非编码区和编码区、真核生物的启动子、终止子,真核生物RNA的修饰

基因是由成千上万个核苷酸对组成。

组成基因的核苷酸序列可以分为不同区段。

在基因表达的过程中，不同区段所起的作用不同。

在遗传学上通常将能编码蛋白质的基因称为结构基因。

任何一个基因都包括非编码区和编码区。

能够转录为相应信使RNA，进而指导蛋白质合成(也就是能编码蛋白质）的区段叫做编码区。

不能转录为信使RNA、不能编码蛋白质的区段叫做非编码区。

非编码区位于编码区前后，同属于一个基因，控制基因的表达和强弱。

原核生物的基因
非编码区虽然不能编码蛋白质，但对遗传信息的表达是不可缺少的，因为在它上面由调控遗传信息表达的核苷酸序列，该序列中最重要的是位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。

启动子、终止子属于非编码区。

因为回文序列的特殊排列，大多都位于非编码区。

原核基因的编码区全部编码蛋白质，真核生物的结构基因是断裂的基因。

一个断裂基因能够含有若干段编码序列，可以编码蛋白质的序列称为外显子。

在两个外显子之间被一段不编码的间隔序列隔开，这些间隔序列称为内含子。

非编码区在每个断裂基因的第一个和最后一个外显子的外侧，有人称其为侧翼序列。

在侧翼序列上有一系列调控序列。

真核细胞的基因中编码区特点:间隔的、不连续的。

包括：外显子和内含子（位于编码区中的非编码序列）。

通常把基因转录起点前面即5’端的序列称为上游(upstream)，起点后面即3’端的序列称为下游(downstream)。

并把起点的位置记为十1，下游的核苷酸依次记为+2，+3，……，上游方向依次记为-1，-2，-3，……。

非编码区的调控序列主要有以下几种结构：
①在5′端转录起始点上游约20～30个核苷酸的地方，有TATA框(TATA box)。

TATA框是一个短的核苷酸序列，其碱基顺序为TATAATAAT。

TATA框是启动子（见下）中的一个顺序，它是RNA聚合酶的重要的接触点，能够使酶准确地识别转录的起始点并开始转录。

当TATA框中的碱基顺序有所改变时，mRNA 的转录就会从不正常的位置开始。

②在5′端转录起始点上游约70～80个核苷酸的地方，有CAAT框(CAAT box)。

CAAT框是启动子中另一个短的核苷酸序列，其碱基顺序为GGCTCAATCT。

CAAT框是RNA聚合酶的另一个结合点，它的作用还不很肯定，但一般认为它控制着转录的起始频率，而不影响转录的起始点。

当这段顺序被改变后，mRNA 的形成量会明显减少。

③在5′端转录起始点上游约100个核苷酸以远的位置，有些顺序可以起到增强转录活性的作用，它能使转录活性增强上百倍，因此被称为增强子。

当这些顺序不存在时，可大大降低转录水平。

研究表明，增强子通常有组织特异性，这是因为不同细胞核有不同的特异因子与增强子结合，从而对不同组织、器官的基因表达有不同的调控作用。

例如，人类胰岛素基因5′末端上游约250个核苷酸处有一组织特异性增强子，在胰岛素β细胞中有一种特异性蛋白因子，可以作用于这个区域以增强胰岛素基因的转录。

在其他组织细胞中没有这种蛋白因子，所以也就没有此作用。

这就是为什么胰岛素基因只有在胰岛素β细胞中才能很好表达的重要原因。

④在3′端终止密码的下游有一个核苷酸顺序为AATAAA，这一顺序可能对mRNA的加尾(mRNA尾部添加多聚A)有重要作用。

这个顺序的下游是一个反向重复顺序。

这个顺序经转录后可形成一个发卡结构。

发卡结构阻碍了RNA聚合酶的移动。

发卡结构末尾的一串U与转录模板DNA中的一串A之间，因形成的氢键结合力较弱，使mRNA与DNA杂交部分的结合不稳定，mRNA就会从模板上脱落下来，同时，RNA聚合酶也从DNA上解离下来，转录终止。

AATAAA顺序和它下游的反向重复顺序合称为终止子（见下），是转录终止的信号。

启动子和终止子：
启动子（promoter）位于编码区上游的非编码区中。

真核生物启动子包括下列几种不同顺序，能促进转录过程：
（1）帽子位点：转录的起始位点。

（2）TATA框（TATA box）：又称Hogness框，类似于原核生物的Pribnow框，决定了转录起点的选择。

其一致顺序为TATAATAAT。

约在基因转录起始点上游约-30-50bp处，基本上由A-T碱基对组成，为RNA 聚合酶的结合处之一，RNA聚合酶与TATA框牢固结合之后才能开始转录。

（2）CAAT框（CAAT box）：其一致顺序为GGGTCAATCT，是真核生物基因常有的调节区，位于转录起始点上游约-80-100bp处，可能也是RNA聚合酶的一个结合处，控制着转录起始的频率。

（3）GC框（GC box）：有两个拷贝，位于CAAT框的两侧，由GGCGGG组成，转录因子Sp1能识别GC框并且与之结合，其N端有激活转录的作用。

所以，GC框是一个转录调节区，有激活转录的功能。

（4）增强子（enhancer）：又称远上游序列（far upstream sequence）。

一般都在-1OO以上。

增强子的作用主要是对依赖于TATA框的转录和不依赖TATA框的转录都有增强效应，但对前者增强效应高。

增强子是通过启动子来增加转录的。

有效的增强子可以位于基因的5’端，也可位于基因的3’端，有的还可位于基因的内含子中。

增强子的效应很明显，一般能使基因转录频率增加10～200倍，有的甚至可以高达上千倍。

终止子：在一个基因的末端往往有一段特定顺序，它具有转录终止的功能，这段终止信号的顺序称为终止子（termianator）。

终止子为反向重复序列，是RNA聚合酶停止工作的信号，反向重复序列转录后，可以形成发夹式结构，并且形成一串U。

发夹式结构阻碍了RNA聚合酶的移动，一串U的U与DNA模板中的A结合不稳定，从模板上脱落下来，转录终止。

RNA转录后的加工与修饰
不论原核或真核生物的rRNAs都是以更为复杂的初级转录本形式被合成的，然后再加工成为成熟的RNA 分子。

然而绝大多数原核生物转录和翻译是同时进行的，随着mRNA开始的DNA上合成，核蛋白体即附着在mRNA上并以其为模板进行蛋白质的合成，因此原核细胞的mRNA并无特殊的转录后加工过程，相反，真核生物转录和翻译在时间和空间上是分天的，刚转录出来的mRNA是分子很大的前体，即核内不均一RNA。

hnRNA分子中大约只有10%的部分转变成成熟的mRNA，其余部分将在转录后的加工过程中被降解掉。

1．在5’端加帽
成熟的真核生物mRNA，其结构的5’端都有一个m7G-PPNmN结构，该结构被称为甲基鸟苷的帽子。

如图1所示。

鸟苷通过5’-5’焦磷酸键与初级转录物的5’端相连。

当鸟苷上第7位碳原子被甲基化形成
m7G-PPNmN时，此时形成的帽子被称为“帽0”，如果附m7G-PPNmN外，这个核糖的第“2”号碳上也甲基化，形成m7G-PPNm，称为“帽1”，如果5’末端N1和N2中的两个核糖均甲基化，成为m7G-PPNmPNm2，称为“帽2”。

从真核生物帽子结构形成的复杂可以看出，生物进化程度越高，其帽子结构越复杂。

2．在3’端加尾
大多数的真核mRNA 都有3’端的多聚尾巴（A)，多聚（A)尾巴大约为200bp。

多聚（A)屠巴不是由DNA编码的，而是转录后在核内加上去的。

受polyA聚合酶催化，该酶能识别，mRNA 的游离3’-OH端，并加上约200个A残基。

近年来已知，在大多数真核基因的3’一端有一个AATAA序列，这个序列是mRNA 3’-端加polyA尾的信号。

靠核酸酶在此信号下游10-15碱基外切断磷酸二酯键，在polyA聚合酶催化下，在3’-OH上逐一引入100-200个A碱基。

关于polyA尾巴的功能问题尽管经过极其广泛的探索，但还不完全清楚。

有人推测polyA可能与mRNA从细胞核转送到细胞质有关，但是相当数量，的没有polyA屠巴的mRNA如组蛋白mRNA，也照样通过核膜进入细胞质。

还有人认为这种结构对真核mRNA的翻译效率具有某种作用，并能稳定mRNA 结构，保持一定的生物半衰期。

3.mRNA前体（hnRNA）的拼接
原核生物的结构基因是连续编码序列，而真核生物基因往往是断裂基因，即编码一个蛋白质分子的核苷酸序列被多个插入片断所隔开，一个真核生物结构基因中内含子的数量，往往与这个基因的大小有关，例如胰岛素是一个很小的蛋白质，它结构基因只有两个内含子，而有些很大的蛋白质，它的结构基因中可以有几十个内含子。

经过复杂的过程后，切去内元，将有编码意义的核苷酸片段（Extron外元也叫外显子）连接起来（图2）。