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RNA以基因的形式荷载遗传信息，是生命遗传的物以基因的形式荷载遗传信息，是生命遗传的物质基础。质基础。 DNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存（DNA 复制）。作为基因复制和转录的模板，是个体生命活动作为基因复制和转录的模板，是个体生命活动的信息基础。的信息基础。 DNA的生物学功能是以蛋白质的形式表达出来的。通过转录生成信使RNA，翻译生成蛋白质的过程来控制生物个体性状（基因表达）。DNA的基本功能：的基本功能： 基因表达基因表达(gene expression)：是指细胞在生命过程：是指细胞在生命过程中中,把储存在把储存在DNA顺序中遗传信息经过顺序中遗传信息经过转录转录和和翻译翻译,转变成具有生物活性的蛋白质分子。转变成具有生物活性的蛋白质分子。 一、基本概念生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。转转录录RNADNA 转录(transcription) ：转录是生物界RNA合成的主要方式，是遗传信息从DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始。 第一节第一节 转录的基本原理转录的基本原理参与转录的物质模板:DNA酶: RNA聚合酶原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP)其他蛋白质因子 RNA合成方向合成方向：5 3 转录模板 DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段，称为的区段，称为结构基因。结构基因。一一段段从从启启动动子子开开始始至至终终止止子子结结束束的的DNA序序列列为为一一个个转录单元转录单元。 DNA双双链链按按碱碱基基配配对对规规律律能能指指引引转转录录生生成成RNA的的一一股股单单链链，称称为为模模板板链链(template strand)，也也称称作作反意义链反意义链或或Waston链链。相相对对的的另另一一股股单单链链是是编编码码链链(coding strand)，也也称称为为有意义链有意义链或或Crick链链。 5G C A G T A C A T G T C33 c g t c a t g t a c a g55G C A G U A C A U G U C3N Ala Val His Val C DNA转录转录mRNA翻译翻译肽肽DNA模板、转录产物模板、转录产物mRNA 和氨基酸序列之间的关系和氨基酸序列之间的关系编码链编码链模板链模板链不对称转录(asymmetric transcription) 在在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录指引转录，另一股链不转录 ；模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。转录方向转录方向5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链转录方向转录方向u 转录与复制的相似之处：转录与复制的相似之处： 都是酶促的核苷酸聚合过程；都是酶促的核苷酸聚合过程； 都以都以DNA为模板；为模板； 都需依赖都需依赖DNA的聚合酶；的聚合酶； 聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸二酯键；聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸二酯键； 都从都从5至至3 方向延伸成新链多聚核苷酸；方向延伸成新链多聚核苷酸； 都遵从碱基配对规律都遵从碱基配对规律 但转录忠实性要低于但转录忠实性要低于DNA复制复制。 转录与复制都受到严格的调控转录与复制都受到严格的调控 二、转录与复制的异同 u 转录和复制的区别转录和复制的区别 引物引物 有有 无无高度进行性高度进行性 中途不停止中途不停止 可一段一段复制可一段一段复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制（一）（一）原核生物原核生物RNA 聚合酶聚合酶RNA聚合酶（大肠杆菌为例）全酶=核心酶+ 因子第二节第二节 DNA指导下的指导下的RNA聚合酶聚合酶 核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析亚基基因相对分子量亚基数组分功能rpoA365002核心酶核心酶组装，启动子识别rpoB1510001核心酶和共同形成RNA合成的活性中心, 亚基含有核苷三磷酸的结合位点；与转录全过程有关（催化） rpoC1550001核心酶亚基含有与DNA模板的结合位点；结合DNA模板（开链）rpoD700001因子存在多种因子，用于识别不同的启动子RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 RNARNA聚合酶聚合酶(二）二） 真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶 真核生物的RNA聚合酶定定 位位 核核 仁仁 核核 质质 核核 质质转录产物转录产物 45s-rRNA hnRNA 5s-rRNA,tRNA, U1-13snRNA U6snRNA， （U6除外）除外） 非非UsnRNA 对鹅膏蕈碱反应对鹅膏蕈碱反应 耐受耐受 极敏感极敏感 中度敏感中度敏感种类种类 RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大，4.8105dol小，1.09105dol引物无有产物较短，游离较长，与模板以氢键相连作用方式一条链的某一段两条链同时进行外切酶活性无5 3，3 5校对合成能力 无有修复能力无有第第 三三 节节 与转录起始和终止有关的与转录起始和终止有关的DNA结构结构一、原核生物的启动子和终止子一、原核生物的启动子和终止子启动子定义：指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。 5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-pol原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。 （一）启动子结构（一）启动子结构 转录单元转录单元 RNA聚合酶保护法分析启动子结构Pribnow41-44bp开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区(Pribnow box)酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动子保守序列原核生物启动子保守序列(Sextama box)提供了RNA聚合酶全酶识别的信号5 5 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区序列分析T85T83G81A61C69A52T89A89T50A65A100Pribnow 框框Sextama 框框1、Pribnow 框：框： 10区，保守序列为区，保守序列为 TATAAT。Pribnow 框框是是RNA聚合酶的牢固结合位点，聚合酶的牢固结合位点，u 细菌中常见两种启动子突变：细菌中常见两种启动子突变：启动子上升突变，提高转录活性；启动子上升突变，提高转录活性；启动子下降突变，降低转录水平。启动子下降突变，降低转录水平。 的存在保的存在保证原核生物原核生物RNA聚合聚合酶只能与启只能与启 动子区而不是其它区域形成子区而不是其它区域形成稳定的二元复合物。定的二元复合物。2、Sextama 框：框： 35区，保守序列为区，保守序列为TTGACA。Sextama 框框是是RNA聚合酶中聚合酶中 的识别位点，的识别位点， 也是也是RNA聚合酶的初始结合位点。聚合酶的初始结合位点。l Pribnow 框与框与Sextama 框之间的碱基序列并不重要，但框之间的碱基序列并不重要，但两个序列之间的距离十分重要；两个序列之间的距离十分重要；l 天然启动子这段距离多为天然启动子这段距离多为1520bp，距离的大小，距离的大小可能是决定启动子强度的因素之一。可能是决定启动子强度的因素之一。l 实验表明：两个序列之间的距离为实验表明：两个序列之间的距离为17bp时，转时，转录效率最高。录效率最高。3、CAP位点位点：（乳糖：（乳糖操纵子的启动子序列）操纵子的启动子序列）v CAP即即分解代谢物基因激活蛋白分解代谢物基因激活蛋白 (catabolite gene activation Protein) 也称环腺苷酸受体蛋白（也称环腺苷酸受体蛋白（CRP）。）。u CAP分子内有两个结构域：分子内有两个结构域： 羧基末端结构域是羧基末端结构域是DNA结合区；结合区； 氨基末端结构域是氨基末端结构域是cAMP结合位点。结合位点。u CAP与与cAMP的结合能提高的结合能提高CAP对双链对双链DNA的亲和力；的亲和力；u CAP与启动子（与启动子（CAP位点）的结合是激活乳糖操纵子转录位点）的结合是激活乳糖操纵子转录的必要条件。的必要条件。l 乳糖启动子中有两个乳糖启动子中有两个CAP结合位点：结合位点： 一个在一个在 70 50位点，称位点位点，称位点； 一个在一个在 50 40位点，称位点位点，称位点。l 位点位点包含一个反向重复序列，是强结合位点；包含一个反向重复序列，是强结合位点； 位点位点是弱结合位点。是弱结合位点。AATGTGAGTT AGCTCACTCATTACACTCAA TCGAGTGAGT位点位点的反向重复序列的反向重复序列典型启动子的结构 -35 -10 转录起点TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp（二）终止子结构（二）终止子结构 提供转录终止信号的序列称为终止子提供转录终止信号的序列称为终止子（terminator）;终止信号终止信号存在于存在于RNA聚合酶已经转录过的序列之中。聚合酶已经转录过的序列之中。u 原核生物终止子分为两类：原核生物终止子分为两类： 一类是不依赖于一类是不依赖于因子的转录终止；因子的转录终止； 一类是一类是依赖依赖因子的转录终止；因子的转录终止；u 两类终止子有共同的序列特征：两类终止子有共同的序列特征： 在转录终止点之前有一段间断的回文结构。在转录终止点之前有一段间断的回文结构。u 两类终止子碱基组成的不同点：两类终止子碱基组成的不同点： 不依赖不依赖因子因子 回文结构富含回文结构富含G-C G-C 下游富含下游富含A-TA-T 依赖依赖因子因子 G-CG-C含量较少含量较少 下游无特征下游无特征转录方向转录方向335TCGGGCGAGCCCGCCGCCCGAGCGGGCTAAAAAATTT TTT3355DNA模板链模板链编码链编码链AAAAAAUUUUUU5CGCCCGAGCGGGCU5TTTTTTDNA模板链模板链编码链编码链转录产物转录产物3u 不依赖不依赖因子因子 的终止子的终止子 转录方向转录方向335TAAGTAGATTCATCCTACTTAGATGAATAGCTACTCGATG3355DNA模板链模板链编码链编码链AGCTACUCGAUG5CUACUUAGAUGAAU5TCGATGDNA模板链模板链编码链编码链转录产物转录产物3u 依赖依赖因子因子 的终止子的终止子 u 类启动子分两部分：类启动子分两部分： 40 5 称为近启动子，决定转录起始的位点；称为近启动子，决定转录起始的位点； 16540 称为远启动子，影响转录的频率。称为远启动子，影响转录的频率。（一）（一）RNA聚合酶聚合酶的启动子的启动子 即即 rRNA 基因的启动子，称基因的启动子，称类启动子。类启动子。 二、真核生物的启动子和终止子二、真核生物的启动子和终止子真核有三种不同的启动子和有关的元件启动子最为复杂，它和原核的启动子有很多不同（二）（二）RNA聚合酶聚合酶的启动子的启动子 1、帽子位点（、帽子位点（cap site）：）： 即转录起始位点，其碱基大多为即转录起始位点，其碱基大多为 A 。 2、TATA 框：框： 又称又称Hogness 框，位于框，位于25 附近，由含有附近，由含有TATA 的的67个核苷酸组成，保守序列为个核苷酸组成，保守序列为 TATA（A/T）A（A/T） 。 但但TATA框的两侧富含框的两侧富含G-C碱基对。碱基对。即即 mRNA基因的启动子，称基因的启动子，称类启动子类启动子 l 核心启动子元件核心启动子元件 作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始。作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始。其序列的完整与准确对维持启动子的功能是必需的。其序列的完整与准确对维持启动子的功能是必需的。3、CAAT 框：框： 位于位于 75 附近，保守序列为附近，保守序列为 GGNCAATCT。头两个头两个 G 非常重要，一但突变，转录效率大大非常重要，一但突变，转录效率大大下降。下降。4、GC 框：框： 位于位于110附近，以附近，以5 CCGCC 3序列为特征。序列为特征。l上游启动子元件上游启动子元件 作用：作用： 控制着转录起始的频率。控制着转录起始的频率。5、增强子（、增强子（enhancer）：）： l 能结合反式作用因子，决定基因的时间和空间特能结合反式作用因子，决定基因的时间和空间特异性表达，增强启动子转录活性的异性表达，增强启动子转录活性的DNA序列。序列。l 增强子作用特点增强子作用特点： 增强效应十分明显：使转录频率增加百倍或千倍。增强效应十分明显：使转录频率增加百倍或千倍。 增强效应增强效应与其所处的位置和取向无关：与其所处的位置和取向无关： 增强子以增强子以5 533或或 3 355排列对启动子都有作用。排列对启动子都有作用。 大多为重复序列：长约大多为重复序列：长约50bp50bp，适合与反式因子结合，适合与反式因子结合，内部常有一个核心序列，为增强效应所必需。内部常有一个核心序列，为增强效应所必需。 增强效应具有严密的组织和细胞特异性。增强效应具有严密的组织和细胞特异性。 没有基因专一性。没有基因专一性。 许多增强子受外部信号的调控。许多增强子受外部信号的调控。（三）（三）RNA聚合酶聚合酶 的启动子的启动子 即即 tRNA基因的启动子，称基因的启动子，称类启动子。类启动子。l 类启动子位于转录起始点下游，称下游启动类启动子位于转录起始点下游，称下游启动子或内部启动子。子或内部启动子。l 类启动子包括：类启动子包括：A盒、盒、B盒盒 A盒靠近盒靠近5方向；方向； B盒盒 靠近靠近3 方向方向 。 l 类启动子需要的转录因子包括：类启动子需要的转录因子包括： TF C、TF B、TF A，前两者是共同，前两者是共同的，后者为的，后者为5S rRNA基因转录所需。基因转录所需。三、原核生物和真核生物转录起始位点的结构差异三、原核生物和真核生物转录起始位点的结构差异 原核生物原核生物 真核生物真核生物帽子结构帽子结构 没有没有 有有 起始核苷酸起始核苷酸 嘌呤或嘧啶嘌呤或嘧啶 嘌呤（嘌呤（A为主）为主）启动区范围启动区范围 较小较小(170) 较大较大 (1110) 上游序列上游序列 TTGACA CAAT、GC、增强子、增强子图图5-4 P155页页原核生物与真核生物启动子比较原核生物与真核生物启动子比较原核生物和真核生物转录及抑制剂原核生物和真核生物转录及抑制剂 第第 四四 节节 l 原核生物转录的起始原核生物转录的起始l 原核生物转录的延长原核生物转录的延长l 原核生物转录的终止与新合成原核生物转录的终止与新合成RNA链的释放链的释放 l 真核生物的转录真核生物的转录l RNA生物合成抑制剂生物合成抑制剂 转录起始需解决两个问题：转录起始需解决两个问题：1.DNA双链解开，使其中的一条链作为双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。转录的模板。 2.RNA聚合酶必须准确地结合在转录模聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。板的起始区域。一、原核生物转录的起始一、原核生物转录的起始4. 当三元复合物中当三元复合物中RNA长长69个核苷酸时，个核苷酸时， 因子从全酶因子从全酶解离下来，进入延长阶段。解离下来，进入延长阶段。2. RNA聚合酶向聚合酶向10区转移，并与区转移，并与之牢固结合。之牢固结合。10区区DNA双链解开双链解开1217bp，形成开放的二，形成开放的二 元元启动启动子复合物（模板酶）。子复合物（模板酶）。 u 转录起始过程转录起始过程1. 因子辨认转录起始点（因子辨认转录起始点（-35区的区的TTGACA序列）序列） ，RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)与模板与模板35序列结合，序列结合，形成闭合的二元闭合启动子复合物。形成闭合的二元闭合启动子复合物。3. 在在RNA聚合酶聚合酶亚基催化下形成亚基催化下形成第一个磷酸二酯键，形成三元复合第一个磷酸二酯键，形成三元复合物（模板酶物（模板酶RNA）。）。二、原核生物转录的延长二、原核生物转录的延长1. 1. 亚基脱落，亚基脱落，RNARNApolpol聚合酶核心酶变构，与模板结聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着合松弛，沿着DNADNA模板前移；模板前移； 2. 2. 在核心酶作用下，以模板链作指导，按照碱基配对在核心酶作用下，以模板链作指导，按照碱基配对原则：原则：A-UA-U，T-AT-A，G-CG-C；NTPNTP不断聚合，不断聚合，RNARNA链不断延长。链不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi延长中的转录复合物也叫转录空泡。延长中的转录复合物也叫转录空泡。随着随着RNARNA聚合酶前移，转聚合酶前移，转录产物录产物RNARNA不断移出转录空泡，已转录完毕的不断移出转录空泡，已转录完毕的DNADNA双链又重新复双链又重新复合而不再打开。合而不再打开。原核生物的转录和翻译偶联进行原核生物的转录和翻译偶联进行。转录空泡转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol （核心酶）（核心酶） DNA RNA5 3 DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶三、原核生物转录的终止和新生三、原核生物转录的终止和新生RNARNA链的释放链的释放指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。 分类：分类：不依赖Rho ()因子的转录终止依赖Rho ()因子的转录终止（一）（一） 依赖依赖 因子的转录终止因子的转录终止l 1969年，年，Roberts发现了能控制转录终止的蛋发现了能控制转录终止的蛋白质，即白质，即因子。由相同的因子。由相同的6个亚基组成六聚体，个亚基组成六聚体，分子量分子量200kD。 l 因子具有因子具有NTP酶活性和解螺旋酶活性，是促使酶活性和解螺旋酶活性，是促使转录三元复合物解离的根本原因。转录三元复合物解离的根本原因。 因子的因子的NTP酶酶活性依赖于单链活性依赖于单链RNA的结构。的结构。l 因子依赖性终止子含有一个反向重复序列，使因子依赖性终止子含有一个反向重复序列，使 RNA末端形成一个发夹结构，导致转录延宕，末端形成一个发夹结构，导致转录延宕，因子因子得以发挥作用，终止转录。得以发挥作用，终止转录。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。（二）（二） 非依赖非依赖 因子的转录终止因子的转录终止l DNA模板接近转录终止的区域内，有较密集模板接近转录终止的区域内，有较密集 的的A-T配对区或配对区或G-C配对区，且配对区，且G-C配对为回配对为回 文结构。文结构。 l 转录产物转录产物RNA的的3-末端有若干个连续的末端有若干个连续的U。l 连续连续U区的区的5-端前方碱基形成端前方碱基形成茎环结构茎环结构或或发发 夹结构夹结构。这种二级结构是阻止转录继续向下。这种二级结构是阻止转录继续向下 游推进的关键。游推进的关键。茎环结构使转录终止茎环结构使转录终止的机理的机理 使使RNA聚合酶变构，聚合酶变构，转录停顿；转录停顿； 密集密集A-U 配对使转配对使转录复合物趋于解离，录复合物趋于解离，释放释放RNA。 终止效率与二重对终止效率与二重对称序列和寡聚称序列和寡聚U的长的长短有关。短有关。 四、真核生物的转录四、真核生物的转录（一）转录起始（一）转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化。转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，而需依靠众多的转录因子，与模板结合形成转录起始前复合物，其起始过程比原核生物复杂得多。真核生物RNA聚合酶II所形成的转录起始复合物 转录因子 转录复合体TBPTAFsTFIIATFIIB TFIIF Pol IITFIIE 、 真核生物转录起始复合物PIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化磷酸化（二）转录延长（二）转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。译同步的现象。 RNA-pol前移处处都遇上核小体。前移处处都遇上核小体。 转录延长过程中可以观察到核小体移转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。位和解聚现象。 RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转转录录延延长长中中的的核核小小体体移移位位转录方向转录方向（三）转录终止（三）转录终止1、RNA聚合酶聚合酶转录出转录出rRNA前体前体3末端后，末端后， 继续向下游向下游转录超超过1000个个bp时，存在一个，存在一个 18bp的的终止序列。止序列。2、RNA聚合酶聚合酶 转录模板的下游存在一个转录模板的下游存在一个 终止子，是位于终止子，是位于GC丰富序列之中的丰富序列之中的TTTT。 RNA聚合酶聚合酶有内原性的转录终止功能。有内原性的转录终止功能。3、RNA聚合酶聚合酶的转录没有明确的终止信号的转录没有明确的终止信号。五、五、RNA生物合成抑制剂生物合成抑制剂 概念：能阻断、抑制或者干扰核酸的代谢 过程，最终抑制转录的一类化合物，称RNA生物合成抑制剂。l 分三类：分三类： 1、嘌呤和嘧啶类似物，抑制核酸前体的合成；、嘌呤和嘧啶类似物，抑制核酸前体的合成； 2、通过与、通过与DNA结合而改变模板的功能；结合而改变模板的功能； 3、与、与RNA聚合酶结合而影响其活力。聚合酶结合而影响其活力。（一）利福霉素及利福平（一）利福霉素及利福平 作用作用：抗结核药物，特异地抑制细菌：抗结核药物，特异地抑制细菌RNA聚合酶聚合酶 的活性，因而抑制细菌的活性，因而抑制细菌RNA的合成。的合成。机制机制：利福霉素可与利福霉素可与RNA聚合酶的聚合酶的亚基基结合，合， 并阻止起始位点的填充，并阻止起始位点的填充，抑制二核苷酸抑制二核苷酸 RNA的形成；的形成； 利福平利福平则阻止阻止RNA聚合聚合酶的移的移动，抑制，抑制 头三个核苷酸的形成。三个核苷酸的形成。 因此，因此，利福霉素和利福平都是利福霉素和利福平都是RNA链合成合成 起始起始过程的抑制程的抑制剂。（二）利迪链菌素（二）利迪链菌素 作用：作用：与细菌的与细菌的RNA聚合酶聚合酶亚基基结合，抑制合，抑制 转录过程中程中RNA链的延的延长反反应。（三）（三）-鹅膏蕈碱膏蕈碱 作用作用：抑制真核生物的：抑制真核生物的RNA聚合酶，且聚合酶，且RNApol 极为敏感。对细菌极为敏感。对细菌RNA聚合酶作用极弱。聚合酶作用极弱。 转录后加工过程及其机制转录后加工过程及其机制第五节第五节l mRNA的前体加工的前体加工l rRNA的前体加工的前体加工l tRNA的前体加工的前体加工 真核细胞每种转录产物都是各种真核细胞每种转录产物都是各种RNA的前身，的前身， 即无活性，亦无功能。即无活性，亦无功能。 真核初级转录产物必须在胞核内经过适当加工，真核初级转录产物必须在胞核内经过适当加工， 使之变成具有活性的成熟使之变成具有活性的成熟RNA后，由胞核运至胞后，由胞核运至胞 质才能执行翻译功能。质才能执行翻译功能。 真核细胞转录作用和翻译作用无论在空间上还真核细胞转录作用和翻译作用无论在空间上还 是时间上都是彼此分开进行的。是时间上都是彼此分开进行的。 原核细胞原核细胞mRNA不需加工，不需加工，tRNA和和rRNA加工。加工。 u 真核细胞与原核细胞转录产物的区别：真核细胞与原核细胞转录产物的区别： 一、一、mRNA的前体加工的前体加工1、 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppNp )2、3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)3、中部剪接、中部剪接除去内含子除去内含子4、链内部核苷酸的、链内部核苷酸的甲基化甲基化hnRNA转变成转变成mRNA的加工过程包括：的加工过程包括： 修饰的化学反应：修饰的化学反应： 5-端的修饰在核内完成，且在转录到端的修饰在核内完成，且在转录到20个核苷酸个核苷酸时在转鸟嘌呤核苷酸酶催化下加到时在转鸟嘌呤核苷酸酶催化下加到5端的。先于中端的。先于中段剪切。段剪切。 5帽子分帽子分Cap0、Cap1、Cap2。（一）（一）5-端加上帽子结构端加上帽子结构(mGpppNp） 真核生物mRNA的5末端的第一个核苷酸总是7-甲基鸟核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5端的这种结构称为帽子（cap）。 由稀有的由稀有的7-甲基鸟嘌呤通过甲基鸟嘌呤通过5,5三磷酸键与初始转三磷酸键与初始转录物的起始（录物的起始（ 5 ）核苷酸连接形成的。）核苷酸连接形成的。 5pppN磷酸酶磷酸酶ppi5pNpppGpi5GpppN甲基化酶甲基化酶+CH3m7GpppN转鸟嘌呤核苷酸酶催化尿苷酸-7甲基转移酶2-O-甲基转移酶（cap1）（cap0）（cap2）2-O-甲基转移酶u mRNA帽子的生理功能：帽子的生理功能： 帽子结构参与翻译起始，帽0结构是核糖体小亚基识别mRNA所必需的；核糖体上有帽结合蛋白。 m7Gppp结构能有效地封闭mRNA 5末端，以保护mRNA免受5核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定。（二）（二）3-端加上多聚腺苷酸尾巴端加上多聚腺苷酸尾巴(polyA)。 polyA的出现不依赖的出现不依赖DNA模板。模板。 加尾信号：加尾信号：3-末端出现末端出现AAUAAA及下游的及下游的 GU丰富区。在两序列之间由特异的核酸内丰富区。在两序列之间由特异的核酸内 切酶切除多余的核苷酸，然后加上切酶切除多余的核苷酸，然后加上poly A。 尾部修饰和转录终止同时进行。尾部修饰和转录终止同时进行。 3-端修饰也在核内完成，并先于端修饰也在核内完成，并先于mRNA中段中段 的剪接。的剪接。 polyA的有无及长短是维持的有无及长短是维持mRNA作为翻译模作为翻译模 板的活性，以及增加板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。本身稳定性的因素。约约20NT第一步：CPSF识别AAUAA信号，CstF结合GU/U区，激活CF核酸酶，发生断裂CPSF:断裂识别因子CstF:断裂刺激因子第二步：PAP结合到断裂点，聚合约个腺苷酸的poly（A）尾巴，这个短的尾巴通过寡聚腺苷酸结合蛋白刺激PAP活性再进一步延伸到大约200个腺苷酸。聚腺苷酸聚合酶（PAP）l mRNA3-端的多聚腺苷酸化可被冬虫夏草素端的多聚腺苷酸化可被冬虫夏草素 （ 3-脱氧胸苷）所阻止；脱氧胸苷）所阻止； 即冬虫夏草素是多聚腺苷酸化的特异抑制剂。即冬虫夏草素是多聚腺苷酸化的特异抑制剂。 （三）（三）mRNA的甲基化的甲基化 真核生物mRNA分子中有许多甲基化的碱基，主要是：N6-甲基腺嘌呤（m6A）。（四（四) mRNA的自我剪接的自我剪接自我剪接的概念自我剪接的概念 除去除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。中的内含子，将外显子连接。 snRNP(核糖核蛋白复合体核糖核蛋白复合体)与与hnRNA结合成为剪接体，结合成为剪接体，进行剪接；进行剪接； 参与参与mRNA剪切的剪切的snRNP包括包括U1、U2 、U4 、U5 、U6 u 内含子上有内含子上有3个保守性序列个保守性序列剪接位点：剪接位点： 5端起始序列端起始序列GU； 3端端AG; 距距3端端1840个核苷酸处有一个个核苷酸处有一个“分支点分支点” ， 一定含一定含A， 由由A发动第一次转酯反应。发动第一次转酯反应。u 剪接过程是两次转脂反应。剪接过程是两次转脂反应。与与类内含子相似。类内含子相似。 5.AAGUAAGU .CURAY.(10-40)(U/C)11NCAG G.3 IntronexonexonPolyprimidineCAG = UAG AAG GAG GU-AG、AU-AC：真核生物细胞核mRNA基因基因 类内含子：线粒体、叶绿体及低等真核生物细胞线粒体、叶绿体及低等真核生物细胞核的核的rRNA基因基因 类内含子：线粒体、叶绿体的线粒体、叶绿体的mRNA基因基因生物体内内含子的主要类型：类内含子的自我剪接类内含子的自我剪接组成型剪接：一个基因的转录产物通过剪接只能产生一种成熟的mRNA。选择性剪接：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA。 组成型剪接和可变剪接组成型剪接和可变剪接 顺式和反式剪接顺式和反式剪接 l 内含子剪接一般都是发生在同一基因内，切内含子剪接一般都是发生在同一基因内，切 除内含子，相邻的外显子彼此连接，这种剪除内含子，相邻的外显子彼此连接，这种剪 接称为接称为顺式剪接（顺式剪接（cis-splicing）。）。l 反式剪接（反式剪接（trans-splicing）则是指发生在不则是指发生在不 同基因之间的外显子的剪接。同基因之间的外显子的剪接。l 反式剪接发现于几种锥虫和线虫中。都是在反式剪接发现于几种锥虫和线虫中。都是在 mRNA 5端存在前导序列，称端存在前导序列，称剪接前导剪接前导RNA （splicing leader RNA，sl RNA）。）。l sl RNA的反式剪接表现了核内剪接系统的进化。的反式剪接表现了核内剪接系统的进化。（五）（五）RNA的编辑的编辑概概念念：指转录产物RNA前体编码区发生碱基的突变、插入或丢失等现象。 近年发现某些mRNA前体的核苷酸序列需加 以改编，才能变成正确的有翻译活性的模板。 mRNA的这种编辑作用广泛存在于原生动物及 植物细胞的线粒体。C变为U非碱基的突变DNA水平转换的频率远高于突变CUCAAUAA6666位位mRNA编辑编辑尿苷酸的缺失和添加1986.R.Benne在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸，1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象。锥虫coxII 基因的编辑1986.R.Benne在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸， RNA编辑是基因转录后在mRNA中插入、缺失或核苷酸的替换而改变DNA模板来源的遗传信息，翻译出多种氨基酸序列不同的蛋白质。 RNA编辑的结果不仅扩大了遗传信息，而且使生物更好地适应生存环境。 有些基因的主要转录产物必须经过编辑才能有效地起始翻译，或产生正确的可读框(ORF)。 二、二、 rRNA前体的加工前体的加工l 原核细胞与真核细胞的原核细胞与真核细胞的rRNA前体都需加工：前体都需加工： 1、原核细胞原核细胞 rRNA 基因与某些基因与某些 tRNA 基因构成基因构成 混合操纵子混合操纵子。u 大肠杆菌共有大肠杆菌共有7个转录单位，每个转录单位个转录单位，每个转录单位 由由16S rRNA、 23S rRNA、 5S rRNA及及 一个或几个一个或几个tRNA基因组成。基因组成。rRNA前体被大肠杆菌前体被大肠杆菌RNase,RNaseE等等剪切剪切成一定链长的成一定链长的rRNA分子；分子；rRNA在修饰酶催化下进行在修饰酶催化下进行碱基修饰碱基修饰；rRNA与蛋白质结合与蛋白质结合形成核糖体的大、小亚基形成核糖体的大、小亚基 2、原核生物、原核生物rRNA转录后加工，包括以下几方面：转录后加工，包括以下几方面： 大肠杆菌rRNA前体的加工 2、真核细胞、真核细胞 rRNA 基因为串联重复序列：基因为串联重复序列： 由由18S rRNA、 28S rRNA、5.8S rRNA基因基因 组成一个转录单位，彼此被间隔区分开。组成一个转录单位，彼此被间隔区分开。l 每个重复单位之间的间隔每个重复单位之间的间隔DNA序列不转序列不转 录，称为录，称为非转录间隔序列非转录间隔序列。l 真核生物真核生物 5S rRNA基因也是成簇排列的，基因也是成簇排列的， 中间隔以不被转录的区域，它由中间隔以不被转录的区域，它由RNApol 转录，加工成熟后构成核糖体大亚基。转录，加工成熟后构成核糖体大亚基。l 不同生物的不同生物的 rRNA 前体大小不同：前体大小不同：哺乳动物为哺乳动物为45S；果蝇；果蝇38S；酵母；酵母37S；四膜虫；四膜虫35S18S5.8S28S18S-rRNA5.8S和28S-rRNA内含子内含子45S转录产物剪 接终产物rDNA基因间隔哺乳动物细胞哺乳动物细胞 rRNA 前体加工过程前体加工过程tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA三、三、tRNA前体前体的加工的加工l 原核与真核原核与真核tRNA基因大多成簇存在。基因大多成簇存在。 u tRNA前体的加工包括：前体的加工包括： 剪切内含子剪切内含子 核酸外切酶修剪核酸外切酶修剪3末端，逐个切去附加序列；末端，逐个切去附加序列； 加上加上CCA-OH的的3末端，完成柄部结构。末端，完成柄部结构。 碱基修饰碱基修饰RNaseP：5端修剪 RNaseD：3端修剪 RNase连接酶连接酶1、剪切内含子、剪切内含子： 属于酶促反应，需要酶及属于酶促反应，需要酶及ATP。ATPADPtRNA核苷核苷酸转移酶酸转移酶2、加上、加上CCA-OH的的3末端，末端， 完成柄部结构。完成柄部结构。3、碱基修饰、碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）转录物前体形成茎环结构RNase E、F切割3端RNase D对3端修剪RNaseP 对5端切除RNase D再除去3端的两个核苷酸 tRNA进行碱基修饰