基因的转录和调节课件

基因信息的传递及其调控武汉大学医学院病毒所细胞的生物学性状是由其遗传物质携带的遗传信息所决定，绝大多数生物的遗传物质是DNA，少数噬菌体和病毒的是RNA。基因，gene是细胞内遗传物质的最小功能单位，是负载有特定遗传信息的DNA片段，其结构一般包括DNA编码序列、非编码调节序列和内含子。基因的功能是为生物活性物质编码，其产物为各种RNA和蛋白质。蛋白质是生命活动的执行者，基因能通过转录和翻译，由DNA决定蛋白质一级结构，从而决定蛋白质的功能。同时基因还能通过复制将遗传信息代代相传。

1958年，Crick提出分子生物学的“中心法则”，centraldogma，阐明了从DNA到蛋白质的遗传信息流动方向和过程。最初的中心法则认为①遗传信息包含在DNA的碱基顺序中，通过DNA的复制使其代代相传；②DNA遗传信息通过转录传递给mRNA，再通过翻译传递给蛋白质，生物的性状由蛋白质决定③遗传信息的传递可以由DNA到DNA，DNA到RNA，RNA到蛋白质，但遗传信息一旦进入蛋白质就不能再传出。

这些观点涵盖了大多数生物遗传信息贮存和表达的基本规律。1970年，Temin发现了逆转录现象和逆转录酶，表明少数RNA也是遗传信息的携带者，并阐明了生物界中另外一种遗传信息的流动方向，从而使“中心法则”更加完善而最近“朊病毒，prion”概念的提出，表明蛋白质也可能是遗传信息的载体，这一观点对中心法则提出了挑战。

就单个生物体而言，其所有细胞都具有同样的基因，然而不同组织细胞的基因表达情况不同，有些基因被启动进行表达，有些基因被抑制不表达或少表达。即使在同一类型细胞的不同发育阶段，基因表达情况也有不同。基因表达调控遵循一般的规则，即一个体系在需要时被打开，不需要时就被关闭或抑制。这种基因“开”和“关”的控制是通过对基因信息传递过程的多个环节来实现的。第一节基因转录和转录后加工基因转录是RNA合成的主要方式和基因信息表达的重要环节，是遗传信息从DNA向RNA传递的过程。转录生成的RNA是初级转录产物,primarytranscripts，必须经过不同方式的加工和修饰才具有生物活性。转录将基因信息从DNA传递到蛋白质

(一)转录是基因信息从DNA传递到蛋白质的重要环节DNA碱基排列顺序决定了编码蛋白质的氨基酸序列，是蛋白质合成的原始模板。mRNA是蛋白质合成的直接模板，其他几种RNA是参与翻译过程的重要因子。通过基因转录遗传信息从细胞核转运到细胞质，从功能上衔接了DNA和蛋白质这两种生物大分子。基因转录具有以下特点：1．合成RNA的底物是5´-三磷酸核苷，包括ATP、GTP、CTP和UTP。2．在RNA聚合酶作用下一个NTP的3-OH和另一个NTP的5’-P反应，形成磷酸酯键。3．RNA碱基顺序由模板DNA碱基顺序决定，依靠NTP与DNA碱基配对的亲和力被选择。4．在被转录的双链DNA分子的任何一个特定区域都是以单链为模板。5．RNA合成的方向是5’一3’，生成的RNA链与模板链反向平行，游离的NTP只能连接到RNA链的3’-OH端。6．在RNA的合成中不需要引物。

(二)DNA链是基因转录的模板DNA双链上有转录的启动部位和终止部位，两者之间的核苷酸序列是遗传信息的储存区域，在转录时起模板作用。在基因组全长DNA链中只有部分DNA片段能发生转录，这种能转录出RNA的DNA区域称为结构基因，structuralgene。DNA链这种选择性转录也称为不对称转录，asymmetrictranscription，它有两方面含义：①在DNA分子双链上，总是只有一股链用作模板指引转录，另一股链不转录。能指引转录生成RNA的DNA单链称为模板链，templatestrain，有时也称为有意义链，sensestrain或Watson链；相对于模板链不指引转录的另外一股DNA单链称为编码链，codingstrain，又称为反义链，antisensestrain或Qick链。②模板链并非总是在同一单链上。在DNA双链某一区段，以其中一单链为模板，而在另一区段，又反过来以其相对应单链为模板。

(三)RNA聚合酶是基因转录的关键酶基因转录过程本质也是一个以核糖核苷酸为底物的多步酶促反应过程，这些反应需要有转录酶催化，转录酶，transcriptase即RNA聚合酶，又称DNA依赖的RNA聚合酶，DNAdependentRNApolymerase。该酶分布于原核细胞的胞液和真核细胞的胞核，分别催化转录的进行。σ亚基结合到核心酶上后可能引起酶构型的变化，改变了核心酶与DNA结合的特性。核心酶的作用是使已开始合成的RNA链延伸，β亚基可以单独与DNA结合，它参与RNA聚合酶与DNA模板反应，也可能与核心酶和σ亚基结合以及转录的终止有关。α亚基具有与β亚基结合的位点，参与特定的基因表达，与酶和DNA上启动区域的反应有关。试管内的转录试验证实，单纯的核心酶就能催化NTP按模板的指引合成RNA，但合成的RNA没有固定的起始位点。由此可见，活细胞在转录开始需要全酶，但在转录延长阶段，σ亚基从全酶上脱落，仅剩下核心酶维持转录进行。A大肠杆菌RNA聚合酶全酶B酝酒酵母RNA聚合酶全酶

(四)DNA模板上启动子是控制转录的关键部位

基因转录的第一步就是RNA聚合酶结合到模板DNA分子上，结合的部位称为启动子，promoter，它是结构基因上游的调控序列，是控制转录的关键部位，该区域含有较多的A—T配对。对多种原核生物基因转录起始区的分析发现，如果以开始转录生成RNA5’端第一个脱氧核苷酸的位置为1，以负数表示上游的碱基序数，那么不同基因的启动子之间存在着保守序列或一致性序列。

碱基序列分析结果表明，启动子-10区的保守序列为TATAAT，该区由Pribnow首先发现，称为Pribnow盒。Pribnow盒能决定转录的方向，在Pribnow盒区DNA双螺旋解开与RNA聚合酶形成复合物。35区位于Pribnow盒的上游，是启动子中另外一个重要区域，该区域也存在着类似于Pribnow盒的共同序列TTGACAT。目前认为-35区是RNA聚合酶对转录起始的辨认位点。RNA聚合酶与-35区辨认结合后，能向下游移动，达到-10区的Pribnow盒，在该区RNA聚合酶能和解开的DNA双链形成稳定的酶-DNA开放启动子复合物，就可以开始转录。RNA聚合酶和启动子形成酶-DNA复合物

转录过程可分为三个阶段

(一)包含RNA聚合酶的转录起始复合物形成标志转录开始RNA合成起始首先由RNA聚合酶的σ因子辨认DNA链的转录起始点，介导核心酶与DNA链接触。被辨认的DNA位点是启动子-35区的TTGACAT序列，在此区段酶-DNA松散结合并向下游的-10区移动，在-10区形成稳定的酶DNA复合物，进入了转录的起始点。当核心酶沿着模板向前移动时，结合下一个能与模板配对的核苷酸，进行一次酶促连接反应。转录延长的每一次化学反应都可以使RNA链增加一个核苷酸，而且RNA产物中没有T，当遇到模板中A时，转录产物相应加U。由于RNA聚合酶比较大，能覆盖转录区中解开的DNA双链以及新合成RNA链和DNA链形成的杂化双链，构成RNA聚合酶-DNA-RNA的转录复合物，这是转录延伸阶段的主要形式，也称为转录空泡，transcriptioncomplex。转录过程中只有RNA聚合酶覆盖区域DNA才解开双链，形成松散结构，而当RNA聚合酶前移时，原来位置DNA单链重新形成双链螺旋，这和复制过程的复制叉不同。新合成的RNA链3’端依附在转录空泡上用于同下一个核苷酸的连接，其5’端由于DNA双链重新结合而离开模板伸展在空泡之外，形成电镜下观察到的羽毛状转录图形。基因的转录过程(三)原核生物的转录终止有两种不同方式当核心酶沿模板3’一5’方向移行至DNA链的终止部位时，识别模板上特殊结构后便停顿下来不再移动，同时转录产物RNA链从转录复合物上释放出来，即转录终止。原核细胞和真核细胞转录终止机制和方式并不相同，这里主要探讨原核生物的转录终止。原核生物的转录终止分为两大类，依赖ρ因子,Rhofactor的转录终止和不依赖ρ因子的转录终止。

1．依赖ρ因子的转录终止

ρ因子是由6个相同亚基组成的六聚体蛋白，它具有两大生物活性：①解螺旋酶活性；②依赖RNA的ATP酶活性。一般认为，ρ因子能对含有PolyC的RNA有较强的亲和力，转录终止阶段新合成RNA链出现富集的PolyC序列，ρ因子与其结合后能向RNA聚合酶方向移动，移动需要的能量来自于ATP酶水解ATP提供。p因子接触RNA聚合酶后，二者的构象发生改变，并利用其解螺旋酶活性拆离DNA-RNA杂化双链,从而使转录产物从转录复合物中完全释放出来，转录终止。ρ因子参与转录终止过程2．非依赖ρ因子的转录终止此种转录终止不需要蛋白因子参与，而是利用新合成的RNA链自身的某些特殊结构来终止转录。在DNA模板链接近转录终止的区域内有较密集的AT配对区和自身互补序列，这样使转录产物RNA的3’端常有若干个连续的U序列和自身互补序列形成的茎环，stemloop结构或发夹结构，hairpinstructure。这两种结构是阻止转录继续进行的关键，其原因可能在于，发夹结构形成可能改变了RNA聚合酶构象，导致了酶-模板结合方式的改变，RNA聚合酶则不再向下移动，同时连续的U序列也能促进RNA聚合酶从模板上脱落下来。RNA的发夹结构与转录终止真核细胞转录终止方式与原核细胞不同，而是与转录后的修饰密切相关。目前发现，在模板链读码框架的3’端之后，常有一组共同序列AATAAA，再下游还有相当多的GT序列，这些序列称为转录终止的修饰点。当转录越过修饰点后，mRNA在修饰点处被切断，随即加入polyA尾巴和5´帽子结构，并被释放出来。越过修饰点后RNA虽然能继续转录，但很快被降解。

三、初级转录产物需经过转录后加工才具有活性绝大多数原核生物转录和翻译是同步进行的，在转录生成mRNA的同时，核蛋白体即附着在mRNA上并以其为模板进行蛋白质的合成，因此原核细胞的RNA并无特殊的转录后加工过程。真核生物转录和翻译在时间和空间上是分开的，刚转录出来的RNA是分子很大的前体，需经转录后的加工过程才能转变成成熟的RNA。

(一)hnRNA进行首尾修饰和内含子剪接后转变为成熟的mRNA真核细胞mRNA前体称为不均一核RNA，hnRNA，它在细胞核内合成，必需经过一系列加工修饰过程才能转变为成熟mRNA，主要加工修饰包括以下几个方面

1．5-末端加上“帽子”结构在鸟苷酸转移酶催化下，在真核生物hnRNA的5-末端加上一分子鸟苷酸残基。然后对该残基进行甲基化修饰，使其成为7甲基鸟苷酸，该结构称为“帽子”。其功能是①增加mRNA稳定性，保护mRNA免遭5´-核酸外切酶的攻击而被降解。②与蛋白质生物合成起始有关。它是mRNA作为翻译起始的必要的结构，可以帮助核蛋白体识别翻译起始部位。原核生物mRNA没有“帽子”结构。2．在3-末端加上尾结构

大多数真核mRNA都有3’端多聚A尾巴，多聚A尾巴大约为200bp，它不是由DNA编码的，而是转录后在核内加上去的。在多聚腺苷酸聚合酶的催化下，以ATP为底物，在hnRNA的3’末端加上一段多聚腺苷酸，PolyA，该结构称为“尾”。目前认为，polyA尾巴可能与mRNA从细胞核转送到细胞质有关。还有人认为这种结构对真核mRNA的翻译效率具有某种作用，并能稳定mRNA结构，保持一定的生物半衰期。卵清蛋白基因转录及加工过程

3．hnRNA链的剪接

真核生物基因往往是断裂基因，即编码一个蛋白质分子的核苷酸序列被多个插人片断，内含子，intron所隔开。在转录时，外显子及内含子均转录到hnRNA中，但在细胞核中hnRNA首先在核酸内切酶，endonuclease作用下剪切掉内含子，然后在连接酶，1igase作用下，将外显子，extron各部分连接起来，而变为成熟的mRNA，这就是剪接作用。经过剪接作用后mRNA成熟并从核内转移至胞质。原核生物结构基因是连续的编码序列，不需要剪接。(三)核酶参与了rRNA转录后加工真核生物rRNA前体比原核生物大，哺乳动物的初级转录产物为45S，低等真核生物的rRNA前体为38S。大多数真核生物45SrRNA经剪接后，先形成核蛋白体小亚基的18S-rRNA，余下的部分再拼接成5.8S及28S的rRNA。成熟的rRNA在核仁与核蛋白体蛋白质一起装配形成核蛋白体，输出至胞液。

rRNA的剪接不需要任何蛋白参与即可发生，进行的是自身剪接，这表明RNA分子也有酶的催化活性。这种有酶催化活性的RNA分子命名为核酶，ribozyme。1982年Cec等发现四膜虫细胞大核期间26SrRNA前体具有自我剪接功能，并于1986年证明其内含子19IVS具有多种催化功能。第二节基因信息表达调控及应用

同一机体所有细胞都具有相同的整套基因组，携带个体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息。但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来，即使极简单的生物如最简单的病毒，其基因组所含的全部基因也不是以同样的强度同时表达，这说明基因的表达有着严密的调控系统。一、基因信息表达受到严密和精确的调控

基因表达就是基因转录和翻译的过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，以适应环境、维持生长和发育的需要。不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。

(一)基因表达具有时间性和空间性细胞基因表达具有严格的时间和空间特异性，这是由基因的启动子和增强子与调节蛋白相互作用决定。基因表达的时间特异性，temporalspecificity病原体侵入宿主后呈现一定的感染阶段，随感染阶段发展、生长环境变化，有些基因开启，有些基因关闭，按照功能需要，某一特定基因表达严格按照一定的时间顺序发生，这称为基因表达的时间特异性。阶段特异性，stagespecificity

多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性，也称为阶段特异性。空间特异性，spatialspecificity在个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达多少是不一样的。一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，这就是基因表达的空间特异性。组织特异性，tissuespecificity不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异性，tissuespecificity。例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其他组织细胞，合成的某些酶如精氨酸酶为肝脏所特有。

(二)基因表达有组成性表达和可诱导／阻遏表达两种方式基因表达可分成两类

1．组成性表达，constitutiveexpression指不太受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因可称为管家基因，housekeepinggene，这些基因中不少是在生物个体的组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的，可以看成是细胞基本的基因表达。

2．适应性表达,adaptiveexpression指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导，induction，这类基因被称为可诱导的基因，induciblegene；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏，repression，相应的基因被称为可阻遏的基因,repressiblegene。改变基因表达的情况以适应环境，在原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要，因为这些细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。(三)基因表达调控是多环节、多步骤的过程遗传信息传递过程任何环节的改变均会导致基因表达的变化。遗传信息以基因的形式贮存于DNA分子中，基因拷贝数越多，其表达产物也会越多，因此基因组DNA的部分扩增可影响基因表达。在多细胞生物，某一特定类型细胞的选择性扩增可能就是通过这种机制使某种或某些蛋白质分子高表达的结果。为适应某种特定需要而进行的DNA重排，以及DNA甲基化等均可在遗传信息水平上影响基因表达。

二、遗传信息表达的调控主要发生在转录水平尽管基因表达调控可发生在遗传信息传递过程的任何环节，但发生在转录水平，尤其是转录起始水平的调节，对基因表达起着至关重要的作用，即转录起始是基因表达的基本控制点。

(一)参与基因转录调节的基本要素及其功能

1．特异DNA序列

原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。操纵子,operon通常由2个以上的编码序列,codingsequence与启动序列,promoter、操纵序列,operator以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。启动序列是RNA聚合酶结合并起动转录的特异DNA序列，通常在转录起始点上游一10及一35区域。操纵序列与启动序列毗邻或接近，其DNA序列常与启动序列交错、重叠，它是原核阻遏蛋白的结合位点。当操纵序列结合有阻遏蛋白时会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻遏转录，介导负性调节。原核操纵子调节序列中还有一种特异DNA序列可结合激活蛋白，此时RNA聚合酶活性增强，使转录激活，介导正性调节。

真核基因组结构庞大，参与真核生物基因转录激活调节的DNA序列比原核更为复杂。绝大多数真核基因调控机制几乎普遍涉及编码基因两侧的DNA序列，也称为顺式作用元件,cis-actingelement，即可影响自身基因表达活性的DNA序列。根据顺式作用元件在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用的方式，可将真核基因的这些功能元件分为启动子、增强子及沉默子等。①启动子真核基因启动子与原核操纵子中启动序列同义，是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，一般是7～20bp的DNA序列，常包括转录起始点、TATA盒,位于转录起始点上游一25～30bp，共有序列是TATAAAA，是转录因子TFIID结合位点、GC盒和CAAT盒及距转录起始点更远的上游元件。②增强子enhancer是远离转录起始点1～30kb，决定基因的时间、空间特异性表达，增强启动子转录活性的DNA序列。从功能上讲，增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。

当含有增强子的病毒基因组整合人宿主细胞基因组时，能够增强整合区附近宿主某些基因的转录；当增强子随某些染色体段落移位时，也能提高移到的新位置周围基因的转录。使某些癌基因转录表达增强，可能是肿瘤发生的因素之一。增强子与其他顺式调控元件一样，必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用。增强子提高同一条DNA链上基因转录效率，可以远距离作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子方向倒置就不能起作用，可见增强子与启动子是不相同的。③沉默子,silencer

某些基因含有负性调节元件沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。2．调节蛋白

原核生物基因调节蛋白分为三类,特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。特异因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。阻遏蛋白,repressor可以识别、结合特异DNA序列—操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负性调节。激活蛋白,activator可结合启动序列邻近的DNA序列，提高RNA聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转录活性。特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白等原核调节蛋白都是一些DNA结合蛋白。

真核基因调节蛋白又称转录调节因子或转录因子。绝大多数真核转录调节因子由它的编码基因表达后，通过与特异的顺式作用元件的识别、结合即DNA蛋白质相互作用反式激活另一基因的转录，故称