第三章-轉(zhuǎn)錄前調(diào)控

1、第二章：細(xì)胞分化的分子機(jī)制第二章：細(xì)胞分化的分子機(jī)制 -轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄前的調(diào)控轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄前的調(diào)控 第一節(jié)：基因表達(dá)及調(diào)控的基本原理第一節(jié)：基因表達(dá)及調(diào)控的基本原理 第二節(jié)：轉(zhuǎn)錄的基本過(guò)程及調(diào)控第二節(jié)：轉(zhuǎn)錄的基本過(guò)程及調(diào)控 Translation 基因表達(dá)基因表達(dá) ( gene expression) 生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的 遺傳信息，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列遺傳信息，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列 過(guò)程，合成具有特定的生物學(xué)功能和過(guò)程，合成具有特定的生物學(xué)功能和 生物學(xué)效應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的全過(guò)程。的全過(guò)程。 基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控 機(jī)體各種細(xì)胞中含有的相同

2、遺傳機(jī)體各種細(xì)胞中含有的相同遺傳 信息信息( (相同的結(jié)構(gòu)基因相同的結(jié)構(gòu)基因) )，根據(jù)機(jī)體的，根據(jù)機(jī)體的 不同發(fā)育階段、不同的組織細(xì)胞及不不同發(fā)育階段、不同的組織細(xì)胞及不 同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地表同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地表 達(dá)達(dá)特定數(shù)量特定數(shù)量的的特定基因特定基因的過(guò)程。的過(guò)程。 基因表達(dá)的調(diào)控因子：基因表達(dá)的調(diào)控因子： 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) ( 主要主要 ) 小分子小分子RNA ( 某些環(huán)節(jié)某些環(huán)節(jié) ) 基因表達(dá)的調(diào)控水平 v 基因組基因組 v 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 v 轉(zhuǎn)錄后轉(zhuǎn)錄后 v 翻譯翻譯 v 翻譯后翻譯后 DNARNA 蛋白質(zhì) 復(fù)制 轉(zhuǎn)錄 翻譯 逆轉(zhuǎn)錄 RNA 復(fù)制 中心法則中心法則(

3、central dogma) 一、原核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)一、原核生物基因表達(dá)的特點(diǎn) 1.1.只有一種只有一種RNARNA聚合酶。聚合酶。RNARNA聚合酶聚合酶 用來(lái)識(shí)別原核細(xì)胞的啟動(dòng)子，催化用來(lái)識(shí)別原核細(xì)胞的啟動(dòng)子，催化 所有所有RNARNA的合成。的合成。 2.2.基因表達(dá)以操縱子為基本單位。基因表達(dá)以操縱子為基本單位。原原 核基因一般不含內(nèi)含子，基因是連續(xù)核基因一般不含內(nèi)含子，基因是連續(xù) 的。原核基因轉(zhuǎn)錄單位多為多順?lè)醋?。的。原核基因轉(zhuǎn)錄單位多為多順?lè)醋印?二、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制二、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制 轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控 翻譯水平的

4、調(diào)控翻譯水平的調(diào)控 三三、真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu) 光鏡下結(jié)構(gòu)光鏡下結(jié)構(gòu) 細(xì)胞膜細(xì)胞膜 細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞質(zhì) 細(xì)胞核細(xì)胞核 電鏡下結(jié)構(gòu)電鏡下結(jié)構(gòu) 膜相結(jié)構(gòu)膜相結(jié)構(gòu) 非膜相結(jié)構(gòu)非膜相結(jié)構(gòu) 細(xì)胞膜細(xì)胞膜 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 高爾基復(fù)合體高爾基復(fù)合體 線粒體線粒體 溶酶體溶酶體 過(guò)氧化氫體過(guò)氧化氫體 核膜核膜 核糖體核糖體 中心粒中心粒 微管微管 微絲微絲 中等纖維中等纖維 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) 核仁核仁 染色質(zhì)染色質(zhì) 核基質(zhì)核基質(zhì) No Image l真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類 l真核生物的基因組真核生物的基因組 l真核生物真核生物DNADNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控水平上

5、的基因表達(dá)調(diào)控 l真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控 l真核基因翻譯水平上的調(diào)控真核基因翻譯水平上的調(diào)控 四、真核細(xì)胞的表達(dá)調(diào)控四、真核細(xì)胞的表達(dá)調(diào)控 真核生物的基因組真核生物的基因組 多細(xì)胞相同基因組多細(xì)胞相同基因組 細(xì)胞核控制發(fā)育的局限性細(xì)胞核控制發(fā)育的局限性 基因組重組基因組重組 特點(diǎn)特點(diǎn) 真核生物真核生物DNADNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控水平上的基因表達(dá)調(diào)控 染色體疏松區(qū)一轉(zhuǎn)錄活躍染色體疏松區(qū)一轉(zhuǎn)錄活躍 富富AT 較富較富GC區(qū)一轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)一轉(zhuǎn)錄活躍 DNA甲基化一抑制轉(zhuǎn)錄甲基化一抑制轉(zhuǎn)錄 第二節(jié)：轉(zhuǎn)錄的基本過(guò)程及調(diào)控第二節(jié)：轉(zhuǎn)錄的基本過(guò)程及調(diào)控 參與轉(zhuǎn)錄的

6、物質(zhì)參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì) 原料原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板:DNA:DNA 酶酶: RNA: RNA聚合酶聚合酶 其他蛋白質(zhì)因子其他蛋白質(zhì)因子 RNA合成方向：合成方向：5 3 轉(zhuǎn)錄的不對(duì)稱性：轉(zhuǎn)錄的不對(duì)稱性： l在在DNADNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，另分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，另 一股鏈不轉(zhuǎn)錄一股鏈不轉(zhuǎn)錄 l模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上。模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上。 編碼鏈與模板鏈 與與mRNAmRNA序列相同的那條序列相同的那條DNADNA鏈稱為鏈稱為編碼鏈編碼鏈

7、；將另一條根；將另一條根 據(jù)堿基互補(bǔ)原則指導(dǎo)據(jù)堿基互補(bǔ)原則指導(dǎo)mRNAmRNA合成的合成的DNADNA鏈稱為鏈稱為模板鏈模板鏈，也也 稱為稱為反義鏈反義鏈或或Crick鏈鏈。 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因(structural gene): DNA分子上轉(zhuǎn)錄出分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段的區(qū)段 。 GCAGTACATGTC 5 5 3 3 DNA CGTCATGTACAG 編碼鏈 模板鏈 GCAGUACAUGUCmRNA 轉(zhuǎn)錄 模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上 轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向 5 5 3 3 3 3 5 5 模板鏈模板鏈編碼鏈編碼鏈 編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈 轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向 DNA

8、分子上轉(zhuǎn)錄出分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因。的區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因。 結(jié)構(gòu)基因： 1. RNA1. RNA聚合酶聚合酶 （1）原核細(xì)胞）原核細(xì)胞 全酶=核心酶+ 因子 因子因子- -特異蛋白質(zhì)因子，特異蛋白質(zhì)因子， 能識(shí)別能識(shí)別DNADNA模板起始位點(diǎn)的特異堿基順序，模板起始位點(diǎn)的特異堿基順序， 所以所以 -因子又叫起始因子因子又叫起始因子 核心酶核心酶- - 催化單個(gè)核苷酸之間形成催化單個(gè)核苷酸之間形成3535磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵 1. RNA RNA聚合酶聚合酶 真核細(xì)胞真核細(xì)胞 分為分為 I、II、III三三種種 RNA聚合酶聚合酶I：存于核仁中，催化：存于核仁中，催化r RNA前

9、體的合成前體的合成 ； RNA聚合酶聚合酶II：存于核質(zhì)中，催化：存于核質(zhì)中，催化m RNA前體的合成前體的合成 ； RNA聚合酶聚合酶III：存于核質(zhì)中，：存于核質(zhì)中， 催化催化tRNA和和r RNA等小分子量前體的合成等小分子量前體的合成 。 （2）真核細(xì)胞）真核細(xì)胞 . .轉(zhuǎn)錄的基本過(guò)程轉(zhuǎn)錄的基本過(guò)程 分起始、延長(zhǎng)及終止三個(gè)階段分起始、延長(zhǎng)及終止三個(gè)階段 原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程 轉(zhuǎn)錄起始需解決的問(wèn)題：轉(zhuǎn)錄起始需解決的問(wèn)題： RNA聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在 轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。 DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為雙鏈解開，使其中的一條鏈

10、作為 轉(zhuǎn)錄的模板。轉(zhuǎn)錄的模板。 編碼鏈編碼鏈 AACTGTATATTA 模板鏈模板鏈 TTGACATATAAT 3 5 DNA 轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) Probnow盒子盒子 啟動(dòng)子啟動(dòng)子 35 10 +1 轉(zhuǎn)錄區(qū)轉(zhuǎn)錄區(qū) 53 RNA 轉(zhuǎn)錄起點(diǎn) 與新生與新生RNARNA鏈第一個(gè)核甘酸相對(duì)應(yīng)鏈第一個(gè)核甘酸相對(duì)應(yīng)DNADNA鏈上的堿基。通常將鏈上的堿基。通常將mRNAmRNA開始的開始的 一個(gè)核苷酸定為一個(gè)核苷酸定為0 0點(diǎn)點(diǎn)( (即即+1+1) )由此向右常稱為由此向右常稱為下游下游(downstream)(downstream)，其，其 核苷酸依次編為正序號(hào)；起始點(diǎn)左例稱為核苷酸依次編為正序號(hào)；

11、起始點(diǎn)左例稱為上游上游(upstream)(upstream)其核苷酸其核苷酸 則依次以負(fù)號(hào)表示緊接起始點(diǎn)左側(cè)的核昔酸為則依次以負(fù)號(hào)表示緊接起始點(diǎn)左側(cè)的核昔酸為-1-1。 啟動(dòng)子啟動(dòng)子(promoter)-(promoter)-能被能被RNARNA聚合酶識(shí)別、聚合酶識(shí)別、 結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNADNA序列序列。 由由因子辨認(rèn)并且結(jié)合到啟動(dòng)子上，因子辨認(rèn)并且結(jié)合到啟動(dòng)子上， 局部解鏈（局部解鏈（10-20bp），）， RNA聚合酶聚合酶與與模板模板結(jié)結(jié)合合； 在在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應(yīng)，聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應(yīng)， 形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物形成轉(zhuǎn)錄起始

12、復(fù)合物 。 原核生物轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程原核生物轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程 典型啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)典型啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu) -35-35 -10 -10 轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起點(diǎn) TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bpTTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp 在在-因子存在時(shí)，因子存在時(shí)，由核心酶催化，以其中的一股由核心酶催化，以其中的一股DNA 單鏈作為模板鏈，單鏈作為模板鏈， 以以NTP為原料，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則，通常是由為原料，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則，通常是由5ppp嘌呤核苷嘌呤核苷 （G 或或A ）開頭向著）開頭向著3延長(zhǎng)多核苷酸鏈延長(zhǎng)多核苷酸鏈，合成開始后，合成開始后， 因子從模板上脫離下來(lái)因

13、子從模板上脫離下來(lái)（可以重復(fù)利用）。（可以重復(fù)利用）。 延長(zhǎng)延長(zhǎng) ： 核心酶覆蓋雙鏈核心酶覆蓋雙鏈DNADNA和和RNARNA復(fù)合物，向前推進(jìn)，一邊解開螺旋，復(fù)合物，向前推進(jìn)，一邊解開螺旋， 一邊釋放出新合成的一邊釋放出新合成的RNARNA鏈，鏈， 后面已經(jīng)轉(zhuǎn)錄的區(qū)域中分開的后面已經(jīng)轉(zhuǎn)錄的區(qū)域中分開的 DNADNA鏈又重新形成雙螺旋。鏈又重新形成雙螺旋。 3 6 5 1 2 決決 定定 哪哪 些些 基基 因因 被被 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 錄錄 1 5 0 6 1 8 催催 化化 功功 能能 1 5 5 6 1 3 結(jié)結(jié) 合合 D N A 模模 板板 7 0 2 6 3 辨辨 認(rèn)認(rèn) 起起 始始 點(diǎn)點(diǎn) 亞亞 基基

14、 分分 子子 量量功功 能能 3 6 5 1 2 決決 定定 哪哪 些些 基基 因因 被被 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 錄錄 1 5 0 6 1 8 催催 化化 功功 能能 1 5 5 6 1 3 結(jié)結(jié) 合合 D N A 模模 板板 7 0 2 6 3 辨辨 認(rèn)認(rèn) 起起 始始 點(diǎn)點(diǎn) 亞亞 基基 分分 子子 量量功功 能能 轉(zhuǎn)錄的終止轉(zhuǎn)錄的終止 指指RNARNA聚合酶在聚合酶在DNADNA模板上停頓下來(lái)不再前進(jìn)，模板上停頓下來(lái)不再前進(jìn)， 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNARNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來(lái)。鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來(lái)。 終止子及其結(jié)構(gòu)：終止子及其結(jié)構(gòu)： 概概念：念： DNA上提供上提供轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄停止信停止信號(hào)號(hào)的一段序列

15、的一段序列稱為終稱為終止子止子(terminator)， 是一是一個(gè)個(gè)基因的末端或是一基因的末端或是一個(gè)個(gè)操操縱縱子的末端的一段特定序列。子的末端的一段特定序列。 真核生物的轉(zhuǎn)錄真核生物的轉(zhuǎn)錄 轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始 真核生物真核生物 啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu) 核心啟動(dòng)子核心啟動(dòng)子（core promoter）：）： 指保證指保證RNA聚合酶聚合酶轉(zhuǎn)錄正常起始所必需的、最少的轉(zhuǎn)錄正常起始所必需的、最少的 DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游序列，包括轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游TATA區(qū)。區(qū)。 TATA 常在常在-25bp左右，相左右，相當(dāng)當(dāng)于原核的于原核的-10序列序列。 作用：選擇正

16、確的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，保證精確起始。作用：選擇正確的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，保證精確起始。 上游啟動(dòng)子元件上游啟動(dòng)子元件（upstream promoter element，UPE）：）： 包括包括CAATCAAT盒（盒（CCAATCCAAT）和）和GCGC盒（盒（GGGCGGGGGCGG）等）等 CAATCAAT盒：盒：-70 - -80bp-70 - -80bp； GCGC盒：盒：-80 - -110bp-80 - -110bp 作用：控制轉(zhuǎn)錄起始頻率作用：控制轉(zhuǎn)錄起始頻率。 真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄的起始步驟比較復(fù)雜，真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄的起始步驟比較復(fù)雜， 聚合酶聚合酶 II催化轉(zhuǎn)錄的催化轉(zhuǎn)錄的m RNA基因的基因的

17、啟動(dòng)子在啟動(dòng)子在-25b p中心處有中心處有-10b p盒盒 和和-110b p盒等。盒等。 轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增強(qiáng)子增強(qiáng)子 順式作用元件順式作用元件 (cis-acting element)(cis-acting element) 轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段 AATAAA 切離加尾切離加尾 轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn) 修飾點(diǎn)修飾點(diǎn) 外顯子外顯子 翻譯起始點(diǎn)翻譯起始點(diǎn) 內(nèi)內(nèi) 含含 子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚體八聚體 順式作用元件順式作用元件(cis-acting element) : 可影響自身基因表達(dá)活性的可影響自身基

18、因表達(dá)活性的DNA序列。序列。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors): 能直接或間接辨認(rèn)、結(jié)合順式作用元件并反式激活另一基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)。能直接或間接辨認(rèn)、結(jié)合順式作用元件并反式激活另一基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)。 轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子（(transcriptional factors, TF) :引起基因的轉(zhuǎn)錄引起基因的轉(zhuǎn)錄 反式作用因子中，直接或間接結(jié)合反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子。聚合酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子。 轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiation complex, PIC):(pre-initiation complex, PIC): 真核生物真核生物RNA-polRNA-pol不與不與DNADNA分子直接結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。分子直接結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。 轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng) 真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程與原核