Chapter12Transcription RNA聚合酶 转录过程 转录后加工 转录的调控 转录调控是基因表达调控的核心问题目的要求1. 掌握转录、模板链、有意义链、启动子、终止子等概念2.了解原核生物和真核生物的转录过程3.了解三种RNA（mRNA、tRNA、rRNA）前体的加工过程4. 了解内含子的四种剪切机制，理解核酶在RNA加工过程中的作用转录（transcription）：在RNA聚合酶催化下，以一段DNA为模板合成出对应RNA的过程DNA指导RNA合成）转录产物有mRNA、rRNA、tRNA和小RNA除某些病毒基因组RNA外，生物体内绝大多数RNA分子都来自DNA的转录产物复制与转录的比较相同：要有模板新链延伸方向53，碱基的加入遵循碱基配对原则不同：复制需要引物，转录不需引物转录时，模板DNA的信息全保留，复制时模板信息是半保留RNA聚合酶只有53聚合活性，无53及35外切活性转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步基因表达的产物：RNA蛋白质DNA正链：与mRNA序列相同的DNA链DNA负链：与正链互补的DNA链（模板链）转录起点核苷酸为+1起点右边为下游（转录区），用正数表示。
转录起点左侧为上游，用负数表示：-1 Template strands Sense strand and Antisense strand第一节 转 录 转录起始于DNA模板的一个特定位点，并在另一特定位点终止此区域称为一个转录单位 一个转录单位可以是一个基因（真核），也可以是多个基因（原核） 转录具有选择性，细胞在不同发育阶段和不同的环境，将转录不同的基因 转录的起始由DNA上的启动子区控制，DNA上的终止子控制转录的终止一、RNA聚合酶 RNA合成的基本特征：n 底物（ATP、GTP、CTP、UTP）NTPn RNA链延伸方向5 3n 不需要引物n 需要DNA模板1.E.coliRNA聚合酶（原核）E.coli和其它原核细胞一样，由一种RNA聚合酶合成各种RNA（mRNA、tRNA、rRNA）一个E.coli细胞中约有7000个RNA聚合酶分子，在任何时刻，大部分聚合酶（5000左右）正在参与RNA的合成，具体数量依生长条件而定RNA聚合酶分子量46万Da，由六个亚基组成，2及2个Zn2+ 无亚基的酶（2）叫核心酶核心酶(coreenzyme)只能使已开始合成的RNA链延长，而没有起始合成活性，加入亚基后，全酶才具有起始合成RNA的能力。
亚基的功能：核心酶在DNA上滑动，亚基能增加酶与DNA启动子的结合常数，增加停留时间，使全酶迅速找到启动子并与之结合，亚基自身无催化活性亚基基因功能rpoC与模板DNA结合rpoB与核苷酸结合，起始和催化部位rpoD起始识别因子rpoA与DNA上启动子结合-不详不同的因子识别不同的启动子，从而表达不同的基因不同的原核生物，都具有相同的核心酶，但亚基有差别，这决定了原核基因表达的选择性RNA聚合酶 RNA合成1 RNA合成2核心酶覆盖60bp的DNA区域，其中解链部分17bp左右，RNA-DNA杂合链810bp RNA聚合酶，在离体条件下可转录双链DNA解旋和重新螺旋化也是RNA聚合酶的内在特性，在酶的前端解螺旋，在后端重新螺旋化活体中可能还有其它酶来帮助调整DNA拓扑学性质37时，反应速度可达40核苷酸/秒 2.真核生物RNA聚合酶真核生物的转录机制要复杂得多，三种RNA聚合酶，在细胞核中起不同的作用根据对-鹅膏蕈碱的敏感性，可分为三种分类、分布及各自的功能 真核生物RNA聚合酶二、RNA聚合酶催化的转录过程1. 起始（initiation） 局部解开双螺旋，第一个核苷酸掺入转录起始位点，开始RNA链的延伸。
在新合成的RNA链的5末端，通常为带有三个磷酸基团的鸟苷或腺苷（pppG或pppA），即合成的第一个底物是GTP或ATP 启动子：RNA聚合酶识别、结合和开始转录所必需的一段DNA序列 起始过程中，因子起关键作用2.延长(elongation)亚基离开核心酶，核心酶的亚基构象变化，与DNA模板亲和力下降，（亚基与结合时，亚基的构象有利于核心酶与启动子紧密结合）在DNA上移动速度加快，使RNA链不断延长3.终止（termination）RNA聚合酶到达转录终止点时，在终止辅助因子的帮助下，RNA链和聚合酶脱离DNA链三、启动子和转录因子 启动子（promoter）：RNA聚合酶识别、结合并开始转录所必需的一段DNA序列 转录因子（TF）：RNA聚合酶在转录时，需要一些辅助因子（蛋白质）参与作用，此类蛋白质称为转录因子 足迹法和DNA测序确定启动子的结构 1.原核启动子结构与功能比较发现不同的启动子都存在保守序列，包括RNA聚合酶识别和结合位点1）-10序列（Pribnow框） 转录起点上游-10处6bp的保守序列TATAAT，出现在- 4到- 13bp之间，每个位点的保守性在45%-96%。
promoter频率：T80A95T45A60A50T96TA和第6位最保守RNA聚合酶在此部位与DNA结合形成稳定的复合物，Pribnow框中DNA序列在转录方向上解开，形成开放型起始结构富含AT的Pribnow框的双链解后进一步扩大成17个核苷酸长度的泡状物，在泡状物中RNA聚合酶从模板链开始转录RNA产物 （2）-35序列（识别区域）只含-10序列的DNA不能转录，在它的上游还有一个-35保守序列，是RNA聚合酶识别区域频率T82T84G78A65C54A45，TTG十分保守功能：是原核RNA聚合酶初始识别位点，对RNA聚合酶有很高亲和性该序列决定了启动子的强度，RNA聚合酶易识别强的启动 -35序列提供RNA聚合酶识别信号-10序列有助于DNA局部双链解开启动子结构的不对称性决定了转录的方向与保守序列接近的启动子较强，反之较弱不含-35序列的启动子几乎不转录不同的因子识别不同的启动子 启动子共有序列的功能2. 真核启动子 真核基因的转录十分复杂，启动子有三类， 分别由RNA聚合酶、和进行转录 类别启动子：可被RNA聚合酶识别， 只控制rRNA前体转录，核心启动子在-45至 +20区域，上游控制元件在-180至-107。
类别启动子：可被RNA聚合酶识别，由基本启动子、起始子、上游元件和应答元件组成RNA pol识别类别启动子，转录mRNA基本启动子 A. TATA框：中心-25至-30，长度7bp 频率：T82A97T93A85A63（A37）A82A60（T37 ） 功能：解开DNA双链，并决定转录的起点 失去TATA框，转录将可能在许多位点上开始 启动子区TATA框的改变或缺失，直接影响DNA与酶的结合程度，使转录起始点偏移因此，TATA是许多数真核基因正确表达所必需的由于RNA聚合酶分子有相对固定的空间结构，同此框的结合位点和转录反应催化位点的距离，决定了起始位点的正确选择启动子特定序列和酶的正确结构，这两者把酶置于一种正确的构象中，决定了识别的正确性和转录起始的正确性B.CAAT框 中心在-75处，9bp，共有序列GGT（G）CAATCT，功能：与RNA聚合酶结合C.GC框 在CAAT框上游，序列GGGCGG，与某些转录因子结合，CAAT和GC框均为上游因子，对转录的起始频率有较大影响 类别启动子 RNA pol 的启动子，转录5SrRNA、 tRNA和胞质小RNA（scRNA），在转 录区内部。
核内小RNA（snRNA）的启动子在转 录起点上游四、终止子和终止因子 提供转录终止信号的一段DNA序列称为终止子协助RNA聚合酶识别终止子的辅助因子称为终止因子（蛋白质） 有些终止子的作用可被特异的因子阻止，使酶越过终止子继续转录（通读）这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子 终止子位于已转录的序列中，DNA的终止子可被RNA聚合酶或其辅助因子识别1）强终止子具有发夹结构及polyU，回文对称区富含GC，polyU提供使RNA聚合酶脱离模板的信号2）弱终止子（依赖的终止子） 必需在因子存在时才能引发终止，回文结构不富含GC，无polyU结构因子：55000蛋白质，可水解三磷酸核苷通读往往发生在强启动子、弱终止子的基因上 终止子Transcriptiontermination五、转录的调节控制五、转录的调节控制时序调控：生长、发育、分化、时间程序空间调控适应调控：细胞内外环境改变增强子：真核生物、病毒的一段DNA序列，对转录起增强作用具有长距离效应，与方向无关，只作用于同一条DNA链上的启动子可位于基因的上游或下游区或内含子中操纵子：基因表达的协调单位，包括结构基因、调节基因及由调节基因产物所识别的控制序列（启动子、操纵基因）。
Lactoseoperon Inducerinactivatesthelacrepressor顺式作用元件（cis-actingelement）DNA上调控转录的一段序列，例如，启动子、增强子、上游元件和应答元件反式作用因子（reverse-actingfactor）调控转录的一类蛋白质，例如，激活因子（转录因子）和阻遏因子上游调节因子的结构域：DNA结合结构域转录激活结构域二聚化结构域其中蛋白质与DNA结合结构域有一些特殊的基序（motif）结构螺旋转角螺旋（helix-turn-helixHTH）锌指（zinc-finger）螺旋突环螺旋（helix-loop-helixHLH）亮氨酸拉链（leucinezipperZIP）第二节 RNA转录后的加工 RNA聚合酶合成的原初转录产物，经过剪切、修饰、拼接等过程，转变成成熟的RNA分子1）原核、真核的tRNA、rRNA（稳定RNA） 在细胞内的tRNA、rRNA相对稳定，半衰期一般为几个小时所有的tRNA、rRNA都不是原初转录产物a. 原初转录产物的5是三磷酸（pppG、pppA），成熟tRNA、rRNA的5是单磷酸b.成熟tRNA、rRNA分子都比原初转录物小c. tRNA分子都含有稀有碱基（A、G、C、U以外的碱基）（2）真核的mRNA单顺反子，多内含子，寿命比原核mRNA的长。
内含子（intron）：原初转录物中通过RNA拼接反应而被去除的RNA序列，或基因中与这种序列对应的DNA序列外显子（exon）：原初转录物通过RNA拼接反应后而保留于成熟RNA中的序列，或基因中与成熟RNA对应的DNA序列3）原核mRNA多顺反子，半衰期只有几分钟这是原核生物重要的调控机制，如果一种酶或蛋白质不再需要时，只需简单地关闭其mRNA的合成就行了 一、原核生物RNA的加工 原核生物的rRNA基因与某些tRNA基因组成混合操纵子，可提高效率、节省空间（增加有效信息） 其它的tRNA基因也成簇存在，并与编码蛋白质的基因组成操纵子，它们在形成多顺反子转录物后，断裂成为rRNA和tRNA的前体，然后进一步加工成熟1. 原核rRNA前体的加工（E.coli） E.coli共有三种rRNA 5S rRNA 120b 16S rRNA 1541b 23S rRNA 2904b 原初转录物含6300个核苷酸，约30S rRNA基因与tRNA基因混排在一个操纵子中，E.coli共有七个这样的操纵子，每个操纵子中tRNA基因的种类、数量和位置都各不相同 大肠杆菌rRNA加工2. 原核tRNA前体的加工 E.coli基因组有60个tRNA基因，即每种氨基酸的tRNA基因不止一个拷贝。
tRNA前体加工步骤：a. 核酸内切酶在tRNA两端切断RNAaseP、 RNAaseFb. 核酸外切酶从3端逐个切去附加序列RNAaseDc. 在tRNA3端加上-CCA-OHtRNA核苷酰转移酶d. 核苷的修饰（修饰酶）甲基化酶 S-腺苷蛋氨酸（SAM） tRNA 前体的加工3. 原核mRNA前体的加工 由单顺反子构成mRNA，一般不需加工一经转录，即可直接进行翻译。