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1、第三章 转录及其调控,RNA Transcription&Regulation,袁 洁Email：,第一篇 药学分子生物学基础,中心法则,生物体遗传信息传递的方式,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,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,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 p
2、olymerase,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(template 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
3、 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）,模板链、编码链与RNA的关系,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；,模板链并非永远在同一条单链上。,基本内容：,第一节：原核生物的转录,第二节：真核生物的转录及转录后修饰,第三节：转录调控（原核、真核）,第一节 原核生物的转录,原核的RNA聚合酶,核心酶(core enzyme),全酶(holoenzyme),原
4、核的RNA聚合酶,核心酶与亚基,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,启动子(promoter),启动子:RNA聚合酶结合模板DNA的部位,原核RNA聚合酶的 亚基能识别启动子,RNA聚合酶保护法,一种巧妙的研究启动子序列的方法,原核生物启动子保守序列,转录的过程,转录起始RNA的延长转录终止,原核生物与真核生物转录的聚合酶、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：,RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。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,DN
5、A双链解开,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,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,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),超螺旋是转录的一个重要特征,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）两种螺旋都可以通过
6、促旋酶和拓扑异构酶去除。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,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模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,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，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。,5UU
7、GCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3,RNA,5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3,DNA,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3,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
8、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,第二节 真核生物的转录,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,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
9、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,翻译起始点,内含子,OCT-1,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,启动子核心序列,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,ATPase,57,
10、（,a,）,34,（,b,）,TF,E,解螺旋酶,30,，,74,TF,F,促进,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,38,TF,D,功,能,分子量,(,kD,),转录因子,蛋白激酶活性，使,CTD*,TF,H,ATPase,57,（,a,）,34,（,b,）,TF,E,解螺旋酶,TF,F,促进,RNA,-,pol,结合及作,为其他因子结合的桥梁,33,TF,B,稳定,TF,D,-,DNA,复合物,12,，,19,35,TF,A,辅助,TBP,-,DNA,结
11、合,TAF*,结合,TATA,盒,TBP*,TF,D,亚基组成,*TBP:TATA binding protein,TATA结合蛋白*TAF:TBP associated factors,TBP 辅助因子*CTD:carboxyl terminal domain,RNA-pol II大亚基羧基末端结构域,H,E,转录起始前复合物(pre-initiation plex,PIC),A,TFF,H,E,TBP,TAF,TFD-A-B-DNA复合物,PIC组装完成，TFH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)
12、,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,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象。,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,真核生物转录终止,5-AAUAAA-,5-AAUAAA
13、-,核酸酶,-GUGUGUG,RNA-pol,AATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,3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”结构起始蛋白质翻译的必须避免被RNA
14、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,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pppG,5 pppGp,磷酸酶水解,与另一个pppG反应，生成三磷酸双鸟苷,甲基化，第一或第二鸟嘌呤碱基发生甲基化,帽子结构完成,二、mRNA的剪接（去除内含子）,RNA剪接的场所,hnRNA 和 snRNA,hnRNA(hetero-nuclear RNA)：核内的初级转录物（成熟的RNA剪接前的“前体”）snRNA(small nuclear RNA),hnRNA 和 snRNA,外
15、显子(exon)和内含子(intron),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。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。,编码区（外显子）A、B、C、D,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,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）
16、,基因全长为7.7kb，肽链长386个氨基酸,hnRNA 和 snRNA,外显子(exon)和内含子(intron),内含子的分类,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，剪接过程需酶及ATP。,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,除去hnRNA中的内含子，将外显子连
17、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-AG,UG,U4,U5,U6,E1,E2,U1,U2,剪接过程的二次转酯反应(twice transesterification),pG-OH(ppG-OH,pppG-OH),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)。,小结：mRNA的转录后加工,加“帽子”、“尾巴”mRNA的剪接（hnRNA 去除内含子）m
18、RNA的编辑(mRNA editing),tRNA的转录后加工,tRNA前体,DHU-loop,T-loop,tRNA的转录后加工,碱基修饰,rRNA的转录后加工,第三节 转录调控（原核、真核）,基因转录激活调节基本要素,基因的结构、性质生物个体或细胞所处的内、外环境细胞内所存在的转录调节蛋白,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
19、程的某个时期，或外界环境的改变发生了变化诱导和阻遏,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)。,管家基因（housekeeping genes）,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(constitutive gene expression),1原核生物操纵子转录调控模式,编码物质代谢有关酶类：编码分解代谢的酶可诱导型乳
20、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。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)。,原核生物,操纵子(operon)机制,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，ope
21、rator原核生物中最常见的表达调控单位,RNA转录起始,-35区,-10区,TTGACA,TTAACT,TTTACA,TATGAT,TTTACA,TATGTT,TTGATA,TATAAT,CTGACG,TACTGT,N17,N16,N17,N16,N16,N7,N7,N6,N7,N6,A,A,A,A,A,trp,tRNATyr,lac,recA,Ara BAD,共有序列(consensus 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
22、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。,3)其他调节序列、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：,乳糖操纵子调节机制,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,编码与乳糖分解代谢有关的基因,乳糖操纵子(lac operon)的结构,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。,没有乳糖
23、存在时,有乳糖存在的时候，需要表达，降解乳糖,有乳糖存在时,CAP的正性调节,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,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)。,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,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。,转录终止调节
24、,复习RNA的合成转录的内容衰减子的作用色氨酸操纵子,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,色氨酸操纵子可阻遏型转录调控,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力强弱：序列1/2序列2/3序列3/4,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构就是终止子可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,2真核生物转录调控,Types
25、of sequences in the human genome,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，215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,DNA,RNA,蛋白质,DNA暴露碱基后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
26、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；,正性调节是主要形式。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
27、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；,真核生物转录水平的调控,染色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,真核生物转录后水平的调控,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（heterochromatin）是转录非活
28、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
29、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被甲基化的程度降低。,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：,染色质重塑,组蛋白乙酰化,位点：组蛋白乙酰化转移酶（histone acetyl 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：
30、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 deacetylase)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，可被一个单一信号启动“开关”。但更多的基因调控区域结构复杂,顺式作用元件(cis-acting element)与基因表达调控有关的D
31、NA序列分子内作用元件反式作用因子(trans-acting factor)与基因表达调控有关的蛋白质分子间作用因子,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。,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。,真核细胞顺式作用元件（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 in
32、itiation 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（core 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,启动子上游元件（promoter-proximal elements,或upstream promoter elements）是一些位于T
33、ATA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。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
34、基因的上游或下游，但主要位于上游。下游内含子当中，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，对基因转录起阻遏作用。,二、反式作用因子：转录因子,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
35、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。,反式调节,顺式调节,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 f
36、actors),能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA（顺式作用元件）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：,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（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,螺旋-回折-螺旋是常见的DNA结合模体之一,通过氨基酸残基的侧链基团与DNA的大沟碱基边缘的
37、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）,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DN
38、A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,DNA大沟,螺旋,Zn2,（二）转录因子也有蛋白质-蛋白质相互作用区域激活域（activation domain）,亮氨酸拉链和碱性螺旋环螺旋的结构特点使它们易于形成同（源）或异（源）二聚体。异（源）二聚体（heterodimer）的形成增加了结构和功能的多样性。,转录因子的激活结构域通过与其它蛋白质结构域之间的相互作用，对启动子上通用转录因子与RNA聚合酶吸引、定位、以及修饰来提高转录起始效率。,真核细胞中较为常见的结构域是3种：,富含谷氨酰胺激活结
39、构域（glutamine-rich activation domains）富含脯氨酸激活结构域（proline-rich activation domains）酸性氨基酸激活结构域(acidic activation domains)。,4.对RNA聚合酶的影响：,原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性,RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。,调节蛋白与RNA聚合酶活性,一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。,（二）基因活化蛋白质促进RNA聚合酶与通用转录因子在转录起始位点的组装,基因活化蛋白质与增强子或UASs的结合；
40、通用转录因子在启动子处的组装；辅助激活子(coactivator)和/或中介子（medicator）在通用转录因子/RNA聚合酶II复合物与基因活化蛋白质之间的辅助和中介作用。,RNA聚合酶II与启动子的结合、启动转录需要诸多蛋白质因子的协同作用。这通常包括：,基因活化蛋白质与增强子结合后，通过与全酶复合体中的中介子相互反应，使全酶复合体在空间上更接近启动子并有效组装。,此外，多数全酶复合体中缺少一些通用转录因子，如TFIID与TFIIA，它们需要在启动子处分别组装，最后形成稳定的转录起始复合物（transcription initiation plex），启动转录。,激活,抑制,(三）真核基
41、因阻遏蛋白以各种方式抑制转录,阻遏蛋白（repressor protein）,一些既有DNA结合域，也有与其它蛋白相互作用的抑制结构域。,也有一些基因阻遏蛋白没有DNA结合域，而是通过蛋白质-蛋白质间相互作用，调节基因激活蛋白及其它转录因子的作用。,基因阻遏蛋白与基因活化蛋白分别与DNA调节序列结合，但阻遏蛋白通过与活性蛋白的基因活化区域相互作用，使后者不能发挥活化作用；,真核细胞阻遏蛋白有更多可能的作用机制：,结合沉默子或与基因活化蛋白竞争同一DNA调节序列；,吸引组蛋白脱乙酰化酶。,补给阻遏性染色质重塑复合体（repressive chromatin remodeling plexes）；
42、,直接作用于通用转录因子；,第二部分转录后调控,Posttranscriptional Controls,一、真核细胞mRNA 5端加帽和3端多聚腺苷酸化修饰,除组蛋白外，所有真核细胞mRNA都有5端的“帽”和3端的poly(A)尾结构。,5端的“帽”和3端的poly(A)尾均有其特有的作用。,5加帽的作用在于：,有助于保护mRNA免于被核糖核酸酶降解；,5帽结合蛋白复合体参与mRNA和核糖体的结合来起始翻译。,促进mRNA从细胞核运输到细胞浆；,协助mRNA的剪接。在剪接第一个外显子时，剪接体的形成需要帽结合蛋白的参与；,poly(A)尾可结合一种或多种特殊蛋白，避免mRNA被酶降解，并在翻
43、译过程中具有重要作用。许多原核mRNA也含有poly(A)尾，但是此尾的功能是促进mRNA降解，而不是保护mRNA免于被降解。,poly(A)尾的作用：,二、选择性剪接可以使同一基因产生不同的蛋白质,许多初始转录本可以通过一种以上的选择性剪接（alternative RNA splicing）方式，去除不同的内含子而被加工形成不同的mRNAs，因而形成不同的多肽。,人视黄醛还原酶mRNA的选择性剪接,mRNA,Pre-mRNA,同种异型mRNA,初始转录本含有所有选择性加工途径所需要的分子信号。一种细胞偏好何种选择性加工途径取决于加工因子RNA结合蛋白的特异性。,负调节：抑制蛋白质可以通过与原
44、始转录本的结合来防止剪接复合体切除内含子序列。,选择性剪接可以被正负调节分子调节：,正调节：而不能正常剪接的剪接复合体可以在活化蛋白的帮助下发挥剪接功能。,三、RNA编辑可以改变RNA分子信息的内涵,某些mRNAs在翻译前被编辑(editing)。,结果：转录后编辑过程插入了4个U残基，从而改变了转录本的翻译读码框。,机制：尚不清楚。研究人员已经发现线粒体转录一类特殊的RNA分子，其3端有一段 poly(U),其5端序列与mRNAs被编辑的区域互补，被称为引导RNA（guide RNA）。引导RNA可能作为编辑过程的模板，并将其3端的U转移给被编辑的mRNAs。,四、mRNA稳定性的改变也可调
45、控基因表达,意义：降解途径保证mRNA不在细胞中累积并避免合成过多的蛋白质。,不同真核基因的mRNA的降解速率大不相同。,暂时需要的基因产物：半衰期可能仅为几分钟、甚至几秒钟。,经常需要的基因产物：其mRNA 可在多代细胞中稳定存在。,真核细胞mRNA降解有两种途径，是由每种mRNA分子的序列所决定。,poly(A)的逐渐短缩：最常见的途径,mRNA分子一旦进入细胞浆中，核酸外切酶会使poly(A)末端逐步短缩，当剩下约30个A时，5端发生脱帽，mRNA分子被迅速降解。,一些mRNA分子的3UTR的特殊序列有助于特殊蛋白质的结合，增加或降低poly(A)短缩的速度。,可将poly(A)直接从m
46、RNA分子上切除。这种切除也有赖于mRNA分子的3UTR特殊序列可以被内切酶识别。,另一个途径始于特殊内切酶的作用,转铁蛋白受体(transferrin receptor,TfR)mRNA分子 3UTR柄环（stem-loop）结构铁反应元件(iron-response element，IRE)。,例如：,IRE-BP对转铁蛋白受体mRNA稳定性的调节,小结：,转录体系：模板（DNA）、原料（4种NTP）、RNA聚合酶、其它转录因子不对称转录：基因DNA双链中只有其中之一作为模板（模板链）模板链：参与转录，指导生成RNA的单链编码链：与模板链互补，与新生成的RNA仅有T与U的区别,小结：,RN
47、A聚合酶（RNA-pol）：识别起始部位、解链、聚合、识别终止部位原核生物的RNA聚合酶：核心酶：2 亚基真核生物的RNA聚合酶：I45S rRNA（18S rRNA,5.8S rRNA,28S rRNA）IIhn RNA（mRNA前体）III各种小RNA（snRNA，tRNA）,全酶,小结(原核生物转录过程的)：,起始：因子负责辨认转录起始位点启动子：RNA聚合酶识别、结合、起始转录的DNA序列（如，TATA box）延长：核心酶核心酶（2）终止：依赖因子非依赖因子终止子：DNA序列上回文结构,小结（真核生物转录过程）,转录的起始顺式作用元件(cis-acting element):TATA box 反式作用因子(trans-acting factors)：如TF IID转录起始前复合物（PIC）拼版理论转录的延伸过程与原核生物类似，但没有转录与翻译同步的现象核小体的移位和解聚现象转录的终止：转录终止的修饰点,名词解释,不对称转录 编码链 外显子 操纵子 启动子 断裂基因Rho因子核酶,问答题,复制与转录过程的异同点试述DNA聚合酶和RNA聚合酶的区别原核生物转录起始复合物的组成试述非依赖 Rho终止转录的方式。简述真核生物 mRNA转录后加工修饰。,
