第三章生物信息的傳遞（上）—從DNA到RNA

RNA的轉錄啟動子與轉錄起始原核生物與真核生物mRNA的特征比較終止和抗終止

RNA加工第一節RNA的轉錄一、概述二、轉錄機器的主要成分三、轉錄的基本過程基因蛋白質轉錄翻譯生物性狀RNA一、概述轉錄：在細胞核內，以DNA的一條鏈為模板，按照堿基互補配對原則合成一條與DNA鏈互補的RNA單鏈的過程。TCATGATTAAG

T

AC

TA

A

T

DNA的平面結構圖細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

DNA的一條鏈AGCUGACGGUUU游離的核糖核苷酸

(原料）DNA解旋，以一條鏈為模板合成RNA細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

AGCUGACGGUUU

DNA與RNA的堿基互補配對：A——U；T——A；C——G；G—CRNA聚合酶細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

AGCGACGGUUUU

組成

RNA的核糖核苷酸一個個連接起來細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUUUA細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGUUGUUA細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGUGUUAA細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUAAU細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUAAUA細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGCGGUUAAUAU細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GGCGGUUAAUAUC細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GGCGGUUAAUAUCDNA上的遺傳信息就傳遞到mRNA上mRNADNA細胞核中AG

T

AC

TA

A

T

UCAUGAUUAmRNA

細胞質

細胞核

核孔DNAmRNA在細胞核中合成AG

T

AC

TA

A

T

UCAUGAUUAmRNA

細胞質

細胞核mRNA通過核孔進入細胞質UCAUGAUUAmRNAmRNA：(messenger)編碼了一個或多個蛋白質序列；tRNA：(transfer)把mRNA上的遺傳信息變為多肽中的氨基酸信息；rRNA：(ribosomal)是合成蛋白質的工廠核糖體中的主要成分。hnRNA：(heterogeneousnuclear)由DNA轉錄生成的原始轉錄產物，即前體mRNA。

snRNA：(smallnuclear)在前體mRNA加工中，參與去除內含子。

snoRNA：(small

nucleolar)核仁小RNA，主要參與rRNA及其它RNA的修飾、加工、成熟等過程。

scRNA：細胞質小RNA(small

cytoplasmic)主要在蛋白質合成過程起作用。其他非編碼RNA：按大小分：(1)21～25個核苷酸的RNA,包括微小RNA即microRNA(miRNA)和小干擾RNA(smallinterferingRNA（siRNA）。(2)100～200個核苷酸的smallRNA(sRNA),往往在細菌細胞起翻譯調節子功能。(3)大于10000個核苷酸的非編碼RNA，參與更高級真核生物的基因沉默。微小RNA(miRNA)小干擾RNA(siRNA)相同點:(1)二者的長度都約22nt左右;(2)二者同是Dicer（一種具有RNAaseⅢ活性的核酸酶）產物;(3)二者同是RISC(RNA－inducedsilencingcomplex)的組分，因此在siRNA和miRNA介導的沉默機制上有重疊。不同點：(1)二者的來源不同，miRNA來源于內源轉錄本，即單鏈RNA；siRNA來源于內源或外源的同源雙鏈RNA；(2)miRNA參與動植物正常的生長發育基因調控，而現在一般認為siRNA不參與正常的基因調控，只在病毒或其他dsRNA誘導的情況下才產生;(3)miRNA主要在翻譯水平起作用，而siRNA為轉錄后水平調控。端體酶RNA(telomeraseRNA):與染色體末端的復制有關；反義RNA(antisenseRNA):是指與mRNA互補的RNA分子,也包括與其它RNA互補的RNA分子。它參與基因表達的調控。轉錄與DNA復制的異同

相同點：

合成反應的化學本質模板的使用合成的方向發生的部位不同點：

（1）轉錄：一條DNA鏈為模板復制：兩條鏈都可作模板；（2）DNA-RNA雜合雙鏈不穩定，RNA合成后釋放，而DNA復制結束后，新鏈和母鏈形成雙鏈；（3）RNA合成不需引物，而DNA復制需引物；（4)轉錄的底物是rNTP，復制的底物是dNTP；堿基由復制時的T替換為轉錄時的U。（5）聚合酶系統不同。有義鏈的確定：把與mRNA序列相同的那條DNA鏈稱為編碼鏈（codingstrand）或稱有意義鏈（sensestrand）（+）；把另一條根據堿基互補原則指導mRNA合成的DNA鏈稱為模板鏈（templatestrand）或稱反義鏈（antisensestrand）（-）。在體外DNA的兩條鏈都可作為RNA合成的模板。轉錄的基本特點：（1）以核糖核苷三磷酸（rNTP）為底物，以Mg2+/Mn2+為輔助因子；（2）僅以一條DNA鏈為模板；（3）按5′3′方向合成；（4）無需引物的存在能單獨起始鏈的合成；（5）第一個引入的rNTP是以三磷酸形式存在；（6）RNA的序列和模板是互補的。（7）需要RNA聚合酶和多種輔助因子參與。DNA啟動子區編碼區終止區轉錄起始+1-10-35RNA轉錄單元的模式圖原核大約20-200bp，真核不同基因差別比較大，一般小于2kb5′3′啟動子：基因轉錄起始所必需的一段DNA序列二、轉錄機器的主要成分RNA聚合酶：依賴DNA合成RNA1.原核生物（大腸桿菌）的RNA聚合酶（RNApol）RNApol和DNApol有2點不同：（1）RNApol沒有任何校對功能；（2）能起始新的RNA鏈。核心酶全酶亞基基因相對分子量亞基數組分功能αββ′ωσrpoArpoBrpoC?rpoD3.65×104

1.51×105

1.55×105

11×104

7.0×104

21111核心酶核心酶核心酶核心酶σ因子核心酶組裝，啟動子識別Β和β′共同形成RNA合成的活性中心未知模板鏈的識別，轉錄起始，存在多種σ因子，用于識別不同的啟動子α:形成二聚體，核心酶組裝，啟動子識別，參與RNA聚合酶和部分調節因子的相互作用。β:能與模板DNA、新生RNA鏈及核苷酸底物相結合。催化磷酸二酯鍵的形成。β和β′共同形成聚合酶的催化中心σ：負責模板鏈的選擇和轉錄的起始，是酶的別構效應物，使酶和專一性識別模板上的啟動子，起始轉錄。某些細菌含有能識別不同啟動子的σ因子，調控不同基因轉錄的起始，如枯草桿菌有6種不同的σ因子：σ55、σ29等。E.coli中不同的因子可識別不同的啟動子RNApol執行多種功能(1)識別DNA雙鏈上的啟動子；(2)使DNA變性，在啟動子處解旋成單鏈；(3)通過閱讀啟動子序列，RNApol確定它自己的轉錄方向和模板鏈。(4)起始，延伸RNA鏈，最后當它達到終止子時，通過識別終止序列停止轉錄。真核生物三種RNA聚合酶的特點 RNAPol 位置 產物 相對活性對α-鵝膏蕈堿的敏感性 PolⅠ 核仁 28S,18S,5.8SrRNAs50～70%不敏感 PolⅡ 核質 hnRNA,mRNA,某些SnRNA20～40% 高度敏感 PolⅢ 核質 tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs～10%存在特異性，中等敏感

一般由8-16個亞基組成，相對分子量超過5×105。共同點:(1)聚合酶中有兩個相對分子質量超過1×105的大亞基;(2)同種生物三類聚合酶有“共享”小亞基的傾向，幾個小亞基是其中3類或2類聚合酶所共有的。2.真核的RNA聚合酶除了細胞核RNA聚合酶外，真核生物線粒體和葉綠體中存在不同的RNA聚合酶。線粒體RNA聚合酶：一條多肽鏈，小，小于7×104，不受α-鵝膏蕈堿抑制；葉綠體RNA聚合酶：多亞基，部分亞基由葉綠體基因編碼，較大，不受α-鵝膏蕈堿抑制。三、轉錄的基本過程模板識別轉錄起始通過啟動子轉錄延伸轉錄終止全酶識別啟動子，與其可逆性結合形成封閉復合物——DNA為雙鏈。DNA構象變化，開放復合物形成，全酶結合的一小段雙鏈解開。開放復合物與最初2個NTP結合，短RNA鏈形成。模板識別和轉錄起始轉錄起始：第一個核苷酸鍵形成通過啟動子：2-9核苷酸短鏈形成啟動子的強弱：通過啟動子的時間，時間越短，起始頻率越高。真正的起始——釋放σ因子，轉錄起始復合物通過啟動子區，并生成由核心酶、DNA和新生RNA所組成的轉錄延伸復合物。σ因子決定轉錄的起始，不參與延伸。真核生物還需要至少7種輔助因子——轉錄因子參與，形成復雜的前起始復合物。

轉錄因子轉錄復合體TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIFPolIITFIIERNApolⅡ的轉錄起始人類Ⅱ型啟動子的轉錄因子 因子 分子量 功能 RNAPolⅡ≥10K 依賴模板合成RNA TFⅡA 12,19,35K穩定TFⅡD和DNA的結合，激活TBP亞基 TFⅡB 33K 結合模板鏈（-10～+10），起始PolⅡ結合，和TFⅡE/F

相互作用 TFⅡD (TBP,30K)TBP亞基識別TATA，將聚合酶組入復合體中，TAFs識別特殊啟動子 TFⅡE 34K(β)結合在PolⅡ的前部，使復合體的保護區延伸到下游 57K(α)TFⅡF 38,74K 大亞基具解旋酶活性（RAP74）,小亞基和PolⅡ結合，介導其加入復合體 TFⅡH 具激酶活性，可以磷酸化PolⅡC端的CTD，使PolⅡ逸出，延伸 TFⅡI 120K 識別Inr，起始TFⅡF/D結合 TFⅡJ 在TFⅡF后加入復合體，不改變DNA的結合方式 TFⅡS RNA合成延伸 聚合酶橫跨約35bp，解旋的DNA約17bp。轉錄的延伸：RNA鏈不斷伸長，速度不均一。大腸桿菌：50-90個核苷酸/秒。解鏈區：RNA-DNA雜合鏈解開，DNA雙鏈重新形成。轉錄的終止：轉錄到終止位點，不再形成磷酸二酯鍵，RNA-DNA雜合鏈分開，DNA雙鏈形成，聚合酶及RNA單鏈釋放。第二節啟動子與轉錄起始啟動子是一段位于結構基因5′端上游區的DNA序列，能與RNA聚合酶結合，起始基因的轉錄。啟動子的結構影響其與RNA聚合酶的結合，從而影響基因表達的水平。啟動子的結構(1)結構典型,都含識別（R),結合（B)和起始（I）位點;(2)存在保守序列;(3)保守序列的位置和距離都比較恒定；(4)與多聚酶相結合；(5)位于基因的5′端；(6)決定轉錄的起始和方向。

1.-10序列：-10序列是由Pribnow和Schaller（1975）發現，故也稱為Pribnow框盒（Pribnowbox）。保守序列為T80A95T45A60A50T96位于-10bp左右，AT較豐富，易于解鏈。其功能是:(1)RNApol緊密結合;(2)形成開放起始復合物；(3)使RNApol定向轉錄。一、原核生物啟動子的基本結構2.-35序列-35序列又稱為Sextama盒（Sextamabox），其保守序列為（T82T84G78A65C54A45）其功能是:(1)為RNApol的識別位點。

σ亞基識別-35序列，為轉錄選擇模板(2)-35和-10序列的距離是穩定的，此與RNApol的結合有關。4.轉錄起始位點（I）轉錄開始時模板上的第一個堿基在原核中常為A或G而且位置固定－10區和－35區的最佳間距