轉(zhuǎn)錄
轉(zhuǎn)錄是指由DNA合成RNA的過(guò)程。在轉(zhuǎn)錄期間,RNA聚合酶根據(jù)需要將一個(gè)基因的DNA拷貝成mRNA,這個(gè)過(guò)程在真核生物和原核生物中是相似的。
與原核生物明顯不同的是,真核RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中與mRNA加工酶結(jié)合,因此,真核生物的mRNA加工可以在轉(zhuǎn)錄開(kāi)始后快速進(jìn)行。短壽命的未加工或部分加工的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)品稱(chēng)為前體mRNA或pre-mRNA;一旦加工完全,它被稱(chēng)為成熟mRNA。 真核pre-mRNA加工
mRNA的加工在真核生物、細(xì)菌和古細(xì)菌中差異很大。實(shí)質(zhì)上,非真核mRNA在轉(zhuǎn)錄時(shí)是成熟的,除極少數(shù)情況外不需要加工。然而,真核pre-mRNA需要大量加工。
5’端加帽子:5‘ 帽(也稱(chēng)為RNA帽,RNA 7-甲基鳥(niǎo)苷帽或RNA m7G帽)就是一個(gè)經(jīng)修飾的鳥(niǎo)嘌呤核苷酸,在轉(zhuǎn)錄開(kāi)始不久后就被添加到新產(chǎn)生的真核mRNA的“前”即5'末端。 5’帽由末端7-甲基鳥(niǎo)苷殘基組成,它通過(guò)5'-5'-三磷酸鍵與第一轉(zhuǎn)錄出的核苷酸連接。它的存在對(duì)于核糖體的識(shí)別和對(duì)mRNA的保護(hù)至關(guān)重要。 3’端加尾:是指聚腺苷酰基部分與mRNA分子的共價(jià)連接。在真核生物中,大多數(shù)信使RNA(mRNA)分子在3'末端被多聚腺苷酸化。Poly A尾巴和與其結(jié)合的蛋白質(zhì)有助于保護(hù)mRNA免于被核酸外切酶降解。3’端加尾對(duì)于轉(zhuǎn)錄終止,從細(xì)胞核輸出mRNA和翻譯也很重要。 原核生物中的mRNA也常被3’端加尾,但此時(shí)的poly(A)尾巴促進(jìn)而不是防止核酸外切酶對(duì)mRNA的降解。 mRNA的轉(zhuǎn)運(yùn)
真核生物和原核生物之間的另一個(gè)區(qū)別是mRNA的轉(zhuǎn)運(yùn)。由于真核轉(zhuǎn)錄和翻譯是在不同的細(xì)胞器內(nèi)進(jìn)行的,真核mRNA必須從細(xì)胞核輸出到細(xì)胞質(zhì)。 這一過(guò)程可能受不同信號(hào)通路的調(diào)節(jié)。成熟的mRNA通過(guò)其加工的修飾被識(shí)別,在結(jié)合帽結(jié)合蛋白CBP20和CBP80及轉(zhuǎn)錄/輸出復(fù)合物(TREX)后通過(guò)核孔被輸出到細(xì)胞質(zhì)。 mRNA的翻譯
因?yàn)樵薽RNA不需要加工或轉(zhuǎn)運(yùn),所以原核生物mRNA在核糖體的翻譯可以在轉(zhuǎn)錄結(jié)束后立即開(kāi)始。因此,可以說(shuō)原核生物的mRNA翻譯與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)發(fā)生。
已經(jīng)加工并轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)的真核mRNA(即成熟mRNA)在核糖體的翻譯發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中自由漂浮的核糖體中,或者通過(guò)信號(hào)識(shí)別顆粒導(dǎo)向到的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。因此,與原核生物不同,真核生物的mRNA翻譯不直接與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)。在某些情況下甚至可能發(fā)生這樣的情況,即mRNA水平的降低卻伴隨著蛋白質(zhì)水平的增加。 相關(guān)課程
第一節(jié)DNA轉(zhuǎn)錄生成RNA
一、定義
一轉(zhuǎn)錄單位
二、RNA聚合酶
以DNA為模板形成信使RNA的過(guò)程
一酶的特性:以4種NTP為底物,需模板和鎂離子,合成方向也是5 ’-3’,但不需要引物。二酶的分類(lèi):
1.噬菌體的RNA聚合酶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,是單鏈蛋白,功能也簡(jiǎn)單。 2.細(xì)菌則具有復(fù)雜的多亞基結(jié)構(gòu)(450Kd),可識(shí)別并轉(zhuǎn)錄超過(guò)1000個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。
3.真核生物的酶有多種,根據(jù)a-鵝膏蕈堿(環(huán)狀8肽,阻斷RNA延伸)的抑制作用可分為三類(lèi):聚合酶A對(duì)它不敏感,分布于核仁,轉(zhuǎn)錄核糖體RNA;聚合酶B對(duì)低濃度敏感,存在于核質(zhì),轉(zhuǎn)錄信使RNA;聚合酶C位于核質(zhì),對(duì)高濃度敏感,轉(zhuǎn)錄小分子量RNA,如轉(zhuǎn)運(yùn)RNA、5SRNA等。各種RNA聚合酶都是由10-15種不同亞基組成的多亞基復(fù)合物。
4.線(xiàn)粒體和葉綠體也有RNA聚合酶,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能合成所有種類(lèi)RNA。 三酶的構(gòu)成:大腸桿菌的全酶有5個(gè)亞基(α2ββ’ωσ),含2個(gè)鋅。β催化形成磷酸二酯鍵,β’結(jié)合模板,σ亞基稱(chēng)為起始因子,可使RNA聚合酶穩(wěn)定地結(jié)合到啟動(dòng)子上。ββ’ωσ稱(chēng)為核心酶。σ亞基在不同菌種間變動(dòng)較大,而核心酶比較恒定。酶與不同啟動(dòng)子的結(jié)合能力不同,不同啟動(dòng)因子可識(shí)別不同的啟動(dòng)子。σ70識(shí)別啟動(dòng)子共有序列,σ32識(shí)別熱休克基因,σ60在氮饑餓時(shí)起作用。σ通過(guò)隨機(jī)移動(dòng)起作用,不需解鏈。 三、轉(zhuǎn)錄過(guò)程
分為起始、延長(zhǎng)和終止三個(gè)階段。起始包括對(duì)雙鏈DNA特定部位的識(shí)別、局部(17bp)解鏈以及在最初兩個(gè)核苷酸間形成磷酸二酯鍵。第一個(gè)核苷酸摻入的位置稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)。
起始后起始因子離開(kāi),核心酶構(gòu)象改變,沿模板移動(dòng),轉(zhuǎn)錄生成雜交雙鏈(12bp)。隨后DNA互補(bǔ)鏈取代RNA鏈,恢復(fù)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。延伸速度為50nt/s,酶移動(dòng)17nm。錯(cuò)誤幾率為10-5。 聚合酶到達(dá)終點(diǎn)時(shí),在終止輔助因子的幫助下停止反應(yīng),酶和RNA鏈脫落,轉(zhuǎn)錄結(jié)束。 四、啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子
一定義:酶識(shí)別、結(jié)合、開(kāi)始轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。強(qiáng)啟動(dòng)子2秒鐘啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)錄,弱啟動(dòng)子10分鐘一次。 二原核生物:大腸桿菌在起點(diǎn)上游約-10堿基對(duì)處有保守序列TATAAT,稱(chēng)為pribnow box,有助于局部解鏈。在其上游還有TTGACA,稱(chēng)為-35序列,提供RNA聚合酶識(shí)別的信號(hào)。 三真核生物:復(fù)雜,差異較大。
1.信使RNA的啟動(dòng)子通常有三個(gè)保守區(qū),-25到-30有TATA框,是解鏈位置,并決定轉(zhuǎn)錄起點(diǎn);-75位置有CAAT框,與RNA聚合酶的結(jié)合有關(guān);更上游還有GC框,某些轉(zhuǎn)錄因子可結(jié)合。后兩個(gè)稱(chēng)為上游因子,對(duì)轉(zhuǎn)錄起始頻率有較大影響;
2. 小RNA的啟動(dòng)子在轉(zhuǎn)錄區(qū)內(nèi)部,有一些輔助因子幫助RNA聚合酶識(shí)別。
一定義
二所有原核生物的終止子在終點(diǎn)之前都有一個(gè)回文結(jié)構(gòu),可使酶減慢移動(dòng)或暫停合成。大腸桿菌有兩類(lèi)終止子: 1. 簡(jiǎn)單終止子,回文區(qū)有一段富含GC對(duì)的序列,回文后有寡聚尿苷。
2.依賴(lài)ρ的終止子,必須在有ρ因子時(shí)才能發(fā)揮作用,不含GC對(duì),也無(wú)寡聚尿苷。ρ因子是蛋白質(zhì),可與酶作用,釋放RNA,并使酶脫離。 三某些因子可使酶越過(guò)終止子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄,稱(chēng)為通讀。常見(jiàn)于某些噬菌體的時(shí)序控制,早期基因與晚期基因以終止子相隔,早期基因產(chǎn)生抗終止因子,使發(fā)生通讀以表達(dá)晚期基因。 六、轉(zhuǎn)錄的調(diào)控
一遺傳信息的表達(dá)有時(shí)序調(diào)控和適應(yīng)調(diào)控,轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是關(guān)鍵環(huán)節(jié),因?yàn)檫@是表達(dá)的第一步。轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要發(fā)生在起始和終止階段。 二操縱子是細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)控的單位,有正調(diào)節(jié)和負(fù)調(diào)節(jié)因子。阻遏蛋白的作用屬于負(fù)調(diào)控。環(huán)腺苷酸通過(guò)其受體蛋白(CRP)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄,可促進(jìn)許多誘導(dǎo)酶的合成。操縱子可構(gòu)成綜合性調(diào)控網(wǎng)絡(luò),如SOS反應(yīng)等。對(duì)終止子也有調(diào)控作用,如衰減子。 三真核生物不組成操縱子,而是通過(guò)激素、生長(zhǎng)因子等進(jìn)行調(diào)控。某些DNA序列對(duì)轉(zhuǎn)錄起增強(qiáng)作用,稱(chēng)為增強(qiáng)子。 第二節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工
一、原核生物
一核糖體RNA:大腸桿菌共有7個(gè)核糖體RNA的轉(zhuǎn)錄單位,每個(gè)轉(zhuǎn)錄單位由16S、23S、5SRNA和若干轉(zhuǎn)運(yùn)RNA基因組成。16S和23S之間常由轉(zhuǎn)運(yùn)RNA隔開(kāi)。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在RNA酶III的作用下裂解產(chǎn)生核糖體RNA的前體P16和P23,再由相應(yīng)成熟酶加工切除附加序列。前體加工時(shí)還進(jìn)行甲基化,產(chǎn)生修飾成分,特別是a-甲基核苷。N4,2’-O二甲基胞苷(m4Cm)是16S核糖體RNA特有成分。5S核糖體RNA一般無(wú)修飾成分。
二轉(zhuǎn)運(yùn)RNA:有60個(gè)基因,其加工包括:
1.內(nèi)切酶在兩端切斷,大腸桿菌RNA酶P是5’成熟酶;
2.外切酶從3’修剪,除去附加順序。RNA酶D是3’成熟酶; 3.3’端加上CCAOH,由轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核苷酰轉(zhuǎn)移酶催化,某些轉(zhuǎn)運(yùn)RNA已有,切除附加序列后即露出;
4.核苷的修飾:修飾成分包括甲基化堿基和假尿苷,修飾酶具有高度特異性。甲基化對(duì)堿基和序列都有嚴(yán)格要求,一般以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體。 三信使RNA:細(xì)菌多數(shù)不用加工,轉(zhuǎn)錄與翻譯是偶聯(lián)的。也有少數(shù)多順?lè)醋有攀筊NA必須由內(nèi)切酶切成較小的單位,然后翻譯。如核糖體大亞基蛋白與RNA聚合酶的b亞基基因組成混合操縱子,轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)RNA酶III切開(kāi),各自翻譯。因?yàn)镽NA聚合酶的合成水平低得多,切開(kāi)有利于各自的翻譯調(diào)控。較長(zhǎng)的RNA會(huì)產(chǎn)生高級(jí)結(jié)構(gòu),不利于翻譯,切開(kāi)可改變其結(jié)構(gòu),從而影響其功能。
二、真核生物
一核糖體RNA:基因拷貝數(shù)多,在幾十到幾千之間?;虺纱嘏帕性谝黄穑?/span>RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)較長(zhǎng)的前體,哺乳動(dòng)物為45S。核仁是rRNA合成與核糖體亞基生物合成的場(chǎng)所。RNA酶III等核酸內(nèi)切酶在加工中起重要作用。5SRNA基因也是成簇排列的,由RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄,經(jīng)加工參與構(gòu)成大亞基。核糖體RNA可被甲基化,主要在核苷2’羥基,比原核生物甲基化程度高。多數(shù)核糖體RNA沒(méi)有內(nèi)含子,有些有內(nèi)含子但不轉(zhuǎn)錄。 二轉(zhuǎn)運(yùn)RNA:由RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄,加工與原核相似,但3’端的CCA都是后加的,還有2’-O-甲基核糖。
三信使RNA:真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因以單個(gè)基因?yàn)檗D(zhuǎn)錄單位,但有內(nèi)含子,需切除。信使RNA的原初轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是分子量很大的前體,在核內(nèi)加工時(shí)形成大小不等的中間物,稱(chēng)為核內(nèi)不均一RNA(hnRNA)。其加工過(guò)程包括: 1.5’端加帽子:在轉(zhuǎn)錄的早期或轉(zhuǎn)錄終止前已經(jīng)形成。首先從5’端脫去一個(gè)磷酸,再與GTP生成5’,5’三磷酸相連的鍵,最后以S-腺苷甲硫氨酸進(jìn)行甲基化,形成帽子結(jié)構(gòu)。帽子結(jié)構(gòu)有多種,起識(shí)別和穩(wěn)定作用。 2. 3’端加尾:在核內(nèi)完成。先由RNA酶III在3’端切斷,再由多聚腺苷酸聚合酶加尾。尾與通過(guò)核膜有關(guān),還可防止核酸外切酶降解。 3. 內(nèi)部甲基化:主要是6-甲基腺嘌呤,在hnRNA中已經(jīng)存在??赡軐?duì)前體的加工起識(shí)別作用。 三、RNA的拼接
三信使RNA:真核生物編碼蛋白質(zhì)的核基因的內(nèi)含子屬于第二類(lèi)內(nèi)含子,左端為GT,右端為AG。先在左端切開(kāi),產(chǎn)生的5’末端與3’端上游形成5’,2’-磷酸二酯鍵,構(gòu)成套索結(jié)構(gòu)。然后內(nèi)含子右端切開(kāi),兩個(gè)外顯子連接起來(lái)。通過(guò)不同的拼接方式,可形成不同的信使RNA。 第三節(jié)RNA的復(fù)制
一、噬菌體QbRNA的復(fù)制
其RNA是單鏈,正鏈,侵入大腸桿菌后立即翻譯,產(chǎn)生復(fù)制酶的b亞基,與宿主的三個(gè)亞基(α為核糖體蛋白,γ、δ均為肽鏈延長(zhǎng)因子)構(gòu)成復(fù)制酶,進(jìn)行復(fù)制。先以正鏈為模板合成負(fù)鏈,再根據(jù)負(fù)鏈合成正鏈。合成負(fù)鏈時(shí)需要宿主的兩個(gè)蛋白因子,合成正鏈則不需要,所以可大量合成。病毒的蛋白質(zhì)合成受RNA高級(jí)結(jié)構(gòu)的調(diào)控。 二、病毒RNA復(fù)制的主要方式
一病毒含正鏈RNA,先合成復(fù)制酶,復(fù)制后合成其他蛋白質(zhì)進(jìn)行裝配。如噬菌體Qb及灰質(zhì)炎病毒。
二病毒含負(fù)鏈和復(fù)制酶,先合成正鏈,再合成病毒蛋白和復(fù)制病毒RNA。如狂犬病毒。 三病毒含雙鏈RNA和復(fù)制酶,如呼腸孤病毒。先復(fù)制正鏈,再翻譯成病毒蛋白,最后合成負(fù)鏈,形成雙鏈RNA分子。 第四節(jié)RNA生物合成的抑制劑
一、堿基類(lèi)似物
有些人工合成的堿基類(lèi)似物能干擾和抑制核酸的合成。作用方式有以下兩類(lèi):
一作為代謝拮抗物,直接抑制核苷酸生物合成有關(guān)酶類(lèi)。如6-巰基嘌呤進(jìn)入體內(nèi)后可轉(zhuǎn)變?yōu)閹€基嘌呤核苷酸,抑制嘌呤核苷酸的合成??勺鳛榭拱┧幬铮委?/span>急性白血病等。此類(lèi)物質(zhì)一般需轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的核苷酸才能表現(xiàn)出抑制作用。 二進(jìn)入核酸分子,形成異常RNA或DNA,影響核酸的功能并導(dǎo)致突變。5-氟尿嘧啶類(lèi)似尿嘧啶,可進(jìn)入RNA,與腺嘌呤配對(duì)或異構(gòu)成烯醇式與鳥(niǎo)嘌呤配對(duì),使A-T對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)镚-C對(duì)。因?yàn)檎<?xì)胞可將其分解,而癌細(xì)胞不能,所以可選擇性抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)。 二、DNA模板功能抑制物
一烷化劑:帶有活性烷基,能使DNA烷基化。鳥(niǎo)嘌呤烷化后易脫落,雙功能烷化劑可造成雙鏈交聯(lián),磷酸基烷化可導(dǎo)致DNA鏈斷裂。通常有較大毒性,引起突變或致癌。 二放線(xiàn)菌素類(lèi):可與DNA形成非共價(jià)復(fù)合物,抑制其模板功能。包括一些抗癌抗生素。
三嵌入染料:含有扁平芳香族發(fā)色團(tuán),可插入雙鏈DNA相鄰堿基對(duì)之間。常含丫啶或菲啶環(huán),與堿基大小類(lèi)似,可在復(fù)制時(shí)增加一個(gè)核苷酸,導(dǎo)致移碼突變。如溴乙啶。 三、RNA聚合酶抑制劑
一利福霉素:抑制細(xì)菌RNA聚合酶活性。
二利鏈菌素:與細(xì)菌RNA聚合酶b亞基結(jié)合,抑制RNA鏈的延長(zhǎng)。
mRNA分子的合成始于轉(zhuǎn)錄,并最終以降解結(jié)束。在被翻譯之前,真核mRNA分子通常需要大量加工和轉(zhuǎn)運(yùn),而原核mRNA分子則不需要。真核mRNA分子和它周?chē)牡鞍踪|(zhì)一起被稱(chēng)為信使RNP。