转录和转录组学

关于转录和转录组学ReplicationReplicationTranscriptionReverseTranscriptionTranslation中心法则（thecentraldogma）第2页,共188页，2024年2月25日，星期天第3页,共188页，2024年2月25日，星期天TheRoyalSwedishAcademyofScienceshasdecidedtoawardtheNobelPrizeinChemistryfor2006toRogerD.Kornberg

StanfordUniversity,CA,USA"forhisstudiesofthemolecularbasisofeukaryotictranscription".第4页,共188页，2024年2月25日，星期天RogerD.Kornberg,born1947(59)inStLouis,MO,USA(UScitizen).PhDfromStanfordUniversity,CA,USA.Mrs.GeorgeA.WinzerProfessorinMedicineatStanfordUniversitySchoolofMedicine,CA,USA.第5页,共188页，2024年2月25日，星期天OriginalscientificarticlesCramer,P.,Bushnell,D.A.andKornberg,R.D.(2001)Structuralbasisoftranscription:RNApolymeraseIIat2.8ångstromresolution.Science292,1863-1876.Gnatt,A.L.,Cramer,P.,Fu,J.,Bushnell,D.A.andKornberg,R.D.(2001)Structuralbasisoftranscription:AnRNApolymeraseIIelongationcomplexat3.3Åresolution.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页,共188页，2024年2月25日，星期天

SeveroOchoaArthurKornberg1/2oftheprize1/2oftheprizeUSAUSANewYorkUniversity,CollegeofMedicine

NewYork,NY,USAStanfordUniversity

Stanford,CA,USAb.1905

(inLuarca,Spain)

d.1993b.1918

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1959"fortheirdiscoveryofthemechanismsinthebiologicalsynthesisofribonucleicacidanddeoxyribonucleicacid"第7页,共188页，2024年2月25日，星期天2006年诺贝氏生理医学奖得主Dr.FireAandDrMelloC第8页,共188页，2024年2月25日，星期天第9页,共188页，2024年2月25日，星期天主要内容一、核糖核酸的类型、结构和功能二、RNA的合成三、真核细胞转录后修饰四、转录水平的基因表达调控五、RNA分析六、转录组学第10页,共188页，2024年2月25日，星期天一、核糖核酸的类型、结构和功能类型编码蛋白质：编码RNA和非编码RNA功能：rRNA,tRNA,mRNA小RNA(snRNA,snoRNA,scRNA)第11页,共188页，2024年2月25日，星期天2.核糖核酸的结构和功能4种核苷糖以磷酸二酯键连接的长链,A、U、C、G；戊糖是核糖。第12页,共188页，2024年2月25日，星期天2.1mRNA2.1.1.原核生物mRNA结构的特点：（1）多顺反子；（2）mRNA5′端无帽子结构，3′端无多聚A尾；（3）mRNA一般没有修饰碱基。第13页,共188页，2024年2月25日，星期天2.2.2.真核生物mRNA结构的特点：（1）5′端有帽子结构；（2）大多3′端有多聚A尾；（3）分子中可能有修饰碱基：主要有甲化；（4）分子中有编码区与非编码区。第14页,共188页，2024年2月25日，星期天2.2tRNA1.单链小分子；2.含有稀有碱基或修饰碱基；3.5′端总是磷酸化，5′末端往往是pG；4.3′端是CpCpAoH序列；5.三叶草结构；6.三级结构是倒L型。第15页,共188页，2024年2月25日，星期天第16页,共188页，2024年2月25日，星期天三级结构呈倒L形第17页,共188页，2024年2月25日，星期天2.3rRNA：原核生物：70S--由50S和30S组成真核生物：80S--由60S和40S组成第18页,共188页，2024年2月25日，星期天2.4核酶：分三类：异体催化的剪切型；自体催化的剪切型；内含子的自我剪接型。二级结构：锤头结构；13（或11）个保守核苷酸。第19页,共188页，2024年2月25日，星期天核酶的发现

1982年Cech在研究低等真核生物四膜虫的rRNA加工成熟过程中发现其rRNA前体有自我剪接作用，即酶的作用，故把有催化活性的RNA称核酶。第20页,共188页，2024年2月25日，星期天底物部分含GU，催化部分包括3个茎。1～3个环，含13b保守序列CAAA，AC，AGUC，GUG核苷酸链断裂点槌头状结构，最简单的核酶第21页,共188页，2024年2月25日，星期天核酶的意义动摇了酶是蛋白质的传统概念。为地球上生命起源早期可能是先出现RNA提供证据。为人工合成核酶以破坏某些病原微生物，消除体内有害基因提供理论基础。第22页,共188页，2024年2月25日，星期天2.5核内不均一RNA（hnRNA）真核细胞mRNA的前体加工过程：5′端加帽；3′端加尾；内含子的切除和外显子的拼接；甲基化修饰；核苷酸序列的编辑作用。第23页,共188页，2024年2月25日，星期天2.6小分子核内RNA（snRNA）：尿嘧啶含量较高—用U命名（U1---U10）U1、U2、U4、U5、U6位于核浆内U3存在于核仁U7、U8、U9、U10只存在于哺乳动物2.7反义RNA：可与mRNA形成双链，抑制翻译。2.8microRNA调节mRNA的水平第24页,共188页，2024年2月25日，星期天二、RNA的合成----转录(transcription）指在RNA聚合酶催化下，以DNA为模板，NTP为原料，合成RNA的过程。第25页,共188页，2024年2月25日，星期天转录概述DNA为模板合成RNA的过程RNA聚合酶原料：ATP，UTP，CTP，GTP(NTP)Mg2+，Mn2+合成方向：5´→3´

连接方式：3´,5´-磷酸二酯键第26页,共188页，2024年2月25日，星期天1.1转录模板

模板链（templatestrand）也称反意义链（antisensestrand)链或Watson链，即指导转录生成RNA的一股DNA单链。1.原核生物RNA的合成第27页,共188页，2024年2月25日，星期天编码链（codingstrand）也称有意义链（sensestrand)或Crick链，指不被转录的DNA单链。其碱基序列除有T无U外，与转录产物RNA相同。

第28页,共188页，2024年2月25日，星期天5´……GCAGTACATGTC……..3´3´……cgt

catgta

cag

……..5´5´……

GCAGUACAUGUC..…..3´N……Ala

.Val.

His.Val……C

DNARNA肽转录翻译编码链模板链第29页,共188页，2024年2月25日，星期天5'

3'5'3'5'5'不对称转录

结构基因:能转录出RNA的DNA区段第30页,共188页，2024年2月25日，星期天不对称转录(asymmetrictranscription）

DNA片段（结构基因）转录时，双链DNA中只有一条链作为转录的模板，且模板链并非总在同一条单链上，这种转录方式称为不对称转录。第31页,共188页，2024年2月25日，星期天1.2原核生物RNA聚合酶（DNA-dependentRNApolymerase，RNA-pol，DDRP）（1种）1.2.1.组成全酶：2´

（核心酶+）核心酶：2´第32页,共188页，2024年2月25日，星期天1.2.2.作用α亚基：

决定那些基因被转录。β亚基：

催化与模板配对的相邻NTP以3´,5´-磷酸二酯键相连。β´亚基：促进酶与模板链结合，并使DNA双链打开。(核心酶：催化RNA链的延长，参与整个过程。)第33页,共188页，2024年2月25日，星期天σ亚基：

辨认转录起始位点，并与核心酶结合成全酶启动转录。

σ70：辨认一般转录起始点。

σ32：辨认原核生物热休克基因(hsp)的转录起始点。

第34页,共188页，2024年2月25日，星期天1.2.3.特点聚合速率慢，30~50NTP/s。无外切酶活性，无校对功能，错误率10-6。β亚基可被利福平，利福霉素结合、抑制。第35页,共188页，2024年2月25日，星期天

原核生物的RNA聚合酶全酶及其在转录起始区的结合DNA双链以打开，

因子尚未脱落

-35TTGACATATAAT

´+20

+1第36页,共188页，2024年2月25日，星期天1.3.模板与酶的辨认结合启动子（promoter）转录开始进行时，RNA聚合酶与模板结合的特定部位，也是调控转录的关键部位。第37页,共188页，2024年2月25日，星期天原核生物启动子结构识别部位：

-35bp区，TTGACA，因子识别此部位。结合部位：

-10bp区（Pribnowbox）

TATAAT，Tm低，DNA易解链。转录起始点（startsite）：以+1表示第38页,共188页，2024年2月25日，星期天RNApol保护区结构基因终止点+1第39页,共188页，2024年2月25日，星期天第40页,共188页，2024年2月25日，星期天1.4.原核生物的转录过程σ识别起始位点，RNApol全酶解开双链DNA10～20bp形成转录空泡。1.4.1.转录起始第41页,共188页，2024年2月25日，星期天原核生物的RNA聚合酶全酶及其在转录起始区的结合DNA双链以打开，

因子尚未脱落

-35TTGACATATAAT

´+20

+1第42页,共188页，2024年2月25日，星期天全酶催化与模板配对结合的头两个NTP（GTP多见，或ATP）以磷酸二酯键相连成5´pppGpN-OH3´，转录泡变为转录起始复合物。RNApol(2´

)-DNA-pppGpN-OH。σ因子脱落，核心酶变构，与模板链结合变松，沿DNA滑动。第43页,共188页，2024年2月25日，星期天第44页,共188页，2024年2月25日，星期天1.4.2.转录延长核心酶沿模板链3´→5´滑动，催化与模板碱基配对结合的相邻NTP之间以磷酸二酯键相连，RNA链沿5´→3´延长。转录泡随核心酶滑动而移动，生成的RNA与DNA模板形成约12bp杂化双链，过长的RNA脱离模板链，伸出转录泡外。第45页,共188页，2024年2月25日，星期天第46页,共188页，2024年2月25日，星期天

第47页,共188页，2024年2月25日，星期天1.4.3.转录终止转录到终止信号时,酶停止滑动,转录终止。第48页,共188页，2024年2月25日，星期天终止信号（terminator）DNA特定部位富含GC回文区与富含AT配对区，转录后使mRNA形成发卡结构，以终止转录。

蛋白辅助识别终止信号，参与终止。第49页,共188页，2024年2月25日，星期天第50页,共188页，2024年2月25日，星期天（1）非依赖因子的终止

GC区形成发卡结构，聚U区配对不稳定，使RNA释放。第51页,共188页，2024年2月25日，星期天5´5´第52页,共188页，2024年2月25日，星期天（2）依赖

因子的终止沿RNA链5´→3´滑动的因子追上RNApol，并与RNA中富C区结合，诱导RNA聚合酶构象改变，

因子的解螺旋酶活性使RNA释放。第53页,共188页，2024年2月25日，星期天富Cpolymerasepolymerase第54页,共188页，2024年2月25日，星期天2.2.真核生物RNA的生物合成第55页,共188页，2024年2月25日，星期天2.2.1真核生物RNA聚合酶

种类IIIIII转录产物45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA鹅膏蕈碱耐受极敏感

中度敏感利福平不敏感不敏感不敏感亚细胞定位核仁核质核质分子量550KD600KD600KD第56页,共188页，2024年2月25日，星期天2.2.2.真核生物启动子结构（以RNA

polⅡ为例）识别部位：-70区CAAT盒结合部位：-25区TATAbox（Hognessbox）

CAAT上游的GC盒含增强子(enhancer)和静息子(silencer)第57页,共188页，2024年2月25日，星期天+1增强子（+）静息子（-）

基础表达（启动子）结构基因-25-70第58页,共188页，2024年2月25日，星期天顺式作用元件(cis-actingelement)

转录上游区与转录相关的具有调控作用DNA序列。反式作用因子(trans-actingfactor)

能直接或间接辨认、结合转录上游区段DNA的蛋白质。转录因子(transcriptionalfactor,TF)

能直接或间接结合RNApol的反式作用因子。第59页,共188页，2024年2月25日，星期天起始:复杂

DNA在开链前，需多种转录因子（TFⅡ）结合后，RNApolⅡ加入形成转录起始前复合物（pre-initiationcomplex,PIC)。2.2.3.真核生物转录的特点：第60页,共188页，2024年2月25日，星期天参与RNApolⅡ转录的TFⅡ转录因子分子量功能TFⅡA12，19，35稳定TFⅡD结合TFⅡB33促进polⅡ结合TFⅡD38辨认TATA盒TFⅡE57(α)34(β)ATPaseTFⅡFTFIIH30，74

解旋酶蛋白激酶活性第61页,共188页，2024年2月25日，星期天

TFⅡDTFⅡATFⅡBpolⅡ/TFⅡFTFⅡE

TATAPICTATAADBFDNARNApolⅡEHTFIIH第62页,共188页，2024年2月25日，星期天延长：除转录和翻译是两个时空进行外，与原核生物大致相似。

第63页,共188页，2024年2月25日，星期天终止：●

mRNA3´端转录出AAUAAA及富GU序列后，在AAUAAA后约11～13b的修饰点（processing）被切断，游离的mRNA戴帽、加尾。螺旋酶使在AAUAAA后继续转录出的RNA脱离模板链，转录终止，RNApolⅡ脱落，该RNA被RNase水解。第64页,共188页，2024年2月25日，星期天AAUAAA——GUGUGUG5´——AAUAAA——ployA真核生物的转录终止1323'processingGUGUGUG解螺旋酶核酸酶第65页,共188页，2024年2月25日，星期天1.mRNA前体的加工

hnRNA（核内不均一RNA）：mRNA前体经加工修饰后成为成熟的mRNA。三、真核生物的转录后修饰第66页,共188页，2024年2月25日，星期天1.1.5´末端加帽（核内）5´末端帽子m7GpppG的生成第67页,共188页，2024年2月25日，星期天G第68页,共188页，2024年2月25日，星期天功能稳定mRNA结构给核蛋白体提供识别信号第69页,共188页，2024年2月25日，星期天1.2.3´末端加尾（核内）转录终止时在修饰点切除多余的RNA。在polyA聚合酶催化下，以ATP为原料在修饰点后逐个加上AMP形成polyA尾(100～200b)。第70页,共188页，2024年2月25日，星期天功能维持了mRNA的活性稳定mRNA结构参与mRNA由核进入胞浆第71页,共188页，2024年2月25日，星期天

断裂基因(splitegene)：

真核生物的结构基因（编码序列）中插入若干非编码序列而被隔开，故称断裂基因。1.3.剪接（splicing）（核内）第72页,共188页，2024年2月25日，星期天hnRNA(hetero-nuclearRNA):杂化核RNA:mRNA的前体,核内出现的mRNA的初级转录产物.第73页,共188页，2024年2月25日，星期天成熟mRNA与基因DNA杂交电镜所见第74页,共188页，2024年2月25日，星期天104318551129118143156第75页,共188页，2024年2月25日，星期天

外显子(exon)

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(intron)

隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。第76页,共188页，2024年2月25日，星期天内含子的分类：按基因类型和剪接方式分为4种

I、II类；自身剪接(线粒体,叶绿体;rRNA,mRNA)III类：形成套索结构后剪接(mRNA)IV类：剪接需酶和ATP(tRNA)按基因线性表达分为翻译前切除，翻译绕过，翻译后切除3种。剪接方式第77页,共188页，2024年2月25日，星期天第78页,共188页，2024年2月25日，星期天内含子的功能利于物种的进化选择基因表达的调控第79页,共188页，2024年2月25日，星期天剪接：hnRNA剪切内含子，拼接外显子，连接为成熟mRNA的过程。剪接部位为内含子末端的特定序列

5´-GU·······AG-3´套索的形成及剪除机制——二次磷酸酯转移第80页,共188页，2024年2月25日，星期天snRNA(smallnuclearRNA)

100－300bp的核内小RNA.

已发现U1、U2、U4、U5、U6剪接体：snRNA和核内蛋白质构成的小分子核糖核蛋白体（snRNP),能结合hnRNA内含子区段，使内含子弯曲，3´和5´靠近，利于剪接。第81页,共188页，2024年2月25日，星期天第82页,共188页，2024年2月25日，星期天第83页,共188页，2024年2月25日，星期天第84页,共188页，2024年2月25日，星期天1.4.甲基化甲基化发生在剪接之前，在非编码区分子含1~2个m6A。第85页,共188页，2024年2月25日，星期天1.5.RNA编辑（RNAediting）遗传信息在mRNA水平上的改变过程，称为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。第86页,共188页，2024年2月25日，星期天apoBmRNA的编辑加工第87页,共188页，2024年2月25日，星期天

5´末端加帽

3´末端加尾（剪切内含子，拼接外显子）剪接hnRNAmRNA修饰编辑小结：第88页,共188页，2024年2月25日，星期天2.tRNA的转录后加工串联tRNA初级转录产物由RNaseP从tRNA单体的5´端切下单个tRNA。RNA内切核酸酶切除反密码环前身中内含子，连接酶连接反密码环。第89页,共188页，2024年2月25日，星期天RNaseD从3´切下几个核苷酸，核苷酸转移酶催化3´末端加上−CCA−OH。甲基化：A→mA、G→mG（甲基转移酶）还原：形成DHU环异构：U→Ψ脱氨：A→I第90页,共188页，2024年2月25日，星期天第91页,共188页，2024年2月25日，星期天3.rRNA的转录后加工3.1.特点rDNA为高度重复序列，真核生物初级转录产物为45SrRNA的串联rRNA。

原核：5~107个拷贝真核：果蝇260个拷贝第92页,共188页，2024年2月25日，星期天3.2.过程RNA内切酶（多种）切下45SrRNA的单位，甲基化后切成18S、5.8S和28SrRNA。5SrRNA由RNApolⅢ从rDNA外转录出，无成熟过程。第93页,共188页，2024年2月25日，星期天第94页,共188页，2024年2月25日，星期天四、转录水平的基因表达调控第95页,共188页，2024年2月25日，星期天第96页,共188页，2024年2月25日，星期天第97页,共188页，2024年2月25日，星期天基因表达（geneexpression）是指基因组中结构基因经过转录、翻译等过程，合成蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能的全过程。第98页,共188页，2024年2月25日，星期天RNA的合成

4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶转录单位：结构基因、启动子、终止子按碱基配对原则,沿5’---3’方向真核生物有三型RNA聚合酶分为起始阶段、延长阶级和终止阶段转录后的产物经加工成为成熟的RNA第99页,共188页，2024年2月25日，星期天蛋白质的合成合成体系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP、MgmRNA编码区的三个相邻核苷酸组成密码子tRNA起接合器作用，核糖体是合成场所和装配机核糖体循环：起始、肽链延长和终止翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚单位的聚合第100页,共188页，2024年2月25日，星期天基因表达及其调控的特点管家基因（housekeepinggene）在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。组成性基因表达（constitutivegeneexpression）管家基因的表达方式，较少受环境影响，在个体各生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小。第101页,共188页，2024年2月25日，星期天诱导表达（inductionexpression）有一些基因表达极易受环境影响，在特定环境信号刺激下，基因的表达开放或增强。阻遏表达（repressionexpression）在特定环境信号刺激下，基因的表达关闭或减弱。第102页,共188页，2024年2月25日，星期天时间特异性（temporalspecificity）在多细胞生物，从受精卵到组织、器官形成的各个发育阶段，相应的基因严格按照一定的时间顺序开启或关闭。空间特异性（spatialspecificity）在个体生长全过程，某基因产物在不同组织空间顺序出现。第103页,共188页，2024年2月25日，星期天协调表达（coordinatedexpression）功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。又称协调调节（coordinatedregulation）第104页,共188页，2024年2月25日，星期天基因表达的调控（geneexpressionregulation）是指各种细胞中相同的遗传信息，有规律的选择性、程序性、适度的表达以适应机体生长、发育、繁殖以及环境变化的需要，发挥其生理功能的调节和控制。第105页,共188页，2024年2月25日，星期天基因表达调控的生理意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化第106页,共188页，2024年2月25日，星期天基因表达调控的基本原理基因表达的多级调控基因转录激活调节基本因素特异DNA序列调节蛋白DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用RNA聚合酶第107页,共188页，2024年2月25日，星期天Transcription5’GATCTGACTGACATAGACATAGAT3’

coding(=non-template)strand3’CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA5’

templatestrand

5’GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU3’mRNA

第108页,共188页，2024年2月25日，星期天

4.1.原核生物基因表达的调控第109页,共188页，2024年2月25日，星期天4.1.1转录水平的调控

影响转录的因素启动子σ因子阻遏蛋白正调控蛋白倒位蛋白RNA聚合酶抑制物衰减子第110页,共188页，2024年2月25日，星期天操纵子（operon）调控区信息区启动子操纵基因第111页,共188页，2024年2月25日，星期天启动子决定转录方向及模板链：E.coli的启动子长约40-60bp，至少包括三个功能区。起始部位（initiationsite）＋1结合部位（bindingsite）-10bp，RNA聚合酶与之结合T80A95T45A60A50T96识别部位（recognitionsite）-35bp，σ因子与之结合T82G78A65C54A95第112页,共188页，2024年2月25日，星期天σ因子不同的因子σ可以竞争性的结合RNA聚合酶,环境变化可由到产生特定的σ因子，从而打开一套特定的基因。阻遏蛋白（repressor）与DNA结合后都是抑制转录，这种基因表达调控的方式称为负调控。第113页,共188页，2024年2月25日，星期天正调控蛋白与DNA结合后促进转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。CAP蛋白(catabolicgeneactivatorprotein，CAP)分解代谢物基因活化蛋白ntrC蛋白是大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白，其自身活性可通过ntrB使其磷酸化（有活性）和去磷酸化（无活性）而被调节第114页,共188页，2024年2月25日，星期天consensusTATA(Pribnow)boxE.coliPromoters

第115页,共188页，2024年2月25日，星期天倒位蛋白（inversionprotein）是一种位点特异的重组酶。沙门菌H1和H2鞭毛蛋白分别由两个基因编码，在一个细菌克隆中以表达一种鞭毛抗原为主。衰减子（attenuator）又称弱化子，位于操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。第116页,共188页，2024年2月25日，星期天RNA聚合酶抑制物细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA聚合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成减少或停止这种现象称为严谨反应（stringentresponse）第117页,共188页，2024年2月25日，星期天Positivevs.NegativeRegulation第118页,共188页，2024年2月25日，星期天AllostericEffectorsBindingcanalsoberequiredforbindingofrepressor(e.g.Trp)orcanblockanactivator.第119页,共188页，2024年2月25日，星期天4.1.2.转录的调控机制乳糖操纵子调控的机制阿拉伯糖操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制第120页,共188页，2024年2月25日，星期天乳糖操纵子（lacoperon）结构特点三个结构基因Z、Y、A，分别编码β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)、透酶(permease)和半乳糖苷乙酰化酶(galactosideacetylase)其上游还有一个启动子（P）和一个操纵基因（O）启动子上游还有一个CAP蛋白结合位点第121页,共188页，2024年2月25日，星期天OrganizationofLacOperonandLacIOperonpromoterRibosomeinitiation第122页,共188页，2024年2月25日，星期天RegulationofGeneExpressionIPTGalsoinducesSplitslactoselactosetransport??（异丙基硫代半乳糖苷）半乳糖第123页,共188页，2024年2月25日，星期天第124页,共188页，2024年2月25日，星期天cAMPAMPACAdenylatecyclaseandCAPmediateglucoserepressionofLacAdenylatecyclase(AC)isanenzymethatsynthesizescyclicAMP(cAMP)fromATPHighglucose

adenylatecyclaseisinhibited(indirectly,viaacatabolicproduct)

ThereforecAMPlevelsareLOWAbsenceofglucose

adenylatecyclaseisNOTrepressed

ThereforecAMPlevelsareHIGHcAMPformsacomplexwiththeCAPprotein,whichallowsittothenbindtotheCAPsiteupstreamoftheLacoperon.BindingoftheCAPproteinisrequiredtoallowRNApolymerasetobindtothelacpromoterandturnontranscription.IntheabsenceofCAPbinding,thereisno(orverylittle)transcriptionofthelactoseoperon,eveninthepresenceoflactose.glucose第125页,共188页，2024年2月25日，星期天CAPBindingBendsDNAvThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding第126页,共188页，2024年2月25日，星期天CAPmediatesglucoserepressionofLacPromotestranscription第127页,共188页，2024年2月25日，星期天调控机制I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶作用进入细胞，在β-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构基因转录。第128页,共188页，2024年2月25日，星期天Lactose

Glucose-+--+-++LacICAP-cAMPFourStatesoftheLacOperon第129页,共188页，2024年2月25日，星期天

阿拉伯糖操纵子（araoperon）结构特点结构基因B、A、D，分别编码异构酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮糖调控区由启动子（P）、起始区（I）和操纵基因（O）构成第130页,共188页，2024年2月25日，星期天CAP第131页,共188页，2024年2月25日，星期天调控机制C基因是调节基因，编码调控蛋白AraC，AraC蛋白单独存在时，结合到araO1和araO2，表现出负调控；阿拉伯糖使AraC蛋白变构，结合到araI上，表现正调控。在ara操纵子基因表达调控中，CAP蛋白的调控作用不显著。第132页,共188页，2024年2月25日，星期天TheArabinoseOperon

ThislooppreventsRNAtranscription(NOTtrueforallloops)NoArabinosepresent,operonOFFArabinosepresent,Glucoseabsent,operonON第133页,共188页，2024年2月25日，星期天调控作用有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放第134页,共188页，2024年2月25日，星期天

色氨酸操纵子（trpoperon）结构特点E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色氨酸，上游调控区由启动子（P）和操纵基因（O）组成R基因编码阻遏蛋白第135页,共188页，2024年2月25日，星期天第136页,共188页，2024年2月25日，星期天GenomicOrganizationoftheTrpOperon

第137页,共188页，2024年2月25日，星期天调控机制阻遏型操纵子及衰减机制。衰减子位于结构基因E和操纵基因O之间的L基因中。L基因的部分转录产物编码14个氨基酸，其中含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的偶联是产生衰减的基础。调控作用将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。第138页,共188页，2024年2月25日，星期天ControlofGeneExpressionintheTrpOperonTheenzymecatalyzingthefirststepinthepathwayisinhibitedbyTrp(feedbackcontrol).InthepresenceofTrp,arepressorproteinbindstoanoperatorupstreamoftheTrpoperonandshutsofftranscriptionAttenuation.Thereisa160basepairregionintheTrpmRNAthatcausestranscriptiontoterminateprematurelyifTrpispresent.第139页,共188页，2024年2月25日，星期天TrranscriptionalControl第140页,共188页，2024年2月25日，星期天AttenuationControl第141页,共188页，2024年2月25日，星期天4.1.2.翻译水平的调控SD序列（Shine-Dalgarnosequence）原核细胞多顺反子mRNA上的一段序列，位于起始密码子上游SD序列与起始密码子的距离、蛋白质对SD序列的作用，影响翻译的起始mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用第142页,共188页，2024年2月25日，星期天mRNA的稳定性mRNA的降解速度是翻译调控的一个重要因素mRNA的稳定与其序列和结构（即一级结构与次级结构）有关第143页,共188页，2024年2月25日，星期天翻译产物对自身翻译的影响核糖体蛋白50种蛋白质分布于不同操纵子各自编码一种可结合于mRNA多顺反子上游特定部位的蛋白质，阻止核蛋白体结合翻译终止因子RF2调节自身的翻译前25个密码子与后315个密码子间的UGAC在无RF2时框移第144页,共188页，2024年2月25日，星期天小分子RNA的调控作用调整基因表达产物的类型mRNA干扰性互补RNA（mRNAinterferingcomplementaryRNA，micRNA）低水平表达基因的调控小分子RNA阻遏物在翻译水平严格控制低水平基因表达第145页,共188页，2024年2月25日，星期天4.2.真核基因的表达调控第146页,共188页，2024年2月25日，星期天4.2.1.

DNA水平的调控染色质丢失低等生物及动物红细胞，不可逆基因扩增基因重排

基因片段改变原衔接顺序，重排为完整的转录单位第147页,共188页，2024年2月25日，星期天DNA甲基化与基因的表达成反比关系直接改变基因的构型影响转录因子与顺式作用元件结合5′端调控序列甲基化后与核内甲基化CG序列结合蛋白结合DNaseⅠ高敏感区为去甲基化的标志染色质结构改变组蛋白与DNA结合与解离非组蛋白与组蛋白竞争结合DNA，解除组蛋白对基因表达的抑制第148页,共188页，2024年2月25日，星期天4.2.2.转录水平的调控

转录起始复合物的形成:真核生物的RNA聚合酶识别的不是单纯的DNA序列，而是由一个通用转录因子（transcriptionfactor,TF）与DNA形成的蛋白质-DNA复合物TFIID结合TATA盒RNA聚合酶结合TFⅡD，形成闭合的复合物其它TF与RNA聚合酶形成开放的复合物第149页,共188页，2024年2月25日，星期天反式作用因子真核细胞内序列特异的DNA（8-15bp）结合蛋白可以使基因开放（正调控）或关闭（负调控）三个功能结构域：DNA结合域，转录活性域，结合其它蛋白结构域第150页,共188页，2024年2月25日，星期天DNAStructure–Major

andMinorGrooves第151页,共188页，2024年2月25日，星期天DNA结合域（DNA-bindingdomain）锌指结构（Zincfingermotif）同源结构域（Homodomain）亮氨酸拉链（Leucinezipper）螺旋－环－螺旋(Helix-loop-helixstructure)碱性α螺旋（Alkalineα-helix）第152页,共188页，2024年2月25日，星期天ZincFingerMotif第153页,共188页，2024年2月25日，星期天Helix-Turn-HelixMotif第154页,共188页，2024年2月25日，星期天LeucineZipper第155页,共188页，2024年2月25日，星期天LeucineZipperZipper:every7thresidueisaLeu

Hydrophobicinterface第156页,共188页，2024年2月25日，星期天H-BondinginaProtein-DNAInteraction第157页,共188页，2024年2月25日，星期天转录活化结构域（transcriptionalactivationdomain）酸性α-螺旋结构域（acidicα–helixdomain）富含谷氨酰胺结构域（glutamine-richdomain）富含脯氨酸结构域（proline-richdomain）第158页,共188页，2024年2月25日，星期天4.2.3.转录起始的调控反式作用因子的活性调节表达式调节合成后即有活性，不能积累共价修饰磷酸化、去磷酸化，糖基化配体结合激素受体蛋白质与蛋白质相互作用复合物的解离与形成第159页,共188页，2024年2月25日，星期天反式作用因子与顺式元件的结合反式作用因子的作用方式成环扭曲滑动Oozing反式作用因子的组合式调控作用组合式基因调控（conbinatorialgeneregulation）几种反式作用因子组合而发挥特定作用第160页,共188页，2024年2月25日，星期天4.2.4.转录后水平的调控加帽和加尾的调控意义选择剪接的调控作用选择剪接（alternativesplicing）：exon，intron是否出现在成熟mRNA是可以选择的Exon选择，intron选择，互斥exon，内部剪接位点mRNA运输的控制第161页,共188页，2024年2月25日，星期天第162页,共188页，2024年2月25日，星期天第163页,共188页，2024年2月25日，星期天第164页,共188页，2024年2月25日，星期天4.2.5.翻译水平的调控翻译起始的调控阻遏蛋白的调控作用翻译起始因子的功能调控AUG对翻译的调控mRNA5′非编码区长度对翻译的影响mRNA稳定性调节小分子RNA对翻译水平的影响第165页,共188页，2024年2月25日，星期天4.2.6.翻译后水平的调控新生肽链的水解肽链中氨基酸残基的修饰通过信号肽分拣、运输、定位第166页,共188页，2024年2月25日，星期天4.2.7.组织特异性表达和时相性Spatialrestrictionofgeneexpression(c.p:housekeepinggenes)Multipleorgan/tissuepattern(e.g.SHHinnervou