《生物信息的傳遞上》課件

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1、n1、什么是、什么是DNA的半保留復制？的半保留復制？n2、DNA復制的生物學意義是什么？復制的生物學意義是什么？n3、原核生物中主要有那幾種、原核生物中主要有那幾種DNA聚合聚合酶？請說出它們的主要功能？酶？請說出它們的主要功能？n4、說出人類細胞中最大的和最小的染、說出人類細胞中最大的和最小的染色體，它們各有多少色體，它們各有多少bp。1n5、說出、說出DNA作為遺傳物質(zhì)的最基本特征。作為遺傳物質(zhì)的最基本特征。n6、有什么證據(jù)說明染色體可能是由核小體、有什么證據(jù)說明染色體可能是由核小體組成的？組成的？n7、大腸桿菌、大腸桿菌DNA完全伸展時有多長？完全伸展時有多長？n8、重疊基因是怎樣發(fā)現(xiàn)

2、的，是從哪種生物、重疊基因是怎樣發(fā)現(xiàn)的，是從哪種生物里首次發(fā)現(xiàn)的？里首次發(fā)現(xiàn)的？23 生物信息的傳遞（上）生物信息的傳遞（上）從從DNA到到RNA3主要內(nèi)容n轉(zhuǎn)錄的基本過程n轉(zhuǎn)錄機器的主要成分n啟動子和轉(zhuǎn)錄起始n原核和真核生物mRNA的特征比較n終止和抗終止n內(nèi)含子的剪接、編輯、再編碼及化學修飾4n基因作為唯一能夠自主復制、永久存基因作為唯一能夠自主復制、永久存在的單位，其生物學功能是以在的單位，其生物學功能是以RNA或或蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的形式表達出來的。的形式表達出來的。DNA序列序列是遺傳信息的貯存者，它通過自主復是遺傳信息的貯存者，它通過自主復制得到永存，并通過轉(zhuǎn)錄生成信使制得到永存，并通過

3、轉(zhuǎn)錄生成信使RNA，翻譯生成蛋白質(zhì)的過程來控制，翻譯生成蛋白質(zhì)的過程來控制生命現(xiàn)象。生命現(xiàn)象。5n基因表達包括基因表達包括轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄（transcription）和和翻譯翻譯（translation）兩個階段。）兩個階段。n轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄是指拷貝出一條與是指拷貝出一條與DNA鏈序列完鏈序列完全相同（除了全相同（除了TU之外）的之外）的RNA單鏈單鏈的過程，是基因表達的的過程，是基因表達的核心步驟核心步驟。n翻譯翻譯是指以新生的是指以新生的mRNA為模板，把為模板，把核苷酸三聯(lián)遺傳密碼子翻譯成氨基酸序核苷酸三聯(lián)遺傳密碼子翻譯成氨基酸序列、合成多肽鏈的過程，是基因表達的列、合成多肽鏈的過程，是基因表達的最

4、終目的最終目的。6nDNA分子中的分子中的核苷酸排列順序核苷酸排列順序不但決不但決定了胞內(nèi)所有定了胞內(nèi)所有RNA及及蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的基本結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，還通過蛋白質(zhì)（酶）的功能間接構(gòu)，還通過蛋白質(zhì)（酶）的功能間接控制了細胞內(nèi)全部有效成份的生產(chǎn)、控制了細胞內(nèi)全部有效成份的生產(chǎn)、運轉(zhuǎn)和功能發(fā)揮。運轉(zhuǎn)和功能發(fā)揮。7Francois Jacob(Left),Jacques Monod(Center)&Andre Lwoff(Right)89n與與mRNA序列相同的那條序列相同的那條DNA鏈鏈是是編碼鏈編碼鏈（coding strand）或稱）或稱有有意義鏈意義鏈（sense strand），另一條），另一

5、條根據(jù)堿基互補原則指導根據(jù)堿基互補原則指導mRNA合成合成的的DNA鏈則被稱為鏈則被稱為模板鏈模板鏈（template strand）或稱）或稱反義鏈反義鏈（antisensestrand）。）。10DNA模板與模板與mRNA分子及多肽鏈之間存在分子及多肽鏈之間存在共線性關(guān)系共線性關(guān)系11nDNA和和RNA雖然很相似，只有雖然很相似，只有T或或U及及核糖的第二位碳原子上有所不同，但核糖的第二位碳原子上有所不同，但它們的生物學活性卻很不同。它們的生物學活性卻很不同。RNA主主要以要以單鏈單鏈形式存在于生物體內(nèi)，其形式存在于生物體內(nèi)，其高高級結(jié)構(gòu)很復雜級結(jié)構(gòu)很復雜，它們既擔負著貯藏及，它們既擔負著

6、貯藏及轉(zhuǎn)移遺傳信息的功能，又能作為轉(zhuǎn)移遺傳信息的功能，又能作為核酶核酶直接在細胞內(nèi)發(fā)揮代謝功能。直接在細胞內(nèi)發(fā)揮代謝功能。12n因為只有因為只有mRNA所攜帶的遺傳信息所攜帶的遺傳信息才被用來指導蛋白質(zhì)生物合成，所才被用來指導蛋白質(zhì)生物合成，所以人們一般用以人們一般用U、C、A、G這這4種種核苷酸而不是核苷酸而不是T、C、A、G的組合的組合來表示遺傳性狀。來表示遺傳性狀。13n生物體內(nèi)擁有三類生物體內(nèi)擁有三類RNA，即：，即：n編碼特定蛋白質(zhì)序列的編碼特定蛋白質(zhì)序列的mRNA；n能特異性解讀能特異性解讀mRNA 中的遺傳信息并中的遺傳信息并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)氨基酸后加入多肽鏈將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)氨基酸后

7、加入多肽鏈中的中的tRNA；n直接參與核糖體中蛋白質(zhì)合成的直接參與核糖體中蛋白質(zhì)合成的rRNA。143.1 RNA轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄過程n無論是原核還是真核細胞，轉(zhuǎn)錄的無論是原核還是真核細胞，轉(zhuǎn)錄的基本過程都包括：基本過程都包括：模板識別模板識別 轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始 通過啟動子通過啟動子 轉(zhuǎn)錄的延伸轉(zhuǎn)錄的延伸 轉(zhuǎn)錄的終止轉(zhuǎn)錄的終止15大腸桿菌中依賴于大腸桿菌中依賴于DNA的的RNA轉(zhuǎn)錄過程圖示。轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄過程圖示。轉(zhuǎn)錄泡中單鏈泡中單鏈DNA的長度約在的長度約在17bp左右，被聚合酶復合左右，被聚合酶復合物所保護的物所保護的DNA序列約為序列約為35bp左右。左右。16n3.1.1 模板識別模板識別模板識

8、別階段主要指模板識別階段主要指RNA聚合酶聚合酶與與啟動子啟動子DNA雙鏈相互作用并與之相雙鏈相互作用并與之相結(jié)合的過程。結(jié)合的過程。n啟動子（啟動子（promoter）是基因轉(zhuǎn)錄起）是基因轉(zhuǎn)錄起始所必需的一段始所必需的一段DNA序列，是基因序列，是基因表達調(diào)控的上游順式作用元件。表達調(diào)控的上游順式作用元件。17n真核生物真核生物RNA聚合酶不能直接識聚合酶不能直接識別基因的啟動子區(qū)，需要一些被稱別基因的啟動子區(qū)，需要一些被稱為為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的輔助蛋白質(zhì)按特的輔助蛋白質(zhì)按特定順序結(jié)合于啟動子上，定順序結(jié)合于啟動子上，RNA聚合聚合酶才能與之相結(jié)合并形成復雜的酶才能與之相結(jié)合并形成復

9、雜的前前起始復合物起始復合物（preinitiation transcription complex,PIC），以），以保證有效地起始轉(zhuǎn)錄。保證有效地起始轉(zhuǎn)錄。18n3.1.2 轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始n轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始不需要引物不需要引物，啟動子附近，啟動子附近的的DNA雙鏈分開形成轉(zhuǎn)錄泡以促使雙鏈分開形成轉(zhuǎn)錄泡以促使底物核糖核苷酸與模板底物核糖核苷酸與模板DNA的堿基的堿基配對。配對。n轉(zhuǎn)錄起始就是轉(zhuǎn)錄起始就是RNA鏈上第一個核鏈上第一個核苷酸鍵的產(chǎn)生。苷酸鍵的產(chǎn)生。19n轉(zhuǎn)錄起始后直到形成轉(zhuǎn)錄起始后直到形成9個核苷酸個核苷酸短短鏈是通過啟動子階段，此時鏈是通過啟動子階段，此時RNA聚聚合酶一直處

10、于啟動子區(qū)，新生的合酶一直處于啟動子區(qū)，新生的RNA鏈與鏈與DNA模板鏈的結(jié)合不夠模板鏈的結(jié)合不夠牢固，很容易從牢固，很容易從DNA鏈上掉下來并鏈上掉下來并導致轉(zhuǎn)錄重新開始。導致轉(zhuǎn)錄重新開始。20n一旦一旦RNA聚合酶成功地合成聚合酶成功地合成9個以個以上核苷酸并離開啟動子區(qū)，轉(zhuǎn)錄就上核苷酸并離開啟動子區(qū)，轉(zhuǎn)錄就進入正常的延伸階段。所以，進入正常的延伸階段。所以，通過通過啟動子的時間代表一個啟動子的強啟動子的時間代表一個啟動子的強弱弱。n一般說來，通過啟動子的時間越短，一般說來，通過啟動子的時間越短，該基因轉(zhuǎn)錄起始的頻率也越高。該基因轉(zhuǎn)錄起始的頻率也越高。21n3.1.3 轉(zhuǎn)錄延伸轉(zhuǎn)錄延伸nR

11、NA聚合酶離開啟動子，沿聚合酶離開啟動子，沿DNA鏈移鏈移動并使新生動并使新生RNA鏈不斷伸長的過程就鏈不斷伸長的過程就是是轉(zhuǎn)錄的延伸轉(zhuǎn)錄的延伸。n大腸桿菌大腸桿菌RNA聚合酶的活性一般為每聚合酶的活性一般為每秒秒50-90個核苷酸。隨著個核苷酸。隨著RNA聚合酶的聚合酶的移動，移動，DNA雙螺旋持續(xù)解開，暴露出雙螺旋持續(xù)解開，暴露出新的單鏈新的單鏈DNA模板，新生模板，新生RNA鏈的鏈的3末端不斷延伸，在解鏈區(qū)形成末端不斷延伸，在解鏈區(qū)形成RNA-DNA雜合物。雜合物。22n3.1.4 轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄終止n轉(zhuǎn)錄到終止位點時，轉(zhuǎn)錄到終止位點時，RNA聚合酶不再形成新聚合酶不再形成新的磷酸二酯鍵，

12、的磷酸二酯鍵，RNA-DNA聚合物分離，聚合物分離，DNA恢復，恢復，RNA及及RNA聚合酶釋放。聚合酶釋放。n37時，轉(zhuǎn)錄生成時，轉(zhuǎn)錄生成mRNA的速度大約是每分的速度大約是每分鐘鐘2500個核苷酸，即每秒鐘合成個核苷酸，即每秒鐘合成14個密碼子個密碼子，而蛋白質(zhì)合成的速度大約是每秒鐘而蛋白質(zhì)合成的速度大約是每秒鐘15個氨基個氨基酸酸。正常情況下，從一個基因開始表達到細。正常情況下，從一個基因開始表達到細胞中出現(xiàn)其胞中出現(xiàn)其mRNA的間隔約為的間隔約為2.5分鐘，而分鐘，而再過半分鐘就能在細胞內(nèi)測到相應(yīng)的蛋白質(zhì)。再過半分鐘就能在細胞內(nèi)測到相應(yīng)的蛋白質(zhì)。23n3.2 轉(zhuǎn)錄機器的主要成分轉(zhuǎn)錄機器

13、的主要成分n3.2.1 RNA聚合酶聚合酶nRNA聚合酶是轉(zhuǎn)錄過程中最關(guān)鍵的酶，聚合酶是轉(zhuǎn)錄過程中最關(guān)鍵的酶，主要以雙鏈主要以雙鏈DNA為模板，以為模板，以4種核苷三種核苷三磷酸作為活性前體，并以磷酸作為活性前體，并以Mg2+/Mn2+為為輔助因子，催化輔助因子，催化RNA鏈的起始、延伸鏈的起始、延伸和終止，它不需要任何引物，催化生和終止，它不需要任何引物，催化生成的產(chǎn)物是與成的產(chǎn)物是與DNA模板鏈相互補的模板鏈相互補的RNA。24nRNA或或RNA-DNA雙鏈雜合體不能雙鏈雜合體不能作為模板。作為模板。n原核和真核生物的原核和真核生物的RNA聚合酶雖聚合酶雖然都能催化然都能催化RNA的合成，

14、但在其分的合成，但在其分子組成、種類和生化特性上各有特子組成、種類和生化特性上各有特色。色。25n1.原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶n大多數(shù)原核生物大多數(shù)原核生物RNA聚合酶的組成是聚合酶的組成是相同的，大腸桿菌聚合酶由相同的，大腸桿菌聚合酶由2個個亞基、亞基、一個一個亞基、一個亞基、一個亞基和一個亞基和一個亞基亞基組成，稱為組成，稱為核心酶核心酶。加上一個。加上一個亞基后亞基后則成為聚合酶則成為聚合酶全酶全酶（holoenzyme），），相對分子質(zhì)量為相對分子質(zhì)量為4.65105。26大腸桿菌大腸桿菌RNA聚合酶的主要成分聚合酶的主要成分27大腸桿菌大腸桿菌RNA聚合酶的主要成分聚合

15、酶的主要成分28表3-1 大腸桿菌RNA聚合酶的組成分析亞基亞基基因基因相對分子量相對分子量*104亞基數(shù)亞基數(shù)組分組分功能功能rpoA3.652核心酶核心酶核心酶組裝，啟動子識別核心酶組裝，啟動子識別rpoB15.11核心酶核心酶和和共同形成共同形成RNA合成合成的活性中心的活性中心rpoC15.51核心酶核心酶111核心酶核心酶未知未知rpoD71因子因子存在多種存在多種因子，用于識因子，用于識別不同的啟動子別不同的啟動子29n亞基可能與核心酶的組裝及啟動亞基可能與核心酶的組裝及啟動子識別有關(guān)，并參與子識別有關(guān)，并參與RNA聚合酶和聚合酶和部分調(diào)節(jié)因子的相互作用。部分調(diào)節(jié)因子的相互作用。n

16、T4噬菌體感染大腸桿菌后對噬菌體感染大腸桿菌后對亞基亞基的一個精氨酸殘基進行的一個精氨酸殘基進行ADP糖基化糖基化修飾修飾，造成，造成RNA聚合酶全酶對啟動聚合酶全酶對啟動子親和力降低。子親和力降低。30n由由和和亞基組成了聚合酶的亞基組成了聚合酶的催化催化中心中心，它們在序列上與真核生物，它們在序列上與真核生物RNA聚合酶的兩個大亞基有同源性聚合酶的兩個大亞基有同源性。亞基能與模板亞基能與模板DNA、新生、新生RNA鏈及核苷酸底物相結(jié)合。鏈及核苷酸底物相結(jié)合。31n因子的作用是負責模板鏈的因子的作用是負責模板鏈的選擇選擇和轉(zhuǎn)錄的和轉(zhuǎn)錄的起始起始，它是酶的別構(gòu)效應(yīng)，它是酶的別構(gòu)效應(yīng)物，使酶專一

17、性識別模板上的啟動物，使酶專一性識別模板上的啟動子。核心酶在子。核心酶在T7噬菌體噬菌體DNA上約上約有有1300個結(jié)合位點，平均結(jié)合常個結(jié)合位點，平均結(jié)合常數(shù)為數(shù)為21011。32n因子可以極大地提高因子可以極大地提高RNA聚合酶聚合酶對啟動子區(qū)對啟動子區(qū)DNA序列的親和力，酶序列的親和力，酶底結(jié)合常數(shù)提高底結(jié)合常數(shù)提高103倍，酶底復合倍，酶底復合物的半衰期可達數(shù)小時甚至數(shù)十小物的半衰期可達數(shù)小時甚至數(shù)十小時。時。n因子還能使因子還能使RNA聚合酶與模板聚合酶與模板DNA上非特異性位點的結(jié)合常數(shù)降上非特異性位點的結(jié)合常數(shù)降低低104倍，使酶底復合物的半衰期倍，使酶底復合物的半衰期小于小于1

18、秒。秒。33表表3-2 大腸桿菌中的大腸桿菌中的因子能識別并與啟動子因子能識別并與啟動子區(qū)的特異性序列相結(jié)合區(qū)的特異性序列相結(jié)合因子基因功能-35區(qū)間隔bp-10區(qū)70ropD廣泛TTGACA16-18TATAAT32ropH熱休克TCTCNCCCTTGAA13-15CCCCATNTA54ropN氮代謝CTGGNA6TTGCA34n枯草桿菌中有枯草桿菌中有6種不同相對分子質(zhì)量的種不同相對分子質(zhì)量的因子，其中因子，其中55是主要存在形式，出現(xiàn)是主要存在形式，出現(xiàn)在營養(yǎng)細胞中，在營養(yǎng)細胞中，29則主要出現(xiàn)在胞子則主要出現(xiàn)在胞子形成階段，參與胞子形成期基因轉(zhuǎn)錄形成階段，參與胞子形成期基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控。

19、的調(diào)控。n在大腸桿菌中，最常見的調(diào)控因子是在大腸桿菌中，最常見的調(diào)控因子是由由rpoD基因所編碼的基因所編碼的70。35n由由rpoH編碼的編碼的32是與熱休克啟動是與熱休克啟動子所控制的基因轉(zhuǎn)錄密切相關(guān)。子所控制的基因轉(zhuǎn)錄密切相關(guān)。n由由rpoN編碼的編碼的54則參與細胞的氮則參與細胞的氮代謝。由代謝。由T4噬菌體所編碼的噬菌體所編碼的55能能與大腸桿菌與大腸桿菌RNA聚合酶的核心酶結(jié)聚合酶的核心酶結(jié)合，啟動合，啟動T4晚期基因的轉(zhuǎn)錄。晚期基因的轉(zhuǎn)錄。36n2.真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶n真核生物中有真核生物中有3類類RNA聚合酶，其結(jié)構(gòu)聚合酶，其結(jié)構(gòu)比大腸桿菌比大腸桿菌RNA聚合酶

20、復雜，它們在聚合酶復雜，它們在細胞核中的位置不同，負責轉(zhuǎn)錄的基細胞核中的位置不同，負責轉(zhuǎn)錄的基因不同，對因不同，對-鵝膏覃堿鵝膏覃堿的敏感性也不的敏感性也不同。同。n真核生物真核生物RNA聚合酶一般有聚合酶一般有8-14個亞個亞基所組成，相對分子質(zhì)量超過基所組成，相對分子質(zhì)量超過5105。37真核生物真核生物RNA聚合酶的主要特征：聚合酶的主要特征：n聚合酶中有兩個相對分子質(zhì)量超過聚合酶中有兩個相對分子質(zhì)量超過1105的大亞基；的大亞基；n同種生物同種生物3類聚合酶有類聚合酶有“共享共享”小亞小亞基的傾向，即有幾個小亞基是其中基的傾向，即有幾個小亞基是其中3類或類或2類聚合酶所共有的。類聚合酶

21、所共有的。38表表3-3 真核細胞中三類真核細胞中三類RNA聚合酶特性比較聚合酶特性比較酶酶定位定位產(chǎn)物產(chǎn)物相對活性相對活性對對-鵝膏覃堿鵝膏覃堿的敏感程度的敏感程度RNA聚合酶聚合酶I核仁核仁rRNA50%70%不敏感不敏感RNA聚合酶聚合酶II核質(zhì)核質(zhì) hnRNA20%40%敏感敏感RNA聚合酶聚合酶III核質(zhì)核質(zhì)tRNA約約10%物種特異性物種特異性39n3.2.2 轉(zhuǎn)錄復合物轉(zhuǎn)錄復合物n啟動子選擇階段包括啟動子選擇階段包括RNA聚合酶全酶對啟聚合酶全酶對啟動子的識別，聚合酶與啟動子可逆性結(jié)合動子的識別，聚合酶與啟動子可逆性結(jié)合形成形成封閉復合物封閉復合物（closed complex，

22、此時，此時，DNA仍處于雙鏈狀態(tài)）。仍處于雙鏈狀態(tài)）。n然后，封閉復合物轉(zhuǎn)變成然后，封閉復合物轉(zhuǎn)變成開放復合物開放復合物（open complex），聚合酶全酶所結(jié)合的），聚合酶全酶所結(jié)合的DNA序列中有一小段雙鏈被解開。對于強序列中有一小段雙鏈被解開。對于強啟動子來說，從封閉復合物到開放復合物啟動子來說，從封閉復合物到開放復合物的轉(zhuǎn)變是不可逆的，是快反應(yīng)。的轉(zhuǎn)變是不可逆的，是快反應(yīng)。40nRNA合成的起始41n開放復合物與最初的兩個開放復合物與最初的兩個NTP相結(jié)相結(jié)合并在這兩個核苷酸之間形成磷酸合并在這兩個核苷酸之間形成磷酸二酯鍵后即轉(zhuǎn)變成包括二酯鍵后即轉(zhuǎn)變成包括RNA聚合酶聚合酶、DNA

23、和和新生新生RNA的三元復合物。的三元復合物。除除RNA聚合酶之外，真核生物轉(zhuǎn)錄聚合酶之外，真核生物轉(zhuǎn)錄起始過程中至少還需要起始過程中至少還需要7種輔助因種輔助因子參與。子參與。42一般情況下，轉(zhuǎn)錄起始復合物可以一般情況下，轉(zhuǎn)錄起始復合物可以進入兩條不同的反應(yīng)途徑：進入兩條不同的反應(yīng)途徑：n合成并釋放合成并釋放2-9個核苷酸的短個核苷酸的短RNA轉(zhuǎn)錄物，即所謂的轉(zhuǎn)錄物，即所謂的流產(chǎn)式起始流產(chǎn)式起始；n盡快盡快釋放釋放亞基亞基，轉(zhuǎn)錄起始復合物，轉(zhuǎn)錄起始復合物通過上游啟動子區(qū)并生成由核心酶、通過上游啟動子區(qū)并生成由核心酶、DNA和新生和新生RNA所組成的轉(zhuǎn)錄延所組成的轉(zhuǎn)錄延伸復合物。伸復合物。43

24、n轉(zhuǎn)錄延伸復合物較為穩(wěn)定，可長時轉(zhuǎn)錄延伸復合物較為穩(wěn)定，可長時間與間與DNA模板結(jié)合而不解離。只有模板結(jié)合而不解離。只有在遇到轉(zhuǎn)錄終止信號時，在遇到轉(zhuǎn)錄終止信號時，RNA聚合聚合酶才停止加入新的核苷酸，酶才停止加入新的核苷酸，RNA-DNA雜合物解離，釋放轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物并雜合物解離，釋放轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物并導致聚合酶本身從模板導致聚合酶本身從模板DNA上脫落。上脫落。443.3 啟動子與轉(zhuǎn)錄起始啟動子與轉(zhuǎn)錄起始n轉(zhuǎn)錄起始是基因表達的關(guān)鍵階段，轉(zhuǎn)錄起始是基因表達的關(guān)鍵階段，而這一階段的重要問題是而這一階段的重要問題是RNA聚合聚合酶與啟動子的相互作用。啟動子的酶與啟動子的相互作用。啟動子的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)影響影響了它與

25、了它與RNA聚合酶的聚合酶的親和親和力力，從而影響了基因表達的水平。，從而影響了基因表達的水平。45n大腸桿菌大腸桿菌RNA聚合酶與啟動子的聚合酶與啟動子的相互作用主要包括啟動子區(qū)的識別、相互作用主要包括啟動子區(qū)的識別、酶與啟動子的結(jié)合及酶與啟動子的結(jié)合及因子因子的結(jié)合的結(jié)合與解離。與解離。46n3.3.1 啟動子區(qū)的基本結(jié)構(gòu)啟動子區(qū)的基本結(jié)構(gòu)n啟動子啟動子是一段位于結(jié)構(gòu)基因是一段位于結(jié)構(gòu)基因5端上端上游區(qū)的游區(qū)的DNA序列，能序列，能活化活化RNA聚聚合酶，使之與模板合酶，使之與模板DNA準確地相準確地相結(jié)結(jié)合合并具有轉(zhuǎn)錄起始的特異性。并具有轉(zhuǎn)錄起始的特異性。47n轉(zhuǎn)錄單元轉(zhuǎn)錄單元（tran

26、scription unit）是）是一段從啟動子開始至終止子一段從啟動子開始至終止子（terminator）結(jié)束的）結(jié)束的DNA序列。序列。48n轉(zhuǎn)錄起點轉(zhuǎn)錄起點是指與新生是指與新生RNA鏈第一個鏈第一個核苷酸相對應(yīng)核苷酸相對應(yīng)DNA鏈上的堿基，通鏈上的堿基，通常為嘌呤。把起點常為嘌呤。把起點5末端的序列稱末端的序列稱為為上游上游（upstream），而把其），而把其3末末端的序列稱為端的序列稱為下游下游(downstream)。起點為起點為+1，下游方向依次為，下游方向依次為+2、+3等，上游方向依次為等，上游方向依次為1、2、3等等。等等。4950n啟動子區(qū)結(jié)構(gòu)特點啟動子區(qū)結(jié)構(gòu)特點nPri

27、bnow將將RNA聚合酶全酶與模板聚合酶全酶與模板DNA結(jié)合后，用結(jié)合后，用DNaseI降解降解DNA，得，得到到4144個核苷酸對的個核苷酸對的DNA片段。片段。n序列分析發(fā)現(xiàn)，在被保護區(qū)內(nèi)有一個序列分析發(fā)現(xiàn)，在被保護區(qū)內(nèi)有一個由由5個核苷酸組成的保守序列，是聚合個核苷酸組成的保守序列，是聚合酶結(jié)合位點，稱為酶結(jié)合位點，稱為Pribnow區(qū)區(qū)，其中央，其中央大約位于起點上游大約位于起點上游10bp處，所以又稱處，所以又稱為為-10區(qū)區(qū)。51分離轉(zhuǎn)錄區(qū)分離轉(zhuǎn)錄區(qū)DNA序列程序圖序列程序圖52n科學家又從噬菌體的左、右啟動子科學家又從噬菌體的左、右啟動子PL及及PR和和SV40啟動子的啟動子的-

28、35 bp附附近找到了另一段共同序列：近找到了另一段共同序列：TTGACA。n現(xiàn)已證實大部分啟動子都存在這兩現(xiàn)已證實大部分啟動子都存在這兩段共同序列，即位于段共同序列，即位于-10 bp處的處的TATA區(qū)區(qū)和和-35 bp處的處的TTGACA區(qū)區(qū)，它們是它們是RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合聚合酶與啟動子的結(jié)合位點。位點。53大腸桿菌大腸桿菌RNA聚合酶全酶所識別的啟動子區(qū)聚合酶全酶所識別的啟動子區(qū)54 35區(qū)區(qū) 10區(qū)區(qū)T85T83G81A61C69A52T89A89T50A65A100n在真核生物基因中，在真核生物基因中，Hogness等發(fā)現(xiàn)類似等發(fā)現(xiàn)類似Pribnow區(qū)的區(qū)的Hogness區(qū)，

29、在轉(zhuǎn)錄起始點上區(qū)，在轉(zhuǎn)錄起始點上游游-25-30 bp處，保守序列為處，保守序列為TATAAA，也稱也稱TATA區(qū)區(qū)。在起始位點上游。在起始位點上游-70-78 bp處還有另一段共同序列處還有另一段共同序列CCAAT，稱為，稱為CAAT區(qū)（區(qū)（CAAT box）。）。55n真核基因的啟動子在真核基因的啟動子在2535區(qū)含有區(qū)含有TATA序列序列，在，在7080區(qū)含有區(qū)含有CCAAT序列序列（CAAT box），），在在80110含有含有GCCACACCC或或GGGCGGG序列序列（GC box）。）。習慣上，習慣上，將將TATA區(qū)上游的保守序列稱為區(qū)上游的保守序列稱為上游啟上游啟動子元件動子元

30、件（upstream promoter element，UPE）或稱）或稱上游激活序列上游激活序列（upstream activating sequence，UAS）。）。56n如果把如果把Pribnow區(qū)從區(qū)從TATAAT變成變成AATAAT就會使該啟動子發(fā)生就會使該啟動子發(fā)生下降下降突變突變；如果增加；如果增加Pribnow區(qū)的共同區(qū)的共同序列，將乳糖操縱子的啟動子中的序列，將乳糖操縱子的啟動子中的TATGTT變成變成TATATT，就會提高，就會提高啟動子的效率，稱為啟動子的效率，稱為上升突變上升突變。3.3.2 啟動子區(qū)及上游序列作用啟動子區(qū)及上游序列作用57TATA區(qū)的作用區(qū)的作用nT

31、ATA區(qū)的主要作用是區(qū)的主要作用是使轉(zhuǎn)錄精確使轉(zhuǎn)錄精確地起始地起始。如果除去。如果除去TATA區(qū)或進行區(qū)或進行堿基突變，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物下降的相對值堿基突變，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物下降的相對值不如不如CAAT區(qū)或區(qū)或GC區(qū)突變后明顯，區(qū)突變后明顯，但發(fā)現(xiàn)所獲得的但發(fā)現(xiàn)所獲得的RNA產(chǎn)物起始點不產(chǎn)物起始點不固定。固定。58nCAAT區(qū)和區(qū)和GC區(qū)主要控制轉(zhuǎn)錄起區(qū)主要控制轉(zhuǎn)錄起始頻率，基本不參與起始位點的確始頻率，基本不參與起始位點的確定。定。nSV40的早期基因，缺少的早期基因，缺少TATA和和CAAT區(qū)，只有區(qū)，只有6個串聯(lián)在上游個串聯(lián)在上游40110位點的位點的GC區(qū)；而組蛋白區(qū)；而組蛋白H2B，不含，不含GC區(qū)

32、，但有兩個區(qū)，但有兩個CAAT區(qū)，一個區(qū)，一個TATA區(qū)。區(qū)。CAAT和和GC區(qū)的作用區(qū)的作用59真核細胞中的部分轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子分析真核細胞中的部分轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子分析60上游激活序列作用上游激活序列作用n研究研究SV40晚期基因啟動子發(fā)現(xiàn)，晚期基因啟動子發(fā)現(xiàn)，上游激活區(qū)的存在與否，對該啟動上游激活區(qū)的存在與否，對該啟動子的生物活性有著根本性的影響。子的生物活性有著根本性的影響。若將該基因若將該基因5 上游上游-21-47核苷酸核苷酸序列切除，基因完全不表達。序列切除，基因完全不表達。613.3.3 RNA聚合酶與啟動子區(qū)的結(jié)合聚合酶與啟動子區(qū)的結(jié)合n聚合酶首先與啟動子區(qū)閉合雙鏈聚合酶首先與啟動子區(qū)

33、閉合雙鏈DNA結(jié)合，結(jié)合，形成閉合復合物，經(jīng)解鏈得到開鏈復合物。形成閉合復合物，經(jīng)解鏈得到開鏈復合物。解鏈區(qū)一般在解鏈區(qū)一般在-9+13，酶與啟動子結(jié)合在其，酶與啟動子結(jié)合在其上游。上游。nRNA聚合酶即是雙鏈聚合酶即是雙鏈DNA結(jié)合蛋白又是單結(jié)合蛋白又是單鏈鏈DNA結(jié)合蛋白。結(jié)合蛋白。623.3.4 增強子及其功能n在在SV40的轉(zhuǎn)錄單元上發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)錄起始的轉(zhuǎn)錄單元上發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)錄起始位點上游約位點上游約200bp處有兩段處有兩段72bp長的重長的重復序列，它們不是啟動子的一部分，復序列，它們不是啟動子的一部分，但能增強或促進轉(zhuǎn)錄的起始，因此，但能增強或促進轉(zhuǎn)錄的起始，因此，稱這種能強化轉(zhuǎn)錄起始的

34、序列為稱這種能強化轉(zhuǎn)錄起始的序列為增強增強子子或或強化子強化子（enhancer）。）。63653.3.5 轉(zhuǎn)錄抑制nDNA模版抑制劑 放線菌素DnRNA聚合酶抑制物 利福霉素、利迪鏈霉素、-鵝膏蕈堿66 表表 轉(zhuǎn)錄的抑制劑轉(zhuǎn)錄的抑制劑抑制劑抑制劑靶酶靶酶抑制作用抑制作用利福霉素利福霉素細菌全酶細菌全酶和和亞基結(jié)合，抑制起始亞基結(jié)合，抑制起始利迪鏈霉素利迪鏈霉素細菌核心酶細菌核心酶和和亞基結(jié)合，抑制起始亞基結(jié)合，抑制起始放線菌素放線菌素D真核真核Pol和和DNA結(jié)合，阻止延伸結(jié)合，阻止延伸-鵝膏蕈堿鵝膏蕈堿真核真核Pol和和RNA Pol結(jié)合結(jié)合673.4 原核與真核生物原核與真核生物mRNA

35、的特征比較的特征比較nmRNA在大腸桿菌細胞內(nèi)占總在大腸桿菌細胞內(nèi)占總RNA的的2%左右，左右，tRNA占占16%，rRNA則占則占80%以上。以上。n真核細胞的真核細胞的mRNA往往以較大相對分子量往往以較大相對分子量的前體的前體RNA出現(xiàn)在核內(nèi)，只有成熟的、相出現(xiàn)在核內(nèi)，只有成熟的、相對分子質(zhì)量明顯變小并經(jīng)化學修飾的對分子質(zhì)量明顯變小并經(jīng)化學修飾的mRNA才能進入細胞質(zhì)，參與蛋白質(zhì)的合才能進入細胞質(zhì)，參與蛋白質(zhì)的合成。所以，真核細胞成。所以，真核細胞mRNA的合成和功能的合成和功能表達發(fā)生在不同的空間和時間范疇內(nèi)。表達發(fā)生在不同的空間和時間范疇內(nèi)。683.4.1 原核生物原核生物mRNA的

36、特征的特征n1.半衰期短半衰期短n原核生物中，原核生物中，mRNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯的轉(zhuǎn)錄和翻譯是在同一個細胞空間里同步進行的，是在同一個細胞空間里同步進行的，蛋白質(zhì)合成往往在蛋白質(zhì)合成往往在mRNA剛開始轉(zhuǎn)剛開始轉(zhuǎn)錄時就被引發(fā)了。錄時就被引發(fā)了。695 3 DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象（電鏡模擬圖）（電鏡模擬圖）核糖體核糖體RNARNA聚合酶聚合酶7070n大多數(shù)細菌大多數(shù)細菌mRNA在轉(zhuǎn)錄開始在轉(zhuǎn)錄開始1分分鐘后就開始降解。降解的速度大概鐘后就開始降解。降解的速度大概只有轉(zhuǎn)錄或翻譯速度的一半?？茖W只有轉(zhuǎn)錄或翻譯速度的一半?？茖W家發(fā)現(xiàn)每過大約家發(fā)現(xiàn)每過大約2分

37、鐘，體系中出分鐘，體系中出現(xiàn)新生蛋白質(zhì)的速度就下降現(xiàn)新生蛋白質(zhì)的速度就下降50%。71n2.原核細胞的原核細胞的mRNA（包括病毒）有時（包括病毒）有時可以編碼幾個多肽，而真核細胞的可以編碼幾個多肽，而真核細胞的mRNA最多只能編碼一個多肽。最多只能編碼一個多肽。n把只編碼一個蛋白質(zhì)的把只編碼一個蛋白質(zhì)的mRNA稱為稱為單單順反子順反子mRNA(monocistronic mRNA)，把編碼多個蛋白質(zhì)的，把編碼多個蛋白質(zhì)的mRNA稱為稱為多多順反子順反子mRNA(polycistronic mRNA)。72n幾乎所有幾乎所有mRNA都可以被分成都可以被分成3部部分：分：編碼區(qū)編碼區(qū)和位于和位于

38、AUG之前的之前的5端端上游非編碼區(qū)上游非編碼區(qū)以及位于終止密碼子以及位于終止密碼子之后不翻譯的之后不翻譯的3端端下游非編碼區(qū)下游非編碼區(qū)。編碼區(qū)從起始密碼子編碼區(qū)從起始密碼子AUG開始經(jīng)開始經(jīng)一連串編碼氨基酸的密碼子直至終一連串編碼氨基酸的密碼子直至終止密碼子。止密碼子。73n第一個蛋白質(zhì)合成終止以后，核糖體第一個蛋白質(zhì)合成終止以后，核糖體分解成大、小亞基，脫離分解成大、小亞基，脫離mRNA模板，模板，第二個蛋白的翻譯必須等到新的小亞第二個蛋白的翻譯必須等到新的小亞基和大亞基與該蛋白起始密碼子相結(jié)基和大亞基與該蛋白起始密碼子相結(jié)合后才可能開始。合后才可能開始。n前一個多肽翻譯完成以后，核糖體

39、大、前一個多肽翻譯完成以后，核糖體大、小亞基分離，小亞基也可能不離開小亞基分離，小亞基也可能不離開mRNA模板，而是迅速與游離的大亞模板，而是迅速與游離的大亞基結(jié)合，啟動第二個多肽的合成?；Y(jié)合，啟動第二個多肽的合成。7475n一個順反子的翻譯有時完全取決于一個順反子的翻譯有時完全取決于它前面順反子的翻譯，因為只有第它前面順反子的翻譯，因為只有第一個翻譯起始位點是暴露的，在這一個翻譯起始位點是暴露的，在這個順反子翻譯產(chǎn)生多肽的過程中，個順反子翻譯產(chǎn)生多肽的過程中，核糖體核糖體的運動的運動破壞破壞了后續(xù)順反子的了后續(xù)順反子的二級結(jié)構(gòu)，使起始位點較容易與核二級結(jié)構(gòu)，使起始位點較容易與核糖體相結(jié)合形

40、成起復合物。糖體相結(jié)合形成起復合物。7677n3.原核生物原核生物mRNA的的5端端無帽子結(jié)構(gòu)無帽子結(jié)構(gòu)，3端沒有或只有較短的多聚端沒有或只有較短的多聚A結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。n原核生物起始密碼子原核生物起始密碼子AUG上游上游7-12個核個核苷酸處有一被稱為苷酸處有一被稱為SD序列序列（Shine Dalgarno sequence）的保守區(qū)，因為該）的保守區(qū)，因為該序列與序列與16S-rRNA 3端反向互補，所以端反向互補，所以被認為在核糖體被認為在核糖體-mRNA的結(jié)合過程中起的結(jié)合過程中起作用。作用。78n4.原核生物常以原核生物常以AUG（有時（有時GUG，甚至，甚至UUG）作為起始密碼子，）

41、作為起始密碼子，而真核生物幾乎永遠以而真核生物幾乎永遠以AUG作為作為起始密碼子。起始密碼子。79n3.4.2 真核生物真核生物mRNA的特征的特征n編碼功能蛋白的真核基因都通過編碼功能蛋白的真核基因都通過RNA聚合酶聚合酶II進行轉(zhuǎn)錄，幾乎都是進行轉(zhuǎn)錄，幾乎都是單順反子單順反子，其長度在幾百到幾千個核苷酸之間。其長度在幾百到幾千個核苷酸之間。n一個完整的基因，不但包括編碼區(qū)一個完整的基因，不但包括編碼區(qū)（coding region），還包括），還包括5 和和3 端長端長度不等的特異性序列，它們雖然不編度不等的特異性序列，它們雖然不編碼氨基酸，卻在基因表達的過程中起碼氨基酸，卻在基因表達的過程

42、中起著重要作用。著重要作用。80n“基因基因”的分子生物學定義：產(chǎn)生一條的分子生物學定義：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷所必需的全部核苷酸序列。真核生物酸序列。真核生物mRNA結(jié)構(gòu)上的最結(jié)構(gòu)上的最大特征是大特征是5端的帽子及端的帽子及3的多聚的多聚(A)結(jié)結(jié)構(gòu)。構(gòu)。nA gene can be defined as following:The entire nucleic acid sequence that is necessary for the synthesis of a functional polypeptide or RNA molecule.81n1.真

43、核生物真核生物mRNA的的5端存在端存在“帽帽子子”結(jié)構(gòu)。真核生物基因轉(zhuǎn)錄一般結(jié)構(gòu)。真核生物基因轉(zhuǎn)錄一般從嘌呤（主要是從嘌呤（主要是A，也可能是，也可能是G）起始，其起始，其5端大都經(jīng)過修飾，第一端大都經(jīng)過修飾，第一個核苷酸保留了個核苷酸保留了5端的端的三磷酸基團三磷酸基團。83n用核酸酶處理成熟用核酸酶處理成熟mRNA，其，其5端端并不產(chǎn)生預期的核苷三磷酸，而產(chǎn)并不產(chǎn)生預期的核苷三磷酸，而產(chǎn)生以生以5-5三磷酸基團三磷酸基團相連的二核苷相連的二核苷酸。酸。n5 端是一個在端是一個在mRNA轉(zhuǎn)錄后加上去轉(zhuǎn)錄后加上去的的甲基化鳥嘌呤甲基化鳥嘌呤。84nmRNA的帽子結(jié)構(gòu)常常被甲基化。的帽子結(jié)構(gòu)常

44、常被甲基化。第一個甲基出現(xiàn)在所有真核細胞的第一個甲基出現(xiàn)在所有真核細胞的mRNA中（單細胞真核生物中（單細胞真核生物mRNA主要是這個結(jié)構(gòu)），由尿苷酸主要是這個結(jié)構(gòu)），由尿苷酸-7甲甲基轉(zhuǎn)移酶催化，稱為基轉(zhuǎn)移酶催化，稱為零類帽子零類帽子（cap0）。）。85n如在第二個核苷酸如在第二個核苷酸(原原mRNA 5第一位第一位)的的2-OH位上加另一個甲基，這步反應(yīng)位上加另一個甲基，這步反應(yīng)由由2-O-甲基轉(zhuǎn)移酶甲基轉(zhuǎn)移酶完成。一般把有這兩完成。一般把有這兩個甲基的結(jié)構(gòu)稱為個甲基的結(jié)構(gòu)稱為1類帽子類帽子（cap1），），真核生物中以這類帽子結(jié)構(gòu)為主。真核生物中以這類帽子結(jié)構(gòu)為主。n當當mRNA原原第

45、一位核苷酸是第一位核苷酸是A時，其時，其N6位有時也被甲基化，這一反應(yīng)只能在位有時也被甲基化，這一反應(yīng)只能在2-OH被甲基化以后才能發(fā)生。被甲基化以后才能發(fā)生。86n在某些生物細胞內(nèi)，在某些生物細胞內(nèi)，mRNA鏈上的鏈上的原第二個核苷酸的原第二個核苷酸的2-OH位也可能位也可能被甲基化，因為這個反應(yīng)只以帶有被甲基化，因為這個反應(yīng)只以帶有1類帽子的類帽子的mRNA為底物，所以被為底物，所以被稱為稱為2類帽子類帽子（cap2）。有）。有2類帽子類帽子的的mRNA只占有帽只占有帽mRNA總量的總量的10%-15%以下。以下。87真核生物真核生物真核生物真核生物55末端帽結(jié)構(gòu)類型末端帽結(jié)構(gòu)類型末端帽結(jié)

46、構(gòu)類型末端帽結(jié)構(gòu)類型cap 0,cap 1 and cap 2cap 0,cap 1 and cap 288cap 0cap 0cap 1cap 1 cap 2 cap 2cap 1cap 1cap 2cap 289n2.絕大多數(shù)真核生物絕大多數(shù)真核生物mRNA具有具有多多聚聚A尾巴尾巴n除組蛋白基因外，真核生物除組蛋白基因外，真核生物mRNA的的3末端都有多聚末端都有多聚A序列，其長度序列，其長度因因mRNA種類不同而變化，一般為種類不同而變化，一般為40-200個左右。個左右。90n真核基因的真核基因的3 末端轉(zhuǎn)錄終止位點上末端轉(zhuǎn)錄終止位點上游游1530bp處的保守序列處的保守序列AAUA

47、AA對于初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的準對于初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的準確切割及加多聚確切割及加多聚A是必需的。是必需的。9192n多聚多聚A是是mRNA由細胞核進入細胞由細胞核進入細胞質(zhì)所必需的形式，它大大提高了質(zhì)所必需的形式，它大大提高了mRNA在細胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。在細胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。mRNA剛從細胞核進入細胞質(zhì)時，剛從細胞核進入細胞質(zhì)時，其多聚其多聚A尾巴一般比較長，隨著尾巴一般比較長，隨著mRNA在細胞質(zhì)內(nèi)逗留時間延長，在細胞質(zhì)內(nèi)逗留時間延長，多聚多聚A逐漸變短消失，逐漸變短消失，mRNA進入進入降解過程。降解過程。933.5 終止和抗終止終止和抗終止nRNA聚合酶啟始基因轉(zhuǎn)錄后，就聚合酶啟始基因轉(zhuǎn)錄后，就沿模板

48、沿模板53方向不停地移動，合方向不停地移動，合成成RNA鏈直到碰上終止信號時才與鏈直到碰上終止信號時才與模板模板DNA相脫離并釋放新生相脫離并釋放新生RNA鏈。所有參與形成鏈。所有參與形成RNA-DNA雜合雜合體的氫鍵都被破壞，模板體的氫鍵都被破壞，模板DNA鏈與鏈與有意義鏈重新組合成有意義鏈重新組合成DNA雙鏈。雙鏈。94n3.5.1 不依賴于不依賴于因子的終止因子的終止n終止位點上游一般有一個富含終止位點上游一般有一個富含GC堿基的二重對稱區(qū)，由這段堿基的二重對稱區(qū)，由這段DNA轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的錄產(chǎn)生的RNA容易形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)容易形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)。在模版鏈終止位點前面有一段由。在模版鏈終止位點前

49、面有一段由4-8個個A組成的序列，所以轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物組成的序列，所以轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的的3端為寡聚端為寡聚U，這種結(jié)構(gòu)特征的，這種結(jié)構(gòu)特征的存在決定了轉(zhuǎn)錄的終止。存在決定了轉(zhuǎn)錄的終止。955UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3 DNA UUUU.UUUU.5UUGCAGCCUGACA

50、AAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGGCACCAGCCUUUUU.3莖環(huán)莖環(huán)/發(fā)夾結(jié)構(gòu)發(fā)夾結(jié)構(gòu)969697n新生新生RNA中出現(xiàn)發(fā)夾式結(jié)構(gòu)會導中出現(xiàn)發(fā)夾式結(jié)構(gòu)會導致致RNA聚合酶的聚合酶的暫停暫停，破壞，破壞RNA-DNA雜合鏈雜合鏈5端的正常結(jié)構(gòu)。寡聚端的正常結(jié)構(gòu)。寡聚U的存在使雜合鏈的的存在使雜合鏈的3端部分出現(xiàn)端部分出現(xiàn)不穩(wěn)定的不穩(wěn)定的rUdA區(qū)域區(qū)域，兩者共同作，兩者共同作用使用使RNA從三元復合物中解離出來。從三元復合物中解離出來。98n終止效率與二重對稱序列和寡聚終止效率與二重對稱序列和寡聚U的長短有關(guān)，隨著發(fā)夾式結(jié)構(gòu)（至的長短有關(guān)，隨著發(fā)夾式結(jié)構(gòu)（至少少6b

51、p）和寡聚）和寡聚U序列（至少序列（至少4個個U）長度的增加，終止效率逐步提）長度的增加，終止效率逐步提高。高。99n3.5.2 依賴于依賴于因子的終止因子的終止nRNA聚合酶不能識別特異性的轉(zhuǎn)錄聚合酶不能識別特異性的轉(zhuǎn)錄終止信號，而加入大腸桿菌終止信號，而加入大腸桿菌因子因子后該聚合酶就能在后該聚合酶就能在DNA模板上準確模板上準確地終止轉(zhuǎn)錄。地終止轉(zhuǎn)錄。因子是一個相對分因子是一個相對分子質(zhì)量為子質(zhì)量為2.0105的六聚體蛋白，它的六聚體蛋白，它通過催化通過催化NTP的水解促使新生的水解促使新生RNA鏈從三元轉(zhuǎn)錄復合物中解離。鏈從三元轉(zhuǎn)錄復合物中解離。100ATP 依賴依賴 Rho因子的轉(zhuǎn)錄

52、終止因子的轉(zhuǎn)錄終止 因子：六聚體蛋白（因子：六聚體蛋白（因子：六聚體蛋白（因子：六聚體蛋白（275kDa275kDa），水解），水解），水解），水解NTPNTP沿沿沿沿RNARNA鏈移動，鏈移動，鏈移動，鏈移動，趕上趕上趕上趕上RNA polRNA pol并促使新生并促使新生并促使新生并促使新生RNARNA鏈從三元轉(zhuǎn)錄復合物中解離鏈從三元轉(zhuǎn)錄復合物中解離鏈從三元轉(zhuǎn)錄復合物中解離鏈從三元轉(zhuǎn)錄復合物中解離出來，從而終止轉(zhuǎn)錄。出來，從而終止轉(zhuǎn)錄。出來，從而終止轉(zhuǎn)錄。出來，從而終止轉(zhuǎn)錄。101102nRNA合成起始以后，合成起始以后，因子即附著因子即附著在新生的在新生的RNA鏈上，靠鏈上，靠ATP水解

53、產(chǎn)水解產(chǎn)生的能量，沿著生的能量，沿著53方向朝方向朝RNA聚合酶移動，到達聚合酶移動，到達RNA的的3-OH端端后取代了暫停在終止位點上的后取代了暫停在終止位點上的RNA聚合酶，使之從模板聚合酶，使之從模板DNA上上釋放釋放mRNA，完成轉(zhuǎn)錄過程。，完成轉(zhuǎn)錄過程。1033.6 內(nèi)含子的剪接、編輯及化學修飾內(nèi)含子的剪接、編輯及化學修飾n3.6.1 RNA中的內(nèi)含子中的內(nèi)含子n因為真核基因表達往往伴隨著因為真核基因表達往往伴隨著RNA的的剪接過程（剪接過程（splicing），從），從mRNA前體前體分子中切除被稱為內(nèi)含子（分子中切除被稱為內(nèi)含子（intron）的）的非編碼區(qū)，并使基因中被稱為外顯

54、子非編碼區(qū)，并使基因中被稱為外顯子（exon）的編碼區(qū)拼接形成成熟）的編碼區(qū)拼接形成成熟mRNA。104圖圖 用用DNA-RNA雜交的方法驗證雞卵清蛋白基因中存在非編碼雜交的方法驗證雞卵清蛋白基因中存在非編碼的內(nèi)含子區(qū)。的內(nèi)含子區(qū)。a.成熟成熟mRNA與帶有該基因的互補鏈與帶有該基因的互補鏈DNA序列雜序列雜交示意圖；交示意圖；b.雞卵清蛋白的基因結(jié)構(gòu)示意圖。雞卵清蛋白的基因結(jié)構(gòu)示意圖。105n真核基因大多是斷裂的，也就是說，真核基因大多是斷裂的，也就是說，一個基因可由多個內(nèi)含子和外顯子一個基因可由多個內(nèi)含子和外顯子間隔排列而成。研究表明，內(nèi)含子間隔排列而成。研究表明，內(nèi)含子在真核基因中所占的

55、比例很高，甚在真核基因中所占的比例很高，甚至超過至超過99%。106部分人類基因中內(nèi)含子序列所占的比重分析部分人類基因中內(nèi)含子序列所占的比重分析基因長度/bp內(nèi)含子數(shù)量 內(nèi)含子占比胰島素1.4267-球蛋白1.4269血清蛋白181389膠原蛋白組分VII3111771VIII因子1862595萎縮性肌強直因子24007899107n由由DNA轉(zhuǎn)錄生成的原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄生成的原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物核不核不均一均一RNA（hnRNA,heterogeneous nuclear RNA），即），即mRNA的前體，經(jīng)過的前體，經(jīng)過5加加“帽帽”和和3酶切加多聚腺苷酸，再經(jīng)過酶切加多聚腺苷酸，再經(jīng)過RNA的剪的

56、剪接，編碼蛋白質(zhì)的外顯子部分就連接成為接，編碼蛋白質(zhì)的外顯子部分就連接成為一個連續(xù)的一個連續(xù)的可譯框可譯框（open reading frame，ORF），通過核孔進入細胞質(zhì)，作為蛋白），通過核孔進入細胞質(zhì)，作為蛋白質(zhì)合成的模板。質(zhì)合成的模板。108RNA加工過程及其生理功能加工過程加工過程推測的生理功能推測的生理功能加帽子反應(yīng)加帽子反應(yīng)mRNA從細胞核向細胞質(zhì)運轉(zhuǎn)，翻從細胞核向細胞質(zhì)運轉(zhuǎn)，翻譯起始譯起始加多聚加多聚A反應(yīng)反應(yīng)轉(zhuǎn)錄終止，翻譯起始和轉(zhuǎn)錄終止，翻譯起始和mRNA降解降解RNA的剪接的剪接從從mRNA,tRNA和和rRNA分子中切除分子中切除內(nèi)含子內(nèi)含子RNA的切割的切割從前體從前體

57、RNA中釋放成熟中釋放成熟tRNA和和rRNA分子分子109原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的生成及其主要加工剪接過程圖示原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的生成及其主要加工剪接過程圖示110n真核基因平均含有真核基因平均含有8-10個內(nèi)含子，前體分子個內(nèi)含子，前體分子一般比成熟一般比成熟mRNA大大4-10倍。倍。n內(nèi)含子內(nèi)含子的的“功能功能”及其在生物進化中的地位及其在生物進化中的地位是一個引人注目的問題。是一個引人注目的問題。n許多人類疾病是內(nèi)含子剪接異常引起的。許多人類疾病是內(nèi)含子剪接異常引起的。地中海貧血病人的珠蛋白基因中，大約有地中海貧血病人的珠蛋白基因中，大約有1/4的核苷酸突變發(fā)生在內(nèi)含子的的核苷酸突變發(fā)生在內(nèi)含子的5

58、或或3邊界邊界保守序列上，或者直接干擾了前體保守序列上，或者直接干擾了前體mRNA的正常剪接。的正常剪接。111n表表3-9總結(jié)了存在于生物體內(nèi)的各種內(nèi)總結(jié)了存在于生物體內(nèi)的各種內(nèi)含子，其中含子，其中GU-AG或或AU-AC分別代表分別代表了不同內(nèi)含子的了不同內(nèi)含子的5和和3邊界序列。除了邊界序列。除了邊界序列之外，外顯子與內(nèi)含子交界邊界序列之外，外顯子與內(nèi)含子交界處的序列，內(nèi)含子內(nèi)部的部分序列都處的序列，內(nèi)含子內(nèi)部的部分序列都有可能參與內(nèi)含子的剪接。有可能參與內(nèi)含子的剪接。112表3-9 生物體內(nèi)的各種內(nèi)含子內(nèi)含子類型細胞內(nèi)定位GU-AG細胞核，前體mRNA（真核）AU-AC細胞核，前體mR

59、NA（真核）I類內(nèi)含子細胞核，前體rRNA（真核），細胞器RNA，少數(shù)細菌RNAII類內(nèi)含子細胞器RNA，部分細菌RNAIII類內(nèi)含子細胞器RNA雙內(nèi)含子細胞器RNAtRNA前體中的內(nèi)含子 細胞核，tRNA前體（真核）1133.6.2 RNA的剪接n轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的核內(nèi)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的核內(nèi)mRNA前體分子與蛋前體分子與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成白質(zhì)結(jié)合，形成RNA和蛋白質(zhì)組成的和蛋白質(zhì)組成的RNP復合物（復合物（ribonucleo-protein particle）。隨著）。隨著RNA鏈的延伸，每個鏈的延伸，每個內(nèi)含子內(nèi)含子5和和3兩端的復合物成對聯(lián)結(jié)，兩端的復合物成對聯(lián)結(jié)，產(chǎn)生產(chǎn)生60S的顆粒的顆粒剪接體剪接體

60、(spliceosome)，進行，進行RNA前體分子的剪接。前體分子的剪接。114脊椎動物前體脊椎動物前體mRNA中常見內(nèi)含子剪接所必需的保守序列中常見內(nèi)含子剪接所必需的保守序列5剪接位位點相鄰的保守序列剪接位位點相鄰的保守序列5-AGGUAAGU-33剪接位位點相鄰的保守序列剪接位位點相鄰的保守序列5-PyPyPyPyPyPyNCAG3115n由由U1 snRNA以堿基互補的方式識別以堿基互補的方式識別mRNA前體前體5剪接點，由結(jié)合在剪接點，由結(jié)合在3剪接剪接點上游富嘧啶區(qū)的點上游富嘧啶區(qū)的U2AF（U2 auxiliary factor）識別）識別3剪接點并引導剪接點并引導U2 snRN

61、P與分支點相結(jié)合，形成剪接與分支點相結(jié)合，形成剪接前體（前體（pre-spliceosome）。）。n剪接前體進一步與剪接前體進一步與U4、U5、U6 snRNP三聚體相結(jié)合，形成剪接體。三聚體相結(jié)合，形成剪接體。116n哺乳動物細胞中哺乳動物細胞中mRNA前體上的前體上的snRNP是從是從5向下游向下游“掃描掃描”，選擇在分，選擇在分支點富嘧啶區(qū)支點富嘧啶區(qū)3下游的第一個下游的第一個AG作為作為剪接的剪接的3受點。受點。nAG前一位核苷酸可以影響剪接效率，前一位核苷酸可以影響剪接效率，一般說來，一般說來，CAG=UAGAAGGAG。n如果如果mRNA前體上同時存在幾個前體上同時存在幾個AG，

62、可能發(fā)生剪接競爭?？赡馨l(fā)生剪接競爭。117n在高等真核生物個體發(fā)育或細胞分化過程在高等真核生物個體發(fā)育或細胞分化過程中可以有選擇性地越過某些外顯子或某個中可以有選擇性地越過某些外顯子或某個剪接點進行變位剪接，產(chǎn)生出組織或發(fā)育剪接點進行變位剪接，產(chǎn)生出組織或發(fā)育階段特異性階段特異性mRNA，稱為內(nèi)含子的，稱為內(nèi)含子的變位剪變位剪接接。n脊椎動物中大約有脊椎動物中大約有5%的基因能以這種方的基因能以這種方式進行剪接，保證各同源蛋白質(zhì)之間既具式進行剪接，保證各同源蛋白質(zhì)之間既具有大致相同的結(jié)構(gòu)或功能域，又具有特定有大致相同的結(jié)構(gòu)或功能域，又具有特定的性質(zhì)差異，進而拓展了基因所攜帶的遺的性質(zhì)差異，進而

63、拓展了基因所攜帶的遺傳信息。傳信息。118n與與mRNA前體中前體中主要主要（GU-AG類）類）和和次要次要（AU-AC類）內(nèi)含子的剪類）內(nèi)含子的剪接方式不同的是接方式不同的是I、II類內(nèi)含子，因類內(nèi)含子，因為帶有這些內(nèi)含子的為帶有這些內(nèi)含子的RNA本身具有本身具有催化活性，能進行內(nèi)含子的自我剪催化活性，能進行內(nèi)含子的自我剪接。接。119n在在I類內(nèi)含子切除體系中，鳥苷或鳥苷類內(nèi)含子切除體系中，鳥苷或鳥苷酸的酸的3-OH作為親核基團攻擊內(nèi)含子作為親核基團攻擊內(nèi)含子5端的磷酸二酯鍵，從上游切開端的磷酸二酯鍵，從上游切開RNA鏈。鏈。再由上游外顯子的自由再由上游外顯子的自由3-OH作為親核作為親核

64、基團攻擊內(nèi)含子基團攻擊內(nèi)含子3位核苷酸上的磷酸二位核苷酸上的磷酸二酯鍵，使內(nèi)含子被完全切開，上下游酯鍵，使內(nèi)含子被完全切開，上下游兩個外顯子通過新的磷酸二酯鍵相連。兩個外顯子通過新的磷酸二酯鍵相連。120自由鳥苷酸的自由鳥苷酸的3-OH作為親作為親核基團攻擊內(nèi)含子核基團攻擊內(nèi)含子5端的磷端的磷酸二酯鍵，從上游切開酸二酯鍵，從上游切開RNA鏈。鏈。上游外顯子的自由上游外顯子的自由3-OH作為親核基團攻擊內(nèi)含子作為親核基團攻擊內(nèi)含子3位核苷酸上的磷酸二酯位核苷酸上的磷酸二酯鍵，使內(nèi)含子被完全切開。鍵，使內(nèi)含子被完全切開。I類內(nèi)含子的自我剪接過程類內(nèi)含子的自我剪接過程121n在在II類內(nèi)含子切除體系

65、中，內(nèi)含子本身類內(nèi)含子切除體系中，內(nèi)含子本身的某個腺苷酸的某個腺苷酸2-OH作為親核基團攻擊作為親核基團攻擊內(nèi)含子內(nèi)含子5端的磷酸二酯鍵，從上游切開端的磷酸二酯鍵，從上游切開RNA鏈后形成套索狀結(jié)構(gòu)。再由上游鏈后形成套索狀結(jié)構(gòu)。再由上游外顯子的自由外顯子的自由3-OH作為親核基團攻擊作為親核基團攻擊內(nèi)含子內(nèi)含子3位核苷酸上的磷酸二酯鍵，使位核苷酸上的磷酸二酯鍵，使內(nèi)含子被完全切開，上下游兩個外顯內(nèi)含子被完全切開，上下游兩個外顯子通過新的磷酸二酯鍵相連。子通過新的磷酸二酯鍵相連。122II型內(nèi)含子的剪切機制 內(nèi)含子本身的某個腺苷內(nèi)含子本身的某個腺苷酸酸2-OH作為親核基團作為親核基團攻擊內(nèi)含子攻

66、擊內(nèi)含子5端的磷酸端的磷酸二酯鍵。二酯鍵。上游外顯子的上游外顯子的3-OH作為作為親核基團攻擊內(nèi)含子親核基團攻擊內(nèi)含子3位位核苷酸上的磷酸二酯鍵，核苷酸上的磷酸二酯鍵，使套索結(jié)構(gòu)完全解離。使套索結(jié)構(gòu)完全解離。123Thomas R.CechUniversity of ColoradoBoulder,CO,USA124nThomas Robert Cech(December 8,1947 in Chicago)is a Nobel Laureate in chemistry.nHe grew up in Iowa City,Iowa.In 1966,he entered Grinnell College where he obtained a B.A.in 1970.In 1975,Cech completed his Ph.D.in Chemistry at the University of California,Berkeley and in the same year,he entered the Massachusetts Institute of Technology whe