转录与基因表达调控

关于转录与基因表达调控中心法则（centraldogma)转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA的过程。

转录RNADNA

反转录第2页,共90页，2024年2月25日，星期天复制和转录的相同点:1.都是酶促的核苷酸聚合过程;2.都以DNA为模板;3.都需要依赖DNA的聚合酶;4.聚合过程中都是核苷酸之间形成磷酸二酯键;5.都是从5,到3,方向延伸聚核苷酸链;6.都遵循碱基配对原则第3页,共90页，2024年2月25日，星期天复制和转录的区别A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）产物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板转录复制A-U，T-A，G-CA-T，G-CmRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶NTPdNTP

原料模板链转录（不对称转录）两股链均复制引物需要不需要第4页,共90页，2024年2月25日，星期天转录Transcription第一节第5页,共90页，2024年2月25日，星期天参与转录的物质原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子第6页,共90页，2024年2月25日，星期天一、转录模板DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structuralgene)。

不对称转录:DNA双链中仅一股链可作为模板而转录，另一条链不转录；模板链并非永远在同一单链上。第7页,共90页，2024年2月25日，星期天5

3

3

5

模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向第8页,共90页，2024年2月25日，星期天DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(templatestrand)，也称作有意义链（负链）。相对的另一股单链是编码链(codingstrand)，也称为反义链（正链）。第9页,共90页，2024年2月25日，星期天5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译第10页,共90页，2024年2月25日，星期天二、RNA聚合酶这是一种不同于引物酶的依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）。（一）原核生物的RNA聚合酶结合核苷酸底物催化磷酸二酯键生成第11页,共90页，2024年2月25日，星期天第12页,共90页，2024年2月25日，星期天核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

第13页,共90页，2024年2月25日，星期天（二）真核生物的RNA聚合酶种类ⅠⅡⅢ对鹅膏蕈碱的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受极敏感中度敏感转录产物部位核仁核质核质第14页,共90页，2024年2月25日，星期天转录过程TheProcessofTranscription第15页,共90页，2024年2月25日，星期天一、原核生物的转录过程（一）转录起始（二）转录延长（三）转录终止第16页,共90页，2024年2月25日，星期天（一）转录起始转录起始需解决两个问题：RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。第17页,共90页，2024年2月25日，星期天位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA调控序列被称为启动子（promoter）。启动子序列通常由一些带共性的保守序列构成。第18页,共90页，2024年2月25日，星期天RNA聚合酶保护法目录第19页,共90页，2024年2月25日，星期天开始转录(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205

3

3

5

原核生物启动子的保守序列TTGACAAACTGT-35区RNA-pol辨认位点(recognitionsite)5

5

RNA聚合酶结合区结构基因3

3

第20页,共90页，2024年2月25日，星期天第21页,共90页，2024年2月25日，星期天被RNA聚合酶辨认的区段就是位于转录起始点-35区的TTGACA序列。RNA聚合酶与该区结合后，即滑动至-10区的TATAAT序列（Pribnow盒），并启动转录。第22页,共90页，2024年2月25日，星期天GpN结构基因RNApol识别结合生成起始复合物转录延长转录终止转录空泡也称转录复合物，是RNA聚合酶的核心酶，DNA模板和转录产物RNA结合在一起的复合物。启动子终止区pppGpppG第23页,共90页，2024年2月25日，星期天（二）转录延长1.

亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板迅速前移；

2.在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。50bp/s第24页,共90页，2024年2月25日，星期天目录第25页,共90页，2024年2月25日，星期天5

3

DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶第26页,共90页，2024年2月25日，星期天1.依赖Rho(ρ)因子的转录终止2.非依赖Rho因子的转录终止（三）转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。分类（一）原核生物的转录终止ρ因子(Pr)1.识别结合富含C的RNA链功能:2.ATPase活性3.解螺旋酶(helicase)活性第27页,共90页，2024年2月25日，星期天ρ因子+ATP5′3′Polymerase富含C25/501.依赖Rho因子的转录终止第28页,共90页，2024年2月25日，星期天RNApol5′3′RNApol失活ρ因子解螺旋酶活性使DNA/RNA杂化双链拆离，利于产物从转录复合物种释放。第29页,共90页，2024年2月25日，星期天RNA转录后，形成特殊的结构，以终止转录。2.不依赖ρ因子的转录终止特点：1.RNA单链内部接近终止区域有富含G-C配对区，形成稳定的二级结构。2.在发夹结构的下游有polyU结构。茎环（stemloop）或发夹（hairpin）结构第30页,共90页，2024年2月25日，星期天UUGCAGCCUGAGAAAUCAGGCUGAUGG…5’3’…5’3’自发形成发夹结构第31页,共90页，2024年2月25日，星期天UUUU………..5’3’1.茎环结构改变RNApol的结构，使其失活2.茎环结构的形成使转录复合物趋于解体，polyU加速这一过程。第32页,共90页，2024年2月25日，星期天茎环结构使转录终止的机理：茎环(stem-loop)/发夹的形成使RNA聚合酶变构，转录停顿；当ＲＮＡ分子形成的局部双链时,DNA分子自然也要回复双链,这就使本来就不稳定的杂化双链变的更不稳定,最终使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。5´pppG53

35RNA-pol第33页,共90页，2024年2月25日，星期天四.原核细胞的转录后加工1.mRNA：很少进行加工和修饰2.rRNA:1)剪切：特定的RNA酶催化，将初级产物剪成16S，23S和5S三个片段2)修饰：最常见的是2’羟基甲基化3.tRNA：①由核酸内切酶在tRNA两端切断②由核酸外切酶从3’端逐个切去附加顺序,进行修饰③在3’端加上CCA-OH结构④核苷酸的修饰和异构化第34页,共90页，2024年2月25日，星期天五、真核生物的转录后修饰Post-transcriptionalModification第35页,共90页，2024年2月25日，星期天几种主要的修饰方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修饰(modification)4.

添加(addition)第36页,共90页，2024年2月25日，星期天

大多数真核mRNA的5´末端有一个特殊的结构--帽子结构：7-甲基鸟苷三磷酸（m7GpppN）。它是在转录产物的5´末端加上了一个甲基化的鸟苷酸形成的。一、真核生物mRNA的转录后加工（一）首、尾的修饰5

端形成帽子结构(m7GpppGp—)第37页,共90页，2024年2月25日，星期天5’－5’相对连接，又称面对面核苷酸结构(Confrontednucleotidestructure)帽子帽子结构(7-甲基鸟嘌呤三磷酸鸟苷)第38页,共90页，2024年2月25日，星期天5pppGp…5GpppGp…pppGppi鸟苷酸转移酶5

m7GpppGp…甲基转移酶SAM帽子结构的生成5ppGp…磷酸酶Pi第39页,共90页，2024年2月25日，星期天帽子结构功能:1.能促进核蛋白体与mRNA的结合,加速翻译起始速度,2.还可以增强mRNA的稳定性第40页,共90页，2024年2月25日，星期天长度：100－200个AMP。

PolyA的长短与维持mRNA作为翻译模板的活性，以及mRNA本身稳定性的因素有关。3

端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)第41页,共90页，2024年2月25日，星期天1.对大多数基因进行研究,发现都没有相应的3’端多聚T序列,说明polyA的出现并不依赖于模板;2.加入polyA前,先要由核酸外切酶切除3’端一些过剩的核苷酸,然后再加入polyA

3.在hnRNA上也发现polyA

，推测这一过程也在核内完成，并且先于mRNA的剪接第42页,共90页，2024年2月25日，星期天第43页,共90页，2024年2月25日，星期天（二）mRNA的剪接1.

hnRNA

和snRNA核内的初级mRNA称为杂化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核内的蛋白质小分子核糖核蛋白体（拼接体,snRNP）snRNA第44页,共90页，2024年2月25日，星期天真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。断裂基因(splitegene)CABD编码区A、B、C、D非编码区第45页,共90页，2024年2月25日，星期天2.外显子(exon)和内含子(intron)外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。第46页,共90页，2024年2月25日，星期天鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰目录第47页,共90页，2024年2月25日，星期天鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA目录第48页,共90页，2024年2月25日，星期天3.

内含子的分类根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4类I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA；III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。第49页,共90页，2024年2月25日，星期天4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。snRNP与hnRNA结合成为并接体①目录第50页,共90页，2024年2月25日，星期天②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5第51页,共90页，2024年2月25日，星期天•RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工5.mRNA的编辑(mRNAediting)人类apoB基因mRNA（14500个核苷酸）肝脏apoB100（分子量为500000）肠道细胞apoB48（分子量为240000）mRNA编辑(C-U)第52页,共90页，2024年2月25日，星期天二、tRNA的转录后加工tRNA前体RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA目录第53页,共90页，2024年2月25日，星期天RNAaseP、内切酶目录第54页,共90页，2024年2月25日，星期天tRNA核苷酸转移酶、连接酶ATPADP目录第55页,共90页，2024年2月25日，星期天碱基修饰（2）还原反应如：UDHU

（3）核苷内的转位反应如：Uψ（4）脱氨反应如：A

I

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）目录第56页,共90页，2024年2月25日，星期天三、rRNA的转录后加工转录45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA内含子内含子28S5.8S18S第57页,共90页，2024年2月25日，星期天第二节、基因表达调控

－－－转录水平调节一.基因表达的概念1.基因：负载遗传信息的DNA片段2.基因组：来自一个遗传体系的一整套遗传信息，原核生物-单个环状染色体，真核生物-染色体所包含的全部DNA3.基因表达：基因转录与翻译的过程。第58页,共90页，2024年2月25日，星期天二.基因表达的特异性1.时间的特异性（阶段特异性）2.空间的特异性（细胞或组织特异性）三.基因表达的生物学意义1.适应环境，维持生长和增殖2.维持个体发育与分化第59页,共90页，2024年2月25日，星期天基因表达的多级调控基因激活转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰转录起始第60页,共90页，2024年2月25日，星期天操纵子（operon）：原核基因组中，由几个功能相关的结构基因及调节基因区组成一个基因表达的协同单位。1961年，Jacob和J.Monod提出。诱导操纵子：乳糖操纵子阻遏操纵子：色氨酸操纵子第61页,共90页，2024年2月25日，星期天

蛋白质因子——操纵子(operon)

机制特异DNA序列编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)第62页,共90页，2024年2月25日，星期天二、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI第63页,共90页，2024年2月25日，星期天mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOP没有乳糖存在时（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因pol第64页,共90页，2024年2月25日，星期天mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第65页,共90页，2024年2月25日，星期天++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时（三）CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第66页,共90页，2024年2月25日，星期天（四）协调调节※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。（弱启动子））单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolicrepression)。

第67页,共90页，2024年2月25日，星期天mRNA无乳糖时有乳糖时

无葡萄糖cAMP浓度高

有葡萄糖cAMP浓度低RNA-polOOOO第68页,共90页，2024年2月25日，星期天TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶?三、转录终止的调节（一）色氨酸操纵子结构色氨酸操纵子

A

BC

D

EL第69页,共90页，2024年2月25日，星期天UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……第70页,共90页，2024年2月25日，星期天UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止第71页,共90页，2024年2月25日，星期天UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子

结构基因前导DNARNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构第72页,共90页，2024年2月25日，星期天真核生物1)顺式作用元件(cis-actingelement)——可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。

第73页,共90页，2024年2月25日，星期天（一）顺式作用元件1.启动子真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制