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第三章 生物信息的传递（上） —— 从 DNA 到 RNA

第三章 生物信息的传递（上） —— 从 DNA 到 RNA. 基本概念 RNA 的结构、分类和功能 转录的基本过程 RNA 聚合酶、启动子 原核生物与真核生物 mRNA 的特征比较 转录后加工 RNA 合成与 DNA 合成异同点. Contents. 生物体以 DNA 为模板合成 RNA 的过程 。. 转录. RNA. DNA. 一、 基本概念. 转录 (transcription) ：. 原料 : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板 :DNA 酶 : RNA 聚合酶 其他蛋白质因子. 参与转录的物质.

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第三章 生物信息的传递（上） —— 从 DNA 到 RNA

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  1. 第三章 生物信息的传递（上）——从DNA到RNA

  2. 基本概念 RNA的结构、分类和功能 转录的基本过程 RNA聚合酶、启动子 原核生物与真核生物mRNA的特征比较 转录后加工 RNA合成与DNA合成异同点 Contents

  3. 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。 转录 RNA DNA 一、基本概念 转录(transcription) ：

  4. 原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板:DNA 酶: RNA聚合酶 其他蛋白质因子 参与转录的物质 RNA合成方向：5' 3'

  5. 在RNA的合成中，DNA的二条链中仅有一条链可作为转录的模板，称为转录的不对称性。 转录的不对称性： 编码链与模板链 与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链或有义链；将另一条根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为模板链或反义链。

  6. 基本概念 RNA的结构、分类和功能 转录的基本过程 RNA聚合酶、启动子 原核生物与真核生物mRNA的特征比较 转录后加工 RNA合成与DNA合成异同点 Contents

  7. 4 RNA的结构特点 RNA含有核糖和嘧啶，通常是单链线性分 子 RNA链自身折叠形成局部双螺旋 发夹结构、凸结构、环结构 A-U,C-G,G-U 双螺旋RNA小沟宽而浅，没有序列特异性信息； 大沟狭且深，不适合与蛋白质作用 RNA可折叠形成复杂的三级结构

  8. 5 RNA在细胞中的分布 细胞内总RNA 所有生物 仅真核生物 仅细菌 编码RNA（2%） 前mRNA(hnRNA) 非编码RNA（98%） 非编码RNA 前rRNA前tRNAsnRNAsnoRNAscRNAtmRNA snoRNAs: Small nucleolar RNAs snRNA: small nuclear RNA scRNA: small cytoplasmic RNA tmRNA: transfer-messenger RNA mRNA rRNA tRNA

  9. RNA的功能 信息分子 贮藏和转移遗传信息 功能分子 作为蛋白质合成的主要参与者 部分RNA作为核酶在细胞中催化反应 参与基因的表达调控 某些病毒中，是遗传物质

  10. 基本概念 RNA的结构、分类和功能 转录的基本过程 RNA聚合酶、启动子 原核生物与真核生物mRNA的特征比较 转录后加工 RNA合成与DNA合成异同点 Contents

  11. 7 RNA转录的基本过程 模板识别 转录起始 转录延伸 转录终止

  12. 8 模板识别 RNA 聚合酶 模板识别是指RNA聚合酶与启动子DNA双 链相互作用并与之结合的过程 启动子是基因转录起始所必需的一段DNA 序列，是基因表达的上游顺式作用元件之一。

  13. 9 模板识别 RNA 聚合酶 转录调控 因子 真核生物：RNA聚合酶不能识别启动子区， 需要转录调控因子按特定顺序结合于启动子 上，RNA聚合酶才能与之结合形成转录起始 前复合物

  14. 10 转录起始 RNA polymerase 引物：不需要 转录起始：RNA链上第一个核苷酸键的产 生

  15. 转录起始的3个阶段 聚合酶与 DNA结合 1 2 3 1.聚合酶和启动子结合成封闭 复合物 2.封闭复合物变成开放复合物 3.开放复合物结合新生RNA， 形成三元复合物 DNA 开始解链 转录起始 新生RNA链

  16. 12 转录起始 重新开始：新生的RNA链 与DNA结合不牢固，容易从 DNA链上掉下来导致转录重 新开始 成功：成功合成9个以上核 苷酸离开启动子区，RNA聚 合酶释放σ因子，转录就进 入正常的延伸阶段 启动子的强弱：通过启动 子时间越短，基因转录起始 的频率越高，启动子越强 σ因子被释放

  17. 转录起始中的概念 聚合酶全酶 负责启动子的选择和转录的开始 聚合酶全酶中的核心酶 负责RNA的延伸 真核生物 RNA聚合酶 转录因子TF（七种）

  18. 转录延伸 14 ● 亚基脱落，RNA聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移； ●在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。

  19. 17 转录终止 RNA聚合酶不再聚合 RNA-DNA杂合物分离 转录泡瓦解 DNA恢复双链 RNA聚合酶和RNA链释放 转录终止

  20. 18 终止子（terminator）的分类 根据体外RNA聚合酶是否需要辅助因子参 与才能终止RNA的延伸，大肠杆菌的终止子 分为： 不依赖于ρ因子的终止 依赖于ρ因子的终止 （Rho-dependent terminator）

  21. 1、终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的二重对称区，转录产生的RNA形成发夹结构；1、终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的二重对称区，转录产生的RNA形成发夹结构； 不依赖因子的终止 2、在终止位点前面有一段由4-8个A组成的序列，转录产生的RNA的3’端为寡聚U

  22. 发夹式结构和寡聚U的共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。发夹式结构和寡聚U的共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。

  23. 终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关，长度增加效率提高。

  24. 依赖因子的终止 因子：六聚体蛋白、具有NTP酶和解螺旋酶活性，水解各种核甘三磷酸促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。

  25. “穷追”（hot pursuit）模型

  26. 转录的基本过程

  27. 21 抗终止 破坏终止位点RNA的茎环结构 转录和翻译偶联 当氨基酸浓度较低时，核糖体滞留在串联密码 子上，导致mRNA不能形成茎环结构 依赖于蛋白质因子的转录抗终止 λ-噬菌体中的N蛋白具有转录抗终止作用

  28. 22 N蛋白引起的转录抗终止 1.N蛋白识别A区和对称二 重序列转录形成的茎环结 构并与之结合 2.NusA蛋白与RNA聚合 酶和N蛋白结合，当其它 三种蛋白（NusB,S10, 2.5E4）都结合到Nut位点 时，形成蛋白复合物；该 复合物通过与NusA蛋白和 RNA聚合酶结合，改变 RNA聚合酶的构象，使其 对终止信号不敏感

  29. 基本概念 RNA的结构、分类和功能 转录的基本过程 RNA聚合酶、启动子 原核生物与真核生物mRNA的特征比较 转录后加工 RNA合成与DNA合成异同点 Contents

  30. 参与转录起始的关键酶与元件 （一） RNA聚合酶 ●原核生物RNA聚合酶（大肠杆菌为例） 全酶=核心酶+ σ因子 2个α亚基，一个β亚基，一个β’ 亚基，一个ω亚基

  31. 转录起始过程需要全酶，由σ因子辨认起始点，转录起始过程需要全酶，由σ因子辨认起始点， 延伸过程仅需要核心酶的催化 全酶：Mw465000 α亚基：核心酶组装，启动子识别 β和β’亚基：催化中心 σ因子：辨认起始点，增加聚合酶对启动子的亲和力，降低其 对非专一位点的亲和力

  32. 大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析

  33. 25 原核生物RNA聚合酶 不同的σ因子识别不同启动子 因子基因 功能 -35区 间隔 （bp） -10区 σ70 rpoD广泛 TTGACA 16~18TATAAT σ32 σ54 rpoH热休克TCTCNCCCTT GAA rpoN氮代谢CTGGNA 13~15CCCCAT NTA 6TTGCA 稳定的RNA聚合酶-DNA-RNA三元复合物：核苷酸合成6-9个 随后σ因子的释放，转录从起始到延伸阶段

  34. ● 真核生物RNA聚合酶 真核细胞的三种RNA聚合酶特征比较

  35. 28 α-鹅膏覃碱（α-Amanitin） 绿帽菌、鬼笔鹅膏、 蒜叶菌、高把菌、毒伞 二环八肽 抑制RNAII聚合酶 不抑制原核生物RNA聚合酶 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Alpha-amanitin_structure.png http://www.jxda.gov.cn/browfood.asp?id=2774

  36. 30 真核生物RNA聚合酶 RNA聚合酶I RPA1 RPA2 RPC5 RPC9 RPB6 其它9个亚基 RNA聚合酶II RPB1 RPB2 RPB3 RPB11 RPB6 其它7个亚基 RNA聚合酶III RPC1 RPC2 RPC5 RPC9 RPB6 其它11个亚基 与β,β’同源 与α同源 与ω同源 分子量↓ 聚合酶中有两个分子量超过105的大亚基 同种生物三类聚合酶“共享”小亚基

  37. RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别

  38. 基本概念 RNA的结构、分类和功能 转录的基本过程 RNA聚合酶、启动子 原核生物与真核生物mRNA的特征比较 转录后加工 RNA合成与DNA合成异同点 Contents

  39. 33 关于转录的一些概念 转录单位 一段从启动子开始到终止子结束的DNA序列 转录起点 与新生RNA链第一个核苷酸对应DNA链上的碱基，为+1 上游序列 转录起点前面，5‘末端的序列 下游序列 转录起点后面，3‘末端的序列 序列的书写方向 从左到右，从上游到下游，5‘-3’

  40. 启动子(promoter) 启动子定义：指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。

  41. ● 原核生物启动子结构 Pribnow 实验 DNase I 41-44bp

  42. TATA区（－10区，Pribnow区）：酶的紧密结合位点，富含AT碱基，利于双链打开。TATA区（－10区，Pribnow区）：酶的紧密结合位点，富含AT碱基，利于双链打开。 TTGACA区（－35区）：提供了RNA聚合酶全酶识别的信号

  43. 转录起始点 启动子 Probnow盒子 模板链 AACTGT ATATTA 3’ DNA TATAAT 5’ TTGACA 转录区 3510+1 3’ 5’ RNA 编码链

  44. 大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区 －35 区 －10 区 T89A89T50A65A100 T85T83G81A61C69A52

  45. -35 -10 转录起点 TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp 典型启动子的结构

  46. 39 -10区和-35区的最佳间距 16~19bp 增减1bp会使两者产生的超螺旋的夹角变 化36° 细菌中的启动子突变 下降突变：转录水平下降的突变，e.g.-10区 的TATAAT变成AATAAT 上升突变：转录水平提高的突变，e.g.-10区 的TATGTT变成TATATT

  47. 37 RNA聚合酶和启动子区的结合 TFIID 转录起始点 TFIID TFIID复合物通过其TBP单元 结合到TATA区上 TFIIA帮助稳定TFIID TFIIA TFIIA TFIIH TFIIB和TFIIH加入 TFIIH TFIIB TFIIE TFIIF 伴随了TFIIE和TFIIF的 RNA聚合酶II结合 羧端尾巴

  48. 38 RNA聚合酶和启动子区的结合 TFIIB TFIIH TFIIE 羧端尾巴CTDTFIIF TFIIB 伴随了TFIIE和TFIIF的 RNA聚合酶II结合 TFIIH将CTD磷酸化 RNA聚合酶II CTD CTD磷酸化后RNA聚合酶II才能移动 TFIIH RNA转录

  49. 40 增强子及其功能

  50. 41 增强子及其功能 功能：强化转录的开始 特点 远距离效应相距>10kb也能发挥作用 无方向性可以位于靶基因的上游、下游或内部 顺式调节只调节同一条染色体上的靶基因 无物种和基因的特异性 具有组织特异性需要特定的蛋白质因子参与 有相位性与DNA构象有关 有的增强子可以对外部信号产生反应

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