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基因表达过程中相关问题剖析
林颖韬 1

    核酸作为生物的遗传物质具备两大基本功能,即传递遗传信息和表达遗传信息。遗传信息的表达包括转录和翻译两个过程,现将教学中出现的相关疑问进行梳理和剖析,以期为广大教师的教学提供参考。

1转录过程中DNA双链的解开是否需要解旋酶

1.1 RNA聚合酶

DNA复制是边解旋边复制过程,需要解旋酶使双链解开。那么,转录过程中DNA双链是如何解旋的呢?高中生物学教材必修2教师用书指出:“基因的转录是由RNA聚合酶催化进行的。基因的上游具有结合RNA聚合酶的区域,叫做启动子。启动子是一段具有特定序列的DNA,具有和RNA聚合酶特异性结合的位点,决定了基因转录的起始位点。

RNA聚合酶与启动子结合后,在特定区域将DNA双螺旋两条链之间的氢键断开,使DNA解旋,形成单链区,以非编码链为模板合成RNA互补链的过程就开始了。”

RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶,真核生物的RNA聚合酶分为三类:RNA聚合酶存在于核仁中,转录rDNA序列为rRNA前体;RNA聚合酶存在于核质中,转录大多数基因,产物为mRNA前体;RNA聚合酶存在于核质中,转录很少几种基因,如tRNA基因。除了细胞核中的RNA聚合酶之外,真核生物线粒体和叶绿体中还存在着不同的RNA聚合酶。

1.2转录过程

转录时,RNA聚合酶在双链DNA的启动子处结合形成“转录泡”,不同于DNA复制的是转录起始不需要引物,转录起始是RNA链上的第一个核苷酸的产生。当聚合酶催化合成含10个左右核苷酸的RNA时,转录便进入延伸阶段,RNA聚合酶就沿着DNA双链移动不断合成RNA链。随着酶的迁移,它使DNA双链部分解旋,并且使模板的一个新区段以单链形式暴露出来。核苷酸共价结合到延伸的RNA链的3'端,在松弛区域形成一个RNA-DNA杂合链。在这个松弛区域之后,DNA模板链和原先的互补链结合并重新形成双螺旋结构。所以,RNA聚合酶不仅具有催化核糖核苷酸连接成为RNA的作用,还具有解旋酶活性和再旋酶活性。值得注意的是:RNA聚合酶在每个核糖核苷酸添加之后,便将正在延长的链从模板上置换下来,使得多个RNA聚合酶可以一个接着一个同时转录同一个基因,这样一个细胞就可以在短时间内在一个基因上合成大量的转录产物。此外,RNA聚合酶还执行校正的功能。

2转录的产物是mRNA还是RNA

一些学生误认为转录的产物仅仅是mRNA。其实,转录的产物是RNA,包括mRNA、tRNA、rRNA以及siRNA、miRNA、snRNA、snoRNA。

2.1 mRNA

上述转录产物中,只是mRNA继续作为翻译的模板,指导蛋白质的合成,而其他几种RNA不作为翻译的模板。tRNA在细胞质中作为运输氨基酸的工具;rRNA是由核仁中的rDNA转录出来的,与蛋白质组装成核糖体的大、小亚基,出核孔进入细胞质与mRNA结合,参与翻译过程。

2.2 rRNA

在翻译的每一步,rRNA与mRNA或tRNA都发生相互作用,rRNA在蛋白质合成中对肽基转移反应起着非常重要的作用。用体外进化和体外筛选技术获得的核酶(Ribozyme)也能像核糖体一样催化肽基转移反应。核糖体的高分辨率晶体结构提示,rRNA具有肽基转移酶的活性,即核糖体是一个核酶。目前所知的所有核糖体功能反应都与rRNA有关,而核糖体蛋白可能只是在核糖体装配过程中对rRNA的折叠和功能构象的形成起重要的作用。

2.3 tRNA

tRNA是由tRNA基因转录出来的,真核生物的tRNA基因数目非常大,每种tRNA基因都有很多拷贝,通过tRNA基因的不对称转录合成的tRNA前体经过加工后成为有活性的tRNA。成熟的tRNA具有特异性转运氨基酸的功能,每种tRNA在特异的氨基酰-tRNA合成酶作用下结合一种氨基酸,将其转运到核蛋白体上,参与蛋白质的合成。研究表明,翻译时需求强度(近似为tRNA的浓度与基因组密码子频率的比值)大的tRNA可被优先运出细胞核。在有些生物中,tRNA不仅可以被运出细胞核,还可以通过主动运输逆向运入细胞核。可见,tRNA不是从细胞核到细胞质的单向运动,而是穿梭往来于核膜内外。

2.4其他RNA

小干扰RNA(siRNA)是RNA干涉(RNAi)过程中出现的一种约21~25nt的小分子RNA,一般由Dicer核酸酶加工而成,可引发与之互补的目标mRNA的沉默;

作为内源性的翻译抑制因子,微小RNA(miRNA)主要通过与靶mRNA的3'非翻译区的碱基互补配对而起作用。当其与mRNA不完全配对时,抑制翻译过程;完全配对时,则切割或降解靶mRNA;

小核RNA(snRNA)主要作用是与有关蛋白结合形成小核糖核蛋白体(snRNP),对RNA的前体进行加工。snRNA在核内转录,但在胞浆组装,发挥功能则又在核内,所以需要跨核膜转运;

小分子核仁RNA(snoRNA)参与细胞核中前体rRNA加工与修饰,除少数snoRNA基因单独转录外,大部分snoRNA由蛋白质编码基因的内含子编码。

3转录时模板链的选择

DNA复制时亲代的两条链都作为模板,而转录时仅以DNA的一条链(即模板链)为模板。转录时的模板链并非随机的,而是由启动子和转录方向共同决定的。启动子是指一段位于结构基因5'端上游区的DNA序列,能活化RNA聚合酶,指导RNA聚合酶与模板的正确结合并确保转录准确而有效的起始。RNA聚合酶同DNA聚合酶一样,只能催化单核苷酸加接到带游离3'-OH的多核苷酸链上。也就是说RNA合成时只能以5'→3'的方向合成互补于DNA模板链的RNA链,这就决定了转录的方向。正是由于这种“位点”和“方向”,共同决定了DNA的哪条链将被转录。

对于特定的基因来说,转录的链是确定的。在多基因的双链DNA分子,每个基因的模板并不是全在同一条单链上,一个双链DNA分子的某条链既可作为某些基因的模板链,也可以作为其他基因的编码链。

4转录结束后mRNA如何从DNA模板链上脱离下来

4.1核糖体的循环再利用

蛋白质合成过程一般被归纳为由合成的起始、肽链的延伸和合成的终止组成的三步曲。然而,随着对核糖体再循环因子RRF在蛋白质合成过程中作用的深入研究,人们提出了蛋白质生物合成应是四步曲,这第四步就是翻译终止后核糖体复合物的解体,即通常说的核糖体循环再利用。

在蛋白质合成过程中,当核糖体遇到mRNA分了上的终止信号时,释放因子RF-1或RF-2与核糖体上的A位结合,识别适当的终止密码并激活新生肽酰tRNA水解,释放出新生肽链。然后,释放因子RF-3催化RF-1或RF-2从核糖体A位解离,从而留下一个由mRNA、停留在P位的酰化tRNA和A位空出来的核糖体组成的复合物。随之,在核糖体再循环因子(RRF)和参与蛋白质合成过程中转位的延伸因子ER-G的协同作用下,使这个复合物解体为去酰化tRNA、mRNA和70S的核糖体单体或其亚基。翻译终止后核糖体复合物的解体,为新一轮的蛋白质合成提供了足够的核糖体,从而保证了蛋白质合成的有效进行。

4.2转录的终止

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'的方向不停地移动,合成RNA链。当RNA链延伸到转录终止位点时,RNA聚合酶不再形成新的磷酸二酯键,RNA-DNA杂合体的氢键都必须被破坏,RNA-DNA杂合体分离,RNA聚合酶和RNA链都从模板链上释放出来,转录泡瓦解,解开的DNA两条链重新恢复双螺旋结构。

到目前为止,科学家尚未发现某个单一位点具有特异的转录终止功能。体外实验发现大肠杆菌中的终止子分为依赖Rho因子和非依赖Rho因子两类。在依赖Rho因子的生物类型中,因为Rho因子有ATP酶和解旋酶两种活性,能结合在转录产物的3'末端区并使转录停顿、产物RNA脱离DNA模板,所以可以终止转录;对于非依赖Rho因子的转录终止,其RNA产物3'端往往形成茎环结构,其后又有一串寡聚U。茎环结构可使RNA聚合酶变构而不再前移,寡聚U则有利于RNA脱离依附的DNA模板。存在于真核细胞中的翻译偶联可能通过与RRF不同的蛋白质因子来完成,真核生物的转录终止机制目前还没有完全弄清楚。

研究表明,聚合酶II终止转录过程必需RNA3'端的多聚腺苷酸信号[poly(A)],RNA前体的转录后剪切加工也与转录终止过程相关。另外,在β球蛋白基因的的3'端还发现了专一性的转录终止信号。这说明聚合酶II转录终止过程涉及多种因素,但目前还不清楚这些因素间如何相互作用终止转录过程。

5 tRNA到底有多少种

mRNA上的密码子有64种,决定氨基酸的密码子有61种,那么tRNA到底有多少种呢?tRNA是一类具有携带并转运氨基酸功能的小分子核糖核酸。一种tRNA只能携带一种氨基酸,但一种氨基酸可被不止一种tRNA携带。同一生物中,携带同一种氨基酸的不同tRNA称作“同功tRNA”。在同功tRNA中,各种tRNA的数量也是不相同的。一般区分为多数tRNA和稀有tRNA,两者浓度之差可以高达10倍之多。

通常认为,tRNA的种类根据分类标准不同而有所不同。若按照转运的氨基酸的种类来划分,tRNA为20种;若按照它的反密码子的种类来划分是61种,由于tRNA上稀有碱基I(次黄嘌呤)的存在使密码子的第三个碱基与反密码子的第一个碱基之间的配对发生摇摆而使某些tRNA可以识别一个以上的密码子,加之tRNA分子结构特点,只需要32个反密码子就可以识别61个有义密码子。这样,反密码子的种类远少于密码子的种类;而tRNA的种类远远多于反密码子的种类,有100多种;若按照tRNA的结构来划分,目前已测出一级结构的tRNA有400多种。携带同一种氨基酸的细胞器tRNA与细胞质tRNA也不一样。生物体发生突变后,校正机制之一是通过校正基因合成校正tRNA,以维持翻译作用译码的相对正确性。可以有多种校正tRNA携带同一种氨基酸。综上所述,不管采用哪一种分类标准,tRNA都不是61种。



——李金花.基因表达过程中相关问题剖析.生物学教学.2014年第11期

来源:https://buluo.qq.com/p/detail.html?bid=338220&pid=4196881-1488446748

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