第七章 RNA的转录

1、本章将介绍生物信息本章将介绍生物信息传递的上半部分，即转录传递的上半部分，即转录从从DNA到到RNA。第七章第七章 RNA的转录的转录本本 章章 目目 录录1. RNA转录概述转录概述2. 启动子的结构与功能启动子的结构与功能3. 细菌的细菌的RNA聚合酶聚合酶4. 真核生物的真核生物的RNA聚合酶及其转录聚合酶及其转录5. 真核生物基因转录的启动子真核生物基因转录的启动子6. 类型类型基因转录的转录因子基因转录的转录因子7. 类型类型基因转录起始复合物的装配基因转录起始复合物的装配8. 类型类型和和基因转录的转录因子基因转录的转录因子9. RNA转录的抑制转录的抑制vDNA序列是遗序列是遗传

2、信息的贮存传信息的贮存者，它通过自者，它通过自主复制得到永主复制得到永存，并通过转存，并通过转录生成信使录生成信使RNA、翻译生、翻译生成蛋白质的过成蛋白质的过程来控制生命程来控制生命现象。现象。v基因表达包括转录基因表达包括转录(transcription)(transcription)和翻译和翻译(translation)(translation)两个阶段。两个阶段。v转录是指拷贝出一条与转录是指拷贝出一条与DNA链序列完全相同链序列完全相同(U替替换换T)的的RNA单链的过程，是基因表达的核心步骤。单链的过程，是基因表达的核心步骤。7.1 RNA转录概述转录概述v1. 转录具有选择性。不

3、是所有基因同时表达，与发转录具有选择性。不是所有基因同时表达，与发育相关。育相关。v2. 转录起始于模板的特定起点。转录起始于模板的特定起点。v3. 催化转录反应的酶是一类依赖于催化转录反应的酶是一类依赖于DNA的的RNA聚合聚合酶。酶。v4. 被转录的被转录的DNA双链中只有其中的一条链作为双链中只有其中的一条链作为RNA合成的模板。合成的模板。v5. 转录起始由转录起始由DNA分子上的启动子控制。分子上的启动子控制。v6. 合成合成RNA的底物是的底物是4种核糖核酸三磷酸。种核糖核酸三磷酸。v7. 新合成的新合成的RNA链总是以链总是以5到到3方向延伸。方向延伸。7.1.1 RNA转录的一

4、般特点转录的一般特点v与与mRNA序列相同的那条序列相同的那条DNA链称为链称为编码链编码链(coding strand)或称有意义链或称有意义链(sense strand)。v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mRNA合成的合成的 DNA链称为链称为模板链模板链(template strand)或称反或称反义链义链(antisense strand)。7.1.1 RNA转录的一般特点转录的一般特点5 5G C A G G C A G T T A C A A C A T T G G T T C C3 33 3c g t c a t g t a c a gc g t c a t

5、 g t a c a g5 5DNADNA5 5G C A G G C A G U U A C A A C A U U G G U U C C3 3mRNAmRNAN N Ala Val His Val Ala Val His Val C C多肽链多肽链转录转录翻译翻译非模板链非模板链/ /正链正链/ /有义链有义链/ /编码链编码链模板链模板链/ /负链负链/ /反义链反义链不对称转录不对称转录: :模板链并非永远在同一单链上模板链并非永远在同一单链上3553注意：RNA的合成方向都是5 3v生物体内共有生物体内共有3种种RNA：v1、信使、信使RNA(messenger RNA，mRNA)

6、编码特定蛋白质序列编码特定蛋白质序列-模板模板；v2、转移、转移RNA(transfer RNA，tRNA)特异特异性解读性解读mRNA中的遗传信息、将其转化成相中的遗传信息、将其转化成相应氨基酸并将其加入多肽链中应氨基酸并将其加入多肽链中-搬运工具搬运工具；v3、核糖体、核糖体RNA(ribosomal RNA，rRNA)直直接参与核糖体中蛋白质合成接参与核糖体中蛋白质合成-场所场所。 v转录和翻译的速度基本相等，转录和翻译的速度基本相等，37时，转录时，转录生成生成mRNA的速度每秒钟合成的速度每秒钟合成14个密码子，个密码子，而蛋白质合成的速度大约是每秒钟而蛋白质合成的速度大约是每秒钟1

7、5个氨基个氨基酸。酸。单链病毒单链病毒DNA转录转录病毒病毒DNA单链单链互补链（模板链）互补链（模板链）病毒病毒RNA单链单链复制复制复制复制53v单链单链RNA病毒转录病毒转录正链正链RNA病毒病毒负链负链RNA病毒病毒5533翻译翻译35翻译翻译复制复制7.1.2 原核生物和真核生物基因转录的差异原核生物和真核生物基因转录的差异原核生物只有一种原核生物只有一种RNA聚合酶，真核生聚合酶，真核生物有三种；物有三种；转录产物差异很大。原核生物初始转录产转录产物差异很大。原核生物初始转录产物大多数是有编码功能的序列，真核生物物大多数是有编码功能的序列，真核生物的初始转录产物有内含子序列；的初始

8、转录产物有内含子序列；真核生物初始转录产物历经剪接、修饰等真核生物初始转录产物历经剪接、修饰等转录后加工过程，原核生物很少加工；转录后加工过程，原核生物很少加工；原核生物转录产物原核生物转录产物 mRNA为多顺反子，为多顺反子，真核生物单顺反子。真核生物单顺反子。v启动子是启动子是RNA聚合酶识别、结合和启动转录的一段聚合酶识别、结合和启动转录的一段DNA序列，序列，它含有它含有RNARNA聚合酶特异结合和转录起始聚合酶特异结合和转录起始所需的保守序列，但启动子本身不被转录。所需的保守序列，但启动子本身不被转录。v核心启动子核心启动子(core promoter):RNA(core promo

9、ter):RNA聚合酶直接识别聚合酶直接识别并结合的启动子。并结合的启动子。v上游启动子元件上游启动子元件(upstream (upstream promoter element,UPEpromoter element,UPE): ): 位于核心启动子上游位于核心启动子上游, ,是是RNARNA聚合酶与核心启动子结合时辅助聚合酶与核心启动子结合时辅助因子结合的位点因子结合的位点（强启动子必需）。v核心启动子与启动子上游部位共同构成原核基因启核心启动子与启动子上游部位共同构成原核基因启动子。动子。7.2 原核生物启动子的结构与功能原核生物启动子的结构与功能v启动子区是启动子区是RNA聚合酶的结合

10、区，其结构直接关系聚合酶的结合区，其结构直接关系到转录的效率。那么，启动子区有什么结构特点呢到转录的效率。那么，启动子区有什么结构特点呢?vPribnow Pribnow 设计了一个实验设计了一个实验，他把，他把RNA聚合酶全酶与聚合酶全酶与模板模板DNA结合后，用结合后，用DNaseI水解水解DNA，然后用酚，然后用酚抽提，沉淀纯化抽提，沉淀纯化DNA后得到一个被后得到一个被RNA聚合酶保护聚合酶保护的的DNA片段，约有片段，约有4144个核苷酸对。个核苷酸对。研究原核生物启动子结构的方法研究原核生物启动子结构的方法- Pribnow - Pribnow 实验实验v他分离了他分离了fd噬菌体

11、等被酶保护的区域，并进噬菌体等被酶保护的区域，并进行了序列分析，以后又有人做了行了序列分析，以后又有人做了50多个启动多个启动子的序列分析后发现，在被保护区内有一个子的序列分析后发现，在被保护区内有一个由由5个核苷酸组成的共同序列个核苷酸组成的共同序列TATAA，是，是RNA聚合酶的紧密结合点，现在称为聚合酶的紧密结合点，现在称为Pribnow区区(Pribnow box)，这个区的中央大，这个区的中央大约位于起点上游约位于起点上游10bp处，所以又称为处，所以又称为10区。区。v科学家不久后又从噬菌体的左、右启动子科学家不久后又从噬菌体的左、右启动子PL及及PR和和SV40启动子的启动子的3

12、5bp附近找到了另一段共同序附近找到了另一段共同序列列:TTGACA。v经过数年的努力，分析了经过数年的努力，分析了46个大肠杆菌启动子的序个大肠杆菌启动子的序列以后，确证绝大部分启动子都存在这两段共同序列以后，确证绝大部分启动子都存在这两段共同序列，即位于列，即位于10bp处的处的TATA区和区和35bp处的处的TTGACA区。区。v-10位的位的TATA区和区和-35位的位的TGACA区是区是RNA聚合酶聚合酶与启动子的结合位点，能与与启动子的结合位点，能与因子相互识别而具有因子相互识别而具有很高的亲和力。很高的亲和力。 -35-35和和-10-10都是大致位点都是大致位点编码链AACTG

13、TATATTA模板链TTGACATATAAT35DNA转录起始点Pribnow盒子启动子35 10 +1转录区53RNA转录起点与新生RNA链第一个核甘酸相对应DNA链上的碱基（通常为嘌呤）。 7.2.1 启动子的结构启动子的结构 细菌启动子结构有以下特征： 转录起始点、-10序列（定义）、-35序列， -10序列与-35序列之间较严格的距离。 大量研究证实，-10区与-35区之间间距为17bp时转录效率最高，大约相隔2个螺距。TTGACATATAAT-35框-10框+1 转录起始点53357.2.2 启动子的功能启动子的功能 1. -35区能够增强启动子与聚合酶因子识别作用； 2. -10区

14、对DNA解旋十分重要，决定着转录方向； 3. 起始位点附近的序列（约30个碱基）影响转录起始效率。TTGACATATAAT-35框-10框+1 转录起始点5335-60-40增强子上游元件2022-6-26生科院生科院28v对于启动子研究发现，绝大多数突变能造成转录功能明显下降，或完全抑制，这类突变称为启动子的下降突变下降突变。下降突变会减少共同序列的相似性，或使两个共同序列间距远离17bp。v能使启动子转录水平提高的突变称为上升突变上升突变。上升突变一般都趋向于与启动子共同序列更接近，或使两个共同序列间距接近17bp。7.3 细菌的细菌的RNA聚合酶聚合酶v7.3.1 RNA聚合酶概述聚合酶

15、概述v20世纪60年代初期在微生物和动植物细胞中分离获得；v60年代末分离纯化了它的亚基，并建立了离体反应系统。7.3.2 大肠杆菌的大肠杆菌的RNA聚合酶聚合酶2022-6-26生科院生科院31核心酶核心酶全酶全酶7.3.3 T7 RNA聚合酶（略）聚合酶（略）7.3.4 因子的结构与功能因子的结构与功能功能：功能：识别启动子功能识别启动子功能7.3.5 核心聚合酶的结构与功能核心聚合酶的结构与功能核心酶：保证新生核心酶：保证新生RNA链延伸。链延伸。7.4 真核生物的真核生物的RNA聚合酶及其转录聚合酶及其转录 7.4.1 真核生物基因转录的特点真核生物基因转录的特点 真核基因转录比原核基

16、因转录复杂，涉及更多的酶和蛋白因子。 1. 真核生物基因转录的特点真核生物基因转录的特点 1）转录单元为单顺反子；）转录单元为单顺反子； 2）真核生物的）真核生物的 RNApol （3类）高度分工；类）高度分工； 3）真核生物）真核生物RNA转录除转录除RNApol外，需要多种蛋白因子参外，需要多种蛋白因子参与（转录因子）；与（转录因子）； 4）真核基因调控转录的顺式元件比原核基因复杂；）真核基因调控转录的顺式元件比原核基因复杂； 5）真核基因转录水平的调控以正调控为主。）真核基因转录水平的调控以正调控为主。7.4.2 真核基因转录的实验系统真核基因转录的实验系统 利用特殊的实验系统，检测真核

17、基因的转录活性和确定启动子功能区域，从而发现与启动子结合的蛋白质因子等，常见的实验系统如下： 1）爪蟾卵母细胞系统）爪蟾卵母细胞系统； 2）转基因系统； 3）转染系统；）转染系统； 4）体外实验系统。7.4.3 研究真核基因转录起点的技术研究真核基因转录起点的技术 1）测定转录起始位点：杂交分析，引物延伸，S1核酸酶图谱技术； 2）测定相对的转录速度。）测定相对的转录速度。7.4.4 真核生物基因转录的真核生物基因转录的RNA聚合酶聚合酶 1. 真核生物真核生物RNA聚合酶的分类概述聚合酶的分类概述 2. 真核生物RNA聚合酶的亚基组分 3类RNApol都是由1417个亚基组成的多亚基蛋白复合

18、体，一般特点为：1）结构复杂，比原核复杂的多；2）结构有相似性；3）有几种共同亚基。 根据结构与功能，真核细胞的RNApol亚基分为核心亚基、共同亚基和非必需亚基。 核心亚基：在结构与功能上与原核RNApol核心酶相关的亚基一样都是酶活性所必需的。 共同亚基：存在于三类真核RNApol中，主要参与底物NTP定位、在模板上连续滑动而不脱落、维持反应进行。 非必需亚基：尚未发现具体功能。 7.5 真核基因转录的启动子真核基因转录的启动子 真核生物细胞核基因有3大类，分别由3类不同的RNApol转录，不同的基因启动子差异显著。基因转录调控区包括启动子区和各种调控元件。调控元件包括增强子、沉默子和上游

19、控制元件等顺式作用元件，是调控因子识别与结合的部位。 1. 类型基因启动子 类型基因启动子是RNApol的启动子，主要控制rRNA前体基因转录。 2. 类型基因启动子 类型基因启动子是RNApol的启动子，主要启动编码蛋白质等基因的表达，由核心启动子和上游启动子元件构成。 3. 类型类型基因启动子基因启动子 类型基因的启动子是RNApol 所识别的，转录基因包括tRNA基因、5S rRNA基因等。根据类型基因启动子所处的位置，可以分为2种：基因内启动子和转录起点上游启动子。 基因内启动子：研究非洲爪蟾5S rRNA基因启动子序列时发现的，已发现5S rRNA、tRNA启动子都位于基因内部。 转

20、录起点上游启动子：调控元件位于5侧翼区，有3种元件：1）TATA框；2）近端序列元件；3）远端序列元件。 启动子区的基本结构启动子区的基本结构2022-6-26生科院生科院39核心启动子（核心启动子（core promotercore promoter）上游启动子元件（上游启动子元件（upstream promoter upstream promoter elementelement，UPEUPE）v 作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始TATA 常在-25bp左右，相当于原核的-10序列T T8585A A9797T T9393A A8585A A6363A A8383A A5050v

21、 作用：控制转录起始频率。CAAT：-70 - -80bpGGGCGG：-80 - -110bp 7.6 类型类型基因转录的转录因子基因转录的转录因子 真核生物真核生物RNApol不能单独结合于启动子上，需要依赖转录不能单独结合于启动子上，需要依赖转录因子协助。因子协助。 转录因子（转录因子（TF)：真核生物：真核生物RNApol在转录过程中所需要的在转录过程中所需要的各种蛋白质因子。各种蛋白质因子。 转录因子分为转录因子分为2大类：大类：1）通用转录因子）通用转录因子(GTF)；2）基因特）基因特异性转录因子（异性转录因子（GSTF）。）。 7.7 类型类型基因转录起始复合物的装配基因转录起

22、始复合物的装配7.8 类型类型和和的转录因子的转录因子1. 类型类型基因的转录因子基因的转录因子 类型类型基因启动子主要负责基因启动子主要负责rRNA前体基因的转录。除了前体基因的转录。除了RNApol 外，还包括外，还包括2类转录因子：类转录因子： 1）核心结合因子；）核心结合因子； 2）UPF结合因子结合因子(上游结合因子上游结合因子)。2. RNApol转录起始复合物（省略）转录起始复合物（省略） 3. 类型类型基因的转录因子基因的转录因子 目前发现目前发现3类类型类类型基因转录因子：基因转录因子：TF A、 TF B、 TF C。 TF A是是5S rRNA基因转录的必需因子；基因转录

23、的必需因子； TF B和和TF C不仅参与不仅参与5S rRNA基因转录，还参与基因转录，还参与RNApol的所有转录。的所有转录。 4. RNApol转录起始复合物的装配（省略）转录起始复合物的装配（省略）增强子及其功能增强子及其功能2022-6-26生科院生科院50 增强子及其功能增强子及其功能2022-6-26生科院生科院512022-6-26生科院生科院527.9 RNA转录的抑制转录的抑制 根据作用性质不同，RNA转录抑制剂分为3类： 1 1）碱基类似物，作为核苷酸代谢拮抗物抑制核酸前体合成）碱基类似物，作为核苷酸代谢拮抗物抑制核酸前体合成 嘌呤和嘧啶类似物，可以作为核苷酸代谢拮抗物抑制核酸 合成有关的酶类，或通过掺入核酸分子形成异常DNA或RNA，影响核酸功能并导致突变。 2 2）通过与）通过与DNADNA结合而改变模板功能结合而改变模