药学分子生物学转录课件

中心法则生物体遗传信息传递的方式reverse transcription中心法则（中心法则（the central dogma）生物功能的实现（遗传信息的表达）：生物功能的实现（遗传信息的表达）：转录转录、翻译翻译世代之间传递：世代之间传递：DNA的复制的复制中心法中心法则则生物体生物体遗传遗传信息信息传递传递的方式的方式reverse transc1DNA成熟的成熟的mRNA转录（transcription）生物体以DNA为模板合成RNA的过程转录是遗传信息表达的第一步转录是遗传信息表达的第一步RNA转录转录DNA成熟的成熟的mRNA转录转录（transcription）生物体）生物体2药药学分子生物学学分子生物学转录课转录课件件3复制 VS 转录复制复制 VS 转录转录4转录与复制的共同点核苷酸聚合反应，生成磷酸二脂键核苷酸聚合反应，生成磷酸二脂键以以DNA为模板为模板酶酶促反应促反应遵从遵从碱基配对碱基配对规律规律方向：从方向：从53转录转录与复制的共同点与复制的共同点5转录与复制的区别复制复制转录转录模板模板两股链均复制两股链均复制模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）原料原料dNTPNTP引物引物需要需要RNA做引物做引物不需要不需要酶酶DNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶配对配对A-T,C-GA-U,T-A,G-C产物产物子代双链子代双链DNA（半保留复制）（半保留复制）mRNA,tRNA，rRNA,small RNA转录转录与复制的区与复制的区别别复制复制转录转录模板两股模板两股链链均复制模板均复制模板链转录链转录（不（不对对称称转转6参与转录的物质原料：核苷酸（NTP：ATP,UTP,GTP,CTP）模板：DNA酶：RNA聚合酶（RNA polymerase,RNA-pol）转录因子（transcription factor,TF）凡是转录过程必需的蛋白质，只要它不是RNA聚合酶的组成成分，就可以将其定义为转录因子参与参与转录转录的物的物质质原料：核苷酸（原料：核苷酸（NTP：ATP,UTP,GT7转录的模板结构基因（structural gene）:DNA分子上转录出RNA的区段转录转录的模板的模板结结构基因（构基因（structural gene）:DN8转录的模板结构基因（结构基因（structural gene）:DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段的区段模板链模板链(template strand)，也称作，也称作有意义链有意义链或或Watson链链 DNA双链中，按碱基配对规律，能指引双链中，按碱基配对规律，能指引转录生成转录生成RNA的一股单链的一股单链转录转录的模板的模板结结构基因（构基因（structural gene）:DN9转录的模板结构基因（结构基因（structural gene）:DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段的区段模板链模板链(template strand)，也称作，也称作有意义链有意义链或或Watson链链编码链编码链(coding strand)，也称为，也称为反义链反义链或或Crick链链。与模板链互补的链，特征是与转录的与模板链互补的链，特征是与转录的RNA序列类序列类似（仅有似（仅有T与与U的区别）的区别）转录转录的模板的模板结结构基因（构基因（structural gene）:DN10模板链、编码链与RNA的关系5GCAGUACAUGUC 3mRNANAla Val His Val C肽肽转录转录翻译翻译5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 5编码链编码链模板链模板链DNA参与转录参与转录模板模板链链、编码链编码链与与RNA的关系的关系5GCAGUACAUGU11不对称转录(asymmetric transcription)在在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录转录，另一股链不转录 ；5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链转录方向转录方向转录方向转录方向结构基因结构基因n模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。不不对对称称转录转录(asymmetric transcription12基本内容：第一节：原核生物的转录第一节：原核生物的转录n第二节：真核生物的转录及转录后修饰第二节：真核生物的转录及转录后修饰n第三节：转录调控（原核、真核）第三节：转录调控（原核、真核）基本内容：第一基本内容：第一节节：原核生物的：原核生物的转录转录第二第二节节：真核生物的：真核生物的转录转录及及转录转录13第一第一节节 原核生物的原核生物的转录转录14原核的RNA聚合酶基因基因产物产物功能功能rpoA2聚合酶聚合酶启动子识别启动子识别结合激活剂结合激活剂rpoB与转录全过程相关与转录全过程相关rpoC结合结合DNA模板模板rpoD辨认正确的转录起始位点辨认正确的转录起始位点 核心酶核心酶（core polymerasecore polymerase）全酶全酶（holoenzymeholoenzyme）原核的原核的RNA聚合聚合酶酶基因基因产产物功能聚合物功能聚合酶酶rpoB与与转录转录全全过过程相程相15核心酶核心酶(core enzyme)全酶全酶(holoenzyme)原核的原核的RNA聚合酶聚合酶核心核心酶酶(core enzyme)全全酶酶(holoenzym16核心酶与亚基原核原核RNA聚合酶的聚合酶的 亚基能识别启动子亚基能识别启动子亚基亚基在转录开始后在转录开始后脱离核心酶脱离核心酶核心酶核心酶完成后续的转录过程完成后续的转录过程-35区区-10区区图图11-3 原核生物的原核生物的RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合（DNA双链已打开，双链已打开，因子尚未脱落）因子尚未脱落）核心核心酶酶与与亚亚基基-35区区-10区区图图11-3 原核生物的原核生物的RNA聚聚17启动子(promoter)启动子启动子:RNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部位的部位5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列RNA-pol原核原核RNA聚合酶的聚合酶的 亚基能识别启动子亚基能识别启动子启启动动子子(promoter)5 3 3 5 结结构基因构基因调调控序列控序列R18RNA聚合酶保护法一种巧妙的研究启动子序列的方法 40-60bp的的DNA片段没有片段没有被降解，暗示被降解，暗示DNA与与RNA聚合酶结合的部位聚合酶结合的部位RNA聚合聚合酶酶保保护护法一种巧妙的研究启法一种巧妙的研究启动动子序列的方法子序列的方法 419原核生物启动子保守序列开始转录开始转录(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区T T G A C AA A C T G T-35 区区RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site)5 5 结构基因结构基因3 3 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启原核生物启动动子保守序列开始子保守序列开始转录转录(Pribnow box)T 20转录的过程u转录起始转录起始uRNA的延长的延长u转录终止转录终止 原核生物与真核生物转录的聚合酶、原核生物与真核生物转录的聚合酶、起始、终止都有所不同起始、终止都有所不同转录转录的的过过程程转录转录起始起始 原核生物与真核生物原核生物与真核生物转录转录的聚的聚21原核生物转录的过程转录起始需解决两个问题：需解决两个问题：1.RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。始区域。2.DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。模板。原核生物原核生物转录转录的的过过程程转录转录起始需解决两个起始需解决两个问题问题：22原核生物的转录起始RNA聚合酶全酶聚合酶全酶(2)与模板结合与模板结合nDNA双链解开双链解开n在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成成转录起始复合物转录起始复合物5-pppG-OH +NTP 5-pppGpN-OH 3 +ppi 转录起始复合物转录起始复合物:RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3 原核生物的原核生物的转录转录起始起始RNA聚合聚合酶酶全全酶酶(2)与模板与模板结结合合23原核生物转录的延伸 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着板结合松弛，沿着DNA模板前移模板前移n在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链不断链不断延长延长(NMP)n +NTP (NMP)n+1 +PPi原核生物原核生物转录转录的延伸的延伸 亚亚基脱落，基脱落，RNApol聚合聚合酶酶核心核心酶酶变变构构24转录空泡(transcription bubble)转录空泡转录空泡非模板非模板DNARNA聚合酶聚合酶RNA-DNA杂化杂化双链，双链，12bpRNA解开双链解开双链模板链模板链DNA恢复双链恢复双链53转录方向转录方向转录转录空泡空泡(transcription bubble)转录转录空泡空泡25超螺旋是转录的一个重要特征p随着随着RNA-pol沿双链前进，它的前方产生正超螺旋沿双链前进，它的前方产生正超螺旋（DNA更加紧密），后方产生负超螺旋（更加紧密），后方产生负超螺旋（DNA部分解链）部分解链）p两种螺旋都可以通过促旋酶和拓扑异构酶去除。两种螺旋都可以通过促旋酶和拓扑异构酶去除。p类似类似DNA复制的时候复制的时候超螺旋是超螺旋是转录转录的一个重要特征随着的一个重要特征随着RNA-pol沿双沿双链链前前进进，它的，它的26原核生物转录的延伸原核生物原核生物转录转录的延伸的延伸27原核生物转录过程中的羽毛状现象5 3 DNA核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶电子显微镜照片电子显微镜照片转录未完成，翻译已经在进行着转录未完成，翻译已经在进行着原核生物原核生物转录过转录过程中的羽毛状程中的羽毛状现现象象5 3 DNA核糖体核糖体RNARN28原核生物转录终止指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，模板上停顿下来不再前进，转录产物转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。链从转录复合物上脱落下来。n依赖依赖Rho()因子的转录终止因子的转录终止n非依赖非依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止分类：分类：原核生物原核生物转录终转录终止指止指RNA聚合聚合酶酶在在DNA模板上停模板上停顿顿下来不再前下来不再前进进29依赖 Rho因子的转录终止A T P因子：因子：1969年年Roberts在被在被T4噬菌体感染的噬菌体感染的 E.coli 中中发现 与与RNA转录物物结合，改合，改变RNA-pol构象，使其停构象，使其停顿 有有ATP酶活性，解旋活性，解旋酶（helicase）活性）活性依依赖赖 Rho因子的因子的转录终转录终止止A T P因子：因子：30非依赖 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。非依非依赖赖 Rho因子的因子的转录终转录终止止DNA模板上靠近模板上靠近终终止止处处，有些特殊，有些特殊315UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3 DNA UUUU.UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3茎环茎环(stem-loop)/发夹发夹(hairpin)结构结构5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGC32茎环结构使转录终止的机理回文序列导致RNA形成茎环结构改变了RNA-pol的构象，使其停顿RNA和DNA各自形成双链，使RNA/DNA杂化短链分开，释放RNA茎茎环结环结构使构使转录终转录终止的机理回文序列止的机理回文序列导导致致RNA形成茎形成茎环结环结构构33第二第二节节 真核生物的真核生物的转录转录34RNA聚合酶原核生物只有原核生物只有1种种RNA聚合酶聚合酶催化合成催化合成mRNA、tRNA和和rRNA真核生物具有真核生物具有3种不同的种不同的RNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶(RNA-pol)RNA聚合酶聚合酶(RNA-pol)RNA聚合酶聚合酶 (RNA-pol)RNA聚合聚合酶酶原核生物只有原核生物只有1种种RNA聚合聚合酶酶催化合成催化合成mRNA、35RNA聚合酶真核生物的RNA聚合酶种类种类对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱的反应的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物RNA聚合聚合酶酶真核生物的真核生物的RNA聚合聚合酶酶种种类类对鹅对鹅膏蕈碱的反膏蕈碱的反应应36真核生物的转录起始真核生物转录起始十分复杂，往往需要多种蛋白真核生物转录起始十分复杂，往往需要多种蛋白因子（转录因子）的协助，它们与因子（转录因子）的协助，它们与RNARNA聚合酶聚合酶形成转形成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。录起始复合物，共同参与转录起始的过程。转录调控是基因表达调控的关键点，也是当转录调控是基因表达调控的关键点，也是当今生命科学研究热点。了解真核生物的转录过今生命科学研究热点。了解真核生物的转录过程，是研究转录调控的重要基础。程，是研究转录调控的重要基础。真核生物的真核生物的转录转录起始真核生物起始真核生物转录转录起始十分复起始十分复杂杂，往往需要多种蛋白，往往需要多种蛋白37转录起始上游的DNA序列转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增强子增强子AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体启动子核心序列启动子核心序列转录起始前上游区段转录起始前上游区段顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)转录转录起始上游的起始上游的DNA序列序列转录转录起始点起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒38转录因子(transcriptional factors,TF)直接或间接结合直接或间接结合RNA聚合酶聚合酶的反式作用因子的反式作用因子RNA-pol ITF IRNA-pol IITF IIRNA-pol IIITF III转录转录因子因子(transcriptional factors,39参与RNA-pol转录的TF蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（）34（）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物，TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒38TFD功功能能分子量分子量(kD)转录因子转录因子蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD*TFHATPase57（）34（）TFE解螺旋酶解螺旋酶TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，1935TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP*TFD亚基组成亚基组成*TBP:TATA binding protein,TATA结合蛋白结合蛋白*TAF:TBP associated factors,TBP 辅助因子辅助因子*CTD:carboxyl terminal domain,RNA-pol II大亚基羧基末端结构域大亚基羧基末端结构域参与参与RNA-pol转录转录的的TF蛋白激蛋白激酶酶活性，使活性，使CTD磷酸化磷酸化40POL-TFFHECTD-P转录起始前复合物(pre-initiation complex,PIC)TATAAPOL-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物复合物ABTBPTAFTATAPIC组装完成，组装完成，TFH使使CTD磷酸化，磷酸化，RNA-pol往下游移动。往下游移动。进入转录的延长阶段后，大多数进入转录的延长阶段后，大多数TF都会脱离。都会脱离。BPOL-TFFHECTD-P转录转录起始前复合物起始前复合物(pr41拼板理论(piecing theory)不同的转录因子相互辨认，以多种组合搭配方式不同的转录因子相互辨认，以多种组合搭配方式结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因基因“七巧板理论七巧板理论”n人类基因组中几万个基因的表达，人类基因组中几万个基因的表达，300多个转录多个转录因子就能满足不同类型基因表达的需要因子就能满足不同类型基因表达的需要拼板理拼板理论论(piecing theory)不同的不同的转录转录因子相因子相42真核生物转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。nRNA-pol前移处处都遇上核小体。转录延前移处处都遇上核小体。转录延长过程中可以观察到长过程中可以观察到核小体移位和解聚核小体移位和解聚现现象。象。真核生物真核生物转录转录延延长长真核生物真核生物转录转录延延长过长过程与原核生物大致相似，但因程与原核生物大致相似，但因43转录延长中的核小体移位核小体核小体移位移位的现象只见于试管中（的现象只见于试管中（in vitro）的转录实验）的转录实验细胞培养（细胞培养（in vivo）实验表明核小体在转录过程可能发生）实验表明核小体在转录过程可能发生解聚解聚RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转录方向转录方向转录转录延延长长中的核小体移位核小体移位的中的核小体移位核小体移位的现现象只象只见见于于试试管中（管中（in v44真核生物转录终止5-AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 hnRNA真核生物真核生物转录终转录终止止5-AAUAAA-5 -45真核生物的转录后修饰真核生物的转录后修饰真核生物的真核生物的转录转录后修后修饰饰46真核生物转录后修饰（post-transcriptional modification）几种主要的修饰方式几种主要的修饰方式1.剪接剪接(splicing)2.剪切剪切(cleavage)3.修饰修饰(modification)4.添加添加(addition)真核生物真核生物转录转录后修后修饰饰（post-transcriptiona47一、mRNA的首、尾的修饰首、尾的修饰5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppGp)生成甲基化的三磷酸双鸟苷生成甲基化的三磷酸双鸟苷在核内完成在核内完成hnRNA刚刚合成刚刚合成25-30 nt时，就形成了时，就形成了“帽子帽子”结构结构起始蛋白质翻译的必须起始蛋白质翻译的必须避免被避免被RNA核酸酶降解核酸酶降解3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)维持维持mRNA作为模板的活性作为模板的活性增加增加mRNA本身的稳定性本身的稳定性主要功能主要功能一、一、mRNA的首、尾的修的首、尾的修饰饰主要功能主要功能48帽子结构甲基化的三磷酸双鸟苷帽子帽子结结构甲基化的三磷酸双构甲基化的三磷酸双鸟鸟苷苷49帽子结构的生成转录产物转录产物hnRNA第一个核苷酸往第一个核苷酸往往是往是5-三磷酸鸟苷三磷酸鸟苷pppG5 pppGp5 GpppGppppG ppi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5 m7GpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAM5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pin磷酸酶水解磷酸酶水解n与另一个与另一个pppG反应，生成反应，生成三磷三磷酸双鸟苷酸双鸟苷n甲基化，第一或第二鸟嘌呤碱基甲基化，第一或第二鸟嘌呤碱基发生甲基化发生甲基化n帽子结构完成帽子结构完成帽子帽子结结构的生成构的生成转录产转录产物物hnRNA第一个核苷酸往往是第一个核苷酸往往是5-三磷三磷50二、mRNA的剪接（去除内含子）核内的蛋白质核内的蛋白质小分子核糖核蛋白体小分子核糖核蛋白体snRNP（small nuclear ribonucleoprotein）snRNARNA剪接的场所剪接的场所hnRNA 和和 snRNAnhnRNA(hetero-nuclear RNA)：核内的初级转录物（成熟的核内的初级转录物（成熟的RNA剪接前的剪接前的“前体前体”）nsnRNA(small nuclear RNA)二、二、mRNA的剪接（去除内含子）核内的蛋白的剪接（去除内含子）核内的蛋白质质小分子核糖核蛋白小分子核糖核蛋白51hnRNA 和和 snRNA外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron)n外显子（编码区）外显子（编码区）在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的的核酸序列。核酸序列。n内含子（非编码区）内含子（非编码区）隔断基因的线性表达，而在剪接过程中被除去的核酸序列。隔断基因的线性表达，而在剪接过程中被除去的核酸序列。蛋白质内含子蛋白质内含子胰岛素的胰岛素的C基因基因二、mRNA的剪接（去除内含子）hnRNA 和和 snRNA外外显显子子(exon)和内含子和内含子(int52断裂基因(splite gene)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。CABD编码区（外显子）编码区（外显子）A、B、C、D非编码区非编码区（内含子）（内含子）断裂基因断裂基因(splite gene)真核生物真核生物结结构基因，由若干个构基因，由若干个53鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡鸡卵清蛋白基因及其卵清蛋白基因及其转录转录、转录转录后修后修饰鸡饰鸡卵清蛋白基因卵清蛋白基因hnRNA首首54鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交（模拟电镜图片）基因全长为基因全长为7.7kb，肽链长，肽链长386个氨基酸个氨基酸鸡鸡卵清蛋白基因及其卵清蛋白基因及其转录转录、转录转录后修后修饰鸡饰鸡卵清蛋白成熟卵清蛋白成熟mRNA与与D55hnRNA 和 snRNA外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron)内含子的分类内含子的分类n根据基因的类型和剪接的方式，通常分为根据基因的类型和剪接的方式，通常分为4类类I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的 rRNA基因；基因；II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA；III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；基因有此类内含子；IV：是：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。自自我我剪剪接接二、mRNA的剪接（去除内含子）hnRNA 和和 snRNA外外显显子子(exon)和内含子和内含子(int56hnRNA 和 snRNA外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron)内含子的分类内含子的分类mRNA的剪接的剪接n除去除去hnRNA中的内含子，将外显子连接中的内含子，将外显子连接二、mRNA的剪接（去除内含子）hnRNA 和和 snRNA外外显显子子(exon)和内含子和内含子(int57snRNP与hnRNA结合成为剪接体snRNP与与hnRNA结结合成合成为为剪接体剪接体58snRNP与hnRNA结合成为剪接体（续）UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2U1、U4、U5UACUACA-AGUGU6E1E2U2snRNP与与hnRNA结结合成合成为为剪接体（剪接体（续续）UACUACA59剪接过程的二次转酯反应 (twice transesterification)pG-OH(ppG-OH,pppG-OH)U-OHGpUpGpA第一次转酯反应第一次转酯反应第二次转酯反应第二次转酯反应UpAGpU外显子外显子1内含子内含子外显子外显子2G-OHUpUpGpA剪接剪接过过程的二次程的二次转酯转酯反反应应 (60三、mRNA的编辑(mRNA editing)RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工加工(differential RNA processing)。人类人类apo B（载脂蛋白（载脂蛋白B）基因）基因 mRNA（14500个核苷酸）个核苷酸）肝脏肝脏apo B100（分子量为（分子量为500 000）肠道细胞肠道细胞apo B48（分子量为（分子量为240 000）mRNA编辑编辑C变为变为U三、三、mRNA的的编辑编辑(mRNA editing)RNA编辑编辑作用作用61小结：mRNA的转录后加工加加“帽子帽子”、“尾巴尾巴”mRNA的剪接（的剪接（hnRNA 去除内含子）去除内含子）mRNA的编辑的编辑(mRNA editing)小小结结：mRNA的的转录转录后加工加后加工加“帽子帽子”、“尾巴尾巴”62tRNA的转录后加工tRNA前体前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNADHU-loopT-looptRNA的的转录转录后加工后加工tRNA前体前体RNA pol TGGCN63tRNA的转录后加工RNAaseP内切酶内切酶tRNA核苷酸转移酶核苷酸转移酶连接酶连接酶ATPADPtRNA的的转录转录后加工后加工RNAasePtRNA核苷酸核苷酸转转移移酶酶ATP64碱基修饰（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU（4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A mA G mG（1）甲基化）甲基化 （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U 碱基修碱基修饰饰（1）（）（1）（）（3）（）（2）（）（4）（）（2）还还原反原反应应 如：如：U65rRNA的转录后加工转录转录45S-rRNA剪接剪接18S-rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA内含子内含子28S5.8S18S内含子内含子rRNA的的转录转录后加工后加工转录转录45S-rRNA剪接剪接18S-66药药学分子生物学学分子生物学转录课转录课件件67第三第三节节 转录调转录调控控（原核、真核）（原核、真核）68基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素p基因基因的结构、性质的结构、性质p生物个体或细胞所处的内、外生物个体或细胞所处的内、外环境环境p细胞内所存在的转录细胞内所存在的转录调节蛋白调节蛋白1.特异特异DNA序列序列2.调节蛋白调节蛋白3.DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质蛋白质4.RNA聚合酶聚合酶基因基因转录转录激活激活调节调节基本要素基因的基本要素基因的结结构、性构、性质质特异特异DNA序列序列69基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化（二）维持个体发育与分化基因表达基因表达调调控的生物学意控的生物学意义义（一）适（一）适应环应环境、境、维维持生持生长长和增殖（二）和增殖（二）70功能不同的基因的表达不同不受调控的基因不受调控的基因：（相对）（相对）基本（组成性）基因表达（基本（组成性）基因表达（constitutive gene expression）管家基因（管家基因（housekeeping genes）表达受调控的基因：表达受调控的基因：某些基因的表达在生命过程的某个时期，某些基因的表达在生命过程的某个时期，或外界环境的改变发生了变化或外界环境的改变发生了变化诱导和阻遏诱导和阻遏功能不同的基因的表达不同不受功能不同的基因的表达不同不受调调控的基因：控的基因：（相（相对对）71基本（组成性）基因表达（constitutive gene expression）某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。管家基因（管家基因（housekeeping genes）无论表达水平高低，某些基因无论表达水平高低，某些基因较少受环境因素影较少受环境因素影响响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为因，这类基因表达被视为基本（组成性）基本（组成性）基因表基因表达达(constitutive gene expression)基本（基本（组组成性）基因表达成性）基因表达（constitutive gene72编码物质代谢有关酶类：编码物质代谢有关酶类：编码分解代谢的酶可诱导型乳糖操纵子编码合成代谢的酶可阻遏型色氨酸操纵子1原核生物操原核生物操纵纵子子转录调转录调控模式控模式编码编码物物质质代代谢谢有关有关酶酶类类：73原核生物的基因结构特点（与真核生物的主要区别）：特点（与真核生物的主要区别）：无内含子无内含子操纵子操纵子转录单元转录单元多顺反子多顺反子mRNA转录没有结束，翻译已经开始转录没有结束，翻译已经开始原核生物的基因原核生物的基因结结构特点（与真核生物的主要区构特点（与真核生物的主要区别别）：）：74诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，相相应应的的基基因因被被激激活活，基基因因表表达达产产物物增增加加，这这种种基基因因称称为为可可诱诱导导基因基因。可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中表表达达增增强强的的过过程程，称为称为诱导诱导(induction)。如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，这这种种基因是基因是可阻遏基因可阻遏基因。可可阻阻遏遏基基因因表表达达产产物物水水平平降降低低的的过过程程称称为为阻遏阻遏(repression)。诱导诱导和阻遏表达在特定和阻遏表达在特定环环境信号刺激下，相境信号刺激下，相应应的基因被激活，基因表的基因被激活，基因表75Lehningers.Principles.of.Biochemistry.4thLehningers.Principles.of.Bioc76原核生物原核生物 蛋白质因子蛋白质因子 操纵子操纵子(operon)机制机制特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)原核生物原核生物 蛋白蛋白质质因子因子 操操纵纵子子(operon)77操纵子通常由通常由2个以上个以上结构基结构基因因和多种和多种表达调控元件表达调控元件在基因组中成簇串联组在基因组中成簇串联组成成表达调控元件：表达调控元件：promoter，operator原核生物中最常见的表原核生物中最常见的表达调控单位达调控单位雅各布雅各布(1920)法国生法国生物学家、分子生物学家、分子生物学家物学家 莫诺莫诺(19101976)法国生法国生物学家物学家 1961年雅格布与莫诺合作提出年雅格布与莫诺合作提出了了“信使核糖核酸信使核糖核酸”和和“操纵子操纵子”概念，阐明了概念，阐明了RNA在遗传过程中的在遗传过程中的信息传递作用和乳糖操纵子在蛋白信息传递作用和乳糖操纵子在蛋白质生物合成中的调节控制机制，于质生物合成中的调节控制机制，于1965年获诺贝尔生理学和医学奖。年获诺贝尔生理学和医学奖。操操纵纵子通常由子通常由2个以上个以上结结构基因和多种表达构基因和多种表达调调控元件在基因控元件在基因组组中成簇中成簇78是是RNA聚合酶结合并启动转录聚合酶结合并启动转录的特异的特异DNA序列。序列。1)启动序列启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列是是RNA聚合聚合酶酶结结合并启合并启动转录动转录的特异的特异DNA序列。序列。1)启启动动序列序列79共共有有序序列列(consensus sequence)决决定定启启动动序列的转录活性大小。序列的转录活性大小。某某些些特特异异因因子子（蛋蛋白白质质）决决定定RNA聚聚合合酶酶对对一一个个或或一一套套启启动动序序列列的的特特异异性性识识别别和和结结合能力。合能力。共有序列共有序列(consensus sequence)决定启决定启动动序序802 2 操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点当当操操纵纵序序列列结结合合有有阻阻遏遏蛋蛋白白时时，会会阻阻碍碍RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，或或是是RNA聚聚合合酶不能沿酶不能沿DNA向前移动向前移动，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白2 操操纵纵序列序列 当操当操纵纵序列序列结结合有阻遏蛋白合有阻遏蛋白时时，会阻碍，会阻碍RNA聚合聚合813)3)其他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白例如例如激激活活蛋蛋白白(activator)可可结结合合启启动动序序列列邻邻近近的的DNA序序列列，促促进进RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结合，增强结合，增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。有有些些基基因因在在没没有有激激活活蛋蛋白白存存在在时时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。3)其他其他调节调节序列、序列、调节调节蛋白例如激活蛋白蛋白例如激活蛋白(activator82操纵子的结构与功能典型的操纵子结构：控制区控制区信息区信息区结构基因结构基因I调节基因调节基因（阻遏或增强）（阻遏或增强）P启动基因启动基因O 操纵基因操纵基因DNA操操纵纵子的子的结结构与功能典型的操构与功能典型的操纵纵子子结结构：控制区信息区构：控制区信息区结结构基因构基因IP83乳糖操纵子调节机制（一一）乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶编码与乳糖分解代谢有关的基因编码与乳糖分解代谢有关的基因ZYAOPDNA 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列阻遏基因阻遏基因乳糖操乳糖操纵纵子子调节调节机制（一）乳糖操机制（一）乳糖操纵纵子子(lac operon)的的84乳糖操纵子(lac operon)的结构Lehningers.Principles.of.Biochemistry.4th乳糖操乳糖操纵纵子子(lac operon)的的结结构构Lehninger85乳糖操纵子的调节机制没有乳糖的时候，该基因是不需要表达的，即该基因的表达是被抑制的。mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏基因阻遏基因乳糖操乳糖操纵纵子的子的调节调节机制没有乳糖的机制没有乳糖的时时候，候，该该基因是不需要表达的，即基因是不需要表达的，即86有乳糖存在的时候，需要表达，降解乳糖mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶有乳糖存在的有乳糖存在的时时候，需要表达，降解乳糖候，需要表达，降解乳糖mRNA阻遏蛋白有乳糖存阻遏蛋白有乳糖存87CAP的正性调节的正性调节+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正性的正性调节调节+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓浓度高度高88协调调节协调调节当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAP对对该该系系统统不不能能发挥作用；发挥作用；如如无无CAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列结合，操纵子仍无转录活性。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；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，细细菌菌优先利用葡萄糖优先利用葡萄糖。葡葡萄萄糖糖对对 lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分分解解代代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。协调调节协调调节当阻遏蛋白封当阻遏蛋白封闭转录时闭转录时，CAP对该对该系系统统不能不能发挥发挥作用；作用；89mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOO若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存乳糖共同存在时，细菌在时，细菌优先利用葡萄糖优先利用葡萄糖。mRNA低半乳糖低半乳糖时时高半乳糖高半乳糖时时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓浓度度90Lehningers.Principles.of.Biochemistry.4thLehningers.Principles.of.Bioc91转录终止调节复习RNA的合成转录的内容衰减子的作用色氨酸操纵子转录终转录终止止调节调节复复习习RNA的合成的合成转录转录的内容的内容92Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子可阻遏型转录调控可阻遏型转录调控Trp Trp 高高时时 Trp 低低时时 mRNA OPtrpR调调93UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区:包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱：序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUUUUUUUUUU调节调节区区 结结构基因构基因 trpROP前前导导序序94UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1.1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前前导肽导肽 前前导导mRN95UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 2.2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前前导肽导肽 前前导导mR962真核生物真核生物转录调转录调控控97Types of sequences in the human genomeLehningers.Principles.of.Biochemistry.4thLINE：long interspersed elementSINE：short interspersed element比原核生物复杂比原核生物复杂3030亿碱基对，亿碱基对，3.63.6万个基因，万个基因，2 21515表达表达Types of sequences in the huma98真核生活基因表达的多级调控基因激活基因激活转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等DNARNA蛋白质蛋白质 DNA暴露碱基后暴露碱基后RNA聚合酶才能有效结合。聚合酶才能有效结合。活化状态的基因表现为：活化状态的基因表现为：1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感2.结合有非组蛋白及修饰结合有非组蛋白及修饰的组蛋白的组蛋白3.低甲基化。低甲基化。最有效的调节环节，通最有效的调节环节，通过过DNA元件与调控蛋白相元件与调控蛋白相互作用来调控基因表达。互作用来调控基因表达。RNA编辑、剪接、转运编辑、剪接、转运 翻译水平可通过特异的翻译水平可通过特异的蛋白因子阻断蛋白因子阻断mRNA翻译翻翻译翻译后对蛋白的加工、修饰也译后对蛋白的加工、修饰也是基本调控环节是基本调控环节 siRNA,microRNA 真核生活基因表达的多真核生活基因表达的多级调级调控基因激活控基因激活DNARNA蛋白蛋白质质 99真核细胞基因开关的真核细胞基因开关的分子机制分子机制比原核复杂比原核复杂基本共同点：基本共同点：转录起始的调节是关键点转录起始的调节是关键点根本不同点：根本不同点：原核生物：原核生物：启动子在缺少转录因子情况下启动子在缺少转录因子情况下就具有天然活性就具有天然活性 真核生物：真核生物：强力启动子在缺少转录因子强力启动子在缺少转录因子（调节蛋白）的情况下往往没（调节蛋白）的情况下往往没有活性有活性 真核真核 VS 原核原核真核真核细细胞基因开关的分子机制比原核复胞基因开关的分子机制比原核复杂杂基本共同点：基本共同点：转录转录起始的起始的调调100*多多种种RNA聚聚合合酶酶，结结构构复复杂杂，并并伴伴随随必必须须的的转转录录因因子；子；*正正正正性性性性调调调调节节节节是是是是主主主主要要要要形形形形式式式式。因因此此，在在转转录录的的基基本本状状态态受受到到制制约约的的情情况况下下，使使得得每每个个真真核核细细胞胞基基因因需需要要活活化化才能被转录；才能被转录；*真真核核细细胞胞有有更更大大、更更为为复复杂杂、种种类类更更多多的的调调节节蛋蛋白白。单单一一启启动动子子可可以以被被分分散散在在DNA分分子子上上、数数量量近近乎乎无无限的调节序列所控制。限的调节序列所控制。真核细胞对基因表达起始的调控至少在下面真核细胞对基因表达起始的调控至少在下面几个方面与原核细胞存在不同：几个方面与原核细胞存在不同：*真真核核细细胞胞基基因因及及其其调调控控区区域域受受到到染染色色质质结结构构的的限限制制，转转录录的的活活化化与与转转录录调调控控区区域域、转转录录区区域域内内染染色色质质结结构的诸多变化相关；构的诸多变化相关；多种多种RNA聚合聚合酶酶，结结构复构复杂杂，并伴随必，并伴随必须须的的转录转录因子；正性因子；正性调节调节是是101u真核生物转录水平的调控染色质水平染色质水平核小体中组蛋白解离、乙酰化核小体中组蛋白解离、乙酰化DNA去甲基化、拓扑结构变化去甲基化、拓扑结构变化转录活化因子的活化和表达转录活化因子的活化和表达转录因子磷酸化、去磷酸化转录因子磷酸化、去磷酸化转录起始复合物的组装和活化转录起始复合物的组装和活化转录终止的调节转录终止的调节u真核生物转录后水平的调控真核生物转录后水平的调控u真核生物翻译水平的调控真核生物翻译水平的调控真核生物真核生物转录转录水平的水平的调调控染色控染色质质水平真核生物水平真核生物转录转录后水平的后水平的调调控真核控真核102第一部分Control of Transcription Initiation转录起始调控转录起始调控第一部分第一部分Control of Transcription 103(一）基因活化蛋白质改变局部染色质结构一）基因活化蛋白质改变局部染色质结构异染色质（异染色质（heterochromatin）是转录非活性的。是转录非活性的。常常染染色色质质（euchromatin）中中的的转转录录活活性性区区域域对对核核酸酸酶酶敏敏感感，特特别别是是转转录录基基因因的的5-侧侧翼翼区区1000 nt以以内内是是高高敏敏感感位位点点(hypersensitive sites)。很很多多高高敏敏感感位位点点是是调调节节蛋蛋白白质质的的结结合合序序列列，而而这这些些区区域域核核小小体体的的相相对缺少也使得这些蛋白质易于与之结合。对缺少也使得这些蛋白质易于与之结合。转转录录活活化化染染色色质质与与非非活活化化染染色色质质在在结结构构上有很大不同。上有很大不同。(一）基因活化蛋白一）基因活化蛋白质质改改变变局部染色局部染色质结质结构异染色构异染色质质（hetero104转转录录活活化化染染色色质质与与非非活活化化染染色色质质的的组组蛋蛋白共价修饰的方式也不相同。白共价修饰的方式也不相同。组组蛋蛋白白修修饰饰：核核小小体体的的核核心心组组蛋蛋白白（H2A，H2B，H3，H4）中中赖赖氨氨酸酸残残基基的的非非可可逆逆性性甲甲基基化化，丝丝氨氨酸酸与与苏苏氨氨酸酸残残基基的的磷磷酸酸化化，乙乙酰酰化化以以及及泛泛素素化化多多是是转录活性染色质的特点。转录活性染色质的特点。DNA修修饰饰：真真核核细细胞胞DNA的的CpG序序列列（CpG岛岛）中中的的胞胞嘧嘧啶啶被被甲甲基基化化为为5-甲甲基基胞胞嘧嘧啶啶是是常常见见现现象象，但转录活性染色质区域胞嘧啶被但转录活性染色质区域胞嘧啶被甲基化的程度降低甲基化的程度降低。转录转录活化染色活化染色质质与非活化染色与非活化染色质质的的组组蛋白共价修蛋白共价修饰饰的方式也不相同。的方式也不相同。105l染色质重塑（染色质重塑（chromatin remodeling）基因活化蛋白质可以通过改变基因的启基因活化蛋白质可以通过改变基因的启动子和调节序列区域的染色质结构来促进转动子和调节序列区域的染色质结构来促进转录开始。这种改变局部染色质结构的过程被录开始。这种改变局部染色质结构的过程被称为称为染色质重塑染色质重塑。最主要的两种方式：最主要的两种方式：组蛋白的共价修饰组蛋白的共价修饰 核小体重塑（核小体重塑（nucleosome remodeling）染色染色质质重塑（重塑（chromatin remodeling）基因基因106染染色色质质重重塑塑染色染色质质重塑重塑107组蛋白乙酰化组蛋白乙酰化 位位 点点：组组 蛋蛋 白白 乙乙 酰酰 化化 转转 移移 酶酶（histone acetyl transferases,HATs），也也称称组组蛋蛋白白乙乙酰酰化化酶酶（histone acetylase）主主要要作作用用于于核核小小体体的的核核心心组组蛋蛋白白所所富富含含的的赖赖氨酸残基，降低整个核小体对氨酸残基，降低整个核小体对DNA的亲和性。的亲和性。时间：时间：基因活化蛋白质结合在转录调节区