第三章-转录前调控

1、第二章：细胞分化的分子机制第二章：细胞分化的分子机制 -转录和转录前的调控转录和转录前的调控第一节：基因表达及调控的基本原理第一节：基因表达及调控的基本原理第二节：转录的基本过程及调控第二节：转录的基本过程及调控Translation基因表达基因表达 ( gene expression) 生物基因组中结构基因所携带的生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的生物学效应的蛋白质蛋白质的全过程。的全过程。 基因表达的调控基因表达的调控 机体各种细胞中含有的相同遗传机体各种细

2、胞中含有的相同遗传信息信息( (相同的结构基因相同的结构基因) )，根据机体的，根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表同的功能状态，选择性、程序性地表达达特定数量特定数量的的特定基因特定基因的过程。的过程。 基因表达的调控因子：基因表达的调控因子： 蛋白质蛋白质 ( 主要主要 ) 小分子小分子RNA ( 某些环节某些环节 )基因表达的调控水平v 基因组基因组v 转录转录v 转录后转录后v 翻译翻译v 翻译后翻译后DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制中心法则中心法则(central dogma)一、原核生物基因表达的特

3、点一、原核生物基因表达的特点 1.1.只有一种只有一种RNARNA聚合酶。聚合酶。RNARNA聚合酶聚合酶用来识别原核细胞的启动子，催化用来识别原核细胞的启动子，催化所有所有RNARNA的合成。的合成。2.2.基因表达以操纵子为基本单位。基因表达以操纵子为基本单位。原原核基因一般不含内含子，基因是连续核基因一般不含内含子，基因是连续的。原核基因转录单位多为多顺反子的。原核基因转录单位多为多顺反子。 二、原核生物基因表达的调控机制二、原核生物基因表达的调控机制 转录起始的调控转录起始的调控 转录终止的调控转录终止的调控 翻译水平的调控翻译水平的调控 三三、真核细胞的结构真核细胞的结构光镜下结构光

4、镜下结构细胞膜细胞膜细胞质细胞质细胞核细胞核电镜下结构电镜下结构膜相结构膜相结构非膜相结构非膜相结构细胞膜细胞膜内质网内质网高尔基复合体高尔基复合体线粒体线粒体溶酶体溶酶体过氧化氢体过氧化氢体核膜核膜核糖体核糖体中心粒中心粒微管微管微丝微丝中等纤维中等纤维细胞质基质细胞质基质核仁核仁染色质染色质核基质核基质l真核生物基因表达调控的特点和种类真核生物基因表达调控的特点和种类l真核生物的基因组真核生物的基因组l真核生物真核生物DNADNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 l真核生物转录水平上的基因表达调控真核生物转录水平上的基因表达调控 l真核基因翻译水平上的调控真核基因翻译水平上的调控四

5、、真核细胞的表达调控四、真核细胞的表达调控真核生物的基因组真核生物的基因组多细胞相同基因组多细胞相同基因组细胞核控制发育的局限性细胞核控制发育的局限性基因组重组基因组重组特点特点真核生物真核生物DNADNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 染色体疏松区一转录活跃染色体疏松区一转录活跃富富AT 较富较富GC区一转录活跃区一转录活跃 DNA甲基化一抑制转录甲基化一抑制转录第二节：转录的基本过程及调控第二节：转录的基本过程及调控参与转录的物质参与转录的物质原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板:DNA:DN

6、A酶酶: RNA: RNA聚合酶聚合酶其他蛋白质因子其他蛋白质因子RNA合成方向：合成方向：5 3转录的不对称性：转录的不对称性：l在在DNADNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录一股链不转录 l模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。编码链与模板链与与mRNAmRNA序列相同的那条序列相同的那条DNADNA链称为链称为编码链编码链；将另一条根；将另一条根据碱基互补原则指导据碱基互补原则指导mRNAmRNA合成的合成的DNADNA链称为链称为模板链模板链，也也称为称为反义链反义链或或Crick链链。结构

7、基因结构基因(structural gene): DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段的区段 。GCAGTACATGTC5533DNACGTCATGTACAG编码链模板链GCAGUACAUGUCmRNA转录模板链并非永远在同一条单链上模板链并非永远在同一条单链上转录方向转录方向5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链转录方向转录方向DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段，称为结构基因。的区段，称为结构基因。结构基因：1. RNA1. RNA聚合酶聚合酶（1）原核细胞）原核细胞全酶=核心酶+ 因子因子因子- -特异蛋白质因子，特异蛋白质因子，能识

8、别能识别DNADNA模板起始位点的特异碱基顺序，模板起始位点的特异碱基顺序，所以所以 -因子又叫起始因子因子又叫起始因子核心酶核心酶- - 催化单个核苷酸之间形成催化单个核苷酸之间形成3535磷酸二酯键磷酸二酯键 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点亚亚 基基分分 子子 量量功功 能能1. RNA RNA聚合酶聚合酶真核细胞真核细胞 分为分为 I、II、III三三种种RNA聚合酶聚合酶I：存于核仁中，催化：存于核仁中，催化r RNA前体的合成前体的合成 ；RNA聚合酶聚合酶II：

9、存于核质中，催化：存于核质中，催化m RNA前体的合成前体的合成 ； RNA聚合酶聚合酶III：存于核质中，：存于核质中， 催化催化tRNA和和r RNA等小分子量前体的合成等小分子量前体的合成 。（2）真核细胞）真核细胞. .转录的基本过程转录的基本过程分起始、延长及终止三个阶段分起始、延长及终止三个阶段原核生物的转录过程原核生物的转录过程转录起始需解决的问题：转录起始需解决的问题：1. RNA聚合酶必须准确地结合在聚合酶必须准确地结合在 转录模板的起始区域。转录模板的起始区域。2. DNA双链解开，使其中的一条链作为双链解开，使其中的一条链作为 转录的模板。转录的模板。编码链编码链AACT

10、GTATATTA模板链模板链TTGACATATAAT35DNA转录起始点转录起始点Probnow盒子盒子启动子启动子35 10 +1转录区转录区53RNA转录起点与新生与新生RNARNA链第一个核甘酸相对应链第一个核甘酸相对应DNADNA链上的碱基。通常将链上的碱基。通常将mRNAmRNA开始的开始的一个核苷酸定为一个核苷酸定为0 0点点( (即即+1+1) )由此向右常称为由此向右常称为下游下游(downstream)(downstream)，其，其核苷酸依次编为正序号；起始点左例称为核苷酸依次编为正序号；起始点左例称为上游上游(upstream)(upstream)其核苷酸其核苷酸则依次以

11、负号表示紧接起始点左侧的核昔酸为则依次以负号表示紧接起始点左侧的核昔酸为-1-1。启动子启动子(promoter)-(promoter)-能被能被RNARNA聚合酶识别、聚合酶识别、 结合并启动基因转录的一段结合并启动基因转录的一段DNADNA序列序列。 由由因子辨认并且结合到启动子上，因子辨认并且结合到启动子上，局部解链（局部解链（10-20bp），），RNA聚合酶聚合酶与与模板模板结结合合；在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物形成转录起始复合物 。 原核生物转录起始过程原核生物转录起始过程典型启动子的结构典型启动子的结构 -35-35

12、 -10 -10 转录起点转录起点TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bpTTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp在在-因子存在时，因子存在时，由核心酶催化，以其中的一股由核心酶催化，以其中的一股DNA 单链作为模板链，单链作为模板链，以以NTP为原料，按照碱基互补配对的原则，通常是由为原料，按照碱基互补配对的原则，通常是由5ppp嘌呤核苷嘌呤核苷（G 或或A ）开头向着）开头向着3延长多核苷酸链延长多核苷酸链，合成开始后，合成开始后，因子从模板上脱离下来因子从模板上脱离下来（可以重复利用）。（可以重复利用）。延长延长 ：核心酶覆盖双链核心酶覆盖双链DNADNA和和

13、RNARNA复合物，向前推进，一边解开螺旋，复合物，向前推进，一边解开螺旋，一边释放出新合成的一边释放出新合成的RNARNA链，链，后面已经转录的区域中分开的后面已经转录的区域中分开的DNADNA链又重新形成双螺旋。链又重新形成双螺旋。转录的终止转录的终止指指RNARNA聚合酶在聚合酶在DNADNA模板上停顿下来不再前进，模板上停顿下来不再前进，转录产物转录产物RNARNA链从转录复合物上脱落下来。链从转录复合物上脱落下来。 终止子及其结构：终止子及其结构：概概念：念： DNA上提供上提供转录转录停止信停止信号号的一段序列的一段序列称为终称为终止子止子(terminator)，是一是一个个基因

14、的末端或是一基因的末端或是一个个操操纵纵子的末端的一段特定序列。子的末端的一段特定序列。真核生物的转录真核生物的转录转录起始转录起始真核生物真核生物启动子的结构启动子的结构核心启动子核心启动子（core promoter）：）：指保证指保证RNA聚合酶聚合酶转录正常起始所必需的、最少的转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游TATA区。区。TATA 常在常在-25bp左右，相左右，相当当于原核的于原核的-10序列序列。作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始。作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始。上游启动子元件上

15、游启动子元件（upstream promoter element，UPE）：）：包括包括CAATCAAT盒（盒（CCAATCCAAT）和）和GCGC盒（盒（GGGCGGGGGCGG）等）等CAATCAAT盒：盒：-70 - -80bp-70 - -80bp； GCGC盒：盒：-80 - -110bp-80 - -110bp作用：控制转录起始频率作用：控制转录起始频率。真核细胞转录的起始步骤比较复杂，真核细胞转录的起始步骤比较复杂，聚合酶聚合酶 II催化转录的催化转录的m RNA基因的基因的启动子在启动子在-25b p中心处有中心处有-10b p盒盒和和-110b p盒等。盒等。转录起始点转录起

16、始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增强子增强子顺式作用元件顺式作用元件( (ciscis-acting element)-acting element)转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element) :可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列。序列。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors):能直接或间接辨认、结合顺式作用元

17、件并反式激活另一基因转录的蛋白质。能直接或间接辨认、结合顺式作用元件并反式激活另一基因转录的蛋白质。 转录因子转录因子（(transcriptional factors, TF) :引起基因的转录引起基因的转录反式作用因子中，直接或间接结合反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子。聚合酶的，则称为转录因子。转录起始前复合物转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC):(pre-initiation complex, PIC): 真核生物真核生物RNA-RNA-polpol不与不与DNADNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。分子直接结合，而

18、需依靠众多的转录因子。 转录延长转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。 RNA-pol前移前移处处处处都遇上核小体。都遇上核小体。 转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。 核小体核小体:是染色质的基本组成单位，为染色质的一级结构，是染色质的基本组成单位，为染色质的一级结构， 10nm。球状组蛋白核心球状组蛋白核心H4DNA双螺旋双螺旋(140-160bp、1.75圈）圈）H3H4H3H2AH2AH2BH2BH4H3H3H