第三章-生物信息传递(上.ppt

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1、黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年同学们同学们,开开始上课了始上课了!生物信息的传递生物信息的传递(上上)Chapter3转录转录黄冈师范学院生物系黄冈师范学院生物系生化与分子教研室生化与分子教研室授课对象授课对象:生物科学生物科学2003级级杨谷良杨谷良黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年DNADNA复制复制复制复制DNADNA修复修复修复修复遗传重组遗传重组遗传重组遗传重组黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年Content:Content:基本概念基本概念原核生物的转录原核生物的转录真核生物的转录真核生物的转录原核与真核生物原核与真核生物mRNA

2、的异同的异同真核生物中的成熟真核生物中的成熟mRNA无密码子的基因的转录无密码子的基因的转录黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年基因基因一一段能够转录成功能产物的核苷酸序列段能够转录成功能产物的核苷酸序列.下面几个区域对于基因功能是必须的下面几个区域对于基因功能是必须的:调调控区控区:一段控制转录起始的一段控制转录起始的DNA序列序列编码编码区区:一段能够译成功能分子一段能够译成功能分子(RNAorprotein)的核苷酸的核苷酸序列序列终止终止区区:一段终止转录的核苷酸序列一段终止转录的核苷酸序列黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年当一种蛋白是一个细胞需要的时候当

3、一种蛋白是一个细胞需要的时候,编码该蛋白的遗传密码必需能够从编码该蛋白的遗传密码必需能够从DNA所所阅读并得到加工阅读并得到加工两步加工过程两步加工过程:1.转录转录=利用利用DNA模板合成单链模板合成单链RNA分子分子(1strandofDNAistranscribed).4真核生物的转录发生在细胞核.2.翻译翻译:=将信使将信使RNA序列上储存的信息转变成蛋白质的多肽序序列上储存的信息转变成蛋白质的多肽序列信息列信息(i.e.,proteinsynthesis)翻译发生在核糖体或糙面内质网两个过程几乎在整个细胞周期中都发生两个过程几乎在整个细胞周期中都发生.黄冈师范学院生物系生化与分子教研

4、室杨谷良2005年Templatestrand(模板链模板链/无义链无义链):DNADNA编码区由编码区由 3 3到到 5 5 排列排列的的DNADNA链链,是是RNARNA合成的模板合成的模板,.编码链编码链(有义链有义链):编编码区中由码区中由 5 5到到 3 3排列排列的那条的那条DNADNA链链,在在RNARNA合成中没有任何功能合成中没有任何功能,它的序列与合成的它的序列与合成的RNARNA完全相同完全相同(T_U)(T_U).黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年正义链正义链Sense/antisense反义链反义链Nontranscribed/transcribedN

5、ontemplate/template编码链编码链coding/模板链模板链template描述描述DNA链的一些习惯链的一些习惯黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年两条链都可以编码两条链都可以编码但但转录常以转录常以3 3-5-5的那条链作为的那条链作为RNARNA聚合酶移动的方向聚合酶移动的方向,即常编码那条链即常编码那条链.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年mRNA-(messenger)信使信使RNA,从从DNA到到protein的的信信息传递者息传递者.rRNA-(ribosomal)核核糖体糖体RNA,核糖体组成成分的一核糖体组成成分的一功能功能RNA

6、,直接参与核糖体中蛋白质的合成直接参与核糖体中蛋白质的合成.tRNA-(transfer)转移转移RNA,在在转录过程中的一个信息转录过程中的一个信息传递者传递者.能能解读解读mRNA中的遗传信息并将其转化成相应中的遗传信息并将其转化成相应氨基酸加入多肽链中氨基酸加入多肽链中.snRNA-(smallnuclear)没有经过内含子剪辑等加工过没有经过内含子剪辑等加工过程的程的RNA分子分子.VariousotherfunctionalRNAs:scRNA(细胞质细胞质)Howtoexplain:Themusic(polypeptide)dependsonthetape(mRNA),notthe

7、player(ribosome)5种不同类型的种不同类型的RNA:黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年和和DNA复制不同复制不同,转录只是在特定时期、转录只是在特定时期、特定的细胞类型中特定的细胞类型中,获取特定的序列信息获取特定的序列信息需要特定的起始和终止集信号需要特定的起始和终止集信号只拷贝一个基因的信息。只拷贝一个基因的信息。黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年RNA链是如何合成的链是如何合成的?1.每个基因内的每个基因内的调控序列的调控序列的调整调整.2.DNA几乎解链达一个基因几乎解链达一个基因.3.转录方向是转录方向是5to3.4.与与DNA复制的不同

8、复制的不同:RNA聚合酶聚合酶不需要引物不需要引物没有核对没有核对核糖核酸代替脱氧核糖核酸核糖核酸代替脱氧核糖核酸U代替代替T黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年原核生物的转录原核生物的转录黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年基因表达的第一步基因表达的第一步以以D.S.DNA中的一条单链作为转录的模板中的一条单链作为转录的模板在依赖在依赖DNA的的RNA聚合酶的作用下聚合酶的作用下模板单链模板单链DNA的极性方向为的极性方向为35,而非模板单链而非模板单链DNA的极性方向与的极性方向与RNA链相同，均为链相同，均为5

9、3.DNA(书写书写DNA序列时，仅写非模板序列，可不注明极性方向序列时，仅写非模板序列，可不注明极性方向)3-TACTCAT-5RNA 5-AUGAGUA-35-ATGAGTA-3Non-template(sense strand)template(antisense strand)若若干干基基 本本 概概 念念 按按AU，CG配对的原则，合成配对的原则，合成RNA分子分子黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年RNA聚合酶聚合酶:以双链以双链DNA为模板为模板,以以4种核种核苷酸为材料苷酸为材料,在在Mg2+/Mn2+存在的前提下存在的前提下,在不信赖于引物的条件下催化在不信赖于

10、引物的条件下催化RNA链的链的起始、延伸和终止的一种蛋白质。起始、延伸和终止的一种蛋白质。E.coli中只有一种中只有一种RNA聚合酶聚合酶负责所有负责所有RNA的合成的合成E.coli RNA聚合酶聚合酶黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年有聚合的功能但没有启始的功能有聚合的功能但没有启始的功能RNA聚合酶：核心酶聚合酶：核心酶Core:Core:核心酶核心酶核心酶核心酶HoloenzymeHoloenzyme：全酶：全酶：全酶：全酶黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年核心酶核心酶+sigma因子（因子（）sigma是一个与起始有关的蛋白是一个与起始有关的蛋白si

11、gma因子有多种，不同种因子有多种，不同种sigma因子启因子启动不同基因的表达。动不同基因的表达。RNA聚合酶：全酶聚合酶：全酶a a2 2bbbbs sa a2 2bbbb +s s全酶全酶 核心酶核心酶 sigma 因子因子黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年因子的特点：因子的特点：重复使用重复使用(Reusable)使使 全酶识别全酶识别-10区区,与模板链结合与模板链结合 修饰修饰 RNApol 构型，构型，降低全酶与降低全酶与DNA的的非专一性非专一性结合力结合力（107/mol）增强全酶与增强全酶与R,B site的专一性结合力的专一性结合力(1014/mol)导致

12、导致RNA链的延伸缓慢链的延伸缓慢黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年启动子与启动子与因子因子 间的结合专效性间的结合专效性 决定了决定了 是强启动子或弱启动子是强启动子或弱启动子 不同启动子的不同启动子的-35，-10区序列间存在较为区序列间存在较为保守的标准序列保守的标准序列(标准启动子标准启动子)启动子中启动子中-35,-10 区序列的差异影响与区序列的差异影响与 RNApol 中中因子的因子的结合能力结合能力是是保保守守序序列列的的识识别别过过程程所所必必需需的的，只只是是在在起起始始过过程程中中需需要要黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年与标准启动子序列同

13、源性愈高与标准启动子序列同源性愈高 启动强度愈大启动强度愈大 与标准启动子序列同源性愈低与标准启动子序列同源性愈低 启动强度愈小启动强度愈小 与标准启动子序列差异很大与标准启动子序列差异很大 由另一种由另一种因子启动因子启动E.coli:4个个因子因子 识别识别4种启动子种启动子 杆状菌杆状菌:10个个因子因子识别识别10种启动子种启动子黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年各亚基的功能各亚基的功能各亚基的功能各亚基的功能 P67P67P67P67黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年核心酶核心酶具有的四个功能位点具有的四个功能位点 DNA/RNA杂合链杂交位点杂合链杂

14、交位点()D.S.DNA 解链位点解链位点()D.S.DNA 重旋重旋()启动子识别位点启动子识别位点 DNA无义链结合位点无义链结合位点()黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年RNARNA聚合酶的可信度聚合酶的可信度聚合酶的可信度聚合酶的可信度没有校正活性没有校正活性1/105的错误率的错误率黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年启动子启动子启动子启动子一段指导相邻一段指导相邻DNA转录的核苷酸序列转录的核苷酸序列黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年保守序列保守序列保守序列保守序列GATCTGATATGACCTGTTCTAATCTConsensus:G

15、ATCT黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年启动子中的识别序列启动子中的识别序列启动子中的识别序列启动子中的识别序列 Primbnowbox，包括：，包括：-10区保守序列区保守序列:TATAAT-35区保守序列区保守序列:TTGACA黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年l（-10区）Sextama Box 与（与（-35区）区）Pribnow Box 间距间距17bp,有利于有利于RNApol启动启动lSextama Box or Pribnow Box 突变突变.间距间距趋近于趋近于17 bp，up mutati

16、on间距间距远离于远离于17 bp，down mutation17bp的的间距间距较较17bp的的序列序列对转录更为重要对转录更为重要Sextama Box and Pribnow Box 突变突变.转录率下降转录率下降100X 转录率下降转录率下降1000X黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年模板识别模板识别RNA聚合酶与启动子聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与双链相互作用并与之相结合的过程。此时，启动子附近的之相结合的过程。此时，启动子附近的DNA双链分开形成转录泡，转录起始直到形成双链分开形成转录泡，转录起始直到形成9个个核苷酸短链后离开启动子，转录过程进入延核苷酸短链后

17、离开启动子，转录过程进入延伸阶段。（转录效率）伸阶段。（转录效率）黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年RNARNA聚合酶如何找到启动子聚合酶如何找到启动子聚合酶如何找到启动子聚合酶如何找到启动子?RNA聚合酶扫描聚合酶扫描DNA模板链模板链SlidesalongDNAwithoutopeningstrands在大沟中寻找在大沟中寻找-10区和区和-35区区Sigma因子因子与核心酶结合与核心酶结合黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年转录过程的第一个事件转录过程的第一个事件转录过程的第一个事件转录过程的第一个事件RNA聚合酶结合到聚合酶结合到-35区区此时的此时的DN

18、A链仍然是双链链仍然是双链.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年StepsofTranscription黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年Step 1-Step 1-起始起始 -当当全酶与启动子结合区结合后开始全酶与启动子结合区结合后开始.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年 E.coli 模型模型:每个基因的每个基因的3个区域个区域:1.5区区,结合结合RNA聚合酶聚合酶e.g.,-10bp5-TATAAT-3e.g.,-35bp5-TTGACA-32.转录序列转录序列,orRNA编码区编码区3.3终止区终止区,终止位点的信号终止位点的信号-值表示

19、值表示mRNA转录起始点的上游区转录起始点的上游区,+1是是RNA转录的第一个碱基转录的第一个碱基.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年1.RNA结合结合sigma因子因子(一个多肽一个多肽)形成形成RNA聚合酶全酶聚合酶全酶识别启动子并开始转录识别启动子并开始转录.Sigma因子的高效结合和转录因子的高效结合和转录.不同的不同的sigma因子识别不同的启动子序列因子识别不同的启动子序列.2.RNA结合在启动子上并解旋双链结合在启动子上并解旋双链DNAe.g.,与与-35的较松散的结合的较松散的结合(DNAisd.s.)e.g.,与与-10区的紧密结合并解旋区的紧密结合并解旋3.

20、不同类型的不同类型的Sigma因子的启动效率有差异因子的启动效率有差异黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年起始起始聚合酶与启动子紧密聚合酶与启动子紧密结合结合聚合酶打开聚合酶打开DNA双螺双螺放放(-10 to+3),开始合成开始合成 RNA黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年Step 2-Step 2-延伸延伸 -RNA-RNA 聚聚合酶结合在转录泡上并随着它一同移动合酶结合在转录泡上并随着它一同移动 (about 18 bases)(about 18 bases)。三磷酸核苷作为三磷酸核苷作为RNA链链合成的原料合成的原料.除除第一个外，所有的核苷酸与已经存在的

21、前一核苷酸第一个外，所有的核苷酸与已经存在的前一核苷酸的的3羟羟基相连基相连.外部外部的两个磷酸基团丢失形成磷酸二脂键的两个磷酸基团丢失形成磷酸二脂键.所以所以，RNA链的延伸方向是链的延伸方向是5to3.RNA链的核苷酸排列顺序由链的核苷酸排列顺序由DNA模板链所决定模板链所决定.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年1.在合成在合成8-9bp的的RNA后，后，sigma因子释放出来并因子释放出来并在其它基因的转录中重复使用在其它基因的转录中重复使用.2.RNA聚合酶的转录速度是聚合酶的转录速度是30-50bp/second.3.

22、DNA迅速解链迅速解链,并在聚合酶后重新退火并在聚合酶后重新退火.4.部分部分RNA链以链以DNA-RNA杂合链形式存在杂合链形式存在,但大多但大多RNA链在链在DNA链的退火后形成单链链的退火后形成单链.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年A.当约当约10 nt被加入，被加入，5 末端游离出来末端游离出来.B.s 因子从全酶中脱离因子从全酶中脱离.C.RNA-DNA 杂合形式仍保留杂合形式仍保留.D.Sigma 因子在新的合成中循环利用因子在新的合成中循环利用.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年Step 3-Step 3-终止终止-终止终止RNARNA链的合成链

23、的合成终止的不同机制终止的不同机制不依赖不依赖rho（）-因子的终止：形成发夹结构因子的终止：形成发夹结构依赖依赖rho-因子的终止：因子的终止：黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年原核生物的两种类型的终止序列原核生物的两种类型的终止序列:1.Type I(-independent)反向重复序列形成发夹结构使反向重复序列形成发夹结构使 DNA-RNA 结合不牢固结合不牢固.2.Type II(-dependent)因子的参与，使因子的参与，使DNA-RNA结合的形式被破坏结合的形式被破坏.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年不依赖不依赖不依赖不依赖Rho Rho R

24、ho Rho 因子因子因子因子发夹结构和发夹结构和poly(U)序列序列因为回文序列的存在形成发夹结构因为回文序列的存在形成发夹结构黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年“Hairpin”结合不紧密A:U对与G:C对.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年转录终止区的终止信号的存在转录终止区的终止信号的存在转录终止区的终止信号的存在转录终止区的终止信号的存在黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年终止信号终止信号终止信号终止信号黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年依赖于依赖于依赖于依赖于RhoRh

25、o因子因子因子因子Rho具有水解酶活性，促使新生的具有水解酶活性，促使新生的RNA链从链从转录的三元复合物中解离出来转录的三元复合物中解离出来有发夹结构但没有有发夹结构但没有poly(U)序列序列黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年依赖于依赖于依赖于依赖于Rho Rho Rho Rho 因子因子因子因子黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年依赖于依赖于依赖于依赖于RhoRho因子因子因子因子:“Rho”是细菌中的一种终止转录的因子是一个相对分子质量为2.0*106的六聚体蛋白-结合一段序列特异的长约72base的ssRNA通过NTP的水解促使新生链与模板链的分离。黄冈

26、师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年聚合酶的移动与超螺旋黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年负超螺旋负超螺旋负超螺旋负超螺旋正超螺旋正超螺旋正超螺旋正超螺旋黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年真核生物的转录真核生物的转录黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年原核生物只有一种原核生物只有一种RNA聚合酶聚合酶转录转录 mRNAs,tRNAs,和和 rRNAs真核生物的转录更为复杂：真核生物的转录更为复杂：真核生物有三种真核生物有三种RNA聚合酶聚合酶:1.RNA polymerase I,主要转录

27、主要转录 12S,18S,5.8S rRNAs 2.RNA polymerase II,转录转录 mRNAs 和一些和一些 snRNAs3.RNA polymerase III,转录转录 tRNAs,5S rRNA,和和 snRNAs*rRNAs 的的S values 是指是指RNA分子的大小，由蔗糖梯度离心决定分子的大小，由蔗糖梯度离心决定黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年RNAP（RNA polymerase）的作用和存在位置(P69)黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶 II 启动子启动子(a.k.a.Class II)有有

28、 4 个组成部分个组成部分:1.上游调控元件上游调控元件2.TATA Box(at approx.25)3.起始区起始区 4.下游调控元件下游调控元件Many class II promoters lack 3 and 4.1.2.3.4.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶 II 的的TATA BoxTATA box =TATAAAA转录起始位点转录起始位点需要一些辅助因子的参与需要一些辅助因子的参与.有的有的真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶 II 启动子启动子(e.g.,管家基因管家基因 or 发育调控基因发育调控基因(e.g.,homeo

29、tic)不需要不需要 TATA box.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年转录从约转录从约25-30bpTATAbox25-30bpTATAbox的一嘌呤开始的一嘌呤开始.SV40 的转录分析。in vivo.Normal promoter.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年上游序列的分析上游序列的分析有几类有几类在许多在许多真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶 II 的上游序列中发现两种的上游序列中发现两种:1.GC boxes(GGGCGG and CCGCCCC)起始转录起始转录可能有多个拷贝可能有多个拷贝必需与必需与 TATA box紧密连锁紧密连锁(不同

30、于增强子不同于增强子)结合结合 Sp1 因子因子2.CCAAT box起始转录起始转录结合结合 CCAAT-转录结合因子转录结合因子(CTF)or CCAAT/enhancer-binding protein（增强子结合蛋白）（增强子结合蛋白）(C/EBP)黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶 I Promoters(for nRNAP I)与与真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶 II相比，保守性要差相比，保守性要差通常有两部分通常有两部分:UCE 上游调控元件上游调控元件:人的人的-150 to

31、 -100 rRNACore:from-45 to+20两者间的距离有一定影响两者间的距离有一定影响-150 -100 -50 +20UCECore黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶 III(for nRNAP III)2 类类:1.内部启动子内部启动子-5S rRNA(Box A,Box C)-tRNA(Box A,B)2.Class II 类启动子类启动子-含含 TATA box-7SL gene,在编码区上游在编码区上游黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年增强子和沉默子增强子和沉默子增强子使转录作用增强增强子使转录作用增强,

32、沉默子停止转录沉默子停止转录.没有方向性没有方向性.序列倒置后没有影响其效果的发挥序列倒置后没有影响其效果的发挥没有位置效应没有位置效应.可以在与启动子相距很远的地方发挥作用可以在与启动子相距很远的地方发挥作用在基因上游、下游或内部都有发现在基因上游、下游或内部都有发现 与转录调控因子结合与转录调控因子结合.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年原核和真核生物原核和真核生物mRNA的差异的差异黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年原核生物原核生物1.转录的转录的mRNA是成熟的，不需要加工便可直接进行翻译是成熟的，不需要加工便可直接进行翻译.2.由于原核生物没有细胞核，

33、其没有完成转录的由于原核生物没有细胞核，其没有完成转录的mRNA同样同样可以在核糖体上进行转录可以在核糖体上进行转录(i.e.,转录与翻译同时进行转录与翻译同时进行).3.原核生物的是多顺反子，它们包含的氨基酸的信息不只代表原核生物的是多顺反子，它们包含的氨基酸的信息不只代表一个基因一个基因.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年真核生物：真核生物：1.转录后的转录后的mRNA是不成熟的是不成熟的(pre-mRNA)，有一，有一个加工的过程。个加工的过程。2.转录和翻译分开进行（翻译之前转录和翻译分开进行（翻译之前mRNA必需转运必需转运到细胞质中）到细胞质中）.3.真核生物真核生

34、物mRNAs是单顺反子是单顺反子,它只包含一个基因它只包含一个基因的信息的信息.黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年原核细胞和真核细胞原核细胞和真核细胞黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年真核生物的成熟真核生物的成熟mRNA产物产物黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年转录后的多步修饰过程转录后的多步修饰过程1.转录转录2.5加帽加帽3.3 成熟成熟:剪切剪切&加多聚加多聚A尾巴尾巴4.剪切剪切5.编辑编辑 6.将将 RNA 输入细胞质输入细胞质7.稳定和不稳定的稳定和不稳定的 mRNA8.翻译翻译黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年真核基

35、因的结构真核基因的结构黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年1978Gilbert真核生物基因的新概念真核生物基因的新概念Exon(外显子外显子)DNA与成熟与成熟RNA间的对应区域间的对应区域氨基酸的编码区（氨基酸的编码区（aminoacidcodingregion）非间隔区（非间隔区（unspacer）黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年Intron(内含子内含子)is a segment of DNA that is transcribed(转录),but removed from within the transcript(转录物)by splicing(剪接

36、)together the sequences(exons)on either side of it.DNA与成熟与成熟RNA间的非对应区域间的非对应区域氨基酸的非编码区（氨基酸的非编码区（uncodingregion）间隔区（间隔区（spacer）黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年PrecursormRNA(pre-mRNA)HeterogeneousnuclearRNA(HnRNA)真核生物基因的转录物又称为真核生物基因的转录物又称为真核生物基因又称为真核生物基因又称为SplittinggeneInterruptedgene间隔基因，断裂基因间隔基因，断裂基因前体前体mRN

37、A,核内不均一核内不均一RNA黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年间隔基因间隔基因真核生物的结构基因是由若干真核生物的结构基因是由若干exon 和和intron 相间隔排列相间隔排列的序列组成的间隔基因的序列组成的间隔基因l间隔基因的普遍性间隔基因的普遍性a)in Eukaryotsmost of structural gene tDNA,rDNA mtDNA,cpDNA黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年l间隔基因概念的相对性间隔基因概念的相对性c)并非真核生物所有的结构基因均为并非真核生物所有的结构基因均为间隔基因间隔基因不是不是间隔基因间隔基因b)Exon并非

38、并非“表里如一表里如一”a)Intron并非并非“含而不露含而不露”人类尿激酶原基因人类尿激酶原基因Exon I 不编码不编码氨基酸序列氨基酸序列组蛋白基因家族组蛋白基因家族Yeast 中多数基因（中多数基因（ADH）黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年原核生物基因组小原核生物基因组小“无功能无功能”的的intron成为快速复制的包袱成为快速复制的包袱一切生物最初均具有一切生物最初均具有一切生物最初均具有一切生物最初均具有exon,intronexon,intron，有利于遗传稳定与进化有利于遗传稳定与进化有利于遗传稳定与进化有利于遗传稳定与进化断裂基因的形成假说的形成假说内含子

39、后生论（Intron late IL）内含子先存论内含子先存论（Intron early IE）黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年多数原核生物基因无多数原核生物基因无intron但个别具有但个别具有intron的基因的基因其位点与真核生物相似其位点与真核生物相似triosephosphateisomerase(TPI)in曲酶素曲酶素Aspergillus,玉米玉米Maize,鸡鸡Chicken古老基因的进化古老基因的进化内含子先存论内含子先存论（Intron early IE）黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年果蝇果蝇Cyt.C基因内基因内无无intron人人

40、Cyt.C基因内基因内有有intron进化论进化论有有intron是进化的高级形式是进化的高级形式担子菌担子菌烟蚜夜蛾烟蚜夜蛾秀丽新小杆线虫秀丽新小杆线虫7个个Introns位置分布完全符合位置分布完全符合 随机插入的理论原则随机插入的理论原则9种动物种动物5种植物种植物5种真菌、种真菌、5种原生动物种原生动物21个个IntronsLogsdon J.M.（1995）比较比较内含子后生论内含子后生论（Intron late IL）黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年One genes Intron is another genes Exon (Nature 1981.289 p4

41、39)tVp1Vp2Vp3SV405000bpT通过改变读码框架，利用通过改变读码框架，利用intron 编码基因编码基因（SV40 T 抗原,t 抗原）黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年断裂基因存在的生物学意义断裂基因存在的生物学意义a)有利于遗传的相对稳定有利于遗传的相对稳定 突变频率即使错误剪接留下的即使错误剪接留下的intron部分部分被被mRNA监测系统降解，监测系统降解，避免病变和死亡避免病变和死亡in intron in exon （剪除）（剪除）（密码）（密码）黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年b)增加变异机率，增加变异机率，有利于生物的进化有利

42、于生物的进化 Pu=P0(1-u)n for point mutation不对称交换形成不对称交换形成splitting gene是生物体产生变异导致进化的重要途径之一是生物体产生变异导致进化的重要途径之一splittinggene（含有（含有intron）增加了基因的长度增加了基因的长度增加了基因内的重组交换几率增加了基因内的重组交换几率有利于形成变异和生物多样性有利于形成变异和生物多样性黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年对对intron 不同方式的剪接（选择性剪接），形成不同的基不同方式的剪接（选择性剪接），形成不同的基因产物因产物c)扩大生物体的遗传信息储量扩大生物体的遗

43、传信息储量黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年真核生物真核生物mRNA的的加工成熟加工成熟没有加工的转录产物称为没有加工的转录产物称为pre-mRNA,在输出细胞核前在输出细胞核前必需进行加工必需进行加工.mRNA加工加工的最后一步是输出细胞核的最后一步是输出细胞核.RNA加工加工:1.由鸟苷酸转移酶在由鸟苷酸转移酶在5端加上一个端加上一个G.2.由由poly-A合成酶在合成酶在3末末端加上端加上40-200个碱基左右的个碱基左右的poly(A)尾巴尾巴.3.由由剪切体去除内含子剪切体去除内含子黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年RNA 加帽加帽1.5端的端的G是后

44、来加上去的是后来加上去的(i.e.,Gnotencoded)2.将将7Me鸟苷酸加到第一个碱基前，其帽子结构常被甲基化鸟苷酸加到第一个碱基前，其帽子结构常被甲基化.3.可能使可能使mRNA免受免受RNase的破坏。的破坏。4.除组蛋白外，真核生物除组蛋白外，真核生物mRNA都有帽子结构。都有帽子结构。黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年帽子结构的功能帽子结构的功能Cap provides:1.免受核酸酶的攻击免受核酸酶的攻击2.增强翻译速度增强翻译速度3.提高核输出速度提高核输出速度4.对于某些对于某些mRNAs，能提高剪切第一个

45、，能提高剪切第一个内含子的速度内含子的速度黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年Pre-mRNA加工的第二步：加工的第二步：加加 Poly（A）1.真核基因的真核基因的3末端转录终止位点上游末端转录终止位点上游15-30bp处保守序列处保守序列AAUAA对于初级转录产物的准确切割及加对于初级转录产物的准确切割及加poly(A)是必需的。是必需的。2.是细胞核进入细胞质所必需的，提高了是细胞核进入细胞质所必需的，提高了mRNA在细胞质中的稳在细胞质中的稳定性。定性。多数细胞质中的多数细胞质中的mRNAs有一长度为有一长度为50-250

46、的多聚的多聚A尾巴。尾巴。除组氨酸除组氨酸mRNAs由酶：由酶：polyA聚合酶催化完成聚合酶催化完成在细胞质中可循环利用。在细胞质中可循环利用。黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年the Polya tailthe Polya tail的功能的功能1.增加增加 mRNA 的稳定性的稳定性-polyA 尾巴过短会使尾巴过短会使 mRNA快速降解快速降解2.增强翻译增强翻译-以增加核糖体的数量实现以增加核糖体的数量实现-结合一种称为结合一种称为PAB1的的 结合蛋白结合蛋白-与帽子结构相互协作来实现促进与帽子结构相互协作来实现促进!黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年

47、Methods:Firefly luciferase荧光素酶基因 mRNAs(with 5 and 3 UTRs from a plant gene)were electroporated into protoplasts.At intervals,the amount of luciferase mRNA was checked(to determine half-life),and the amount of luciferase activity(which reflects the amount of translation product).即统计荧光素基因mRNA的数量和其酶活黄冈

48、师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年加多聚加多聚A尾巴的机制尾巴的机制1.在模板上不存在相应序在模板上不存在相应序列列2.在在mRNA的的3末端切割末端切割(in green)3.加约加约250As到到 3 end4.被切除的被切除的 RNA(in red)被降解被降解黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年加加PolyA信号信号哺乳动物和植物的AAUAAA序列位于 polyA位点的位点的 20-30 bp其它位点也有存在但是效率不高其它位点也有存在但是效率不高通过在细胞内进行突变发现，通过在细胞内进行突变发现，AAUAAA 下游的其下游的其它两个结构也很重要它两个结构也很

49、重要:1.富含GU区2.富含U区黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年RNA 剪接剪接就是去除基因型存在就是去除基因型存在的内含子结构的内含子结构内含子（内含子（Intron）的精确去除是由内含的精确去除是由内含子中的边界序列确定子中的边界序列确定的的黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年Introns and exons（内含子与外显子）（内含子与外显子）:真核生物的真核生物的 pre-mRNAs 的内含子在的内含子在 RNA 加工过程加工过程 中去除中去除.intron=介于外显子间的非编码介于外显子间的非编码DNA

50、序列序列.exon=基因中能够进行表达成蛋白质的编码基因中能够进行表达成蛋白质的编码DNA序列序列.1993:Richard Roberts(New England Biolabs)&Phillip Sharp(MIT)黄冈师范学院生物系生化与分子教研室杨谷良2005年mRNA 中外显子的拼接和内含子的去除中外显子的拼接和内含子的去除:1.内含子通常具有内含子通常具有 5-GT(U)和和 AG-3边界序列边界序列.2.剪接作用首先在内含子的剪接作用首先在内含子的 5进行进行.3.内含子形成套索结构内含子形成套索结构.4.切除内含子后，外显子进行拼接切除内含子后，外显子进行拼接.5.拼接作用由剪