初学生信——生物基本概念

1、ORF:开放阅读框,开放阅读框是基因序列的一部分,包含一段可以编码蛋白的碱基序列,不能被终止子打断。从起始密码子开始,到终止密码子结束。前面是5‘UTR, 后面是3’UTR,ORF一般是针对mRNA来说的。

mRNA由基因序列转录得来,一个基因可能有几条不同的转录本,因而对应的ORF也可能不同

2、UTR:untranslated region/非翻译区,出现在原核生物和真核生物的mRNA(信使RNA)上。即一条mRNA链上有多个编码区,5'端、3'端和各编码区之间为非翻译区。

3、顺式作用元件(cis-acting element):存在于基因旁侧序列中,能影响基因表达的序列。顺势作用元件包括启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等,他们的作用是参与基因表达的调控。顺式作用元件本身不编码任何蛋白质,仅仅提供一个作用位点,要与反式作用因子相互作用才能起作用。

4、旁侧序列(flanking sequence):结构基因两侧的核苷酸序列,对基因的表达及表达水平具有调控作用。

5、反式作用因子:转录模板上游基因编码的一类蛋白调节因子,包括激活因子和阻遏因子等,他们与顺式作用元件的上游激活序列特异性结合,对真核生物基因的转录分别起促进和阻遏作用:转录因子就是反式作用因子。

注意:转录因子TFII与TATA框位点结合,转录因子CTF与CAAT框位点结合

6、基因在染色体的上游:基因位于靠近染色体表达起点(起始子)的位置;基因在染色体的下游:基因位于靠近染色体表达终止(终止子)的位置。染色体有特定的碱基组合作为起始子,在核酸翻译和复制时会从起始子位置开始表达;也有特定的碱基序列作为终止子,遇到这样的碱基序列,染色体表达将会终止。

7、结构基因:是编码蛋白质或RNA的基因。细菌的结构基因一般成簇排列,多个结构基因受单一启动子共同控制,使整套基因或都表达或者都不表达。结构基因编码大量功能各异的蛋白质,其中有组成细胞和组织器官基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。

注意:真核生物一个启动子控制一个结构基因的表达;断裂基因是因为编码序列不连续

通常我们在高中时期只学习了RNA聚合酶组与启动子结合转录开始,可实际是:一个真核生物基因的转录需要3至5个转录基因。转录基因之间互相结合,生成有活性和专一性的复合物,再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应地基因。

一、DNA 

编码区(coding region:能够编码为前体RNA

基因在结构上,分为编码区和非编码区两部分。真核生物的编码区是不连续的,分为外显子和内含子,在转录过程中会修剪内含子,并拼合外显子来形成转录产物。在原核生物中,基因是连续的,也就是说无外显子和内含子之分。

外显子(Exon)

外显子是在preRNA经过剪切和修改后被保留的DNA部分,并最终出现在成熟RNA的基因序列中。

内含子(Intron)

在真核生物中,内含子作为阻断基因的线性表达的一段DNA序列,是在preRNA经过剪切或修饰后被切除的DNA序列

非编码区(Non-coding region)

非编码区在对基因的表达调控中发挥着重要作用,如启动子,增强子,终止子等都位于该区域,有意思的是人类基因中非编码区的占比超过90%。他们中的一部分可以转录为功能性RNA,比如tRNA(transfer RNA),rRNA(ribosomal RNA)等;可以作为DNA复制,转录起始来对复制,转录和翻译起到调控作用,也可以是着丝粒与端粒的重要组成部分。

启动子(Promoter)

启动子是特定基因转录的DNA区域,启动子一般位于基因的转录起始位点:5‘端上游,启动子长约100-10000bp。在转录过程中,RNA聚合酶与转录因子可以识别并特异性结合到启动子特有的DNA序列(一般为保守序列),从而启动转录。启动子本身并不转录而且也不控制基因活动,而是通过转录因子结合来调控转录过程。在细胞核中,似乎启动子优先分布在染色体区域的边缘,可能是在不同染色体上共同表达基因。此外,在人类中,启动子显示出每个染色体特有的某些结构特征。

*CAAT Box(CAAT框)与Sextama box

CCAAT box(有时也缩写为CAAT box或CAT box):具有GGCCAATCT共有序列的不同核苷酸序列,是真核生物基因常有的调节区,位于转录起始点上游约-80bp处,是转录因子CTF/NF-a-1的结合位点,可能也是RNA聚合酶的一个结合处,控制着转录起始的频率。与之相似的是,在原核生物启动子上-35bp处的TTGACA区,又称-35区。

(保守序列与共有序列的概念含义基本相同。保守序列间相似度高,但不一定相同,而共有序列是相同的,共有序列可以理解为一种特殊的保守序列)

CAAT框是最早被人们描述的常见启动子元件之一,常位于接近-80的位置,但是它可以在离起始点较远的距离仍能起作用,且在两种取向均可发挥作用。CAAT框的突变敏性提示了它在决定转录效率上有很强的作用,但是突变对启动子的特异性没有影响。

*TATA Box与Pribnow box

TATA框(TATA box/Goldberg-Hogness box),存在于古细菌和真核生物的核心启动子区域的一段DNA序列,TATA框的原核同源物称为Pribnow 框(Pribnow box),其具有较短的共有序列TATAATAAT。它约在多数真核生物基因转录起始点上游约-30bp(-25~-32bp)处,基本上由A-T碱基对组成,是决定基因转录始的选择,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进行起始转录。

增强子(Enhancer)

增强子是位于转录起始位点或下游基因IMbp的位置,长度50-1500bp的序列,其可以被转录激活因子结合从而增加特定基因转录发生的可能性。增强子是DNA上一小段可以蛋白质结合的区域,与蛋白质结合之后,基因的转录作用将会加强。广泛的存在于原核与真核生物基因结构中。

增强子能大大激活启动子的活性。增强子有别于启动子处有两点:增强子对于启动子的位置不固定,而能有很大的变动;它能在两个方向上产生相互作用。一个增强子并不局限于促进某一特殊启动子的转录,他能刺激在它附近的任一启动子。

终止子(Terminator)

终止子位于基因或操作子的末端,给RNA聚合酶提供转录终止信息的DNA序列。

(终止子与终止密码子的概念区别:两者在名称上相似,但是含义是截然不同的。终止子是处于基因的非编码区的一段DNA序列,用于转录终止。而终止密码子是在翻译过程中终止肽链合成的mRNA中的三联体碱基序列,一般情况下为UAA,UAG和UGA,不编码氨基酸)

*ATAAA

ATAAA是preRNA在通过修剪后形成成熟mRNA时在3’UTR产生ployA是的加尾信号。但是这段序列并不是绝对保守,也可能为其他A富集的序列,比如AATAAA等。

*回文序列(palindrome sequence)

回文序列是双链DNA中的一段倒置重复序列,这段序列有个特点,他的碱基序列与其互补链之间正读或反读都相同。当该序列的双链被打开后,如果这段序列较短,有可能是限制性内切酶的识别序列,如果比较长,有可能形成发卡结构,这种结构的形成有助于DNA与特异性DNA与蛋白质结合。

5' GGTACC 3'
3' CCATGG 5'

*发卡结构(hairpin structure):这些结构是由于DNA单链分子通过自身回折使得互补的碱基对相遇,形成氢键结合而成的,称为发卡结构。

二、preRNA

转录起始位点(Transcription start sites)

转录起始位点是指与新生RNA链第一个核苷酸相对应的DNA链上的碱基,通常为一个嘌呤(A或G),即5‘UTR的上游的一个碱基。

5’末端的序列称为上游,而把其后面即3‘末端的序列称为下游.

转录终止位点(Transcription termination sites)

转录终止位点是指新生RNA链最后一个核苷酸相对应的DNA链上碱基。当RNA链延伸转录终止位点时,RNA聚合酶不再形成新的磷酸二酯键,RNA-DNA杂合物分离,转录泡瓦解,DNA恢复成双链状态,而RNA聚合酶和RNA链都从模板上释放出来。

三、mRNA

5'UTR 与 3'UTR

这里需要注意的是外显子包含UTR区,也就是说外显子不只有可编码的序列,而且包含非编码序列

UTR (Untranslated Region ),如果这段序列位于5'端,就称作5'UTR(5‘-untranslated region),也叫前导序列(leader)。相反若位于3'端,我们就叫它3'UTR(3‘-untranslated region),也叫尾随序列(trailer)。1978年,人类γ球蛋白mRNA的5′非翻译区被成功完全测序 。1980年,又开启了人类α-珠蛋白基因中3′非翻译区的研究。有趣的是,虽然叫非编码区,但是5′非翻译区内的上游可读框却可以被翻译成多肽1 。

5'UTR 位于从mRNA起点的甲基化鸟嘌呤核苷酸帽延伸至起始密码子AUG,3'UTR从编码区末端的终止密码子延伸至多聚A尾巴(Poly-A)的前端

原核生物和真核生物都可以看到UTR,但它们的长度和组成都有所不同。原核生物中,5′非翻译区通常为3至10个核苷酸的长度。但在真核生物中,5′非翻译区有成百上千个核苷酸的长度。与原核生物相比,真核生物的基因组的复杂性更高,3′非翻译区的长度也不同。虽然5′非翻译区和3′非翻译区在长度上有差异,但5′非翻译区的长度在演化过程中比3′非翻译区显得更保守。

5‘Cap

5‘Cap也被称为7-甲基鸟苷酸帽,缩写为m7G。这种结构在RNA进出细胞核起到识别作用;可以抗5'-核酸外切酶的截切;促进5’端内含子的切除;在翻译过程中有助于核糖体对mRNA的识别和结合。

3’ PolyA tail

Poly A tail 由多个腺苷一磷酸组成 ,也就是说它是一段仅含有腺嘌呤碱基的RNA 。这种结构可以避免细胞质中的酶促降解,并有助于转录终止,mRNA从细胞核中的输出和翻译。

CDS (coding dna sequence)

CDS 是基因中DNA或RNA为蛋白质编码区域,该区域通常开始于5‘末端的起始密码子并结束于3’端的终止密码子。生物体基因组编码区的总和称为外显子组。

四、遗传学

结构基因:是指编码蛋白质或RNA的基因。细菌的结构基因一般成簇排列,多个结构基因受单一启动子共同控制,使整套基因或都表达或者都不表达。是指决定某一种蛋白质分子结构的相应的一段DNA或染色体。在正常情况下,在需要某种或其有关的酶时,在调节基因和操纵基因的控制下等候在启动子(Promotor)位置上的RNA聚合酶开始转录,从而产生了与这些酶有关的结构基因的信使RNA,并由后者合成所需的酶。

顺反子(cistron)即结构基因,一般情况下与“基因”同义(但是不用来指代“调控基因”),为决定一条多肽链合成的功能单位。

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