轉(zhuǎn)錄與基因表達調(diào)控

關(guān)于轉(zhuǎn)錄與基因表達調(diào)控中心法則（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)錄第2頁,共90頁，2024年2月25日，星期天復制和轉(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第3頁,共90頁，2024年2月25日，星期天復制和轉(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第4頁,共90頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)錄Transcription第一節(jié)第5頁,共90頁，2024年2月25日，星期天參與轉(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)因子第6頁,共90頁，2024年2月25日，星期天一、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。第7頁,共90頁，2024年2月25日，星期天5

3

3

5

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)錄方向第8頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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）。第9頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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)錄翻譯第10頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、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第11頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共90頁，2024年2月25日，星期天核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

第13頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（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)第14頁,共90頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)錄過程TheProcessofTranscription第15頁,共90頁，2024年2月25日，星期天一、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)錄終止第16頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（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。第17頁,共90頁，2024年2月25日，星期天位于基因上游，與RNA聚合酶識別、結(jié)合并起始轉(zhuǎn)錄有關(guān)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。第18頁,共90頁，2024年2月25日，星期天RNA聚合酶保護法目錄第19頁,共90頁，2024年2月25日，星期天開始轉(zhuǎn)錄(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205

3

3

5

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

5

RNA聚合酶結(jié)合區(qū)結(jié)構(gòu)基因3

3

第20頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共90頁，2024年2月25日，星期天被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。第22頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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第23頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（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第24頁,共90頁，2024年2月25日，星期天目錄第25頁,共90頁，2024年2月25日，星期天5

3

DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶第26頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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)活性第27頁,共90頁，2024年2月25日，星期天ρ因子+ATP5′3′Polymerase富含C25/501.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止第28頁,共90頁，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雜化雙鏈拆離，利于產(chǎn)物從轉(zhuǎn)錄復合物種釋放。第29頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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)第30頁,共90頁，2024年2月25日，星期天UUGCAGCCUGAGAAAUCAGGCUGAUGG…5’3’…5’3’自發(fā)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)第31頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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。第32頁,共90頁，2024年2月25日，星期天莖環(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第33頁,共90頁，2024年2月25日，星期天四.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)化第34頁,共90頁，2024年2月25日，星期天五、真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾Post-transcriptionalModification第35頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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36頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

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—)第37頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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)第38頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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第39頁,共90頁，2024年2月25日，星期天帽子結(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)定性第40頁,共90頁，2024年2月25日，星期天長度：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(guān)。3

端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)第41頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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42頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（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第44頁,共90頁，2024年2月25日，星期天真核生物結(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)第45頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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。第46頁,共90頁，2024年2月25日，星期天雞卵清蛋白基因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)錄后修飾目錄第47頁,共90頁，2024年2月25日，星期天雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA目錄第48頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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。第49頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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目錄第50頁,共90頁，2024年2月25日，星期天②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5第51頁,共90頁，2024年2月25日，星期天?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)第52頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA目錄第53頁,共90頁，2024年2月25日，星期天RNAaseP、內(nèi)切酶目錄第54頁,共90頁，2024年2月25日，星期天tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ATPADP目錄第55頁,共90頁，2024年2月25日，星期天堿基修飾（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）目錄第56頁,共90頁，2024年2月25日，星期天三、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57頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第二節(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(zhuǎn)錄與翻譯的過程。第58頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二.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59頁,共90頁，2024年2月25日，星期天基因表達的多級調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾轉(zhuǎn)錄起始第60頁,共90頁，2024年2月25日，星期天操縱子（operon）：原核基因組中，由幾個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)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61頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

蛋白質(zhì)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62頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI第63頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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64頁,共90頁，2024年2月25日，星期天mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第65頁,共90頁，2024年2月25日，星期天++++轉(zhuǎn)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66頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)※當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)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(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)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67頁,共90頁，2024年2月25日，星期天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68頁,共90頁，2024年2月25日，星期天TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶?三、轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)節(jié)（一）色氨酸操縱子結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子

A

BC

D

EL第69頁,共90頁，2024年2月25日，星期天UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導序列衰減子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……第70頁,共90頁，2024年2月25日，星期天UUUU……34UUUU3’34核糖體前導肽前導mRNA1.當色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導DNAUUUU3’RNA聚合酶終止第71頁,共90頁，2024年2月25日，星期天UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽前導mRNA15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導DNARNA聚合酶2.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)第72頁,共90頁，2024年2月25日，星期天真核生物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(zhuǎn)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、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。

第73頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）順式作用元件1.啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制