药学转录和基因表达调控

转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA过程。

转录RNADNA

年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第1页复制和转录区分年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第2页参加转录物质原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其它蛋白质因子年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第3页第一节RNA生物合成（转录）（一）转录模板（二）RNA聚合酶（三）酶与模板识别结合（四）原核生物转录过程（五）真核生物转录过程（六）真核生物转录后修饰（七）RNA复制年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第4页（一）转录模板DNA分子上转录出RNA区段，称为结构基因(structuralgene)。DNA双链中按碱基配对规律能指导转录生成RNA一股单链，称为模板链(templatestrand)，也称作有意义链或Watson链。相正确另一股单链是编码链(codingstrand)，也称为反义链或Crick链。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第5页5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第6页5

3

3

5

模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第7页不对称转录(asymmetrictranscription)

在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指导转录，另一股链不转录；模板链并非永远在同一条单链上。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第8页（二）RNA聚合酶1、原核生物RNA聚合酶年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第9页关键酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第10页RNA聚合酶全酶在转录起始区结合年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第11页2、真核生物RNA聚合酶年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第12页（三）模板上酶识别、结合原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包含若干个结构基因及其上游(upstream)调控序列。

5

3

3

5

结构基因调控序列RNA-polRNA聚合酶结合模板DNA部位，称为开启子(promoter)。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第13页RNA聚合酶保护法年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第14页开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205

3

3

5

原核生物开启子保守序列RNA-pol识别位点(recognitionsite)5

5

RNA聚合酶保护区结构基因3

3

年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第15页TATA盒CAAT盒GC盒

增强子

顺式作用元件结构基因-GCGC---CAAT---TATA转录起始真核生物开启子保守序列年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第16页1、转录起始转录起始需处理两个问题：RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板起始区域。DNA双链解开，使其中一条链作为转录模板。（四）原核生物转录过程年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第17页②DNA双链解开①RNA聚合酶全酶(2)与模板结合③在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物RNApol(

2

)-DNA-pppGpN-OH3

转录起始复合物:5

-pppG-OH+

NTP

5

-pppGpN

-OH3

+ppi转录起始过程年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第18页2、转录延长①

亚基脱落，RNA–pol聚合酶关键酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；

②在关键酶作用下，NTP不停聚合，RNA链不停延长。(NMP)n

+

NTP

(NMP)n+1

+PPi年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第19页目录年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第20页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第21页5

3

DNA原核生物转录过程中羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第22页依赖Rho(ρ)因子转录终止非依赖Rho因子转录终止3、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。分类年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第23页ATP依赖Rho因子转录终止年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第24页非依赖Rho因子转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊结构来终止转录。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第25页5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5

TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第26页茎环结构使转录终止机理使RNA聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。5´pppG53

35RNA-pol年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第27页（五）真核生物转录起始1、转录起始真核生物转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第28页转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒增强子顺式作用元件(cis-actingelement)①转录起始前上游区段AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第29页②转录因子能直接、间接识别和结合转录上游区段DNA蛋白质，现已发觉数百种，统称为反式作用因子(trans-actingfactors)。反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶，则称为转录因子(transcriptionalfactors,TF)。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第30页参加RNA-polⅡ转录TFⅡ

年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第31页③

转录起始前复合物(pre-initiationcomplex,PIC)

真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多转录因子。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第32页POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化转录PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第33页④

模板理论(piecingtheory)一个真核生物基因转录需要3至5个转录因子。转录因子之间相互结合，生成有活性，有专一性复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录对应基因。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第34页2、转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相同，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同时现象。RNA-pol前移处处都遇上核小体。转录延长过程中能够观察到核小体移位和解聚现象。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第35页RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体转录延长中核小体移位转录方向年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第36页5

------AAUAAA-5

------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止修饰点5

5

3

3

3加尾AAAAAAA······3mRNA3、转录终止——和转录后修饰亲密相关。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第37页几个主要修饰方式①

剪接(splicing)②

剪切(cleavage)③修饰(modification)④添加(addition)（六）真核生物转录后修饰年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第38页1、真核生物mRNA转录后加工①加帽子5

端形成帽子结构(m7GpppGp—)年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第39页帽子结构年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第40页5pppGp…5GpppGp…pppGppi鸟苷酸转移酶5

m7GpppGp…甲基转移酶SAM帽子结构生成5ppGp…磷酸酶Pi年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第41页3

端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)②加尾巴但多聚A尾形成并不是简单地加入A,而是先要在mRNA前体3‘末端切除一些多出附加核苷酸,然后再加入多聚A。在mRNA前体3’末端11-30核苷酸处有一段AAUAA保守序列,在U7-snRNP帮助下识别,由一个特异核酸内切酶催化切除多出核苷酸。随即,在多聚A聚合酶催化下,发生聚合反应形成了3‘末端多聚A尾。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第42页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第43页③mRNA剪接hnRNA和snRNA核内初级mRNA称为杂化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核内蛋白质小分子核糖核酸蛋白体（并接体,splicesome）snRNA年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第44页真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区相互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完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。断裂基因(splitegene)CABD编码区A、B、C、D非编码区年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第45页外显子(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，并表示为成熟RNA核酸序列。内含子隔断基因线性表示而在剪接过程中被除去核酸序列。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第46页鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第47页鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第48页内含子分类依据基因类型和剪接方式，通常把内含子分为4类。I：主要存在于线粒体、叶绿体及一些低等真核生物rRNA基因；II：也发觉于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA；III：是常见形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有这类内含子；IV：是tRNA基因及其初级转录产物中内含子，剪接过程需酶及ATP。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第49页mRNA剪接方式——除去hnRNA中内含子，将外显子连接。snRNP与hnRNA结合成为并接体①年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第50页②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第51页pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第二次转酯反应UpAGpU外显子1内含子外显子2G-OHUpUpGpA剪接过程二次转酯反应

年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第52页•RNA编辑作用说明，基因编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化，所以也称为分化加工(differentialRNAprocessing)。④mRNA编辑(mRNAediting)人类apoB基因mRNA（14500个核苷酸）肝脏apoB100（分子量为500000）肠道细胞apoB48（分子量为240000）mRNA编辑6666位C→U结果CAA→UAA年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第53页2、tRNA转录后加工tRNA前体RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第54页RNAaseP、内切酶年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第55页tRNA核苷酸转移酶、连接酶ATPADP年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第56页碱基修饰（2）还原反应如：UDHU（3）核苷内转位反应如：Uψ（4）脱氨反应如：A

I如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第57页3、rRNA转录后加工转录45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA内含子内含子28S5.8S18S年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第58页（七）RNA复制有些病毒如噬菌体f2、MS2、R17和Qβ等均含有RNA基因组。这些RNA病毒染色体为单链RNA,在病毒蛋白质合成中含有mRNA功效。病毒RNA进入宿主细胞后,还可进行复制,即在RNA指导RNA聚合酶(RNA-directedRNApolymerase,RDRP)或称RNA复制酶(RNAreplicase)催化下进行RNA合成反应。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第59页RNA复制酶分子量约为210000,由四个亚基组成。其中只有一个分子量为65000亚基,是病毒RNA复制酶基因产物,其结构中含有复制酶活性部位。其它三个亚基全是宿主细胞中正常合成蛋白质。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第60页RNA复制酶还需要有宿主细胞中三种蛋白质因子帮助其发挥作用。它们是延长因子TU(分子量30000)和Ts(分子量45000),以及S1(分子量70000)。这些因子能够帮助RNA复制酶定位并结合于病毒RNA3’末端,引发RNA复制。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第61页RNA复制酶催化合成反应是以RNA为模板,由5'→3'方向进行RNA链合成。反应机理与其它核酸模板指导核酸合成反应相同。RNA复制酶缺乏校对功效内切酶活性,所以RNA复制错误率较高,这与DNA指导RNA聚合反应情况是相类似。RNA复制酶只是特异地对病毒RNA起作用,而宿主细胞RNA普通并不进行复制。这就能够解释在宿主细胞中虽含有数种类型RNA,但病毒RNA是优先进行复制。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第62页1、基因表示概念本世纪50年代末，生物科学家们揭示了生物遗传信息从DNA传递到蛋白质规律──中心法则。那么，终究是什么机制控制着遗传信息传递规律呢？一个基因终究应该在什么时候、什么组织器官开启或关闭？1961年，FrancisJacob和JacquesMonod经过E.coli基因表示调控研究提出了著名操纵子（元）学说，开创了基因表示调控研究新领域。基因表示调控是分子生物学及分子遗传学发展新领域，包括很多基本概念和原理，这是认识原核、真核基因表示调控基础。第二节基因转录调整年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第63页基因表示就是基因转录及翻译过程。在一定调整机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生含有特异生物学功效蛋白质分子，赋予细胞或个体一定功效或形态表型。但并非全部基因表示过程都产生蛋白质。rRNA、tRNA编码基因转录产生RNA过程也属于基因表示。不论是病毒、细菌，还是多细胞生物，乃至高等哺乳类动物及人，基因表示表现为严格规律性，即时间、空间特异性。

年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第64页时间特异性噬菌体、病毒或细菌侵入宿主后，展现一定感染阶段。随感染阶段发展、生长环境改变，有些基因开启，有些基因关闭。按功效需要，某一特定基因表示严格按一定时间次序发生，这就是基因表示时间特异性（temporalspecificity）。空间特异性在多细胞生物个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不一样组织器官表示多少是不一样；即使在同一生长阶段，不一样基因表示产物在不一样组织、器官分布也不完全相同。在个体生长、发育全过程，一个基因产物在个体不一样组织或器官表示，即在个体不一样空间出现，这就是基因表示空间特异性（spatialspecificity）年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第65页基因表示多级调控。当前已经有证据表明，基因结构活化、转录起始、转录后加工及转运、翻译及翻译后加工等均为基因表示调控控制点。可见，基因表示调控是在多级水平上进行复杂事件。其中，转录起始是基因表示基本控制点。

年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第66页2、原核细胞转录水平调整－操纵子学说原核生物大多数基因表示调控是经过操纵子机制实现。操纵子（元）（operon）通常由2个以上编码序列与开启序列（promoter）、操纵序列（operator）以及其它调整序列在基因组中成簇串联组成。开启序列是RNA聚合酶结合并起动转录特异DNA序列。各种原核基因开启序列特定区域内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些相同序列，称为共有序列（consensussequence）。

年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第67页E.coli及一些细菌开启序列共有序列在-10区域是TATAAT，又称Pribnow盒（Pribnowbox），在-35区域为TTGACA（图）。这些共有序列中任一碱基突变或变异都会影响RNA聚合酶与开启序列结合及转录起始。特异DNA序列原核生物—操纵子（operon）

开启序列操纵序列编码序列调控区年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第68页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第69页共有序列决定开启序列转录活性大小。操纵序列与开启序列毗邻或靠近，其DNA序列常与开启序列交织、重迭，它是原核阻遏蛋白结合位点。当操纵序列结合有阻遏蛋白时会妨碍RNA聚合酶与开启序列结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻遏转录，介导负性调整。原核操纵子调整序列中还有一个特异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，介导正性调整。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第70页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第71页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第72页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第73页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第74页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第75页3、真核细胞基因转录调整参加真核生物基因转录激活调整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包括编码基因两侧DNA序列──顺式作用元件，及其与顺式作用元件特异结合反式作用因子。顺式作用元件：经过开启子、增强子等DNA元件来控制基因转录调整方式称为顺式调整，这一类存在于DNA上特定序列，称为顺式作用元件(cis-actingelement)。如TATA盒、CCAAT盒等。这些共有序列就是顺式作用元件关键序列，它们是真核RNA聚合酶或特异转录因子结合位点。

年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第76页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第77页顺式作用元件通常是非编码序列。顺式作用元件并非都位于转录起始点上游（5’端）。依据顺式作用元件在基因中位置、转录激活作用性质及发挥作用方式，可将真核基因这些功效元件分为开启子、增强子及缄默子等

反式作用因子：与顺式作用元件进行特异性结合蛋白质因子被称为反式作用因子(trans-actingfactor)。因为反式作用因子与顺式作用元件结合是基因转录水平调控方式，因而反式作用因子也称为转录因子(transcriptionfactor)

年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第78页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第79页增强子DNA环增强子DNA环年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第80页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第81页转录因子几个家族：①螺旋-转角-螺旋(Helix-turn-helix)蛋白：两个α-螺旋由短肽转折形成1200转角，其中一个α-螺旋称为“识别螺旋”能够与DNA大沟相结合。②亮氨酸拉链(Leucinezipper)③锌指结构（ZincFinger)上述蛋白质因子都是DNA结合蛋白，经过和DNA特异结合，对转录起到调控作用。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第82页锌指（zincfinger）：一个α-螺旋和两个反平行β-折叠组成。N-端二个Cys、C-端二个His之间形成洞穴容纳Zn2+。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第83页Zn2+可稳定α-螺旋，使α-螺旋能镶嵌于DNA大沟中。DNA、RNA结合模序。年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第84页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第85页年5月药学类专业生物化学讲稿药学转录和基因表达调控第86页LZ