生物信息的传递从DNA到RNA全

1、（上）从（上）从DNADNA到到RNARNA 基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，其生物学功能是以蛋白质的形式表达出来的。其生物学功能是以蛋白质的形式表达出来的。DNADNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成信使制得到永存，并通过转录生成信使RNARNA，翻译，翻译生成蛋白质的过程来控制生命现象。生成蛋白质的过程来控制生命现象。 基因表达包括基因表达包括转录（转录（transcription）和和翻译翻译（translation）两个阶段。两个阶段。 转录转录是指拷贝出一条与是指拷贝

2、出一条与DNADNA链序列完全相同链序列完全相同（除了（除了TUTU之外）的之外）的RNARNA单链的过程，单链的过程，是基因是基因表达的核心步骤。表达的核心步骤。 翻译翻译是指以新生的是指以新生的mRNAmRNA为模板，把核苷酸三联为模板，把核苷酸三联遗传密码子翻译成氨基酸序列、合成多肽链的遗传密码子翻译成氨基酸序列、合成多肽链的过程，过程，是基因表达的最终目的。是基因表达的最终目的。 Francois Jacob (Left), Jacques Monod (Center) & Andre Lwoff (Right)uDNADNA分子中的核苷酸排列顺序不但决定了胞内所分子中的核苷酸排列顺序

3、不但决定了胞内所有有RNARNA及蛋白质的基本结构，还通过蛋白质（酶）及蛋白质的基本结构，还通过蛋白质（酶）的功能间接控制了细胞内全部有效成份的生产、的功能间接控制了细胞内全部有效成份的生产、运转和功能发挥。运转和功能发挥。l 与与mRNAmRNA序列相同的那条序列相同的那条DNADNA链是链是编码链（编码链（coding strand）或称或称有意义连（有意义连（sense strand）；l 另一条根据碱基互补原则指导另一条根据碱基互补原则指导mRNAmRNA合成的合成的DNADNA链链则被称为则被称为模板链（模板链（template strand）或称或称反义链反义链（antisense

4、 strand）。）。DNADNA和和RNARNA虽然很相似，只有虽然很相似，只有T T或或U U及及核糖的第二位碳原子上核糖的第二位碳原子上有所不同，有所不同，但它们的生物学活性却很不同。但它们的生物学活性却很不同。RNARNA主要以单链形式存在于生物体内，主要以单链形式存在于生物体内，其高级结构很复杂，它们既担负着其高级结构很复杂，它们既担负着贮藏及转移遗传信息的功能，又能贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为核酶直接在细胞内发挥代谢功作为核酶直接在细胞内发挥代谢功能。能。因为只有因为只有mRNAmRNA所携带的遗传信息才所携带的遗传信息才被用来指导蛋白质生物合成，所以被用来指导蛋白质生物合成

5、，所以人们一般用人们一般用U U、C C、A A、G G这这4 4种核苷酸种核苷酸而不是而不是T T、C C、A A、G G的组合来表示遗的组合来表示遗传性状。传性状。 DNADNA模板与模板与mRNAmRNA分子及多肽链之间存在共线性关系分子及多肽链之间存在共线性关系生物体内拥有三类生物体内拥有三类RNARNA，即：，即：n 编码特定蛋白质序列的编码特定蛋白质序列的mRNA；n 能特异性解读能特异性解读mRNA中的遗传信息并将其转化中的遗传信息并将其转化成相应氨基酸后加入多肽链中的成相应氨基酸后加入多肽链中的tRNA；n 直接参与核糖体中蛋白质合成的直接参与核糖体中蛋白质合成的rRNA。3.

6、1 RNA3.1 RNA的转录的转录 3.1.1 3.1.1 转录的基本过程转录的基本过程 无论是原核还是真核细胞，转录的基本过程无论是原核还是真核细胞，转录的基本过程都包括：都包括： 模板识别模板识别 转录起始转录起始 通过启动子通过启动子 转录的延伸和终止转录的延伸和终止大肠杆菌中依赖于大肠杆菌中依赖于DNADNA的的RNARNA转录过程图示转录过程图示转录泡中单链转录泡中单链DNADNA的长度约在的长度约在17bp17bp左右，被聚合酶复合物所保护的左右，被聚合酶复合物所保护的DNADNA序列序列约为约为35bp35bp左右左右 模板识别阶段模板识别阶段主要指主要指RNARNA聚合酶与启

7、动子聚合酶与启动子DNADNA双链双链相互作用并与之相结合的过程。相互作用并与之相结合的过程。转录起始前，启转录起始前，启动子附近的动子附近的DNADNA双链分开形成双链分开形成转录泡转录泡以以促使底物核促使底物核糖核苷酸与模板糖核苷酸与模板DNADNA的碱基配对的碱基配对。 转录起始转录起始就是就是RNARNA链上第一个核苷酸键的产生。链上第一个核苷酸键的产生。 真核生物真核生物RNARNA聚合酶不能直接识别基因的启动子区，需要一聚合酶不能直接识别基因的启动子区，需要一些被称为转录调控因子的辅助蛋白质按特定顺序结合于启动些被称为转录调控因子的辅助蛋白质按特定顺序结合于启动子上，子上，RNAR

8、NA聚合酶才能与之相结合并形成复杂的聚合酶才能与之相结合并形成复杂的前起始复合前起始复合物（物（preinitiation transcription complex, PIC），），以保证有以保证有效地起始转录。效地起始转录。 转录起始后直到形成转录起始后直到形成9 9个个核苷酸短链是核苷酸短链是通过启动通过启动子阶段子阶段，此时，此时RNARNA聚合酶一直处于启动子区聚合酶一直处于启动子区，新，新生的生的RNARNA链与链与DNADNA模板链的结合不够牢固，很容易模板链的结合不够牢固，很容易从从DNADNA链上掉下来并导致转录重新开始。链上掉下来并导致转录重新开始。 一旦一旦RNARNA聚

9、合酶成功地合成聚合酶成功地合成9 9个个以上核苷酸并离开以上核苷酸并离开启动子区，转录就进入正常的延伸阶段。启动子区，转录就进入正常的延伸阶段。 RNARNA聚合酶离开启动子，沿聚合酶离开启动子，沿DNADNA链移动并使新生链移动并使新生RNARNA链不断伸长的过程就是链不断伸长的过程就是转录的延伸转录的延伸。3.1.2 3.1.2 转录机器的主要成分转录机器的主要成分 1. RNA1. RNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶是转录过程中最关键的酶，主要是转录过程中最关键的酶，主要以以双链双链DNADNA为模板，以为模板，以4 4种核苷三磷酸种核苷三磷酸作为作为活性前体，并活性前体，并以

10、以MgMg2+2+/Mn/Mn2+2+为辅助因子，催化为辅助因子，催化RNARNA链的起始、延伸和终止，链的起始、延伸和终止，它不需要任何它不需要任何引物引物，催化生成的产物是与，催化生成的产物是与DNADNA模板链相模板链相互互补的补的RNARNA。 大多数原核生物大多数原核生物RNARNA聚合酶的组成是相同的，大肠杆菌聚合酶的组成是相同的，大肠杆菌RNARNA聚合酶由聚合酶由2 2个个亚基、一个亚基、一个亚基、一个亚基、一个亚基和一个亚基和一个亚亚基组成，称为核心酶。加上一个基组成，称为核心酶。加上一个亚基后则成为聚合酶全亚基后则成为聚合酶全酶（酶（holoenzymeholoenzyme

11、），相对分子质量为），相对分子质量为4.654.6510105 5。大肠杆菌大肠杆菌RNARNA聚合酶聚合酶大肠杆菌大肠杆菌RNARNA聚合酶的组成分析聚合酶的组成分析 亚基亚基可能与核心酶的组装及启动子识别有关，并可能与核心酶的组装及启动子识别有关，并参与参与RNARNA聚合酶和部分调节因子的相互作用。聚合酶和部分调节因子的相互作用。 T4T4噬菌体感染大肠杆菌后对噬菌体感染大肠杆菌后对亚基的一个精氨酸残基进行亚基的一个精氨酸残基进行ADPADP糖基化修饰，造成糖基化修饰，造成RNARNA聚合酶全酶对启动子亲和力降低。聚合酶全酶对启动子亲和力降低。 由由和和亚基亚基组成了聚合酶的催化中心，组

12、成了聚合酶的催化中心，它们在它们在序列上与真核生物序列上与真核生物RNARNA聚合酶的两个大亚基有同源聚合酶的两个大亚基有同源性。性。亚基能与模板亚基能与模板DNADNA、新生、新生RNARNA链及核苷酸底物链及核苷酸底物相结合。相结合。 因子的作用因子的作用是负责模板链的选择和转录的起始，是负责模板链的选择和转录的起始，它是酶的别构效应物，使酶专一性识别模板上的启它是酶的别构效应物，使酶专一性识别模板上的启动子。动子。核心酶在核心酶在T7T7噬菌体噬菌体DNADNA上约有上约有13001300个结合位个结合位点，平均结合常数为点，平均结合常数为2 210101111。 因子可以极大地提高因子

13、可以极大地提高RNARNA聚合酶对启动子区聚合酶对启动子区DNADNA序序列的亲和力，列的亲和力，酶底结合常数提高酶底结合常数提高10103 3倍，酶底复合倍，酶底复合物的半衰期可达数小时甚至数十小时。物的半衰期可达数小时甚至数十小时。 因子还能使因子还能使RNARNA聚合酶与模板聚合酶与模板DNADNA上非特异性位点上非特异性位点的结合常数降低的结合常数降低10104 4倍，倍，使酶底复合物的半衰期小使酶底复合物的半衰期小于于1 1秒。秒。大肠杆菌中的大肠杆菌中的因子能识别并与启动子区的特异因子能识别并与启动子区的特异性序列相结合性序列相结合 在大肠杆菌中，最常见的调控因子是由在大肠杆菌中，

14、最常见的调控因子是由rpoDrpoD基因所编码的基因所编码的7070。 由由rpoHrpoH编码的编码的3232是与是与热休克热休克启动子所控制的基因转录密切相关。启动子所控制的基因转录密切相关。 由由rpoNrpoN编码的编码的5454则参与细胞的则参与细胞的氮代谢氮代谢。真核生物真核生物RNARNA聚合酶的主要特征：聚合酶的主要特征： 聚合酶中有两个相对分子质量超过聚合酶中有两个相对分子质量超过1 110105 5的大亚基；的大亚基； 同种生物同种生物3 3类聚合酶有类聚合酶有“共享共享”小亚基的倾向，即有小亚基的倾向，即有几个小亚基是其中几个小亚基是其中3 3类或类或2 2类聚合酶所共有

15、的。类聚合酶所共有的。 真核生物中有真核生物中有3 3类类RNARNA聚合酶，其结构比大肠杆菌聚合酶，其结构比大肠杆菌RNARNA聚合酶聚合酶复杂，它们在细胞核中的位置不同，负责转录的基因不同，复杂，它们在细胞核中的位置不同，负责转录的基因不同，对对-鹅膏覃碱的敏感性也不同。鹅膏覃碱的敏感性也不同。 真核生物真核生物RNARNA聚合酶一般有聚合酶一般有8-148-14个亚基所组成，相对分子质个亚基所组成，相对分子质量超过量超过5 510105 5。真核细胞中三类真核细胞中三类RNARNA聚合酶特性比较聚合酶特性比较2. 2. 转录复合物转录复合物 启动子选择阶段包括启动子选择阶段包括RNARN

16、A聚合酶全酶对启动子的识聚合酶全酶对启动子的识别，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭复合物别，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭复合物（closed complex），），此时，此时，DNADNA仍处于双链状态。仍处于双链状态。 然后，封闭复合物转变成开放复合物（然后，封闭复合物转变成开放复合物（open complex），聚合酶全酶所结合的），聚合酶全酶所结合的DNADNA序列中有一小序列中有一小段双链被解开。对于强启动子来说，从封闭复合物段双链被解开。对于强启动子来说，从封闭复合物到开放复合物的转变是不可逆的，是快反应。到开放复合物的转变是不可逆的，是快反应。开放复合物与最初的两开放复合物与最

17、初的两个个NTPNTP相结合并在这两相结合并在这两个核苷酸之间形成磷酸个核苷酸之间形成磷酸二酯键后即转变成包括二酯键后即转变成包括RNARNA聚合酶、聚合酶、DNADNA和新和新生生RNARNA的三元复合物的三元复合物( (ternary complex) )。 RNARNA合成的起始合成的起始真核生物真核生物RNARNA聚合酶聚合酶IIII所形成的转录起始复合物所形成的转录起始复合物除除RNARNA聚合酶之外，真核生物转录起始过程中至少还需要聚合酶之外，真核生物转录起始过程中至少还需要7 7种辅助因子参与种辅助因子参与 转录起始后直到形成转录起始后直到形成9 9个个核苷酸短链是核苷酸短链是通

18、过启动通过启动子阶段子阶段，此时，此时RNARNA聚合酶一直处于启动子区聚合酶一直处于启动子区，新，新生的生的RNARNA链与链与DNADNA模板链的结合不够牢固，很容易模板链的结合不够牢固，很容易从从DNADNA链上掉下来并导致转录重新开始。链上掉下来并导致转录重新开始。 一旦一旦RNARNA聚合酶成功地合成聚合酶成功地合成9 9个个以上核苷酸并离开以上核苷酸并离开启动子区，转录就进入正常的延伸阶段。启动子区，转录就进入正常的延伸阶段。 RNARNA聚合酶离开启动子，沿聚合酶离开启动子，沿DNADNA链移动并使新生链移动并使新生RNARNA链不断伸长的过程就是链不断伸长的过程就是转录的延伸转

19、录的延伸。 一般情况下，转录起始复合物可以进入两条不同的一般情况下，转录起始复合物可以进入两条不同的反应途径：反应途径： 一是合成并释放一是合成并释放2-92-9个核苷酸的短个核苷酸的短RNARNA转录物，即所转录物，即所谓的流产式起始；谓的流产式起始； 二是尽快释放二是尽快释放亚基，转录起始复合物通过上游启亚基，转录起始复合物通过上游启动子区并生成由核心酶、动子区并生成由核心酶、DNADNA和新生和新生RNARNA所组成的转所组成的转录延伸复合物。录延伸复合物。 转录延伸复合物较为稳定，可长时间与转录延伸复合物较为稳定，可长时间与DNADNA模板结合而不解离。模板结合而不解离。只有在遇到转录

20、终止信号时，只有在遇到转录终止信号时，RNARNA聚合酶才停止加入新的核苷聚合酶才停止加入新的核苷酸，酸，RNA-DNARNA-DNA杂合物解离，释放转录产物并导致聚合酶本身从杂合物解离，释放转录产物并导致聚合酶本身从模板模板DNADNA上脱落。上脱落。3.2 3.2 启动子与转录起始启动子与转录起始 大肠杆菌大肠杆菌RNARNA聚合酶与启动子的相互作用聚合酶与启动子的相互作用主要包括主要包括启动子区的识别启动子区的识别、酶与启动子酶与启动子的结合的结合及及因子的结合与解离因子的结合与解离。3.2.1 3.2.1 启动子区的基本结构启动子区的基本结构 启动子启动子是一段位于结构基因是一段位于结

21、构基因5 5端上游区的端上游区的DNADNA序列，能活化序列，能活化RNARNA聚合酶，使之与模板聚合酶，使之与模板DNADNA准准确地相结合并具有转录起始的特异性。确地相结合并具有转录起始的特异性。 转录的起始是基因表达的关键阶段，而这一阶段的转录的起始是基因表达的关键阶段，而这一阶段的重要问题是重要问题是RNARNA聚合酶与启动子的相互作用。启动聚合酶与启动子的相互作用。启动子的结构影响了它与子的结构影响了它与RNARNA聚合酶的亲和力，从而影聚合酶的亲和力，从而影响了基因表达的水平。响了基因表达的水平。 转录起点转录起点是指与新生是指与新生RNARNA链第一个核苷酸相对链第一个核苷酸相对

22、应应DNADNA链上的碱基，通常为链上的碱基，通常为嘌呤嘌呤。把。把起点起点5 5末末端的序列称为端的序列称为上游（上游（upstream），），而把其而把其33末端的序列称为末端的序列称为下游（下游（downstream）。起点。起点为为+1+1，下游方向依次为，下游方向依次为+2+2、+3+3等，上游等，上游方向依次为方向依次为1 1、2 2、3 3等等。等等。 转录单元（转录单元（transcription unit）是一段从启是一段从启动子开始至终止子（动子开始至终止子（terminator）结束的）结束的DNADNA序列。序列。PribnowPribnow设计了一个实验，他把设计了一

23、个实验，他把RNARNA聚合酶全酶与模板聚合酶全酶与模板DNADNA结合结合后，用后，用DNase IDNase I水解水解DNADNA，然后，然后用酚抽提，沉淀纯化用酚抽提，沉淀纯化DNADNA后得到后得到一个被一个被RNARNA聚合酶保护的聚合酶保护的DNADNA片片段段 转录启动子区转录启动子区DNADNA序列的分离纯化过程序列的分离纯化过程启动子区有什么结构特点呢？启动子区有什么结构特点呢？ 启动子区有什么结构特点呢？启动子区有什么结构特点呢？ PribnowPribnow将将RNARNA聚合酶全酶与模板聚合酶全酶与模板DNADNA结合后，结合后，用用DNaseIDNaseI降解降解D

24、NADNA，得到，得到41414444个核苷酸对的个核苷酸对的DNADNA片段。片段。 序列分析发现，在被保护区内有一个由序列分析发现，在被保护区内有一个由5 5个核个核苷酸组成的保守序列，是聚合酶结合位点，称苷酸组成的保守序列，是聚合酶结合位点，称为为PribnowPribnow区区，其中央大约位于起点上游其中央大约位于起点上游10bp10bp处，所以又称为处，所以又称为1010区区。 科学家又从噬菌体的左、右启动子科学家又从噬菌体的左、右启动子P PL L及及P PR R和和SV40SV40启启动子的动子的35 bp35 bp附近找到了另一段共同序列：附近找到了另一段共同序列：TTGACA

25、TTGACA。 现已证实大部分启动子都存在这两段共同序列，即现已证实大部分启动子都存在这两段共同序列，即于于10 bp10 bp处的处的TATATATA区区和和35 bp35 bp处的处的TTGACATTGACA区区，它们它们是是RNARNA聚合酶与启动子的结合位点。聚合酶与启动子的结合位点。 3535区 1010区 T T8585T T8383G G8181A A6161C C6969A A5252T T8989A A8989T T5050A A6565A A100100大肠杆菌大肠杆菌RNARNA聚合酶全酶所识别的启动子区聚合酶全酶所识别的启动子区在在真核生物基因真核生物基因中，中，Hog

26、ness等发现类似等发现类似Pribnow区的区的Hogness区区，在转录起始点，在转录起始点上上游游-25-30 bp处处，保守序列为保守序列为TATAAA，也称也称TATA区区。在起始位点。在起始位点上游上游-70-78 bp处处还有另一段共同序列还有另一段共同序列CCAAT，称为，称为CAAT区区（CAAT box）。）。真核生物真核生物RNARNA聚合酶聚合酶IIII所识别的启动子区所识别的启动子区RNA合成的基本特点合成的基本特点: 1960年年Weiss,S,B等发现等发现RNA聚合酶（聚合酶（RNA Pol）。）。 其特点是：其特点是：（1）以）以核糖核苷三磷酸（核糖核苷三磷酸

27、（rNTR）为底物；为底物；（2）以）以DNA为模板；为模板；（3）按）按5-3方向方向合成；合成；（4）无需引物无需引物的存在能单独起始链的合成；的存在能单独起始链的合成；（5）第一个引入的）第一个引入的rNTP是以是以三磷酸形式三磷酸形式存在；存在；（6）在体内）在体内DNA双链中仅双链中仅一条链作为模板一条链作为模板；（7）RNA的序列和模板是的序列和模板是互补互补的。的。现在将作为转录模现在将作为转录模板的板的DNA单链称为单链称为模板链模板链或或反义链反义链（antisen strand），），非模板非模板链称为链称为有义有义链链（sense strand）或或编码链编码链。在体外在

28、体外DNA的两条的两条链都可作为链都可作为RNA合合成的模板。成的模板。RNARNA合成和合成和DNADNA复制的区别复制的区别（1）转录时只有）转录时只有一条一条DNA链为模板，而复制时链为模板，而复制时两条两条链链都可作为模板；都可作为模板；（2）DNA-RNA杂合双链不稳定杂合双链不稳定，RNA合成后释放，合成后释放，而而DNA复制叉形成后一直打开复制叉形成后一直打开，新链和母链形成，新链和母链形成子链；子链；（3）RNA合成合成不需引物不需引物，而，而DNA复制复制需引物需引物；（4) 转录的底物是转录的底物是rNTP，复制的底物是，复制的底物是dNTP；（5）聚合酶系聚合酶系不同。不

29、同。RNA聚合酶聚合酶(RNA pol)和和DNA pol有有2点不同：点不同：（1）RNA pol没有任何校对功能；没有任何校对功能；（2）能起始新的）能起始新的RNA链。链。 RNA pol 执行多功能执行多功能(1) 识别识别DNA双链上的启动子；双链上的启动子；(2) 使使DNA变性在启动子处解旋成单链；变性在启动子处解旋成单链；(3) 通过阅读启动子序列，通过阅读启动子序列，RNA pol确定它自确定它自 己的转录方向和模板链。己的转录方向和模板链。(4) 最后当它达到终止子时，通过识别停止转最后当它达到终止子时，通过识别停止转录录。启动子（启动子（promoterpromoter）

30、的结构特点）的结构特点 (1)(1)结构典型结构典型, ,都含都含识别识别( (R R),),结合结合( (B B) )和和起始起始( (I I) )位点位点; ; (2) (2)序列保守序列保守; ; (3) (3)位置和距离都比较恒定；位置和距离都比较恒定； (4)(4)直接和多聚酶相结合；直接和多聚酶相结合； (5)(5)常和操纵子相邻；常和操纵子相邻； (6)(6)位于基因的位于基因的5 5端；端； (7)(7)决定转录的启动和方向。决定转录的启动和方向。 (8)(8)特殊的操纵子的特殊的操纵子的R R, ,B B序列不同。序列不同。典型启动子的结构典型启动子的结构 -35 -10 转

31、录起点TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp现已证实大部分启动子都存在这两段共同序列，即现已证实大部分启动子都存在这两段共同序列，即位于位于10 bp处处的的TATA区区和和35 bp处的处的TTGACA区区，它们是它们是RNA聚合酶与启动聚合酶与启动子的结合位点。子的结合位点。1. -10序列：序列：u-10序列序列是由是由Pribnow和和Schaller（1975）发现，故）发现，故也称为也称为Pribnow框盒（框盒（Pribnow box）。）。u保守序列为保守序列为TATAATu位于位于-10bp左右，左右，A.T较丰富，易于解链。其功能是：较丰富，易于解链。其功能

32、是： (1) RNA pol紧密结合紧密结合; (2) 形成开放启动复合体；形成开放启动复合体； (3) 使使RNA pol定向转录。定向转录。-10-10序列对转录的效率影响序列对转录的效率影响 TATAATAATAAT，转录效率下降，转录效率下降,称为称为下降突变下降突变（down mutation）。）。 TATGTTTATATT，转录效率上升，为，转录效率上升，为上升突变上升突变（up mutation）。）。 以上突变为何会影响转录效率？以上突变为何会影响转录效率？前者可能由于前者可能由于T-AT-A的堆集能要小于的堆集能要小于A-TA-T的堆积的堆积能，后者可能是由于堆集能降低和氢

33、键的减少能，后者可能是由于堆集能降低和氢键的减少2. -352. -35序列序列-35序列序列又称为又称为Sextama盒盒（Sextama box），），其保守序列为其保守序列为（TTGACA）其功能是其功能是:(1) 为为RNA pol的识别位点。的识别位点。 亚基识别亚基识别-35序列，为转录选择模板序列，为转录选择模板(2) -35和和-10序列的距离是稳定的，此与序列的距离是稳定的，此与RNA pol的结构有关。的结构有关。3. 3. 转录起始位点（转录起始位点（I I） 转录开始时模板上的第一个碱基转录开始时模板上的第一个碱基 在原核中常为在原核中常为A或或G 而且位置固定而且位置

34、固定转录的起始转录的起始1.全酶与模板的全酶与模板的DNA接触，生成非专接触，生成非专一的一的,不稳定的复合物在模板上移动；不稳定的复合物在模板上移动；2. 起始识别：全酶与起始识别：全酶与35序列结合，序列结合，产生产生封闭的酶封闭的酶-启动子二元复合物启动子二元复合物（closed binary complex）；）；3.全酶紧密地结合在全酶紧密地结合在-10序列处，模板序列处，模板DNA局部变性，形成局部变性，形成开放的启动子二开放的启动子二元复合体元复合体；4. 酶移动到酶移动到I，第一个，第一个rNTP转录开始转录开始,因子释放因子释放,形成形成酶酶-启动子启动子-rNTP三元复三元

35、复合体合体（ternary complex）。）。RNARNA核心酶和全酶在核心酶和全酶在DNADNA上的分布上的分布: :(1)(1)和和1/31/3的的RNA polRNA pol结合结合成全酶，或在非特异位点成全酶，或在非特异位点的松散复合体中，或在启的松散复合体中，或在启动子中的二元复合体中；动子中的二元复合体中； (2)(2)其中半数的核心酶从事其中半数的核心酶从事转录；转录；(3)(3)余下的核心酶大量存在余下的核心酶大量存在于闭合松散复合体中；于闭合松散复合体中；(4)估计数量很少的全酶是游估计数量很少的全酶是游离的。离的。 RNA Pol启始基因转录后，就沿模板不停地启始基因转

36、录后，就沿模板不停地移动，合成移动，合成RNARNA链直到碰上链直到碰上终止信号终止信号时才与模时才与模板板DNADNA相相脱离并释放新生脱离并释放新生RNARNA链链。所有参与形成。所有参与形成RNA-DNARNA-DNA杂合体的杂合体的氢键氢键都被破坏，模板都被破坏，模板DNADNA链与链与非模板链重新组合成非模板链重新组合成DNADNA双链。双链。原核生物转录的终止原核生物转录的终止终止子（终止子（terminator,t） 强终止子强终止子 内在终止子内在终止子（intrinsic terminators）。又称为不依赖于。又称为不依赖于因子的终止因子的终止 弱终止子弱终止子 需要需要

37、因子（因子（rho factor）。又称为）。又称为依赖性终止子依赖性终止子 （Rho-dependent terminator）强终止子的结构强终止子的结构 NNAAGCGCCGNNNCCGGCGCTTTTTTNNN NNTTCGCGGCNNNGGCCGCGAAAAAANNN DNA NNAAGCGCCGNNNCCGGCGCUUUUUUNNN RNA N N N N N G C C G C G G C C G G C C U NNNNC U UUUU-OH 3 强终止子结构的模式图强终止子结构的模式图 强终止子的结构特点强终止子的结构特点（1）有回文结构存在；）有回文结构存在；（2）茎的区域

38、内富含）茎的区域内富含G-C；（3）强终止子）强终止子3端上有端上有6个个U； 以上结构特点在终止中起何作以上结构特点在终止中起何作 用？用？ 新生新生RNARNA中出现中出现发卡式结构发卡式结构会导致会导致RNARNA聚合酶的暂停，聚合酶的暂停，破破坏坏RNA-DNARNA-DNA杂合链杂合链5 5端的正常端的正常结构。结构。寡聚寡聚U U的存在使杂合链的存在使杂合链的的3 3端部分出现不稳定的端部分出现不稳定的rUrUdAdA区域，两者共同作用使区域，两者共同作用使RNARNA从从三元复合物中解离出来。三元复合物中解离出来。终止效率与终止效率与二重对称序列二重对称序列和和寡聚寡聚U U的长

39、短的长短有关，随着发卡有关，随着发卡式结构（至少式结构（至少6bp6bp）和寡聚）和寡聚U U序序列（至少列（至少4 4个个U U）长度的增加，）长度的增加，终止效率逐步提高。终止效率逐步提高。依赖于依赖于因子的终止因子的终止 提纯的提纯的RNARNA聚合酶并不能识别特异性的转录终聚合酶并不能识别特异性的转录终止信号，而加入大肠杆菌止信号，而加入大肠杆菌因子后该聚合酶就因子后该聚合酶就能在能在DNADNA模板上准确地终止转录。模板上准确地终止转录。因子是一因子是一个相对分子质量为个相对分子质量为2.02.010105 5的六聚体蛋白，它的六聚体蛋白，它通过催化通过催化NTPNTP的水解促使新生

40、的水解促使新生RNARNA链从三元转录链从三元转录复合物中解离。复合物中解离。 RNA Pol转录转录DNA 因子附着到因子附着到RNARNA 识别位点上识别位点上 因子跟在因子跟在RNAPolRNAPol 后沿后沿RNARNA移动移动 RNA Pol在终止位在终止位 点停下，并被点停下，并被因因 子追上子追上 在转录泡中在转录泡中因子因子 使使DNA-RNADNA-RNA杂种双杂种双 链解开链解开 转录终止转录终止, ,释放出释放出 RNA Pol,RNA Pol,因子因子 和和 RNARNA 真核生物的转录真核生物的转录真核生物的转录和原核转录的不同点：真核生物的转录和原核转录的不同点：

41、(1) (1) 原核只有一种原核只有一种RNARNA聚合酶，而真核细聚合酶，而真核细 胞有三种聚合酶；胞有三种聚合酶； (2) (2) 启动子的结构特点不同，真核有三种启动子的结构特点不同，真核有三种 不同的启动子和有关的元件；不同的启动子和有关的元件； (3) (3) 真核的转录有很多蛋白质因子的介入。真核的转录有很多蛋白质因子的介入。一一. .真核的真核的RNARNA聚合酶聚合酶 表表12-2 12-2 真核生物的三种真核生物的三种RNARNA聚合酶的特点聚合酶的特点RNA PolRNA Pol位置位置 产物产物 相对活性相对活性 对对-鹅膏蕈的敏鹅膏蕈的敏Pol Pol 核仁核仁28s,

42、18s,5.8s rRNAs 5028s,18s,5.8s rRNAs 5070% 70% 不敏感不敏感Pol Pol 核质核质hnRNA,mRNA,hnRNA,mRNA,某些某些SnRNA 20SnRNA 2040%40% 高度敏感高度敏感Pol Pol 核质核质tRNA,5SrRNA,tRNA,5SrRNA,某些某些SnRNAs SnRNAs 10% 10% 片段特异，中等敏感片段特异，中等敏感 表表12-3 12-3 转录的抑制剂转录的抑制剂 抑制剂抑制剂 靶酶靶酶 抑制作用抑制作用 利福霉素利福霉素细菌全酶细菌全酶和和亚基结合，抑制起始亚基结合，抑制起始 链霉溶菌素链霉溶菌素细菌核心酶

43、细菌核心酶和和亚基结合，抑制起始亚基结合，抑制起始 放射线素放射线素D D真核真核PolPol和和DNADNA结合，阻止延伸结合，阻止延伸 -鹅膏蕈鹅膏蕈真核真核PolPol和和RNA PolRNA Pol结合结合 B220B220240Kda240Kda与模板结合，与链的起始，延伸有关，相与模板结合，与链的起始，延伸有关，相 当于原核当于原核 RNA PolRNA Pol的的亚基亚基C C端含有羧基末端功能区端含有羧基末端功能区 大亚基大亚基 B140B140150Kda150Kda与与DNADNA、底物和新生的、底物和新生的RNARNA结合结合, ,相当于原核相当于原核RNA PolRNA

44、 Pol B44.5 B44.5酶的连接，相当于原核酶的连接，相当于原核RNARNA的的亚基亚基RNA Pol RNA Pol ABC 27KDa ABC 27KDa 磷酸化蛋白，磷酸化蛋白， 1 1类类三种三种RNA PolRNA Pol共有，如共有，如 ABC 25.5KDa ABC 25.5KDa 与与DNADNA结合有关结合有关 ABC 23KDa ABC 23KDa B 12.6 B 12.6 小亚基小亚基 2 2类类Pol Pol 特有特有 B 23B 23 B 14.5 B 14.5 B 10 B 10 3 3类类在某些条件下可除去的亚基在某些条件下可除去的亚基 B 23B 23

45、参与酶的基本结构参与酶的基本结构 B 16.5B 16.5细胞器的细胞器的RNA PolRNA Pol和噬菌体的和噬菌体的RNARNA相似，因有单一固定的功能，分子量较小相似，因有单一固定的功能，分子量较小 表表12-3 12-3 真核生物聚合酶的成分及功能真核生物聚合酶的成分及功能二真核生物的启动子二真核生物的启动子 启动子启动子最为复杂，它和原核的启动子有很多不同：最为复杂，它和原核的启动子有很多不同：（1）有多种元件：）有多种元件：TATA框框，GC框框，CATT框框，OCT等；等；（2）结构结构不恒定；不恒定；（3）它们的）它们的位置、序列、距离和方向位置、序列、距离和方向都不完全相同

46、；都不完全相同；（4）有的有远距离的）有的有远距离的调控元件调控元件存在，如增强子；存在，如增强子；（5）这些元件常常起到）这些元件常常起到控制转录效率和选择起始位点控制转录效率和选择起始位点的作用的作用（6）不直接和）不直接和RNA pol结合；结合；（7） 需多种需多种转录因子转录因子介入。介入。 真核启动子含有不同的组件真核启动子含有不同的组件SV40 早期启动子早期启动子胸苷激酶胸苷激酶组蛋白组蛋白H2B -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 +1 Oct CAAT GC TATA( (一一)类基因的启动子和调控区类基因的启动子和调控区 TATATATA框框 核

47、心元件核心元件 启始子（启始子（initiatorinitiator，InrInr）: :一般由一般由P PY2Y2CAPCAPY5Y5构成，构成， 位于位于-3-3+5 +5 ，可能提供，可能提供RNA pol RNA pol 识别。识别。 CAAT boxCAAT box、类启动子类启动子 上游元件组成上游元件组成 GC boxGC box Oct Oct 增强子（增强子（enhomcerenhomcer） 远端调控区远端调控区 减弱子（减弱子（dehancerdehancer） 静息子（静息子（sisencersisencer） 上游激活序列（上游激活序列（upstream activa

48、tingupstream activating seguences seguences，UASsUASs） 起起 始始 子子 起始点一般没有同源序列起始点一般没有同源序列 mRNA的第一个碱基倾向的第一个碱基倾向A，另一侧翼由，另一侧翼由Py组组成称为成称为起始子起始子（initiator,Inr).（在原核（在原核CAT起起始序列也有这种情况）。始序列也有这种情况）。 一般由一般由PY2CAPY5构成构成 位于位于-3+5 提供提供RNA pol 识别。识别。 无论无论TATA是否存在，是否存在，Inr对启动子的强度和起对启动子的强度和起始位点的选择都是重要的始位点的选择都是重要的 。 现已

49、纯化了现已纯化了Inr 结合蛋白。结合蛋白。核心元件核心元件 TATA框又称框又称Hogness框，框，Goldberg-Hogness 框，俚语称为金砖（框，俚语称为金砖（Goldbrick）其一致序列是：其一致序列是：T85A97T93A85A63A83A50常在常在-25左右，相当于原核的左右，相当于原核的-10序列。序列。其作用是其作用是： (1) 选择正确的转录起始位点，保证精确起始，选择正确的转录起始位点，保证精确起始， 故也称为故也称为选择子选择子（selector）。）。 (2) 影响转录的速率。影响转录的速率。上游启动子元件（上游启动子元件（UPEUPE） 表表12-4 12

50、-4 哺乳动物哺乳动物RNA Pol RNA Pol 上游转录因子结合的元件上游转录因子结合的元件 元件元件保守序列保守序列结合结合DNADNA的长度的长度 蛋白质因子蛋白质因子TATAboxTATAboxTATAAAATATAAAA 10bp10bp TBP TBPCAAT boxCAAT boxGGCCAATCTGGCCAATCT 22bp22bp CTF/NF1 CTF/NF1GC boxGC boxGGGCGGGGGCGG 20bp20bp SP1 SP1OctamerOctamerATTTGCATATTTGCAT 20bp20bp Oct-1 Oct-1OctamerOctamerA

51、TTTGCATATTTGCAT 23bp 23bp Oct-2 Oct-2KB KB GGGACTTTCCGGGACTTTCC 10bp10bp NFKB NFKBATFATF GTGACGT GTGACGT 20bp20bp ATF ATF B. Lewin: B. Lewin:GENESGENES.1997,Table 28.2.1997,Table 28.2增强子或强化子（增强子或强化子（enhancerenhancer） 已在已在SV40SV40的转录单元上发现其转录起始位点上游约的转录单元上发现其转录起始位点上游约200bp200bp处有两段处有两段72bp72bp长的重复序列，它们

52、不是启动子的一部分，长的重复序列，它们不是启动子的一部分，但能但能增强或促进增强或促进转录的起始，除去这两段序列会大大降转录的起始，除去这两段序列会大大降低这些基因的转录水平，若保留其中一段或将之取出插低这些基因的转录水平，若保留其中一段或将之取出插至至DNADNA分子的任何部位，就能保持基因的正常转录。分子的任何部位，就能保持基因的正常转录。 因此，称这种因此，称这种能强化转录起始的序列为增强子或强能强化转录起始的序列为增强子或强化子（化子（enhancerenhancer）。）。增强子增强子u它是在它是在1981年由年由Benerji,Rusconi小组和小组和Chambom等发现的等发现

53、的,又称又称远上游序列远上游序列（far upstream seguence）u其特点是：其特点是： 具有远距离效应。具有远距离效应。 无方向性。无方向性。无论位于靶基因的上游、下游或内部都可发挥增强转录的作用。无论位于靶基因的上游、下游或内部都可发挥增强转录的作用。 顺式调节。顺式调节。只调节位于同一染色体上的靶基因，而对其他染色体上的基因没有作用。只调节位于同一染色体上的靶基因，而对其他染色体上的基因没有作用。 无物种和基因的特异性。无物种和基因的特异性。可以连接到异源基因上发挥作用。可以连接到异源基因上发挥作用。 具有组织的特异性。具有组织的特异性。增强子只有与特定蛋白质相互作用才能发挥

54、功能。增强子只有与特定蛋白质相互作用才能发挥功能。 有相位性。其作用和有相位性。其作用和DNADNA的构象有关。的构象有关。 有的增强子可以对外部信号产生反应。有的增强子可以对外部信号产生反应。 增强子为什么具有远距离作用呢？增强子为什么具有远距离作用呢？（1）拓朴效应；拓朴效应说认为增强子的作用是诱）拓朴效应；拓朴效应说认为增强子的作用是诱导染色质结构变化，使核小体产生导染色质结构变化，使核小体产生DNaseI敏感区。敏感区。（2）滑动模型；）滑动模型；（3）成环模型。）成环模型。 Enhancer Promotor 表表12-5 12-5 人类人类型启动子的转录因子型启动子的转录因子因子因

55、子 分子量分子量 功能功能RNA Pol 10KRNA Pol 10K 依赖模板合成依赖模板合成RNARNATFATFA12,19,35K 12,19,35K 稳定稳定TFDTFD和和DNADNA的结合，激活的结合，激活TBPTBP亚基亚基TFBTFB33K33K 结合模板链（结合模板链（-10-10+10+10），），起始起始PolPol结合结合，和，和TFE/FTFE/F相互作相互作 用用TFDTFD(TBP,30K) (TBP,30K) TBPTBP亚基识别亚基识别TATATATA，将聚合酶组入复合体中，将聚合酶组入复合体中，TAFsTAFs识别特殊启识别特殊启 动子动子TFETFE34

56、K() 34K() 结合在结合在PolPol的前部，使复合体的保护区延伸到下游的前部，使复合体的保护区延伸到下游 57K()57K()TFFTFF38, 74K38, 74K 大亚基具解旋酶活性（大亚基具解旋酶活性（RAP74RAP74）, ,小亚基和小亚基和PolPol结合，介导其加结合，介导其加 入复合体入复合体TFHTFH 具激酶活性，可以磷酸化具激酶活性，可以磷酸化PolCPolC端的端的CTDCTD，使，使PolPol逸出，延伸逸出，延伸TFITFI120K120K 识别识别InrInr，起始，起始TFF/DTFF/D结合结合TFJTFJ 在在TFFTFF后加入复合体，不改变后加入复

57、合体，不改变DNADNA的结合方式的结合方式TFSTFS RNA RNA合成延伸合成延伸 转录因子 转录复合体TBPTAFsTFIIATFIIB TFIIF Pol IITFIIE RNA pol 的转录起始结合在结合在Pol的前部，使复合体的保护区延伸到下游的前部，使复合体的保护区延伸到下游小亚基和小亚基和Pol结合，介导其加入复合体结合，介导其加入复合体稳定稳定TFD和和DNA的结合，激活的结合，激活TBP亚基亚基TBP亚基识别亚基识别TATA，将聚合酶组入复合体中，将聚合酶组入复合体中，TAFs识识别特殊启别特殊启 动子动子起始起始Pol结合结合( (三三) RNA pol) RNA p

58、ol启动子启动子 核心启动子核心启动子（core promoter）或核心元件）或核心元件（core element），位于），位于-45到到+20，负责转，负责转录的起始。录的起始。 上游控制元件上游控制元件（upstream control element UCE），从），从-180延伸到延伸到-107，可增加核心元，可增加核心元件的转录起始的效率。件的转录起始的效率。1701601501401301201106050403020 10 1 1020 上游控制区 核心启动子 UBF1 UBF1结合于GC 丰富区 SL1 SL1与UBF1协同结合TFB Pol 1 ? RNA pol RNA

59、 pol 启动子的转录因子的结构和功能启动子的转录因子的结构和功能因子因子 结构结构 功能功能TFA 38Kda,TFA 38Kda,有有9 9个锌指个锌指 结合于结合于1 1型内部启动子型内部启动子(5sRNA(5sRNA基因基因) )的的C C框框 使使CC结合在结合在C C框下游，辅助框下游，辅助 B B定位结合定位结合TFB TFB 含含TBPTBP和另外二种蛋白和另外二种蛋白定位因子，使定位因子，使PolPol结合在起始位点上结合在起始位点上TFC TFC 含含AA和和B,B,有有5 5个亚基个亚基 BB结合结合型内部启动子型内部启动子(tRNA(tRNA基因基因) )的的B B框框

60、 起增强子的作用。起增强子的作用。 AA结合结合A A框，起启动子框，起启动子 的作用；辅助的作用；辅助 B B定位结合定位结合TBPTBP是是B,D,SL1B,D,SL1的亚基的亚基和特异和特异DNADNA序列及序列及RNA PolRNA Pol结合，使结合，使PolPol结合结合 在正确的位点上在正确的位点上TFDTFD含含TBPTBP亚基亚基 结合结合TATATATA框，确定选择框，确定选择Pol Pol PBPPBP次近端结合蛋白次近端结合蛋白 可能和可能和DD一道辅助一道辅助 B B定位结合的另一途定位结合的另一途 径径 TBP Pol III 启启 动动 子子 TFIIIB 使使C