第一節(jié)RNA轉(zhuǎn)錄1

1、1第三章第三章生物信息的傳遞生物信息的傳遞2（上）從（上）從dnadna到到rnarnan基因基因作為唯一能夠自主復制、永久存在的單位，其生作為唯一能夠自主復制、永久存在的單位，其生物學功能是以蛋白質(zhì)的形式表達出來的。物學功能是以蛋白質(zhì)的形式表達出來的。ndnadna序列是遺傳信息的貯存者，它通過自主復制得到永序列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)錄生成信使存，并通過轉(zhuǎn)錄生成信使rnarna，翻譯生成蛋白質(zhì)的過程，翻譯生成蛋白質(zhì)的過程來控制生命現(xiàn)象。來控制生命現(xiàn)象。3n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

2、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dnadna鏈序列完全相同鏈序列完全相同（除了（除了tutu之外）的之外）的rnarna單鏈的過程，單鏈的過程，是基因是基因表達的核心步驟。表達的核心步驟。n翻譯翻譯是指以新生的是指以新生的mrnamrna為模板，把核苷酸三聯(lián)為模板，把核苷酸三聯(lián)遺傳密碼子翻譯成氨基酸序列、合成多肽鏈的遺傳密碼子翻譯成氨基酸序列、合成多肽鏈的過程，過程，是基因表達的最終目的。是基因表達的最終目的。4nfrancois jacob (left), jacques monod (center) & andre lwoff (right)5ndnadna

3、分子中的核苷酸排列順序不但決定了胞內(nèi)所分子中的核苷酸排列順序不但決定了胞內(nèi)所有有rnarna及蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，還通過蛋白質(zhì)（酶）及蛋白質(zhì)的基本結(jié)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)、的功能間接控制了細胞內(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。l與與mrnamrna序列相同的那條序列相同的那條dnadna鏈是鏈是編碼鏈（編碼鏈（coding strand）或稱或稱有意義連（有意義連（sense strand）；l另一條根據(jù)堿基互補原則指導另一條根據(jù)堿基互補原則指導mrnamrna合成的合成的dnadna鏈鏈則被稱為則被稱為模板鏈（模板鏈（template

4、 strand）或稱或稱反義反義鏈（鏈（antisense strand）。）。6生物體內(nèi)擁有三類生物體內(nèi)擁有三類rnarna，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中的遺傳信息并將其轉(zhuǎn)化中的遺傳信息并將其轉(zhuǎn)化成相應氨基酸后加入多肽鏈中的成相應氨基酸后加入多肽鏈中的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。7n轉(zhuǎn)錄的基本過程 模板識別 轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄延伸 轉(zhuǎn)錄終止n轉(zhuǎn)錄機器的主要成分 rna聚合酶；轉(zhuǎn)錄復合物83.1 rna3.1 rna的轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄n3.1.1 3.1.1 轉(zhuǎn)錄的基本過程轉(zhuǎn)錄的基本過

5、程 無論是原核還是真核細胞，轉(zhuǎn)錄的基本過程無論是原核還是真核細胞，轉(zhuǎn)錄的基本過程都包括：都包括： 模板識別模板識別 轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄延伸轉(zhuǎn)錄延伸 轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄終止9大腸桿菌中依賴于大腸桿菌中依賴于dnadna的的rnarna轉(zhuǎn)錄過程圖示轉(zhuǎn)錄過程圖示轉(zhuǎn)錄泡中單鏈轉(zhuǎn)錄泡中單鏈dnadna的長度約在的長度約在17bp17bp左右，被聚合酶復合物所保護的左右，被聚合酶復合物所保護的dnadna序列序列約為約為35bp35bp左右左右10n模板識別階段模板識別階段主要指主要指rnarna聚合酶與啟動子聚合酶與啟動子dnadna雙鏈相互作用并與之相結(jié)合的過程。雙鏈相互作用并與之相結(jié)合的過程。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄起

6、始前，啟動子附近的錄起始前，啟動子附近的dnadna雙鏈分開形成雙鏈分開形成轉(zhuǎn)錄泡轉(zhuǎn)錄泡以以促使底物核糖核苷酸與模板促使底物核糖核苷酸與模板dnadna的的堿基配對堿基配對。11n轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始就是就是rnarna鏈上第一個核苷酸鍵的產(chǎn)生。鏈上第一個核苷酸鍵的產(chǎn)生。n真核生物真核生物rnarna聚合酶不能直接識別基因的啟動聚合酶不能直接識別基因的啟動子區(qū)，需要一些被稱為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的輔助子區(qū)，需要一些被稱為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的輔助蛋白質(zhì)按特定順序結(jié)合于啟動子上，蛋白質(zhì)按特定順序結(jié)合于啟動子上，rnarna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)合并形成復雜的前起始復合前起始復合物（物（p

7、reinitiation transcription complex, pic），），以保證有效地起始轉(zhuǎn)錄。以保證有效地起始轉(zhuǎn)錄。12n轉(zhuǎn)錄起始后直到形成轉(zhuǎn)錄起始后直到形成9 9個個核苷酸短鏈是核苷酸短鏈是通通過啟動子階段過啟動子階段，此時，此時rnarna聚合酶一直處于聚合酶一直處于啟動子區(qū)啟動子區(qū)，新生的，新生的rnarna鏈與鏈與dnadna模板鏈的模板鏈的結(jié)合不夠牢固，很容易從結(jié)合不夠牢固，很容易從dnadna鏈上掉下來鏈上掉下來并導致轉(zhuǎn)錄重新開始。并導致轉(zhuǎn)錄重新開始。n一旦一旦rnarna聚合酶成功地合成聚合酶成功地合成9 9個個以上核苷以上核苷酸并離開啟動子區(qū)，轉(zhuǎn)錄就進入正常的酸并

8、離開啟動子區(qū)，轉(zhuǎn)錄就進入正常的延伸階段。延伸階段。13nrnarna聚合酶離開啟動子，沿聚合酶離開啟動子，沿dnadna鏈移動并鏈移動并使新生使新生rnarna鏈不斷伸長的過程就是鏈不斷伸長的過程就是轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄的延伸延伸。n轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄終止就是當就是當rna鏈延伸到轉(zhuǎn)錄終止鏈延伸到轉(zhuǎn)錄終止位點時，位點時，rna聚合酶不再形成新的磷酸聚合酶不再形成新的磷酸二酯鍵，二酯鍵，rna-dna雜合物分離，轉(zhuǎn)錄泡雜合物分離，轉(zhuǎn)錄泡瓦解，瓦解，dna恢復成雙鏈狀態(tài)，而恢復成雙鏈狀態(tài)，而rna聚聚合酶和合酶和rna鏈鏈 都被從模板上釋放出來的都被從模板上釋放出來的過程過程143.1.2 3.1.2 轉(zhuǎn)錄機器的

9、主要成分轉(zhuǎn)錄機器的主要成分n1. rna1. rna聚合酶聚合酶nrnarna聚合酶聚合酶是轉(zhuǎn)錄過程中最關(guān)鍵的酶，主要是轉(zhuǎn)錄過程中最關(guān)鍵的酶，主要以以雙鏈雙鏈dnadna為模板，以為模板，以4 4種核苷三磷酸種核苷三磷酸作為作為活性前體，并活性前體，并以以mgmg2+2+/mn/mn2+2+為輔助因子，催化為輔助因子，催化rnarna鏈的起始、延伸和終止，鏈的起始、延伸和終止，它不需要任何它不需要任何引物引物，催化生成的產(chǎn)物是與，催化生成的產(chǎn)物是與dnadna模板鏈相模板鏈相互互補的補的rnarna。15n大多數(shù)原核生物大多數(shù)原核生物rnarna聚合酶的組成是相同的，大腸桿菌聚合酶的組成是相同

10、的，大腸桿菌rnarna聚合酶由聚合酶由2 2個個亞基、一個亞基、一個亞基、一個亞基、一個亞基和一個亞基和一個亞亞基組成，稱為核心酶。加上一個基組成，稱為核心酶。加上一個亞基后則成為聚合酶全亞基后則成為聚合酶全酶（酶（holoenzymeholoenzyme），相對分子質(zhì)量為），相對分子質(zhì)量為4.654.6510105 5。大腸桿菌大腸桿菌rnarna聚合酶聚合酶1617大腸桿菌大腸桿菌rnarna聚合酶的組成分析聚合酶的組成分析18n亞基亞基可能與核心酶的組裝及啟動子識別有關(guān)，并參與可能與核心酶的組裝及啟動子識別有關(guān)，并參與rnarna聚合酶和部分調(diào)節(jié)因子的相互作用。聚合酶和部分調(diào)節(jié)因子的相

11、互作用。n實驗證明，實驗證明，t4t4噬菌體感染大腸桿菌后對噬菌體感染大腸桿菌后對亞基的一個精氨亞基的一個精氨酸殘基進行酸殘基進行adpadp糖基化修飾，造成糖基化修飾，造成rnarna聚合酶全酶對啟動子聚合酶全酶對啟動子親和力降低。親和力降低。n由由和和亞基亞基組成了聚合酶的催化中心，組成了聚合酶的催化中心，它們在序列上與它們在序列上與真核生物真核生物rnarna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。亞基能與模亞基能與模板板dnadna、新生、新生rnarna鏈及核苷酸底物相結(jié)合。鏈及核苷酸底物相結(jié)合。19n因子的作用因子的作用是負責模板鏈的選擇和轉(zhuǎn)錄的起始，是負責模板鏈的

12、選擇和轉(zhuǎn)錄的起始，它是酶的別構(gòu)效應物，使酶專一性識別模板上的啟它是酶的別構(gòu)效應物，使酶專一性識別模板上的啟動子。動子。核心酶在核心酶在t7t7噬菌體噬菌體dnadna上約有上約有13001300個結(jié)合位個結(jié)合位點，平均結(jié)合常數(shù)為點，平均結(jié)合常數(shù)為2 210101111。n因子可以極大地提高因子可以極大地提高rnarna聚合酶對啟動子區(qū)聚合酶對啟動子區(qū)dnadna序序列的親和力，列的親和力，酶底結(jié)合常數(shù)提高酶底結(jié)合常數(shù)提高10103 3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)十小時。物的半衰期可達數(shù)小時甚至數(shù)十小時。n因子還能使因子還能使rnarna聚合酶與模板聚合酶與模板dnadna

13、上非特異性位點上非特異性位點的結(jié)合常數(shù)降低的結(jié)合常數(shù)降低10104 4倍，倍，使酶底復合物的半衰期小使酶底復合物的半衰期小于于1 1秒。秒。20大腸桿菌中的大腸桿菌中的因子能識別并與啟動子區(qū)的特異因子能識別并與啟動子區(qū)的特異性序列相結(jié)合性序列相結(jié)合n在大腸桿菌中，最常見的調(diào)控因子是由在大腸桿菌中，最常見的調(diào)控因子是由rpodrpod基因所編碼的基因所編碼的7070。n由由rpohrpoh編碼的編碼的3232是與是與熱休克熱休克啟動子所控制的基因轉(zhuǎn)錄密切相關(guān)。啟動子所控制的基因轉(zhuǎn)錄密切相關(guān)。n由由rponrpon編碼的編碼的5454則參與細胞的則參與細胞的氮代謝氮代謝。21真核生物真核生物rna

14、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1 110105 5的大亞基；的大亞基；n同種生物同種生物3 3類聚合酶有類聚合酶有“共享共享”小亞基的傾向，即有小亞基的傾向，即有幾個小亞基是其中幾個小亞基是其中3 3類或類或2 2類聚合酶所共有的。類聚合酶所共有的。n真核生物中有真核生物中有3 3類類rnarna聚合酶，其結(jié)構(gòu)比大腸桿菌聚合酶，其結(jié)構(gòu)比大腸桿菌rnarna聚合酶聚合酶復雜，它們在細胞核中的位置不同，負責轉(zhuǎn)錄的基因不同，復雜，它們在細胞核中的位置不同，負責轉(zhuǎn)錄的基因不同，對對-鵝膏覃堿的敏感性也不同。鵝膏覃堿的敏感性也不同

15、。n真核生物真核生物rnarna聚合酶一般有聚合酶一般有8-148-14個亞基所組成，相對分子質(zhì)個亞基所組成，相對分子質(zhì)量超過量超過5 510105 5。22真核細胞中三類真核細胞中三類rnarna聚合酶特性比較聚合酶特性比較232. 2. 轉(zhuǎn)錄復合物轉(zhuǎn)錄復合物 啟動子選擇階段包括啟動子選擇階段包括rnarna聚合酶全酶對啟動子的識聚合酶全酶對啟動子的識別，聚合酶與啟動子可逆性結(jié)合形成封閉復合物別，聚合酶與啟動子可逆性結(jié)合形成封閉復合物（closed complex），），此時，此時，dnadna仍處于雙鏈狀態(tài)。仍處于雙鏈狀態(tài)。 然后，封閉復合物轉(zhuǎn)變成開放復合物（然后，封閉復合物轉(zhuǎn)變成開放復合

16、物（open complex），聚合酶全酶所結(jié)合的），聚合酶全酶所結(jié)合的dnadna序列中有一小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的轉(zhuǎn)變是不可逆的，是快反應。到開放復合物的轉(zhuǎn)變是不可逆的，是快反應。3.1.2 3.1.2 轉(zhuǎn)錄機器的主要成分轉(zhuǎn)錄機器的主要成分24開放復合物與最初的兩開放復合物與最初的兩個個ntpntp相結(jié)合并在這兩相結(jié)合并在這兩個核苷酸之間形成磷酸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rnarna聚合酶、聚合酶、dnadna和新和新生生rnarna的三元復合物的三元復合物( (t

17、ernary complex) )。 rnarna合成的起始合成的起始25真核生物真核生物rnarna聚合酶聚合酶iiii所形成的轉(zhuǎn)錄起始復合物所形成的轉(zhuǎn)錄起始復合物除除rnarna聚合酶之外，真核生物轉(zhuǎn)錄起始過程中至少還需要聚合酶之外，真核生物轉(zhuǎn)錄起始過程中至少還需要7 7種輔助因子參與種輔助因子參與26n一般情況下，轉(zhuǎn)錄起始復合物可以進入兩條不同的一般情況下，轉(zhuǎn)錄起始復合物可以進入兩條不同的反應途徑：反應途徑：n一是合成并釋放一是合成并釋放2-92-9個核苷酸的短個核苷酸的短rnarna轉(zhuǎn)錄物，即所轉(zhuǎn)錄物，即所謂的流產(chǎn)式起始；謂的流產(chǎn)式起始；n二是盡快釋放二是盡快釋放亞基，轉(zhuǎn)錄起始復合物通過上游啟亞基，轉(zhuǎn)