15.轉錄與基因表達調控

1、十五章 轉錄與基因表達調控基因表達：遺傳信息DNA通過RNA傳遞到蛋白質的過程。 轉錄transcription：DNA為模板合成RNA 為表達的第一步，包括： 1. DNA為模板指導RNA合成 2. RNA為模板進行DNA復制 （逆轉錄reverse transcription）第一節(jié) 轉錄 在DNA指導下由RNApol 催化下進行的 ,四種NTP為原料，合成RNA。特征： 不對稱轉錄一.轉錄模板 （補充）結構基因（轉錄單位）： DNA中可轉錄出RNA的功能片段 轉錄不對稱性： DNA雙鏈中，轉錄單位中只有一條鏈作為模板（模板鏈），以其為模板合成RNA；另一條鏈無轉錄作用（編碼鏈）； 在一段

2、DNA中存在的多個轉錄單位模板鏈不一定在同一條DNA單鏈上。 轉錄單位存在特殊的核苷酸序列（啟動基因，啟動子）為RNApol識別結合作用的部位；末端有終止部位。真核生物起始部位原核生物起始部位：2.參與轉錄的酶 ：RNA聚合酶 RNApol（1）原核生物的RNApol E.coli中RNApol為寡聚酶， 五個亞基組成 全酶：2 核心酶 因子為起始因子，辨認轉錄起始點 核心酶催化RNA鏈延長（53方向合成）（2）真核生物的RNApol種類 最活躍的酶 對鵝膏蕈堿 的反應45S-rRNA hnRNA 5S-rRNAtRNA、snRNA耐受極敏感中度敏感轉錄產物存在部位核仁核仁外核質線粒體中與原核

3、類似。 原核生物轉錄過程RNApol完成；真核生物需要一些蛋白質的參與。三.轉錄過程（起始、延長、終止）（1）起始 a. (E.coli)RNApol全酶結合到DNA啟動子（Pribnow盒子）富含AT，易解開。（大約20左右堿基），形成轉錄起始小泡。 b.在RNApol催化下，以模板鏈為模板開始轉錄。 c. 第一個核苷酸往往是A或G（G多見）。與第二個核苷酸結合，形成三磷酸鳥苷核苷酸（GpppN） d.此時RNApol釋放因子，以核心酶催化RNA鏈延長。（不需引物） 真核生物起始需蛋白質因子（轉錄因子）參與，DNA上啟動序列（RNApol II）為TATA盒子等。真核生物轉錄起始模型（2）延

4、長：核心酶與DNA鏈結合松弛，有利于酶 沿3 5方向滑動，轉錄產物沿5 3方向延長。新合成的RNA鏈與DNA形成雜交，但不太牢固，易分開。DNA恢復雙螺旋結構。（3）終止： 依賴rho因子，不依賴Rho因子終止兩種形式。四、原核生物的轉錄后加工 mRNA很少加工rRNA剪切、修飾（RNA酶催化）將初級產物剪成16S、23S、5S三個片段；tRNA切除多余的核苷酸序列（RNA酶P），堿基修飾五.真核生物的轉錄后加工 真核生物基因為斷裂基因，含有內含子（非編碼區(qū)）和外顯子（編碼區(qū)）。 真核細胞轉錄產物需加工。（1）mRNA生成（ hnRNA加工生成）加帽：開始合成mRNA時，第一個核苷酸（G）保留

5、三磷酸。加帽時去掉一個磷酸基團，加入GMP 5-5，其GN7甲基化mGpppG（甲基化三磷酸雙鳥苷） 加尾：mRNA3端加polyA尾 轉錄初產物比成熟mRNA多約20個核苷酸，經特異酶去除，聚合酶作用下，加polyA，長度為100200A。 加帽，加尾在核內進行。 剪接splicing： 通過轉酯反應過程完成內含子剪除及外顯子連接。tRNA加工： 1、剪切 -分別切除5端和3端一定的核苷酸序 列以及反密碼環(huán)上的內含子。 2、3端加上-CCA-OH，此為攜帶活化AA的部位。 3、修飾- 甲基化 A mA 、 G mG 還原反應： U DHU、 核苷內的轉位反應 U 脫氨：A I 剪切 1(a)

6、剪接1(b)2添加堿基修飾(d)堿基修飾的方式：（2）還原反應 如：U DHU （3）核苷內的轉位反應 如：U （4）脫氨反應 如：A Im 如：A A（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）（5）加上CCA-OH的3末端rRNA加工六、RNA復制 某些生物以RNA攜帶遺傳信息，并能通過RNA復制而合成與其自身相同RNA分子 （脊髓灰質炎病毒） 侵入宿主后，以病毒RNA為模板，NTP為底物，進行病毒RNA復制（酶為RNA指導的RNA聚合酶） RNA（正鏈）：基因組，mRNA兩種作用 RNA（正鏈）為模板合成互補RNA（負鏈）；又以負鏈為模板合成 基因組RNA（正鏈） 正鏈RNA作為mRNA指

7、導病毒蛋白質合成。 第二節(jié) 基因轉錄的調節(jié)補充：基本概念（一）基因gene：負載特定遺傳信息的DNA片段 位于染色體上的遺傳基本單位或單元，含有編碼一種RNA（大多數為多肽）的信息單位；結構：DNA編碼序列、非編碼調節(jié)序列和內含子組成的DNA區(qū)域(二)基因組（genome）： 來自一個生物體的一整套基因原核細胞(細菌/噬菌體) 其為單個環(huán)狀染色體所含全部基因； 真核生物 染色體基因組：一個生物體染色體所包含的全部DNA(來自兩個親本的配體)； 核外遺傳物質（線粒DNA）(由一個親本的胞質提供(卵細胞)。 （三）基因表達 gene expression：1.基因表達： 基因轉錄及翻譯的過程，即生

8、成具有生物學功能產物的過程 一定的調控機制下，大多數基因經歷基因激活、轉錄及翻譯，產生具有特定生物學功能的Pr分子，賦予細胞或個體一定的功能或形態(tài)表型。 rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程亦屬基因表達。2.基因組數量 不同生物的基因組含有不同數量的基因。 細菌的基因組約4千個基因；多細胞生物基因達數萬個，人類基因組含3萬4萬個基因。 在某一特定時期，基因組中只有一部分基因處于表達狀態(tài) 大腸桿菌通常約5%的基因處于高水平轉錄活性狀態(tài)，生成很少RNA和蛋白質； 基因表達水平隨時間、環(huán)境而變化（修復基因）（四）基因表達的規(guī)律性1.時間特異性 temporal specificity （低

9、等生物）按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按一定時間順序發(fā)生 基因表達的時間特異性； 多細胞生物成熟過程中的各個不同發(fā)育階段,相應基因嚴格按一定時間順序開啟或關閉.表現為與分化發(fā)育一致的時間性 階段特異性。 早期發(fā)育階段的基因表達是較多的。2.空間特異性spatial specificity 多細胞生物的個體在某一生長發(fā)育階段，同一基因在不同組織器官表達不同； 在個體生長、發(fā)育全過程，一種基因產物在個體的不同組織或器官表達，即在個體不同的空間出現。 基因表達伴隨時間或階段順序所表達出的這種空間分布差異，由細胞在器官的分布決定， 又稱細胞特異性（cell specificity） 或組織特異性（

10、tissue specificity）。（五）基因表達的方式 1.基本表達(組成性表達) 管家基因（housekeeping gene）： 有些基因產物對生命全過程都是必需的或必不可少的。這類基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達。 如：編碼三羧酸循環(huán)的酶的基因 基本（或組成性）基因表達： constitutive gene expression 管家基因在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。 特點：此類基因表達只受啟動序列或啟動子與RNApol相互作用的影響。(較少受環(huán)境影響）2.誘導和阻遏表達 此類基因表達極易受環(huán)境變化的影響。隨外環(huán)境信號變化，其表達水平改變

11、的現象。誘導（induction）： 某信號刺激下，可誘導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程。阻遏（repression）： 可阻遏基因表達產物水平降低的過程（對環(huán)境信號應答表現為抑制） 誘導與阻遏是同一事物的兩種表現形式，在生物界普遍存在，為生物體適應環(huán)境基本途徑。 3.協調表達coordinate expression： 生物體內，在一定機制控制下，功能相關的一組基因，無論其為何種表達方式，需協調一致、共同表達。 （六）原核基因轉錄調節(jié)特點 多級調控，主要發(fā)生在轉錄起始 1.因子決定RNA pol識別特異性 細胞僅含一種RNApol，核心酶參與轉錄延長，全酶司轉錄起始。 不同因子決定特異基因的

12、轉錄激活，決定mRNA、tRNA、rRNA基因的轉錄2.操縱子模型的普遍性絕大多數基因以操縱子形式存在3.原核操縱子受到阻遏蛋白的負性調節(jié) 阻遏蛋白與操縱序列結合或解聚時，就會發(fā)生特異基因的阻遏或去阻遏。 原核基因調控普遍涉及特異阻遏蛋白參與基因的開、關調節(jié)機制。（七）真核基因組結構特點1.真核基因組結構龐大 哺乳類動物基因組DNA由約3109bp核苷酸組成。 人基因組: HGP:人基因組約含34萬基因 1%序列編碼蛋白質 ;510%重復基因(如編碼tRNA); 8090%的基因組無編碼功能 (內含子/調控序列/重復序列等) 與組蛋白結合形成復雜的染色體結構，調控機制復雜. 2.單順反子mon

13、ocistron 一條編碼基因轉錄生成一個mRNA，翻譯生成一條多肽鏈。 真核Pr多由幾條不同的多肽鏈組成，存在多個基因協調表達的問題。3. 含有大量的重復序列 真核生物普遍存在重復順序。 其長短不一，(10個核苷酸以下數百乃至上千);重復頻率不盡相同： 高度重復順序（106次）； 中度重復順序（103104次）； 單拷貝序列。 重復序列有種屬特異性，基因組愈大、重復序列含量愈豐富。 與生物進化有關。某些重復序列發(fā)生在調控區(qū)， 則可能對DNA復制、轉錄調控具有重要意義。 4. 基因具不連續(xù)性 真核基因兩側存在不被轉錄的非編碼序列 基因表達的調控區(qū) 編碼序列內部間隔序列（不轉錄蛋白質） 內含子i

14、ntron 編碼序列外顯子exon （八）真核基因表達調控(復雜)1. RNA聚合酶： RNA Pol I、II、III，分別負責三種RNA轉錄; 由大約10個亞基組成,有共有亞基/特有亞基。 共有亞基：如TATA盒結合蛋白（TBP） 轉錄起始為表達調控的最基本環(huán)節(jié),某些機制 與原核的相似.區(qū)別在于以下方面2.處于轉錄激活狀態(tài)的染色體結構變化 基因激活后，可觀察到染色體相應區(qū)域發(fā)生某些結構和性質的變化活性染色體 （1）對核酸酶敏感； （2）DNA拓撲結構變化(正超螺旋) 促進組蛋白H2A、H2B釋放，使RNApol有可能向前移動，進行轉錄； （3）DNA堿基（C）修飾(甲基化). 甲基化范圍與

15、基因表達程度呈反比關系,處于轉錄活化狀態(tài)的基因CpG序列是低甲基化的,不表達或處于低表達水平的基因CpG序列則高度甲基化；（4）組蛋白變化: 水平改變,修飾,降低核小體對DNA親和力,易于基因轉錄。 3.正性調節(jié)占主導 真核RNApol對啟動子親和力小，依賴多種激活蛋白的作用。負性調節(jié)元件并不普遍存在。較大真核基因組廣泛存在正性調節(jié)機制原因：（1）采用正性調節(jié)機制更有效、更精確； 提高調節(jié)蛋白DNA相互作用的特異性 （2）采用負性調節(jié)不經濟。4. 轉錄與翻譯分隔進行 轉錄在胞核；翻譯在胞漿。5. 轉錄后修飾、加工 轉錄后剪接、修飾較原核復雜第二節(jié) 基因轉錄的調節(jié) 轉錄水平的基因表達調控是調控環(huán)

16、節(jié)中最重要的。一、原核生物轉錄水平調節(jié) 操縱子學說操縱子operon：原核基因組中由幾個功能相關的結構基因及其調控區(qū)組成一個基因表達的協同單位。結構： 結構基因：編碼幾個功能相關的酶 調控區(qū)：啟動子：RNA聚合酶結合部位 操縱區(qū)：阻遏物結合部位，調控開關 上游存在編碼阻遏物的 I 基因等操縱子有兩類： 誘導操縱子：因環(huán)境中出現某種物質（底物）而活化； 阻遏操縱子：產物大量出現而關閉。（1）乳糖操縱子（Lac operon） 可誘導調控模式結構 結構基因： Z、Y、A分別編碼三種分解利用乳糖（半乳糖）的酶 調控區(qū) 啟動子P：結合RNApol的部位 操縱序列O：結合阻遏物 I 基因：編碼阻遏物 C

17、AP（分解代謝基因活化蛋白）結合區(qū)： 結合cAMPCAP，對操縱子正調控ICAP結合位點POZYA（1）無乳糖存在時，Lac操縱子處于阻遏狀態(tài)。 I 序列表達lac阻遏蛋白（在 Pi 操縱下）與O序列結合，阻礙RNApol與P序列結合，抑制轉錄啟動。 （偶有解聚）（2）乳糖(半乳糖)存在時，lac操縱子即可被誘導。 誘導劑分子(半乳糖）與阻遏蛋白結合，使其變構，導致阻遏蛋白與O序列解離，發(fā)生轉錄，使半乳糖苷酶分子增加1000倍。同時cAMP-CAP進位，RNApol進入啟動子部位，開啟轉錄。 乳糖與葡萄糖同時存在，細菌先利用葡萄糖，后利用乳糖。通過cAMPCAP逆轉阻遏，啟動lac opero

18、n。2. 色氨酸操縱子Trp operon （阻遏型模式） 五個結構基因EDCBA編碼合成Trp的酶 衰減子結構 無Trp時，操縱子開放，合成酶系 ；Trp存在，與輔阻遏蛋白結合?，封閉操縱區(qū)轉錄不再進行 Trp高時，與轉錄偶聯進行的翻譯過程導致序列3、4形成不依賴因子的終止結構衰減子。使前方的RNApol脫落,轉錄終止； 當缺乏trp時，無trp-tRNA供給，核糖體翻譯停止在序列1中的2個trp密碼子前，序列2與3形成發(fā)夾，阻止序列3,4形成衰減子結構，RNA轉錄繼續(xù)進行。二.真核細胞基因轉錄的調節(jié)復雜。在多個水平（基因活化、轉錄、轉錄后加工、翻譯、翻譯后加工）進行調控。 RNApol與D

19、NA序列結合，不是直接作用，需要多種因子的參與（直接或間接）調控轉錄。（一）順式作用元件： 1.啟動子： RNApol結合位點周圍的一組轉錄控制組件典型啟動子：TATA盒（-30-25bp）GC盒 CAAT盒組成2.增強子enhancer 遠離轉錄起始點（1-30kb），*決定基因的時間空間特異表達、增強啟動子轉錄活性的DNA序列 沒有增強子存在，啟動子通常不能表現活性；沒有啟動子時，增強子無法發(fā)揮作用。3.沉默子 silencer 負性調節(jié)元件 其結合特異蛋白因子，對基因轉錄起阻遏作用 增強子序列沉默子序列沉默子（二） 反式作用因子(轉錄調控的蛋白因子) 大部分TF因子以反式作用調節(jié)基因轉錄

20、 （少數為順式作用因子）1.轉錄調節(jié)因子分類 轉錄因子：transcription factor TF 按功能特性分： （1）基本轉錄因子 general transcription factor RNApol結合啟動子所必需的一組蛋白因子， 決定三種RNA轉錄的類別。 有人視其為RNApol的亞基。 通用：TFIID； 大多數為不同RNApol 特有的（2）特異轉錄因子 special transcription factors 為個別基因轉錄因子所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。作用：轉錄激活作用轉錄激活因子 通常是一些增強子結合蛋白 enhancer binding protein 轉錄抑制作用轉錄抑制因子 沉默子結合蛋白,或是通過Pr-Pr相互作用,“中和”轉錄激活因子,降低其作用. 不同的組織或細胞中各種特異轉錄因子分布不同，所以基因表達狀態(tài)、方式不同。2. 轉錄調節(jié)因子結構 DNA結合域;轉錄激活域; 有的還存在pr-pr作用結構域(二聚化結構域) （1）DNA結合域 DNA binding domain： 由60-100個AA殘基組成 鋅指（zinc finger） （結合GC盒