【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄)

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,,*,第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),,,,第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),1,第一部分 DNA的生物合成,,,第一部分 DNA的生物合成,2,本章重點與難點,,重點：掌握中心法則；半保留復制、半不連續(xù)復制、反轉錄、基因工程的概念；參與DNA復制的有關酶類和蛋白質及DNA的復制過程；DNA損傷修復的方式。,難點：對DNA的半保留復制、半不連續(xù)復制的理解。,,,本章重點與難點,3,遺傳的中心法則,1958年Crick提出以DNA為中心的遺傳信息的傳遞規(guī)律，即D

2、NA貯存的遺傳信息通過復制傳給子代DNA，通過轉錄傳給RNA，再通過翻譯傳給蛋白質。遺傳信息傳遞方向的這個規(guī)律被稱為～。,DNA,,RNA,,,,蛋白質,復制,復制,轉錄,翻譯,,反轉錄,1970年Temin和Baltimore發(fā)現RNA病毒的RNA可通過反轉錄（逆轉錄）將遺傳信息傳給cDNA，也可通過RNA復制或RNA轉錄傳給子代RNA，這是對中心法則的補充。,1997年瘋牛病和朊病毒的出現，預示蛋白質也可逆向將遺傳信息向DNA傳遞。,,？,,,遺傳的中心法則 1958年Crick提出以DN,4,,,,復制（,DDDP,）,,,轉錄（,DDRP,）,,翻譯,,DNA

3、 mRNA,蛋白質,,,,反轉錄（,RDDP,）,,,RNA,,,,復制（,RDRP,）,,,,,,,,,,,,,,復制（DDDP）,5,DNA是由四種脫氧核糖核酸所組成的長鏈大分子，是遺傳信息的攜帶者。,生物體的遺傳信息就貯存在DNA的四種脫氧核糖核酸的排列順序中。,,,DNA是由四種脫氧核糖核酸所組成的長鏈大分子，是遺傳信息的攜,6,復制(,replication),是指遺傳物質的傳代，以親代（母鏈）,DNA,為模板合成子鏈,DNA,的過程。,復制,親代DNA,子代DNA,,,復制(replication)復制親代DNA子代DNA,7,一、,DNA,復制的

4、基本規(guī)律,（一般原理）,Basic Rules of DNA Replication,,,,一、DNA復制的基本規(guī)律,8,復制的方式,——半保留復制(semi-conservative replication),,復制的高保真性(high fidelity),,雙向復制(bidirectional replication),,半不連續(xù)復制(semi-discontinuous replication),,,復制的方式,9,（一）,DNA復制是半保留復制(semi-conservative replication),DNA生物合成時，母鏈DNA解開為兩股單鏈，各自作為模板(template)按

5、堿基配對規(guī)律，合成與模板互補的子鏈。子代細胞的DNA，一股單鏈從親代完整地接受過來，另一股單鏈則完全從新合成。兩個子細胞的DNA都和親代DNA堿基序列一致。這種復制方式稱為,半保留復制,。,半保留復制的概念,,,（一）DNA復制是半保留復制(semi-conservati,10,A,G,G,T,A,C,T,G,C,C,A,C,T,G,G,T,C,C,A,T,G,A,C,G,G,T,G,A,C,C,C,C,A,C,T,G,G,G,G,T,G,A,C,C,A,G,G,T,A,C,T,G,T,C,C,A,T,G,A,C,T,C,C,A,T,G,A,C,A,G,G,T,A,C,T,G,A,G,G,T,

6、A,C,T,G,C,C,A,C,T,G,G,T,C,C,A,T,G,A,C,G,G,T,G,A,C,C,A,G,G,T,A,C,T,G,C,C,A,C,T,G,G,T,C,C,A,T,G,A,C,G,G,T,G,A,C,C,+,母鏈,DNA,,復制過程中形成的復制叉,子代,DNA,,,,ATCGATTAATAT+母鏈DNA 復制過程中形成的復制叉,11,子鏈繼承母鏈遺傳信息的幾種可能方式,,全保留式 半保留式 混合式（散布式）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,子鏈繼承母鏈遺傳信息的幾種可能方式 全保留式 半保,12,DNA以半保留方式進行復制，是

7、在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的密度飄移實驗所證明。該實驗首先將大腸桿菌在含,15,N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)約十五代，使其DNA中的堿基氮均轉變?yōu)?15,N。將大腸桿菌移至只含,14,N的培養(yǎng)基中同步培養(yǎng)一代、二代、三代。分別提取DNA，作密度梯度離心，可得到下列結果：,,,,,DNA以半保留方式進行復制，是在1958年由M. Mesel,13,——實驗結果支持,半保留復制,的設想。,含重氮-DNA的細菌,培養(yǎng)于普通培養(yǎng)液,,第一代,繼續(xù)培養(yǎng)于普通培養(yǎng)液,第二代,梯度離心結果,,,——實驗結果支持半保留復制的設想。含重氮-DNA的細菌培養(yǎng),14,按半保留復制方式，子

8、代,DNA,與親代,DN,A的,堿基序列一致,，即子代保留了親代的全部遺傳信息，體現了遺傳的,保守性,。,半保留復制的意義,遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎，但,不是絕對的,。,,,按半保留復制方式，子代DNA與親代DNA的堿基序列一致，即子,15,原核生物復制時，DNA從原點,(起始點，origin),向兩個方向解鏈，形成兩個延伸方向相反的復制叉，稱為,雙向復制,。,（二）DNA復制是固定起點的雙向復制,,,,復制中的放射自顯影圖象,,,原核生物復制時，DNA從原點 (起始點，origin)向兩個,16,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),17,A. 環(huán)

9、狀雙鏈DNA及復制起始點,B. 復制中的兩個復制叉,C. 復制接近終止點(termination, ter),,,,,,,,,,ori,,,,,,,,,,ter,A B C,,,A. 環(huán)狀雙鏈DNA及復制起始點oriterA,18,真核生物每個染色體有多個復制原點，是多復制子的復制。,習慣上把兩個相鄰復制原點之間的距離定為一個,復制子(replicon),。復制子是能夠獨立完成復制的功能單位。,,,真核生物每個染色體有多個復制原點，是多復制子的復制。,19,5,’,3,’,o

10、ri,ori,ori,ori,5,’,3,’,,,5,’,5,’,3,’,3,’,,,,,,,5,’,5,’,3,’,,,,,,復制子,,3,’,,,5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’,20,（三）DNA復制是半不連續(xù)復制,3,?,5,?,3,?,5,?,解鏈方向,3′,5,′,3,′,3′,5′,,領頭鏈,(leading strand),隨從鏈,(lagging strand),,,（三）DNA復制是半不連續(xù)復制3?5?3?5?解鏈方向3′5,21,順著解鏈方向生成的子鏈，復制是連續(xù)進行的，這股鏈稱為,先導鏈,或,領頭鏈,。,另一股鏈因為復制的方向與解鏈方向相反，

11、不能順著解鏈方向連續(xù)延長，這股不連續(xù)復制的鏈稱為,隨后鏈,或,隨從鏈,。復制中的不連續(xù)片段（約1000個核苷酸）稱為,岡崎片段(okazaki fragment，1968),。,,先導鏈連續(xù)復制而隨后鏈不連續(xù)復制，稱為半不連續(xù)復制或復制的,半不連續(xù)性,。,,,,順著解鏈方向生成的子鏈，復制是連續(xù)進行的，這股鏈稱為先導鏈或,22,,由于親代DNA雙鏈在復制時是逐步解開的，因此，隨從鏈的合成也是一段一段的。DNA在復制時，由隨從鏈所形成的一些子代DNA短鏈稱為,岡崎片段,(Okazaki fragment)。,岡崎片段的大小，在原核生物中約為1000～2000個核苷酸，而在真核生物中約為100個核

12、苷酸。,,,,由于親代DNA雙鏈在復制時是逐步解開的，因此，隨從鏈的合成也,23,（四）需要引物,參與DNA復制的DNA聚合酶，必須以一段具有3’端自由羥基（3’-OH）的,RNA,作為,引物(primer),，才能開始聚合子代DNA鏈。,RNA引物的大小，在原核生物中通常為50～100個核苷酸，而在真核生物中約為10個核苷酸。RNA引物的堿基順序，與其模板DNA的堿基順序相配對。,,,（四）需要引物,24,二、,DNA,復制的酶學,（DNA復制相關的酶和蛋白質）,The Enzymology of DNA Replication,,,二、DNA復制的酶學,25,參與,DNA,復制的物質,底物

13、,(,substrate):,,,dATP, dGTP, dCTP, dTTP,聚合酶,(polymerase):,,依賴DNA的DNA聚合酶，簡寫 為 DDDP或DNA-pol,模板,(template) :,解開成單鏈的DNA母鏈,引物,(primer):,,提供3,?,-OH末端使dNTP可以依次聚合,,其他的酶和蛋白質因子,,,參與DNA復制的物質 底物(substrate): dAT,26,,,目 錄,,,,,目 錄,27,聚合反應的特點,DNA 新鏈生成需,引物,和,模板,DNA復制是模板依賴性的，必須要以親代DNA鏈作為模板。親代DNA的兩股鏈解開后，可分別作為模板

14、進行復制。,,新鏈的延長只可沿,5,? →,3,?,方向進行（模板方向為,3,,? →,5,?,，合成方向為,5,? →,3,?,。）,,,聚合反應的特點DNA 新鏈生成需引物和模板,28,（二）,DNA,聚合酶,全稱：,DNA依賴的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase),簡稱：,DNA-pol,活性：,1,. 5,??,3,?,的聚合活性,2. 核酸外切酶活性,,,（二）DNA聚合酶全稱： DNA依賴的DNA聚合酶 (DNA,29,,,目 錄,5′ A G C T T C A G G A T,A,,?,3′,,| | |

15、 | | | | | | | |,3′ T C G A A G T C C T A G C G A C 5′,3,? ?,5,?,外切酶活性,,,5,? ?,3,?,外切酶活性,?,能切除突變的 DNA片段和RNA引物。,能辨認錯配的堿基對，并將其水解。,核酸外切酶活性,,,,,目 錄5′ A G C T T C A,30,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),31,1、原核生物的,DNA,聚合酶,DNA-pol,Ⅰ,DNA-pol,Ⅱ,DNA-pol

16、,Ⅲ,,,1、原核生物的DNA聚合酶DNA-pol Ⅰ,32,催化DNA聚合,參與DNA損傷的應急狀態(tài)修復,修復合成、切除引物、填補空隙,功能,20,40,400,分子數/細胞,10,1,1,亞基數,+,-,+,5,?? ??外切酶活性,+,+,+,???,5,?外切酶活性,+,+,+,5,?? ??聚合酶活性,pol III,pol II,pol I,,E. Coli,中的,DNA,聚合酶,,,催化DNA聚合參與DNA損傷的應急狀態(tài)修復修復合成、切除引物,33,原核生物的,DNA,聚合酶,,,原核生物的DNA聚合酶,34,功能,：,對復制中的錯誤進行校讀，對復制和修復中出現的空隙進行填補。

17、,DNA-pol Ⅰ,（109kD）,,,功能：對復制中的錯誤進行校讀，對復制和修復中出現的空隙進行填,35,323個氨基酸,小片段,5,? ? ??核酸外切酶活性,大片段/Klenow 片段,,604個氨基酸,DNA聚合酶活性,,??,,?,5,? 核酸外切酶活性,,,,N 端,C 端,木瓜蛋白酶,DNA-pol Ⅰ,Klenow片段是實驗室合成DNA，進行分子生物學研究中常用的工具酶。,,,,,323個氨基酸小片段5? ? ??核酸外切酶活性大片段/Kl,36,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),37,DNA-pol,Ⅱ,（120kD）,,DNA-po

18、l II,基因發(fā)生突變，細菌依然能存活。,它參與,DNA,損傷的應急狀態(tài)修復。,,,,DNA-pol Ⅱ（120kD） DNA-pol II基因,38,功能：,是原核生物復制延長中真正起催化作用的酶。,,DNA-pol Ⅲ,：由十種亞基組成，其中α亞基具有5'→3'聚合DNA的酶活性，因而具有復制DNA的功能；而ε亞基具有3'→5'外切酶的活性，因而與DNA復制的校正功能有關。,,(250kD),,,功能：是原核生物復制延長中真正起催化作用的酶。 DNA-po,39,2、真核生物的DNA聚合酶,DNA-pol,?,起始引發(fā)，有引物酶活性。,延長子鏈的主要酶，有解螺旋酶活性。,參與低保真度

19、的復制 。,在復制過程中起校讀、修復和填補缺口的作用。,在,線粒體DNA,復制中起催化作用。,DNA-pol,?,DNA-pol,?,DNA-pol,?,DNA-pol,?,,,2、真核生物的DNA聚合酶DNA-pol ?起始引發(fā)，有引物,40,真核生物的DNA聚合酶,,,真核生物的DNA聚合酶,41,在真核生物中，目前發(fā)現的DNA聚合酶有五種，分別命名為DNA聚合酶α（pol α），DNA聚合酶β（pol β），DNA聚合酶γ（pol γ），DNA聚合酶δ（pol δ），DNA聚合酶ε（pol ε）。,其中，參與染色體DNA復制的是pol α（延長隨從鏈）和pol δ（延長領頭鏈），參與線粒

20、體DNA復制的是pol γ，polε與DNA損傷修復、校讀和填補缺口有關，pol β只在其他聚合酶無活性時才發(fā)揮作用。,,,,在真核生物中，目前發(fā)現的DNA聚合酶有五種，分別命名為DNA,42,（三）復制保真性的酶學依據,復制按照堿基配對規(guī)律進行，是遺傳信息能準確傳代的基本原理。,復制保真性的酶學機制：,DNA-pol,的核酸外切酶活性和及時校讀,,復制的保真性和堿基選擇,,,（三）復制保真性的酶學依據復制按照堿基配對規(guī)律進行，是遺傳信,43,1、DNA-pol,的核酸外切酶活性和及時校讀,A：DNA-pol的外切酶活性切除錯配堿基；并用其聚合活性摻入正確配對的底物。,B：堿基配對正確， DN

21、A-pol不表現活性。,,,1、DNA-pol的核酸外切酶活性和及時校讀A：DNA-po,44,2、復制的保真性和堿基選擇,?,DNA,聚合酶靠其大分子結構協調非共價（氫鍵）與共價（磷酸二酯鍵）鍵的有序形成。,? 嘌呤的化學結構能形成順式和反式構型，與相應的嘧啶形成氫鍵配對，嘌呤應處于,反式構型,。,,,,,2、復制的保真性和堿基選擇? DNA聚合酶靠其大分子結構協調,45,1. 遵守嚴格的堿基配對規(guī)律；,2. 聚合酶在復制延長時對堿基的選擇功能；,3. 復制出錯時DNA-pol的及時校讀功能。,DNA復制的保真性至少要依賴三種機制,,,,1. 遵守嚴格的堿基配對規(guī)律；DNA復制的保真性至少要

22、依賴三,46,（四）復制中的分子解鏈及,DNA,分子拓撲學變化,,DNA,分子的堿基埋在雙螺旋內部，只有把,DNA,解成單鏈，它才能起模板作用。,,,,（四）復制中的分子解鏈及DNA 分子拓撲學變化 DNA分子的,47,1、解螺旋酶、引物酶和單鏈DNA結合蛋白,,,1、解螺旋酶、引物酶和單鏈DNA結合蛋白,48,目 錄,,,,,,,目 錄,49,解螺旋酶(,helicase),——利用ATP供能，作用于氫鍵，使DNA雙鏈解開成為兩條單鏈,引物酶(primase),——復制起始時催化生成RNA引物的酶,單鏈DNA結合蛋白(single stranded DNA binding protein,

23、SSB),——在復制中維持模板處于單鏈狀態(tài)并保護單鏈的完整,,,,解螺旋酶(helicase),50,單鏈DNA結合蛋白,單鏈DNA結合蛋白（single strand binding protein, SSB）又稱螺旋反穩(wěn)蛋白（HDP）。這是一些能夠與單鏈DNA結合的蛋白質因子。其作用為：① 使解開雙螺旋后的DNA單鏈能夠穩(wěn)定存在，即穩(wěn)定單鏈DNA，便于以其為模板復制子代DNA；② 保護單鏈DNA，避免核酸酶的降解。,,,,單鏈DNA結合蛋白,51,解螺旋酶（unwinding enzyme） ，又稱解鏈酶或rep蛋白，是用于解開DNA雙鏈的酶蛋白，每解開一對堿基，需消耗兩分子ATP。目前發(fā)

24、現存在至少存在兩種解螺旋酶。,,,,解螺旋酶（unwinding enzyme） ，又稱解鏈酶或,52,引發(fā)體(primosome)由引發(fā)前體與引物酶（primase）組裝而成。,引物酶本質上是一種依賴DNA的RNA聚合酶（DDRP），該酶以DNA為模板，聚合一段RNA短鏈引物(primer)，以提供自由的3'-OH，使子代DNA鏈能夠開始聚合。,,,,引發(fā)體(primosome)由引發(fā)前體與引物酶（primas,53,,,,,,,,,,,10,,,,,,,,,,,8,局部解鏈后,2、DNA拓撲異構酶(DNA topoisomerase),,,,10 8 局部解鏈后2、DNA拓撲異構酶(DN

25、A topo,54,,,,,目 錄,,,目 錄,55,拓撲異構酶作用特點,既能水解 、又能連接磷酸二酯鍵,拓撲異構酶Ⅰ,,拓撲異構酶Ⅱ,分 類,,,拓撲異構酶作用特點 拓撲異構酶Ⅰ分 類,56,拓撲異構酶Ⅰ,切斷,DNA,雙鏈中,一股,鏈，使,DNA,解鏈旋轉不致打結；適當時候封閉切口，,DNA,變?yōu)樗沙跔顟B(tài),。,反應,不需,ATP,。,拓撲異構酶Ⅱ,切斷DNA分子,兩股,鏈，斷端通過切口旋轉使超螺旋松弛。,利用,ATP,供能，連接斷端， DNA分子進入負超螺旋狀態(tài)。,作用機制,,,,拓撲異構酶Ⅰ切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉不致打結,57,,,,,目 錄,,,目 錄,58,（五）,

26、DNA,連接酶,連接DNA鏈3,?,-OH末端和相鄰DNA鏈5,?,-P末端，使二者生成磷酸二酯鍵，從而把兩段相鄰的DNA鏈連接成一條完整的鏈。,DNA連接酶(DNA ligase)作用方式,,,（五）DNA連接酶連接DNA鏈3?-OH末端和相鄰DNA鏈5,59,HO,5,’,3,’,3,’,5,’,DNA連接酶,,ATP,ADP,5,’,3,’,5,’,3,’,,,HO5’3’3’5’DNA連接酶ATPADP5’3’5’3’,60,DNA連接酶催化的條件是：① 需一段DNA片段具有3'-OH，而另一段DNA片段具有5'-Pi基；②,未封閉的缺口位于雙鏈DNA中,，即其中有一條鏈是完整的；③

27、需要消耗能量，在,原核生物中由NAD,+,供能,，在,真核生物中由ATP供能,。,,,,DNA連接酶催化的條件是：① 需一段DNA片段具有3'-OH,61,DNA連接酶在復制中起最后接合缺口的作用。,在DNA修復、重組及剪接中也起縫合缺口作用。,也是基因工程的重要工具酶之一。,功能,,,DNA連接酶在復制中起最后接合缺口的作用。功能,62,三、,DNA,生物合成過程,The Process of DNA Replication,,,三、DNA生物合成過程,63,1、復制的起始,需要解決兩個問題：,1）,DNA解開成單鏈，提供模板。,2）合成引物，提供3,?-OH末端。,（一）原核生物的,DN

28、A,生物合成,,,,1、復制的起始需要解決兩個問題：1） DNA解開成單鏈，提供,64,E.coli復制起始點 oriC,GATTNTTTATTT,···,GATCTNTTNTATT,···,GATCTCTTATTAG,···,1 13 17 29 32 44,···,TGTGGATTA-,‖,-TTATACACA-,‖-,TTTGGATAA-,‖-,TTATC

29、CACA,58 66 166 174 201 209 237 245,串聯重復序列,反向重復序列,,,,,,,,5,?,3,?,5,?,3,?,a,. DNA解鏈,,,E.coli復制起始點 oriC GATTNTTTATTT,65,,,,,,,,Dna A,Dna B、 Dna C,DNA拓撲異構酶,引物酶,SSB,,,,,,,,,,,,,3,?,5,?,3,?,5,?,b,. 引發(fā)體和引物,含

30、有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA復制起始區(qū)域的復合結構稱為引發(fā)體。,,,,Dna A Dna B、 Dna CDNA,66,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3,?,5,?,3,?,5,?,引物是由引物酶催化合成的短鏈RNA分子。,,引物,3,',HO,5',引物酶,,,3?5?3?5?引物是由引物酶催化合成的短鏈RNA分子。 引,67,復制的起始,DNA復制的起始階段，由下列兩步構成。,預引發(fā)：,1．解旋解鏈，形成復制叉：,由拓撲異構酶和解鏈酶作用，使DNA的超螺旋及雙螺旋結構解開，堿基間氫鍵斷裂，形成兩條單鏈DNA。單鏈DNA結合蛋白（

31、SSB）結合在兩條單鏈DNA上，形成復制叉。,DNA復制時，局部雙螺旋解開形成兩條單鏈，這種叉狀結構稱為,復制叉,。,,,復制的起始,68,2．引發(fā)體組裝：,由蛋白因子（如dnaB等）識別復制起始點，并與其他蛋白因子以及引物酶一起組裝形成引發(fā)體。,,,,2．引發(fā)體組裝：,69,引發(fā)：,,在引物酶的催化下，以DNA為模板，合成一段短的RNA片段，從而獲得3'端自由羥基（3'-OH）。,,,,引發(fā)：,70,2、復制的延長,復制的延長指在,DNA-pol,催化下，,dNTP,以,dNMP,的方式逐個加入引物或延長中的子鏈上，其化學本質是磷酸二酯鍵的不斷生成。,,,,2、復制的延長復制的延長指在DNA

32、-pol催化下，dNTP以,71,聚合子代DNA：,由DNA聚合酶催化，以3'→5'方向的親代DNA鏈為模板，從5'→3'方向聚合子代DNA鏈。在原核生物中，參與DNA復制延長的是,DNA聚合酶Ⅲ；而在真核生物中，是DNA聚合酶α(延長隨從鏈)和δ（延長領頭鏈）,。,,,,聚合子代DNA：,72,引發(fā)體移動：,,引發(fā)體向前移動，解開新的局部雙螺旋，形成新的復制叉，隨從鏈重新合成RNA引物，繼續(xù)進行鏈的延長。,,,,引發(fā)體移動：,73,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),74,5',3',5',dATP,dGTP,dTTP,dCTP,dTTP,dGTP,dATP

33、,dCTP,OH 3',3,',,DNA-pol,,,5' 3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTP,75,領頭鏈的合成,,,領頭鏈的合成,76,,隨從鏈的合成,,,隨從鏈的合成,77,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),78,階段一,階段二,,,階段一階段二,79,階段三,階段四,,,階段三階段四,80,復制過程簡圖,,,復制過程簡圖,81,原核生物基因是環(huán)狀DNA，雙向復制的復制片段在復制的終止點(ter)處匯合。,,ori,ter,,E.coli,,,,,82,32,,,,,,ori,ter,SV40,50,0,3、復制的終止,,,原核生物基因

34、是環(huán)狀DNA，雙向復制的復制片段在復制的終止點(,82,,,5,?,5,?,5,?,RNA酶,,OH,P,5,?,DNA-pol Ⅰ,dNTP,5,?,,5,?,P,ATP,ADP+Pi,,,5,?,5,?,DNA連接酶,隨從鏈上不連續(xù)性片段的連接,,,5?5?5?RNA酶OHP5?DNA-pol ⅠdNTP5?,83,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),84,去除引物，填補缺口：,,在原核生物中，由,DNA聚合酶Ⅰ,來水解去除RNA引物，并由該酶催化延長引物缺口處的DNA，直到剩下最后一個磷酸酯鍵的缺口。而在真核生物中，RNA引物的去除，由一種特殊的核酸酶來

35、水解，而岡崎片段仍由DNA聚合酶來延長。,,,,去除引物，填補缺口：,85,連接岡崎片段：,,在DNA連接酶的催化下，形成最后一個磷酸酯鍵，將岡崎片段連接起來，形成完整的DNA長鏈。,,,,連接岡崎片段：,86,哺乳動物的細胞周期,DNA合成期,,G,1,G,2,S,M,,,,,（二）真核生物的,DNA,生物合成,,? 細胞能否分裂，決定于進入S期及M期這兩個關鍵點。G1→S及G2→M的調節(jié)，與蛋白激酶活性有關。,? 蛋白激酶通過磷酸化激活或抑制各種復制因子而實施調控作用。,,,哺乳動物的細胞周期DNA合成期G1G2SM（二）真核生物的D,87,? 真核生物每個染色體有多個起始點，是多復制子復

36、制。,復制有時序性,，即復制子以分組方式激活而不是同步起動。,? 復制的起始需要DNA-polα（引物酶活性）和polδ（解螺旋酶活性）參與。還需拓撲酶和復制因子(replication factor, RF)。,,1、復制的起始,,,? 真核生物每個染色體有多個起始點，是多復制子復制。復制有時,88,3,?,5,?,5,?,3,?,領頭鏈,3,?,5,?,3,?,5,?,親代DNA,,,,,,,,,,,隨從鏈,引物,核小體,2、復制的延長,,,3?5?5?3?領頭鏈3?5?3?5?親代DNA隨從鏈引物核,89,染色體DNA呈線狀，復制在末端停止。,復制中岡崎片段的連接，復制子之間的連接。,染

37、色體兩端DNA子鏈上最后復制的RNA引物，去除后留下空隙。,3、復制的終止,,,染色體DNA呈線狀，復制在末端停止。3、復制的終止,90,,5,?,3,?,3,?,5?,,,5,?,3,?,3,?,5?,,+,5,?,3,?,3,?,3,?,3,?,5,?,5,?,,,5?3?3?5?5?3?3?5?+5?3?3?3?3?5?5,91,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),92,切除引物的兩種機制,,,切除引物的兩種機制,93,端粒(telomere),指真核生物染色體線性,DNA,分子末端的結構。,功能,? 維持染色體的穩(wěn)定性,? 維持,DNA,復制的完整性,

38、結構特點,? 由末端單鏈DNA序列和蛋白質構成。,? 末端DNA序列是多次重復的富含G、C堿基的短 序列。,TTTT,GGGG,TTTT,GGGG,…,,,端粒(telomere)指真核生物染色體線性DNA分子末端的,94,端粒酶,(telomerase),端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR),端粒酶協同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1),端粒酶逆轉錄酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT),,組成,,,端粒酶(telomerase)端粒酶RNA (

39、human t,95,端粒酶的催化延長作用,爬行模型,,,端粒酶的催化延長作用爬行模型,96,DNA聚合酶復制子鏈,進一步加工,,,DNA聚合酶復制子鏈進一步加工,97,四、逆轉錄和其他復制方式,Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways,,,四、逆轉錄和其他復制方式,98,逆轉錄酶,(reverse transcriptase),逆轉錄,(reverse transcription),RNA,DNA,,逆轉錄酶,（一）逆轉錄病毒和逆轉錄酶,,,,逆轉錄酶(reverse transcriptase),99,,反轉錄（revers

40、e transcription）：以RNA為模板，合成DNA。與通常轉錄過程中遺傳信息流從DNA到RNA的方向相反。,1970年，Temin 和Baltimore分別從致癌RNA病毒（勞氏肉瘤病毒和鼠白血病病毒）中發(fā)現發(fā)反轉錄酶。,致癌RNA病毒是一大類能引起鳥類、哺乳類等動物白血病、肉瘤以及其它腫瘤的病毒。這類病毒侵染細胞后并不引起細胞死亡，卻可以使細胞發(fā)生惡性轉化。經過改造后可以作為基因治療的載體。,放線菌素D（抑制以DNA為模板的反應，復制和轉錄）能抑制致癌RNA病毒的復制，可見致癌RNA病毒的復制過程必然涉及DNA。,Bader 用嘌呤霉素（puromycin）來抑制靜止細胞蛋白質的

41、合成，發(fā)現這種細胞仍能感染勞氏肉瘤病毒（RSV），證實反轉錄酶是由反轉錄病毒帶入細胞的，而不是感染后在宿主細胞中新合成的。,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),100,反轉錄酶,由一個α亞基和一個β亞基組成，含有Zn,2+,，具有三種酶活力。,（1）RNA指導的DNA聚合酶活力（以RNA為模板，合成一條互補的DNA，形成RNA—DNA雜種分子）。,（2）RNase H酶活力，水解RNA—DNA雜種分子中的RNA，可沿3,’,→5,’,和5,’,→3,’,兩個方向起外切酶作用。,（3）DNA指導的DNA聚合酶活力。,模板：RNA或DNA,以自身病毒類型的RNA為

42、模板時，該酶的反轉錄活力最大，但是帶有適當引物的任何種類的RNA都能作為合成DNA的模板。,引物：RNA或DNA,底物：,dNTP,二價陽離子：,Mg,2+,或Mn,2+,真核mRNA3,’,端有polyA，加入oligo dT后，可以作為反轉錄酶的模板，合成cDNA。,,,反轉錄酶,101,逆轉錄病毒細胞內的逆轉錄現象,RNA 模板,逆轉錄酶,DNA,-RNA,雜化雙鏈,RNA酶,單鏈,DNA,逆轉錄酶,雙鏈,DNA,,,逆轉錄病毒細胞內的逆轉錄現象RNA 模板逆轉錄酶DNA-RN,102,逆轉錄酶,,A AA A,,T T T T,AAAA,SI核酸酶,,,DNA,聚合酶,Ⅰ,,堿水解,,

43、T T T T,,分子生物學研究可應用逆轉錄酶，作為獲取基因工程目的基因的重要方法之一，此法稱為,cDNA,法。,,以,mRNA,為模板，經逆轉錄合成的與,mRNA,堿基序列互補的,DNA,鏈。,,試管內合成,cDNA,cDNA,?complementary DNA?,,,逆轉錄酶 A AA A T T T TAAAASI核酸酶 D,103,（二）逆轉錄研究的意義,,逆轉錄酶和逆轉錄現象，是分子生物學研究中的重大發(fā)現。,,逆轉錄現象說明：至少在某些生物，RNA同樣兼有遺傳信息傳代與表達功能。,對逆轉錄病毒的研究，拓寬了20世紀初已注意到的病毒致癌理論。,,,,（二）逆轉錄研究的意義 逆轉錄酶和

44、逆轉錄現象，是分子生物學研,104,滾環(huán)復制,(rolling circle replication),（三）滾環(huán)復制和,D,環(huán)復制,,是某些低等生物的復制形式，如,?X,174和M13噬菌體等。,,,滾環(huán)復制(rolling circle replicati,105,,,,,,,,,3,?,-OH,5,?,-P,,,,,,5,?,5,?,5,?,3,?,3,?,3,?,3,?,5',,滾環(huán)復制,,,,,5',??,5,?,3,?,3,?,5,?,,,3?-OH5?-P5?5?5?3?3?3?3?5'滾環(huán)復制5,106,,,,,,,,,,,,,dNTP,DNA-pol,γ,,D環(huán)復制(D-lo

45、op replication),,是線粒體DNA (mitochondrial DNA，mtDNA)的復制形式。,,,,dNTPDNA-pol γ D環(huán)復制(D-loop rep,107,五、DNA,損傷（突變）與修復,DNA Damage (Mutation) and Repair,,,五、DNA損傷（突變）與修復,108,遺傳物質的結構改變而引起的遺傳信息改變，均可稱為,突變。,在復制過程中發(fā)生的DNA突變稱為,DNA損傷(DNA damage),。,一些物理化學因子如紫外線、電離輻射和化學誘變劑均可引起DNA損傷，破壞其結構與功能。然而在一定條件下，生物機體能使這種損傷得到修復。,,從

46、分子水平來看，突變就是DNA分子上堿基的改變。,,,,遺傳物質的結構改變而引起的遺傳信息改變，均可稱為突變。在復制,109,（一）突變的意義,1、突變是進化、分化的分子基礎,2、突變導致基因型改變,3、突變導致死亡,4、突變是某些疾病的發(fā)病基礎,,,,,（一）突變的意義1、突變是進化、分化的分子基礎,110,（二）引發(fā)突變的因素,物理因素,紫外線(ultra violet, UV)、各種輻射,,UV,,,（二）引發(fā)突變的因素物理因素 紫外線(ultra viol,111,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),112,化學因素,,,化學因素,113,（三）突變的

47、分子改變類型,錯配 (mismatch),缺失 (deletion),插入 (insertion),重排 (rearrangement),,框移,(frame-shift),,,,（三）突變的分子改變類型錯配 (mismatch)框移,114,DNA分子上的堿基錯配稱,點突變(point mutation),。,發(fā)生在同型堿基之間，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。,1,）轉換,發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤。,,2)顛換,1、錯配,,,DNA分子上的堿基錯配稱點突變(point mutation,115,鐮形紅細胞貧血病人Hb (HbS),β亞基,N,-val,,·,,h

48、is,,·,,leu,,·,,thr,,·,,pro,·,,val,,·,,glu,,·,,·,,·,,·,,·,,·,,C,肽鏈,C,A,C G,T,G,基因,正常成人Hb (HbA),β,亞基,N,-val,,·,,his,,·,,leu,,·,,thr,,·,,pro,·,,glu,,·,,glu,,·,,·,,·,,·,,·,,·,,C,肽鏈,C,T,C G,A,G,基因,,,鐮形紅細胞貧血病人Hb (HbS) β亞基N-val · h,116,2、缺失,、,插入,和框移,缺失：,一個堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失。,插入：,原來沒有的一個堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA

49、大分子中間。,框移突變,是指三聯體密碼的閱讀方式改變，造成蛋白質氨基酸排列順序發(fā)生改變。,,缺失或插入都可導致,框移突變,,。,,,2、缺失、插入和框移缺失：一個堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分,117,谷 酪 蛋 絲,5’ ……,G,C,A,,G U A,,C A U,,G U C,……,丙 纈 組 纈,正常,5’ ……,G A G,,U A C,,A U G,,U C …,…,缺失,C,缺失引起框移突變,,,谷 酪 蛋,118,3、

50、重排,DNA分子內較大片段的交換，稱為重組或重排。,,,,3、重排DNA分子內較大片段的交換，稱為重組或重排。,119,由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型,,,由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型,120,（四）,DNA,損傷的修復,修復(repairing,),,是對已發(fā)生分子改變的補償措施，使其回復為原有的天然狀態(tài)。,光修復(light repairing),切除修復(excision repairing),重組修復(recombination repairing),SOS修復,,修復的主要類型,,,（四）DNA損傷的修復修復(repairing) 光修復(l,121,1、光修復,光修復

51、酶,(photolyase),,UV,,,1、光修復光修復酶(photolyase) UV,122,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),123,,,,,UvrA,UvrB,,UvrC,,,OH,P,DNA聚合酶Ⅰ,OH,P,2、切除修復,是細胞內最重要和有效的修復機制，主要由,DNA-pol,Ⅰ和連接酶完成。包括切－補－切－封四個步驟。,DNA連接酶,ATP,E.coli的切除修復機制,,,UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHP2、切除修,124,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),125,3、重組修復,,,,3

52、、重組修復,126,,切除修復發(fā)生在DNA復制之前，而當DNA發(fā)動復制時尚未修復的損傷部位，可以先復制，再重組修復。,在重組修復過程中，DNA鏈的損傷并未除去。,重組修復至少需要4種酶組分。,重組基因recA編碼一種分子量為40000的蛋白質，它具有交換DNA鏈的活力。RecA蛋白被認為在DNA重組和重組修復中均起關鍵作用。,recB、recC基因分別編碼核酸外切酶V的兩個亞基。,此外，修復合成還需要DNA聚合酶和連接酶。,,,,127,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),128,4、,SOS,修復,當DNA損傷廣泛難以繼續(xù)復制時，由此而誘發(fā)出一系列復雜的反應

53、。,在E. coli，各種與修復有關的基因，組成一個稱為,調節(jié)子(regulon),的網絡式調控系統。,這種修復特異性低，對堿基的識別、選擇能力差。通過SOS修復，復制如能繼續(xù)，細胞是可存活的。然而DNA保留的錯誤較多，導致較廣泛、長期的突變。,,,4、SOS修復當DNA損傷廣泛難以繼續(xù)復制時，由此而誘發(fā)出一,129,誘導修復和應急反應（,SOS,反應）,誘導修復是細胞DNA受到嚴重損傷或DNA復制系統受到抑制的緊急情況下，為求得生存而出現的一系列誘導性修復。,SOS反應誘導的修復系統包括避免差錯的修復（無差錯修復）和傾向差錯的修復。,避免差錯的修復：SOS反應能誘導光復活切除修復和重組修復中

54、某些關鍵酶和蛋白質的產生，從而加強光復活切除修復和重組修復的能力，這屬于避免差錯的修復。,傾向差錯的修復：SOS反應還能誘導產生缺乏校對功能的DNA聚合酶，它能在DNA損傷部位進行復制而避免了死亡，可是卻帶來了高的突變率，這屬于傾向差錯的修復。,,,誘導修復和應急反應（SOS反應）,130,第二部分 RNA的生物合成,,,第二部分 RNA的生物合成,131,本章重點與難點,,重點：掌握RNA生物合成方式、酶類及合成后加工，RNA合成后加工的意義，RNA合成的起始與終止、RNA的復制、核酶。,難點：RNA合成的起始與終止；真核生物RNA轉錄后加工；核酶。,,,本章重點與難點,132,一、轉錄,(

55、transcription),生物體以,DNA,為模板合成,RNA,的過程,。,,轉錄,RNA,,DNA,,,,,,,一、轉錄 (transcription) 轉錄RNADNA,133,復制和轉錄的區(qū)別,,,復制和轉錄的區(qū)別,134,參與轉錄的物質,原料:,,NTP (ATP, UTP, GTP, CTP),,模板:,,DNA,,酶:,,RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol),,其他蛋白質因子,,,參與轉錄的物質原料: NTP (ATP, UTP, GTP,135,（一）轉錄模板,DNA上為一種或幾種蛋白質的全部氨基酸編碼的核苷酸順序稱為,基因,。,DNA分子上編碼蛋

56、白質的基因片段，稱為,結構基因(structural gene),。,DNA上有重復基因、重疊基因和不連續(xù)基因。,DNA上插入而不編碼的序列稱為內含子,被間隔的編碼蛋白質的基因部分稱為外顯子。,,,（一）轉錄模板 DNA上為一種或幾種蛋白質的全部氨基酸編碼的,136,5,′···GCAGTACATGTC,···3′,3,′··· c g t g a t g t a c a g,···5′,5,′···GCAGUACAUGUC,···3′,N···,···Ala,·,Val,·,His,·,Val,······C,編碼鏈,模板鏈,mRNA,蛋白質,轉錄,翻譯,DNA雙鏈中按堿基配對規(guī)律能指導轉

57、錄生成RNA的一股單鏈，稱為,模板鏈,(template strand),，也稱作,有意義鏈,或,Watson鏈,。相對的另一股單鏈是,編碼鏈(coding strand),，也稱為,反義鏈,或,Crick鏈,。,,,5′···GCAGTACATGTC ···3′3′··· c,137,,,,,5,?,3,?,3,?,5,?,模板鏈,編碼鏈,編碼鏈,,模板鏈,結構基因,轉錄方向,轉錄方向,,,5?3?模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結構基因轉錄方向轉錄方向,138,不對稱轉錄,(asymmetric transcription),,在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉錄，另一股鏈不轉錄 ；

58、,模板鏈并非永遠在同一條單鏈上。,,,,不對稱轉錄(asymmetric transcription,139,（二),RNA,聚合酶,1、原核生物的,RNA,聚合酶,,,（二)RNA聚合酶1、原核生物的RNA聚合酶,140,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),??,?,?,?,,?,??,?,?,?,,,核心酶 (core enzyme)全酶 (holoenzym,141,RNA聚合酶全酶在轉錄起始區(qū)的結合,,,RNA聚合酶全酶在轉錄起始區(qū)的結合,142,2、真核生物的,RNA,聚合酶,,,2、真核生物的RNA聚合酶,143,（三）模板上酶的辨認、結合,原核生物

59、一個轉錄區(qū)段可視為一個轉錄單位，稱為,操縱子(operon),，包括若干個,結構基因,及其上游(upstream)的,調控序列,。,,,5,?,3,?,3,?,5,?,,結構基因,調控序列,,RNA-pol,RNA聚合酶結合模板DNA的部位，稱為,啟動子(,promoter),。,,,（三）模板上酶的辨認、結合原核生物一個轉錄區(qū)段可視為一個轉錄,144,開始轉錄,T T G A C A,A A C T G T,-35 區(qū),(Pribnow box),T A T A A T Pu A T A T T A Py,-10 區(qū),1,-30,-50,10,-10,-40,-20,5,?,3,?,3,?,

60、5,?,原核生物啟動子保守序列,RNA-pol辨認位點,(recognition site),5,?,,5,?,RNA聚合酶保護區(qū),結構基因,,3,?,3,?,,,開始轉錄T T G A C A-35 區(qū)(Pribnow b,145,TATA,盒,CAAT,盒,GC,盒,,增強子,,,順式作用元件,結構基因,-GCGC---CAAT---TATA,,,轉錄起始,真核生物啟動子保守序列,,,TATA盒 CAAT盒 GC盒 增強子 順式作用元件 結,146,1）轉錄起始,轉錄起始需解決兩個問題：,RNA聚合酶必須準確地結合在轉錄模板的起始區(qū)域。,DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉錄的模板。,（

61、四）原核生物的轉錄過程,,,1）轉錄起始轉錄起始需解決兩個問題：（四）原核生物的轉錄過程,147,2. DNA雙鏈解開,1. RNA聚合酶全酶(,?2????)與模板結合,3. 在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應，形成轉錄起始復合物,RNApol (,?,2,????,) - DNA - pppGpN- OH 3,?,轉錄起始復合物:,5,?,-pppG -OH +,,NTP,?,5,?,-pppGp,N,,- OH 3,?,+ ppi,轉錄起始過程,,,2. DNA雙鏈解開1. RNA聚合酶全酶(?2????)與,148,2）轉錄延長,1.,?,亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構

62、，與模板結合松弛，沿著DNA模板前移；,,2. 在,核心酶,作用下，,NTP,不斷聚合，RNA鏈不斷延長。,(NMP),n,,+,,NTP,??,(NMP),n+1,,+,PPi,,,2）轉錄延長1. ?亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構,149,轉錄空泡,(transcription bubble)：,RNA-pol,（核心酶）,,····,DNA,,····,RNA,,,轉錄空泡(transcription bubble)：RNA,150,,,【化學課件】第十一章 核酸的生物學功能及RNA的生物合成(轉錄),151,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5,?,3,?,,,,,,

63、,DNA,,,原核生物轉錄過程中的羽毛狀現象,核糖體,RNA,RNA聚合酶,,,5?3?DNA原核生物轉錄過程中的羽毛狀現象核糖體RNARN,152,依賴Rho (,ρ,)因子的轉錄終止,非依賴Rho因子的轉錄終止,3）轉錄終止,指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，轉錄產物RNA鏈從轉錄復合物上脫落下來。,分類,,,依賴Rho (ρ)因子的轉錄終止3）轉錄終止指RNA聚合酶在,153,A T P,1. 依賴 Rho因子的轉錄終止,,,A T P1. 依賴 Rho因子的轉錄終止,154,2. 非依賴 Rho因子的轉錄終止,DNA,模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，轉錄出,RNA,后

64、，,RNA,產物形成特殊的結構來終止轉錄。,,,2. 非依賴 Rho因子的轉錄終止DNA模板上靠近終止處，有,155,5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU,... 3`,5`UUG,CAGCCUGA,CAAA,UCAGGCUG,AUGGCUGGUGACUUUUU,AGUC,ACCA,GCCU,UUUU,... 3`,,RNA,,5,?,TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT,... 3,?,DNA,,UUUU,...…,UUUU,...…,,

65、,5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAU,GGCUGGUGACU,UUUU,AGUCACCAGCC,UUUUU,... 3`,,,莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結構,,,5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGC,156,莖環(huán)結構使轉錄終止的機理,使RNA聚合酶變構，轉錄停頓；,使轉錄復合物趨于解離，RNA產物釋放。,,,5′pppG,5?,3,?,3,?5?,,,RNA-pol,,,莖環(huán)結構使轉錄終止的機理 使RNA聚合酶變構，轉錄停頓；5′,157,（五）真核生物的轉錄起始,1）轉錄起始,真核生物的轉錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉錄

66、起始時，,RNA-pol,不直接結合模板，其起始過程比原核生物復雜。,,,（五）真核生物的轉錄起始1）轉錄起始真核生物的轉錄起始上游區(qū),158,,,,轉錄起始點,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增強子,順式作用元件,(cis-acting element),1.,轉錄起始前的上游區(qū)段,,AATAAA,,,,切離加尾,轉錄終止點,修飾點,外顯子,翻譯起始點,內含子,OCT-1,,OCT-1：,ATTTGCAT,八聚體,,,轉錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒 增強子順式作用元件(,159,2.,轉錄因子,能直接、間接辨認和結合轉錄上游區(qū)段DNA的蛋白質，現已發(fā)現數百種，統稱為,反式作用因子(trans-acting factors),。,反式作用因子中，直接或間接結合RNA聚合酶的，則稱為,轉錄因子(transcriptional factors, TF),。,,,2. 轉錄因子 能直接、間接辨認和結合轉錄上游區(qū)段DNA的蛋,160,參與,RNA-polⅡ,轉錄的,TFⅡ,,,,參與RNA-polⅡ轉錄的TFⅡ,161,3.,轉錄起始前復合物,(pre-initiation compl