转录与基因表达调控

第十五章

RNA的生物合成RNA生物合成：

1.转录

2.RNA复制RNARNARNA指导的RNA聚合酶，或依赖于ＲＮＡ的ＲＮＡ聚合酶第一节转录的基本特征转录：以DNA为模板、NTP为原料，按碱基配对原则，在RNA聚合酶的催化下合成与DNA互补的RNA链的过程。一、转录的模板模板链：DNA双链中能指导转录的DNA单链，又称反义链（负链）。编码链：与模板链碱基配对、在DNA双链中不能指导转录的DNA单链，又称为有义链（正链）。5

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模板链编码链编码链模板链转录方向转录方向DNA转录模板转录单位：RNA的生物合成始于DNA模板的一个特定位点，并在另一个位点处终止，这一特定区域称为转录单位，又称为“结构基因”。启动子：转录起始控制区。终止子：转录终止控制区。转录单位转录起点(+1)启动子终止子编码区（开放阅读框）转录单位（结构基因）基因DNA蛋白质转录翻译RNA不对称转录的概念：对于一个基因而言，处在DNA分子双链上某一区段,一股链用作模板指引转录，另一股链不转录对于不同基因而言，模板链并非全部在同一条DNA单链上5

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模板链编码链编码链模板链转录方向转录方向DNARNA聚合酶：催化DNA转录合成RNA的酶。又称DNA指导的RNA聚合酶，或DNA依赖的RNA聚合酶。RNA合成的化学机制与DNA依赖的DNA聚合酶催化DNA合成（复制）相似。(NMP)n+NTP→(NMP)n+1+PPiRNA延长的RNA二、RNA聚合酶（RNApol）1.原核生物RNA聚合酶DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。RNA聚合酶和DNA的特殊序列——启动子(promoter)结合后，就能启动RNA合成。原核生物RNA聚合酶由5个亚基组成：a2bb‘s，是RNA聚合酶的全酶。其中a2bb’又称为RNA聚合酶的核心酶。s为启动因子。

全酶（起始阶段）

核心酶（延长阶段）亚基分子量亚基数功能a365002转录起始、滑动、辨认碱基b1510001聚合酶催化部位b'1550001DNA结合s700001启动子识别利福平抑制亚基：是抑制结合杆菌的特效药2.真核生物的RNA聚合酶

依据对鹅膏蕈碱的敏感性，真核细胞的RNA聚合酶分为三类：鹅膏蕈碱转录产物RNA聚合酶I耐受rRNA（5srRNA例外）RNA聚合酶II很敏感mRNARNA聚合酶III中度敏感tRNA/5srRNA/snRNA等三、启动子（一）原核生物启动子1.

启动子:RNA聚合酶与DNA模板结合的序列。研究方法：RNA聚合酶保护法（足迹法）开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205

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RNA-pol辨认位点(Sextamabox，recognitionsite)5

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RNA聚合酶保护区结构基因3

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用RNA聚合酶保护法研究转录起始区A为转录起始点，而90%以上的基因转录起始点为嘌呤（A/G）。...NNNNNTTGACANNN...NNNTATAATNNNNNMC(A/G)TMMNNN...17bp7bp-35序列-10序列转录起始区转录起始点（1）Pribnowbox（又称-10序列）：A为转录起始点，而90%以上的基因转录起始点为嘌呤（A/G）。

保守序列为：TTGACA，该序列被s因子所识别，是RNA聚合酶识别位点，即为RNA聚合酶最早结合的位点。此位点序列很大程度决定启动子强度，RNA聚合酶易识别强的启动子。（2）Sextamabox（又称-35序列）：...NNNNNTTGACANNN...NNNTATAATNNNNNMC(A/G)TMMNNN...17bp7bp-35序列-10序列转录起始区转录起始点RNA聚合酶与启动子的结合

过短或过长的间隔区序列都会影响RNA聚合酶与启动子序列的稳定性而最终影响到转录活性。RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合:2.真核生物启动子催化不同种类的RNA合成。RNA聚合酶II的启动子序列多样。RNA聚合酶II完成了hnRNA的合成作用。真核生物RNA聚合酶的启动子有三种：

I、II、III。对应各自的RNA聚合酶。RNA聚合酶II启动子

转录起始点区的通用序列为PyPyCAPyPyPy，其中A为转录起始点（+1），Py为嘧啶碱基。即在转录起始点A的两侧有多个嘧啶核苷酸。 真核RNA聚合酶II起始点序列特征与原核生物E.coli转录起始点的规律一致。（1）帽子位点（capsite）

又称基本启动子，在-30~-25区域，通用序列为TATA(A/T)A(A/T)。RNA聚合酶II与TATA框结合后才能启动转录过程。类似原核Pribnowbox。 启动子若缺乏TATA框，转录会在许多位点开始。 （2）TATA框（TATAbox）

保守序列为GG(C/T)CAATCT，一般位于-75附近。该序列可能与控制转录起始的效率有关。（3）CAAT框（CAATbox）

增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列，一般在-100以上的区域。有效的增强子可以位于基因的5’端，也可位于基因的3’端，有的还可位于基因的内含子中。大多为重复序列。（4）增强子（enhancer）第二节原核生物转录1.原核生物转录的起始1）s因子与核心酶结合为RNA聚合酶的全酶2）s因子找到起始位点，RNA聚合酶与-35序列结合，即为“DNA-RNA聚合酶”的闭链式二元复合物3）RNA聚合酶向-10序列滑动，并牢固结合-10序列，在-10序列与起始点处发生局部解链，形成开链式二元复合物。5）在b亚基催化下形成RNA的第一个磷酸二酯键，形成了“DNA-RNA-RNA聚合酶”的三元复合物6）三元复合物形成并生成6-9个核苷酸后，σ亚基脱落，核心酶与DNA亲和力下降，有利于核心酶在DNA链上的滑动.

σ亚基如果不脱落，转录无法进入延长阶段，并有可能导致转录流产。三元复合物转录的起始

RNA聚合酶全酶+启动子DNA处于双链状态聚合酶全酶所结合的DNA序列中有一小段双链被解开RNA聚合酶、DNA和新生RNARNA聚合酶核心酶离开启动子，沿DNA链移动并使新生RNA链不断伸长的过程就是转录的延伸。

共价地向生长RNA链的3’端添加核糖核苷酸

RNA聚合酶是以5’

3’方向来延长RNA链

RNA聚合酶本身沿着模板链以3’

5’方向移动RNA链的延长并非恒定速度进行，有延宕现象。2.转录的延长转录空泡：即为延长阶段的“DNA-RNA-RNA聚合酶”三元复合体DNA/DNA双链比DNA/RNA杂化双链稳定G-C>A-T>A-U转录延长：5

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DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行；转录尚未完成，翻译已在进行。这种形状说明：电镜下转录过程的羽毛状结构转录终止指RNA聚合酶在DNA模板移动，直至遇到终止信号，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。3.转录的终止转录终止信号存在于RNA聚合酶已转录过的序列中。终止子：提供终止信号的序列。在转录终止点之前有一段回文结构，回文序列的两个重复部分（7-22bp）由一小段不重复区隔开，从而形成一个茎-环结构。原核生物两种转录终止模式：不依赖蛋白辅助因子（r因子）的终止模式依赖蛋白辅助因子（r因子）的终止模式终止子结构特征：终止子结构特征不依赖r因子的终止子茎-环结构中G-C含量丰富，茎-环结构之后有一个poly(U)区。

依赖r因子终止子茎-环结构中G-C含量低，茎-环结构之后没有特定特征。（1）r因子附着在新生RNA链，通过消耗ATP沿新生链5'3'方向前行，至与RNA聚合酶结合（2）当出现依赖r因子的转录终止信号时，r因子结合此特征结构，促使了“DNA-RNA-RNA聚合酶”三元复合物解聚，释放出新生RNA链，完成了转录过程1）依赖r因子的终止ρ因子的作用原理：polyCρ因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量46kD。ρ因子能结合RNA，又以对polyC的结合力最强。ρ因子还有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。

转录终止不需要r因子的参加，当出现转录终止信号时(内在终止子)，转录终止信号自身就可以使“DNA-RNA-RNA聚合酶”三元复合体解聚，释放出RNA新生链，完成转录过程。2）不依赖r因子的终止作用不依赖r因子的转录终止5´pppG53

35RNA-pol5´pppGRNA-pol茎环结构使转录终止的机理：

使RNA聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。RNA合成过程起始阶段双链DNA局部解开磷酸二酯键形成终止阶段解链区到达基因终点延长阶段5

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RNA

启动子（promoter)

终止子(terminator)5

RNA聚合酶

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离开真核生物转录远复杂过原核生物，其转录激活需要大量各种各样的转录因子参加目前对真核生物转录终止机制信号、转录终止机制了解不多在hnRNA转录后期的新生链会出现“AAUAAA”这个特征序列，被认为是RNA聚合酶II的转录终止信号第三节真核生物的转录一、转录起始转录因子能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质。现已发现数百种，统称为反式作用因子(trans-actingfactors)。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(transcriptionalfactors,TF)。参与RNA-polⅡ转录的TFⅡPOL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化转录的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化二、转录延长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。RNA-pol前移处处都遇上核小体。转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体转录延长中的核小体移位转录方向三、转录终止真核生物的转录终止，是和转录后修饰密切相关的。真核生物mRNA有聚腺苷酸(polyA)尾巴结构，是转录后才加进去的。转录不是在polyA的位置上终止，而是超出数百个乃至上千个核苷酸后才停顿。已发现，在读码框架的下游，常有一组共同序列AATAAA，再下游还有相当多的GT序列。这些序列称为转录终止的修饰点。5------AAUAAA-5

------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点5

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33加尾AAAAAAA······3mRNA转录终止和转录后修饰密切相关

DNA读码框架下游的一组AATAAA和GT共同序列,参与转录终止过程。真核生物的转录终止及加尾修饰第四节转录后加工

由RNA聚合酶合成的原初转录产物，往往需要经过一系列的结构改造或修饰，这个过程称为RNA的成熟，或称为转录后加工。1.RNA链的裂解2.5’端与3’端的切除3.剪接4.特殊结构的形成5.碱基修饰和糖苷键的改变转录后加工包括：3.修饰(modification)

如：Gm7G4.添加(addition)

如添加帽子结构、尾巴结构、氨基酸臂等5.编辑(editing)1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)转录后加工的主要方式原核生物的mRNA通常没有转录后加工过程。原核生物rRNA和tRNA必须经历剪切和修饰加工过程剪切剪接一、tRNA和rRNA的加工即在tRNA3'末端添加-CCA氨基酸臂。添加修饰作用①甲基化：GmG②还原：U

DHU③脱氨:A

I④转位:U

Ψ原核rRNA前体加工过程甲基化rRNA的甲基化

即真核45srRNA在进行剪切之前首先进行了甲基化反应。1.5'-端加帽二、真核生物mRNA的加工ONNNNNH2OOCH3OHHHCH2HOPO-OOHNNNOH2NNOOHHHHCH2HOHOPOO-CH3PO-O5'2'3'5'+5pppGp…5GpppGp…pppGppi鸟苷酸转移酶5

m7GpppGp…甲基转移酶SAM帽子结构的生成过程：5ppGp…磷酸酶Pi加帽2.3‘-端加尾（多聚腺苷酸化）mRNA尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。在大多数真核mRNA3'末端添加多聚腺苷酸尾巴（polyA），长度大约在250个左右。尾巴结构的功能不详，一般认为尾巴结构提高的mRNA在细胞质中的稳定性即半衰期。5------AAUAAA-5

------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点5

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33加尾AAAAAAA······3mRNA转录终止和转录后加工密切相关

DNA读码框架下游的一组AATAAA和GT共同序列,参与转录终止过程。3.剪接作用

刚生成的hnRNA没有活性，除了需要添加帽子和尾巴结构外，还需要经过剪接作用切除内含子，连接外显子，才能转化为有转录活性的mRNA。hnRNAmRNA内含子外显子真核生物结构基因，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非编码区内含子和外显子外显子：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。

内含子的“功能”及其在生物进化中的地位是一个引人注目的问题。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、转录后修饰生物体内的各种内含子细胞内定位内含子类型I类内含子（自我剪接）细胞器RNA，少数细菌RNAII类内含子（自我剪接）细胞器RN