第十五章轉錄與基因表達調控生命科學技術學院謝云飛E-mail:教學內容轉錄轉錄的調節反轉錄教學目標掌握：RNA聚合酶的組成、結構；原核生物轉錄終止的特點；真核生物mRNA的轉錄后加工；順式作用元件類型、功能；乳糖操縱子模型。熟悉：啟動子結構；轉錄的基本過程；復制與轉錄的區別與聯系；反轉錄的過程；幾類重要的反式作用因子。了解：真核生物翻譯起始的特點；癌基因與腫瘤的關系。第一節轉錄一、基本概念1、轉錄（transcription）:以DNA為模板，按照堿基配對的原則，在RNA聚合酶（RNApolymerase）的作用下合成mRNA，將遺傳信息從DNA分子上轉移到mRNA分子。5'…GCAGTACATGTC…3'3'…cgtcatgtacag…5'DNA5'…GCAGUACAUGUC…3'mRNAN…AlaValHisVal…C多肽鏈轉錄翻譯編碼鏈模板鏈轉錄單位(transcript)：RNA的轉錄從DNA模板的特定位點開始，并在一定的位點終止。此轉錄區域為一個轉錄單位。二、轉錄的特點1.轉錄是以DNA為模板合成RNA,并且只是以單股DNA為模板，因此具有不對稱性。

2.與復制不同，轉錄是局部的,從啟動子開始到終止子結束,為一個轉錄單位。3.轉錄不需要引物。4.轉錄的忠實性相對弱（錯配率高達10-5-10-4）。5.真核基因轉錄首先得到RNA前體，然后再進行加工轉變為成熟的RNA。三、DNA復制與轉錄的比較1.相同點以DNA為模板遵循堿基配對原則都需依賴DNA的聚合酶聚合過程都是生成磷酸二酯鍵新鏈合成方向為5'→3'2.不同點

復制轉錄模板

兩股鏈均復制模板鏈轉錄合成方式

半保留復制不對稱轉錄原料

dNTPNTP聚合酶

DNA聚合酶RNA聚合酶引物需要不需要堿基配對

A-T，G-CA-U，T-A，G-C產物

雙鏈DNA單鏈RNA四、RNA聚合酶1.原核RNA聚合酶由5個亞基構成，2'為全酶，2'為核心酶核心酶：能與DNA鏈結合并啟動轉錄，但沒有特異性，轉錄出來的可能不是一個完整的基因序列原核RNA聚合酶各個亞基的作用亞基分子量亞基數功能α365122決定哪些基因被轉錄β1506181與轉錄全過程有關(催化)β′1556131結合DNA模板(解鏈)σ702631辨認起始位點種類ⅠⅡⅢ細胞定位核仁核質核質轉錄產物45SrRNAhnRNA,pri-miRNA5SrRNA，tRNA亞基數目131014對鵝膏蕈堿的反應耐受極敏感中度敏感2.真核RNA聚合酶

定義：DNA分子上能與RNA多聚酶相結合而使基因轉錄開始的區段

，有序列保守性，不僅是轉錄起始的位置，而且影響轉錄的活性。

1.原核生物啟動子約55bp，分為起始點（startsite）、結合位點(Pribnow框)、識別位點(Sextama框)。五、啟動子（promoter）原核RNA聚合酶結合在啟動子上上游下游共有序列TTGACATATAATPribnowboxTTGACA盒子TATA盒子啟動子區結構基因-10bp+1轉錄初級轉錄物RNA-35bp2.真核生物啟動子

（1）DNA序列在轉錄起始點的5'端區(上游區)

（2）-25bp：TATA盒（hognessbox）

（3）-40bp：GC盒

（4）-110bp：CAAT盒

并非所有的真核基因都有典型的TATAbox，不同生物的基因有不同的上游DNA序列

六、原核生物轉錄過程（一）轉錄起始1.RNA聚合酶與啟動子的結合（σ亞基辨認-35區）2.DNA雙鏈的打開（全酶移向-10區）3.RNA鏈上合成第一個磷酸二酯鍵(5'-pppGpN-OH-3')，σ亞基脫落(二）延長

轉錄泡(transcriptionbubble)：是由DNA雙鏈、RNA聚合酶與新合成的轉錄本RNA局部形成的結構,它貫穿于延長過程的始終。

過程：第一個磷酸二酯鍵形成后，RNA聚合酶核心酶沿模板向下游移動，一邊解開螺旋，一邊合成新的RNA鏈，RNA與DNA形成雜交分子,約12bp，因結合不緊很易脫離。后面已經轉錄的區域中分開的DNA鏈又重新形成雙螺旋。“轉錄泡（transcriptionbubble）”轉錄過程中的模板識別、起始和延伸

（三）終止1.原核生物的轉錄終止(1)依賴ρ因子的轉錄終止(2)不依賴ρ因子的轉錄終止ρ因子1.識別結合富含C的RNA鏈ρ因子功能2.ATPase活性3.解螺旋酶活性新生RNA(1)依賴ρ因子的轉錄終止新生RNA上有ρ因子的識別位點TOHAAAUUUOHUUUOH(2)不依賴ρ因子的轉錄終止終止子定義：DNA分子上基因轉錄終止之前有一段回文序列結構，提供終止信號而使轉錄終止。特點：終止部位含GC富集區與AT富集區,它們分別形成發卡結構和連續的U區，以終止轉錄蛋白ρ因子輔助識別終止信號，參與終止。

說明在同一DNA模板上，有多個轉錄同時在進行。在RNA鏈上觀察到的小黑點是多聚核糖體，即一條mRNA鏈連上多個核糖體，可見轉錄尚未完成，翻譯已在進行。

在電子顯微鏡下觀察原核生物的轉錄現象DNA雙鏈正在生長的RNA鏈

順式作用元件:真核生物轉錄起始中起轉錄調控作用的DNA序列(啟動子，增強子)。

增強子（enhancer）：增強真核生物啟動子活性的DNA順序；可位于基因的上游或下游；距離啟動子可遠可近；有組織特異性。

七、真核生物轉錄過程反式作用因子

識別并作用于的順式作用元件的蛋白質因子,又稱轉錄因子，如熱休克蛋白（Hsp）家族、NF-κB、Jak-STAT成員等。調節（正向或反向）基因表達。

真核mRNA轉錄終止轉錄單位的3'端有共同序列AATAAA（加尾信號）及多個GT序列，其下游是一個反向重復順序，轉錄后可形成一個發卡結構，阻礙RNA聚合酶的移動。發卡結構末尾的一串U與轉錄模板DNA中的一串A之間，因形成的氫鍵結合力較弱，mRNA就會從模板上脫落下來，同時，RNA聚合酶也從DNA上解離下來，轉錄終止。mRNA在AAUAAA3'被切斷,并被加上polyA的尾巴。AATAAAGTGTAAUAAAGUGUAAUAAA加尾信號GT豐富序列AAUAAAGUGU酶切八、轉錄后加工意義：轉錄生成的前體RNA,無生物學活性,需加工變為成熟、有活性的RNA。加工種類：剪切與剪接、末端添加核苷酸、修飾、RNA編輯原核mRNA不需加工，tRNA和rRNA加工較簡單真核RNArRNAtRNAmRNA5'加帽3'加尾剪接

轉錄后進行轉錄中進行miRNA（一）原核生物RNA轉錄后的加工

原核生物的mRNA不需加工，邊轉錄邊翻譯原核細胞的rRNA經歷剪切和修飾：剪切成16SRNA、23SRNA、5SRNA三個片段；修飾主要是羥基的甲基化；原核tRNA加工主要是RNA酶P切除多余的核苷酸序列，并有堿基修飾。1.mRNA前體加工過程（1）5'加帽（m7GpppG)帽子結構的功能真核生物mRNA5'端帽子結構是翻譯起始的必要結構，利于核糖體小亞基對mRNA的識別。增加mRNA的穩定性，保護mRNA免遭5'外切核酸酶的攻擊。利于成熟轉錄產物從核內運至核質。（二）真核生物RNA轉錄后的加工pi5'pppG…磷酸酶pi5'ppG…pppG5'GpppG…甲基化酶＋CH3mGpppG…OHOH帽1帽0帽2NNNNOH2NCH3+OHHCH2HOPOPOPOPPPN1N2N3OOHOOHOOHOCH3OCH32'OH79H甲基鳥苷5'，5'-三磷酸真核生物帽子結構示意圖（2）3'修飾（加polyA尾)受polyA聚合酶催化尾巴的功能1、polyA可能與mRNA從細胞核轉送到細胞質有關（沒有polyA尾巴的組蛋白mRNA，也照樣通過核膜進入細胞質）。2、對真核mRNA的翻譯效率具有一定作用，并能穩定mRNA結構。AAUAAAAAAAAAAAA……….加尾AATAAAGTGTGTG-----AAUAAAGUGUGUGAAUAAAGUGUGUG酶切加尾信號GT豐富序列polyA尾（約20～200個A）AAAAAA斷裂基因：真核生物的基因由若干個編碼區和非編碼區互相隔開但又連續鑲嵌而成。外顯子（exon):

基因中編碼多肽的序列，在mRNA中有對應序列。內含子（intron）：基因中不編碼多肽的序列，不會出現在mRNA序列中。核內不均一RNA（hnRNA）：真核生物中編碼蛋白質基因的初級轉錄本，轉錄物中外顯子與內含子間隔排列，需經剪接加工后生成mRNA經剪接加工成為mRNA。剪接:在細胞核內,hnRNA剪切掉內含子,將多個外顯子連接為成熟mRNA的過程。選擇性剪接:同一轉錄本,在不同的組織,因剪接差異產生各自不同的mRNA。（3）剪接鈣調神經磷酸酶(calcineurin)的選擇性剪接外顯子：14個內含子：13個isoform1

：521aaisoform2：511aa(lackspartofexon13/14）isoform3：469aa（lacksthewholeexon9andpartofexon13/14）isoform4：454aa(lacksthewholeexon2)CN氨基酸序列剪接的本質：磷酸酯鍵的轉移剪接特點：剪接部位的結構為內含子末端的特定序列，分布在內含子的三個部位，5'端剪切點為GU;3'端剪切點為AG；靠近3'端含A序列的分支點外顯子內含子DNAmRNA轉錄形成套索RNA，外顯子靠近剪接體去除套索RNA，外顯子連接成熟mRNAmRNA的剪接GT-AG法則內含子切割位點含有短的保守序列（邊界順序），5'端為GT（供體位點），3'端為AG（受體位點），是為GT-AG法則，又稱Chambon法則。套索結構外顯子外顯子內含子內含子5'端斷開前一個外顯子3'末端攻擊下一個外顯子5'末端前后外顯子相連GUAGGAGAGG

反式剪接：不同基因的外顯子剪切后相互連接形成雜合的mRNA.RNA編輯：某些mRNA的核苷酸序列,在生成轉錄產物后還需插入、刪除或取代一些核苷酸殘基,方能生成具有正確翻譯功能的模板。遺傳信息在mRNA水平上的改變過程，稱為RNA編輯。2.tRNA前體的加工（1）切除多余的核苷酸：RNaseP切除5'端多余的核苷酸；RnaseD切除3'端多余的核苷酸。（2）剪切內含子：核酸內切酶切除內含子,連接酶進行連接。（3）修飾與3'末端加-CCA:修飾包括甲基化,脫氨基,還原反應等，在核苷酸基轉移酶催化下完成3'末端添加CCA。3.rRNA前體的加工（1）特點：rRNA拷貝多,原核5-10個拷貝;真核:果蠅260個拷貝;Hela細胞1100個拷貝。rRNA基因之間以縱向串聯的方式重復排列（2）加工過程剪切作用：需核酸酶參與甲基化修飾：修飾在堿基自我剪接：一種核酶的作用

5S自成體系加工少無修飾和剪接45S加工中含剪切和甲基化修飾，需核酸酶核酶的發現1982年Cech在研究原生動物四膜蟲的26SrRNA的時候，發現它的一個內含子在除去了所有蛋白質后，剪接仍可完成，只需有鳥苷或鳥苷酸（但兩者要有3'-OH），就能自我剪接。具有酶的催化活性的RNA稱為核酶（ribozyme）L19RNA既有核糖核酸酶活性，又有RNA聚合酶活性。

RNA催化作用的發現提示生命的最初形式可能是集遺傳信息載體和催化功能于一身的RNA。一、基因表達（geneexpression）

基因所攜帶的遺傳信息，經過轉錄、翻譯等，產生具有特異生物學功能的蛋白質分子的過程。但對于rRNA、tRNA編碼基因，基因表達僅限于是轉錄成RNA的過程。第二節基因轉錄的調節1.基因表達的特異性時間特異性：某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發生。空間特異性：在個體生長、發育過程中，某種基因在個體不同組織（空間）表達的差異。2.基因表達的方式（1）基本表達 某類基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續表達，通常被稱為管家基因。它們較少受環境因素影響，而且在個體各個生長階段的幾乎所有組織中都持續表達。這類基因表達稱為基本表達或組成性表達。

（2）誘導和阻遏表達 在特定信號刺激下，相應的基因可被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因。 如果基因對環境信號應答是被抑制，這種基因稱為可阻遏基因。可阻遏基因表達產物水平降低的過程稱為阻遏（repression）。3.基因表達的多級調控基因激活轉錄起始轉錄后加工mRNA降解蛋白質翻譯翻譯后加工修飾蛋白質降解等（一）乳糖操縱子(lacoperon)

調控區調節基因啟動序列操縱序列

結構基因二、原核基因轉錄調節IDNAZYAOPmRNA

阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時1.阻遏蛋白的負調控─可誘導調控阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶

可誘導調控的操縱子，其基因表達產物都是利用某種營養物的酶體系（分解代謝）

有營養物：相應基因開放；無營養物：細胞就沒必要產生相應的酶；2.CAP的正性調節CAP：分解物基因激活蛋白CAP+cAMP→復合物→結合在CAP的結合位點上→促進RNApol向前移動→促轉錄-35-10+1+20+28阻遏物結合區RNApol結合區CAP結合位點++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP1）有葡萄糖存在時

cAMP↓→cAMP-CAP復合物↓，不能結合CAP位點上，→正調控作用↓→基因不能表達。2）無葡萄糖存在時cAMP↑→cAMP-CAP復合物↑→正調控作用↑→基因表達。（四）協調調節※當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統不能發揮作用；※如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。mRNA低乳糖時高乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對Lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏（catabolicrepression）。

lac操縱子調節的解釋：若有葡萄糖或葡萄糖／乳糖共同存在時，先利用葡萄糖是最節能。通過降低cAMP濃度，阻礙cAMP與CAP結合而抑制lac操縱子轉錄，使細菌只能利用葡萄糖。lac操縱子強的誘導作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調節區結構基因RNA聚合酶?色氨酸操縱子二、色氨酸操縱子調節機制轉錄衰減催化分支酸轉變為色氨酸的酶三、真核基因轉錄調節(一)順式作用元件可影響自身基因表達活性的DNA序列，包括啟動子、增強子、沉默子等。沉默子：某些基因的負調控元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。結構基因5’5’結構基因3’增強子啟動子增強子啟動子3’

（二）反式作用因子

（轉錄因子）

絕大多數真核轉錄因子可通過與特異的順式作用元件的識別、結合，反式激活另一基因的轉錄，故又稱反式作用因子（trans-actingfactors）。這種作用稱為反式作用。1.轉錄調節因子分類（按功能特性）*基本轉錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定四種RNA(mRNA、tRNA、rRNA和miRNA)轉錄的類別。如TFⅡD *特異轉錄因子為個別基因轉錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。SP1CBF(特異轉錄因子)2.轉錄調節因子結構DNA結合域轉錄激活域TF蛋白質-蛋白質結合域（二聚化結構域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域轉錄調節因子（DNA結合域）結構模式Helix-turn-helix

螺旋-轉角-螺旋最常見DNA結合域之一例：CAP(最早在原核生物中發現）α螺旋識別、進入DNA雙螺旋結構的大溝Zinc-fingers

鋅指最常見DNA結合域之一約有30個