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1、第15章 转录与基因表达调控RNA Transcription & gene expression regulation,中心法则The Central Dogma,学习要求,掌握: 转录所需因子的作用。真核细胞转录后加工。基因表达调控的基本方式。逆转录的概念。 熟悉: 转录的基本过程，乳糖操纵子，真核细胞基因转录的调节基本原理。 了解: RNA复制，色氨酸操纵子，基因转录的调节，反转录与癌变。,转录 (transcription) 是生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录的概念,复制和转录的异同点,第一节 转录transcription,参与转录的物质,原料: NTP (ATP, U
2、TP, GTP, CTP) 模板: DNA酶: 依赖DNA的RNA聚合酶(RNA polymerase)其他蛋白质因子,一、 转录模板,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。,1. 原核生物RNA聚合酶,二、 参与转录的酶,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,2. 真核生物RNA聚合酶,三、 转录过程,起始iniation 延长elongation 终止termination,2. DNA双链局部解开，形成开放转录复合体(open transcription comp
3、lex) ；,1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合，形成闭合转录复合体(closed transcription complex) ；,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- OH 3,转录起始复合物:,5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi,（1）转录起始,转录空泡(transcription bubble)：,RNA-pol （核心酶） DNA RNA,第一个磷酸二酯键生成后，亚基即从转录起始复合物上脱落，核心酶连同四磷酸二核苷酸，继续结合于DNA模板上，酶沿DNA链前
4、移，进入延长阶段。,（2）转录延长,依赖Rho 因子的转录终止。 非依赖Rho因子的转录终止。,（3）转录终止,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。,依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为：,因子是由相同亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量46kD。 因子能结合RNA，又以对poly C的结合力最强。 因子还有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。,依赖因子的转录终止,因子结构及特点,与RNA转录产物结合，结合后因子和RNA聚合酶都可发生构象变化，从而使RNA聚合酶停顿，解螺旋酶的活性使DNA/RNA杂化双链拆离，
5、利于产物从转录复合物中释放 。,因子的作用原理,不依赖 Rho因子的转录终止,DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。,1. 有回文序列,转录出的RNA可形成茎环结构（stem-loop structure），使转录物与模板之间配对的碱基数降低，整体上减弱了RNA 与DNA的互作。,2. 茎的区域富含G-C,茎环不易解开。,3. 强终止子的3端约有6个A,由于茎环3段紧接一串A/U的配对，稳定性比较差，有利于转录物脱落而不利于转录延续。,强终止子的结构特点,4. 原核生物转录后加工,真核生物转录生成的RNA分子是初级RNA转录物(prim
6、ary RNA transcript)，都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的RNA。,为什么要加工,加工地点：主要在细胞核中进行。,5. 真核细胞转录后加工,（1）加帽capping,大多数真核mRNA的5-末端有7-甲基鸟嘌呤的帽结构。 这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种酶，加帽酶(capping enzyme)和甲基转移酶(methyltransferase)催化完成。,帽子结构,帽子结构的意义,可以使mRNA免遭核酸酶的攻击； 也能与帽结合蛋白质复合体(cap-binding complex of protein)结合，并参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。,保护和
7、识别,（2）加尾tailing,poly A的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。 一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其poly A长度为100至200个核苷酸之间，也有少数例外。,(3) 剪接splicing, 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。,真核生物结构基因，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，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。,断裂基因(splite gene),编码区 A、B、C、D,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
8、，并表达为成熟RNA的核酸序列。内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。,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, RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工(differential RNA processing)。,（4） 修饰modification,人类apo B基因,mRNA（14500个核苷酸）,肝脏 apo B100 （分子量为500 000）,肠道细胞 apo B48 （分子量为240 000）,mRNA编辑,载脂蛋白B mRNA 的编辑加工,tR
9、NA的转录后加工,tRNA前体,RNAaseP、内切酶,tRNA核苷酸转移酶、连接酶,ATP,ADP,碱基修饰,（3）核苷内的转位反应,rRNA的转录后加工,第二节 基因转录调节,转录水平的调控transcriptional level: 转录激活、转录起始; 转录后水平的调控post-transcriptional level： 转录后加工、运输、mRNA降解; 翻译水平的调控translation level：翻译的起始; 翻译后水平的调控post-translation level翻译后的加工、转运、多肽链的分解.,基因表达调控水平：,乳糖操纵子(lac operon)的结构,一、原核基
10、因转录调节操纵子学说,没有乳糖存在时,阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,-半乳糖苷酶,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,CAP的正性调节,mRNA,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,染色体,二、 真核细胞基因转录调节,（一）顺式作用元件,真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点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。,结构基因,-GCGC-CAAT-TATA,真核生物启动子保守序列,（二）反式作用因子,基本转录因子(general transcription factors),是RNA聚合酶结合启动子所必需
11、的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。,转录调节因子结构,（二聚化结构域）,最常见的DNA结合域：,1. 锌指(zinc finger),C Cys H His,常结合GC盒,三个锌指的蛋白和DNA结合的晶体结构示意图： 每个锌指的N端形成折叠，C端形成螺旋 三个螺旋恰好等于DNA大沟的一圈,-螺旋,常结合CAAT盒,碱性螺旋-环-螺旋 碱性亮氨酸拉链,一种特殊的螺旋，疏水氨基酸集中排列在螺旋的一侧，疏水表面是两个蛋白质分子构成二聚体的接触点 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
12、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,3.亮氨酸拉链：leucine zipper,转录起始复合物的形成,真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。,图13-9 转录起始复合物的形成,第三节 反转录 Reverse Transcription,双链DNA是大多数生物的遗传物质。某些病毒的遗传物质是RNA。少数低等生物如M13噬菌体，它的感染型只含单链DNA。原核生物的质粒，真核生物的线粒体DNA，都是染色体外存在的DNA。这些非染色体基因组，采用特殊的方式进行复制。,逆转录酶(reverse transcriptase),逆转录(reverse transc
13、ription),逆转录酶,反转录过程,RNA,DNA,逆转录病毒细胞内的逆转录过程,RNA病毒在细胞内复制成双链DNA的前病毒(provirus)。前病毒保留了RNA病毒全部遗传信息，并可在细胞内独立繁殖。在某些情况下，前病毒基因组通过基因重组(recombination)，参加到细胞基因组内，并随宿主基因一起复制和表达。这种重组方式称为整合(integration)。前病毒独立繁殖或整合，都可成为致病的原因。,1.何谓转录(transcription。 2.复制与转录的异同点。 3.转录有什么特点? 4.原核生物 启动子(promoter)的概念和组成特点。TATA box? TTGACA
14、？全酶(holoenzyme)和核心酶(core enzyme)的组成特点及功能。 5.真核生物启动子(promoter)的概念和组成特点。TATA box? GC box? Enhancer？ 6. 因子的终止子（terminater）和不依赖因子的终止子的结构特点。 7.何谓顺式作用元件(cis-acting elements), 反式作用因子(trans-acting factor),并分别举例说明。 8.真核生物转录后修饰有几种方式?其功能是什么？ 9.什么是基因(gene),什么是断裂基因(spllited gene)?断裂基因是真核生物的真质标记(hall marker)吗? 10.什么是内元(intron),外元(exon) 11.什么是结构基因（structural gene）？,思考题,
