第15章轉(zhuǎn)錄與基因表達調(diào)控(藥學版)

第十五章轉(zhuǎn)錄與基因表達調(diào)控Transcription，regulationofgeneexpression中心法則（centraldogma)轉(zhuǎn)錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過程。

轉(zhuǎn)錄RNADNA

反轉(zhuǎn)錄復制和轉(zhuǎn)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復制和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄（不對稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復制模板轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄（不對稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復制引物需要不需要轉(zhuǎn)錄Transcription第一節(jié)參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子一、轉(zhuǎn)錄模板DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)。

不對稱轉(zhuǎn)錄:DNA雙鏈中僅一股鏈可作為模板而轉(zhuǎn)錄，另一條鏈不轉(zhuǎn)錄；模板鏈并非永遠在同一單鏈上。5

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3

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模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向DNA雙鏈中按堿基配對規(guī)律能指引轉(zhuǎn)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）。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(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯二、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(jié)合核苷酸底物催化磷酸二酯鍵生成核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

（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(zhuǎn)錄產(chǎn)物部位核仁核質(zhì)核質(zhì)轉(zhuǎn)錄過程TheProcessofTranscription一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過程（一）轉(zhuǎn)錄起始（二）轉(zhuǎn)錄延長（三）轉(zhuǎn)錄終止（一）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題：RNA聚合酶必須準確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。位于基因上游，與RNA聚合酶識別、結(jié)合并起始轉(zhuǎn)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(gòu)成。RNA聚合酶保護法目錄開始轉(zhuǎn)錄(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205

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3

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原核生物啟動子的保守序列TTGACAAACTGT-35區(qū)RNA-pol辨認位點(recognitionsite)5

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RNA聚合酶結(jié)合區(qū)結(jié)構(gòu)基因3

3

被RNA聚合酶辨認的區(qū)段就是位于轉(zhuǎn)錄起始點-35區(qū)的TTGACA序列。RNA聚合酶與該區(qū)結(jié)合后，即滑動至-10區(qū)的TATAAT序列（Pribnow盒），并啟動轉(zhuǎn)錄。GpN結(jié)構(gòu)基因RNApol識別結(jié)合生成起始復合物轉(zhuǎn)錄延長轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄空泡也稱轉(zhuǎn)錄復合物，是RNA聚合酶的核心酶，DNA模板和轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA結(jié)合在一起的復合物。啟動子終止區(qū)pppGpppG（二）轉(zhuǎn)錄延長1.

亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)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目錄5

3

DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶1.依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止2.非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（三）轉(zhuǎn)錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復合物上脫落下來。分類（一）原核生物的轉(zhuǎn)錄終止ρ因子(Pr)1.識別結(jié)合富含C的RNA鏈功能:2.ATPase活性3.解螺旋酶(helicase)活性ρ因子+ATP5′3′Polymerase富含C25/501.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止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(zhuǎn)錄復合物種釋放。RNA轉(zhuǎn)錄后，形成特殊的結(jié)構(gòu)，以終止轉(zhuǎn)錄。2.不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。2.在發(fā)夾結(jié)構(gòu)的下游有polyU結(jié)構(gòu)。莖環(huán)（stemloop）或發(fā)夾（hairpin）結(jié)構(gòu)UUGCAGCCUGAGAAAUCAGGCUGAUGG…5’3’…5’3’自發(fā)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)UUUU………..5’3’1.莖環(huán)結(jié)構(gòu)改變RNApol的結(jié)構(gòu)，使其失活2.莖環(huán)結(jié)構(gòu)的形成使轉(zhuǎn)錄復合物趨于解體，polyU加速這一過程。莖環(huán)結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)錄終止的機理：莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾的形成使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄復合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。5′pppG53

35RNA-pol四.原核細胞的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)④核苷酸的修飾和異構(gòu)化五、真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾Post-transcriptionalModification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)

大多數(shù)真核mRNA的5′末端有一個特殊的結(jié)構(gòu)--帽子結(jié)構(gòu)：7-甲基鳥苷三磷酸（m7GpppN）。它是在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄后加工（一）首、尾的修飾5

端形成帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)5’－5’相對連接，又稱面對面核苷酸結(jié)構(gòu)(Confrontednucleotidestructure)帽子帽子結(jié)構(gòu)(7-甲基鳥嘌呤三磷酸鳥苷)5pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppGp…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM帽子結(jié)構(gòu)的生成5ppGp…磷酸酶Pi帽子結(jié)構(gòu)功能:1.能促進核蛋白體與mRNA的結(jié)合,加速翻譯起始速度,2.還可以增強mRNA的穩(wěn)定性長度：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)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（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(zhì)小分子核糖核蛋白體（拼接體,snRNP）snRNA真核生物結(jié)構(gòu)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(zhì)，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)2.外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)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。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(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾目錄雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA目錄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(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA；III：是常見的形成套索結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，剪接過程需酶及ATP。4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。snRNP與hnRNA結(jié)合成為并接體①目錄②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5?RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉(zhuǎn)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)二、tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA目錄RNAaseP、內(nèi)切酶目錄tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ATPADP目錄堿基修飾（2）還原反應如：UDHU

（3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應如：Uψ（4）脫氨反應如：A

I

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）目錄三、rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA內(nèi)含子內(nèi)含子28S5.8S18S第二節(jié)、基因表達調(diào)控

－－－轉(zhuǎn)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