛋白质的质。编码多个蛋白质的mRNA为多顺为多顺反子反子mRNA。多顺反子。多顺反子mRNA是一组是一组相邻基因的转录产物相邻基因的转录产物, 这一组基因被称这一组基因被称为一个操纵子。为一个操纵子。v单顺反子单顺反子mRNA为只编
42、码一个蛋白质为只编码一个蛋白质的的mRNA。v所有所有mRNA都被分成都被分成3部分部分 编码区编码区、位于、位于AUG之前的之前的5端上游端上游非编码区非编码区以及位于终止密码子之后不翻以及位于终止密码子之后不翻译的译的3端下游非编码区端下游非编码区。v编码区始于起始密码子编码区始于起始密码子AUG，经一连串，经一连串编码氨基酸的密码子直至终止密码子。编码氨基酸的密码子直至终止密码子。v对第一个顺反子来说，一旦对第一个顺反子来说，一旦mRNA的的5端被合成，翻译起始位点即可与核糖体端被合成，翻译起始位点即可与核糖体相结合，而后面几个顺反子翻译的起始相结合，而后面几个顺反子翻译的起始就会受其上
43、游顺反子结构的调控。就会受其上游顺反子结构的调控。v一种情况是，第一个蛋白质合成终止一种情况是，第一个蛋白质合成终止以后，核糖体分解成大、小亚基，脱离以后，核糖体分解成大、小亚基，脱离mRNA模板，第二个蛋白的翻译必须模板，第二个蛋白的翻译必须等到新的等到新的小亚基和大亚基小亚基和大亚基与该蛋白起始与该蛋白起始密码子相结合后才可能开始。密码子相结合后才可能开始。v另一情况是前一个多肽翻译完成以后，另一情况是前一个多肽翻译完成以后，核糖体大、小亚基分离，核糖体大、小亚基分离，小亚基不离开小亚基不离开mRNA模板模板，而是迅速与游离的大亚基，而是迅速与游离的大亚基结合，启动第二个多肽的合成。结合，
44、启动第二个多肽的合成。v在噬菌体在噬菌体RNA中，一个顺反子的翻译有时中，一个顺反子的翻译有时完全取决于它前面顺反子的翻译，因为噬完全取决于它前面顺反子的翻译，因为噬菌体菌体RNA往往形成复杂的二级结构，只有往往形成复杂的二级结构，只有第一个翻译起始位点是第一个翻译起始位点是暴露暴露的，在这个顺的，在这个顺反子翻译产生多肽的过程中，核糖体的运反子翻译产生多肽的过程中，核糖体的运动破坏了后续顺反子的二级结构，使起始动破坏了后续顺反子的二级结构，使起始位点较容易与核糖体相结合形成起复合物位点较容易与核糖体相结合形成起复合物 。3. 原核生物原核生物mRNA的的5端无帽子结端无帽子结 构，构，3端无
45、或者只有较短的端无或者只有较短的poly (A)结构。结构。 3.3.2 真核生物真核生物mRNA的特征的特征v凡是编码功能蛋白的真核基因都通过凡是编码功能蛋白的真核基因都通过RNA聚合酶聚合酶进行转录。进行转录。v真核基因几乎都是真核基因几乎都是单顺反子单顺反子，只包含，只包含一个蛋白质的信息，其长度在几百到一个蛋白质的信息，其长度在几百到几千个核苷酸之间。几千个核苷酸之间。3.3.2 真核生物真核生物mRNA的特征的特征v一个完整基因包括编码区一个完整基因包括编码区(coding region)，和不编码氨基酸的，和不编码氨基酸的5和和3端的特异性序列。端的特异性序列。v基因基因的分子生物
46、学定义是的分子生物学定义是:产生一产生一条多肽链的功能条多肽链的功能RNA所必需的所必需的全部全部DNA核苷酸序列核苷酸序列!v真核生物真核生物mRNA结构上的最大特征结构上的最大特征是是5端的端的帽子帽子及及3的的poly(A)结构结构。真核生物真核生物mRNA的的5端的端的帽子帽子v真核生物的真核生物的mRNA(不包括叶绿体和线粒不包括叶绿体和线粒体体)5端都是经过修饰的，基因转录一般端都是经过修饰的，基因转录一般从从A起始，第一个核苷酸保留了起始，第一个核苷酸保留了5端的三端的三磷酸基团并能通过其磷酸基团并能通过其3-OH位与下一个核位与下一个核苷酸的苷酸的5磷酸基团形成二酯键，转录产磷
47、酸基团形成二酯键，转录产物的起始序列为物的起始序列为pppApNpNpv但如果在体外用核酸酶处理成熟但如果在体外用核酸酶处理成熟mRNA;其其5端并不产生预期的端并不产生预期的核苷三核苷三磷酸磷酸，而产生以，而产生以5 5三磷酸基团相连三磷酸基团相连的二核苷酸，的二核苷酸，5终端是一个在终端是一个在mRNA转转录后加上去的录后加上去的甲基化鸟嘌呤甲基化鸟嘌呤 。vmRNA5端加端加“G”的反应是由腺苷酸转移的反应是由腺苷酸转移酶完成的，这个反应非常迅速，很难测酶完成的，这个反应非常迅速，很难测得得5端存在自由三磷酸基团。即端存在自由三磷酸基团。即mRNA几几乎一诞生就戴上帽子的。乎一诞生就戴上
48、帽子的。vmRNA的帽子结构常常被甲基化。第一的帽子结构常常被甲基化。第一个甲基出现在所有真核细胞的个甲基出现在所有真核细胞的mRNA中，中，称为零号帽子称为零号帽子(cap0)。 v第二个核苷酸第二个核苷酸(原原mRNA5第一位第一位)的的2-OH位上加另一个甲基。有这个甲基的结位上加另一个甲基。有这个甲基的结构称为构称为1号帽子号帽子(cap1)，真核生物中以这，真核生物中以这类帽子结构为主。类帽子结构为主。v在某些生物细胞内，在某些生物细胞内，mRNA链上的第三链上的第三个核苷酸的个核苷酸的2-OH位也可能被甲基化，位也可能被甲基化，被称为被称为2号帽子（号帽子（cap2），占有帽），占
49、有帽mRNA总量的总量的10%15%。 v 帽子结构使帽子结构使mRNA免遭核酸酶的破免遭核酸酶的破坏。坏。当珠蛋白当珠蛋白mRNA5端的端的7-M-G被除去后，该被除去后，该mRNA分子的翻译活分子的翻译活性和稳定性都明显下降。性和稳定性都明显下降。v有帽子结构的有帽子结构的mRNA更容易被蛋白更容易被蛋白质合成的起始因子所识别，从而质合成的起始因子所识别，从而促促进蛋白质的合成进蛋白质的合成。vmRNA5端甲基化的帽子是翻译所端甲基化的帽子是翻译所必须的。甲基化的帽子结构是必须的。甲基化的帽子结构是蛋白蛋白质合成起始信号的一部分质合成起始信号的一部分。多数真核生物多数真核生物mRNA有有p
50、oly(A)尾巴尾巴v除组蛋白基因外，真核生物除组蛋白基因外，真核生物mRNA的的3末端都有末端都有poly(A)序列，其长度序列，其长度因因mRNA种类不同而变化，一般为种类不同而变化，一般为40200个。个。vpoly(A)序列是在转录后加上去的，序列是在转录后加上去的，是在细胞核中的不均一核是在细胞核中的不均一核RNA阶段阶段加上的。加上的。 v真核基因的真核基因的3末端末端poly(A)起始位起始位点上游点上游1530bp处有一段保守序处有一段保守序列列AAUAAA，这对初级转录产物，这对初级转录产物的准确切割及加的准确切割及加poly(A)是必需的。是必需的。v点突变实验将点突变实验
51、将AAUAAA的基因序的基因序列列AATAAA变为变为AAGAAA，发现，发现mRNA的剪接加工受阻，没有功能的剪接加工受阻，没有功能性性mRNA产生。产生。vRNA聚合酶聚合酶是真核细胞核中转录是真核细胞核中转录RNA的酶。的酶。vRNA聚合酶聚合酶在在poly(A)起始位点起始位点不终止而继续转录，大多基因初级不终止而继续转录，大多基因初级转录产物拥有该位点下游转录产物拥有该位点下游052kb核苷酸序列。核苷酸序列。v加加poly(A) 需内切酶切开需内切酶切开mRNA 3端的特定部位，然后由端的特定部位，然后由poly(A)合合成酶催化多聚腺苷酸的反应。成酶催化多聚腺苷酸的反应。 vpo
52、ly(A)为为mRNA进细胞质所必需，可提高进细胞质所必需，可提高mRNA在细胞质中的稳定性。在细胞质中的稳定性。vmRNA刚进胞质时其刚进胞质时其poly(A)较长，随着时较长，随着时间延长，间延长，poly(A)逐渐变短消失，逐渐变短消失，mRNA开开始降解。始降解。v真核生物真核生物mRNA大都具大都具poly(A)尾巴，这一尾巴，这一特性已被广泛应用于分子克隆。常用寡聚特性已被广泛应用于分子克隆。常用寡聚dT片段与片段与mRNA上的上的poly(A)相配对，作为相配对，作为反转录酶合成第一条反转录酶合成第一条cDNA链的引物。链的引物。v但细胞中还有但细胞中还有1/3 mRNA无无po
53、ly(A)的，的， mRNA带有带有poly(A)的称为的称为poly(A)+，而，而没没poly(A)的称为的称为poly(A)。v约约1/3的的poly(A)mRNA编码了不同形式编码了不同形式的组蛋白，其余的组蛋白，其余2/3的的poly(A)mRNA带带有与有与poly(A)+组分相同的遗传信息。组分相同的遗传信息。3.4 终终 止止vRNA聚合酶启始转录后沿模板聚合酶启始转录后沿模板53方方向移动并合成向移动并合成RNA链，直到碰上终止信链，直到碰上终止信号时才与模板脱离并释放新生号时才与模板脱离并释放新生RNA链。链。v发生终止时，发生终止时，RNA-DNA杂合体的氢键杂合体的氢键
54、被破坏，模板被破坏，模板DNA链与有义链重新组合链与有义链重新组合成成DNA双链。双链。341 由基因序列决定的终止由基因序列决定的终止v终止位点上游存在富含终止位点上游存在富含GC碱基的碱基的二重对称区二重对称区，由这段，由这段DNA转录产转录产生的生的RNA形成形成发卡式结构发卡式结构。v终止位点前有一段终止位点前有一段48个个A的序列，的序列，故其转录产物的故其转录产物的3端为端为寡聚寡聚U，该，该结构决定转录的终止。结构决定转录的终止。v当当RNA出现出现发卡式结构发卡式结构会导致会导致RNA聚合酶的暂停，破坏聚合酶的暂停，破坏RNA-DNA杂合杂合链链5端的正常结构。端的正常结构。v
55、寡聚寡聚U的存在使杂合链的的存在使杂合链的3端部分出端部分出现现不稳定的不稳定的rUdA区域区域。v两者共同作用使两者共同作用使RNA从三元复合物从三元复合物中解离出来。中解离出来。v终止效率与二重对称序列和寡聚终止效率与二重对称序列和寡聚U的的长短有关长短有关，随发卡式结构，随发卡式结构(至少至少6bp)和寡聚和寡聚U序列序列(至少至少4个个U)长度的增加，长度的增加，终止效率越高。终止效率越高。3.4.2 依赖于依赖于因子的终止因子的终止v因子是因子是NTP酶酶，它催化，它催化NTP的水解的水解促使新生促使新生RNA链从三元转录复合物中链从三元转录复合物中解离出来而终止转录。解离出来而终止
56、转录。v依赖于依赖于因子的转录终止区因子的转录终止区DNA序列序列无共性，无共性，因子不能识别终止位点。因子不能识别终止位点。v因子附着在新生的因子附着在新生的RNA链上，沿链上，沿53 朝朝RNA聚合酶移动，达聚合酶移动，达RNA的的3-OH端后取代终止位点上的端后取代终止位点上的RNA聚合聚合酶，使之从模板酶，使之从模板DNA上释放出来，同上释放出来，同时释放时释放mRNA，完成转录过程。，完成转录过程。35 内含子的剪接、编辑内含子的剪接、编辑及化学修饰及化学修饰35l RNA中的内含子中的内含子v真核断裂基因表达伴随着真核断裂基因表达伴随着RNA的剪接过的剪接过程程,从从mRNA前体中
57、前体中切除内含子切除内含子(intron)的非编码区，并使外显子的非编码区，并使外显子(exon)的编码的编码区拼接成区拼接成成熟成熟mRNA。v真核基因大多是断裂的，即一个基因真核基因大多是断裂的，即一个基因可由多个内含子和外显子间隔排列而可由多个内含子和外显子间隔排列而成。内含子在真核基因中所占的比例成。内含子在真核基因中所占的比例很高，可超过很高，可超过99%。v核不均一核不均一RNA(hnRNA) 5加加“帽帽”和和3加尾加尾剪接剪接可读框可读框(open reading frame，ORF) 核孔核孔细胞质细胞质蛋白蛋白质合成的模板。质合成的模板。v不同生物细胞内含子的不同生物细胞内
58、含子的边界边界处存在相处存在相似的核苷酸序列。似的核苷酸序列。vGU-AG和和AU-AC分别是不同内含子的分别是不同内含子的5和和3边界序列边界序列。v内含子内部的部分序列都有可能参与内含子内部的部分序列都有可能参与内含子的剪接。内含子的剪接。352 RNA的剪接的剪接v核内核内RNA(如如Ul，U2，U4，U5和和U6)以以及与这些及与这些RNA相结合的核蛋白相结合的核蛋白(被称为被称为snRNPs)参与参与RNA的剪接。的剪接。vmRNAsnRNPRNA-RNP复合物。复合物。vUl snoRNA识别识别mRNA前体前体5剪接点。剪接点。vU2AF识别识别3剪接点剪接点 U2 snRNP
59、剪接剪接前体前体(Pre-spliceosome) 剪接前体剪接前体三三聚体聚体(U4、U5、U6 snRNP) 60 S剪接剪接体体 RNA前体剪接。前体剪接。v哺乳动物细胞中，哺乳动物细胞中，mRNA前体上的前体上的snRNP是从是从5向下游向下游“扫描扫描”，选择在，选择在分支点富嘧啶区分支点富嘧啶区3下游的第一个下游的第一个AG作为剪接的作为剪接的3受点。受点。vAG前一位核苷酸可以影响剪接效率，前一位核苷酸可以影响剪接效率，一般说来，一般说来，CAGUAGAAGGAG。若若mRNA前体上同时存左几个前体上同时存左几个AG，可，可能发生剪接竞争。能发生剪接竞争。vI、类内含子能进行自我
60、剪接。在类内含子能进行自我剪接。在I类类内含子切除体系中，鸟苷或鸟苷酸的内含子切除体系中，鸟苷或鸟苷酸的3-OH作为亲核基团攻击内含子作为亲核基团攻击内含子5端的磷酸端的磷酸二酯键，从上游切开二酯键，从上游切开RNA链。再由上游链。再由上游外显子的自由外显子的自由3-OH作为亲核基团攻击作为亲核基团攻击内含子内含子3位核苷酸上的磷酸二酯键，使位核苷酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开，上下游两个外显子内含子被完全切开，上下游两个外显子通过新的磷酸二酯键相连。通过新的磷酸二酯键相连。v在在类内含子自我剪接中形成类内含子自我剪接中形成套索状结套索状结构构。通过剪接上下游两个外显子通过新。通过剪接上
61、下游两个外显子通过新的磷酸二酯键相连。的磷酸二酯键相连。353 RNA的编辑和化学修饰的编辑和化学修饰v真核生物真核生物RNA剪接剪接使基因表达比原核生使基因表达比原核生物增加一个步骤，但物增加一个步骤，但DNA的实际编码序的实际编码序列没有发生变化列没有发生变化。vRNA的编辑的编辑(RNA editing) 导致导致DNA所编码的所编码的遗传信息的改变遗传信息的改变，因经编辑，因经编辑的的mRNA序列发生了不同于模板序列发生了不同于模板DNA的变化。的变化。点突变编辑点突变编辑v哺乳动物载脂蛋白哺乳动物载脂蛋白mRNA的编辑：下图的编辑：下图分别是该基因的分别是该基因的DNA序列以及在哺乳
62、动序列以及在哺乳动物肝脏和肠组织中分离到的物肝脏和肠组织中分离到的mRNA序列。序列。载脂蛋白基因编码区共有载脂蛋白基因编码区共有4563个密码子，个密码子，在所有组织中其在所有组织中其DNA序列都相同。序列都相同。v在肝脏中，该基因翻译成在肝脏中，该基因翻译成4563个氨基酸的个氨基酸的全长蛋白质。全长蛋白质。v在肠中合成只含在肠中合成只含2153个氨基酸蛋白质，该个氨基酸蛋白质，该蛋白仅是全长载脂蛋白的蛋白仅是全长载脂蛋白的N端。端。v因第因第2153位密码子从位密码子从CAA突变为突变为UAA，CU突变使编码谷氨酰胺的密码子变成突变使编码谷氨酰胺的密码子变成了终止密码子。了终止密码子。vRNA编辑的另一种形式是编辑的另一种形式是尿苷酸的缺失和添尿苷酸的缺失和添加加。由。由指导指导RNA(即即guide RNA)来完成，指来完成，指导导RNA含有与编辑后含有与编辑后mRNA相互补的核苷酸相互补的核苷酸序列。序列。vRNA的化学修饰具有位点特异性。的化学修饰具有位点特异性。核仁核仁RNA(snoRNAs)参与参与RNA的的化学修饰。化学修饰。v核仁核仁RNA(snoRNAs)能通过碱基配对能通过碱基配对的方式，把的方式，把rRNA分子上需要修饰的位分子上需要修饰的位点找出来。点找出来。vsnoRNA上的上的D盒是甲基化酶的识别位盒是甲基化酶的识别位点。点。
