轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄組學(xué)

關(guān)于轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄組學(xué)ReplicationReplicationTranscriptionReverseTranscriptionTranslation中心法則（thecentraldogma）第2頁,共188頁，星期六，2024年，5月第3頁,共188頁，星期六，2024年，5月TheRoyalSwedishAcademyofScienceshasdecidedtoawardtheNobelPrizeinChemistryfor2006toRogerD.Kornberg

StanfordUniversity,CA,USA"forhisstudiesofthemolecularbasisofeukaryotictranscription".第4頁,共188頁，星期六，2024年，5月RogerD.Kornberg,born1947(59)inStLouis,MO,USA(UScitizen).PhDfromStanfordUniversity,CA,USA.Mrs.GeorgeA.WinzerProfessorinMedicineatStanfordUniversitySchoolofMedicine,CA,USA.第5頁,共188頁，星期六，2024年，5月OriginalscientificarticlesCramer,P.,Bushnell,D.A.andKornberg,R.D.(2001)Structuralbasisoftranscription:RNApolymeraseIIat2.8?ngstromresolution.Science292,1863-1876.Gnatt,A.L.,Cramer,P.,Fu,J.,Bushnell,D.A.andKornberg,R.D.(2001)Structuralbasisoftranscription:AnRNApolymeraseIIelongationcomplexat3.3?resolution.Science292,1876-1882.Bushnell,D.A.,Westover,K.D.,Davis,R.E.andKornberg,R.D.(2004)Structuralbasisoftranscription:AnRNApolymeraseII–TFIIBcocrystalat4.5angstroms.Science303,983-988.

ReviewarticleBoeger,H.,Bushnell,D.A.,Davis,R.,Griesenbeck,J.,Lorch,Y.,Strattan,J.S.,Westover,K.D.andKornberg,R.D.(2005).Structuralbasisofeukaryoticgenetranscription.FEBSLett.579,899-903.第6頁,共188頁，星期六，2024年，5月

SeveroOchoaArthurKornberg1/2oftheprize1/2oftheprizeUSAUSANewYorkUniversity,CollegeofMedicine

NewYork,NY,USAStanfordUniversity

Stanford,CA,USAb.1905

(inLuarca,Spain)

d.1993b.1918

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1959"fortheirdiscoveryofthemechanismsinthebiologicalsynthesisofribonucleicacidanddeoxyribonucleicacid"第7頁,共188頁，星期六，2024年，5月2006年諾貝氏生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主Dr.FireAandDrMelloC第8頁,共188頁，星期六，2024年，5月第9頁,共188頁，星期六，2024年，5月主要內(nèi)容一、核糖核酸的類型、結(jié)構(gòu)和功能二、RNA的合成三、真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄后修飾四、轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控五、RNA分析六、轉(zhuǎn)錄組學(xué)第10頁,共188頁，星期六，2024年，5月一、核糖核酸的類型、結(jié)構(gòu)和功能類型編碼蛋白質(zhì)：編碼RNA和非編碼RNA功能：rRNA,tRNA,mRNA小RNA(snRNA,snoRNA,scRNA)第11頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.核糖核酸的結(jié)構(gòu)和功能4種核苷糖以磷酸二酯鍵連接的長鏈,A、U、C、G；戊糖是核糖。第12頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.1mRNA2.1.1.原核生物mRNA結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：（1）多順反子；（2）mRNA5′端無帽子結(jié)構(gòu)，3′端無多聚A尾；（3）mRNA一般沒有修飾堿基。第13頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.2.2.真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：（1）5′端有帽子結(jié)構(gòu)；（2）大多3′端有多聚A尾；（3）分子中可能有修飾堿基：主要有甲化；（4）分子中有編碼區(qū)與非編碼區(qū)。第14頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.2tRNA1.單鏈小分子；2.含有稀有堿基或修飾堿基；3.5′端總是磷酸化，5′末端往往是pG；4.3′端是CpCpAoH序列；5.三葉草結(jié)構(gòu)；6.三級(jí)結(jié)構(gòu)是倒L型。第15頁,共188頁，星期六，2024年，5月第16頁,共188頁，星期六，2024年，5月三級(jí)結(jié)構(gòu)呈倒L形第17頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.3rRNA：原核生物：70S--由50S和30S組成真核生物：80S--由60S和40S組成第18頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.4核酶：分三類：異體催化的剪切型；自體催化的剪切型；內(nèi)含子的自我剪接型。二級(jí)結(jié)構(gòu)：錘頭結(jié)構(gòu)；13（或11）個(gè)保守核苷酸。第19頁,共188頁，星期六，2024年，5月核酶的發(fā)現(xiàn)

1982年Cech在研究低等真核生物四膜蟲的rRNA加工成熟過程中發(fā)現(xiàn)其rRNA前體有自我剪接作用，即酶的作用，故把有催化活性的RNA稱核酶。第20頁,共188頁，星期六，2024年，5月底物部分含GU，催化部分包括3個(gè)莖。1～3個(gè)環(huán)，含13b保守序列CAAA，AC，AGUC，GUG核苷酸鏈斷裂點(diǎn)槌頭狀結(jié)構(gòu)，最簡單的核酶第21頁,共188頁，星期六，2024年，5月核酶的意義動(dòng)搖了酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)概念。為地球上生命起源早期可能是先出現(xiàn)RNA提供證據(jù)。為人工合成核酶以破壞某些病原微生物，消除體內(nèi)有害基因提供理論基礎(chǔ)。第22頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.5核內(nèi)不均一RNA（hnRNA）真核細(xì)胞mRNA的前體加工過程：5′端加帽；3′端加尾；內(nèi)含子的切除和外顯子的拼接；甲基化修飾；核苷酸序列的編輯作用。第23頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.6小分子核內(nèi)RNA（snRNA）：尿嘧啶含量較高—用U命名（U1---U10）U1、U2、U4、U5、U6位于核漿內(nèi)U3存在于核仁U7、U8、U9、U10只存在于哺乳動(dòng)物2.7反義RNA：可與mRNA形成雙鏈，抑制翻譯。2.8microRNA調(diào)節(jié)mRNA的水平第24頁,共188頁，星期六，2024年，5月二、RNA的合成----轉(zhuǎn)錄(transcription）指在RNA聚合酶催化下，以DNA為模板，NTP為原料，合成RNA的過程。第25頁,共188頁，星期六，2024年，5月轉(zhuǎn)錄概述DNA為模板合成RNA的過程RNA聚合酶原料：ATP，UTP，CTP，GTP(NTP)Mg2+，Mn2+合成方向：5′→3′

連接方式：3′,5′-磷酸二酯鍵第26頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.1轉(zhuǎn)錄模板

模板鏈（templatestrand）也稱反意義鏈（antisensestrand)鏈或Watson鏈，即指導(dǎo)轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股DNA單鏈。1.原核生物RNA的合成第27頁,共188頁，星期六，2024年，5月編碼鏈（codingstrand）也稱有意義鏈（sensestrand)或Crick鏈，指不被轉(zhuǎn)錄的DNA單鏈。其堿基序列除有T無U外，與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA相同。

第28頁,共188頁，星期六，2024年，5月5′……GCAGTACATGTC……..3′3′……cgt

catgta

cag

……..5′5′……

GCAGUACAUGUC..…..3′N……Ala

.Val.

His.Val……C

DNARNA肽轉(zhuǎn)錄翻譯編碼鏈模板鏈第29頁,共188頁，星期六，2024年，5月5'

3'5'3'5'5'不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄

結(jié)構(gòu)基因:能轉(zhuǎn)錄出RNA的DNA區(qū)段第30頁,共188頁，星期六，2024年，5月不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄(asymmetrictranscription）

DNA片段（結(jié)構(gòu)基因）轉(zhuǎn)錄時(shí)，雙鏈DNA中只有一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板，且模板鏈并非總在同一條單鏈上，這種轉(zhuǎn)錄方式稱為不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄。第31頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.2原核生物RNA聚合酶（DNA-dependentRNApolymerase，RNA-pol，DDRP）（1種）1.2.1.組成全酶：2′

（核心酶+）核心酶：2′第32頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.2.2.作用α亞基：

決定那些基因被轉(zhuǎn)錄。β亞基：

催化與模板配對(duì)的相鄰NTP以3′,5′-磷酸二酯鍵相連。β′亞基：促進(jìn)酶與模板鏈結(jié)合，并使DNA雙鏈打開。(核心酶：催化RNA鏈的延長，參與整個(gè)過程。)第33頁,共188頁，星期六，2024年，5月σ亞基：

辨認(rèn)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，并與核心酶結(jié)合成全酶啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。

σ70：辨認(rèn)一般轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)。

σ32：辨認(rèn)原核生物熱休克基因(hsp)的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)。

第34頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.2.3.特點(diǎn)聚合速率慢，30~50NTP/s。無外切酶活性，無校對(duì)功能，錯(cuò)誤率10-6。β亞基可被利福平，利福霉素結(jié)合、抑制。第35頁,共188頁，星期六，2024年，5月

原核生物的RNA聚合酶全酶及其在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合DNA雙鏈以打開，

因子尚未脫落

-35TTGACATATAAT

′+20

+1第36頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.3.模板與酶的辨認(rèn)結(jié)合啟動(dòng)子（promoter）轉(zhuǎn)錄開始進(jìn)行時(shí)，RNA聚合酶與模板結(jié)合的特定部位，也是調(diào)控轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵部位。第37頁,共188頁，星期六，2024年，5月原核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)識(shí)別部位：

-35bp區(qū)，TTGACA，因子識(shí)別此部位。結(jié)合部位：

-10bp區(qū)（Pribnowbox）

TATAAT，Tm低，DNA易解鏈。轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（startsite）：以+1表示第38頁,共188頁，星期六，2024年，5月RNApol保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)基因終止點(diǎn)+1第39頁,共188頁，星期六，2024年，5月第40頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.4.原核生物的轉(zhuǎn)錄過程σ識(shí)別起始位點(diǎn)，RNApol全酶解開雙鏈DNA10～20bp形成轉(zhuǎn)錄空泡。1.4.1.轉(zhuǎn)錄起始第41頁,共188頁，星期六，2024年，5月原核生物的RNA聚合酶全酶及其在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合DNA雙鏈以打開，

因子尚未脫落

-35TTGACATATAAT

′+20

+1第42頁,共188頁，星期六，2024年，5月全酶催化與模板配對(duì)結(jié)合的頭兩個(gè)NTP（GTP多見，或ATP）以磷酸二酯鍵相連成5′pppGpN-OH3′，轉(zhuǎn)錄泡變?yōu)檗D(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。RNApol(2′

)-DNA-pppGpN-OH。σ因子脫落，核心酶變構(gòu)，與模板鏈結(jié)合變松，沿DNA滑動(dòng)。第43頁,共188頁，星期六，2024年，5月第44頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.4.2.轉(zhuǎn)錄延長核心酶沿模板鏈3′→5′滑動(dòng)，催化與模板堿基配對(duì)結(jié)合的相鄰NTP之間以磷酸二酯鍵相連，RNA鏈沿5′→3′延長。轉(zhuǎn)錄泡隨核心酶滑動(dòng)而移動(dòng)，生成的RNA與DNA模板形成約12bp雜化雙鏈，過長的RNA脫離模板鏈，伸出轉(zhuǎn)錄泡外。第45頁,共188頁，星期六，2024年，5月第46頁,共188頁，星期六，2024年，5月

第47頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.4.3.轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄到終止信號(hào)時(shí),酶停止滑動(dòng),轉(zhuǎn)錄終止。第48頁,共188頁，星期六，2024年，5月終止信號(hào)（terminator）DNA特定部位富含GC回文區(qū)與富含AT配對(duì)區(qū)，轉(zhuǎn)錄后使mRNA形成發(fā)卡結(jié)構(gòu)，以終止轉(zhuǎn)錄。

蛋白輔助識(shí)別終止信號(hào)，參與終止。第49頁,共188頁，星期六，2024年，5月第50頁,共188頁，星期六，2024年，5月（1）非依賴因子的終止

GC區(qū)形成發(fā)卡結(jié)構(gòu)，聚U區(qū)配對(duì)不穩(wěn)定，使RNA釋放。第51頁,共188頁，星期六，2024年，5月5′5′第52頁,共188頁，星期六，2024年，5月（2）依賴

因子的終止沿RNA鏈5′→3′滑動(dòng)的因子追上RNApol，并與RNA中富C區(qū)結(jié)合，誘導(dǎo)RNA聚合酶構(gòu)象改變，

因子的解螺旋酶活性使RNA釋放。第53頁,共188頁，星期六，2024年，5月富Cpolymerasepolymerase第54頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.2.真核生物RNA的生物合成第55頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.2.1真核生物RNA聚合酶

種類IIIIII轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA鵝膏蕈堿耐受極敏感

中度敏感利福平不敏感不敏感不敏感亞細(xì)胞定位核仁核質(zhì)核質(zhì)分子量550KD600KD600KD第56頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.2.2.真核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)（以RNA

polⅡ?yàn)槔┳R(shí)別部位：-70區(qū)CAAT盒結(jié)合部位：-25區(qū)TATAbox（Hognessbox）

CAAT上游的GC盒含增強(qiáng)子(enhancer)和靜息子(silencer)第57頁,共188頁，星期六，2024年，5月+1增強(qiáng)子（+）靜息子（-）

基礎(chǔ)表達(dá)（啟動(dòng)子）結(jié)構(gòu)基因-25-70第58頁,共188頁，星期六，2024年，5月順式作用元件(cis-actingelement)

轉(zhuǎn)錄上游區(qū)與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的具有調(diào)控作用DNA序列。反式作用因子(trans-actingfactor)

能直接或間接辨認(rèn)、結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)。轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionalfactor,TF)

能直接或間接結(jié)合RNApol的反式作用因子。第59頁,共188頁，星期六，2024年，5月起始:復(fù)雜

DNA在開鏈前，需多種轉(zhuǎn)錄因子（TFⅡ）結(jié)合后，RNApolⅡ加入形成轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物（pre-initiationcomplex,PIC)。2.2.3.真核生物轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)：第60頁,共188頁，星期六，2024年，5月參與RNApolⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ轉(zhuǎn)錄因子分子量功能TFⅡA12，19，35穩(wěn)定TFⅡD結(jié)合TFⅡB33促進(jìn)polⅡ結(jié)合TFⅡD38辨認(rèn)TATA盒TFⅡE57(α)34(β)ATPaseTFⅡFTFIIH30，74

解旋酶蛋白激酶活性第61頁,共188頁，星期六，2024年，5月

TFⅡDTFⅡATFⅡBpolⅡ/TFⅡFTFⅡE

TATAPICTATAADBFDNARNApolⅡEHTFIIH第62頁,共188頁，星期六，2024年，5月延長：除轉(zhuǎn)錄和翻譯是兩個(gè)時(shí)空進(jìn)行外，與原核生物大致相似。

第63頁,共188頁，星期六，2024年，5月終止：●

mRNA3′端轉(zhuǎn)錄出AAUAAA及富GU序列后，在AAUAAA后約11～13b的修飾點(diǎn)（processing）被切斷，游離的mRNA戴帽、加尾。螺旋酶使在AAUAAA后繼續(xù)轉(zhuǎn)錄出的RNA脫離模板鏈，轉(zhuǎn)錄終止，RNApolⅡ脫落，該RNA被RNase水解。第64頁,共188頁，星期六，2024年，5月AAUAAA——GUGUGUG5′——AAUAAA——ployA真核生物的轉(zhuǎn)錄終止1323'processingGUGUGUG解螺旋酶核酸酶第65頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.mRNA前體的加工

hnRNA（核內(nèi)不均一RNA）：mRNA前體經(jīng)加工修飾后成為成熟的mRNA。三、真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾第66頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.1.5′末端加帽（核內(nèi)）5′末端帽子m7GpppG的生成第67頁,共188頁，星期六，2024年，5月G第68頁,共188頁，星期六，2024年，5月功能穩(wěn)定mRNA結(jié)構(gòu)給核蛋白體提供識(shí)別信號(hào)第69頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.2.3′末端加尾（核內(nèi)）轉(zhuǎn)錄終止時(shí)在修飾點(diǎn)切除多余的RNA。在polyA聚合酶催化下，以ATP為原料在修飾點(diǎn)后逐個(gè)加上AMP形成polyA尾(100～200b)。第70頁,共188頁，星期六，2024年，5月功能維持了mRNA的活性穩(wěn)定mRNA結(jié)構(gòu)參與mRNA由核進(jìn)入胞漿第71頁,共188頁，星期六，2024年，5月

斷裂基因(splitegene)：

真核生物的結(jié)構(gòu)基因（編碼序列）中插入若干非編碼序列而被隔開，故稱斷裂基因。1.3.剪接（splicing）（核內(nèi)）第72頁,共188頁，星期六，2024年，5月hnRNA(hetero-nuclearRNA):雜化核RNA:mRNA的前體,核內(nèi)出現(xiàn)的mRNA的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物.第73頁,共188頁，星期六，2024年，5月成熟mRNA與基因DNA雜交電鏡所見第74頁,共188頁，星期六，2024年，5月104318551129118143156第75頁,共188頁，星期六，2024年，5月

外顯子(exon)

在斷裂基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn),并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子(intron)

隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過程中被除去的核酸序列。第76頁,共188頁，星期六，2024年，5月內(nèi)含子的分類：按基因類型和剪接方式分為4種

I、II類；自身剪接(線粒體,葉綠體;rRNA,mRNA)III類：形成套索結(jié)構(gòu)后剪接(mRNA)IV類：剪接需酶和ATP(tRNA)按基因線性表達(dá)分為翻譯前切除，翻譯繞過，翻譯后切除3種。剪接方式第77頁,共188頁，星期六，2024年，5月第78頁,共188頁，星期六，2024年，5月內(nèi)含子的功能利于物種的進(jìn)化選擇基因表達(dá)的調(diào)控第79頁,共188頁，星期六，2024年，5月剪接：hnRNA剪切內(nèi)含子，拼接外顯子，連接為成熟mRNA的過程。剪接部位為內(nèi)含子末端的特定序列

5′-GU·······AG-3′套索的形成及剪除機(jī)制——二次磷酸酯轉(zhuǎn)移第80頁,共188頁，星期六，2024年，5月snRNA(smallnuclearRNA)

100－300bp的核內(nèi)小RNA.

已發(fā)現(xiàn)U1、U2、U4、U5、U6剪接體：snRNA和核內(nèi)蛋白質(zhì)構(gòu)成的小分子核糖核蛋白體（snRNP),能結(jié)合hnRNA內(nèi)含子區(qū)段，使內(nèi)含子彎曲，3′和5′靠近，利于剪接。第81頁,共188頁，星期六，2024年，5月第82頁,共188頁，星期六，2024年，5月第83頁,共188頁，星期六，2024年，5月第84頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.4.甲基化甲基化發(fā)生在剪接之前，在非編碼區(qū)分子含1~2個(gè)m6A。第85頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.5.RNA編輯（RNAediting）遺傳信息在mRNA水平上的改變過程，稱為RNA編輯。某些mRNA的核苷酸序列，在生成轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物后還需插入、刪除或取代一些核苷酸殘基，方能生成具有正確翻譯功能的模板。第86頁,共188頁，星期六，2024年，5月apoBmRNA的編輯加工第87頁,共188頁，星期六，2024年，5月

5′末端加帽

3′末端加尾（剪切內(nèi)含子，拼接外顯子）剪接hnRNAmRNA修飾編輯小結(jié)：第88頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工串聯(lián)tRNA初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物由RNaseP從tRNA單體的5′端切下單個(gè)tRNA。RNA內(nèi)切核酸酶切除反密碼環(huán)前身中內(nèi)含子，連接酶連接反密碼環(huán)。第89頁,共188頁，星期六，2024年，5月RNaseD從3′切下幾個(gè)核苷酸，核苷酸轉(zhuǎn)移酶催化3′末端加上?CCA?OH。甲基化：A→mA、G→mG（甲基轉(zhuǎn)移酶）還原：形成DHU環(huán)異構(gòu)：U→Ψ脫氨：A→I第90頁,共188頁，星期六，2024年，5月第91頁,共188頁，星期六，2024年，5月3.rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工3.1.特點(diǎn)rDNA為高度重復(fù)序列，真核生物初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為45SrRNA的串聯(lián)rRNA。

原核：5~107個(gè)拷貝真核：果蠅260個(gè)拷貝第92頁,共188頁，星期六，2024年，5月3.2.過程RNA內(nèi)切酶（多種）切下45SrRNA的單位，甲基化后切成18S、5.8S和28SrRNA。5SrRNA由RNApolⅢ從rDNA外轉(zhuǎn)錄出，無成熟過程。第93頁,共188頁，星期六，2024年，5月第94頁,共188頁，星期六，2024年，5月四、轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控第95頁,共188頁，星期六，2024年，5月第96頁,共188頁，星期六，2024年，5月第97頁,共188頁，星期六，2024年，5月基因表達(dá)（geneexpression）是指基因組中結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等過程，合成蛋白質(zhì)，進(jìn)而發(fā)揮其特定的生物學(xué)功能的全過程。第98頁,共188頁，星期六，2024年，5月RNA的合成

4種NTP、DNA模板、RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄單位：結(jié)構(gòu)基因、啟動(dòng)子、終止子按堿基配對(duì)原則,沿5’---3’方向真核生物有三型RNA聚合酶分為起始階段、延長階級(jí)和終止階段轉(zhuǎn)錄后的產(chǎn)物經(jīng)加工成為成熟的RNA第99頁,共188頁，星期六，2024年，5月蛋白質(zhì)的合成合成體系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖體、某些酶與蛋白質(zhì)因子、ATP、GTP、MgmRNA編碼區(qū)的三個(gè)相鄰核苷酸組成密碼子tRNA起接合器作用，核糖體是合成場所和裝配機(jī)核糖體循環(huán)：起始、肽鏈延長和終止翻譯后加工：折疊、共價(jià)修飾、水解和亞單位的聚合第100頁,共188頁，星期六，2024年，5月基因表達(dá)及其調(diào)控的特點(diǎn)管家基因（housekeepinggene）在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。組成性基因表達(dá)（constitutivegeneexpression）管家基因的表達(dá)方式，較少受環(huán)境影響，在個(gè)體各生長階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)或變化很小。第101頁,共188頁，星期六，2024年，5月誘導(dǎo)表達(dá)（inductionexpression）有一些基因表達(dá)極易受環(huán)境影響，在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，基因的表達(dá)開放或增強(qiáng)。阻遏表達(dá)（repressionexpression）在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，基因的表達(dá)關(guān)閉或減弱。第102頁,共188頁，星期六，2024年，5月時(shí)間特異性（temporalspecificity）在多細(xì)胞生物，從受精卵到組織、器官形成的各個(gè)發(fā)育階段，相應(yīng)的基因嚴(yán)格按照一定的時(shí)間順序開啟或關(guān)閉。空間特異性（spatialspecificity）在個(gè)體生長全過程，某基因產(chǎn)物在不同組織空間順序出現(xiàn)。第103頁,共188頁，星期六，2024年，5月協(xié)調(diào)表達(dá)（coordinatedexpression）功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。又稱協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（coordinatedregulation）第104頁,共188頁，星期六，2024年，5月基因表達(dá)的調(diào)控（geneexpressionregulation）是指各種細(xì)胞中相同的遺傳信息，有規(guī)律的選擇性、程序性、適度的表達(dá)以適應(yīng)機(jī)體生長、發(fā)育、繁殖以及環(huán)境變化的需要，發(fā)揮其生理功能的調(diào)節(jié)和控制。第105頁,共188頁，星期六，2024年，5月基因表達(dá)調(diào)控的生理意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖維持個(gè)體發(fā)育與分化第106頁,共188頁，星期六，2024年，5月基因表達(dá)調(diào)控的基本原理基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本因素特異DNA序列調(diào)節(jié)蛋白DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用RNA聚合酶第107頁,共188頁，星期六，2024年，5月Transcription5’GATCTGACTGACATAGACATAGAT3’

coding(=non-template)strand3’CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA5’

templatestrand

5’GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU3’mRNA

第108頁,共188頁，星期六，2024年，5月

4.1.原核生物基因表達(dá)的調(diào)控第109頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.1.1轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

影響轉(zhuǎn)錄的因素啟動(dòng)子σ因子阻遏蛋白正調(diào)控蛋白倒位蛋白R(shí)NA聚合酶抑制物衰減子第110頁,共188頁，星期六，2024年，5月操縱子（operon）調(diào)控區(qū)信息區(qū)啟動(dòng)子操縱基因第111頁,共188頁，星期六，2024年，5月啟動(dòng)子決定轉(zhuǎn)錄方向及模板鏈：E.coli的啟動(dòng)子長約40-60bp，至少包括三個(gè)功能區(qū)。起始部位（initiationsite）＋1結(jié)合部位（bindingsite）-10bp，RNA聚合酶與之結(jié)合T80A95T45A60A50T96識(shí)別部位（recognitionsite）-35bp，σ因子與之結(jié)合T82G78A65C54A95第112頁,共188頁，星期六，2024年，5月σ因子不同的因子σ可以競爭性的結(jié)合RNA聚合酶,環(huán)境變化可由到產(chǎn)生特定的σ因子，從而打開一套特定的基因。阻遏蛋白（repressor）與DNA結(jié)合后都是抑制轉(zhuǎn)錄，這種基因表達(dá)調(diào)控的方式稱為負(fù)調(diào)控。第113頁,共188頁，星期六，2024年，5月正調(diào)控蛋白與DNA結(jié)合后促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，這種基因表達(dá)調(diào)控的方式稱為正調(diào)控。CAP蛋白(catabolicgeneactivatorprotein，CAP)分解代謝物基因活化蛋白ntrC蛋白是大腸桿菌氮代謝基因激活蛋白，其自身活性可通過ntrB使其磷酸化（有活性）和去磷酸化（無活性）而被調(diào)節(jié)第114頁,共188頁，星期六，2024年，5月consensusTATA(Pribnow)boxE.coliPromoters

第115頁,共188頁，星期六，2024年，5月倒位蛋白（inversionprotein）是一種位點(diǎn)特異的重組酶。沙門菌H1和H2鞭毛蛋白分別由兩個(gè)基因編碼，在一個(gè)細(xì)菌克隆中以表達(dá)一種鞭毛抗原為主。衰減子（attenuator）又稱弱化子，位于操縱子中第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因之前，是一段能減弱轉(zhuǎn)錄作用的序列。第116頁,共188頁，星期六，2024年，5月RNA聚合酶抑制物細(xì)菌在缺乏氨基酸的環(huán)境中，RNA聚合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成減少或停止這種現(xiàn)象稱為嚴(yán)謹(jǐn)反應(yīng)（stringentresponse）第117頁,共188頁，星期六，2024年，5月Positivevs.NegativeRegulation第118頁,共188頁，星期六，2024年，5月AllostericEffectorsBindingcanalsoberequiredforbindingofrepressor(e.g.Trp)orcanblockanactivator.第119頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.1.2.轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子調(diào)控的機(jī)制阿拉伯糖操縱子的調(diào)控機(jī)制色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制第120頁,共188頁，星期六，2024年，5月乳糖操縱子（lacoperon）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三個(gè)結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A，分別編碼β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)、透酶(permease)和半乳糖苷乙酰化酶(galactosideacetylase)其上游還有一個(gè)啟動(dòng)子（P）和一個(gè)操縱基因（O）啟動(dòng)子上游還有一個(gè)CAP蛋白結(jié)合位點(diǎn)第121頁,共188頁，星期六，2024年，5月OrganizationofLacOperonandLacIOperonpromoterRibosomeinitiation第122頁,共188頁，星期六，2024年，5月RegulationofGeneExpressionIPTGalsoinducesSplitslactoselactosetransport??（異丙基硫代半乳糖苷）半乳糖第123頁,共188頁，星期六，2024年，5月第124頁,共188頁，星期六，2024年，5月cAMPAMPACAdenylatecyclaseandCAPmediateglucoserepressionofLacAdenylatecyclase(AC)isanenzymethatsynthesizescyclicAMP(cAMP)fromATPHighglucose

adenylatecyclaseisinhibited(indirectly,viaacatabolicproduct)

ThereforecAMPlevelsareLOWAbsenceofglucose

adenylatecyclaseisNOTrepressed

ThereforecAMPlevelsareHIGHcAMPformsacomplexwiththeCAPprotein,whichallowsittothenbindtotheCAPsiteupstreamoftheLacoperon.BindingoftheCAPproteinisrequiredtoallowRNApolymerasetobindtothelacpromoterandturnontranscription.IntheabsenceofCAPbinding,thereisno(orverylittle)transcriptionofthelactoseoperon,eveninthepresenceoflactose.glucose第125頁,共188頁，星期六，2024年，5月CAPBindingBendsDNAvThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding第126頁,共188頁，星期六，2024年，5月CAPmediatesglucoserepressionofLacPromotestranscription第127頁,共188頁，星期六，2024年，5月調(diào)控機(jī)制I基因編碼產(chǎn)生阻遏蛋白，阻遏蛋白為四聚體，在沒有乳糖的條件下，阻遏基因與操縱基因結(jié)合。當(dāng)有乳糖存在時(shí)，經(jīng)透酶作用進(jìn)入細(xì)胞，在β-半乳糖苷酶催化下轉(zhuǎn)變成半乳糖，后者作為誘導(dǎo)劑（inducer）與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白與操縱基因解聚，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。第128頁,共188頁，星期六，2024年，5月Lactose

Glucose-+--+-++LacICAP-cAMPFourStatesoftheLacOperon第129頁,共188頁，星期六，2024年，5月

阿拉伯糖操縱子（araoperon）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因B、A、D，分別編碼異構(gòu)酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸木酮糖調(diào)控區(qū)由啟動(dòng)子（P）、起始區(qū)（I）和操縱基因（O）構(gòu)成第130頁,共188頁，星期六，2024年，5月CAP第131頁,共188頁，星期六，2024年，5月調(diào)控機(jī)制C基因是調(diào)節(jié)基因，編碼調(diào)控蛋白AraC，AraC蛋白單獨(dú)存在時(shí)，結(jié)合到araO1和araO2，表現(xiàn)出負(fù)調(diào)控；阿拉伯糖使AraC蛋白變構(gòu)，結(jié)合到araI上，表現(xiàn)正調(diào)控。在ara操縱子基因表達(dá)調(diào)控中，CAP蛋白的調(diào)控作用不顯著。第132頁,共188頁，星期六，2024年，5月TheArabinoseOperon

ThislooppreventsRNAtranscription(NOTtrueforallloops)NoArabinosepresent,operonOFFArabinosepresent,Glucoseabsent,operonON第133頁,共188頁，星期六，2024年，5月調(diào)控作用有葡萄糖，有或無阿拉伯糖：關(guān)閉無葡萄糖，無阿拉伯糖：關(guān)閉無葡萄糖，有阿拉伯糖：開放第134頁,共188頁，星期六，2024年，5月

色氨酸操縱子（trpoperon）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)E.coli的色氨酸操縱子有五個(gè)結(jié)構(gòu)基因E、D、C、B、A基因編碼三種酶，用于合成色氨酸，上游調(diào)控區(qū)由啟動(dòng)子（P）和操縱基因（O）組成R基因編碼阻遏蛋白第135頁,共188頁，星期六，2024年，5月第136頁,共188頁，星期六，2024年，5月GenomicOrganizationoftheTrpOperon

第137頁,共188頁，星期六，2024年，5月調(diào)控機(jī)制阻遏型操縱子及衰減機(jī)制。衰減子位于結(jié)構(gòu)基因E和操縱基因O之間的L基因中。L基因的部分轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物編碼14個(gè)氨基酸，其中含兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，這兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子及原核生物中轉(zhuǎn)錄和翻譯的偶聯(lián)是產(chǎn)生衰減的基礎(chǔ)。調(diào)控作用將環(huán)境中的色氨酸消耗完，然后開始自身合成。第138頁,共188頁，星期六，2024年，5月ControlofGeneExpressionintheTrpOperonTheenzymecatalyzingthefirststepinthepathwayisinhibitedbyTrp(feedbackcontrol).InthepresenceofTrp,arepressorproteinbindstoanoperatorupstreamoftheTrpoperonandshutsofftranscriptionAttenuation.Thereisa160basepairregionintheTrpmRNAthatcausestranscriptiontoterminateprematurelyifTrpispresent.第139頁,共188頁，星期六，2024年，5月TrranscriptionalControl第140頁,共188頁，星期六，2024年，5月AttenuationControl第141頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.1.2.翻譯水平的調(diào)控SD序列（Shine-Dalgarnosequence）原核細(xì)胞多順反子mRNA上的一段序列，位于起始密碼子上游SD序列與起始密碼子的距離、蛋白質(zhì)對(duì)SD序列的作用，影響翻譯的起始mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)隱蔽SD序列的作用第142頁,共188頁，星期六，2024年，5月mRNA的穩(wěn)定性mRNA的降解速度是翻譯調(diào)控的一個(gè)重要因素mRNA的穩(wěn)定與其序列和結(jié)構(gòu)（即一級(jí)結(jié)構(gòu)與次級(jí)結(jié)構(gòu)）有關(guān)第143頁,共188頁，星期六，2024年，5月翻譯產(chǎn)物對(duì)自身翻譯的影響核糖體蛋白50種蛋白質(zhì)分布于不同操縱子各自編碼一種可結(jié)合于mRNA多順反子上游特定部位的蛋白質(zhì)，阻止核蛋白體結(jié)合翻譯終止因子RF2調(diào)節(jié)自身的翻譯前25個(gè)密碼子與后315個(gè)密碼子間的UGAC在無RF2時(shí)框移第144頁,共188頁，星期六，2024年，5月小分子RNA的調(diào)控作用調(diào)整基因表達(dá)產(chǎn)物的類型mRNA干擾性互補(bǔ)RNA（mRNAinterferingcomplementaryRNA，micRNA）低水平表達(dá)基因的調(diào)控小分子RNA阻遏物在翻譯水平嚴(yán)格控制低水平基因表達(dá)第145頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.真核基因的表達(dá)調(diào)控第146頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.1.

DNA水平的調(diào)控染色質(zhì)丟失低等生物及動(dòng)物紅細(xì)胞，不可逆基因擴(kuò)增基因重排

基因片段改變?cè)暯禹樞?，重排為完整的轉(zhuǎn)錄單位第147頁,共188頁，星期六，2024年，5月DNA甲基化與基因的表達(dá)成反比關(guān)系直接改變基因的構(gòu)型影響轉(zhuǎn)錄因子與順式作用元件結(jié)合5′端調(diào)控序列甲基化后與核內(nèi)甲基化CG序列結(jié)合蛋白結(jié)合DNaseⅠ高敏感區(qū)為去甲基化的標(biāo)志染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變組蛋白與DNA結(jié)合與解離非組蛋白與組蛋白競爭結(jié)合DNA，解除組蛋白對(duì)基因表達(dá)的抑制第148頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.2.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成:真核生物的RNA聚合酶識(shí)別的不是單純的DNA序列，而是由一個(gè)通用轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactor,TF）與DNA形成的蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物TFIID結(jié)合TATA盒RNA聚合酶結(jié)合TFⅡD，形成閉合的復(fù)合物其它TF與RNA聚合酶形成開放的復(fù)合物第149頁,共188頁，星期六，2024年，5月反式作用因子真核細(xì)胞內(nèi)序列特異的DNA（8-15bp）結(jié)合蛋白可以使基因開放（正調(diào)控）或關(guān)閉（負(fù)調(diào)控）三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合域，轉(zhuǎn)錄活性域，結(jié)合其它蛋白結(jié)構(gòu)域第150頁,共188頁，星期六，2024年，5月DNAStructure–Major

andMinorGrooves第151頁,共188頁，星期六，2024年，5月DNA結(jié)合域（DNA-bindingdomain）鋅指結(jié)構(gòu)（Zincfingermotif）同源結(jié)構(gòu)域（Homodomain）亮氨酸拉鏈（Leucinezipper）螺旋－環(huán)－螺旋(Helix-loop-helixstructure)堿性α螺旋（Alkalineα-helix）第152頁,共188頁，星期六，2024年，5月ZincFingerMotif第153頁,共188頁，星期六，2024年，5月Helix-Turn-HelixMotif第154頁,共188頁，星期六，2024年，5月LeucineZipper第155頁,共188頁，星期六，2024年，5月LeucineZipperZipper:every7thresidueisaLeu

Hydrophobicinterface第156頁,共188頁，星期六，2024年，5月H-BondinginaProtein-DNAInteraction第157頁,共188頁，星期六，2024年，5月轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域（transcriptionalactivationdomain）酸性α-螺旋結(jié)構(gòu)域（acidicα–helixdomain）富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域（glutamine-richdomain）富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域（proline-richdomain）第158頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.3.轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控反式作用因子的活性調(diào)節(jié)表達(dá)式調(diào)節(jié)合成后即有活性，不能積累共價(jià)修飾磷酸化、去磷酸化，糖基化配體結(jié)合激素受體蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用復(fù)合物的解離與形成第159頁,共188頁，星期六，2024年，5月反式作用因子與順式元件的結(jié)合反式作用因子的作用方式成環(huán)扭曲滑動(dòng)Oozing反式作用因子的組合式調(diào)控作用組合式基因調(diào)控（conbinatorialgeneregulation）幾種反式作用因子組合而發(fā)揮特定作用第160頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.4.轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控加帽和加尾的調(diào)控意義選擇剪接的調(diào)控作用選擇剪接（alternativesplicing）：exon，intron是否出現(xiàn)在成熟mRNA是可以選擇的Exon選擇，intron選擇，互斥exon，內(nèi)部剪接位點(diǎn)mRNA運(yùn)輸?shù)目刂频?61頁,共188頁，星期六，2024年，5月第162頁,共188頁，星期六，2024年，5月第163頁,共188頁，星期六，2024年，5月第164頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.5.翻譯水平的調(diào)控翻譯起始的調(diào)控阻遏蛋白的調(diào)控作用翻譯起始因子的功能調(diào)控AUG對(duì)翻譯的調(diào)控mRNA5′非編碼區(qū)長度對(duì)翻譯的影響mRNA穩(wěn)定性調(diào)節(jié)小分子RNA對(duì)翻譯水平的影響第165頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.6.翻譯后水平的調(diào)控新生肽鏈的水解肽鏈中氨基酸殘基的修飾通過信號(hào)肽分揀、運(yùn)輸、定位第166頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.7.組織特異性表達(dá)和時(shí)相性Spatialrestrictionofgeneexpression(c.p:housekeepinggenes)Multipleorgan/tissuepattern(e.g.