转录与基因表达调控.ppt

第十五章,转录与基因表达调控 Transcription，regulation of gene expression,中心法则（central dogma) 转录 (transcription) 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录,反转录,复制和转录的相同点: 1.都是酶促的核苷酸聚合过程; 2.都以DNA为模板; 3.都需要依赖DNA的聚合酶; 4.聚合过程中都是核苷酸之间形成磷酸二酯键; 5.都是从5,到3,方向延伸聚核苷酸链; 6.都遵循碱基配对原则,复制和转录的区别,A,-,U,，,T,-,A,，,G,-,C,A,-,T,，,G,-,C,配对,mRNA,，,tRNA,，,rRNA,子代双链,DNA,（,半保留复制）,产物,RNA,聚合酶（,RNA,-,pol,）,DNA,聚合酶,酶,NTP,dNTP,模板链转录（不对称转录）,两股链均复制,模板,转录,复制,A,-,U,，,T,-,A,，,G,-,C,A,-,T,，,G,-,C,mRNA,，,tRNA,，,rRNA,子代双链,DNA,（,半保留复制）,RNA,聚合酶（,RNA,-,pol,）,DNA,聚合酶,NTP,dNTP,原料,模板链转录（不对称转录）,两股链均复制,引物,需要,不需要,转录 Transcription,第一节,参与转录的物质,原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA 酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子,一、转录模板,DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structural gene)。,不对称转录: DNA双链中仅一股链可作为模板而转录，另一条链不转录；模板链并非永远在同一单链上。,5 3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(template strand)，也称作有意义链。相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为反义链。,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,二、RNA聚合酶 这是一种不同于引物酶的依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）。,（一）原核生物的RNA聚合酶,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),（二）真核生物的RNA聚合酶,种类,对鹅膏蕈碱,的反应,45S,-,rRNA,hnRNA,5S,-,rRNA,tRNA,snRNA,耐受,极敏感,中度敏感,转录产物,RNA聚合酶的分子结构,转录过程 The Process of Transcription,一、原核生物的转录过程,（一）转录起始,（二）转录延长,（三）转录终止,（一）转录起始,转录起始需解决两个问题： RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。 DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。,位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA调控序列被称为启动子（promoter）。 启动子序列通常由一些带共性的保守序列构成。,原核生物启动子的保守序列,被RNA聚合酶辨认的区段就是位于转录起始点-35区的TTGACA序列。 RNA聚合酶与该区结合后，即滑动至-10区的TATAAT序列（Pribnow盒），并启动转录。,RNA pol识别结合,生成起始复合物,转录延长,转录终止,转录空泡,也称转录复合物，是RNA聚合酶的核心酶，DNA模板和转录产物RNA结合在一起的复合物。,（二）转录延长,1. 亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板迅速前移；,2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。50bp/s,目 录,5,3,DNA,原核生物转录过程中的羽毛状现象,核糖体,RNA,RNA聚合酶,1.依赖Rho ()因子的转录终止 2.非依赖Rho因子的转录终止,（三）转录终止,指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,分类,（一）原核生物的转录终止,因子 (Pr),1. 识别结合富含C的RNA链,功能:,2. ATPase活性,3. 解螺旋酶(helicase)活性,因子,+ATP,富含C,25/50,1.依赖Rho因子的转录终止,RNA pol,RNA pol失活,因子解螺旋酶活性使DNA/RNA杂化双链拆离，利于产物从转录复合物种释放。,RNA转录后，形成特殊的结构，以终止转录。,2. 不依赖因子的转录终止,特点：,1. RNA单链内部接近终止区域有富含G-C配对区，形成稳定的二级结构。,2. 在发夹结构的下游有poly U结构。,茎环（stemloop）或发夹（hairpin）结构,自发形成发夹结构,1.茎环结构改变RNA pol的结构，使其失活,2.茎环结构的形成使转录复合物趋于解体，poly U加速这一过程。,茎环结构使转录终止的机理：,茎环(stem-loop)/发夹的形成使RNA聚合酶变构，转录停顿； 当分子形成的局部双链时, DNA分子自然也要回复双链, 这就使本来就不稳定的杂化双链变的更不稳定,最终使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。,四.原核细胞的转录后加工 1.mRNA：很少进行加工和修饰 2.rRNA: 1)剪切：特定的RNA酶催化，将初级产物剪成16S，23S和5S三个片段 2)修饰：最常见的是2羟基甲基化 3.tRNA：由核酸内切酶在tRNA两端切断由核酸外切酶从3端逐个切去附加顺序,进行修饰在3端加上CCA-OH结构核苷酸的修饰和异构化,五、真核生物的转录后修饰 Post-transcriptional Modification,几种主要的修饰方式,1. 剪接(splicing),2. 剪切(cleavage),3. 修饰(modification),4. 添加(addition),一、真核生物mRNA的转录后加工,（一）首、尾的修饰,5端形成 帽子结构(m7GpppGp ),帽子结构(7-甲基鸟嘌呤三磷酸鸟苷),5 pppGp,帽子结构的生成,长度：100200个AMP。 PolyA 的长短与维持mRNA 作为翻译模板的活性，以及mRNA本身稳定性的因素有关。,3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail),1.对大多数基因进行研究,发现都没有相应的3端多聚T序列,说明poly A 的出现并不依赖于模板; 2.加入poly A 前,先要由核酸外切酶切除3端一些过剩的核苷酸,然后再加入poly A 3.在hnRNA上也发现poly A ，推测这一过程也在核内完成，并且先于mRNA的剪接,（二）mRNA的剪接,1. hnRNA 和 snRNA,核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA),真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。,断裂基因(splite gene),编码区 A、B、C、D,2. 外显子(exon)和内含子(intron),外显子 在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。 内含子 隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,目 录,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,DNA,mRNA,目 录,3. 内含子的分类,根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4类,I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的rRNA基因； II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA； III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子； IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。,4. mRNA的剪接, 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。,snRNP与hnRNA结合成为并接体,目 录, RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工,5. mRNA的编辑(mRNA editing),(C-U),二、tRNA的转录后加工,tRNA前体,目 录,目 录,tRNA核苷酸转移酶、连接酶,ATP,ADP,目 录,碱基修饰,目 录,三、rRNA的转录后加工,四、核 酶,具有酶促活性的RNA称为核酶。,核酶(ribozyme),上世纪80年代初，T.R.Cech在研究四膜虫的rRNA剪接中，发现反应体系中除去所有蛋白质后，剪接过程仍能完成，说明rRNA本身就有酶的催化作用。,四膜虫rRNA内含子的二级结构,四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式,5-端核苷酸序列,核酶研究的意义,核酶的发现，对中心法则作了重要补充； 核酶的发现是对传统酶学的挑战； 利用核酶的结构设计合成人工核酶 。,第二节 、基因表达调控 转录水平调节,一.基因表达的概念 1.基因：负载遗传信息的DNA片段 2.基因组：来自一个遗传体系的一整套遗传信息，原核生物-单个环状染色体，真核生物-染色体所包含的全部DNA 3.基因表达：基因转录与翻译的过程。,二.基因表达的特异性 1.时间的特异性（阶段特异性） 2.空间的特异性（细胞或组织特异性） 三.基因表达的生物学意义 1.适应环境，维持生长和增殖 2.维持个体发育与分化,（一）基因表达的多级调控,基因激活,转录后加工 mRNA降解,转录起始,原核生物基因转录调节特点,1.因子决定RNA聚合酶识别的特异性;,2.操纵子模型的普遍性,3.阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,操纵子（operon）：原核基因组中，由几个功能相关的调控结构基因及调节基因区组成一个基因表达的协同单位。 1961年，Jacob和J. Monod提出。 诱导操纵子：乳糖操纵子 阻遏操纵子：色氨酸操纵子, 操纵子(operon) 机制,二、乳糖操纵子调节机制,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,调控区,CAP结合位点,没有乳糖存在时,（二）阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,（三）CAP的正性调节,真核生物,不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列 ，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,（一）顺式作用元件,1. 启动子,真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。,（二）反式作用因子,1. 转录调节因子分类（按功能特性）,* 基本转录因子(general transcription factors),是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。,* 特异转录因子(special transcription factors),为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。,转录激活因子,转录抑制因子,2. 转录调节因子结构,最常见的DNA结合域,1. 锌指(zinc finger),C Cys H His,常结合GC盒,2. -螺旋转角螺旋,常结合CAAT盒,3. Leu拉链,习 题,名词解释 .不对称转录 .编码链 模板链 .splite gene .exon intron .hnRNA 6. 顺式作用元件，反式作用元件,习 题,选择 1识别转录起始点的是 ARNA聚合酶的亚基 BRNA聚合酶的亚基 CRNA聚合酶的亚基 DRNA聚合酶的因子 EdnaB蛋白 DNA上某段有意义链碱基顺序5GTCAACTAG3，转录后的mRNA上相应的碱基顺序为 A5-TGATCAGTC-3 B5-CUAGUUGAC-3 C5-CUUGAUC-3 D5-CTGACTAGT-3 E5-GACCUAGUU-3,D,B,在真核生物中，经RNA聚合酶催化的转录产物是 AhnRNA B18SrRNA C28SrRNA DtRNA E全部RNA tRNA和5SrRNA是由真核生物哪种酶催化转录产生的？ ARNA聚合酶 B逆转录酶 CRNA聚合酶 DRNA聚合酶全酶 ERNA聚合酶,A,E,因子的功能是 A在启动区域结合阻遏物 B增加RNA合成速率 C释放结合在启动子上的RNA聚合酶 D参加转录的终止过程 E允许特定转录的启动过程 原核生物的pribnow盒是 A转录的起始点 B翻译的起始点 CRNA聚合酶与DNA模板稳定结合处 DDNA聚合酶的活性中心 EDNA合成起始位点,D,C,外显子是 A不转录的DNA B基因突变的表现 C真核生物结构基因中的非编码序列 D真核生物结构基因中为蛋白质编码的序列 E断裂开的DNA片段 Pribnow box序列是指 AAATAAA BAAUAAA CTAAGGC DTTGACA ETATAAT,核酶（ribozyme） A有催化作用的蛋白质 B以NAD+为辅酶 C三叶草结构 D能催化RNA的自我剪接 E是由snRNA和蛋白质组成 10.下列关于复制和转录