第三章第三节原核生物转录与遗传密码

第三章 第三节 原核生物转录与遗传密码

教学目标：

重难点：

教学内容：

一、原核生物转录

（一）转录起始

1 模板识别：第一步：RNA 聚合酶的δ亚基发现识别位点，全酶就与启动子的-35区序列结合，形成一

个“封闭二元复合物”，封闭指此时DNA 保持双螺旋结构，二元指DNA 与RNA 聚合酶；第

二步：与RNA 聚合酶结合的启动子处DNA 序列“溶解”，形成开放二元复合物，此过程，

RNA 聚合酶结构变化，DNA 双链打开。

2 转录开始：RNA 第一个核苷酸合成到RNA 聚合酶离开启动子为止。

三元复合物处，RNA 成功合成超过10个核苷酸链的RNA 后离开启动子。

RNA聚合酶全酶释放δ因子，形成核心酶、DNA 模板和新生RNA 链组成的稳定三元延伸复

合物。

（二）转录延伸：RNA 聚合酶沿DNA 双链移动，双链DNA 解旋，模板暴露，核苷酸链接到3端，形成RNA-DNA

杂合链；解链区后，DNA 双链重新形成双螺旋。

（三）转录终止：一般情况下， RNA 聚合酶起始基因转录后，它就会沿着模板 5 '→ 3 '方向不停地

移动，合成 RNA 链，直到碰上终止信号时才与模板 DNA 相脱离并释放新生 RNA 链；终

止发生时，所有参与形成 RNA-DNA 杂合体的氢键都必须被破坏，模板 DNA 链才能与有义

链重新组合成 DNA 双链。

不依赖于ρ因子的终止 ：不依赖于ρ因子的强终止子序列两个结构特征：

（ 1 ）在终止点之前具有一段富含 G-C 的回文区域；（2）富含 G-C 的区域之后是一连串的 DNA 碱 基序列，它们转录的 RNA 链的末端为一连串 U （连续 6 个）。

模板 DNA 上存在终止转录的特殊信号―终止子，每个基因或操纵子都有一个启动子和一个终止子； 终止位点上游一般存在一个富含 GC 碱基的二重对称区，由这段 DNA 转录产生的 RNA 容易形成发卡 式结构；在终止位点前面有一段 4 ～ 8 个 A 组成的序列，所以转录产物的 3 '端为寡聚 U ，这种 结构特征的存在决定了转录的终止；在新生的 RNA 中出现发卡式结构会导致 RNA 聚合酶的暂停，破 坏 RNA-DNA 杂合链 5 ' 端的正常结构。寡聚 U 的存在使杂合链的3 ' 端部分出现不稳定的 rU.dA 区 域, 两者共同作用使 RNA 从三元复合物中解离出来。

依赖于ρ因子的终止：ρ因子能使 RNA 聚合酶在 DNA 模板上准确地终止转录；ρ因子是一个相对分

子质量为 2.0 × 105 蛋白，它能水解各种核苷酸三磷酸，实际上是一种 NTP 酶，它通

过催化 NTP 的水解促使新生 RNA 链从三元复合物中解离出来，从而终止转录。现在一般

认为， RNA 合成起始后，ρ因子即附着在新生的 RNA 链上，靠 ATP 水解产生的能量，，

沿 5 '→ 3 '方向朝 RNA 聚合酶移动，到达 RNA 的 3 ' -OH 端后取代了暂停在终止位

点上的 RNA 聚合酶，使之从模板 DNA 上释放 mRNA ,完成转录过程。

抗终止：由于不同的生理要求，在转录过程中有时即使遇到终止信号，仍然需要继续转录，于是出现抗

转录终止现象；抗终止转录主要有两种方式：1. 破坏终止位点 RNA 的茎环结构；2. 依赖于蛋 白质因子的转录抗终止有些终止子的作用可被特异的因子所阻止，使酶得以越过终止子继续转录， 称为通读。能够引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子RNA 聚合酶抑制物，（1）利福霉素：抑 制细菌 RNA 聚合酶活性。利福平可以高效抑制结核杆菌，杀死麻疯杆菌，在体外有抗病毒作用；

（2）利链霉素：与细菌 RNA 聚合酶 b 亚基结合，抑制转录过程中 RNA 链的延长反应；（3） a- 鹅膏蕈碱：抑制真核生物 RNA 聚合酶活性。

（三）转录后加工：mRNA 不需要加工，rRNA 和 tRNA 需要加工。

二、真核生物转录

（一）原核和真核生物基因转录的差别

①原核生物只有一种 RNA 聚合酶，负责转录所有类型的基因，而真核生物有三种以上的 RNA 聚合酶，

负责不同类型基因的转录，在细胞核内的位置也不相同。

②转录产物有差别。真核的初始产物很长，包括有内含子序列，加工后成熟的 mRNA 只占其中的一小部

分。而原核生物的初始产物与编码的蛋白成线性关系。

③真核生物转录产物要经过加工修饰过程。

④原核的 mRNA 是多顺反子，而大多数真核 mRNA 是单顺反子。

（二）、真核生物mRNA 转录后加工

1 真核 mRNA 的加工

四步： (1) 5 ′加帽；(2) 3 ′加尾 (tailing)；

(3)切除内含子(intron cleavage ) ；(4)修饰 ：对某些碱基进行 甲基化。

2真核RNA 的剪接 ：切除内含子的过程称为 RNA 的剪接 (splicing) 。

在真核生物的细胞核中，含有大量的小分子 RNA ，在天然状态下，它们以核糖核蛋白粒

子形式存在，称为 snRNP ；每种 snRNP 通常含有一种或二种 RNA 分子和 10 种左右的

蛋白质；参与剪接反应的 snRNA 至少有 5 种： U1 、 U2 、 U5 和 U4/U6 。

RNA 的三种剪接方式：

⑴自我剪接内含子：能够自发地进行剪接，又分为Ⅰ型内含子和Ⅱ型内含子两个亚类。

⑵由蛋白酶参与剪接的内含子：主要在 tRNA前体中发现。

⑶由 snRNP 参与剪接的内含子： 存在于绝大多数真核细胞的蛋白质基因中。

Ⅰ型内含子的自我剪接四膜虫 35S rRNA 前体的剪接反应是Ⅰ型的典型代表。特点是需要鸟苷参与。 Ⅱ型内含子的自我剪接不需要鸟苷参与，而由其自身结构决定。特点是形成套索内含子。

核 mRNA 前体的剪接机制：① U1snRNP 结合于内含子的 5 ' 端；② U2snRNP 结合到内含子的分支点上；

③ U5snRNP 结合到内含子的 3 '端， U4/U6snRNP 结合于 U5 ；④ U1 和 U2 结合，形

成套索 RNA 结构；⑤ U4 释放，内含子左侧切断， 5 '外显子作为独立片段释放；⑥内

含子的 3 '剪接点切断，形成套索内含子，游离出来；⑦ 5 '外显子和 3 '外显子连接形

成成熟 mRNA 。

3 mRNA 前体的加工：

原核生物的 mRNA 转录后一般不需要加工，转录的同时即进行翻译（半寿期短）。亦有少数多顺反

子的 mRNA 需要核酸酶切成小单位，然后再翻译。

真核生物 mRNA （半寿期较长）原初转录物很大，在加工过程中形成许多分子大小不等的中间物，

它们被称为核内不均一 RNA（ heterogeneous nuclear RNA,hnRNA) ，需要进一步进行加

工修饰转化为 mRNA 。加工包括：

（ 1 ） hnRNA 被剪接，把内含子（ DNA 上非编码序列）转录序列剪掉，把外显子（ DNA 上的编码序

列）转录序列拼接上 ( 真核生物一般为不连续基因 ) 。

（ 2 ） 3 '端添加 polyA “尾巴”；

（ 3 ） 5 '端连接“帽子”结构（ m7G5￠ppp5￠NmpNp- ）；

（ 4 ）分子内部的核苷酸甲基化修饰。

三、密码子

（一）、遗传密码破译

1 以均聚物为模板指导多肽合成

1961 年， Nirenberg 等人以多聚（ U ）作为模板时发现合成了多聚苯丙氨酸，从而推出 UUU 代 表苯丙氨酸（ Phe ）。以 poly（ C ）及 poly（ A ）做模板分别得到多聚脯氨酸和多聚赖氨酸。 2 以随机共聚物指导多肽合成

以多聚二核苷酸作模板可合成由 2 个氨基酸组成的多肽 :5' „ UGUGUGUGUGUGUGUGUG „ 3'不管 读码从 U 开始还是从 G 开始，都只能有 UGU （ Cys ）及 GUG （ Val ）两种密码子。

3 以特定序列的共聚物为模板指导多肽合成

以共聚三核苷酸作为模板可得到有 3 种氨基酸组成的多肽。如以多聚（ UUC ）为模板，可能有 3 种起读方式： 5 ' „ UUCUUCUUCUUCUUC „ 3 ' 或 5 ' „ UCUUCUUCUUCUUCU „ 3 ' 或 5 ' „ CUUCUUCUUCUUCUU „ 3' 分别产生 UUC （ Phe ）、 UCU （ Ser ）或 CUU （ Leu ）。

多聚三核苷酸为模板时也可能只合成 2 种多肽： 5 ' „ GUAGUAGUAGUAGUA „ 3 '或 5 ' „

UAGUAGU AGUAGUAG „ 3 ' 或 5 ' „ AGUAGUAGUAGUAGU 3 '，第二种读码方式产生的密码

子 UAG 是终止密码，不编码任何氨基酸，因此，只产生 GUA（Val ）AGU （ Ser ）。

4 核糖体结合技术

（二）、遗传密码表及特点

（三）、遗传密码性质：⑴连续性⑵简并性⑶专一性⑷终止密码⑸普通性

密码的简并性 ：

3 个核苷酸组成一个密码子， 4 种核苷酸可组成 64 个密码子，现在已经知道其中 61 个是编码氨基酸的密码子，另外 3 个 UAA 、UGA 和 UAG 是终止密码子。因为存在 61 种密

码子只编码 20 种氨基酸，所以很多密码子编码的氨基酸有重复性；AUG 和 GUG 既是甲

硫氨酸及缬氨酸的密码子又是起始密码子，这种双重功能在生物学上的优点还不清楚；

同义密码子一般都不是随机分布的，因为其第一、第二位核苷酸往往是相同的，而第三位

核苷酸的改变并不一定影响所编码的氨基酸，这种安排减少了变异对生物的影响；一般来

说，编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高。

密码的普遍性与特殊性 ：

无论是对病毒、细菌、动物还是植物而言，密码子具有普遍性

在支原体中，终止密码子（ UGA ）被用来编码色氨酸等。

1966 年， Crick 根据立体化学原理提出摆动学说（ webblehypothesis ），解释了反密码子中某些稀

有成分（如 I ）的配对。

摆动学说认为，在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自

由度，可以“摆动”，因而使某些 tRNA 可以识别 1 个以上的密码子。

（四）遗传密码突变：

1 无义突变与错义突变

2 移码突变

3 抑制基因突变