第14周转录与基因表达调控

第十五章转录与基因表达调控生命科学技术学院谢云飞E-mail:教学内容转录转录的调节反转录教学目标掌握：RNA聚合酶的组成、结构；原核生物转录终止的特点；真核生物mRNA的转录后加工；顺式作用元件类型、功能；乳糖操纵子模型。熟悉：启动子结构；转录的基本过程；复制与转录的区别与联系；反转录的过程；几类重要的反式作用因子。了解：真核生物翻译起始的特点；癌基因与肿瘤的关系。第一节转录一、基本概念1、转录（transcription）:以DNA为模板，按照碱基配对的原则，在RNA聚合酶（RNApolymerase）的作用下合成mRNA，将遗传信息从DNA分子上转移到mRNA分子。5'…GCAGTACATGTC…3'3'…cgtcatgtacag…5'DNA5'…GCAGUACAUGUC…3'mRNAN…AlaValHisVal…C多肽链转录翻译编码链模板链转录单位(transcript)：RNA的转录从DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。二、转录的特点1.转录是以DNA为模板合成RNA,并且只是以单股DNA为模板，因此具有不对称性。

2.与复制不同，转录是局部的,从启动子开始到终止子结束,为一个转录单位。3.转录不需要引物。4.转录的忠实性相对弱（错配率高达10-5-10-4）。5.真核基因转录首先得到RNA前体，然后再进行加工转变为成熟的RNA。三、DNA复制与转录的比较1.相同点以DNA为模板遵循碱基配对原则都需依赖DNA的聚合酶聚合过程都是生成磷酸二酯键新链合成方向为5'→3'2.不同点

复制转录模板

两股链均复制模板链转录合成方式

半保留复制不对称转录原料

dNTPNTP聚合酶

DNA聚合酶RNA聚合酶引物需要不需要碱基配对

A-T，G-CA-U，T-A，G-C产物

双链DNA单链RNA四、RNA聚合酶1.原核RNA聚合酶由5个亚基构成，2'为全酶，2'为核心酶核心酶：能与DNA链结合并启动转录，但没有特异性，转录出来的可能不是一个完整的基因序列原核RNA聚合酶各个亚基的作用亚基分子量亚基数功能α365122决定哪些基因被转录β1506181与转录全过程有关(催化)β′1556131结合DNA模板(解链)σ702631辨认起始位点种类ⅠⅡⅢ细胞定位核仁核质核质转录产物45SrRNAhnRNA,pri-miRNA5SrRNA，tRNA亚基数目131014对鹅膏蕈碱的反应耐受极敏感中度敏感2.真核RNA聚合酶

定义：DNA分子上能与RNA多聚酶相结合而使基因转录开始的区段

，有序列保守性，不仅是转录起始的位置，而且影响转录的活性。

1.原核生物启动子约55bp，分为起始点（startsite）、结合位点(Pribnow框)、识别位点(Sextama框)。五、启动子（promoter）原核RNA聚合酶结合在启动子上上游下游共有序列TTGACATATAATPribnowboxTTGACA盒子TATA盒子启动子区结构基因-10bp+1转录初级转录物RNA-35bp2.真核生物启动子

（1）DNA序列在转录起始点的5'端区(上游区)

（2）-25bp：TATA盒（hognessbox）

（3）-40bp：GC盒

（4）-110bp：CAAT盒

并非所有的真核基因都有典型的TATAbox，不同生物的基因有不同的上游DNA序列

六、原核生物转录过程（一）转录起始1.RNA聚合酶与启动子的结合（σ亚基辨认-35区）2.DNA双链的打开（全酶移向-10区）3.RNA链上合成第一个磷酸二酯键(5'-pppGpN-OH-3')，σ亚基脱落(二）延长

转录泡(transcriptionbubble)：是由DNA双链、RNA聚合酶与新合成的转录本RNA局部形成的结构,它贯穿于延长过程的始终。

过程：第一个磷酸二酯键形成后，RNA聚合酶核心酶沿模板向下游移动，一边解开螺旋，一边合成新的RNA链，RNA与DNA形成杂交分子,约12bp，因结合不紧很易脱离。后面已经转录的区域中分开的DNA链又重新形成双螺旋。“转录泡（transcriptionbubble）”转录过程中的模板识别、起始和延伸

（三）终止1.原核生物的转录终止(1)依赖ρ因子的转录终止(2)不依赖ρ因子的转录终止ρ因子1.识别结合富含C的RNA链ρ因子功能2.ATPase活性3.解螺旋酶活性新生RNA(1)依赖ρ因子的转录终止新生RNA上有ρ因子的识别位点TOHAAAUUUOHUUUOH(2)不依赖ρ因子的转录终止终止子定义：DNA分子上基因转录终止之前有一段回文序列结构，提供终止信号而使转录终止。特点：终止部位含GC富集区与AT富集区,它们分别形成发卡结构和连续的U区，以终止转录蛋白ρ因子辅助识别终止信号，参与终止。

说明在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行。在RNA链上观察到的小黑点是多聚核糖体，即一条mRNA链连上多个核糖体，可见转录尚未完成，翻译已在进行。

在电子显微镜下观察原核生物的转录现象DNA双链正在生长的RNA链

顺式作用元件:真核生物转录起始中起转录调控作用的DNA序列(启动子，增强子)。

增强子（enhancer）：增强真核生物启动子活性的DNA顺序；可位于基因的上游或下游；距离启动子可远可近；有组织特异性。

七、真核生物转录过程反式作用因子

识别并作用于的顺式作用元件的蛋白质因子,又称转录因子，如热休克蛋白（Hsp）家族、NF-κB、Jak-STAT成员等。调节（正向或反向）基因表达。

真核mRNA转录终止转录单位的3'端有共同序列AATAAA（加尾信号）及多个GT序列，其下游是一个反向重复顺序，转录后可形成一个发卡结构，阻碍RNA聚合酶的移动。发卡结构末尾的一串U与转录模板DNA中的一串A之间，因形成的氢键结合力较弱，mRNA就会从模板上脱落下来，同时，RNA聚合酶也从DNA上解离下来，转录终止。mRNA在AAUAAA3'被切断,并被加上polyA的尾巴。AATAAAGTGTAAUAAAGUGUAAUAAA加尾信号GT丰富序列AAUAAAGUGU酶切八、转录后加工意义：转录生成的前体RNA,无生物学活性,需加工变为成熟、有活性的RNA。加工种类：剪切与剪接、末端添加核苷酸、修饰、RNA编辑原核mRNA不需加工，tRNA和rRNA加工较简单真核RNArRNAtRNAmRNA5'加帽3'加尾剪接

转录后进行转录中进行miRNA（一）原核生物RNA转录后的加工

原核生物的mRNA不需加工，边转录边翻译原核细胞的rRNA经历剪切和修饰：剪切成16SRNA、23SRNA、5SRNA三个片段；修饰主要是羟基的甲基化；原核tRNA加工主要是RNA酶P切除多余的核苷酸序列，并有碱基修饰。1.mRNA前体加工过程（1）5'加帽（m7GpppG)帽子结构的功能真核生物mRNA5'端帽子结构是翻译起始的必要结构，利于核糖体小亚基对mRNA的识别。增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5'外切核酸酶的攻击。利于成熟转录产物从核内运至核质。（二）真核生物RNA转录后的加工pi5'pppG…磷酸酶pi5'ppG…pppG5'GpppG…甲基化酶＋CH3mGpppG…OHOH帽1帽0帽2NNNNOH2NCH3+OHHCH2HOPOPOPOPPPN1N2N3OOHOOHOOHOCH3OCH32'OH79H甲基鸟苷5'，5'-三磷酸真核生物帽子结构示意图（2）3'修饰（加polyA尾)受polyA聚合酶催化尾巴的功能1、polyA可能与mRNA从细胞核转送到细胞质有关（没有polyA尾巴的组蛋白mRNA，也照样通过核膜进入细胞质）。2、对真核mRNA的翻译效率具有一定作用，并能稳定mRNA结构。AAUAAAAAAAAAAAA……….加尾AATAAAGTGTGTG-----AAUAAAGUGUGUGAAUAAAGUGUGUG酶切加尾信号GT丰富序列polyA尾（约20～200个A）AAAAAA断裂基因：真核生物的基因由若干个编码区和非编码区互相隔开但又连续镶嵌而成。外显子（exon):

基因中编码多肽的序列，在mRNA中有对应序列。内含子（intron）：基因中不编码多肽的序列，不会出现在mRNA序列中。核内不均一RNA（hnRNA）：真核生物中编码蛋白质基因的初级转录本，转录物中外显子与内含子间隔排列，需经剪接加工后生成mRNA经剪接加工成为mRNA。剪接:在细胞核内,hnRNA剪切掉内含子,将多个外显子连接为成熟mRNA的过程。选择性剪接:同一转录本,在不同的组织,因剪接差异产生各自不同的mRNA。（3）剪接钙调神经磷酸酶(calcineurin)的选择性剪接外显子：14个内含子：13个isoform1

：521aaisoform2：511aa(lackspartofexon13/14）isoform3：469aa（lacksthewholeexon9andpartofexon13/14）isoform4：454aa(lacksthewholeexon2)CN氨基酸序列剪接的本质：磷酸酯键的转移剪接特点：剪接部位的结构为内含子末端的特定序列，分布在内含子的三个部位，5'端剪切点为GU;3'端剪切点为AG；靠近3'端含A序列的分支点外显子内含子DNAmRNA转录形成套索RNA，外显子靠近剪接体去除套索RNA，外显子连接成熟mRNAmRNA的剪接GT-AG法则内含子切割位点含有短的保守序列（边界顺序），5'端为GT（供体位点），3'端为AG（受体位点），是为GT-AG法则，又称Chambon法则。套索结构外显子外显子内含子内含子5'端断开前一个外显子3'末端攻击下一个外显子5'末端前后外显子相连GUAGGAGAGG

反式剪接：不同基因的外显子剪切后相互连接形成杂合的mRNA.RNA编辑：某些mRNA的核苷酸序列,在生成转录产物后还需插入、删除或取代一些核苷酸残基,方能生成具有正确翻译功能的模板。遗传信息在mRNA水平上的改变过程，称为RNA编辑。2.tRNA前体的加工（1）切除多余的核苷酸：RNaseP切除5'端多余的核苷酸；RnaseD切除3'端多余的核苷酸。（2）剪切内含子：核酸内切酶切除内含子,连接酶进行连接。（3）修饰与3'末端加-CCA:修饰包括甲基化,脱氨基,还原反应等，在核苷酸基转移酶催化下完成3'末端添加CCA。3.rRNA前体的加工（1）特点：rRNA拷贝多,原核5-10个拷贝;真核:果蝇260个拷贝;Hela细胞1100个拷贝。rRNA基因之间以纵向串联的方式重复排列（2）加工过程剪切作用：需核酸酶参与甲基化修饰：修饰在碱基自我剪接：一种核酶的作用

5S自成体系加工少无修饰和剪接45S加工中含剪切和甲基化修饰，需核酸酶核酶的发现1982年Cech在研究原生动物四膜虫的26SrRNA的时候，发现它的一个内含子在除去了所有蛋白质后，剪接仍可完成，只需有鸟苷或鸟苷酸（但两者要有3'-OH），就能自我剪接。具有酶的催化活性的RNA称为核酶（ribozyme）L19RNA既有核糖核酸酶活性，又有RNA聚合酶活性。

RNA催化作用的发现提示生命的最初形式可能是集遗传信息载体和催化功能于一身的RNA。一、基因表达（geneexpression）

基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。但对于rRNA、tRNA编码基因，基因表达仅限于是转录成RNA的过程。第二节基因转录的调节1.基因表达的特异性时间特异性：某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。空间特异性：在个体生长、发育过程中，某种基因在个体不同组织（空间）表达的差异。2.基因表达的方式（1）基本表达 某类基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因。它们较少受环境因素影响，而且在个体各个生长阶段的几乎所有组织中都持续表达。这类基因表达称为基本表达或组成性表达。

（2）诱导和阻遏表达 在特定信号刺激下，相应的基因可被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因称为可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏（repression）。3.基因表达的多级调控基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质翻译翻译后加工修饰蛋白质降解等（一）乳糖操纵子(lacoperon)

调控区调节基因启动序列操纵序列

结构基因二、原核基因转录调节IDNAZYAOPmRNA

阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时1.阻遏蛋白的负调控─可诱导调控阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶

可诱导调控的操纵子，其基因表达产物都是利用某种营养物的酶体系（分解代谢）

有营养物：相应基因开放；无营养物：细胞就没必要产生相应的酶；2.CAP的正性调节CAP：分解物基因激活蛋白CAP+cAMP→复合物→结合在CAP的结合位点上→促进RNApol向前移动→促转录-35-10+1+20+28阻遏物结合区RNApol结合区CAP结合位点++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP1）有葡萄糖存在时

cAMP↓→cAMP-CAP复合物↓，不能结合CAP位点上，→正调控作用↓→基因不能表达。2）无葡萄糖存在时cAMP↑→cAMP-CAP复合物↑→正调控作用↑→基因表达。（四）协调调节※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。mRNA低乳糖时高乳糖时

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对Lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolicrepression）。

lac操纵子调节的解释：若有葡萄糖或葡萄糖／乳糖共同存在时，先利用葡萄糖是最节能。通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制lac操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶?色氨酸操纵子二、色氨酸操纵子调节机制转录衰减催化分支酸转变为色氨酸的酶三、真核基因转录调节(一)顺式作用元件可影响自身基因表达活性的DNA序列，包括启动子、增强子、沉默子等。沉默子：某些基因的负调控元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。结构基因5’5’结构基因3’增强子启动子增强子启动子3’

（二）反式作用因子

（转录因子）

绝大多数真核转录因子可通过与特异的顺式作用元件的识别、结合，反式激活另一基因的转录，故又称反式作用因子（trans-actingfactors）。这种作用称为反式作用。1.转录调节因子分类（按功能特性）*基本转录因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定四种RNA(mRNA、tRNA、rRNA和miRNA)转录的类别。如TFⅡD *特异转录因子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。SP1CBF(特异转录因子)2.转录调节因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域转录调节因子（DNA结合域）结构模式Helix-turn-helix

螺旋-转角-螺旋最常见DNA结合域之一例：CAP(最早在原核生物中发现）α螺旋识别、进入DNA双螺旋结构的大沟Zinc-fingers

锌指最常见DNA结合域之一约有30个