转录及转录调控参考幻灯片.ppt

1、第三章 转录及其调控,湖北理工学院医学院 教师： 苏振宏,1,10/2/2020,转录 ( transcription ) 生物体以DNA为 模板合成RNA的过程。,转录,第一节 转录的基本原理,2,10/2/2020,转录单位：一个转录区段可视为一个转录单位，包括 若干个结构基因及其上游的调控序列。,+1,转录起点,编码区(开放阅读框),转录终点,启动子,终止子,转录单位,转录单位,3,10/2/2020,不对称转录,（asymmetric transcription）,* 在DNA分子双链上某一区段，一股 链可转录，另一股链不转录；,* 模板链并非永远在同一单链上。,4,10/2/2020

2、,5,10/2/2020,6,10/2/2020,7,10/2/2020,模板链(template strand)有意义链或Watson链： DNA双链中，能按碱基配对规律指引转录，生成RNA的一股单链。 编码链(coding strand)反义链或Crick链： DNA双链中碱基序列与RNA一致的一股链。,结构基因,模板链,模板链,编码链,编码链,模板链,相 关 概 念,8,10/2/2020,转录的忠实性是指一个特定基因的转录具有固定的起点和固定的终点，而且被转录产生的剪基序列，严格遵守碱基互补原则。 然而，转录出错率高于复制出错率 原因：RNA聚合酶没有校读功能,高度的忠实性(high

3、fidelity),9,10/2/2020,正常的转录一旦发生，就不会中途停止，转录终止前RNA聚合酶不从模板链解离下来 一旦RNA聚合酶从模板链解离，则解离下来的酶不可能与解离点重新结合,高度的进行性(highly progressive),10,10/2/2020,第二节 原核生物转录,11,10/2/2020,核心酶 core enzyme,全酶 holoenzyme,一、原核生物转录相关结构和酶,（一）原核生物的RNA聚合酶,12,亚基结合位点：-35序列 亚基结合位点：-10序列,13,10/2/2020,14,因子：又称释放因子，六聚体蛋白，可以水解NTP， 其解旋酶促使新生RNA

4、链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。,（二） 因子,1969年Roberts研究发现的控制转录终止的蛋白质。,14,10/2/2020,（三）启动子结构,启动子是基因表达不可缺少的重要调控序列。没有启动子，基因就不能转录。原核生物启动子是由两段彼此分开且又高度保守的核苷酸序列组成，对mRNA的合成极为重要。,15,10/2/2020,开始转录,T T G A C A A A C T G T,-35 区,(Pribnow box),T A T A A T Pu A T A T T A Py,-10 区,原核生物启动子保守序列,RNA-pol辨认位点 (recognition site),

5、16,10/2/2020,1、 转录开始的位置 超过90%的转录起始点为嘌呤核苷酸，在转录起始点有一保守序列：MCATMM，A是转录始点。,转录起始点,M：A或C或G,17,10/2/2020,2、 10序列，位于转录起始位点上游10bp左右，有一个6个碱基组成的保守序列TATAAT，是RNA聚合酶结合的部位，又称为TATA盒或Pribnow盒。 特点：不同的启动子，其位置略有不同 不同的启动子，每个碱基出现的频率不同。,10序列,18,10/2/2020,3、35序列：位于转录起始位点上游35bp处，故称35序列，有一个6个碱基组成的保守序列TTGACA. 不同启动子的35序列的每个碱基出现

6、的频率不同。 35序列是RNA聚合酶初始结合的部位 35序列的核苷酸结构决定了启动子的强度,35序列,19,10/2/2020,-35序列和-10序列之间的间隔区碱基序列对转录起始并不重要。 -35序列和-10序列之间的间隔区长度对转录很重要。 实验结果表明： -35序列和-10序列之间的间隔区长度为17bp时转录效率最高。 大多数启动子为1618bp,4、作用部位间隔区,20,10/2/2020,一、原核生物转录的起始,转录起始需解决两个问题： RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。 2. DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。,21,10/2/2020,辨认起始位点： 亚

7、基辨认启动子的-35区，RNA聚合酶全酶(2)与模板疏松结合。 酶滑行到-10区，通过亚基与模板牢固结合。 形成闭合转录复合物(二元复合物),转录起始过程：,22,10/2/2020,2. DNA局部解链 RNA聚合酶挤入DNA双链中，解链长度约1217个核苷酸， 拓扑异构酶参与。 形成开放转录复合物(二元复合物),转录起始过程：,23,10/2/2020,3. 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 - 5pppGpN- OH 3,转录起始复合物(三元复合物): RNA聚合酶-DNA模板-四磷酸二核苷酸,5-pppG -OH + NTP

8、 5-pppGpN - OH 3 + ppi,转录起始过程：,24,10/2/2020, 原核生物转录起始复合物,因子与核心酶形成全酶，因子发现起始位点，全酶与-35序列结合，酶分子向-10序列转移并牢固结合。形成闭合转录复合物,-10序列及起始位点处发生局部解链，形成开放转录复合物,在亚基的催化下，形成RNA的第一个磷酸二酯键，由DNA模板、RNA聚合酶、新生RNA链组成转录起始复合物（三元复合物）。,因子从全酶上解离，核心酶与DNA的亲和力下降，三元复合物在DNA链上移动，继续合成RNA.,25,10/2/2020,二、转录延长,1. 亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛

9、，沿着DNA模板前移；,2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。,(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi,3. 转录空泡的形成：,26,10/2/2020,转录空泡(transcription bubble)：,DNA解开的两条单链与RNA聚合酶及其转录产物RNA构成的转录复合物。,RNA-pol：40-60 bp； 解链：小于20 bp； RNA/DNA：8-9 bp。,27,10/2/2020,DNA/DNA双链比DNA/RNA杂化双链稳定 稳定性: GCA=TA=U,稳定性存在差异,28,10/2/2020,原核生物转录过程中的现象,29,10/2/2

10、020,依赖Rho ()因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止,三、转录终止,RNA聚合酶在DNA模板上停止前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落。,机制,30,10/2/2020,31,1.依赖因子的终止,因子：又称释放因子，六聚体蛋白，可以水解NTP，其解旋酶促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。,31,10/2/2020,因子的终止的作用机制,32,10/2/2020,33,33,10/2/2020,34,2. 不依赖因子的终止,终止子富含GC反向序列出现转录延宕； RNA聚合酶是由一个挂在DNA上滑行的环带动着前进的，而这个环恰好可以容下DNA单连，不能通过比

11、较粗的茎环结构 终止子poly(U)与模板链的poly(A)相互作用力较弱，新生的RNA链很容易从模板链上解离下来,34,10/2/2020,35,发夹式结构和寡聚U的共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。,35,10/2/2020,36,终止效率与二重对称序列（至少6bp）和寡聚U（至少4个U）的长短有关，长度，终止效率。,36,10/2/2020,37,10/2/2020,2. 不依赖因子的终止,38,10/2/2020,39,10/2/2020,不依赖因子的终止机制,40,10/2/2020,第三节 真核生物转录,41,10/2/2020,一、真核生物转录酶及相关因子,（一）真核生物的

12、RNA聚合酶,种类 ,对鹅膏蕈（xun）碱 的反应,45S-rRNA,hnRNA 某些 snRNA,5S-rRNA tRNA、snRNA,耐受,极敏感,中度敏感,转录产物,42,10/2/2020,D,TATA,A,B,F,E,（二）转录因子( TF ),RNA聚合酶,转录因子(TF)：能与顺式作用原件识别、结合，调节真核基因转录的蛋白质，称为转录调节因子，简称转录因子，也称反式作用因子。,43,10/2/2020,44,10/2/2020,基本转录因子：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白质因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA、rRNA)转录的类别。 有人将其视为RNA聚合酶的组成成

13、分或亚基。 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。此类特异因子中起转录激活作用的称转录激活因子，起转录抑制作用的称转录抑制因子。,（二）转录因子( TF ),45,10/2/2020,（二）转录因子( TF ),46,10/2/2020,47,10/2/2020,顺式作用元件,48,10/2/2020,-110区,49,10/2/2020,（三）顺式作用元件,50,10/2/2020,三、真核生物的转录起始,（一）转录起始,转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板的启动子，其起始过程比原核生物复杂，,51,10/2/2020,5

14、2,10/2/2020,转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC),真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。 拼版理论：一个真核生物基因的转录需要3-5个不同的转录因子，它们之间相互作用与结合，形成专一性的活性复合物，再与RNA聚合酶搭配而特异性地结合并转录相应的基因。,53,10/2/2020,（二）转录延长,RNA-pol前移,核小体移位和解聚现象。,与原核生物大致相似， 没有转录与翻译同步的现象。,54,10/2/2020,55,10/2/2020,（三）转录终止 和转录后修饰密切相关。,转录终止修饰点: DNA读码框架下游的

15、一组AATAAA和GT共同序列, 参与转录终止过程, 这些序列称之为转录终止修饰点。,56,10/2/2020,57,10/2/2020,一、 mRNA的转录后加工,（一）首、尾的修饰,1、5 端形成 帽子结构,5 m7GpppGp ( NTP ) n,58,10/2/2020,帽子结构: (m7GpppGp ) 7-甲基鸟嘌呤-三磷酸鸟苷,59,10/2/2020,此外还可以形成帽子1，帽子2等 第一第二位的核苷酸的2-O位上被甲基化形成帽子1，帽子2，,60,10/2/2020,核内生成, 保护mRNA不被核酸外切酶水解。 与翻译过程有关，帽子结构结合蛋白是翻译起始必需的因子。 促进某些R

16、NA的合成。,帽子结构的功能:,61,10/2/2020,62,10/2/2020,63,10/2/2020,64,10/2/2020,65,10/2/2020,66,10/2/2020,2、断 裂 基 因 、外显子 和 内含子,真核生物的结构基因，由若干个编码区和 非编码区 互相间隔开但又连续镶嵌而成。,断裂基因(splite gene ),编码区 A、B、C、D,67,10/2/2020,68,10/2/2020,69,10/2/2020,RNA编辑的生物学意义： 扩充遗传信息 产生多种表达产物，产生多种生物学效应，产生功能用途的分化。 DNA上的基因数要比表达的蛋白质种类少。估计10万个

17、基因，实际3万个基因。,70,10/2/2020,71,10/2/2020,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,72,10/2/2020,二、tRNA 的转录后加工,73,10/2/2020,74,10/2/2020,碱基修饰的方式：,75,10/2/2020,三、rRNA 的转录后加工,76,10/2/2020,中心法则,77,10/2/2020,基因表达(gene expression),基因所贮存的遗传信息通过转录及翻译产生具有生物功能的多肽和蛋白质或RNA的过程. 表达产物: 蛋白质或肽 RNA,78,10/2/2

18、020,转录起始是基因表达调控的基本控制点,基因激活,转录起始 转录后加工 mRNA降解,转录水平的基因表达调控最重要,79,10/2/2020,基因表达调控的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖,维持个体发育与分化,80,10/2/2020,原核生物的转录调控,81,10/2/2020,（一）原核生物转录调控的特点,1、因子的特异性识别：在转录的起始阶段， 亚基识别特异启动序列，不同的因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、tRNA、rRNA基因的转录。,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),82,10/2/2020,83,10/2/2020,枯草杆菌孢子形成

19、过程中亚基的替换。 主要是55、37、29三种亚基的更迭。含55的RNA聚合酶只能识别营养基因的启动子，含37的RNA聚合酶只能识别早期孢子形成基因的启动子，含29的RNA聚合酶则只能负责中、晚期孢子形成基因的转录.,84,10/2/2020,2、操纵子学说的普遍性,操纵子（operon）：是原核生物在分子水平上基因表达调控的单位，由调节基因、启动子、操纵基因和结构基因等序列组成。,85,10/2/2020,负调控:阻遏蛋白与操作基因结合，抑制结构基因的表达。 正调控：阻遏蛋白与操纵基因脱离后，激活蛋白与启动子结合以及和RNA集合酶相互作用，帮助结构基因的转录起始。 原核细胞的基因调节中负性调

20、节占主导作用。,3、负性调节占主导,86,10/2/2020,操纵序列 阻遏蛋白(repressor)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，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。,87,10/2/2020,一、乳糖操纵子lac opron,乳糖操纵子(lac operon)的结构,88,10/2/2020,没有乳糖存在时,阻遏蛋白的负性调节,89,10/2/2020,有乳糖存在时,-半乳糖苷酶,90,10/2/2020,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,CAP的正性调节,91,10/2/2020,协调调节,当阻遏蛋白封闭转

21、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。,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。,92,10/2/2020,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,93,10/2/2020,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,E,D,C,B,A,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,色氨酸操纵子,二、色氨酸操纵子trp operon,94,10/2/2020,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,

22、包含序列1,形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/4,95,10/2/2020,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,96,10/2/2020,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,97,10/2/2020,真核生物的转录调控,98,10/2/2020,一、真核生物转录调控的特点,1. 有多种RNA聚合酶,种类 ,对鹅膏蕈碱 的反应,45S-rRNA,hnRNA 某些 snRNA,5S-rRNA tRNA、s

23、nRNA,耐受,极敏感,中度敏感,转录产物,99,10/2/2020,2. 转录激活状态的染色体结构发生明显变化,对核酸酶敏感 DNA拓扑结构发生改变 DNA碱基的甲基化修饰发生变化 组蛋白变化,100,10/2/2020,chromatin 状况与基因表达相关,101,10/2/2020,从DNA到蛋白质的可能的调控步骤,真核基因表达的多级控制,3. 正性调节占主导,102,10/2/2020,主要调控水平： 转录水平调控（transcriptional control） 转录后水平调控（post-transcriptional control） RNA加工水平调控（RNA processi

24、ng control） 翻译水平调控（translational control） 蛋白质的翻译后修饰（post-translational modification）,103,10/2/2020,二、真核生物转录前调控,1. 染色质结构对转录的影响,真核基因的活跃转录是在常染色质上进行得。转录发生之前，染色质常常会在特定得区域被解旋松弛，形成自由DNA。这种变化包括核小体结构的消除或改变，DNA 本身局部结构的变化，从右旋型变为左旋型（Z-DNA）等，这些变化可导致结构基因暴露，促进转录因子与启动区DNA的结合，诱发基因转录。,活跃表达基因所在染色质上一般含有一个或数个DNA酶I超敏感位点（

25、hypersensitive site）他们大多位于基因的5端启动区，少数在其他位置。,104,10/2/2020,证据,体外重建chromatin改变转录效率,转录速度 转录速度,complete nucleosome,Naked DNA + H2A, H2B, H3, H4,105,10/2/2020,2. DNA的修饰,DNA拓扑结构变化,天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；,基因活化后,106,10/2/2020,m5C是真核生物 DNA中的主要修饰成分,多发生在CpG序列中,不同细胞间m5C 相差甚大,胚胎细胞与特化体细胞相差106,DNA碱基修饰变化,107,10/2/2020,

26、108,10/2/2020,凡被Trans-factor 结合的区域 均能阻止nucleosome 形成,2. 组蛋白的磷酸化,109,10/2/2020,顺式作用元件：通常只在原位影响与其处于同一个DNA分子上的、物理上紧密相连的基因表达的DNA序列。通常不编码蛋白，多位于基因旁侧或内含子中。如启动子、终止子、增强子、操纵基因,（一）顺式作用元件,四、真核生物转录水平调控,110,10/2/2020,顺式/反式的调节方式,111,10/2/2020,结构基因,-GCGC-CAAT-TATA,真核生物启动子保守序列,112,10/2/2020,1. 启动子,真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点

27、周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。,113,10/2/2020,增强子增强基因转录的效应十分明显，一般能使基因 转录效率增加K)200倍，有的可以增加上千倍； 增强子发挥作用的方式通常与其方 向,或与其所在部位与转录起始点的距离无关； 增强子大多数为重复序列,跨度一般为 100 200bp，但其基本的核心组件常由8 12bp组成,有完整的或部分的回文结构；,114,10/2/2020,增强子增强基因转录的效应有严格的组织细胞特异性； 增强子没有基因专一性，可以在不 同基因的转录中发挥作用； 增强子的活性与其在DNA双螺旋结构中的空间方向性有 关； 许多增强子

28、是否发挥作用受外部信号驱使,这时的增强子又被称为反应元件,如 cAMP反应元件、激素反应元件、金属反应元件和血清反应元件等。,115,10/2/2020,116,10/2/2020,（二）反式作用因子,转录调节因子分类（按功能特性）,* 基本转录因子(general transcription factors),是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。,117,10/2/2020,* 特异转录因子(special transcription factors),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。,转录激活因子,

29、转录抑制因子,118,10/2/2020,基因表达具有时空特异性,按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达表现为与生长、分化和发育阶段一致的时间性，因此又称阶段特异性(stage specificity)。 在个体生长、发育全过程，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，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。基因表达伴随空间所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or t

30、issue specificity)。,119,10/2/2020,有些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常称为管家基因（housekeeping gene）。 我们将这类基因表达称为基本（或组成性）基因表达（constitutive gene expression）。,120,10/2/2020,转录调节因子结构,1. 转录因子的DNA结合域,121,10/2/2020,（1） 螺旋-转角-螺旋,常结合CAAT盒,122,10/2/2020,123,10/2/2020,（2）锌指(zinc finger),124,10/2/2020,Zn,Cys,His,125,10/2/2020,（3）亮氨酸拉链：leucine zipper,螺旋的特点是Leu频繁出现，每7个aa残基中出现一个，延螺旋的疏水侧排列成直线 与Leu重复区相邻的是碱性氨基酸含量较高的DNA结合区。形成二聚体时该碱性区对DNA的亲和力较高,126,10/2/2020,（4）碱性螺旋-环-螺旋,每一个bHLH单体由3部分构成:一长一短两个a-螺旋，中间由一个非螺旋的环连接;N