微生物学转录与基因表达调控

微生物学转录与基因表达调控第1页，课件共60页，创作于2023年2月

RNA的生物合成包括两个方面：一是指以DNA为模板合成的RNA，称为转录(transcripion)；另一方面是指在某些RNA病毒和高等动物的特定组织中，以RNA为模板进行的RNA的自我复制。以DNA为模板，按碱基互补配对的方式合成RNA的过程叫转录。体内的RNA，包括mRNA、tRNA、rRNA和SnRNA，均是以DNA为模板，在RNA聚合酶催化下合成的。第2页，课件共60页，创作于2023年2月

转录复制

相同都以DNA为模板,合成方向都是5′→3′

之核苷酸之间都以磷酸二酯键相连处合成反应都需要依赖DNA的聚合酶

模板

DNA的一条链(模板链)DNA的两条链不原料

NTPdNTP

同配对

A-U,T-A,G-CA-T,G-C

之聚合酶

RNA聚合酶DNA聚合酶处产物

mRNA,tRNA,rRNA等子代DNA双链

引物不需要需要第3页，课件共60页，创作于2023年2月第一节DNA指导的RNA的合成一、转录的模板

转录以DNA为模板，但不是两条DNA都能作模板。能转录出mRNA，然后指引蛋白质合成的DNA，称为结构基因。其余DNA，可能转录成rRNA或tRNA，也可能是作为基因的调节部位。

DNA的两条链中，只有一条可作为转录的模板，能作模板的一条称为模板链(templatestrand)，又称为负链；相对的一条称为编码链(codingstrand)或正链，所以除了以U代替T外，编码链同转录出的RNA的序列是一致的。

第4页，课件共60页，创作于2023年2月

编码链5′…GCATGGAATC…3′模板链3′…CGTACCTTAG…5′

转录

mRNA5′…GCAUGGAAUC…3′第5页，课件共60页，创作于2023年2月

模板链并不固定为DNA中的某一条。当模板链位于同一DNA双链的不同单链时，转录方向就相反，因为转录的方向总是5′→3′。

所以转录又称为不对称转录。第6页，课件共60页，创作于2023年2月二、RNA聚合酶

RNA聚合酶的全称是依赖DNA的RNA聚合酶(DNA-directedRNApolymerase)，在有Mg2+、4种核苷三磷酸(dNTP)和DNA模板存在时，它能从新催化核苷酸聚合成与模板DNA互补的RNA长链。

第7页，课件共60页，创作于2023年2月说明：

1.转录过程与DNA的复制相似，是前一个核苷酸核糖的3′-OH同核苷三磷酸的α-P发生亲核反应，脱下PPi，生成3′5′-磷酸二酯键；

2.转录出的第一个核苷酸通常是ATP或GTP，而且PPi会一直保留至转录完成后；

3.虽然RNA聚合酶可以从头合成RNA，无需引物，但是是从DNA上称为启动子的特定部位开始的；

4.转录部位的模板DNA是解螺旋的，长度有11个核苷酸，转录出的RNA和DNA模板形成一段8个核苷酸长度的RNA-DNA杂和体；第8页，课件共60页，创作于2023年2月第9页，课件共60页，创作于2023年2月

⒈原核生物的RNA聚合酶

大肠杆菌RNA聚合酶是由核心酶(coreenzyme)和σ因子组成的全酶，核心酶又是由5个亚基组成的α2ββ′ω蛋白质。第10页，课件共60页，创作于2023年2月E.coliRNA聚合酶的结构示意图第11页，课件共60页，创作于2023年2月

亚基功能α酶的组装、启动子的识别、结合活性因子β与底物结合及磷酸二酯键的形成β′与模板结合σ决定起始位点的专一性E.coliRNA聚合酶各亚基的功能第12页，课件共60页，创作于2023年2月

⒉真核生物的RNA聚合酶

种类分布合成的RNA类型A(对α-鹅膏蕈碱不敏感)核仁rRNA(5.8S、18S、28S)B(对低浓度α-鹅膏蕈碱敏感)核质hnRNA(mRNA的前体)和SnRNAC(对高浓度α-鹅膏蕈碱敏感)核质tRNA和5SrRNA真核生物RNA聚合酶的种类和性质第13页，课件共60页，创作于2023年2月三、酶与模板的辨认结合

原核生物的RNA聚合酶靠σ亚基的识别作用及其他亚基的相互配合，以全酶的形式结合到DNA的启动区上。

RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列称为启动子(Promoters)。分析若干原核生物启动区的核苷酸序列后，发现在两个部位，即-10bp区和-35bp区有保守性。

第14页，课件共60页，创作于2023年2月E.coli的几个启动子的序列第15页，课件共60页，创作于2023年2月

即在-35区，有保守序列5′-TTGACA-3′,它提供了RNA聚合酶的识别信号，所以与起始的辨认有关。-10区有保守序列5′-TATAAT-3′,又称为Pribnowbox，它与DNA双链的解开有关。保守序列的结构是不对称的，它决定了转录的方向，所以转录也是不对称的。除了-10区和-35区外，在更上游的区域还有被称为UPelement的强启动子，位于-40和-60之间，是RNA聚合酶的α-亚基识别的。在-60和-150之间，还有一个Fissite的区域，是转录起始因子Fis的结合位点，又称为增强子。第16页，课件共60页，创作于2023年2月

真核生物结构基因的启动子也有三个保守区，分别是：⑴-25bp~-30bp的7bp序列，称为TATA框，或Hogness框，此序列几乎全含A-T对，所以与DNA双链的解开和转录的起始位点有关，如果失去该框，转录可以从多个位点上开始；⑵-75bp的9bp的不变序列GGT/CCAATCT，称为CAAT框，它与RNA聚合酶的结合有关；⑶更上游的GGGCGG序列，又称为GC框，它是某些转录因子的结合位点。第17页，课件共60页，创作于2023年2月四、转录的起始(原核生物中)

转录过程从RNA聚合酶辨认启动子、结合DNA模板开始。⒈RNA聚合酶以全酶的形式辨认DNA上的启动子，并结合在启动子的-35区域上。第18页，课件共60页，创作于2023年2月

⒉在解链酶和拓扑异构酶等的帮助下，DNA双链在-10区解开，形成转录空泡；第19页，课件共60页，创作于2023年2月⒊在转录的起始位点上，两个核苷三磷酸靠与模板相配对而直接被RNA聚合酶催化形成磷酸二酯键，第一个核苷三磷酸总是GTP或ATP，它们与第二个核苷三磷酸形成磷酸二酯键，但仍然保持三磷酸的状态（pppA或pppG），作为RNA5′端的起始，形成〔RNA聚合酶全酶-DNA-pppPupN′-OH〕这一转录起始复合物。⒋σ亚基从转录起始复合物上脱下来，核心酶则继续结合于DNA分子上并沿DNA链向前移动。第20页，课件共60页，创作于2023年2月

五、转录的延长

σ-亚基脱落后，全酶的构象发生改变，与模板的结合变得更疏松，有利于RNA聚合酶在DNA上向前移动。在移动过程中：①RNA聚合酶覆盖着解开的DNA双链和DNA-RNA杂化双链的一部分，形成〔聚合酶核心酶-DNA-RNA]复合物；第21页，课件共60页，创作于2023年2月

②RNA大部分伸出在转录空泡之外，仅保留较短的新合成的RNA链与模板链互补结合，一旦聚合酶经过之后，DNA又重新复合成双螺旋。

第22页，课件共60页，创作于2023年2月

同一DNA分子上，可以有若干个RNA聚合酶同时转录，生成相应的RNA链。第23页，课件共60页，创作于2023年2月

六、转录的终止

转录的终止是指RNA聚合酶在模板的某一位置(终止子)停顿，RNA链从转录复合物上脱落下来的过程。终止的方式有两种：

⒈依赖ρ因子的终止方式：

这种方式的DNA模板上，在靠近终止位点处有一段回文序列，转录的RNA可以形成发夹结构。ρ因子附着在新生的RNA链上，向RNA聚合酶移动。当RNA聚合酶在终止位点做短暂停留时，ρ因子就追上聚合酶，ATP的水解酶活性变成解链酶活性，使RNA-DNA杂化短链变性，转录产物从转录复合物中释放出来。

第24页，课件共60页，创作于2023年2月依赖ρ因子的转录终止方式第25页，课件共60页，创作于2023年2月

⒉不依赖ρ因子的终止方式：在DNA模板链上，有如下的结构协助转录的终止：①靠近终止位点处有富含A-T或G-C的特殊序列；②有回文结构；③在模板链的终止位点末端有若干连续的AAAAA；转录出的RNA产物在终止子区域能形成径环结构，且3′端有连续的UUUUUU…。RNA形成径环结构，可以改变RNA聚合酶的构象，导致酶不再往下游移动，转录停顿，还可以使本来不稳定的DNA-RNA杂化结构更不稳定；并且由于rU:dA是所有碱基配对中最不稳定的，所以寡聚U则可以促使RNA新链从模板上脱下来。第26页，课件共60页，创作于2023年2月第27页，课件共60页，创作于2023年2月

第28页，课件共60页，创作于2023年2月足迹法可以确定与特定蛋白质结合的DNA的位点和序列。第29页，课件共60页，创作于2023年2月第30页，课件共60页，创作于2023年2月

RNA聚合酶在启动子上的结合第31页，课件共60页，创作于2023年2月

六、转录后的加工

转录生成的RNA称为初级转录产物(primarytranscript)，在原核生物和真核生物中都要经过一定程度的加工、修饰，才能成为成熟的RNA，表现其功能，这个过程称为RNA的成熟，或称为转录后加工(Processing)。

㈠原核生物和真核生物中tRNA的加工

第32页，课件共60页，创作于2023年2月

tRNA的加工包括：⑴

RNaseP切出成熟的5′端；⑵RNaseF从3′切断前体分子，再由外切酶RNaseD切出成熟的3′端。⑶在核苷酰转移酶催化下，由CTP和ATP提供胞苷酸和腺苷酸，在tRNA-3′加上CCA-OH。⑷核苷的修饰在tRNA甲基化酶的催化下，在特定位置(包括特定的序列)上将碱基甲基化，甲基供体是SAM。在tRNA假尿苷合成酶催化下，将特定位置上的U由N1-C1变为C5-C1。㈠原核生物和真核生物中tRNA的加工

第33页，课件共60页，创作于2023年2月splicing第34页，课件共60页，创作于2023年2月

(二）原核生物和真核生物中rRNA的加工

原核生物的每个rRNA基因转录单位由16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA和tRNA组成，最初的转录产物是30S，大约有6,500个核苷酸。之后各组分在相应的核酸酶作用下，分别成熟。甲基化主要在碱基上进行。

真核细胞的rRNA基因属于高度重复序列DNA，重复序列之间被不能转录的间隔区分隔。不同种类生物的重复单位长度及重复数均不同，但转录出的rRNA的大小却是相同的。甲基化主要在核糖的2′-OH上。第35页，课件共60页，创作于2023年2月原核生物rRNA的加工过程第36页，课件共60页，创作于2023年2月真核生物rRNA的转录后加工第37页，课件共60页，创作于2023年2月

⒈原核生物mRNA的加工

原核生物中的mRNA的转录和翻译没有区间的限制，转录和翻译可以同时进行，所以大多数mRNA不需要加工。而且原核mRNA不稳定，通常只能存在几分钟，随即被从5′端开始降解。(三)mRNA的加工第38页，课件共60页，创作于2023年2月

原核生物的mRNA在被转录的同时就可以做翻译的模板。第39页，课件共60页，创作于2023年2月

2.真核生物mRNA转录后加工⑴5′端的修饰：

mRNA5′端的帽子结构是在转录产物的基础上，先于剪接过程而形成的。反应过程是：

5′pppG/A-------↓磷酸酶

5′ppG/A-----+Pi↓+pppG5′G5ppp5G/A------+PPi↓甲基化酶

5′m7G5ppp5G/A------

SAM第40页，课件共60页，创作于2023年2月NH2O型和Ⅰ型帽子结构第41页，课件共60页，创作于2023年2月NH2Ⅱ型帽子结构第42页，课件共60页，创作于2023年2月

Thecapprovides:

⑴protectionofthemRNA;⑵enhancementofthemRNA’stranslatability;⑶transportofthemRNAoutofthenucleus;⑷propersplicingofthepre-mRNA.第43页，课件共60页，创作于2023年2月

⑵3′端的修饰

即在3′端加上多聚酰苷酸polyAtail。转录结束后，先由核酸外切酶切去3′过剩的核苷酸，再由多聚酰苷酸聚合酶催化，接上约20-250个腺苷酸组成的polyA。在多聚酰苷酸化位置的上游约11~30个核苷酸处有一保守序列AATAAA，之后是一段富含GU的结构，这些被认为是多聚酰苷酸化的识别信号。第44页，课件共60页，创作于2023年2月

在mRNA前体上加上多聚腺苷酸的过程第45页，课件共60页，创作于2023年2月

polyA的功能：①帮助mRNA从细胞核转移至细胞质；②维持mRNA作为翻译模板的活性，随着polyA的降解，翻译的活性下降。只有极少数真核基因的转录产物无polyA，如组蛋白基因。第46页，课件共60页，创作于2023年2月

⑶mRNA的剪接

核酸杂交实验证明，mRNA的前体hnRNA能同DNA模板链完全配对，而mRNA同DNA和hnRNA杂交时，都只有部分区域配对，中间有呈泡状突出的区段。

第47页，课件共60页，创作于2023年2月鸡卵清白蛋白基因中的外显子(extron)和内含子(intron)第48页，课件共60页，创作于2023年2月第49页，课件共60页，创作于2023年2月

内含子的种类及拼接机制：第一类内含子：存在于细胞核、线粒体和叶绿体中rRNA的前体中；拼接过程中的第一次转酯反应第50页，课件共60页，创作于2023年2月第一类内含子的拼接过程

(亲核试剂是外界的G)第51页，课件共60页，创作于2023年2月

第二类内含子：存在于线粒体和叶绿体的mRNA的前体中；(亲核试剂是内含子内部特定位点上的A-2′-OH)

这两类内含子的拼接过程均无需蛋白质的参与，所以属于“自我拼接(selfsplicing)”。第52页，课件共60页，创作于2023年2月这两类内含子的拼接过程均无需蛋白质的参与，RNA分子本身具有酶的活性，发挥催化拼接的作用，这种由RNA发挥作用的酶称为核酶(ribozyme)，反应的过程属于自我拼接(selfsplicing)。现已知道，某些病毒、噬菌体RN