轉錄與基因表達調(diào)控

關于轉錄與基因表達調(diào)控第一頁，共九十頁，2022年，8月28日中心法則（centraldogma)轉錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過程。

轉錄RNADNA

反轉錄第二頁，共九十頁，2022年，8月28日復制和轉錄的相同點:1.都是酶促的核苷酸聚合過程;2.都以DNA為模板;3.都需要依賴DNA的聚合酶;4.聚合過程中都是核苷酸之間形成磷酸二酯鍵;5.都是從5,到3,方向延伸聚核苷酸鏈;6.都遵循堿基配對原則第三頁，共九十頁，2022年，8月28日復制和轉錄的區(qū)別A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復制）產(chǎn)物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP模板鏈轉錄（不對稱轉錄）兩股鏈均復制模板轉錄復制A-U，T-A，G-CA-T，G-CmRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復制）RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶NTPdNTP

原料模板鏈轉錄（不對稱轉錄）兩股鏈均復制引物需要不需要第四頁，共九十頁，2022年，8月28日轉錄Transcription第一節(jié)第五頁，共九十頁，2022年，8月28日參與轉錄的物質原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質因子第六頁，共九十頁，2022年，8月28日一、轉錄模板DNA分子上轉錄出RNA的區(qū)段，稱為結構基因(structuralgene)。

不對稱轉錄:DNA雙鏈中僅一股鏈可作為模板而轉錄，另一條鏈不轉錄；模板鏈并非永遠在同一單鏈上。第七頁，共九十頁，2022年，8月28日5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結構基因轉錄方向轉錄方向第八頁，共九十頁，2022年，8月28日DNA雙鏈中按堿基配對規(guī)律能指引轉錄生成RNA的一股單鏈，稱為模板鏈(templatestrand)，也稱作有意義鏈（負鏈）。相對的另一股單鏈是編碼鏈(codingstrand)，也稱為反義鏈（正鏈）。第九頁，共九十頁，2022年，8月28日5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質轉錄翻譯第十頁，共九十頁，2022年，8月28日二、RNA聚合酶這是一種不同于引物酶的依賴DNA的RNA聚合酶（DDRP）。（一）原核生物的RNA聚合酶結合核苷酸底物催化磷酸二酯鍵生成第十一頁，共九十頁，2022年，8月28日第十二頁，共九十頁，2022年，8月28日核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)第十三頁，共九十頁，2022年，8月28日（二）真核生物的RNA聚合酶種類ⅠⅡⅢ對鵝膏蕈堿的反應45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受極敏感中度敏感轉錄產(chǎn)物部位核仁核質核質第十四頁，共九十頁，2022年，8月28日轉錄過程TheProcessofTranscription第十五頁，共九十頁，2022年，8月28日一、原核生物的轉錄過程（一）轉錄起始（二）轉錄延長（三）轉錄終止第十六頁，共九十頁，2022年，8月28日（一）轉錄起始轉錄起始需解決兩個問題：RNA聚合酶必須準確地結合在轉錄模板的起始區(qū)域。DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉錄的模板。第十七頁，共九十頁，2022年，8月28日位于基因上游，與RNA聚合酶識別、結合并起始轉錄有關的一些DNA調(diào)控序列被稱為啟動子（promoter）。啟動子序列通常由一些帶共性的保守序列構成。第十八頁，共九十頁，2022年，8月28日RNA聚合酶保護法目錄第十九頁，共九十頁，2022年，8月28日開始轉錄(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335原核生物啟動子的保守序列TTGACAAACTGT-35區(qū)RNA-pol辨認位點(recognitionsite)55RNA聚合酶結合區(qū)結構基因33第二十頁，共九十頁，2022年，8月28日第二十一頁，共九十頁，2022年，8月28日被RNA聚合酶辨認的區(qū)段就是位于轉錄起始點-35區(qū)的TTGACA序列。RNA聚合酶與該區(qū)結合后，即滑動至-10區(qū)的TATAAT序列（Pribnow盒），并啟動轉錄。第二十二頁，共九十頁，2022年，8月28日GpN結構基因RNApol識別結合生成起始復合物轉錄延長轉錄終止轉錄空泡也稱轉錄復合物，是RNA聚合酶的核心酶，DNA模板和轉錄產(chǎn)物RNA結合在一起的復合物。啟動子終止區(qū)pppGpppG第二十三頁，共九十頁，2022年，8月28日（二）轉錄延長1.亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構，與模板結合松弛，沿著DNA模板迅速前移；

2.在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。50bp/s第二十四頁，共九十頁，2022年，8月28日目錄第二十五頁，共九十頁，2022年，8月28日53DNA原核生物轉錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶第二十六頁，共九十頁，2022年，8月28日1.依賴Rho(ρ)因子的轉錄終止2.非依賴Rho因子的轉錄終止（三）轉錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，轉錄產(chǎn)物RNA鏈從轉錄復合物上脫落下來。分類（一）原核生物的轉錄終止ρ因子(Pr)1.識別結合富含C的RNA鏈功能:2.ATPase活性3.解螺旋酶(helicase)活性第二十七頁，共九十頁，2022年，8月28日ρ因子+ATP5′3′Polymerase富含C25/501.依賴Rho因子的轉錄終止第二十八頁，共九十頁，2022年，8月28日RNApol5′3′RNApol失活ρ因子解螺旋酶活性使DNA/RNA雜化雙鏈拆離，利于產(chǎn)物從轉錄復合物種釋放。第二十九頁，共九十頁，2022年，8月28日RNA轉錄后，形成特殊的結構，以終止轉錄。2.不依賴ρ因子的轉錄終止特點：1.RNA單鏈內(nèi)部接近終止區(qū)域有富含G-C配對區(qū)，形成穩(wěn)定的二級結構。2.在發(fā)夾結構的下游有polyU結構。莖環(huán)（stemloop）或發(fā)夾（hairpin）結構第三十頁，共九十頁，2022年，8月28日UUGCAGCCUGAGAAAUCAGGCUGAUGG…5’3’…5’3’自發(fā)形成發(fā)夾結構第三十一頁，共九十頁，2022年，8月28日UUUU………..5’3’1.莖環(huán)結構改變RNApol的結構，使其失活2.莖環(huán)結構的形成使轉錄復合物趨于解體，polyU加速這一過程。第三十二頁，共九十頁，2022年，8月28日莖環(huán)結構使轉錄終止的機理：莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾的形成使RNA聚合酶變構，轉錄停頓；當ＲＮＡ分子形成的局部雙鏈時,DNA分子自然也要回復雙鏈,這就使本來就不穩(wěn)定的雜化雙鏈變的更不穩(wěn)定,最終使轉錄復合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。5′pppG5335RNA-pol第三十三頁，共九十頁，2022年，8月28日四.原核細胞的轉錄后加工1.mRNA：很少進行加工和修飾2.rRNA:1)剪切：特定的RNA酶催化，將初級產(chǎn)物剪成16S，23S和5S三個片段2)修飾：最常見的是2’羥基甲基化3.tRNA：①由核酸內(nèi)切酶在tRNA兩端切斷②由核酸外切酶從3’端逐個切去附加順序,進行修飾③在3’端加上CCA-OH結構④核苷酸的修飾和異構化第三十四頁，共九十頁，2022年，8月28日五、真核生物的轉錄后修飾Post-transcriptionalModification第三十五頁，共九十頁，2022年，8月28日幾種主要的修飾方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修飾(modification)4.

添加(addition)第三十六頁，共九十頁，2022年，8月28日

大多數(shù)真核mRNA的5′末端有一個特殊的結構--帽子結構：7-甲基鳥苷三磷酸（m7GpppN）。它是在轉錄產(chǎn)物的5′末端加上了一個甲基化的鳥苷酸形成的。一、真核生物mRNA的轉錄后加工（一）首、尾的修飾5端形成帽子結構(m7GpppGp—)第三十七頁，共九十頁，2022年，8月28日5’－5’相對連接，又稱面對面核苷酸結構(Confrontednucleotidestructure)帽子帽子結構(7-甲基鳥嘌呤三磷酸鳥苷)第三十八頁，共九十頁，2022年，8月28日5pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥苷酸轉移酶5

m7GpppGp…甲基轉移酶SAM帽子結構的生成5ppGp…磷酸酶Pi第三十九頁，共九十頁，2022年，8月28日帽子結構功能:1.能促進核蛋白體與mRNA的結合,加速翻譯起始速度,2.還可以增強mRNA的穩(wěn)定性第四十頁，共九十頁，2022年，8月28日長度：100－200個AMP。

PolyA的長短與維持mRNA作為翻譯模板的活性，以及mRNA本身穩(wěn)定性的因素有關。3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)第四十一頁，共九十頁，2022年，8月28日1.對大多數(shù)基因進行研究,發(fā)現(xiàn)都沒有相應的3’端多聚T序列,說明polyA的出現(xiàn)并不依賴于模板;2.加入polyA前,先要由核酸外切酶切除3’端一些過剩的核苷酸,然后再加入polyA

3.在hnRNA上也發(fā)現(xiàn)polyA

，推測這一過程也在核內(nèi)完成，并且先于mRNA的剪接第四十二頁，共九十頁，2022年，8月28日第四十三頁，共九十頁，2022年，8月28日（二）mRNA的剪接1.

hnRNA

和snRNA核內(nèi)的初級mRNA稱為雜化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核內(nèi)的蛋白質小分子核糖核蛋白體（拼接體,snRNP）snRNA第四十四頁，共九十頁，2022年，8月28日真核生物結構基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitegene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)第四十五頁，共九十頁，2022年，8月28日2.外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子在斷裂基因及其初級轉錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。第四十六頁，共九十頁，2022年，8月28日雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉錄、轉錄后修飾目錄第四十七頁，共九十頁，2022年，8月28日雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA目錄第四十八頁，共九十頁，2022年，8月28日3.

內(nèi)含子的分類根據(jù)基因的類型和剪接的方式，通常把內(nèi)含子分為4類I：主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉錄產(chǎn)物是mRNA；III：是常見的形成套索結構后剪接，大多數(shù)mRNA基因有此類內(nèi)含子；IV：是tRNA基因及其初級轉錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，剪接過程需酶及ATP。第四十九頁，共九十頁，2022年，8月28日4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。snRNP與hnRNA結合成為并接體①目錄第五十頁，共九十頁，2022年，8月28日②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5第五十一頁，共九十頁，2022年，8月28日?RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉錄后加工，是可有多用途分化的，因此也稱為分化加工5.mRNA的編輯(mRNAediting)人類apoB基因mRNA（14500個核苷酸）肝臟apoB100（分子量為500000）腸道細胞apoB48（分子量為240000）mRNA編輯(C-U)第五十二頁，共九十頁，2022年，8月28日二、tRNA的轉錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA目錄第五十三頁，共九十頁，2022年，8月28日RNAaseP、內(nèi)切酶目錄第五十四頁，共九十頁，2022年，8月28日tRNA核苷酸轉移酶、連接酶ATPADP目錄第五十五頁，共九十頁，2022年，8月28日堿基修飾（2）還原反應如：UDHU

（3）核苷內(nèi)的轉位反應如：Uψ（4）脫氨反應如：AI

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）目錄第五十六頁，共九十頁，2022年，8月28日三、rRNA的轉錄后加工轉錄45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA內(nèi)含子內(nèi)含子28S5.8S18S第五十七頁，共九十頁，2022年，8月28日第二節(jié)、基因表達調(diào)控

－－－轉錄水平調(diào)節(jié)一.基因表達的概念1.基因：負載遺傳信息的DNA片段2.基因組：來自一個遺傳體系的一整套遺傳信息，原核生物-單個環(huán)狀染色體，真核生物-染色體所包含的全部DNA3.基因表達：基因轉錄與翻譯的過程。第五十八頁，共九十頁，2022年，8月28日二.基因表達的特異性1.時間的特異性（階段特異性）2.空間的特異性（細胞或組織特異性）三.基因表達的生物學意義1.適應環(huán)境，維持生長和增殖2.維持個體發(fā)育與分化第五十九頁，共九十頁，2022年，8月28日基因表達的多級調(diào)控基因激活轉錄后加工mRNA降解蛋白質降解等蛋白質翻譯翻譯后加工修飾轉錄起始第六十頁，共九十頁，2022年，8月28日操縱子（operon）：原核基因組中，由幾個功能相關的結構基因及調(diào)節(jié)基因區(qū)組成一個基因表達的協(xié)同單位。1961年，Jacob和J.Monod提出。誘導操縱子：乳糖操縱子阻遏操縱子：色氨酸操縱子第六十一頁，共九十頁，2022年，8月28日

蛋白質因子——操縱子(operon)

機制特異DNA序列編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)第六十二頁，共九十頁，2022年，8月28日二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結構

調(diào)控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D移酶ZYAOPDNAI第六十三頁，共九十頁，2022年，8月28日mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOP沒有乳糖存在時（二）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)阻遏基因pol第六十四頁，共九十頁，2022年，8月28日mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第六十五頁，共九十頁，2022年，8月28日++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時（三）CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第六十六頁，共九十頁，2022年，8月28日（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)※當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；※如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。（弱啟動子））單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

第六十七頁，共九十頁，2022年，8月28日mRNA無乳糖時有乳糖時

無葡萄糖cAMP濃度高

有葡萄糖cAMP濃度低RNA-polOOOO第六十八頁，共九十頁，2022年，8月28日TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶?三、轉錄終止的調(diào)節(jié)（一）色氨酸操縱子結構色氨酸操縱子

A

BC

D

EL第六十九頁，共九十頁，2022年，8月28日UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列衰減子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結構能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……第七十頁，共九十頁，2022年，8月28日UUUU……34UUUU3’34核糖體前導肽前導mRNA1.當色氨酸濃度高時轉錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結構就是終止子可使轉錄前導DNAUUUU3’RNA聚合酶終止第七十一頁，共九十頁，2022年，8月28日UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽前導mRNA15’trp密碼子

結構基因前導DNARNA聚合酶2.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關結構基因被轉錄序列3、4不能形成衰減子結構第七十二頁，共九十頁，2022年，8月28日真核生物1)順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達活性的DNA序列BADNA編碼序列轉錄起始點不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒