药学分子生物学-转录

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1、RNA Transcription & Regulation袁 洁Email： 中心法则 生 物 体 遗 传 信 息 传 递 的 方 式reverse transcription中 心 法 则 （ the central dogma） 生 物 功 能 的 实 现 （ 遗 传 信 息 的 表 达 ） ： 转 录 、 翻 译 世 代 之 间 传 递 ： DNA的 复 制 DNA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RNA转 录 复制 VS 转录 转录与复制的共同点核 苷 酸

2、 聚 合 反 应 ， 生 成 磷 酸 二 脂 键以 DNA为 模 板酶 促 反 应遵 从 碱 基 配 对 规 律方 向 ： 从 53 转录与复制的区别复 制 转 录模 板 两 股 链 均 复 制 模 板 链 转 录 （ 不 对 称 转 录 ）原 料 dNTP NTP引 物 需 要 RNA做 引 物 不 需 要酶 DNA聚 合 酶 RNA聚 合 酶配 对 A-T, C-G A-U, T-A, G-C产 物 子 代 双 链 DNA （ 半 保 留 复 制 ） mRNA, tRNA， rRNA, small RNA 参与转录的物质 原 料 ： 核 苷 酸 （ NTP： ATP, UTP, GTP,

3、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 转录的模板 结 构 基 因 （ structural gene） : DNA分 子 上 转 录 出RNA的 区 段 转录的模板 结 构 基 因 （ structural gene） : DNA分 子 上 转 录 出RNA的 区 段 模 板 链 (templa

4、te strand)， 也 称 作 有 意 义 链 或Watson链 DNA双 链 中 ， 按 碱 基 配 对 规 律 ， 能 指 引转 录 生 成 RNA的 一 股 单 链 转录的模板 结 构 基 因 （ structural gene） : DNA分 子 上 转 录 出RNA的 区 段 模 板 链 (template strand)， 也 称 作 有 意 义 链 或Watson链 编 码 链 (coding strand)， 也 称 为 反 义 链 或 Crick链 。 与 模 板 链 互 补 的 链 ， 特 征 是 与 转 录 的 RNA序 列 类似 （ 仅 有 T与 U的 区 别 ）

5、模板链、编码链与RNA的关系5GCAGUACAUGUC 3 mRNANAla Val His Val C 肽转 录翻 译5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 5 编 码 链模 板 链 DNA参与转录 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 ；53 35模 板 链编 码 链 编 码 链模 板 链 转 录 方 向 转 录 方 向结 构 基 因n 模 板 链 并 非 永 远 在 同 一 条 单 链 上 。 基本

6、内容： 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n 第 三 节 ： 转 录 调 控 （ 原 核 、 真 核 ） 原核的RNA聚合酶基 因 产 物 功 能rpoA 2 聚 合 酶启 动 子 识 别结 合 激 活 剂rpoB 与 转 录 全 过 程 相 关rpoC 结 合 DNA模 板rpoD 辨 认 正 确 的 转 录 起 始 位 点 核 心 酶（ core polymerase） 全 酶（ holoenzyme） 核 心 酶 (core enzyme) 全 酶 (holoenzyme) 原 核 的 RNA聚 合 酶 核心酶

7、与亚基 原 核 RNA聚 合 酶 的 亚 基 能 识 别 启 动 子 亚 基 在 转 录 开 始 后 脱 离 核 心 酶 核 心 酶 完 成 后 续 的 转 录 过 程-35区 -10区 图 11-3 原 核 生 物 的 RNA聚 合 酶 全 酶 在 转 录 起 始 区 的 结 合（ DNA双 链 已 打 开 ， 因 子 尚 未 脱 落 ） 启动子(promoter) 启 动 子 :RNA聚 合 酶 结 合 模 板 DNA的 部 位53 35结 构 基 因调 控 序 列 RNA-pol原 核 RNA聚 合 酶 的 亚 基 能 识 别 启 动 子 RNA聚合酶保护法一 种 巧 妙 的 研 究 启

8、 动 子 序 列 的 方 法 40-60bp的 DNA片 段 没 有被 降 解 ， 暗 示 DNA与RNA聚 合 酶 结 合 的 部 位 原核生物启动子保守序列开 始 转 录(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区T T G A C AA A C T G T-35 区RNA-pol辨 认 位 点 (recognition site) 5 5结 构 基 因3 3RNA聚 合 酶 保 护 区 1-30-50 10-10-40 -205 3 3 5 转录的过程u 转 录 起 始u RNA的 延 长u 转 录 终 止 原 核 生 物 与 真 核 生

9、 物 转 录 的 聚 合 酶 、起 始 、 终 止 都 有 所 不 同 原核生物转录的过程 转 录 起 始 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 始 区 域 。2. DNA双 链 解 开 ， 使 其 中 的 一 条 链 作 为 转 录的 模 板 。 原核生物的转录起始 RNA聚 合 酶 全 酶 (2)与 模 板 结 合n DNA双 链 解 开n 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5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi

10、 转 录 起 始 复 合 物 :RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3 原核生物转录的延伸 亚 基 脱 落 ， RNApol聚 合 酶 核 心 酶 变 构 ， 与 模板 结 合 松 弛 ， 沿 着 DNA模 板 前 移n 在 核 心 酶 作 用 下 ， NTP不 断 聚 合 ， RNA链 不 断延 长(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi 转录空泡(transcription bubble)转 录 空 泡非 模 板 DNA RNA聚 合 酶RNA-DNA杂 化 双 链 ， 12bpRNA 解 开 双 链模 板 链DNA恢 复 双 链 5 3转 录 方

11、 向 超螺旋是转录的一个重要特征p 随 着 RNA-pol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 （ DNA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 。p 类 似 DNA复 制 的 时 候 原核生物转录的延伸 原核生物转录过程中的羽毛状现象53 DNA 核 糖 体RNARNA聚 合 酶 电 子 显 微 镜 照 片 转 录 未 完 成 ， 翻 译 已 经 在 进 行 着 原核生物转录终止指 RNA聚 合 酶 在 DNA模 板 上 停 顿 下 来 不

12、再 前 进 ，转 录 产 物 RNA链 从 转 录 复 合 物 上 脱 落 下 来 。n 依 赖 Rho ()因 子 的 转 录 终 止n 非 依 赖 Rho因 子 的 转 录 终 止分 类 ： 依赖 Rho因子的转录终止A T P因 子 ： 1969年 Roberts在 被 T4噬 菌 体 感 染 的 E. coli 中 发 现 与 RNA转 录 物 结 合 ， 改 变 RNA-pol构 象 ， 使 其 停 顿 有 ATP酶 活 性 ， 解 旋 酶 （ helicase） 活 性 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

13、录 出 RNA后 ， RNA产 物 形 成 特 殊 的 结 构 来 终 止 转 录 。 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.茎 环 (stem-loop)/发 夹 (hairpin)结 构 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

14、 双 链 ，使 RNA/DNA杂 化 短 链 分 开 ，释 放 RNA RNA聚合酶 原 核 生 物 只 有 1种 RNA聚 合 酶催 化 合 成 mRNA、 tRNA和 rRNA 真 核 生 物 具 有 3种 不 同 的 RNA聚 合 酶RNA聚 合 酶 (RNA-pol )RNA聚 合 酶 (RNA-pol )RNA聚 合 酶 (RNA-pol ) RNA聚合酶 真 核 生 物 的 RNA聚 合 酶种 类 对 鹅 膏 蕈 碱的 反 应 45S-rRNA hnRNA 5S-rRNAtRNAsnRNA耐 受 极 敏 感 中 度 敏 感转 录 产 物 真核生物的转录起始真 核 生 物 转 录 起

15、 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 RNA聚 合 酶 形 成 转录 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 。 转录起始上游的DNA序列转 录 起 始 点TATA盒CAAT盒 GC盒 增 强 子 AATAAA切 离 加 尾 转 录 终 止 点 修 饰 点 外 显 子 翻 译 起

16、始 点 内含子 OCT-1 OCT-1： ATTTGCAT八 聚 体启 动 子 核 心 序 列转 录 起 始 前 上 游 区 段顺 式 作 用 元 件 (cis-acting element) 转录因子(transcriptional factors, TF) 直 接 或 间 接 结 合 RNA聚 合 酶 的 反 式 作 用 因 子RNA-pol ITF IRNA-pol IITF IIRNA-pol IIITF III 参与RNA-pol转录的TF蛋 白 激 酶 活 性 ， 使 CTD磷 酸 化TF H ATPase57（ ） 34（ ）TF E 解 螺 旋 酶30， 74TF F 促 进

17、RNA-pol 结 合 及 作为 其 他 因 子 结 合 的 桥 梁TF B 稳 定 TF D-DNA复 合 物，TF A 辅 助 TBP-DNA结 合TAF* 结 合 TATA 盒38TF D 功 能分 子 量 (kD)转 录 因 子 蛋 白 激 酶 活 性 ， 使 * （ ） （ ） 解 螺 旋 酶 促 进 结 合 及 作为 其 他 因 子 结 合 的 桥 梁33 稳 定 复 合 物12 ， 19 35 辅 助 结 合结 合 盒TBP* 亚 基 组 成*TBP: TATA binding protein, TATA结 合 蛋 白 *TAF: TBP associated factors,

18、TBP 辅 助 因 子*CTD: carboxyl terminal domain, RNA-pol II大 亚 基 羧 基 末 端 结 构 域 POL-TF F H E CTD-P转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC) TATA APOL-TF F H ETBP TAFTF D- A- B-DNA复 合 物 A BTBP TAFTATA PIC组 装 完 成 ， TF H使 CTD磷 酸 化 ， RNA-pol往 下 游 移 动 。 进 入 转 录 的 延 长 阶 段 后 ， 大 多 数 TF都 会 脱 离 。 B 拼板理论 (piecing theory

19、) 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RNA聚 合 酶 搭 配 而 有 针 对 性 地 结 合 、 转 录 相 应的 基 因 “七 巧 板 理 论 ”n 人 类 基 因 组 中 几 万 个 基 因 的 表 达 ， 300多 个 转录 因 子 就 能 满 足 不 同 类 型 基 因 表 达 的 需 要 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 因有 核 膜 相 隔 ， 没 有 转 录 与 翻 译 同 步 的 现

20、象 。n RNA-pol前 移 处 处 都 遇 上 核 小 体 。 转 录 延长 过 程 中 可 以 观 察 到 核 小 体 移 位 和 解 聚 现象 。 转录延长中的核小体移位 核 小 体 移 位 的 现 象 只 见 于 试 管 中 （ in vitro） 的 转 录 实 验 细 胞 培 养 （ in vivo） 实 验 表 明 核 小 体 在 转 录 过 程 可 能 发 生解 聚 RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核 小 体转 录 方 向 真核生物转录终止5-AAUAAA-5 -AAUAAA- 核 酸 酶-GUGUGUG RNA-polAATAAA GTGTGTG转 录 终 止 的

21、 修 饰 点5 533 3加 尾AAAAAAA 3 hnRNA 真核生物的转录后修饰 真核生物转录后修饰（post-transcriptional modification） 几 种 主 要 的 修 饰 方 式1. 剪 接 (splicing) 2. 剪 切 (cleavage)3. 修 饰 (modification) 4. 添 加 (addition) 一、mRNA的首、尾的修饰 5端 形 成 帽 子 结 构 (m7GpppGp ) 生 成 甲 基 化 的 三 磷 酸 双 鸟 苷 在 核 内 完 成 hnRNA刚 刚 合 成 25-30 nt时 ， 就 形 成 了 “ 帽 子 ” 结 构

22、起 始 蛋 白 质 翻 译 的 必 须 避 免 被 RNA核 酸 酶 降 解 3端 加 上 多 聚 腺 苷 酸 尾 巴 (poly A tail) 维 持 mRNA作 为 模 板 的 活 性 增 加 mRNA本 身 的 稳 定 性 主 要 功 能 帽子结构甲 基 化 的 三 磷 酸 双 鸟 苷 帽子结构的生成 转 录 产 物 hnRNA第 一 个 核 苷 酸 往往 是 5-三 磷 酸 鸟 苷 pppG5 pppGp 5 GpppGppppG ppi 鸟 苷 酸转 移 酶5 m 7GpppGp甲 基 转 移 酶SAM 5 ppGp磷 酸 酶 Pin 磷 酸 酶 水 解n 与 另 一 个 pppG

23、反 应 ， 生 成 三 磷酸 双 鸟 苷n 甲 基 化 ， 第 一 或 第 二 鸟 嘌 呤 碱 基发 生 甲 基 化 n 帽 子 结 构 完 成 二、mRNA的剪接（去除内含子）核 内 的 蛋 白 质 小 分 子 核 糖 核 蛋 白 体 snRNP （ small nuclear ribonucleoprotein）snRNA RNA剪 接 的 场 所 hnRNA 和 snRNAn hnRNA (hetero-nuclear RNA)：核 内 的 初 级 转 录 物 （ 成 熟 的 RNA剪 接 前 的 “ 前 体 ” ）n snRNA (small nuclear RNA) hnRNA 和

24、snRNA 外 显 子 (exon)和 内 含 子 (intron)n 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 RNA的核 酸 序 列 。n 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 。蛋 白 质 内 含 子 胰 岛 素 的 C基 因二、mRNA的剪接（去除内含子） 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

25、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 。 CA B D编 码 区 （ 外 显 子 ） A、 B、 C、 D 非 编 码 区（ 内 含 子 ） 鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰鸡 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、转录后修饰鸡 卵 清 蛋 白 成 熟 mRNA与 DNA杂 交 （ 模 拟 电 镜 图 片 ）基 因 全 长 为 7.7kb， 肽 链 长 386个 氨 基 酸 hnRNA

26、 和 snRNA 外 显 子 (exon)和 内 含 子 (intron) 内 含 子 的 分 类n 根 据 基 因 的 类 型 和 剪 接 的 方 式 ， 通 常 分 为 4类I： 主 要 存 在 于 线 粒 体 、 叶 绿 体 及 某 些 低 等 真 核 生 物 的 rRNA基 因 ；II： 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 mRNA基 因 有 此 类 内 含 子 ； IV： 是 tRNA基 因 及 其 初 级 转 录 产 物 中 的 内 含 子 ， 剪 接 过 程

27、需 酶 及 ATP。自我剪接二、mRNA的剪接（去除内含子） hnRNA 和 snRNA 外 显 子 (exon)和 内 含 子 (intron) 内 含 子 的 分 类 mRNA的 剪 接n 除 去 hnRNA中 的 内 含 子 ， 将 外 显 子 连 接二、mRNA的剪接（去除内含子） snRNP与hnRNA结合成为剪接体 snRNP与hnRNA结合成为剪接体（续） UACUACA - AGUG U4U5U6 E1 E2U1 U2 U1、 U4、 U5 UACUACA - AGUGU6 E1E2U2 剪接过程的二次转酯反应 (twice transesterification) pG-OH

28、(ppG-OH, pppG-OH) U-OH GpUpGpA 第 一 次 转 酯 反 应第 二 次 转 酯 反 应UpA GpU外 显 子 1 内 含子 外 显 子 2G-OHUpUpGpA 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 后加 工 ， 是 可 有 多 用 途 分 化 的 ， 因 此 也 称 为 分 化 加工 (differential RNA processing)。人 类 apo B（ 载 脂 蛋 白 B） 基 因 mRNA（ 14500个 核 苷 酸 ）肝 脏apo B100（ 分 子 量 为

29、500 000） 肠 道 细 胞apo B48（ 分 子 量 为 240 000）mRNA编 辑C变 为 U 小结：mRNA的转录后加工 加 “ 帽 子 ” 、 “ 尾 巴 ” mRNA的 剪 接 （ hnRNA 去 除 内 含 子 ） mRNA的 编 辑 (mRNA editing) tRNA的转录后加工tRNA前 体RNA pol TGGCNNAGTGC GGTTCGANNCCDNA DHU-loop T-loop tRNA的转录后加工RNAaseP内 切 酶 tRNA核 苷 酸 转 移 酶连 接 酶ATP ADP 碱基修饰（ 1）（ 1） （ 3）（ 2） （ 4） （ 2） 还 原 反

30、 应 如 ： U DHU（ 4） 脱 氨 反 应 如 ： A I 如 ： A mA G mG（ 1） 甲 基 化 （ 3） 核 苷 内 的 转 位 反 应 如 ： U rRNA的转录后加工转 录 45S - rRNA剪 接18S - rRNA 5.8S和 28S-rRNA rDNA内 含 子 28S5.8S18S 内 含 子 基 因 转 录 激 活 调 节 基 本 要 素p 基 因 的 结 构 、 性 质p 生 物 个 体 或 细 胞 所 处 的 内 、 外 环 境p 细 胞 内 所 存 在 的 转 录 调 节 蛋 白1. 特 异 DNA序 列2. 调 节 蛋 白3.DNA-蛋 白 质 、 蛋

31、 白 质 -蛋 白 质4.RNA聚 合 酶 基 因 表 达 调 控 的 生 物 学 意 义（ 一 ） 适 应 环 境 、 维 持 生 长 和 增 殖（ 二 ） 维 持 个 体 发 育 与 分 化 功能不同的基因的表达不同不 受 调 控 的 基 因 ： （ 相 对 ）基 本 （ 组 成 性 ） 基 因 表 达 （ constitutive gene expression）管 家 基 因 （ housekeeping genes）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 ， 或外 界 环 境 的 改 变 发 生 了 变 化诱 导 和 阻

32、遏 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)。 无 论 表 达 水 平 高 低 ， 某 些 基 因 较 少 受 环 境 因 素影 响 ， 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 因 ， 这 类 基 因 表 达 被 视 为 基 本 （ 组 成 性 ）基 因 表 达 (constitu

33、tive gene expression) 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 原核生物的基因结构特 点 （ 与 真 核 生 物 的 主 要 区 别 ） ：无 内 含 子操 纵 子 转 录 单 元多 顺 反 子 mRNA转 录 没 有 结 束 ， 翻 译 已 经 开 始 诱 导 和 阻 遏 表 达在 特 定 环 境 信 号 刺 激 下 ， 相 应 的 基 因 被 激活 ， 基 因 表 达 产 物 增 加 ， 这 种 基 因 称 为 可 诱 导基 因

34、 。可 诱 导 基 因 在 特 定 环 境 中 表 达 增 强 的 过 程 ，称 为 诱 导 (induction)。 如 果 基 因 对 环 境 信 号 应 答 是 被 抑 制 ， 这 种基 因 是 可 阻 遏 基 因 。可 阻 遏 基 因 表 达 产 物 水 平 降 低 的 过 程 称 为阻 遏 (repression)。 Lehningers.Principles.of.Biochemistry.4th 原 核 生 物 蛋 白 质 因 子 操 纵 子 (operon) 机 制特 异 DNA序 列编 码 序 列 启 动 序 列 操 纵 序 列 其 他 调 节 序 列 (promoter)(

35、operator) 操纵子 通 常 由 2个 以 上 结 构 基因 和 多 种 表 达 调 控 元 件在 基 因 组 中 成 簇 串 联 组成 表 达 调 控 元 件 ：promoter， operator 原 核 生 物 中 最 常 见 的 表达 调 控 单 位 雅 各 布(1920 ) 法 国 生物 学 家 、 分 子 生物 学 家 莫 诺(1910 1976) 法 国 生 物 学 家 1961年 雅 格 布 与 莫 诺 合 作 提 出了 “ 信 使 核 糖 核 酸 ” 和 “ 操 纵 子 ”概 念 ， 阐 明 了 RNA在 遗 传 过 程 中 的信 息 传 递 作 用 和 乳 糖 操 纵

36、 子 在 蛋 白质 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 。 是 RNA聚 合 酶 结 合 并 启 动 转 录的 特 异 DNA序 列 。1) 启 动 序 列 RNA转 录 起 始-35区 -10区TTGACA TTAACTTTTACA TATGATTTTACA TATGTTTTGATA TATAATCTGACG TACTGTN17N16N17N16N 16 N7N7N6N7N6 AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT 共 有 序 列 共 有 序 列 (consensus

37、sequence) 决 定 启 动序 列 的 转 录 活 性 大 小 。某 些 特 异 因 子 （ 蛋 白 质 ） 决 定 RNA聚 合酶 对 一 个 或 一 套 启 动 序 列 的 特 异 性 识 别 和 结合 能 力 。 2 操 纵 序 列 阻 遏 蛋 白 (repressor)的 结 合 位 点当 操 纵 序 列 结 合 有 阻 遏 蛋 白 时 ， 会 阻 碍RNA聚 合 酶 与 启 动 序 列 的 结 合 ， 或 是 RNA聚合 酶 不 能 沿 DNA向 前 移 动 ， 阻 碍 转 录 。启 动 序 列 编 码 序 列操 纵 序 列pol 阻 遏 蛋 白 3) 其 他 调 节 序 列

38、、 调 节 蛋 白例 如 激 活 蛋 白 (activator)可 结 合 启 动 序 列 邻 近的 DNA序 列 ， 促 进 RNA聚 合 酶 与 启 动 序 列 的结 合 ， 增 强 RNA聚 合 酶 活 性 。有 些 基 因 在 没 有 激 活 蛋 白 存 在 时 ， RNA聚 合 酶 很 少 或 完 全 不 能 结 合 启 动 序 列 。 操纵子的结构与功能 典 型 的 操 纵 子 结 构 ：控 制 区 信 息 区 结 构 基 因I调 节 基 因（ 阻 遏 或 增 强 ） P启 动 基 因 O 操 纵 基 因DNA 乳糖操纵子调节机制（ 一 ） 乳 糖 操 纵 子 (lac opero

39、n)的 结 构 结 构 基 因Z： -半 乳 糖 苷 酶Y： 透 酶A： 乙 酰 基 转 移 酶 编码与乳糖分解代谢有关的基因Z Y AOPDNA 调 控 区CAP结 合 位 点 启 动 序 列 操 纵 序 列阻 遏 基 因 乳糖操纵子(lac operon)的结构 Lehningers.Principles.of.Biochemistry.4th 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 IDNA Z Y AOPpol 没 有 乳 糖 存 在 时阻 遏 基 因 有

40、乳 糖 存 在 的 时 候 ， 需 要 表 达 ， 降 解 乳 糖mRNA阻 遏 蛋 白 有 乳 糖 存 在 时IDNA Z Y AOPpol启 动 转 录 mRNA乳 糖半 乳 糖 -半 乳 糖 苷 酶 CAP的 正 性 调 节 + + + + 转 录无 葡 萄 糖 ， cAMP浓 度 高 时有 葡 萄 糖 ， cAMP浓 度 低 时Z Y AOPDNA CAPCAPCAPCAP CAPCAP 协 调 调 节 当 阻 遏 蛋 白 封 闭 转 录 时 ， CAP对 该 系 统 不 能发 挥 作 用 ； 如 无 CAP存 在 ， 即 使 没 有 阻 遏 蛋 白 与 操 纵 序列 结 合 ， 操

41、纵 子 仍 无 转 录 活 性 。单 纯 乳 糖 存 在 时 ， 细 菌 利 用 乳 糖 作 碳 源 ；若 有 葡 萄 糖 或 葡 萄 糖 /乳 糖 共 同 存 在 时 ， 细菌 优 先 利 用 葡 萄 糖 。葡 萄 糖 对 lac 操 纵 子 的 阻 遏 作 用 称 分 解 代谢 阻 遏 (catabolic repression)。 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 RNA-polO OO 若 有 葡 萄 糖 或 葡 萄 糖 /乳 糖 共 同存 在 时 ， 细 菌 优 先 利 用 葡 萄 糖 。 Lehni

42、ngers.Principles.of.Biochemistry.4th 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 Trp Trp 高 时 Trp 低 时 mRNA OPtrpR 调 节 区 结 构 基 因 RNA聚 合 酶 RNA聚 合 酶 UUUUUUUU调 节 区 结 构 基 因 trpR OP 前 导 序 列 衰 减 子 区 域 UUUU前 导 mRNA 1 2 3 4衰 减 子 结 构 第 10、 11密 码 子 为 trp密 码 子 终 止 密 码 子 14aa前 导 肽 编 码 区 : 包 含 序 列 1 形 成

43、发 夹 结 构 能 力 强 弱 ： 序 列 1/2序 列 2/3序 列 3/4 trp 密 码 子 UUUU UUUU3 4UUUU 33 4核 糖 体 前 导 肽 前 导 mRNA 1.当 色 氨 酸 浓 度 高 时 转 录 衰 减 机 制 1 25 trp 密 码 子 衰 减 子 结 构就 是 终 止 子可 使 转 录前 导 DNA UUUU 3 RNA聚 合 酶 终 止 UUUU3 42 42 3 UUUU核 糖 体 前 导 肽 前 导 mRNA 15 trp 密 码 子 结 构 基 因前 导 DNA RNA聚 合 酶 2.当 色 氨 酸 浓 度 低 时 Trp合 成 酶 系 相 关结

44、构 基 因 被 转 录 序 列 3、 4不 能 形 成 衰 减 子 结 构 Types of sequences in the human genome Lehningers.Principles.of.Biochemistry.4th LINE：long interspersed elementSINE：short interspersed element 比 原 核 生 物 复 杂 30亿 碱 基 对 ， 3.6万 个 基 因 ，2 15 表 达 真核生活基因表达的多级调控基因激活转录起始 转录后加工mRNA降解蛋白质翻译翻译后加工修饰 蛋白质降解等DNARNA蛋 白 质 DNA暴 露 碱

45、 基 后 RNA聚 合 酶 才 能 有 效 结 合 。活 化 状 态 的 基 因 表 现 为 ：1.对 核 酸 酶 敏 感2.结 合 有 非 组 蛋 白 及 修 饰的 组 蛋 白3.低 甲 基 化 。最 有 效 的 调 节 环 节 ， 通过 DNA元 件 与 调 控 蛋 白 相互 作 用 来 调 控 基 因 表 达 。 RNA编 辑 、 剪 接 、 转 运 翻 译 水 平 可 通 过 特 异 的蛋 白 因 子 阻 断 mRNA翻 译 翻译 后 对 蛋 白 的 加 工 、 修 饰 也是 基 本 调 控 环 节 siRNA, microRNA 真 核 细 胞 基 因 开 关 的 分 子 机 制 比

46、 原 核 复 杂基 本 共 同 点 ： 转 录 起 始 的 调 节 是 关 键 点根 本 不 同 点 ：原 核 生 物 ： 启 动 子 在 缺 少 转 录 因 子 情 况 下就 具 有 天 然 活 性 真 核 生 物 ： 强 力 启 动 子 在 缺 少 转 录 因 子（ 调 节 蛋 白 ） 的 情 况 下 往 往 没有 活 性 真 核 VS 原 核 * 多 种 RNA聚 合 酶 ， 结 构 复 杂 ， 并 伴 随 必 须 的 转 录 因子 ； 。 因 此 ， 在 转 录 的 基 本 状 态 受到 制 约 的 情 况 下 ， 使 得 每 个 真 核 细 胞 基 因 需 要 活 化才 能 被 转

47、录 ；* 真 核 细 胞 有 更 大 、 更 为 复 杂 、 种 类 更 多 的 调 节 蛋 白 。单 一 启 动 子 可 以 被 分 散 在 DNA分 子 上 、 数 量 近 乎 无限 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 面几 个 方 面 与 原 核 细 胞 存 在 不 同 ： * 真 核 细 胞 基 因 及 其 调 控 区 域 受 到 染 色 质 结 构 的 限 制 ，转 录 的 活 化 与 转 录 调 控 区 域 、 转 录 区 域 内 染 色 质 结构 的 诸 多 变 化 相 关 ； u真核生物转录水平的调控 染 色

48、 质 水 平 核 小 体 中 组 蛋 白 解 离 、 乙 酰 化 DNA去 甲 基 化 、 拓 扑 结 构 变 化 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 起 始 复 合 物 的 组 装 和 活 化 转 录 终 止 的 调 节u 真 核 生 物 转 录 后 水 平 的 调 控u 真 核 生 物 翻 译 水 平 的 调 控 第 一 部 分Control of Transcription Initiation转 录 起 始 调 控 (一 ） 基 因 活 化 蛋 白 质 改 变 局 部 染 色 质 结 构 异 染 色 质 （ heter

49、ochromatin） 是 转 录 非 活 性 的 。 常 染 色 质 （ euchromatin） 中 的 转 录 活 性 区 域 对 核 酸酶 敏 感 ， 特 别 是 转 录 基 因 的 5-侧 翼 区 1000 nt以 内 是高 敏 感 位 点 (hypersensitive sites)。 很 多 高 敏 感 位 点 是调 节 蛋 白 质 的 结 合 序 列 ， 而 这 些 区 域 核 小 体 的 相 对缺 少 也 使 得 这 些 蛋 白 质 易 于 与 之 结 合 。 转 录 活 化 染 色 质 与 非 活 化 染 色 质 在 结 构上 有 很 大 不 同 。 转 录 活 化 染 色

50、 质 与 非 活 化 染 色 质 的 组 蛋白 共 价 修 饰 的 方 式 也 不 相 同 。 组 蛋 白 修 饰 ： 核 小 体 的 核 心 组 蛋 白 （ H2A， H2B，H3， H4） 中 赖 氨 酸 残 基 的 非 可 逆 性 甲 基 化 ， 丝 氨酸 与 苏 氨 酸 残 基 的 磷 酸 化 ， 乙 酰 化 以 及 泛 素 化 多 是转 录 活 性 染 色 质 的 特 点 。 DNA修 饰 ： 真 核 细 胞 DNA的 CpG序 列 （ CpG岛 ）中 的 胞 嘧 啶 被 甲 基 化 为 5-甲 基 胞 嘧 啶 是 常 见 现 象 ，但 转 录 活 性 染 色 质 区 域 胞 嘧 啶

51、 被 甲 基 化 的 程 度 降 低 。 l染 色 质 重 塑 （ chromatin remodeling） 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 转录 开 始 。 这 种 改 变 局 部 染 色 质 结 构 的 过 程 被称 为 染 色 质 重 塑 。最 主 要 的 两 种 方 式 ： 组 蛋 白 的 共 价 修 饰 核 小 体 重 塑 （ nucleosome remodeling） 染色质重塑 组 蛋 白 乙 酰 化 位 点 ： 组 蛋 白 乙 酰 化 转 移 酶 （ histone a

52、cetyl transferases, HATs） ， 也 称 组 蛋 白 乙 酰 化 酶 （ histone acetylase） 主 要作 用 于 核 小 体 的 核 心 组 蛋 白 所 富 含 的 赖 氨 酸 残 基 ， 降 低整 个 核 小 体 对 DNA的 亲 和 性 。时 间 ： 基 因 活 化 蛋 白 质 结 合 在 转 录 调 节 区 域 后 。作 用 ： 使 染 色 质 进 入 转 录 活 性 状 态 ； 还 可 能 促 进 或 防 止与 其 它 转 录 或 调 节 相 关 蛋 白 的 相 互 作 用 。可 逆 转 ： 组 蛋 白 脱 乙 酰 化 酶 (histone dea

53、cetylase)减 少 核小 体 的 乙 酰 化 ， 使 染 色 质 恢 复 转 录 非 活 性 状 态 。 顺式作用元件(cis-acting element) “cis-”有 “ 分 子 内 ” 的 意 思 顺 式 作 用 元 件 可 以 理 解 为 ： DNA分 子 上 具 有 可 影 响（ 调 控 ） 转 录 的 各 种 组 分 这 些 调 控 元 件 在 某 一 基 因 上 不 可 能 全 部 齐 备 ， 而 是 若干 种 互 相 搭 配 ， 以 多 样 化 的 形 势 调 节 转 录 的 起 始 。 有 些 基 因 的 调 控 区 域 结 构 简 单 ， 可 被 一 个 单 一

54、信 号 启 动“ 开 关 ” 。 但 更 多 的 基 因 调 控 区 域 结 构 复 杂 n 顺 式 作 用 元 件 (cis-acting element) 与 基 因 表 达 调 控 有 关 的 DNA序 列n 分 子 内 作 用 元 件n 反 式 作 用 因 子 (trans-acting factor) 与 基 因 表 达 调 控 有 关 的 蛋 白 质n 分 子 间 作 用 因 子 u对 顺 式 作 用 元 件 -反 式 作 用 因 子 相 互 作 用 的 各 种 信 号 进行 解 读 ， 并 整 合 所 获 信 息 来 决 定 邻 近 基 因 的 开 与 关 。 1. 顺 式 作

55、用 元 件 (cis-acting element)可 影 响 自 身 基 因 表 达 活 性 的 DNA序 列B ADNA 编 码 序 列转 录 起 始 点不 同 真 核 生 物 的 顺 式 作 用 元 件 中 也 会 发 现一 些 共 有 序 列 ， 如 TATA盒 、 CAAT盒 等 ， 这些 共 有 序 列 是 RNA聚 合 酶 或 特 异 转 录 因 子 的结 合 位 点 。 exon1 intron1 exon nintron n上 游 下 游转 录 起 始 点增 强 子 沉 默 子 启 动 子 TATA盒GC盒 CAAT盒 增 强 子u 真 核 细 胞 顺 式 作 用 元 件 （

56、 cis-acting elements）包 括 启 动 子 （ promoter） 、 其 它 调 控 元 件 及 特定 的 远 隔 序 列 。 （ 一 ） 近 起 始 点 的 TATA盒 /起 始 子 是 真 核 生物 启 动 子 的 核 心 序 列真 核 细 胞 的 启 动 子 是 包 括 转 录 起 始 点 （ transcription initiation site或 transcription start site） 在 内 的 、 有 通 用 转录 因 子 及 RNA聚 合 酶 组 装 、 结 合 的 一 段 DNA序 列 。 典 型 的 启 动 子 核 心 序 列 （ cor

57、e sequences） 是 在 转 录 起 始位 点 上 游 2535 bp处 ， 有 一 保 守 的 TATA序 列 ， 被 称 为TATA盒 （ TATA box） ， 真 核 细 胞 的 TATA盒 多 为TATAAAA序 列 。 TATA盒 与 原 核 细 胞 的 启 动 子 一 样 ， 对RNA聚 合 酶 II的 转 录 起 始 位 点 起 定 位 作 用 。 （ 二 ） 启 动 子 中 的 上 游 元 件 协 助 真 核 基 因 调 节GC盒 (GC box) (GGGCGG)CAAT盒 (CAAT box) (GCCAAT )u 启 动 子 上 游 元 件 （ promoter

58、-proximal elements, 或upstream promoter elements） 是 一 些 位 于 TATA盒上 游 的 DNA序 列 ， 与 调 节 蛋 白 结 合 ， 调 节 通 用 转 录因 子 与 TATA盒 的 结 合 、 RNA聚 合 酶 与 启 动 子 的 结合 ， 以 及 转 录 起 始 复 合 物 的 形 成 ， 从 而 决 定 基 因 的转 录 效 率 与 专 一 性 。u 常 见 的 序 列 是 ： (三 ） 远 距 离 增 强 子 促 进 RNA聚 合 酶 II的 转 录增 强 子 （ enhancer）是 能 够 结 合 特 异 基 因 调 节 蛋

59、白 ， 促 进 邻 近 或远 隔 特 定 基 因 表 达 的 DNA序 列 ； 在 酵 母 中 ， 被 称为 上 游 活 化 序 列 （ upstream activator sequences, UASs） 。增 强 子 的 作 用 通 常 与 其 所 处 的 位 置 和 方 向 无 关 。 增 强 子 距 转 录 起 始 位 点 的 距 离 变 化 很 大 ， 从 100 nt到 50 000nt， 甚 至 更 大 。 但 总 是 作 用 于 最 近 的启 动 子 。 增 强 子 所 处 位 置在 所 调 控 基 因 的 上 游 或 下 游 ， 但 主 要 位 于 上 游 。下 游 内 含

60、 子 当 中 ， 乃 至 下 游 最 后 外 显 子 以 外 的 序列 也 可 含 有 增 强 子 。很 多 哺 乳 动 物 基 因 受 一 个 以 上 的 增 强 子 调 控 。 （ 四 ） 沉 默 子 可 抑 制 基 因 的 转 录负 性 调 节 元 件 沉 默 子 （ silencer） 有 些 DNA序 列 既 可 以 作 为 正 性 ， 又 可 以 作为 负 性 调 节 元 件 发 挥 顺 式 调 节 作 用 ， 这 取 决 于细 胞 内 存 在 的 转 录 因 子 的 性 质 。有 部 分 基 因 含 有 负 性 调 节 元 件 ， 当 其 结 合特 异 转 录 因 子 时 ， 对

61、 基 因 转 录 起 阻 遏 作 用 。 二、反式作用因子：转录因子基 因 调 节 蛋 白 （ gene regulatory proteins）反 式 作 用 因 子 （ trans-acting factors） 转 录 调 节 因 子 (transcription regulation factors)转 录 因 子 是 由 不 同 的 功 能 结 构 域 构 成 的 调 节 蛋 白 上 游 因 子 （ upstreamfactors） ： 与 上 游 调 控 元 件 结 合 的 蛋 白 质 可 诱 导 因 子 （ inducible factors） ： 在 某 些 特 殊 生 理 情

62、 况 下 才 被 诱 导 产 生 的 ， 可 与 调 控 元 件 结 合 的 蛋 白 质 2. 真 核 基 因 的 调 节 蛋 白还 有 蛋 白 质 因 子 可 特 异 识 别 、 结 合 自身 基 因 的 调 节 序 列 ， 调 节 自 身 基 因 的 表 达 ，称 顺 式 作 用 。由 某 一 基 因 表 达 产 生 的 蛋 白 质 因 子 ，通 过 与 另 一 基 因 的 特 异 的 顺 式 作 用 元 件 相互 作 用 ， 调 节 其 表 达 。 反 式 作 用 因 子 (trans-acting factor) 这 种 调 节 作 用 称 为 反 式 作 用 。 c DNAaDNA

63、反 式 调 节C顺 式 调 节 mRNA C 蛋 白 质 CBA mRNA蛋 白 质 A A 转 录 因 子 分 为 ：通 用 转 录 因 子特 异 转 录 因 子 RNA聚 合 酶 结 合 启 动 子 所 必 需 的一 组 蛋 白 质 因 子 ， 为 各 类 真 核 细 胞所 共 有 、 通 用 ， 决 定 3种 RNA转 录的 类 别 。通 过 结 合 它 的 调 节 序 列 直 接 、 或 间接 活 化 或 阻 遏 特 异 基 因 的 转 录 。 二、反式作用因子(trans-acting factors) 能 直 接 、 间 接 辨 认 和 结 合 转 录 上 游 区 段 DNA（ 顺

64、 式 作用 元 件 ） 的 蛋 白 质 ， 从 而 影 响 基 因 表 达 现 已 发 现 数 百 种大 部 分 转 录 因 子 是 活 化 基 因 转 录 ， 至 少 有 两 个不 同 的 功 能 结 构 域 ： DNA结 合 域 （ DNA-binding domain） 激 活 域 （ activation domain） 反式作用因子与顺式作用元件的相互接触的部位 蛋 白 质 与 DNA的 相 互 作 用 的 部 位 同 源 结 构 域 （ homodomain） 螺 旋 转 角 螺 旋 锌 指 模 体 （ zinc finger motif） 碱 性 亮 氨 酸 拉 链 模 体 （

65、basic leucine zipper motif） 碱 性 螺 旋 -环 -螺 旋 结 构 片 层 也 可 识 别 DNA（ 一 ） DNA结 合 域 转 录 因 子 含 有 不 同 的 DNA结 合 域1. 螺 旋 -回 折 -螺 旋 是 常 见 的 DNA结 合 模 体 之 一 n 通 过 氨 基 酸 残 基 的 侧 链 基 团 与 DNA的 大 沟 碱 基 边 缘 的 化学 基 团 相 互 作 用 锌指模体（zinc finger motif） 富 含 Cys或 His残 基 的 多肽 与 Zn2 形 成 配 位 键 . 锌 指 结 构 是 一 类 含 锌 的 DNA结 合 蛋 白

66、质 模 体C2H2型 锌 指 （ Zinc finger） 碱性亮氨酸拉链模体 缠 绕 成 两 组 -螺 旋 N-端 富 含 碱 性 氨 基 酸 ， 亲水 性 C-端 有 疏 水 性 每 7个 残 基 规 律 性 的 出 现 一个 Leu， 使 两 组 -螺 旋 呈拉 链 状3. 亮 氨 酸 拉 链 同 时 调 节 DNA结 合 与 蛋 白 质 二 聚 体 化 4. 碱 性 螺 旋 -环 -螺 旋 结 构 也 可 调 节 DNA结 合 及 蛋 白 质 二 聚 体 化 碱 性 螺 旋 -环 -螺 旋（ basic helix-loop-helix， bHLH） bHLH双 体DNA大 沟螺旋 螺 旋环 5. 片 层 也 可 识 别 DNA在 前 面 所 述 的 DNA结 合 域 中 ， 至 少 一 个-螺 旋 被 插 入 DNA双 螺 旋 的 大 沟 中 。 但 一 些转 录 因 子 含 有 替 代 的 结 构 ， 如 -片 层 和 环 ，它 们 特 殊 的 氨 基 酸 组 成 ， 可 以 识 别 DNA双 螺旋 分 子 大 沟 表 面 的 特 殊 序 列 。 反 向 平 行 片 层