完全版RNA的转录与转录后加工

1、1第七章第七章 RNA生物合成生物合成 及后加工及后加工DNARNA蛋 白 质复 制转 录翻 译逆 转 录R N A复 制http:/ 第一节：转录概述第一节：转录概述 第二节：第二节：RNA合成的酶学合成的酶学 第三节：启动子和终止子第三节：启动子和终止子 第四节：转录过程第四节：转录过程 第五节：原核和真核第五节：原核和真核mRNA的特征的特征 第六节：第六节：RNA转录后的加工转录后的加工3第一节第一节 转录概述转录概述4一、转录一、转录 生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程叫做的过程叫做转录转录(transcription) 。 基因表达基因表达(gene expre

2、ssion):基因所贮存的遗传信息基因所贮存的遗传信息通过转录和翻译产生具有生物功能的多肽和蛋白通过转录和翻译产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程。质的过程。 阶段特异性（时间特异性）阶段特异性（时间特异性） 组织特异性（空间特异性）组织特异性（空间特异性）5 转录是基因表达的第一步，也是最关键转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。转录调控蛋白的一步。转录调控蛋白(Regulatory protein)决定了一个基因能否被决定了一个基因能否被RNA聚合酶转录。生聚合酶转录。生物体基因表达调控的第一步也就是决定是否物体基因表达调控的第一步也就是决定是否要让该基因转录。对于大多数基因来说，这要

3、让该基因转录。对于大多数基因来说，这是最重要的调控机制，在有些情况下甚至是是最重要的调控机制，在有些情况下甚至是唯一的调控机制。唯一的调控机制。6 RNA分为分为3种种:（1）信使）信使RNA分子分子(mRNA)，含有一条或多条多，含有一条或多条多肽链的氨基酸顺序的信息；肽链的氨基酸顺序的信息；（2）转运）转运RNA(tRNA),可以阅读可以阅读mRNA中的信息中的信息,并在蛋白质合成中携带和转移特定的氨基酸到并在蛋白质合成中携带和转移特定的氨基酸到生长中的多肽链上；生长中的多肽链上；（3）核糖体）核糖体RNA(rRNA),它与蛋白质结合它与蛋白质结合,形成形成蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所

4、 核糖体。核糖体。7二、转录单位二、转录单位(Transcription unit) DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生双链中按碱基配对规律能指引转录生成成RNA的一股单链，称为的一股单链，称为模板链模板链（template strand），也称作），也称作反义链反义链（antisense strand）或或负链负链。相对的另一股单链是。相对的另一股单链是编码链编码链（coding strand），也称为），也称为有义链有义链（sense strand）或）或正链正链。 85GCAGTACATGTC 33 c g t c a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NA

5、la Val His Val C编码链编码链模板链模板链蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译9DNA模板与模板与mRNA分分子及多肽链之间存在子及多肽链之间存在共线性关系。共线性关系。10 RNA合成由合成由RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase)催化。催化。当当RNA聚合酶结合到称为启动子聚合酶结合到称为启动子(Promoter)的的DNA特异转录起始区时，转录就开始了。启动子特异转录起始区时，转录就开始了。启动子通常在转录起点附近，即位于通常在转录起点附近，即位于RNA转录产生的第转录产生的第一个碱基对附近。一个碱基对附近。 RNA聚合酶从转录起始位点聚合酶从转录起始位点(Start p

6、oint)开始沿模开始沿模板边移动边合成板边移动边合成RNA，直至终止序列。从启动子，直至终止序列。从启动子延伸到终止子延伸到终止子(Terminator)所跨越的部分称为一所跨越的部分称为一个个转录单位转录单位。 1112 位于起始位点之前的序列称为转录单位的位于起始位点之前的序列称为转录单位的上游上游(Upstream)，起始位点之后，起始位点之后(在转录序列之内在转录序列之内)的序的序列被称为列被称为下游下游(Downstream)。按照书写规范，转。按照书写规范，转录是从左录是从左(上游上游)向右向右(下游下游)进行的，与进行的，与mRNA 的通的通常书写形式：常书写形式：5-3方向一

7、致。方向一致。 碱基的位置以起始位点为准，转录起始位点被定碱基的位置以起始位点为准，转录起始位点被定为为+1，位于其下游的碱基序数按顺序值递增。起，位于其下游的碱基序数按顺序值递增。起始位点前的一个碱基的位置被定义为始位点前的一个碱基的位置被定义为-1，越靠近转，越靠近转录起始位点上游，碱基负值也越大。录起始位点上游，碱基负值也越大。 13 转录的直接产物被称为转录的直接产物被称为初始转录本初始转录本(primary transcript) 。它包含一条从启动子延伸到终止子含。它包含一条从启动子延伸到终止子含有有5端及端及3端的端的RNA。 初始转录本通常不稳定初始转录本通常不稳定: 在原核生

8、物中，它或被迅速降解在原核生物中，它或被迅速降解(对于对于mRNA)，或，或被剪接成为成熟产物被剪接成为成熟产物(对于对于rRNA和和tRNA). 在真核生物中在真核生物中,它或被末端修饰它或被末端修饰(主要对于主要对于mRNA)，或被剪接成为成熟产物或被剪接成为成熟产物(对于所有对于所有RNA). 14三、不对称转录三、不对称转录(asymmetric transcription) DNA分子的双链均有转录功能，但对于一个特定分子的双链均有转录功能，但对于一个特定的的DNA区域或对一个特定的区域或对一个特定的mRNA，只能有一条，只能有一条链为模板进行转录，这种现象叫链为模板进行转录，这种现

9、象叫转录的不对称性转录的不对称性,即在即在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录。指引转录，另一股链不转录。 RNA合成过程，天然双链合成过程，天然双链DNA为不对称转录，但为不对称转录，但体外条件下，一般体外条件下，一般DNA的的2条链都可以作为模板链条链都可以作为模板链转录转录RNA，称为，称为对称转录对称转录。 155335模板链模板链编码链编码链（coding strandcoding strand）结构基因结构基因(structural gene)编码链编码链模板链模板链（template strandtemplate st

10、rand） 16四、转录的一般特征四、转录的一般特征1. 底物底物: 4种核糖核苷三磷酸，种核糖核苷三磷酸，ATP,GTP, CTP, UTP;2.与与DNA复制一样，转录的方向总是从复制一样，转录的方向总是从53；3. 模板模板:以一条以一条DNA链为模板，按碱基互补规律，在转链为模板，按碱基互补规律，在转录区转录；录区转录；4. 不需要引物不需要引物: RNA聚合酶能起始一条新链的合成，聚合酶能起始一条新链的合成，起始的核苷酸一般是嘌呤核苷酸（占起始的核苷酸一般是嘌呤核苷酸（占90%左右）左右） ，而且将在而且将在RNA链的链的5末端保持这一三磷酸基团；末端保持这一三磷酸基团； 17RNA

11、合成主要包括四个步骤：合成主要包括四个步骤：（1）RNA聚合酶结合于聚合酶结合于DNA上的特定位点上的特定位点（2）起始）起始（3）链的延长）链的延长（4）链的终止和释放）链的终止和释放 1819第二节第二节 RNA合成的酶学合成的酶学20 RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶，聚合酶是转录过程中最关键的酶，主要以双链主要以双链DNA为模板，以四种核苷三磷为模板，以四种核苷三磷酸作为活性前体，并以酸作为活性前体，并以Mg2+/Mn2+为辅助因为辅助因子，催化子，催化RNA链的起始、延伸和终止，它链的起始、延伸和终止，它不需要任何引物，催化生成的产物是与不需要任何引物，催化生成的产物是与DNA模板

12、链互补的模板链互补的RNA。21一、一、E.coli RNA聚合酶聚合酶 E.coli RNA聚合酶由聚合酶由6个亚基组成（个亚基组成（5个多肽链），个多肽链），即即2 四个亚基的分子量分别为四个亚基的分子量分别为36.5KDa、150 KDa、160KDa和和82 KDa，整个酶分子的分子量，整个酶分子的分子量为为465KDa； 分别是基因分别是基因rpoA、rpoB、rpoC和和rpoD的产物；的产物； 与与RNA聚合酶相结合的一个很小的蛋白质聚合酶相结合的一个很小的蛋白质(MW10KDa)，叫做，叫做亚基，其功能尚不清楚，有人认亚基，其功能尚不清楚，有人认为为亚基对于亚基对于RNA聚合酶

13、的结构和功能没有太大聚合酶的结构和功能没有太大的影响。的影响。 22原核生物的原核生物的 RNA聚合酶聚合酶亚单位亚单位 分子量分子量亚单亚单位数位数组分组分功能功能365122核心酶核心酶决定哪种基因被转决定哪种基因被转录录1506181核心酶核心酶与转录全过程有关与转录全过程有关1556131核心酶核心酶结合结合DNA模板模板110001核心酶核心酶未知未知702631因子因子辨认起始点辨认起始点23 这样的酶称为这样的酶称为全酶全酶，RNA聚合酶是指聚合酶是指全酶。从全酶中去除全酶。从全酶中去除亚基后的其余部分亚基后的其余部分（2 ）称为）称为核心酶核心酶； 核心酶核心酶 core en

14、zyme 全酶全酶 holoenzyme24 亚基的最主要功能亚基的最主要功能是识别启动子，细胞内是识别启动子，细胞内DNA双链双链的哪条链被转录，即转录的方向、转录起点的选择的哪条链被转录，即转录的方向、转录起点的选择都与都与亚基有关；亚基有关； 不同的不同的亚基识别不同类型的启动子，可借以调节基亚基识别不同类型的启动子，可借以调节基因转录，而核心酶相同，即哪条链被转录，起始点因转录，而核心酶相同，即哪条链被转录，起始点在什么地方靠在什么地方靠亚基识别，与核心酶无关。亚基识别，与核心酶无关。 亚基是酶的别构效应物，使酶专一性识别模板上的亚基是酶的别构效应物，使酶专一性识别模板上的启动子。启动

15、子。25 核心酶在核心酶在T7噬菌体噬菌体DNA上约有上约有1300个结合位个结合位点，平均结合常数为点，平均结合常数为2X1011；亚基（因子）可以亚基（因子）可以极大地提高极大地提高RNA聚合酶对启动子区聚合酶对启动子区DNA序列的亲序列的亲和力，酶底结合常数提高和力，酶底结合常数提高103倍，酶底复合物的半倍，酶底复合物的半衰期可达数小时甚至数十小时。衰期可达数小时甚至数十小时。因子还能使因子还能使RNA聚合酶与模板聚合酶与模板DNA上非特异性位点的结合常数降低上非特异性位点的结合常数降低1 04倍 ， 使 酶 底 复 合 物 的 半 衰 期 小 于倍 ， 使 酶 底 复 合 物 的 半

16、 衰 期 小 于 1 秒 。秒 。26 枯草杆菌中有枯草杆菌中有6种不同相对分子质量的种不同相对分子质量的因子，其中因子，其中55是主要存在形式，出现在营是主要存在形式，出现在营养细胞中，养细胞中，29则主要出现在胞子形成阶段，则主要出现在胞子形成阶段，参与胞子形成期基因转录的调控。在大肠参与胞子形成期基因转录的调控。在大肠杆菌中，最常见的调控因子是由杆菌中，最常见的调控因子是由rpoD基因基因所编码的所编码的70。27 由由rpoH编码的编码的32是与热休克启动子所是与热休克启动子所控制的基因转录密切相关。由控制的基因转录密切相关。由rpoN编码的编码的54则参与细胞的氮代谢。由则参与细胞的

17、氮代谢。由T4噬菌体所编噬菌体所编码的码的55能与大肠杆菌能与大肠杆菌RNA聚合酶的核心酶聚合酶的核心酶结合，启动结合，启动T4晚期基因的转录。晚期基因的转录。28 亚基亚基参与底物的结合（包括前体核苷三磷酸以及参与底物的结合（包括前体核苷三磷酸以及已经形成的已经形成的RNA链），催化磷酸二酯的形成；链），催化磷酸二酯的形成； 在在E.coli 细胞里，某些药物如利福霉素类药物细胞里，某些药物如利福霉素类药物（抑制（抑制RNA合成的起始）和链霉溶菌素（抑制合成的起始）和链霉溶菌素（抑制RNA链的延伸）能有效抑制链的延伸）能有效抑制RNA合成，试验证明，合成，试验证明，这这2种药物均作用于种药物

18、均作用于亚基；同时，发现亚基；同时，发现亚基与前亚基与前体核苷三磷酸有很强的亲和力体核苷三磷酸有很强的亲和力 。29 亚基亚基参与反义链结合。参与反义链结合。 在离体转录试验中，肝素在离体转录试验中，肝素(heparin)能抑制转录作能抑制转录作用，人们发现肝素是与用，人们发现肝素是与亚基紧密结合的。亚基紧密结合的。亚亚基是碱性最强的亚基，而肝素是一种酸性的粘多基是碱性最强的亚基，而肝素是一种酸性的粘多糖，正好与核酸竞争糖，正好与核酸竞争亚基，从而妨碍亚基，从而妨碍亚基与亚基与反义链的结合。反义链的结合。30 亚基亚基可能参与全酶和启动子的牢固结合。这一牢固可能参与全酶和启动子的牢固结合。这一

19、牢固结合需要结合需要DNA双螺旋的局部解链；当双螺旋的局部解链；当RNA聚合酶核聚合酶核心酶沿着模板移动、进行心酶沿着模板移动、进行RNA链的延伸时，需要不链的延伸时，需要不断地在前面解开双螺旋，在后面恢复双螺旋，这些断地在前面解开双螺旋，在后面恢复双螺旋，这些作用可能与两个作用可能与两个亚基的功能有关。亚基的功能有关。 RNA聚合酶仅仅是复杂的转录机构的核心部分。除聚合酶仅仅是复杂的转录机构的核心部分。除了了RNA聚合酶之外，还需要其他一些辅助的蛋白质聚合酶之外，还需要其他一些辅助的蛋白质因子。如在转录终止时发生作用的释放因子因子。如在转录终止时发生作用的释放因子(因子因子)和抗终止因子等。

20、参与起始作用的和抗终止因子等。参与起始作用的因子习惯上算作因子习惯上算作RNA聚合酶的成分，其实也是一种辅助因子。聚合酶的成分，其实也是一种辅助因子。31二、真核生物的二、真核生物的RNA聚合酶聚合酶 真核细胞中有三种真核细胞中有三种RNA聚合酶聚合酶，即即RNA聚合酶聚合酶、RNA聚合酶聚合酶、RNA聚合酶聚合酶； 这些名称最早是依据它们从这些名称最早是依据它们从DEAE纤维素柱上洗脱的先后顺纤维素柱上洗脱的先后顺序而定出来的。后来发现不同生物的三种序而定出来的。后来发现不同生物的三种RNA聚合酶的洗脱顺聚合酶的洗脱顺序并不相同，因而改用三种不同的序并不相同，因而改用三种不同的RNA聚合酶对

21、于聚合酶对于-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱(-amanitine)的敏感性不同来进行区别。的敏感性不同来进行区别。RNA聚合酶聚合酶I基本不受基本不受-鹅膏蕈碱的抑制，在大于鹅膏蕈碱的抑制，在大于103 mol/L时才表现出轻微的抑制时才表现出轻微的抑制作用；作用；RNA聚合酶聚合酶对于对于-鹅膏蕈碱最为敏感，在鹅膏蕈碱最为敏感，在10-9-10-8mol/L浓度下就会被抑制；浓度下就会被抑制；RNA聚合酶聚合酶的敏感性介于的敏感性介于RNA聚聚合酶合酶和和之间，在之间，在10-5-10-4 mol/L时表现抑制作用。时表现抑制作用。32 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶 种类种类 对鹅膏蕈碱对鹅膏

22、蕈碱的反应的反应 rRNAsnRNAmRNA 5S-rRNA tRNA耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物33 RNA聚合酶聚合酶主要存在于核仁中，其功能是合成主要存在于核仁中，其功能是合成5.8 S rRNA、18S rRNA和和28S rRNA； RNA聚合酶聚合酶存在于核质中，其功能是合成存在于核质中，其功能是合成mRNA以及以及snRNA； RNA聚合酶聚合酶也存在于核质中，其功能是合成也存在于核质中，其功能是合成tRNA和和5S rRNA以及转录以及转录Alu序列。序列。 34 在细胞质中也能发现一些在细胞质中也能发现一些RNA聚合酶聚合酶，它是从，它是从细胞核中渗漏

23、出来的。细胞核中渗漏出来的。 三种主要的三种主要的RNA聚合酶的分子量都在聚合酶的分子量都在500 KDa左左右右(14S-15S)，每种酶分子含有两个大亚基和，每种酶分子含有两个大亚基和48个小亚基，每个小亚基的分子量为个小亚基，每个小亚基的分子量为10 KDa-90KDa。 像原核生物一样，不同种类的基因需要不同的蛋像原核生物一样，不同种类的基因需要不同的蛋白质辅助因子协助白质辅助因子协助RNA聚合酶进行工作聚合酶进行工作 。353036 细菌细菌RNA聚合酶的核心酶可以独立合成聚合酶的核心酶可以独立合成RNA，它由，它由亚基的两个拷贝和亚基的两个拷贝和、各一个拷贝组成；该酶各一个拷贝组成

24、；该酶与真核生物的聚合酶有密切联系：与真核生物的聚合酶有密切联系： 大亚基大亚基和和与与Pol 的大亚基的大亚基RPB1及及RPB2同源；同源；亚基与亚基与RPB11及及RPB3同源；同源；亚基与亚基与RPB6同源。同源。 原则上，细菌的核心酶能够在原则上，细菌的核心酶能够在DNA分子的任何一点分子的任何一点开始转录，但在细胞内，聚合酶只在启动子处起始开始转录，但在细胞内，聚合酶只在启动子处起始转录由于转录由于起始因子的加入。此为起始因子的加入。此为全酶全酶。37 大肠杆菌最常见的大肠杆菌最常见的因子为因子为70。70 识别的启动子识别的启动子有以下共同特征：两段有以下共同特征：两段6个核苷酸

25、长的保守序列个核苷酸长的保守序列,其中心分别位于起始位点上游约其中心分别位于起始位点上游约10bp和和35bp处处，被被1719个核苷酸的非特异序列隔开个核苷酸的非特异序列隔开。38第三节第三节 启动子和终止子启动子和终止子39 启动子启动子是基因转录起始所必需的一段是基因转录起始所必需的一段DNA序列，一般位于结构基因的上游，是序列，一般位于结构基因的上游，是DNA分子与分子与RNA聚合酶特异结合而起始转录的聚合酶特异结合而起始转录的部位。部位。 启动子本身不被转录。启动子本身不被转录。40一、原核生物的启动子结构一、原核生物的启动子结构 原核生物启动子有原核生物启动子有4 个保守特征：个保

26、守特征：起始位点、起始位点、-10 区、区、-35 区以及区以及-10 和和-35 区之间的间隔区之间的间隔距离。距离。411. 起始位点通常都是嘌呤碱基起始位点通常都是嘌呤碱基 (90%)原核典型的启动子转录启始位点、原核典型的启动子转录启始位点、-10 区、区、-35 区区 42 保守序列保守序列 （一一致性序列）致性序列）开始转录开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区区(Pribnow box)T A T A A T A T A T T A -10 区区1-30-5 010-10-40-205 3 3 5 432. Pribnow框框 Pribnow框：在原核生物

27、启动子框：在原核生物启动子-10区域的一段核区域的一段核苷酸序列中，大多包含苷酸序列中，大多包含TATAAT序列或是稍有不序列或是稍有不同的变化形式，是同的变化形式，是RNA聚合酶牢固结合的位点，聚合酶牢固结合的位点，此段序列称为此段序列称为Pribnow框。由于其中心在框。由于其中心在-10位点位点附近，所以又称为附近，所以又称为-10序列。不同的启动子，其位序列。不同的启动子，其位置略有不同，一般都在置略有不同，一般都在-4到到-13的范围之内。的范围之内。44 一致序列一致序列 ：T80A95T45A60A50T9645 其中带有底线的其中带有底线的T称为称为保守保守T,它存在于目前已知

28、它存在于目前已知的几乎所有启动子中的几乎所有启动子中,一般位于一般位于-6到到-9位点。头两位点。头两个核苷酸是个核苷酸是TA的也占的也占3/4以上；以上； Pribnow框是框是RNA聚合酶的牢固结合位点（简称聚合酶的牢固结合位点（简称结合位点）；结合位点）； 由于由于RNA聚合酶的诱导作用，在富含聚合酶的诱导作用，在富含AT的的Pribnow框内的框内的DNA双螺旋首先双螺旋首先“熔解熔解”。DNA双螺旋在起始点周围大约双螺旋在起始点周围大约14 bp的距离内分开以形的距离内分开以形成转录泡，即与成转录泡，即与RNA聚合酶形成开放式启动子复聚合酶形成开放式启动子复合体，使合体，使RNA聚合

29、酶定向移动而行使其转录功能。聚合酶定向移动而行使其转录功能。463. Sextama框框 对于大多数启动子，在对于大多数启动子，在RNA聚合酶覆盖的部分还聚合酶覆盖的部分还有一个重要的区域，叫做有一个重要的区域，叫做Sextama框框,其位置在其位置在-35附近，因此又叫附近，因此又叫 -35序列。序列。 -35序列是序列是RNA聚合酶初始结合位点，聚合酶初始结合位点，RNA聚合聚合酶依靠其酶依靠其亚基亚基(因子因子)识别该位点，因此又称为识别该位点，因此又称为RNA聚合酶识别位点。聚合酶识别位点。 一致序列为：一致序列为：T82T84G78A65C54A45 47 RNA聚合酶先结合于聚合酶

30、先结合于-35序列，然后才结合于序列，然后才结合于-10序列。序列。 有实验表明，有实验表明，亚基识别亚基识别-35序列并与之结合。由序列并与之结合。由于于RNA聚合酶分子很长，大约能覆盖聚合酶分子很长，大约能覆盖70bp的的DNA序列。因此酶分子上的一个适合部位就能达到序列。因此酶分子上的一个适合部位就能达到-10 序列区域。酶分子一旦与序列区域。酶分子一旦与-10序列结合以后，序列结合以后，亚亚基就立即从识别位点上解离下来基就立即从识别位点上解离下来 。48 -35序列的重要性还在于，这一序列的核苷酸结构序列的重要性还在于，这一序列的核苷酸结构在很大程度上决定了启动子的强度。在很大程度上决

31、定了启动子的强度。RNA聚合酶聚合酶很容易识别强启动子很容易识别强启动子,而对弱启动子的识别较差。而对弱启动子的识别较差。 Pribnow框和框和Sextama的碱基序列通过影响开放性的碱基序列通过影响开放性启动子复合物的形成速度而控制转录。启动子复合物的形成速度而控制转录。 这两个序列是决定启动子强度的重要因素，细胞可这两个序列是决定启动子强度的重要因素，细胞可以由此来调节单位时间内所转录的以由此来调节单位时间内所转录的mRNA分子数，分子数，从而控制蛋白质的合成速度。从而控制蛋白质的合成速度。49 启动子的强度指一个启动子在一定的时间启动子的强度指一个启动子在一定的时间内可以起始转录物的多

32、少；具有与共有序内可以起始转录物的多少；具有与共有序列近似序列的启动子列近似序列的启动子“更强更强”。 启动子的强度受以下因素影响：启动子最启动子的强度受以下因素影响：启动子最初与聚合酶的结合程度、对异构化作用的初与聚合酶的结合程度、对异构化作用的支持效率，以及此后聚合酶逃离的难易程支持效率，以及此后聚合酶逃离的难易程度。度。504. -10 和和-35 区之间间隔距离区之间间隔距离 在在90%启动子中，启动子中，-35 和和-10 区之间的分隔区之间的分隔距离在距离在16 到到19bp 之间。个别例外的可以小之间。个别例外的可以小于于15 或者大于或者大于20bp。尽管间隔区的真实序。尽管间

33、隔区的真实序列并不重要，但其距离大小保持两个位点列并不重要，但其距离大小保持两个位点恰当分隔，从而在适合恰当分隔，从而在适合RNA 聚合酶的几何聚合酶的几何结构方面是很重要的。结构方面是很重要的。51几种启动子的几种启动子的Sextama框、框、Pribnow框以及框以及二者之间的距离二者之间的距离 52二、真核生物的启动子结构二、真核生物的启动子结构 真核生物有三种真核生物有三种RNA聚合酶，每一种都有自己聚合酶，每一种都有自己的启动子类型：的启动子类型： RNA聚合酶聚合酶只转录只转录rRNA（合成（合成5.8S rRNA、18S rRNA和和28S rRNA），只有一种启动子类型。），只

34、有一种启动子类型。 RNA聚合酶聚合酶负责蛋白质编码基因（合成负责蛋白质编码基因（合成mRNA和和snRNA） ，其启动子结构最复杂。，其启动子结构最复杂。 RNA聚合酶聚合酶负责合成负责合成tRNA和和5S rRNA，其启动，其启动子常位于转录的子常位于转录的DNA序列之内，称为序列之内，称为下游启动子下游启动子。531. RNA聚合酶聚合酶的启动子的启动子 RNA聚合酶聚合酶转录转录rRNA，大多数真核生物，大多数真核生物rRNA基因启动子可以分为两个部分：核心元件，位于基因启动子可以分为两个部分：核心元件，位于转录起始点周围（转录起始点周围（-40+5），又称），又称近启动子近启动子，其

35、，其功能决定转录起始的精确位置；功能决定转录起始的精确位置；-165-40称为称为远远启动子启动子（上游控制元件），其功能是影响转录的（上游控制元件），其功能是影响转录的频率。频率。 每种生物都有特定的转录因子与每种生物都有特定的转录因子与RNA聚合酶聚合酶结合，因此，结合，因此，RNA聚合酶聚合酶的启动子具有明显的启动子具有明显的种族特异性。的种族特异性。 542. RNA聚合酶聚合酶的启动子结构的启动子结构 1）转录起始位点：）转录起始位点：具有基因表达所需的保守序具有基因表达所需的保守序列，该保守序列的共同序列为列，该保守序列的共同序列为PyPyANT/APyPy（Py指嘧啶指嘧啶C或或

36、T，N为任意为任意碱基），这个保守序列称为转录起始位点。碱基），这个保守序列称为转录起始位点。 转录起始位点与转录起始位点与TATA框一起组成核心启动子，框一起组成核心启动子，启动位于下游的任意基因的转录启动位于下游的任意基因的转录。 552）基本启动子：）基本启动子：位于转录起始位点上游位于转录起始位点上游-25-30范围的范围的7bp左右的保守区域，共同序列为左右的保守区域，共同序列为TATAAAA(非模板链序列非模板链序列)，其中第，其中第5、7位的位的A常常常被常被T取代，该保守区的碱基频率是取代，该保守区的碱基频率是T95A87T93A85A63A83A50，这一序列也称为，这一序列

37、也称为TATA框框。TATA框是很多真核生物类型框是很多真核生物类型启动子的核心启动启动子的核心启动子组成部分，与原核生物启动子子组成部分，与原核生物启动子-10的序列之间有的序列之间有很大的相似性。差别主要在于转录起始点距离的很大的相似性。差别主要在于转录起始点距离的不同。不同。 TATA框主要与基因转录的起始位点的定位有框主要与基因转录的起始位点的定位有关，而与调节转录的效率无关。关，而与调节转录的效率无关。563）转录启动上游元件：）转录启动上游元件：在许多蛋白质编码基因在许多蛋白质编码基因的核心启动子上游的核心启动子上游100-200bp范围内，还存在范围内，还存在一个转录调控区，含有

38、组成启动子的多个元一个转录调控区，含有组成启动子的多个元件，统称为上游启动子元件，这些序列元件件，统称为上游启动子元件，这些序列元件的功能主要是提高转录的效率和特异性。的功能主要是提高转录的效率和特异性。4）转录起点下游元件：）转录起点下游元件：上游元件和下游元件统上游元件和下游元件统称为启动子近端序列元件（称为启动子近端序列元件（promoter proximal sequence element, PSE）。）。57 真核生物的核心启动子真核生物的核心启动子(core promoter)是指在体外检是指在体外检测时，测时，Pol 精确地起始转录所需要的最少一组序列精确地起始转录所需要的最少

39、一组序列元件；代表性的核心启动子约有元件；代表性的核心启动子约有40个核苷酸，向转录个核苷酸，向转录起始点的上游或下游延伸。核心启动子中发现的起始点的上游或下游延伸。核心启动子中发现的4个个元件：元件：TFB识别元件识别元件(TFB recognition element, BRE)、TATA元件元件(盒盒)、起始位点、起始位点(initiator, Inr)和下和下游启动子元件游启动子元件(downstream promoter element, DPE)。一个启动子含有其中的一个启动子含有其中的2或或3个元件。个元件。58 在核心启动子之外（上游）存在一些在体内进行有在核心启动子之外（上游

40、）存在一些在体内进行有效转录所需的其他序列元件，共同组成调节序列效转录所需的其他序列元件，共同组成调节序列(regulatory sequence)，包括：启动子最近元件，包括：启动子最近元件(promoter proximal element)，上游激活物序列，上游激活物序列(upstream activator sequence, UAS)，增强子，增强子(enhancer)，以及一列的沉默子，以及一列的沉默子(silencer)、边界元件、边界元件(boundary element)和绝缘子和绝缘子(insulator)组成的抑制元组成的抑制元件。所有这些件。所有这些DNA元件都与调节蛋

41、白（激活或抑制元件都与调节蛋白（激活或抑制因子）结合，促进或阻碍从核心启动子开始的转录。因子）结合，促进或阻碍从核心启动子开始的转录。59603. RNA聚合酶聚合酶的下游启动子的下游启动子 5S RNA基因的启动子位于转录区内，在转录起始基因的启动子位于转录区内，在转录起始点下游点下游5083之间之间; 缺失缺失50以前的序列和缺失以前的序列和缺失83以后的序列都能以后的序列都能正常转录，但正常转录，但5083这段序列缺失，无转录这段序列缺失，无转录活性；而加上此段序列，又能正常转录活性；而加上此段序列，又能正常转录; 把这段把这段DNA序列插入任何序列插入任何DNA中，中，RNA聚合酶聚合

42、酶都能识别并起始转录。这段序列就是都能识别并起始转录。这段序列就是5S RNA基因基因的启动子，这样的位于转录起始点下游的启动子的启动子，这样的位于转录起始点下游的启动子又称为又称为内部启动子内部启动子。61 除启动子外，真核生物转录起始点上游除启动子外，真核生物转录起始点上游处还有一个称为增强子的序列，它能极大地处还有一个称为增强子的序列，它能极大地增强启动子的活性，它的位置往往不固定，增强启动子的活性，它的位置往往不固定，可存在于启动子上游或下游，对启动子来说可存在于启动子上游或下游，对启动子来说它们正向排列和反向排列均有效，对异源的它们正向排列和反向排列均有效，对异源的基因也起到增强作用

43、。基因也起到增强作用。 增强子增强子（enhancer)，又称为远上游序列，又称为远上游序列，一般都在一般都在-100以上，是启动子的上游或下游以上，是启动子的上游或下游对转录有促进作用的一段对转录有促进作用的一段DNA序列。序列。 62增强子的特点增强子的特点: 远距离效应：一般位于上游远距离效应：一般位于上游-200bp处，但可增强远处，但可增强远处启动子的转录，即使相距处启动子的转录，即使相距10kb也能发挥作用；也能发挥作用； 无方向性：无论位于靶基因的上游、下游或内部都无方向性：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；可发挥增强转录的作用； 顺式调节：只调节位于同一染

44、色体上的靶基因，而顺式调节：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。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： 具有组织特异性：具有组织特异性： 有相位性：其作用和有相位性：其作用和DNA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：63第四节第四节 转录过程转录过程64一、一、 模板识别模板识别 该阶段主要指该阶段主要指RNA聚合酶与启动子聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之结合的过程。转双链相互作用并与之结合的过程。转录起始前，启动子附近的录起始前，启动子附近的DNA双链分开形双链分

45、开形成转录泡以促使底物核糖核苷酸与模板成转录泡以促使底物核糖核苷酸与模板DNA的碱基配对。的碱基配对。 65二、二、 转录起始转录起始 就是就是RNA链上第一个核苷酸键的产生。链上第一个核苷酸键的产生。启动子与聚合酶结合，启动子启动子与聚合酶结合，启动子-聚合酶复合聚合酶复合体一旦形成体一旦形成 ，就发生结构改变，起始过程，就发生结构改变，起始过程继续；继续；DNA碱基对断裂，形成碱基对断裂，形成“泡泡”；总；总是从是从5向向3方向进行。方向进行。 66（一）原核生物的转录起始（一）原核生物的转录起始 当当亚基发现其识别位点时，全酶就与启动亚基发现其识别位点时，全酶就与启动子的子的-35区区-

46、10区序列结合形成启动子复合物。由区序列结合形成启动子复合物。由亚基催化形成亚基催化形成RNA的第一个磷酸二酸键，合成的第一个磷酸二酸键，合成69bp时时因子从全酶解离下来，靠核心酶在因子从全酶解离下来，靠核心酶在DNA链上向下游滑动，而脱落的链上向下游滑动，而脱落的因子与另一个因子与另一个核心酶结合成全酶反复利用。核心酶结合成全酶反复利用。 67（1）酶找到启动子顺序并与其形成封闭复合）酶找到启动子顺序并与其形成封闭复合物物(此时此时DNA仍处于双螺旋状态仍处于双螺旋状态)。这一步所。这一步所识别的是识别的是-35序列，因此序列，因此-35序列的突变损害序列的突变损害启动子的结合。启动子的结

47、合。68（2）然后，封闭复合物转变为开放复合物，聚合酶）然后，封闭复合物转变为开放复合物，聚合酶全酶所结合的全酶所结合的DNA序列中有一小段双链被解开。此序列中有一小段双链被解开。此时酶的结合比较紧密。在这个转变中时酶的结合比较紧密。在这个转变中-10区约有区约有17bp被解旋，暴露出模板链。被解旋，暴露出模板链。-10序列富于序列富于AT碱基碱基对，因为对，因为AT对比对比GC对更易于对更易于“融化融化”。-10区的突区的突变可阻碍开放复合物的形成。许多突变改变了变可阻碍开放复合物的形成。许多突变改变了-10序列中的碱基，但并未减低其序列中的碱基，但并未减低其AT对的水平，却仍对的水平，却仍

48、然能阻碍其然能阻碍其“融化融化”为开放复合物，可见为开放复合物，可见-10区除区除了要易于融化之外，还必须有特异的形状，以便了要易于融化之外，还必须有特异的形状，以便RNA 聚合酶能够识别它。聚合酶能够识别它。 69（3） 封闭性和开放性启动子复合物均为二元复合封闭性和开放性启动子复合物均为二元复合物。因为只有全酶和物。因为只有全酶和DNA这两种成分在开放性启这两种成分在开放性启动子复合物中，动子复合物中，RNA聚合酶上的起始位点和延长聚合酶上的起始位点和延长位点被相应的核苷酸前体充满，在位点被相应的核苷酸前体充满，在亚基的催化下亚基的催化下形成形成RNA的第一个磷酸二酯键。的第一个磷酸二酯键

49、。（4） 此时，由此时，由RNA聚合酶、聚合酶、DNA模扳和新生的模扳和新生的RNA链组成的复合物称为三元复合物。三元复合链组成的复合物称为三元复合物。三元复合物形成之后，物形成之后，因子从全酶解离下来，致使三元复因子从全酶解离下来，致使三元复合物中核心酶与合物中核心酶与DNA的亲和力下降到非特异性结的亲和力下降到非特异性结合水平以下。合水平以下。 70转录起始过程转录起始过程71 新生的新生的RNA链与模板形成的杂交双链很短链与模板形成的杂交双链很短 ; 用胰脏用胰脏RNAase处理转录系统时处理转录系统时,由于胰脏由于胰脏RNAase能能切断单链切断单链RNA而不能切断而不能切断RNADN

50、A杂交分子杂交分子,结果结果得到大约得到大约10个碱基的个碱基的RNA片断片断; 这这10个碱基中多少是受到个碱基中多少是受到DNA的保护的的保护的(形成氢键形成氢键),多少是受到多少是受到RNA聚合酶保护的聚合酶保护的(空间作用空间作用)，尚不清楚。，尚不清楚。有人推测只有两个左右核苷酸能与有人推测只有两个左右核苷酸能与DNA形成氢键而形成氢键而配对形成杂交状态。而在配对形成杂交状态。而在DNA合成中的引物可长达合成中的引物可长达5060个核苷酸均与个核苷酸均与DNA形成氢键结合。为什么有形成氢键结合。为什么有这样的区别，其原因还不清楚。这样的区别，其原因还不清楚。72 真核生物转录起始十分

51、复杂，往往需要多真核生物转录起始十分复杂，往往需要多种蛋白因子的协助，已经知道，在所有的细种蛋白因子的协助，已经知道，在所有的细胞中有一类叫做胞中有一类叫做转录因转录因子的蛋白质分子，它子的蛋白质分子，它们与们与RNA聚合酶聚合酶形成转录起始复合物，共形成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。真核生物基因中，同参与转录起始的过程。真核生物基因中，有专门为蛋白质编码的基因，这些基因由有专门为蛋白质编码的基因，这些基因由RNA聚合酶聚合酶负责进行转录起始关键性作用。负责进行转录起始关键性作用。 （二）真核生物的转录起始（二）真核生物的转录起始73 根据这些转录因子的作用特点可大致分根据这些转录因

52、子的作用特点可大致分为二类：第一类为普遍转录因子，它们与为二类：第一类为普遍转录因子，它们与RNA聚合酶聚合酶共同组成转录起始复合物，转共同组成转录起始复合物，转录才能在正确的位置上开始。普遍转录因子录才能在正确的位置上开始。普遍转录因子是由多种蛋白质分子组成的，其中包括特异是由多种蛋白质分子组成的，其中包括特异结合在结合在TATA盒上的蛋白质，叫做盒上的蛋白质，叫做TATA盒结盒结合蛋白，还有另外一组复合物叫做转录因子合蛋白，还有另外一组复合物叫做转录因子D。TFD 再与再与RNA聚合酶聚合酶结合完成转结合完成转录起始复合物的形成。录起始复合物的形成。74 除除TFD以外，在细胞核提取物中还

53、发现以外，在细胞核提取物中还发现TFA，TFF，TFE，TFH等，它们在转等，它们在转录起始复合物组装的不同阶段起作用：录起始复合物组装的不同阶段起作用： 转录因子（转录因子（Transcription Factor)结合顺序：结合顺序：D-A-B-F-E-HTFII-D：首先与：首先与TATA区结合区结合TFII-A：稳定：稳定TFII-D与与TATA区结合区结合TFII-B：帮助：帮助RNA酶与启动子区结合酶与启动子区结合TFII-F：与：与RNA酶结合酶结合TFII-E与与TFII-H：促进转录起始：促进转录起始75三、通过启动子三、通过启动子转录起始后直到形成转录起始后直到形成9个核苷

54、酸短链是通过个核苷酸短链是通过启动子阶段，此时启动子阶段，此时RNA聚合酶一直处于启聚合酶一直处于启动子区，新生的动子区，新生的RNA链与链与DNA模板链的结模板链的结合不够牢固，很容易从合不够牢固，很容易从DNA链上掉下来并链上掉下来并导致转录重新开始。导致转录重新开始。76四、转录的延伸四、转录的延伸一旦一旦RNA聚合酶成功地合成聚合酶成功地合成9个以上核苷酸并离开启个以上核苷酸并离开启动子区，转录便进入延伸阶段。所以，通过启动子的动子区，转录便进入延伸阶段。所以，通过启动子的时间代表一个启动子的强弱。时间代表一个启动子的强弱。大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的活性一般为每秒聚合酶的活性一般为

55、每秒50-90个核苷个核苷酸。随着酸。随着RNA聚合酶的移动，聚合酶的移动，DNA双螺旋持续解开，双螺旋持续解开，暴露出新的单链暴露出新的单链DNA模板，新生模板，新生RNA链的链的3末端不断末端不断延伸，在解链区形成延伸，在解链区形成RNA-DNA杂合物。杂合物。在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链不断延长。链不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi77五、链的终止五、链的终止终止子终止子概念：概念：RNA链的终止与一段序列有关，其终止链的终止与一段序列有关，其终止信号存在于已转录过的序列。这段终止信号序信号存在于已转录过的序列。这段

56、终止信号序列叫终止子。列叫终止子。终止子可以分为两类：终止子可以分为两类：1）不依赖于蛋白质辅助因子而能实现终止作用；）不依赖于蛋白质辅助因子而能实现终止作用；2）依赖蛋白质辅因才能实现终止作用。这种蛋白质）依赖蛋白质辅因才能实现终止作用。这种蛋白质辅因子称为辅因子称为释放因子，通常又称释放因子，通常又称因子。因子。78两类终止子的共同序列特征：两类终止子的共同序列特征： 在转录终止点之前有一段回文序列；在转录终止点之前有一段回文序列； 回文序列的两个重复部分回文序列的两个重复部分(每个每个720bp)由几个碱由几个碱基对的不重复节段隔开；基对的不重复节段隔开； 回文序列的对称轴一般距转录终止

57、点回文序列的对称轴一般距转录终止点1624bp。 79两类终止子的不同点是：两类终止子的不同点是： 不依赖不依赖因子的终止子的回文序列中富含因子的终止子的回文序列中富含GC碱基碱基对，在回文序列的下游方向又常有对，在回文序列的下游方向又常有68个个AT碱基碱基对对(模板链上为模板链上为A)； 依赖依赖因子的终止子中回文序列的因子的终止子中回文序列的GC对含量较少。对含量较少。在回文序列下游方向的序列没有固定特征，其在回文序列下游方向的序列没有固定特征，其AT对含量比前一种终止子低。对含量比前一种终止子低。80E.coli的色氮酸操纵元的转录终止子（不依赖的色氮酸操纵元的转录终止子（不依赖因子）

58、因子）81噬菌体噬菌体的的TA1TA1终止子序列（依赖终止子序列（依赖因子）因子）822. 抗终止及抗终止因子抗终止及抗终止因子 在一些终止子上，终止事件可以被某些与在一些终止子上，终止事件可以被某些与RNA 聚聚合酶相互作用的特异辅助因子所阻止。合酶相互作用的特异辅助因子所阻止。“抗终止抗终止(Antitermination)”使酶越过终止子序列而继续转使酶越过终止子序列而继续转录，此过程称为录，此过程称为通读通读(Readthrough)。 抗终止是在细菌噬菌体感染中被发现的，是细菌抗终止是在细菌噬菌体感染中被发现的，是细菌操纵子和噬菌体调控回路中的一个调控机制。操纵子和噬菌体调控回路中的

59、一个调控机制。 83图图5.11 抗终止作用决定抗终止作用决定RNA聚合酶在终止子位聚合酶在终止子位 点处终止还是通读下去点处终止还是通读下去84第五节第五节 原核和真核生物原核和真核生物mRNA的特的特征比较征比较851. mRNA在大肠杆菌细胞内占总在大肠杆菌细胞内占总RNA的的2%左右，左右，tRNA占占16%左右，左右，rRNA则占则占80%以上。以上。 真核细胞的真核细胞的mRNA往往以较大相对分子量的前往往以较大相对分子量的前体体RNA出现在核内，只有成熟的、相对分子质量出现在核内，只有成熟的、相对分子质量明显变小并经化学修饰的明显变小并经化学修饰的mRNA才能进入细胞质，才能进入

60、细胞质，参与蛋白质的合成。所以，真核细胞参与蛋白质的合成。所以，真核细胞mRNA的合的合成和功能表达发生在不同的空间和时间范畴内。成和功能表达发生在不同的空间和时间范畴内。2. mRNA的代谢很快，细菌的代谢很快，细菌mRNA平均半寿期为平均半寿期为2分钟，真核分钟，真核mRNA半寿期较长，平均半寿期较长，平均5小时。小时。863. 原核生物原核生物mRNA与相应的基因是共线的，与相应的基因是共线的，并且是多顺反子；真核不是共线，单顺反并且是多顺反子；真核不是共线，单顺反子，转录产物是子，转录产物是hnRNA， hnRNA是是mRNA的未成熟前体，也称为的未成熟前体，也称为不均一核不均一核RN