转录与基因表达调控转录与基因表达调控 Transcription of DNA Transcription of DNA9/25/20241一、转录一、转录DNADNA指导下指导下RNARNA的合成的合成9/25/20242DNADNA复制：复制：以以DNADNA为模板合成为模板合成DNADNA，遗传信息自上一代细胞向下，遗传信息自上一代细胞向下 一代细胞传递一代细胞传递转录：转录：以以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA，遗传信息自，遗传信息自DNADNA转录至转录至RNARNA分子分子翻译：翻译：以以mRNAmRNA为模板合成蛋白质，遗传信息表达至蛋白质为模板合成蛋白质，遗传信息表达至蛋白质反转录：反转录：以以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA（RNARNA病毒、真核细胞的端粒酶）病毒、真核细胞的端粒酶）RNARNA复制：复制：以以RNARNA为模板合成为模板合成RNARNA（RNARNA病毒）病毒）9/25/20243（一）模板（一）模板1 1、转录模板、转录模板| 两股两股DNADNA单链中只有一股可转录单链中只有一股可转录| 可作为模板转录成可作为模板转录成RNARNA的一股的一股DNADNA链链模板链模板链| 对应的一股对应的一股DNADNA链链编码链编码链| 能转录出能转录出mRNAmRNA，指导蛋白质合成的部分，指导蛋白质合成的部分结构基因结构基因| 其余的其余的DNADNA可能转录可能转录( (rRNA,tRNArRNA,tRNA) )，也可能不转录，也可能不转录9/25/202442 2、不对称转录、不对称转录在一个包含许多基因的双链在一个包含许多基因的双链DNADNA分子中，各个基分子中，各个基因的模板链不一定是同一条，对于某些基因以某因的模板链不一定是同一条，对于某些基因以某一条链为模板进行转录，而对另一些基因则可由一条链为模板进行转录，而对另一些基因则可由另一链为模板链。另一链为模板链。9/25/202451.1.模板：模板：DNADNA2.2.合成方向：合成方向：5 35 33.3.酶：酶：均依赖均依赖DNADNA4.4.碱基互补碱基互补配对原则配对原则5.5.产物：产物：多聚核苷酸链多聚核苷酸链复制和转录的复制和转录的异同点异同点相同点：相同点：9/25/20246不同点：不同点：复制复制转录转录模板模板 两股链均作为模板两股链均作为模板 模板链作为模板模板链作为模板原料原料 dNTPdNTP NTP NTP聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶产物产物 子代子代DNADNA双链双链 mRNA;tRNA;rRNAmRNA;tRNA;rRNA配对配对 A-TA-T；G-C A-UG-C A-U；T-A;G-CT-A;G-C引物引物 RNARNA引物引物 不需要引物不需要引物 方式方式( (特点特点) ) 半保留复制半保留复制 不对称转录不对称转录9/25/20247（二）参与转录的酶（二）参与转录的酶1.1.原核细胞的原核细胞的RNARNA聚合酶聚合酶 因子为起始因子因子为起始因子2.2.真核细胞的真核细胞的RNARNA聚合酶聚合酶（核仁）：催化（核仁）：催化rRNArRNA前体前体的合成；的合成；：催化：催化m m的合成；的合成；：催化小分子：催化小分子的合成的合成9/25/20248MwMw：465465480kD480kD亚基组成：亚基组成：2 2 ( (全酶全酶) ) 2 2（核心酶）（核心酶）1 1、原核生物的原核生物的RNARNA聚合酶聚合酶（大肠杆菌）（大肠杆菌）：起始因子：起始因子，识别，识别DNADNA模板上的转录起始位点前的特异碱基模板上的转录起始位点前的特异碱基序列序列, ,引导引导RNARNA聚合酶结合到聚合酶结合到DNADNA的启动子，开始转录的启动子，开始转录不同菌种不同菌种因子大小差别很大因子大小差别很大转录开始后，转录开始后，脱离聚合酶，核心酶催化脱离聚合酶，核心酶催化RNARNA的延长的延长9/25/20249RNARNA链的转录起始于链的转录起始于DNADNA模板的一个特定位点模板的一个特定位点, ,其上游有特异的碱基序列其上游有特异的碱基序列, ,为为启动子启动子(promoter(promoter）并在另一位点处终止（并在另一位点处终止（终止子终止子terminatorterminator）此转录区域称为转录单位（此转录区域称为转录单位（DNADNA）转录单位：转录单位：转录起转录起始点始点9/25/202410 大肠杆菌的大肠杆菌的RNARNA聚合酶聚合酶 全酶由全酶由5 5种亚基种亚基2 2 组成组成，因子与其它部因子与其它部分的结合不是十分紧密，它易于与分的结合不是十分紧密，它易于与2 2分离，分离，没没有有亚基的酶称为核心酶亚基的酶称为核心酶只催化链的延长，对起只催化链的延长，对起始无作用。始无作用。 四种亚基的功能分别为：四种亚基的功能分别为： 亚基：亚基：与启动子结合功能。与启动子结合功能。 亚基亚基：含催化部位，起催化作用，催化形成磷酸二酯：含催化部位，起催化作用，催化形成磷酸二酯键。键。 亚基亚基：与：与DNADNA模板结合功能。模板结合功能。 亚基：亚基：识别起始位点。识别起始位点。 9/25/202411RNARNA聚合酶：聚合酶：,专一专一地转录不同的基因地转录不同的基因转录转录过程、产物不同过程、产物不同对对鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱的敏感性不同的敏感性不同2 2、真核生物的、真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶加工产生加工产生5.8S 5.8S rRNArRNA，18S 18S rRNArRNA 、28S 28S rRNArRNA9/25/202412 8 81414个亚基，个亚基，Mw 500KDMw 500KD左右左右 无无识别亚基识别亚基 转录：转录：起始复合体起始复合体（转录因子、启动子、（转录因子、启动子、RNARNA聚合酶）聚合酶） 线粒体、叶绿体线粒体、叶绿体RNARNA聚合酶类似于原核生物聚合酶类似于原核生物mRNAmRNA不稳定，寿命短，不稳定，寿命短，RNARNA聚合酶聚合酶最重要最重要9/25/202413（三）转录过程：起始、延长、终止（三）转录过程：起始、延长、终止I 因子辨认启动子因子辨认启动子I RNARNA聚合酶结合到聚合酶结合到DNADNA的启动子，开始转录的启动子，开始转录I 启动子具有共有的序列启动子具有共有的序列保守序列或一致性序列：在保守序列或一致性序列：在-10bp-10bp处有处有-TATAAT-TATAAT-，PribnowPribnow盒；盒；-35bp-35bp处有处有-TTGACA-TTGACA-，辨，辨认点认点1 1、模板的识别：、模板的识别：9/25/202414识别正确的启动位点，识别正确的启动位点，启动子的结构至少由三部分组成：启动子的结构至少由三部分组成： -35-35序列提供了序列提供了RNARNA聚合酶全酶识别的信号；聚合酶全酶识别的信号；-10-10序列是酶的序列是酶的紧密结合位点（富含紧密结合位点（富含ATAT碱基，利于双链打开）；第三部分碱基，利于双链打开）；第三部分是是RNARNA合成的起始点。合成的起始点。35+1转录起始点转录起始点AACTGTATATTATTGACATATAAT5335序列序列 Sextama 框框 10序列序列Pribnow框框9/25/202415I 单独的核心酶单独的核心酶与与DNADNA随机疏松结合（低亲和力），不能区分启动子和一般序列随机疏松结合（低亲和力），不能区分启动子和一般序列全酶：全酶：与启动子结合牢固（高亲和力），并开始转录与启动子结合牢固（高亲和力），并开始转录(全酶通过扩散作用与全酶通过扩散作用与DNADNA随机结合随机结合(与酶结合的与酶结合的DNADNA迅速被置换迅速被置换(全酶不断改变与全酶不断改变与DNADNA的结合部位，直到启动子，转变为紧密的结合部位，直到启动子，转变为紧密结合结合9/25/202416I 真核生物：真核生物：转录因子识别启动子转录因子识别启动子 RNARNA聚合酶在起点处形成起始复合体聚合酶在起点处形成起始复合体 25bp25bp（HognessHogness盒）盒） CAAT GC TATACAAT GC TATAmRNAmRNA转录起始点转录起始点增强子，增强启动子增强子，增强启动子活性，活性，增强子序列可以远离启动子几千增强子序列可以远离启动子几千bpbp，位于上游或者下游，位，位于上游或者下游，位于模板链或编码链，均能发挥作用于模板链或编码链，均能发挥作用9/25/202417启动子和转录因子启动子和转录因子 启动子：启动子：与基因表达相关的特定的与基因表达相关的特定的DNADNA序列（顺式作用元件）序列（顺式作用元件）( RNARNA聚合酶与之特异结合，基因转录的开始部位聚合酶与之特异结合，基因转录的开始部位( 强启动子强启动子2 2秒钟启动依次一次转录秒钟启动依次一次转录( 弱启动子弱启动子1010分钟一次分钟一次转录因子：转录因子：RNARNA聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）( 与顺式作用元件结合（反式作用因子）与顺式作用元件结合（反式作用因子）( 识别启动子识别启动子9/25/2024182 2、转录的起始、转录的起始I 在模板链上通过碱基配对合成最初的在模板链上通过碱基配对合成最初的RNARNA链链加入的第一个核苷三磷酸常是加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或或ATP。所形成的所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物物称为三元起始复合物，第一个核苷三磷，第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点，酸一旦掺入到转录起始点， 亚基就会被亚基就会被释放脱离核心酶。释放脱离核心酶。9/25/2024193 3、转录的延伸、转录的延伸I因子脱离，核心酶向前移动，因子脱离，核心酶向前移动，RNARNA链延长链延长I 原核、真核生物基本相同，不需要引物原核、真核生物基本相同，不需要引物I 因子脱落，核心酶构象变松弛因子脱落，核心酶构象变松弛I RNARNA的的55端伸展在转录空泡之外端伸展在转录空泡之外I 模板为模板为A A，转录产物相应为，转录产物相应为U UI 原核生物：转录、翻译同时进行原核生物：转录、翻译同时进行9/25/202420第一个碱基总是第一个碱基总是G G或或A A9/25/2024214 4、转录的终止、转录的终止I RNARNA聚合酶到达基因转录终点聚合酶到达基因转录终点I RNARNA、RNARNA聚合酶自聚合酶自DNADNA脱离脱离不依赖不依赖因子：模板链因子：模板链终止区的碱基形成特殊结构终止区的碱基形成特殊结构 RNA 3RNA 3端形成端形成茎环结构茎环结构和一串和一串寡聚寡聚U U依赖依赖因子因子(因子与因子与RNARNA结合，具结合，具ATPATP酶、解链酶活性酶、解链酶活性) )1 1）原核生物转录终止：）原核生物转录终止：终止子：终止子：能够使转录终止的能够使转录终止的DNADNA序列序列终止因子：终止因子：协助协助RNARNA聚合酶识别终止信号的辅助蛋白质因子聚合酶识别终止信号的辅助蛋白质因子抗终止因子：抗终止因子：能够使转录酶越过终止子继续转录蛋白质因子能够使转录酶越过终止子继续转录蛋白质因子9/25/202422不依赖不依赖因子因子9/25/2024239/25/2024242 2） 真核生物的转录终止真核生物的转录终止I 编码链：编码链：mRNAmRNA合成一段合成一段AAUAAAAAUAAA，在此，在此处酶将其切断。处酶将其切断。I mRNAmRNA：polyApolyA尾巴尾巴9/25/202425二、转录后加工二、转录后加工| 转录生成的转录生成的RNARNA初级转录产物（前体初级转录产物（前体RNARNA，RNARNA前体）前体）| 无论是原核、真核生物，初级转录产物必须经过一定程度无论是原核、真核生物，初级转录产物必须经过一定程度 的加工、修饰，才能体现生物学功能的加工、修饰，才能体现生物学功能转录后加工转录后加工| 常见形式：去除或添加核苷酸、剪切拼接等常见形式：去除或添加核苷酸、剪切拼接等9/25/202426原核生物转录后加工相对简单原核生物转录后加工相对简单| mRNAmRNA：转录、翻译同时进行，一般不进行加工修饰转录、翻译同时进行，一般不进行加工修饰| tRNAtRNA、rRNArRNA：加工，剪切和修饰加工，剪切和修饰真核生物转录后加工较复杂真核生物转录后加工较复杂| RNARNA转录在细胞核、翻译在细胞质，因此先转录，后翻译转录在细胞核、翻译在细胞质，因此先转录，后翻译| hnRNAhnRNA经加帽、切尾，切除内含子、拼接外显子形成经加帽、切尾，切除内含子、拼接外显子形成mRNAmRNA| RNA RNA通过不同的加工方式，表达不同的信息通过不同的加工方式，表达不同的信息9/25/202427（一）原核生物的（一）原核生物的rRNArRNA加工加工| E E.Coli.Coli：7 7个个rRNArRNA的转录单位的转录单位| 转录单位：转录单位：16S16S、23S23S、5S RNA5S RNA、若干、若干tRNAtRNA基因组成基因组成| 16S16S、23S23S之间常由之间常由tRNAtRNA隔开隔开9/25/202428（二）原核生物的（二）原核生物的tRNAtRNA加工加工1 1）5 5切割切割2 2）3 3切割切割3 3）3 3加加CCA-OHCCA-OH4 4）碱基修饰成稀有碱基）碱基修饰成稀有碱基（甲基化碱基、假尿苷）（甲基化碱基、假尿苷）5 5）拼接）拼接（RNARNA酶酶P P）9/25/2024299/25/202430真核真核mRNAmRNA的剪辑的剪辑真核生物的结构基因通常是断裂的真核生物的结构基因通常是断裂的断裂基因断裂基因（Split gene or interrupted gene）| 表达蛋白质的基因中间被一些不能表达蛋白质的核苷酸表达蛋白质的基因中间被一些不能表达蛋白质的核苷酸序列（插入序列或内含子）隔开，致使一个结构基因被断裂序列（插入序列或内含子）隔开，致使一个结构基因被断裂成若干部分，这样的基因成若干部分，这样的基因( (二二) )真核细胞的转录后加工真核细胞的转录后加工9/25/202431外显子外显子（exon）| DNADNA分子中编码分子中编码mRNAmRNA某一部分序列的区域；某一部分序列的区域；| 真核细胞中，结构基因一般被若干插入顺序（内含子）隔开真核细胞中，结构基因一般被若干插入顺序（内含子）隔开| 被隔开的每一部分均称为外显子被隔开的每一部分均称为外显子内含子内含子（intron）| 基因中能被转录成前体转录物，却不能成为基因中能被转录成前体转录物，却不能成为mRNAmRNA组成成分组成成分 的序列（插入序列，居间序列；的序列（插入序列，居间序列；intervening sequenceintervening sequence）| 原核基因中一般（除少数外）不含内含子原核基因中一般（除少数外）不含内含子| 真核基因均含数量不等、大小不一的内含子真核基因均含数量不等、大小不一的内含子9/25/2024329/25/2024339/25/202434真核真核mRNA剪接：切除内含子、拼接外显子剪接：切除内含子、拼接外显子9/25/2024359/25/2024369/25/2024379/25/202438原核细胞基因表达转录调控方式原核细胞基因表达转录调控方式基因表达调控概述：基因表达调控概述：特定的基因在特定的时间和部位进特定的基因在特定的时间和部位进行特定量的表达行特定量的表达原核生物以原核生物以操纵子操纵子为单元进行表达和调控，特异的为单元进行表达和调控，特异的阻遏阻遏蛋白蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。是控制原核启动序列活性的重要因素。操作子：操作子：由几个功能相关的调控结构基因及其调控区组由几个功能相关的调控结构基因及其调控区组成一个基因表达的协同单位。成一个基因表达的协同单位。启动子：启动子：结合结合RNA聚合酶聚合酶操纵区：操纵区：控制控制RNA聚合酶能否通过的聚合酶能否通过的“开关开关”阻遏基因：阻遏基因：位于调控区上游，能够转录为阻遏物位于调控区上游，能够转录为阻遏物9/25/202439原核细胞转录水平的调节操纵子学说乳糖操纵子（诱导操纵子）的调节机制乳糖操纵子（诱导操纵子）的调节机制色氨酸操纵子（阻遏操纵子）的调节机制色氨酸操纵子（阻遏操纵子）的调节机制9/25/202440乳糖操纵子乳糖操纵子( (laclac operonoperon) ) 调控区调控区阻遏基因阻遏基因启动子启动子操纵区操纵区 结构基因结构基因Z Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y： 透酶透酶A A：乙酰基转移酶乙酰基转移酶Z ZY YA AO OP PDNADNAI I9/25/202441阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节 当无诱导物乳糖存在时，调节基因编码的阻遏当无诱导物乳糖存在时，调节基因编码的阻遏蛋白（蛋白（repressor proteinrepressor protein）处于活性状态，阻止）处于活性状态，阻止RNARNA聚合酶与启动基因的结合，则无法启动转录。聚合酶与启动基因的结合，则无法启动转录。 当有乳糖存在时，乳糖进入细胞，经当有乳糖存在时，乳糖进入细胞，经半乳半乳糖苷酶催化，转变为半乳糖。后者作为一种诱导剂糖苷酶催化，转变为半乳糖。后者作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构象变化，导致阻遏蛋分子结合阻遏蛋白，使蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与白与O O序列解离、转录发生。序列解离、转录发生。9/25/202442mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNADNAZ ZY YA AOP Ppol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏基因阻遏基因与操纵区结合，与操纵区结合，RNA RNA 聚合酶聚合酶则不起作用，不转录则不起作用，不转录乳糖操纵子：乳糖操纵子：乳糖可作为诱导物，诱导分解利用乳糖的酶的基因转录乳糖可作为诱导物，诱导分解利用乳糖的酶的基因转录9/25/202443mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时I IDNADNAZ ZY YA AOP Ppol启动转录启动转录mRNAmRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶9/25/202444CAPCAP（分解代谢基因活化蛋白）的（分解代谢基因活化蛋白）的正性调节正性调节 当没有葡萄糖及当没有葡萄糖及cAMPcAMP浓度较高时，浓度较高时，cAMPcAMP与与CAPCAP结合，结合，可刺激可刺激RNARNA转录活性。葡萄糖的分解代谢产物能降低转录活性。葡萄糖的分解代谢产物能降低cAMPcAMP的浓度，的浓度，CAPCAP不能被活化形成不能被活化形成CAPCAPcAMPcAMP复合物，则复合物，则不能转录。不能转录。laclac阻遏蛋白负性调节与阻遏蛋白负性调节与CAPCAP正性调节两种机制协调合作：正性调节两种机制协调合作：当当LacLac阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAP对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用；但是如果没有但是如果没有CAPCAP存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚仍几无转录活性。从操纵序列上解聚仍几无转录活性。 laclac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。糖。 9/25/202445阻遏蛋白阻遏蛋白操纵区操纵区结构基因结构基因调节基因调节基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白阻遏蛋白不能与操纵区结合，所以通常结构基因表达。阻遏蛋白不能与操纵区结合，所以通常结构基因表达。酶代谢产物一旦大量积累酶代谢产物一旦大量积累阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达被产物激活，结构基因不表达被产物激活，结构基因不表达被产物激活，结构基因不表达。原核生物基因主要是转录控制。原核生物基因主要是转录控制。TrpTrp 操纵子操纵子-产物产物阻遏常规酶的合成阻遏常规酶的合成9/25/202446真核细胞基因转录的调控顺式作用元件顺式作用元件( (ciscis-acting elements)-acting elements) 真核基因的顺式调控元件是基因周围能与真核基因的顺式调控元件是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的特异转录因子结合而影响转录的DNADNA序列序列。其中主要是起正性调控作用的顺式作用元其中主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括启动子件，包括启动子(promoter)(promoter)、增强子、增强子(enhancer)(enhancer)。9/25/202447反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors)(trans-acting factors)与顺式作用元件进行特异性结合的与顺式作用元件进行特异性结合的蛋白质因子蛋白质因子TBP(TATAbox binding protein) 是唯一能识别TATA盒并与其结合的转录因子，是三种RNA聚合酶转录时都需要的； 不同基因由不同的上游启动子元件组成，能与不同的转录因子结合，这些转录因子通过与基础的转录复合体作用而影响转录的效率。同一DNA序列可被不同的蛋白因子所识别；能直接结合DNA序列的蛋白因子是少数，但不同的蛋白因子间可以相互作用，因而多数转录因子是通过蛋白质蛋白质间作用与DNA序列联系并影响转录效率的 9/25/202448蛋白质的锌指结构蛋白质的锌指结构蛋白质的锌指结构蛋白质的锌指结构 转录调控的实质在于蛋白质与转录调控的实质在于蛋白质与转录调控的实质在于蛋白质与转录调控的实质在于蛋白质与DNADNADNADNA、蛋白质与蛋、蛋白质与蛋、蛋白质与蛋、蛋白质与蛋白质之间的相互作用白质之间的相互作用白质之间的相互作用白质之间的相互作用 碱性亮氨酸拉链结构碱性亮氨酸拉链结构碱性亮氨酸拉链结构碱性亮氨酸拉链结构及其与及其与及其与及其与DNADNADNADNA的结合的结合的结合的结合 9/25/202449逆转录：逆转录：以以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA 以病毒以病毒RNARNA为模板，以为模板，以dNTPdNTP为原料，由逆转录酶催化，按为原料，由逆转录酶催化，按碱基配对规律合成碱基配对规律合成DNADNA的过程的过程逆转录酶：逆转录酶：依赖于依赖于RNARNA模板，具有催化合成模板，具有催化合成DNADNA的活性的活性 依赖依赖RNARNA的的DNADNA聚合酶聚合酶RNARNA单链单链DNADNA（cDNAcDNA）双链双链DNADNA插入寄主插入寄主DNADNA逆转录酶：逆转录酶：RNARNA病毒病毒潜在的致癌可能潜在的致癌可能9/25/2024509/25/202451启动子是指( )A.DNA分子中能转录的序列B.转录启动时RNA聚合酶识别与结合的DNA序列C.与阻遏蛋白结合的DNA序列D.含有转录终止信号的DNA序列E.与反式作用因子结合的RNA序列9/25/202452下列酶中哪一种酶需要引物？A RNA聚合酶；B DNA聚合酶；C 引物酶；D DNA连接酶。9/25/202453增强子的特点的是( ) A.增强子单独存在可以启动转录 B.增强子的方向对其功能有较大的影响 C.增强子不能位于结构基因内 D.增强子增加启动子的转录活性 E.增强子不能位于启动子内9/25/202454原核生物参与转录起始的酶是A、引物酶 B、RNA聚合酶 C、RNA聚合酶核心酶 D、RNA聚合酶全酶9/25/202455在真核生物中tRNA和5SrRNA的转录是由下列哪种酶催化的A、RNA聚合酶 B、逆转录酶 C、RNA聚合酶 D、RNA聚合酶9/25/202456