-第五章+转录2-6

1、第五章 转录 生物信息的传递一 1、转录定义、转录定义：以双链以双链DNA为模板合成单链为模板合成单链RNA 的过程。的过程。RNA 合成以合成以 53方向进行，其序列与方向进行，其序列与 DNA 链中的有义链相同。链中的有义链相同。RNA合成的模板是反合成的模板是反 义链。义链。 2、转录所必需的组分、转录所必需的组分: 模板、启动子、模板、启动子、RNA聚合酶、聚合酶、NTPs、终止子、终止子 (-) strand is antisense strand. (+) strand is sense strand 3、 转录包括：转录包括：起始、延伸起始、延伸和和终止终止三个步骤，分三个步骤，

2、分 别由别由启动子和聚合酶启动子和聚合酶、聚合酶和终止子聚合酶和终止子来完成。来完成。 ATACG TATGC promoter terminatorTranscribed region DNA Antisense strand +1 RNA Transcription AUACG 转录单元的结构如下图所示：转录单元的结构如下图所示： 启动子（启动子（promoter）：）：用于用于RNA聚合酶结合到模板上并聚合酶结合到模板上并 完成起始反应的完成起始反应的DNA序列。序列。 a.起始：起始： RNA 聚合酶结合到聚合酶结合到 dsDNA上，然后上，然后RNA 聚合酶聚合酶 滑动至发现滑动至发

3、现 promoter，打开，打开 DNA 螺旋，在转录螺旋，在转录 起始点（记作起始点（记作+1）处开始合成）处开始合成RNA链，并形成转链，并形成转 录泡。录泡。 b.延伸：延伸： 在在 3-end添加核苷酸，沿添加核苷酸，沿5 3 方向由方向由RNA 聚合酶聚合酶 延伸延伸RNA链（链（E. coli: 40 nt/sec)。酶本身在反义。酶本身在反义 DNA链上由链上由 3向向 5 方向移动。方向移动。 RNA hairpin (发卡发卡) structure 5 NNNNAAGCGCCGNNNNCCGGCGCUUUUUU -OH N C N N N CG CG GC CG GC GC

4、AU AU NNNN UUUU-OH c.终止：终止： 二、转录机器的主要成分 1. RNA聚合酶 以DNA双链为模板，以四种核苷三磷酸为底 物，以Mg2+/Mn2+为辅助因子，催化RNA 链合成的酶。 不能以RNA或RNA-DNA双链杂合体为模板。 RNA polymerase：以以DNA为模板合成为模板合成RNA的酶。的酶。 . 聚合不需要引物的存在。聚合不需要引物的存在。 . 需要有需要有 DNA 才有活性，而且才有活性，而且 绝大多数活性的发挥要以双链绝大多数活性的发挥要以双链 DNA 做模板做模板. 以以5 3方向进行方向进行 合成。合成。. RNA 合成的活性发挥需要合成的活性发挥

5、需要Mg2+； . 所有的所有的RNA聚聚 合酶都缺乏合酶都缺乏 3 5 外切酶外切酶的活性的活性, 通常每合成通常每合成104105 核苷酸会核苷酸会 发生一个相关的错误。发生一个相关的错误。 . 通常为多亚单位酶，但并不总是有多通常为多亚单位酶，但并不总是有多 个亚单位构成。个亚单位构成。 The polymerases of bacteriophage T3 和 T7噬菌体的聚合 酶是一条小的多肽链，他们合成 RNA 迅速 (200 nt/sec) 并且 能够识别其自身的启动子，该启动子与 E. coli 的启动子不同。 . 在不同的生命有机体中各不相同；在不同的生命有机体中各不相同；

6、. E. coli 有一个专一有一个专一 的的DNA-指导的指导的 RNA 聚合酶，聚合酶， 可合成所有类型的可合成所有类型的 RNA. 2. 转录复合物 转录可分为识别、起始、延伸和终止四个阶 段。 识别时形成封闭复合物，DNA双链打开则变 成开放复合物，最初两个核苷酸结合成磷 酸二酯键后就成了三元复合物，三元复合 物或是进入流产起始或是脱落因子，进入 延伸阶段，延伸复合物相当稳定，只有遇 到终止信号才从DNA模板上脱落下来。 1. 原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶 465kd E. coli RNA 聚合酶聚合酶: 全酶全酶: 2 进行起始进行起始 核心酶核心酶: 2 用于延伸用于延

7、伸 各亚基的功能：各亚基的功能： 识别启动子识别启动子 RNA合成；合成； 抑制剂：利福霉素，利抑制剂：利福霉素，利 迪链霉素迪链霉素 负责与负责与DNA结合结合 增强聚合酶与启动增强聚合酶与启动 子的专一性结合。子的专一性结合。许多许多 原核生物包含有大量的原核生物包含有大量的 因子因子 以识别不同的启动以识别不同的启动 子子. 最常见的是最常见的是 E. coli 的的 70. 酶复合物中圆柱形孔道能够直酶复合物中圆柱形孔道能够直 接与接与DNA 的的16bp结合，整个聚结合，整个聚 合酶结合合酶结合DNA超过超过60 bp. RNA 合成速率合成速率: 40 nt/sec at 37oC

8、 2.2.启动子启动子 位于转录起始点上游位于转录起始点上游 (position +1), 因此启动子序列分布因此启动子序列分布 在在-bp处。含有短的保守序列，特异性识别并结合处。含有短的保守序列，特异性识别并结合RNA聚合聚合 酶酶 ，进行转录的起始。由，进行转录的起始。由一个一个40 到到 60 bp 的序列组成的序列组成 -55 to +20: 结合聚合酶，结合聚合酶， -20 to +20: 紧密结合聚合酶，防止紧密结合聚合酶，防止 核酸酶核酸酶I切割，切割， -10和和 35序列对于启动子的功能非常重要。序列对于启动子的功能非常重要。 -5-8 bp- G C T A TTGACA

9、 TATAAT -16-18 bp- +1 -35 sequence-10 sequence 超过超过90%的基因的转录起始点是一个嘌呤的基因的转录起始点是一个嘌呤 在在+1 位置位置G 比比 A更为常见更为常见 通常在转录起始核苷酸的两侧是通常在转录起始核苷酸的两侧是 C 和和 T (i.e. CGT or CAT) 3.3.转录起始点转录起始点 The sequences of five E. coli promoters Consensus TTGACATATAAT a.不同启动子之间在序列上有一定数量的变 化，其转录效率可相差1000倍。 b. 35 序列, -10 序列, 和转录起始

10、位点附近 的序列都影响着转录起始的效率。 c.所转录的最初的 30 个碱基序列控制着 RNA 聚合酶越过启动子的速率, 因而影响着 转录速度和整个启动子的强度。 d.有些启动子在正常条件下不能足以起始转 录，必须有活化因子参与才能进行。例如, Lac promoter Plac 需要cAMP 受体蛋白 (CRP )的参与。 4. 启动子效率 5.5.启动子的确定启动子的确定 通过足迹分析实验通过足迹分析实验 确定，确定，是鉴定某些是鉴定某些 蛋白与蛋白与DNA结合，结合， 从而保护了该处的从而保护了该处的 化学健，防止核酸化学健，防止核酸 酶的攻击。酶的攻击。 Binding 6.6.转录过程

11、及特点转录过程及特点 核心酶与核心酶与DNA 松散结合后，松散结合后， 因子加入，增因子加入，增 强了（强了（100倍）倍） 酶与启动子的酶与启动子的 结合；全酶滑结合；全酶滑 动识别动识别35和和 10 序列并快序列并快 速形成紧密复速形成紧密复 合物合物 Unwinding Initiation Elongation Termination 聚合酶解旋的聚合酶解旋的 启动促使开放启动促使开放 复合物形成复合物形成 不需要引物，开始于不需要引物，开始于GTP (more common) 或或 ATP 的的RNA合成，合成， 在酶不移动的情况下常形成在酶不移动的情况下常形成流产流产 起始（起始

12、（2-9nt），这种流产起始的），这种流产起始的 经历对转录效率非常重要，当超经历对转录效率非常重要，当超 过过9nt的核苷酸形成后，的核苷酸形成后，因子脱因子脱 落释放，进入延伸。起始最短时落释放，进入延伸。起始最短时 间为间为1-2sec。 7.RNA 7.RNA 链的终止链的终止 在终止子在终止子 DNA序列处发生终止序列处发生终止. 终止信号是终止信号是 RNA发发 夹结构夹结构 (self-complement structure)，通常富含，通常富含 GC有利于发夹结构的稳定性；后接寡聚有利于发夹结构的稳定性；后接寡聚U。 终止可分为终止可分为 因子非依赖性因子非依赖性和和因子依赖

13、性因子依赖性终止。终止。 Class 1: Rho protein (r) independent.Class 1: Rho protein (r) independent. (1) (1) 自自 我互补区形成茎环或发夹结构我互补区形成茎环或发夹结构, , 随着移动模板链随着移动模板链 中的腺苷酸被转录成中的腺苷酸被转录成RNARNA中的尿苷酸中的尿苷酸. . Class 2: Rho protein (r) dependent.Class 2: Rho protein (r) dependent. 只形成茎只形成茎 环或发夹结构环或发夹结构. . E. coli. 中中非非 依赖性依赖性 转

14、录终转录终 止模型止模型 A-U 降降 低了稳低了稳 定性有定性有 利于转利于转 录终止录终止 因因 子子 依依 赖赖 性性 转转 录录 终终 止止 模模 型型 RNA 聚合酶和聚合酶和DNA聚合酶行驶功能上的区别聚合酶行驶功能上的区别 RNA polDNA pol 模板模板dsDNA 更好更好ss/dsDNA 需要引物否需要引物否不需要不需要需要需要 起始起始启动子启动子复制起点复制起点 延伸延伸40 nt/ sec900 bp/sec 终止终止合成合成 RNA 形成形成DNA 四、真核生物的转录四、真核生物的转录 1 1、真核生物的、真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶 真核生物有三种不同的

15、真核生物有三种不同的RNARNA聚合酶，其特性和功聚合酶，其特性和功 能各不相同。能各不相同。 （1）与原核生物转录的异同）与原核生物转录的异同： 真核生物转录机制类似于原核生物的转录机制；但真核生物转录机制类似于原核生物的转录机制；但 真核生物转录有更多的蛋白因子的参与，因而比原真核生物转录有更多的蛋白因子的参与，因而比原 核生物转录更复杂；三种转录酶转录不同的基因；核生物转录更复杂；三种转录酶转录不同的基因； 另外，真核生物在线粒体（另外，真核生物在线粒体（mitochondria）和叶绿）和叶绿 体（体（ chloraplasts）中有额外的）中有额外的RNA聚合酶。聚合酶。 （2 2）

16、真核）真核RNA RNA 聚合酶的分类聚合酶的分类 三种聚合酶转录不同的基因，他们的活性是依据三种聚合酶转录不同的基因，他们的活性是依据 对对 -鹅篙蕈碱（鹅篙蕈碱（the fungal toxin -amanitin）的敏）的敏 感程度不同而区分的。感程度不同而区分的。 RNA pol I 位于细胞核仁内，位于细胞核仁内， 用于绝大多数用于绝大多数 rRNA 前体的合成前体的合成. RNA pol II 位于核质中，位于核质中， 用于用于 mRNA 前体和一些前体和一些 小核小核 RNA的合成的合成. RNA polymerase III 位于核质中，用于合成前体位于核质中，用于合成前体 形

17、式的形式的 5S RNA, tRNAs 和其他和其他 小核小核RNA和细胞液和细胞液 RNA. TypeLocationSubstrateSensitivity to - amanitin RNA Pol INucleoliMost rRNAs gene Insensitive RNA Pol Nucleopla sm All protein- coding genes and some snRNA genes Very sensitive RNA Pol Nucleopla sm tRNAs, 5srRNA, U6snRNA， other small RNAs Moderately sens

18、itive Three eukaryotic polymerases （3 3）RNA RNA 聚合酶的组成聚合酶的组成 a.a.3 3种种聚合酶都由聚合酶都由2 2个个大亚基，大亚基，1212个个以上的小亚以上的小亚 基组成；基组成； b.b.在在3 3种聚合酶之间，最大种聚合酶之间，最大2 2个亚基个亚基，至少至少5 5个个 小亚基小亚基的基因编码区具有同源性；的基因编码区具有同源性；4-74-7种小亚种小亚 基为各种基为各种RNARNA聚合酶特有；聚合酶特有； c.c.都具有原核都具有原核RNA RNA 聚合酶核心聚合酶核心 2 2同源的亚同源的亚 基；基； d.d.最大亚基与最大亚基与

19、 相似，次最大亚基与相似，次最大亚基与 相似。相似。 (4)(4)真核真核RNARNA聚合酶的活性聚合酶的活性 与原核细胞中的与原核细胞中的RNARNA聚合酶相似之处聚合酶相似之处 1 1）、）、 按按5 35 3方向合成方向合成RNARNA链；链； 2)2)、底物为、底物为4 4种三磷酸核苷酸：种三磷酸核苷酸：ATPATP，GTPGTP， UTP UTP 和和CTPCTP； 3 3）、）、 不需要引物；不需要引物； 与细菌与细菌RNA聚合酶不同之处聚合酶不同之处 1）在结合和起始转录之前需要辅助因子用于）在结合和起始转录之前需要辅助因子用于 DNA 的结合的结合. 2）在）在RNA Pol

20、II 的的C-末端末端 含有一个七氨基酸重含有一个七氨基酸重 复的伸长区复的伸长区 a.氨基酸序列氨基酸序列: Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser，命，命 名为碳末端结构域（名为碳末端结构域（ carboxyl terminal domain， CTD),不同物种重复次数不同：不同物种重复次数不同：重复重复 26 次次 (yeast), 52 次次(mouse) b. 参与聚合酶的磷酸化参与聚合酶的磷酸化 由于由于 RNA Pol II 催化所有真核编码基因的催化所有真核编码基因的 蛋白的合成，因此它是研究不同基因表达的蛋白的合成，因此它是研究不同基因表达的 最重要的最重要

21、的 RNA 聚合酶聚合酶. 体外研究表明转录起始阶段体外研究表明转录起始阶段CTD是非磷酸化是非磷酸化 的，但在的，但在RNA polymerase离开离开 promoter进进 行转录延伸时行转录延伸时CTD发生了磷酸化。发生了磷酸化。 CTD尾显然是各种转录延伸活化的一个重要尾显然是各种转录延伸活化的一个重要 靶标靶标 2 2、RNA RNA 聚合酶聚合酶转录的基因转录的基因 核糖体RNA重复序列是由RNA聚合酶I 来转录的 （1）rRNA 基因基因 （2）RNA Pol I 启动子启动子 （3）RNA 的辅助因子及其作用的辅助因子及其作用 （1）核糖体）核糖体RNA 基因基因 a.在真核

22、生物中在真核生物中18S, 5.8S 和和 28S rRNA 基因组成基因组成 一个单一的转录单元一个单一的转录单元. 经转录产生一个经转录产生一个45S rRNA, 随后被加工成随后被加工成 18S, 5.8S 和和28S rRNA. b.前体前体rRNA 转录单元在基因组中呈长串连排布，转录单元在基因组中呈长串连排布， 其间由不进行转录的间隔序列分隔其间由不进行转录的间隔序列分隔. c. rRNA 基因的连续多拷贝转录可为核糖体装配基因的连续多拷贝转录可为核糖体装配 提供充足的提供充足的rRNAs d. rRNA 基因环绕在一起形成核仁并被称作核仁基因环绕在一起形成核仁并被称作核仁 组织区

23、组织区. e. 在在 rRNA 合成过程中合成过程中, 前体前体rRNA 转录物沿着转录物沿着 rRNA 基因包装基因包装, 在电镜下呈现在电镜下呈现“圣诞树圣诞树”样结构样结构 （箭头状）。（箭头状）。 A single transcription unit Tandem array 5 clusters; 40 copies/cluster in human 5000 nt2000 nt160 nt （2）RNA Pol I 启动子启动子 A.在转录起始点上游区有两部分序列组成在转录起始点上游区有两部分序列组成, 包括包括 核心元件和上游控制元件核心元件和上游控制元件. B.人类细胞中的人

24、类细胞中的RNA Pol I 启动子已被详细的研启动子已被详细的研 究究. 核心元件核心元件: -45 to +20, 足够用于转录起始足够用于转录起始. 其其 中中31 to +6 是必须的是必须的. 上游控制元件上游控制元件( Upstream control element， UCE): -180 to -107, 可以增加转录效率可以增加转录效率. 两个区域都富含有两个区域都富含有 G:C, 具有具有85% 同源性同源性. RNA Pol I promoters in human cells -180 to -107-45 to +20 与单独由核心启动子所起的作用相比，与单独由核心启

25、动子所起的作用相比，UCE 可增强转录效率达可增强转录效率达 10-100倍倍 (3) RNA Pol I 的两个辅助因子及其在转 录起始中的作用 A. Upstream binding factorA. Upstream binding factor (UBF) (UBF)：是与是与UCE结合结合 的特异性的特异性DNA结合蛋白结合蛋白, 并与并与 核心元件的上游结合核心元件的上游结合. UBF 是高水平转录所必需的是高水平转录所必需的. B. Selectivity factor 1 B. Selectivity factor 1 (SL1)(SL1)：自身不与启动子直接自身不与启动子直接

26、 结合，其结合有稳定结合，其结合有稳定 UBF-DNA 复合物的作用复合物的作用. 与核心启动与核心启动 子下游部分相互作用，召集子下游部分相互作用，召集RNA Pol I 结合并起始转录结合并起始转录. IIA +25+50-75-50-25+1+75 Eukaryotic RNA polymerase II TFIID TBP TAFs RNA polymerase Eukaryotic RNA polymerase I UBF1 SL1 TBP Pol I IIIA IIICIIIC TFIIIB TBP Pol III Eukaryotic RNA polymerase III TAT

27、AInr IIB Pol IIa IIF IIE IIH Pol IIa Subunits of SL1 SL1 由由 4 种蛋白组成种蛋白组成. TBP (TATA-binding protein) 也是也是 RNA Pol II 和和 III进进 行转录起始所必需的一个因子行转录起始所必需的一个因子. 是真核生物转录中确是真核生物转录中确 保保RNA Pol正确结合到转录起始点的关键性基本因正确结合到转录起始点的关键性基本因 子子. 其他的三个亚单位其他的三个亚单位 是指是指 TBP 附属因子附属因子 (TAFs)， 是是 RNA Pol I 转录所需的特转录所需的特 异性因子异性因子.

28、TBP (Tata- binding protein) 结合到结合到 TATA盒盒 3 3、 RNA Pol III: 5S RNA Pol III: 5S 和和 tRNA tRNA 转录转录 RNA polymerase III Promoters tRNA and 5S rRNA genes Alternative RNA Pol III promoters RNA Pol III termination （1）RNA 聚合酶聚合酶III 至少含有至少含有16个不同的亚单位；位于核质中；合成个不同的亚单位；位于核质中；合成5S rRNA, tRNAs 和其他和其他snRNAs 以及细胞质以

29、及细胞质 RNAs （2）RNA 聚合酶聚合酶 III作用的启动子作用的启动子 可以在起始点下游由两部分序列组成可以在起始点下游由两部分序列组成, 含有含有boxA 和和 boxC 或或 boxB. 或者可以由位于起始点上游的分散序或者可以由位于起始点上游的分散序 列列(Oct, PSE, TATA) 组成组成. （3）tRNA 基因基因 A. tRNA的转录控制区的转录控制区 (promoters) 位于转录起始点之后。位于转录起始点之后。 B. 两个高度保守的序列存在于两个高度保守的序列存在于 tRNA 编码区编码区, 称为称为 A box 和和 B box. 这些序列也编码这些序列也编码

30、 tRNA 自身的一些重要序列自身的一些重要序列, 如如D-loop 和和 T C-loop psai. tRNAs中高度保守的序列也是高度保守的启动子中高度保守的序列也是高度保守的启动子DNA序列序列 TFIIIC 结合到结合到 A 和和 B 盒上盒上 TFIIIB 与与A盒上游盒上游50bp处结处结 合，含有合，含有3个亚单位，包括个亚单位，包括 TBP、 BRF 和和 B，其结合依，其结合依 赖于赖于TFIIIC 募集募集RNA Pol III （4）5S rRNA基因基因 在一个基因簇中串联排列在一个基因簇中串联排列. 在人类在人类, 一个簇一个簇 大约有大约有2000个基因个基因.

31、转录控制区的结构类似于转录控制区的结构类似于 tRNA, 只是只是 C 盒盒 代替了代替了 B盒盒. C盒盒: +81-99 bp; A和和: +50-65 TFIIIA 作为富集因子允许作为富集因子允许 TFIIIC 与与 5S rRNA 启动子相互作用启动子相互作用. TFIIIC 结合到结合到 TFIIIA-DNA 复合物上复合物上. 此复合物进一步与此复合物进一步与 TFIIIB 结合结合, 募集募集 聚合酶并起始转录聚合酶并起始转录. TFIIIA TFIIIC TFIIIB Pol III GTFs for RNA polymerase III IIA +25+50-75-50-2

32、5+1+75 Eukaryotic RNA polymerase II TFIID TBP TAFs RNA polymerase Eukaryotic RNA polymerase I UBF1 SL1 TBP Pol I IIIA IIICIIIC TFIIIB TBP Pol III Eukaryotic RNA polymerase III TATAInr IIB Pol IIa IIF IIE IIH Pol IIa （5）选择性）选择性RNA Pol 启动子启动子 许多许多RNA Pol III 转录的基因转录的基因 (snRNAs and cytosolic RNAs) 也依赖上

33、游的调节序列来进行。也依赖上游的调节序列来进行。 例如例如: U6 snRNA 只利用转录起始点上游的调节基因只利用转录起始点上游的调节基因. 也含有一个特征性的也含有一个特征性的 A盒盒, 但不是转录所需要的但不是转录所需要的 含有典型的含有典型的 RNA Pol II 启动子启动子, 包括一个包括一个 TATA 盒盒. 共同的转录因子能调节共同的转录因子能调节 RNA Pol II 和和Pol III 转录基因转录基因 （6）RNA Pol III 终止终止 RNA聚合酶能在没有辅助因子的参与下终止转录聚合酶能在没有辅助因子的参与下终止转录. 如一个多聚腺苷残基通常足以终止如一个多聚腺苷残

34、基通常足以终止. e.g. 在非洲爪蟾中在非洲爪蟾中, 序列序列 5-GCAAAAGC-3 就可以成就可以成 为转录终止信号为转录终止信号. 4 4、RNA Pol II RNA Pol II 转录转录hnRNAhnRNA和部分和部分snRNAsnRNA （1）RNA Pol II （2）调控元件）调控元件 启动子启动子 上游调控元件上游调控元件 增强子增强子 （3）参与）参与RNA聚合酶聚合酶II的的基本转基本转 录因子录因子及及RNA PolII的起始的起始 （1）RNA Pol II 位于细胞核核质中，催化编码所有蛋白质基因的前体位于细胞核核质中，催化编码所有蛋白质基因的前体 mRNA以

35、及部分以及部分snRNA的形成的形成. （2） 调控元件调控元件 A. 启动子启动子 许多启动子在转录起始点上游大约许多启动子在转录起始点上游大约25-35 bp处有一称为处有一称为 TATA 盒的序列存在。盒的序列存在。 TATA 盒有一个盒有一个 7 bp 保守序列保守序列 组成组成 A:T 碱基对碱基对 (at two positions the orientation is variable), 少数存在一个少数存在一个 G:C 对对. 与与 E. coli 启动子启动子10 位置的序列位置的序列 作用相似，保证作用相似，保证 RNA Pol II 能正确的进行转录起始能正确的进行转录

36、起始. TATA 盒周围的序列非常关键盒周围的序列非常关键, 而在而在 TATA 盒和转录起始盒和转录起始 点之间的序列却不重要点之间的序列却不重要, 但这个距离是重要的但这个距离是重要的. 有些真核生物的基因含有一个起始子元件来代替有些真核生物的基因含有一个起始子元件来代替 TATA 盒盒. 而其他基因既不含而其他基因既不含TATA盒也没有起始子元件，转录盒也没有起始子元件，转录 在低水平进行而且转录起始点可在在低水平进行而且转录起始点可在200bp的长度上变的长度上变 化。这些基因通常在转录起始点上游的化。这些基因通常在转录起始点上游的100-200bp范范 围内含有一个围内含有一个20-

37、50 bp的的 GC富含区富含区 。 B.上游调控元件上游调控元件 基本元件基本元件 (TATA 盒和盒和 Initiator 元件元件) : 主要决定转录起主要决定转录起 始点的位置始点的位置, 而自主转录只在低水平状态进行而自主转录只在低水平状态进行. 诸如诸如 SP1 盒和盒和CCAAT 盒这些上游调控元件盒这些上游调控元件, 极大的极大的 促进了转录起始的频率促进了转录起始的频率, 这主要是通过与基本转录因这主要是通过与基本转录因 子的直接作用，增加了起始复合物的募集效率。子的直接作用，增加了起始复合物的募集效率。 C.增强子（增强子（Enhancer） 位于转录起始点上下游，位于转录

38、起始点上下游，能够活化转录的序列元能够活化转录的序列元 件件. 首先在病毒首先在病毒SV40 的基因组的基因组DNA 中观察到，在转录中观察到，在转录 单元单元-200bp处的两段处的两段 72 bp的重复序列可增强或促进转的重复序列可增强或促进转 录起始。该录起始。该72bp序列在转录起始点上下游活化（增强）序列在转录起始点上下游活化（增强） 转录；可在具起始点转录；可在具起始点1kb以上的长距离上发挥功能；可以上的长距离上发挥功能；可 以优先刺激任意两个启动子中最近的一个。以优先刺激任意两个启动子中最近的一个。 增强子特点： 远距离效应 无方向性 顺势调节 无物种和基因的特异性 有组织特异

39、性 有相位性，与DNA构象有关 可以对外部信号产生反应 （3 3）基本转录因子及）基本转录因子及 RNA PolRNA Pol的起始的起始 A A、基本转录因子（、基本转录因子（ ： 除除 RNA RNA 聚合酶外，还有其他蛋白参与转录的起聚合酶外，还有其他蛋白参与转录的起 始、延伸和终止。如始、延伸和终止。如General transcriptionGeneral transcription initiationinitiation factors (GTIFs) factors (GTIFs)是与核心启动子是与核心启动子 结合的蛋白，为特异性转录所需，结合的蛋白，为特异性转录所需，是是RN

40、ARNA聚合聚合 酶紧密、特异性的结合启动子所必需的。酶紧密、特异性的结合启动子所必需的。这些蛋这些蛋 白被称为白被称为基本转录因子。基本转录因子。RNA RNA 聚合酶聚合酶II II 的的 GTIFs GTIFs 被称为被称为 TFIIx, TFIIx, 其中其中x = A, B, D, x = A, B, D, ； 能含有多个亚基。能含有多个亚基。 The basal machinery GTFs for RNA polymerase II TFIID TBP TAFs IIB IIA IIE IIF IIH helicase protein kinase TBP Inr IIB IIA

41、 Pol IIa IIF IIE IIH CTD of large subunit of Pol II Recognize core promoter Targets Pol II to promoter Modulates helicase Helicase CTD protein kinase Many GTFs are possible targets for activators of transcription. 1. TFIID: 是包括是包括TBP在内的多在内的多 聚蛋白复合体聚蛋白复合体, 其他其他 蛋白被称为蛋白被称为 TAFIIs TBP 是结合是结合 TATA box的蛋

42、白的蛋白 至少有至少有 12个个TAFIIS 参与形成参与形成 TFIID 2. TFIIA结结 合合 TFIID 稳定稳定TFIID- DNA 复合物复合物 至少含有至少含有3个个 亚单位亚单位 3. TFIIB与与 RNA Pol 结结 合合 结合结合 TFIID 结合结合 RNA Pol 和和 TFIIF 4. TFIIE 结合结合 是转录所必需是转录所必需 的的 5. TFIIJ, TFIIH 结合结合 是转录所必需的是转录所必需的 3种 RNA聚合酶都利用TBP来形成转录起始复合 物 TBP 是三种是三种RNA聚合酶的一个聚合酶的一个 GTF的重要的亚单位的重要的亚单位 : 参与参与

43、Pol II作用的是构成作用的是构成TFIID的的 TBP 参与参与Pol I作用的是作用的是SL1中的中的TBP 参与参与Pol III作用的是作用的是TFIIIB中的中的TBP 其实其并不总是与其实其并不总是与TATA盒结合盒结合; RNA Pol I 和和Pol III (有时甚至是一些有时甚至是一些 Pol II) 识别的启动子不含有识别的启动子不含有TATA 盒盒, 但仍要利用但仍要利用TBP. 含有含有TBP的的GTFs 可以作为可以作为位置因子位置因子用来为各自的聚用来为各自的聚 合酶服务合酶服务. TBP 是结合是结合 DNA 的一个基本转录的一个基本转录 因子因子 对于对于R

44、NA pol I 和和 pol III ，TBP的的 突变仍保留其在突变仍保留其在 转录中的功能转录中的功能 ； 而对于而对于RNA pol II， TBPTBP的突变却抑的突变却抑 制转录起始制转录起始 TBP 引起引起DNA 弯曲弯曲 TBP TBP与与TFIIB及及TFIIA结合结合 B、参与转录和调节的其他蛋白 除了除了 RNA 聚合酶聚合酶 II 和和GTFs外，还有延伸所需外，还有延伸所需 要的蛋白，如：要的蛋白，如： Gal11: 调节调节 GAL 操纵子操纵子 Rgr1: resistance to glucose repression阻阻 止葡萄糖表达止葡萄糖表达 SRB 蛋

45、白蛋白 酵母酵母RNA聚合酶聚合酶B的的CTD末端形成受末端形成受SRB蛋蛋 白影响白影响 srb genes: 发生突变时，发生突变时，CTD 缺失缺失 CTD phosphorylation by TFIIH: TFII H 是一个多组分蛋白复合体，含有是一个多组分蛋白复合体，含有 kinase 和和 helicase活性活性. TFIIH 的活化导的活化导 致致RNA 聚合酶聚合酶CTD磷酸化磷酸化. 这种磷酸化这种磷酸化 使使 RNA pol 离开启动子区离开启动子区. 因此，因此，TFIIH 在控制转录延伸方面具有非常重要的功在控制转录延伸方面具有非常重要的功 能。能。 Phosph

46、orylation of CTD Eukaryotic RNA polymerase II CTD of large subunit of Pol II Pol IIa CTD of large subunit of Pol II PP PP P P Pol IIo kinase + ATP phosphatase Model: Pol IIa 的磷酸化成为的磷酸化成为Pol IIo是聚合酶是聚合酶 从起始复合物上释放所必需的，而且这种磷从起始复合物上释放所必需的，而且这种磷 酸化允许转录得以开始延伸酸化允许转录得以开始延伸. CTD 有重复序列有重复序列(YSPTSPS)26-50. RNA

47、 pol II的的CTD必须被必须被TFIIH磷酸化磷酸化 Green fluorescent antibody marks unphosphorylated CTD. Red fluorescent antibody marks phosphorylated CTD. YSPTSPS Stages in Initiation of Transcription Bacterial transcription Closed complex: holoenzyme+promoter Open complex (DNA melting, not need ATP) Abortive transcri

48、pton Productive initiation Transcribe past +9 Sigma dissociates Elongation Eukaryotic transcription Preinitiation complex (PIC) assembly PIC activation (DNA melting, needs ATP) Abortive transcription Productive initiation CTD phosphorylated Promoter clearance Elongation 5、RNA加工、编辑及化学修饰加工、编辑及化学修饰 是用于

49、描述是初级转录产物转化为是用于描述是初级转录产物转化为 成熟成熟RNA过程的集合术语。过程的集合术语。 其过程如下图：其过程如下图： CytoplasmNucleus or Nucleolus RNA processing Removal of nucleotides modification of certain nucleotides addition of nucleotides to the 5- or 3- ends 核酸内切酶（核酸内切酶（endonucleasesendonucleases） 和和 核酸外切酶（核酸外切酶（exonucleasesexonucleases）作）作

50、用下的核苷酸的移除用下的核苷酸的移除 初级转录物或其裂解产物初级转录物或其裂解产物5-或或 3-末端的核苷末端的核苷 酸的添加酸的添加. 一些核苷酸在碱基或糖上的修饰一些核苷酸在碱基或糖上的修饰. 在mRNA (A)和 rRNA核糖的核糖的2-OH上添上添 加甲基加甲基 tRNA中碱基的进一步改变中碱基的进一步改变 RNPs Ribonucleoproteins = RNA-protein complexs 细胞中的细胞中的 RNA 分子通常与蛋白质结合形分子通常与蛋白质结合形 成复合物。成复合物。 特异性的蛋白吸附特殊的特异性的蛋白吸附特殊的RNAs 核糖体是最大和最复杂的核糖体是最大和最复

51、杂的RNPs A. rRNA的加工 rRNA operon: Pre-16S rRNA Pre-tRNAPre-23S rRNA pre-5S rRNA Pre-tRNA Promoters Terminators RNase III, 参与参与 rRNA加工的第一步加工的第一步 RNase M5,M16 and M23 参与参与 rRNA加工的第二步加工的第二步 30S pre-rRNA: Transcription (1) 在最初转录过程中或转录后，在最初转录过程中或转录后，RNA RNA 以碱基互补配对的方式形成若干颈环结构以碱基互补配对的方式形成若干颈环结构 (2) 茎环结构的形成使得

52、某些蛋白与茎环结构的形成使得某些蛋白与 RNARNA结合形成结合形成RNPRNP复合物，从而构成复合物，从而构成 核糖体的一部分。核糖体的一部分。 (3) (3) 蛋白质结合后蛋白质结合后, , 发生核苷酸修饰如发生核苷酸修饰如 腺苷酸的甲基化腺苷酸的甲基化 (4) RNA (4) RNA 裂解裂解 rRNA operon: Pre-16S rRNAPre-tRNA Pre-23S rRNA pre-5S rRNA Pre-tRNA Promoters Terminators 30S pre-rRNA: Transcription Cleavage at 16S rRNA tRNA23S rR

53、NA5S rRNAtRNA rRNA processing in prokaryotes 18S rRNA5.8S rRNA28S rRNA 45S 41S 20S and 32S Mature rRNAs 47S 18S5.8S28SETS1 ITS1 ITS2ETS2 Indicates RNase cleavage Mammalian pre-rRNA processing 真核生物真核生物5SrRNA是是RNA聚合酶聚合酶III从核仁以外的染色从核仁以外的染色 体区域将非连续的基因上转录产生的体区域将非连续的基因上转录产生的121nt的产物，的产物， 5SrRNA前体与成熟体前体与成熟

54、体5端相同，因此几乎不经转录端相同，因此几乎不经转录 后加工后加工 成熟成熟 rRNAs 与蛋白质形成与蛋白质形成 RNPs 一些低等真核生物一些低等真核生物rRNA 基因以及线粒体、叶绿体基因以及线粒体、叶绿体 基因中的基因中的Introns (group I) 必须经裂解而产生成熟必须经裂解而产生成熟 rRNAs. 许多许多 group I introns 被发现可催化其自身的反应，被发现可催化其自身的反应， 因此被称为核酶（因此被称为核酶（ribozyme） 。 看书理解三种内含子剪接类型（也有的归类为两种）看书理解三种内含子剪接类型（也有的归类为两种） 3端分支序列腺苷酸残基靠近端分支

55、序列腺苷酸残基靠近5端，其上的端，其上的 羟基攻击羟基攻击5端剪接部位形成端剪接部位形成2-5磷酸二酯键磷酸二酯键 55端剪切后产生的外显子端剪切后产生的外显子33末端羟基攻末端羟基攻 击内含子击内含子33端裂解位点。端裂解位点。 最终，两个外显子连接，释放套索状的内含最终，两个外显子连接，释放套索状的内含 子结构。子结构。 B. tRNA tRNA加工加工, RNA, RNA酶酶 P P和核酶（和核酶（ RIBOZYMESRIBOZYMES） Steps in tRNA processing mature 79nt 150nt -OH 3 5 p- 1. Endo- nuclease E/F

56、 2. RNase D 3. RNase P (remove 28bp) 4. RNase D D-loop T-loop Anticodon loop C C A RNase P Ribonuclease P (RNase P) 在在tRNA 加工加工 过程中去除过程中去除tRNA前体中前体中 5 端前导序列的酶端前导序列的酶 在在prokaryotes 和和 eukaryotes中均有发现中均有发现, 存在于真核生物的核中，因此也称为小核存在于真核生物的核中，因此也称为小核 RNPs (snRNPs) E. coli的限制性内切酶是由的限制性内切酶是由 377 nt RNA 和和 一个一个

57、13.7kDa的小蛋白组成。的小蛋白组成。 RNA 成分在缺乏蛋白的情况下在体外可催成分在缺乏蛋白的情况下在体外可催 化前体化前体tRNA ，因此，因此 RNase P RNA 是一个是一个 催化催化 RNA, 或称为或称为ribozyme. Ribozyme 核酶是能够催化特殊生化反应的一类核酶是能够催化特殊生化反应的一类RNA分子分子. RNase P RNA 就是一个核酶就是一个核酶. 细菌中的细菌中的RNase P RNA 在体外比真核生物和古在体外比真核生物和古 细菌中的细菌中的RNase P RNA更具催化活性更具催化活性. 所有的所有的 RNase P RNA s 都具有共同的序

58、列和结都具有共同的序列和结 构。构。 自我剪接型内含子自我剪接型内含子: 参与参与 RNA 由前体状态剪接的由前体状态剪接的 催化作用，并且可将外显子部分连接起来催化作用，并且可将外显子部分连接起来 1. Group I introns, 例如四膜虫内含子例如四膜虫内含子 2. Group II introns (在线粒体内在线粒体内). 由病毒基因组编码的自我剪接由病毒基因组编码的自我剪接RNA，用以，用以 溶解病毒基因组溶解病毒基因组RNA产生的线状分子产生的线状分子 1. HDV 核酶；核酶；2. 发夹状核酶；发夹状核酶；3. 锤头状核酶锤头状核酶 简单的锤头状核酶简单的锤头状核酶 GU

59、 AAUAAACUC AACGGAGG 3 5 UUAUUUGA UUGCCUCC A A G C A G G A G G U C C C U GA AGU Target mRNA Ribozyme(38nt) 核酶通过抑制基因的表达而被用于作为治疗剂。核酶通过抑制基因的表达而被用于作为治疗剂。 能杀死癌细胞，阻止病毒复制，研究基因的功能。能杀死癌细胞，阻止病毒复制，研究基因的功能。 C. mRNA C. mRNA 加工加工, hnRNPs, hnRNPs和和 snRNPssnRNPs 原核生物的原核生物的mRNA 没有加工过程，在其转录没有加工过程，在其转录 没有完成之前就能够进行翻译没有完

60、成之前就能够进行翻译. 原核生物的原核生物的 mRNA 从从 5 end迅速降解。迅速降解。 在真核生物中在真核生物中, mRNA 由由RNA Pol II 合成较合成较 长的前体长的前体mRNA (pre-mRNA), 这些这些 RNA Pol II 转录物被称作转录物被称作 核不均一核不均一RNA (hnRNA). 在在 hnRNAs中中, 那些可被加工成成熟那些可被加工成成熟 mRNA 的的 RNA被称为被称为 pre-mRNAs Pre-mRNA 经经5-戴帽，戴帽， 3-裂解和多聚腺苷酸裂解和多聚腺苷酸 化，剪接，甲基化等过程而成为成熟化，剪接，甲基化等过程而成为成熟mRNAs. 真