分子生物学基础-RNA的生物合成和损伤修复

A-T，G-C
A-U，T-A，G-C
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目录
第一个内容
参与转录的主要物质
The reagent of transcription
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一、转录模板
• 结构基因：能转录出RNA的DNA区段 • 不对称转录（asymmetric transcription）：
在DNA双链分子上，一股链可转录，另一股链 不转录
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DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引 物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能 直接启动RNA链的延长。
RNA聚合酶和DNA的特殊序列——启动 子(promoter)结合后，就能启动RNA合成。
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核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme)
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真核生物的RNA聚合酶
调控序列
结构基因
5
RNA-pol
3
3
5
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调控序列中的启动子是RNA聚合酶结合模 板DNA的部位，也是控制转录的关键部位。 原核生物以RNA聚合酶全酶结合到DNA的 启动子上而起动转录，其中由σ亚基辨认启 动子，其他亚基相互配合。
对启动子的研究，常采用一种巧妙的方法
即RNA聚合酶保护法。
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茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构
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RNA-pol
5
3
3
5
5pppG
茎环结构使转录终止的机理
• 使RNA聚合酶变构，转录停顿； • 使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。
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第三个内容 真核生物的转录过程
The Process of Transcription in Eukaryote
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四、DNA损伤的修复有多种类型
修复(repairing)是对已发生分子改变的补 偿措施，使其回复为原有的天然状态。
修复的主要类型：
➢ 错配修复(mismatch repair)
➢ 直接修复(direct repair)
➢ 光修复(light repairing)
➢ 切除修复(excision repairing)
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（一）错配 DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。
1. 转换 2. 颠换
发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另 一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。
发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶 或嘧啶变嘌呤。
5
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正常成人Hb (HbA)β亚基
肽链 N-val ·his ·leu ·thr ·pro ·glu ·glu ······
模板链并非永远在同一单链上
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不对称转录 结构基因
5
编码链
3
模板链
转录方向
转录方向
模板链
3
编码链
5
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转录中起模板作用的只是两条互补DNA中的一 条称为模板链(template strand)，与其互补的称为 非 模 板 链 (nontemplate strand) 或 编 码 链 (coding strand) 。
起始点上游多数有共同的TATA序列，称 为Hognest盒或TATA盒(TATA box)。通常 认为这就是启动子的核心序列。
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许多RNA聚合酶II识别的启动子具有保守的 共有序列：位于转录起始点附近的起始子 (intiator，Inr) 。
启动子上游元件是位于TATA盒上游的DNA 序列，多在转录起始点约-40～-100nt的位置， 比较常见的是GC盒和CAAT盒。
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真核生物的转录过程比原核复杂。二者的 转录起始过程有较大区别，转录终止也不 相同。
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一、 真核生物有三种DNA依赖性 RNA聚合酶
真核生物具有3种不同的RNA聚合酶 :
➢ RNA聚合酶Ⅰ（RNA PolⅠ） ➢ RNA聚合酶Ⅱ（RNA PolⅡ） ➢ RNA聚合酶Ⅲ（RNA Pol Ⅲ）
(Pribnow box)
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目录Βιβλιοθήκη RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合:
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RNA聚合酶特点
不需要引物 只以一条DNA链为模板 底物为NTP 催化RNA合成方向为5`→3`，合成是连续的 只有聚合酶活性，没有降解活性 能识别转录终止信号 与调节转录的多种蛋白质因子相互作用，从而调节
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二、转录起始需要启动子 、RNA聚合酶 和转录因子的参与
（一）转录起始前的上游区段具有启动子 核心序列
➢ 不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始 点上游可以有不同的DNA序列，但这些序列都 可统称为顺式作用元件(cis-acting element)。
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一个典型的真核生物基因上游序列:
➢ DNA分子内较大片段的交换，称为重组或 重排。
➢ 移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置 （倒位），也可以在染色体之间发生交换 重组。
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由基因重排引起的两种地中海贫血基因型：
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DNA损伤（突变）可能造成两种结果：其一是 导致复制或转录障碍（如胸腺嘧啶二聚体，DNA骨 架中产生切口或断裂）；其二是导致复制后基因突 变（如胞嘧啶自发脱氨基转变为尿嘧啶），使DNA 序列发生永久性改变。所以，必须通过进化使细胞 拥有灵敏的机制，以识别和修复这些损伤，否则细 胞无法维持正常代谢。
转录 (transcription)
生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。
DNA
转 录
RNA
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复制和转录的区别
模板 原料 酶 产物
配对
复制
转录
两股链均复制 模板链转录（不对称转录）
dNTP
NTP
DNA聚合酶
RNA聚合酶（RNA-pol）
子代双链DNA mRNA，tRNA，rRNA （半保留复制）
5’ 调控序列
-30 TATAAA
TATA盒
+1
YYAN
T A
YY
3’
Inr
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顺式作用元件包括启动子、启动子上游元 件 (upstream promoter elements) 或 promoter-proximal elements)等近端调控元 件和增强子(enhancer)等远隔序列。
基因的表达
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三、底物
ATP、GTP、CTP、UTP 是RNA合成的原料
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第二个内容
转录的过程
The procedure of transcription
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一、起始阶段
转录过程：分为起始、延长、终止三个阶段
• 起始阶段： RNA聚合酶的亚基辨认起始位点， 并以全酶形式与DNA模板结合，形成第一个磷 酸二酯键， 亚基脱离
第四章
DNA损伤修复
DNA Damage Repair
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一、突变
概念：在某些特殊情况下，基因DNA的 碱基顺序发生改变
意义：进化、分化的分子基础； 致死性； 某些疾病的发病基础；表现型无改变
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二、遗传信息的突变来源
DNA复制产生误差 化学或物理损伤 转座子（transposons）的转座作用
5 CGCTATAGCGTTT 3 DNA编码链 3 GCGATATCGCAAA 5 DNA模板链 5 CGCUAUAGCGUUU 3 RNA转录物
DNA模板链、编码链和RNA转录本之间的关系
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二、RNA聚合酶
原核生物RNA聚合酶 由2、、`、 、六个亚基组成 亚基辨认转录起始位点 2 `为核心酶 亚基：决定被转录的基因类型和种类 亚基：与NTP的聚合有关 `亚基：参与模板结合及局部解开
增强子是能够结合特异基因调节蛋白， 促 进邻近或远隔特定基因表达的DNA序列。
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顺式作用元件(cis-acting element)
修饰点 切离加尾
AATAAA
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E.coli的切 除修复机制
UvrC
UvrA
UvrB
OH P
DNA聚合酶Ⅰ OH P
DNA连接酶 ATP
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➢ 核苷酸切除修复不仅能够修复整个基因组中 的损伤，而且能拯救因转录模板链损伤而暂 停转录的RNA聚合酶，即参与转录偶联修复 (transcription-coupled repair)。
➢ 缺失或插入都可导致框移突变 。 ➢ 框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造
成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。
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缺失引起框移突变：
正常 5’ ……G C A G U A C A U G U C ……
丙
缬
组缬
缺失C 5’ ……G A G U A C A U G U C ……
谷
酪
蛋
丝
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（三）重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病
➢这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能 力差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是 可存活的。然而DNA保留的错误较多，导致 较广泛、长期的突变。
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第五章
RNA的生物合成及转 录后加工
RNA Biosynthesis and Posttranscription processing
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目录
目录
RNA聚合 酶保护法
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目录
用RNA聚合酶保护法研究转录起始区
RNA聚合酶保护区 结构基因
5
3
3
5
5
3
-50 -40 -30 -20 -10 1 10
3
5
-35 区
TTGACA AA C T G T RNA-pol辨认位点 (recognition site)
开始转录 -10 区
T A T A A T Pu A T A T T A Py
种类 转录产物
Ⅰ 45S-rRNA
对鹅膏蕈碱 的反应
耐受
Ⅱ hnRNA
极敏感
Ⅲ 5S-rRNA
tRNA snRNA 中度敏感
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三、RNA聚合酶结合到DNA的启动子 上起动转录
转录是不连续、分区段进行的。
每一转录区段可视为一个转录单位，称为 操纵子(operon)。操纵子包括若干个结构 基因及其上游(upstream)的调控序列。
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三、突变的类型
点突变(point mutation)——错配 转换：嘌呤被嘌呤取代，或嘧啶被嘧啶取代 颠换：嘌呤变嘧啶，或嘧啶变嘌呤
缺失(deletion)、插入(insertion)和框移突变 （frameshift mutation）
重排(rearrangment)：DNA分子内发生较大片段的 交换
基因 C
CTC GAG
镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) β亚基
肽链 N-val ·his ·leu ·thr ·pro ·val ·glu ······
基因 C
CAC
GTG
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（二）缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸 排列顺序发生改变
➢ 缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子 上消失。
➢ 插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插 入到DNA大分子中间。
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目录
DNA
5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT... 3
5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU... 3`
UUUU...…
UUUU...…
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二、延长阶段
1. 亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模 板结合松弛，沿着DNA模板前移；
2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链从 5`→3`方向不断延长。
(NMP)n + NTP
(NMP)n+1 + PPi
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转录复合物——酶-DNA-RNA复合物
转录过程中，RNA聚合酶及其所覆盖的 DNA双链以及合成的RNA共同构成的复合物。又称为 转录空泡(transcription bubble)
➢ 转录偶联修复的意义在于，将修复酶集中于 正在转录的DNA，使该区域的损伤尽快得以 修复。
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（三）重组修复
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（四）SOS修复
➢当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱 发出一系列复杂的反应。
➢在E. coli，各种与修复有关的基因，组成一个 称为调节子(regulon)的网络式调控系统。
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目录
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目录
三、终止阶段
转录的终止：RNA聚合酶或因子识别并结合DNA模 板上的终止信号，核心酶停止移动，RNA不再延长， 转录终止。
原核生物与真核生物有所不同
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目录
依赖（Rho）因子的转录终止
ATP
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目录
ρ(rho)-不依赖转录终止发生在大 肠杆特异的DNA序列
DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序 列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来 终止转录。
➢ 重组修复(recombination repairing)
➢ SOS修复
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（一）直接修复系统利用酶简单地逆转DNA损伤
UV
光修复酶 (photolyase)
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（二）核苷酸切除修复系统识别DNA双螺旋变形
➢ 这是细胞内最重要和有效的修复方式。 ➢ 其过程包括去除损伤的DNA，填补空隙和连接。 ➢ 主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。