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1、Chapter 10Transcription in prokaryotes,Outline 10.1 Introduction 10.2 Transcription and translation are coupledin bacteria 10.3 Mechanism of transcription 10.4 Historical perspective: the JacobMonodoperon model of gene regulation 10.5 Lactose (lac) operon regulation 10.6 Mode of action of transcript
2、ional regulators 10.7 Control of gene expression by RNA,10.1 Introduction,A central event in gene expression is the copying of the sequence of the template strand of a gene into a complementary RNA transcript. All cells have at least one kind of RNA polymerase the enzyme that transcribes RNA from DN
3、A and the machinery that translates the mRNA into protein.,The biochemistry of transcript formation is straight forward, but the regulatory mechanisms that have been developed by organisms to control transcription are complex and highly variable. This chapter focuses on the process of transcription
4、in prokaryotes. Some of the similarities and differences between prokaryotes and eukaryotes are pointed out in this chapter,转录 (transcription) 生物体以DNA为模板合成RNA的过程,转录,5 3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,不对称转录(asymmetric transcription),在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录 ； 模板链并非永远在同一条单链上。,关于DNA和RNA的碱基序列，方向总是从5到
5、3，除非特别说明。对于DNA，一般总是讲编码链上的序列,这样也容易将DNA序列直接与氨基酸的密码子联系起来.,“对于单链RNA病毒，若其基因组RNA能够作为mRNA或与mRNA相同，则该RNA称为正链RNA病毒。”,PCR中，一对引物(上游引物，下游引物)中的上游引物(forward) 的序列与有意义链一致, 又称为sense primer。,参与转录的物质,原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: 解开成单链的DNA酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA pol)其他蛋白质因子,单链DNA病毒：正链，有意义链，编码链；负链，反义链，转录模板。 正链
6、RNA病毒：作为mRNA或序列与mRNA一致 负链RNA病毒：以其RNA的互补链为mRNA,编码链sense strand ：链、有意义链、非模板链，碱基序列与mRNA一致（DNA：T，RNA：U），无转录功能 模板链antisense strand ：链、反义链，合成RNA的转录模板,RNA转录的一般特点具有选择性，即只对基因组或DNA分子中的编码区进行转录开始于特定位点，并在特定的终点处终止催化转录反应的是RNA聚合酶被转录的DNA双链中只有其中一股模板链作为RNA合成的模板启动子控制起始底物为4种5-核糖核苷三磷酸合成方向5- 3,10.2 Transcription and trans
7、lation are coupled in bacteria,10.3 Mechanism of transcription,Using DNA as a template, the RNA polymerase polymerizes nucleoside triphosphates (NTPs) by phosphodiester bonds from 5to 3. In bacteria such as Escherichia coli, there is one type of RNA polymerase, while eukaryotes have multiple nuclear
8、 DNA-dependent RNA polymerases and organelle-specic polymerases.,cis-acting sequence or element(顺式作用元件) 又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的 一些与基因转录调控有关的特殊顺序。,在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型 进行调控，其顺式作用元件主要由启动基因、操纵 基因和调节基因组成。 在真核生物中，与基因表达调控有关的顺式作用 元件主要有启动子（promoter）、增强子（enhancer） 和沉默子（silencer）。,trans-acting factor（反式作用因子）又称
9、为 分子间作用因子，指一些与基因表达调控 有关的蛋白质因子。原核生物中的反式作用因子主要分为特 异因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常称为转 录因子。,顺式作用元件与反式作用因子的相互作用 大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。,Bacterial promoter structure,RNA polymerase binds to a region on DNA called a promoter. Promoters are located
10、right before the start of transcription of the gene(s) physically connected on the same stretch of DNA. For this reason, a promoter is classied as a cis-acting sequence or element. A promoter differs from DNA sequences whose role is to be transcribed or translated. It serves exclusively as a sequenc
11、e of DNA whose function is to be recognized by a regulatory protein.,promoter ：RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。是起始转录的一段必需的DNA序列，包括与RNA聚合酶结合区、转录起始点及其它各种可能与调控蛋白结合的区域，本身一般不被转录。原核启动子区大约70-80bp长，有特殊的结构。 转录因子：RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子。,启动子的特征结构典型,都含识别（R),结合（B)和起始（I）位点;序列保守;位置和距离都比较恒定；直接和多聚酶相结合；常和操纵子相邻；位于基因的5端；决定转录的启动和方向
12、。,-35,-10,5-9bp,TATAAT,16-19bp,TTGACA,典型启动子的结构,转录起点,大肠杆菌启动子的保守序列,-10序列（Pribnow框）几乎所有原核基因的启动子中，在转录开始位点上游-10区域都有一个典型的6bp T80A95T45A60A50T96序列，称为Pribnow框或-10序列。-10序列是DNA分子与RNA聚合酶核心酶紧密结合的序列，是结合部位，突变不影响RNA聚合酶与启动子结合的速度，但降低解链的速度。,- 35序列其保守序列为TTGACA（T82T84G78A65C54A45），与-10序列相隔1619bp。 功能： 为RNA 聚合酶的识别位点。RNA
13、聚合酶的核心酶只能起到和模板结合和催化的功能，并不能识别-35序列，只有亚基才能识别-35序列，为转录选择模板链。 -35序列和-10序列的距离是相当稳定的，过大或过小都会降低转录活性。这可能是因为RNA 聚合酶本身的大小和空间结构有关。,转录起始位点（I） 转录开始时模板上的第一个碱基 在原核中模板序列常为A或G ，RNA第一个核苷酸通常是pppG或pppA 而且位置固定，左侧为上游，用负数字表示，右侧为下游，用正数字表示,Structure of bacterial RNA polymerase,The bacterial RNA polymerase is comprised of a
14、core enzyme plus a transcription factor called the sigma factor (). Together, they form the complete, fully functional enzyme complex called the holoenzyme (from the Greek word holos for “whole”).RNA聚合酶通过在RNA的3-羟基端加入 核苷酸延长RNA链，以5 到3方向合成RNA。,原核生物的RNA聚合酶,核心酶(core enzyme) :2 as a specificity factor,细菌R
15、NA聚合酶的组成：E. Coli RNA聚合酶全酶由5个亚基组成：2 ，分子量为480kd。2 构成核心酶，与亚基构成全酶。核心酶不能区分启动子和一般序列，与DNA结合常数约为109，停留半衰期约为60min，当因子与核心酶构成全酶后，与DNA一般序列结合常数为105，半衰期小于1S，而与启动子区结合常数为1012，半衰期为数小时，所以亚基又称起始亚基。,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),细菌RNA聚合酶的功能: 识别和结合DNA链上的启动子； 能沿着DNA双链作单向运动； 解开DNA双螺旋，转录后又恢复双螺旋； 同时与局部分离的DNA链以及转录产物RNA链结
16、合； 按模板原则选择正确底物，按5-3方向合成RNA链； 识别转录的终止信号； 能与转录因子互相作用，调节转录速度； 能在转录受到阻遏的情况下进行自身调整，借助辅助因子，恢复和维持RNA合成,E. Coli的RNA聚合酶各亚基的性质和功能,2 、因子 功能：它识别启动子并将封闭的启动子复合物转换成开放的状态。一旦转录起始，因子从全酶中脱离。核心酶能与DNA结合，但效率低，特异性差。增加RNA聚合酶对启动子的特异性结合，减少非特异性结合。,不同启动子需要不同因子,大肠杆菌RNA聚合酶与DNA的相互作用,E.coli的不同因子识别不同的共同顺序,Stages of transcription,The transcription process consists of three stages: initiation, elongation, and termination. Initiation is further divided into three stages: formation of a closed promoter complex, formation of an open promoter complex,and promoter clearance,
