15.转录与基因表达调控

1、十五章 转录与基因表达调控基因表达：遗传信息DNA通过RNA传递到蛋白质的过程。 转录transcription：DNA为模板合成RNA 为表达的第一步，包括： 1. DNA为模板指导RNA合成 2. RNA为模板进行DNA复制 （逆转录reverse transcription）第一节 转录 在DNA指导下由RNApol 催化下进行的 ,四种NTP为原料，合成RNA。特征： 不对称转录一.转录模板 （补充）结构基因（转录单位）： DNA中可转录出RNA的功能片段 转录不对称性： DNA双链中，转录单位中只有一条链作为模板（模板链），以其为模板合成RNA；另一条链无转录作用（编码链）； 在一段

2、DNA中存在的多个转录单位模板链不一定在同一条DNA单链上。 转录单位存在特殊的核苷酸序列（启动基因，启动子）为RNApol识别结合作用的部位；末端有终止部位。真核生物起始部位原核生物起始部位：2.参与转录的酶 ：RNA聚合酶 RNApol（1）原核生物的RNApol E.coli中RNApol为寡聚酶， 五个亚基组成 全酶：2 核心酶 因子为起始因子，辨认转录起始点 核心酶催化RNA链延长（53方向合成）（2）真核生物的RNApol种类 最活跃的酶 对鹅膏蕈碱 的反应45S-rRNA hnRNA 5S-rRNAtRNA、snRNA耐受极敏感中度敏感转录产物存在部位核仁核仁外核质线粒体中与原核

3、类似。 原核生物转录过程RNApol完成；真核生物需要一些蛋白质的参与。三.转录过程（起始、延长、终止）（1）起始 a. (E.coli)RNApol全酶结合到DNA启动子（Pribnow盒子）富含AT，易解开。（大约20左右碱基），形成转录起始小泡。 b.在RNApol催化下，以模板链为模板开始转录。 c. 第一个核苷酸往往是A或G（G多见）。与第二个核苷酸结合，形成三磷酸鸟苷核苷酸（GpppN） d.此时RNApol释放因子，以核心酶催化RNA链延长。（不需引物） 真核生物起始需蛋白质因子（转录因子）参与，DNA上启动序列（RNApol II）为TATA盒子等。真核生物转录起始模型（2）延

4、长：核心酶与DNA链结合松弛，有利于酶 沿3 5方向滑动，转录产物沿5 3方向延长。新合成的RNA链与DNA形成杂交，但不太牢固，易分开。DNA恢复双螺旋结构。（3）终止： 依赖rho因子，不依赖Rho因子终止两种形式。四、原核生物的转录后加工 mRNA很少加工rRNA剪切、修饰（RNA酶催化）将初级产物剪成16S、23S、5S三个片段；tRNA切除多余的核苷酸序列（RNA酶P），碱基修饰五.真核生物的转录后加工 真核生物基因为断裂基因，含有内含子（非编码区）和外显子（编码区）。 真核细胞转录产物需加工。（1）mRNA生成（ hnRNA加工生成）加帽：开始合成mRNA时，第一个核苷酸（G）保留

5、三磷酸。加帽时去掉一个磷酸基团，加入GMP 5-5，其GN7甲基化mGpppG（甲基化三磷酸双鸟苷） 加尾：mRNA3端加polyA尾 转录初产物比成熟mRNA多约20个核苷酸，经特异酶去除，聚合酶作用下，加polyA，长度为100200A。 加帽，加尾在核内进行。 剪接splicing： 通过转酯反应过程完成内含子剪除及外显子连接。tRNA加工： 1、剪切 -分别切除5端和3端一定的核苷酸序 列以及反密码环上的内含子。 2、3端加上-CCA-OH，此为携带活化AA的部位。 3、修饰- 甲基化 A mA 、 G mG 还原反应： U DHU、 核苷内的转位反应 U 脱氨：A I 剪切 1(a)

6、剪接1(b)2添加碱基修饰(d)碱基修饰的方式：（2）还原反应 如：U DHU （3）核苷内的转位反应 如：U （4）脱氨反应 如：A Im 如：A A（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）（5）加上CCA-OH的3末端rRNA加工六、RNA复制 某些生物以RNA携带遗传信息，并能通过RNA复制而合成与其自身相同RNA分子 （脊髓灰质炎病毒） 侵入宿主后，以病毒RNA为模板，NTP为底物，进行病毒RNA复制（酶为RNA指导的RNA聚合酶） RNA（正链）：基因组，mRNA两种作用 RNA（正链）为模板合成互补RNA（负链）；又以负链为模板合成 基因组RNA（正链） 正链RNA作为mRNA指

7、导病毒蛋白质合成。 第二节 基因转录的调节补充：基本概念（一）基因gene：负载特定遗传信息的DNA片段 位于染色体上的遗传基本单位或单元，含有编码一种RNA（大多数为多肽）的信息单位；结构：DNA编码序列、非编码调节序列和内含子组成的DNA区域(二)基因组（genome）： 来自一个生物体的一整套基因原核细胞(细菌/噬菌体) 其为单个环状染色体所含全部基因； 真核生物 染色体基因组：一个生物体染色体所包含的全部DNA(来自两个亲本的配体)； 核外遗传物质（线粒DNA）(由一个亲本的胞质提供(卵细胞)。 （三）基因表达 gene expression：1.基因表达： 基因转录及翻译的过程，即生

8、成具有生物学功能产物的过程 一定的调控机制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译，产生具有特定生物学功能的Pr分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。 rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程亦属基因表达。2.基因组数量 不同生物的基因组含有不同数量的基因。 细菌的基因组约4千个基因；多细胞生物基因达数万个，人类基因组含3万4万个基因。 在某一特定时期，基因组中只有一部分基因处于表达状态 大肠杆菌通常约5%的基因处于高水平转录活性状态，生成很少RNA和蛋白质； 基因表达水平随时间、环境而变化（修复基因）（四）基因表达的规律性1.时间特异性 temporal specificity （低

9、等生物）按功能需要，某一特定基因的表达严格按一定时间顺序发生 基因表达的时间特异性； 多细胞生物成熟过程中的各个不同发育阶段,相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭.表现为与分化发育一致的时间性 阶段特异性。 早期发育阶段的基因表达是较多的。2.空间特异性spatial specificity 多细胞生物的个体在某一生长发育阶段，同一基因在不同组织器官表达不同； 在个体生长、发育全过程，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体不同的空间出现。 基因表达伴随时间或阶段顺序所表达出的这种空间分布差异，由细胞在器官的分布决定， 又称细胞特异性（cell specificity） 或组织特异性（

10、tissue specificity）。（五）基因表达的方式 1.基本表达(组成性表达) 管家基因（housekeeping gene）： 有些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达。 如：编码三羧酸循环的酶的基因 基本（或组成性）基因表达： constitutive gene expression 管家基因在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。 特点：此类基因表达只受启动序列或启动子与RNApol相互作用的影响。(较少受环境影响）2.诱导和阻遏表达 此类基因表达极易受环境变化的影响。随外环境信号变化，其表达水平改变

11、的现象。诱导（induction）： 某信号刺激下，可诱导基因在特定环境中表达增强的过程。阻遏（repression）： 可阻遏基因表达产物水平降低的过程（对环境信号应答表现为抑制） 诱导与阻遏是同一事物的两种表现形式，在生物界普遍存在，为生物体适应环境基本途径。 3.协调表达coordinate expression： 生物体内，在一定机制控制下，功能相关的一组基因，无论其为何种表达方式，需协调一致、共同表达。 （六）原核基因转录调节特点 多级调控，主要发生在转录起始 1.因子决定RNA pol识别特异性 细胞仅含一种RNApol，核心酶参与转录延长，全酶司转录起始。 不同因子决定特异基因的

12、转录激活，决定mRNA、tRNA、rRNA基因的转录2.操纵子模型的普遍性绝大多数基因以操纵子形式存在3.原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节 阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。 原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与基因的开、关调节机制。（七）真核基因组结构特点1.真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组DNA由约3109bp核苷酸组成。 人基因组: HGP:人基因组约含34万基因 1%序列编码蛋白质 ;510%重复基因(如编码tRNA); 8090%的基因组无编码功能 (内含子/调控序列/重复序列等) 与组蛋白结合形成复杂的染色体结构，调控机制复杂. 2.单顺反子mon

13、ocistron 一条编码基因转录生成一个mRNA，翻译生成一条多肽链。 真核Pr多由几条不同的多肽链组成，存在多个基因协调表达的问题。3. 含有大量的重复序列 真核生物普遍存在重复顺序。 其长短不一，(10个核苷酸以下数百乃至上千);重复频率不尽相同： 高度重复顺序（106次）； 中度重复顺序（103104次）； 单拷贝序列。 重复序列有种属特异性，基因组愈大、重复序列含量愈丰富。 与生物进化有关。某些重复序列发生在调控区， 则可能对DNA复制、转录调控具有重要意义。 4. 基因具不连续性 真核基因两侧存在不被转录的非编码序列 基因表达的调控区 编码序列内部间隔序列（不转录蛋白质） 内含子i

14、ntron 编码序列外显子exon （八）真核基因表达调控(复杂)1. RNA聚合酶： RNA Pol I、II、III，分别负责三种RNA转录; 由大约10个亚基组成,有共有亚基/特有亚基。 共有亚基：如TATA盒结合蛋白（TBP） 转录起始为表达调控的最基本环节,某些机制 与原核的相似.区别在于以下方面2.处于转录激活状态的染色体结构变化 基因激活后，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质的变化活性染色体 （1）对核酸酶敏感； （2）DNA拓扑结构变化(正超螺旋) 促进组蛋白H2A、H2B释放，使RNApol有可能向前移动，进行转录； （3）DNA碱基（C）修饰(甲基化). 甲基化范围与

15、基因表达程度呈反比关系,处于转录活化状态的基因CpG序列是低甲基化的,不表达或处于低表达水平的基因CpG序列则高度甲基化；（4）组蛋白变化: 水平改变,修饰,降低核小体对DNA亲和力,易于基因转录。 3.正性调节占主导 真核RNApol对启动子亲和力小，依赖多种激活蛋白的作用。负性调节元件并不普遍存在。较大真核基因组广泛存在正性调节机制原因：（1）采用正性调节机制更有效、更精确； 提高调节蛋白DNA相互作用的特异性 （2）采用负性调节不经济。4. 转录与翻译分隔进行 转录在胞核；翻译在胞浆。5. 转录后修饰、加工 转录后剪接、修饰较原核复杂第二节 基因转录的调节 转录水平的基因表达调控是调控环

16、节中最重要的。一、原核生物转录水平调节 操纵子学说操纵子operon：原核基因组中由几个功能相关的结构基因及其调控区组成一个基因表达的协同单位。结构： 结构基因：编码几个功能相关的酶 调控区：启动子：RNA聚合酶结合部位 操纵区：阻遏物结合部位，调控开关 上游存在编码阻遏物的 I 基因等操纵子有两类： 诱导操纵子：因环境中出现某种物质（底物）而活化； 阻遏操纵子：产物大量出现而关闭。（1）乳糖操纵子（Lac operon） 可诱导调控模式结构 结构基因： Z、Y、A分别编码三种分解利用乳糖（半乳糖）的酶 调控区 启动子P：结合RNApol的部位 操纵序列O：结合阻遏物 I 基因：编码阻遏物 C

17、AP（分解代谢基因活化蛋白）结合区： 结合cAMPCAP，对操纵子正调控ICAP结合位点POZYA（1）无乳糖存在时，Lac操纵子处于阻遏状态。 I 序列表达lac阻遏蛋白（在 Pi 操纵下）与O序列结合，阻碍RNApol与P序列结合，抑制转录启动。 （偶有解聚）（2）乳糖(半乳糖)存在时，lac操纵子即可被诱导。 诱导剂分子(半乳糖）与阻遏蛋白结合，使其变构，导致阻遏蛋白与O序列解离，发生转录，使半乳糖苷酶分子增加1000倍。同时cAMP-CAP进位，RNApol进入启动子部位，开启转录。 乳糖与葡萄糖同时存在，细菌先利用葡萄糖，后利用乳糖。通过cAMPCAP逆转阻遏，启动lac opero

18、n。2. 色氨酸操纵子Trp operon （阻遏型模式） 五个结构基因EDCBA编码合成Trp的酶 衰减子结构 无Trp时，操纵子开放，合成酶系 ；Trp存在，与辅阻遏蛋白结合?，封闭操纵区转录不再进行 Trp高时，与转录偶联进行的翻译过程导致序列3、4形成不依赖因子的终止结构衰减子。使前方的RNApol脱落,转录终止； 当缺乏trp时，无trp-tRNA供给，核糖体翻译停止在序列1中的2个trp密码子前，序列2与3形成发夹，阻止序列3,4形成衰减子结构，RNA转录继续进行。二.真核细胞基因转录的调节复杂。在多个水平（基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工）进行调控。 RNApol与D

19、NA序列结合，不是直接作用，需要多种因子的参与（直接或间接）调控转录。（一）顺式作用元件： 1.启动子： RNApol结合位点周围的一组转录控制组件典型启动子：TATA盒（-30-25bp）GC盒 CAAT盒组成2.增强子enhancer 远离转录起始点（1-30kb），*决定基因的时间空间特异表达、增强启动子转录活性的DNA序列 没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动子时，增强子无法发挥作用。3.沉默子 silencer 负性调节元件 其结合特异蛋白因子，对基因转录起阻遏作用 增强子序列沉默子序列沉默子（二） 反式作用因子(转录调控的蛋白因子) 大部分TF因子以反式作用调节基因转录

20、 （少数为顺式作用因子）1.转录调节因子分类 转录因子：transcription factor TF 按功能特性分： （1）基本转录因子 general transcription factor RNApol结合启动子所必需的一组蛋白因子， 决定三种RNA转录的类别。 有人视其为RNApol的亚基。 通用：TFIID； 大多数为不同RNApol 特有的（2）特异转录因子 special transcription factors 为个别基因转录因子所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。作用：转录激活作用转录激活因子 通常是一些增强子结合蛋白 enhancer binding protein 转录抑制作用转录抑制因子 沉默子结合蛋白,或是通过Pr-Pr相互作用,“中和”转录激活因子,降低其作用. 不同的组织或细胞中各种特异转录因子分布不同，所以基因表达状态、方式不同。2. 转录调节因子结构 DNA结合域;转录激活域; 有的还存在pr-pr作用结构域(二聚化结构域) （1）DNA结合域 DNA binding domain： 由60-100个AA残基组成 锌指（zinc finger） （结合GC盒