關于轉錄與基因表達調控中心法則（centraldogma)轉錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過程。

轉錄RNADNA

反轉錄第2頁,共90頁，2024年2月25日，星期天復制和轉錄的相同點:1.都是酶促的核苷酸聚合過程;2.都以DNA為模板;3.都需要依賴DNA的聚合酶;4.聚合過程中都是核苷酸之間形成磷酸二酯鍵;5.都是從5,到3,方向延伸聚核苷酸鏈;6.都遵循堿基配對原則第3頁,共90頁，2024年2月25日，星期天復制和轉錄的區別A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復制）產物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP模板鏈轉錄（不對稱轉錄）兩股鏈均復制模板轉錄復制A-U，T-A，G-CA-T，G-CmRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復制）RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶NTPdNTP

原料模板鏈轉錄（不對稱轉錄）兩股鏈均復制引物需要不需要第4頁,共90頁，2024年2月25日，星期天轉錄Transcription第一節第5頁,共90頁，2024年2月25日，星期天參與轉錄的物質原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質因子第6頁,共90頁，2024年2月25日，星期天一、轉錄模板DNA分子上轉錄出RNA的區段，稱為結構基因(structuralgene)。

不對稱轉錄:DNA雙鏈中僅一股鏈可作為模板而轉錄，另一條鏈不轉錄；模板鏈并非永遠在同一單鏈上。第7頁,共90頁，2024年2月25日，星期天5

3

3

5

模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結構基因轉錄方向轉錄方向第8頁,共90頁，2024年2月25日，星期天DNA雙鏈中按堿基配對規律能指引轉錄生成RNA的一股單鏈，稱為模板鏈(templatestrand)，也稱作有意義鏈（負鏈）。相對的另一股單鏈是編碼鏈(codingstrand)，也稱為反義鏈（正鏈）。第9頁,共90頁，2024年2月25日，星期天5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質轉錄翻譯第10頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、RNA聚合酶這是一種不同于引物酶的依賴DNA的RNA聚合酶（DDRP）。（一）原核生物的RNA聚合酶結合核苷酸底物催化磷酸二酯鍵生成第11頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共90頁，2024年2月25日，星期天核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

第13頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）真核生物的RNA聚合酶種類ⅠⅡⅢ對鵝膏蕈堿的反應45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受極敏感中度敏感轉錄產物部位核仁核質核質第14頁,共90頁，2024年2月25日，星期天轉錄過程TheProcessofTranscription第15頁,共90頁，2024年2月25日，星期天一、原核生物的轉錄過程（一）轉錄起始（二）轉錄延長（三）轉錄終止第16頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）轉錄起始轉錄起始需解決兩個問題：RNA聚合酶必須準確地結合在轉錄模板的起始區域。DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉錄的模板。第17頁,共90頁，2024年2月25日，星期天位于基因上游，與RNA聚合酶識別、結合并起始轉錄有關的一些DNA調控序列被稱為啟動子（promoter）。啟動子序列通常由一些帶共性的保守序列構成。第18頁,共90頁，2024年2月25日，星期天RNA聚合酶保護法目錄第19頁,共90頁，2024年2月25日，星期天開始轉錄(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區1-30-5010-10-40-205

3

3

5

原核生物啟動子的保守序列TTGACAAACTGT-35區RNA-pol辨認位點(recognitionsite)5

5

RNA聚合酶結合區結構基因3

3

第20頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共90頁，2024年2月25日，星期天被RNA聚合酶辨認的區段就是位于轉錄起始點-35區的TTGACA序列。RNA聚合酶與該區結合后，即滑動至-10區的TATAAT序列（Pribnow盒），并啟動轉錄。第22頁,共90頁，2024年2月25日，星期天GpN結構基因RNApol識別結合生成起始復合物轉錄延長轉錄終止轉錄空泡也稱轉錄復合物，是RNA聚合酶的核心酶，DNA模板和轉錄產物RNA結合在一起的復合物。啟動子終止區pppGpppG第23頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）轉錄延長1.

亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構，與模板結合松弛，沿著DNA模板迅速前移；

2.在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。50bp/s第24頁,共90頁，2024年2月25日，星期天目錄第25頁,共90頁，2024年2月25日，星期天5

3

DNA原核生物轉錄過程中的羽毛狀現象核糖體RNARNA聚合酶第26頁,共90頁，2024年2月25日，星期天1.依賴Rho(ρ)因子的轉錄終止2.非依賴Rho因子的轉錄終止（三）轉錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，轉錄產物RNA鏈從轉錄復合物上脫落下來。分類（一）原核生物的轉錄終止ρ因子(Pr)1.識別結合富含C的RNA鏈功能:2.ATPase活性3.解螺旋酶(helicase)活性第27頁,共90頁，2024年2月25日，星期天ρ因子+ATP5′3′Polymerase富含C25/501.依賴Rho因子的轉錄終止第28頁,共90頁，2024年2月25日，星期天RNApol5′3′RNApol失活ρ因子解螺旋酶活性使DNA/RNA雜化雙鏈拆離，利于產物從轉錄復合物種釋放。第29頁,共90頁，2024年2月25日，星期天RNA轉錄后，形成特殊的結構，以終止轉錄。2.不依賴ρ因子的轉錄終止特點：1.RNA單鏈內部接近終止區域有富含G-C配對區，形成穩定的二級結構。2.在發夾結構的下游有polyU結構。莖環（stemloop）或發夾（hairpin）結構第30頁,共90頁，2024年2月25日，星期天UUGCAGCCUGAGAAAUCAGGCUGAUGG…5’3’…5’3’自發形成發夾結構第31頁,共90頁，2024年2月25日，星期天UUUU………..5’3’1.莖環結構改變RNApol的結構，使其失活2.莖環結構的形成使轉錄復合物趨于解體，polyU加速這一過程。第32頁,共90頁，2024年2月25日，星期天莖環結構使轉錄終止的機理：莖環(stem-loop)/發夾的形成使RNA聚合酶變構，轉錄停頓；當ＲＮＡ分子形成的局部雙鏈時,DNA分子自然也要回復雙鏈,這就使本來就不穩定的雜化雙鏈變的更不穩定,最終使轉錄復合物趨于解離，RNA產物釋放。5′pppG53

35RNA-pol第33頁,共90頁，2024年2月25日，星期天四.原核細胞的轉錄后加工1.mRNA：很少進行加工和修飾2.rRNA:1)剪切：特定的RNA酶催化，將初級產物剪成16S，23S和5S三個片段2)修飾：最常見的是2’羥基甲基化3.tRNA：①由核酸內切酶在tRNA兩端切斷②由核酸外切酶從3’端逐個切去附加順序,進行修飾③在3’端加上CCA-OH結構④核苷酸的修飾和異構化第34頁,共90頁，2024年2月25日，星期天五、真核生物的轉錄后修飾Post-transcriptionalModification第35頁,共90頁，2024年2月25日，星期天幾種主要的修飾方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修飾(modification)4.

添加(addition)第36頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

大多數真核mRNA的5′末端有一個特殊的結構--帽子結構：7-甲基鳥苷三磷酸（m7GpppN）。它是在轉錄產物的5′末端加上了一個甲基化的鳥苷酸形成的。一、真核生物mRNA的轉錄后加工（一）首、尾的修飾5

端形成帽子結構(m7GpppGp—)第37頁,共90頁，2024年2月25日，星期天5’－5’相對連接，又稱面對面核苷酸結構(Confrontednucleotidestructure)帽子帽子結構(7-甲基鳥嘌呤三磷酸鳥苷)第38頁,共90頁，2024年2月25日，星期天5pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥苷酸轉移酶5

m7GpppGp…甲基轉移酶SAM帽子結構的生成5ppGp…磷酸酶Pi第39頁,共90頁，2024年2月25日，星期天帽子結構功能:1.能促進核蛋白體與mRNA的結合,加速翻譯起始速度,2.還可以增強mRNA的穩定性第40頁,共90頁，2024年2月25日，星期天長度：100－200個AMP。

PolyA的長短與維持mRNA作為翻譯模板的活性，以及mRNA本身穩定性的因素有關。3

端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)第41頁,共90頁，2024年2月25日，星期天1.對大多數基因進行研究,發現都沒有相應的3’端多聚T序列,說明polyA的出現并不依賴于模板;2.加入polyA前,先要由核酸外切酶切除3’端一些過剩的核苷酸,然后再加入polyA

3.在hnRNA上也發現polyA

，推測這一過程也在核內完成，并且先于mRNA的剪接第42頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）mRNA的剪接1.

hnRNA

和snRNA核內的初級mRNA稱為雜化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核內的蛋白質小分子核糖核蛋白體（拼接體,snRNP）snRNA第44頁,共90頁，2024年2月25日，星期天真核生物結構基因，由若干個編碼區和非編碼區互相間隔開但又連續鑲嵌而成，去除非編碼區再連接后，可翻譯出由連續氨基酸組成的完整蛋白質，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitegene)CABD編碼區A、B、C、D非編碼區第45頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.外顯子(exon)和內含子(intron)外顯子在斷裂基因及其初級轉錄產物上出現，并表達為成熟RNA的核酸序列。內含子隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。第46頁,共90頁，2024年2月25日，星期天雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉錄、轉錄后修飾目錄第47頁,共90頁，2024年2月25日，星期天雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA目錄第48頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3.

內含子的分類根據基因的類型和剪接的方式，通常把內含子分為4類I：主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也發現于線粒體、葉綠體，轉錄產物是mRNA；III：是常見的形成套索結構后剪接，大多數mRNA基因有此類內含子；IV：是tRNA基因及其初級轉錄產物中的內含子，剪接過程需酶及ATP。第49頁,共90頁，2024年2月25日，星期天4.mRNA的剪接——除去hnRNA中的內含子，將外顯子連接。snRNP與hnRNA結合成為并接體①目錄第50頁,共90頁，2024年2月25日，星期天②③UACUACA-AGUGU4U5U6E1E2U1U2UACUACA-AGUGU6E1E2U1、U4、U5第51頁,共90頁，2024年2月25日，星期天?RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經過轉錄后加工，是可有多用途分化的，因此也稱為分化加工5.mRNA的編輯(mRNAediting)人類apoB基因mRNA（14500個核苷酸）肝臟apoB100（分子量為500000）腸道細胞apoB48（分子量為240000）mRNA編輯(C-U)第52頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、tRNA的轉錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA目錄第53頁,共90頁，2024年2月25日，星期天RNAaseP、內切酶目錄第54頁,共90頁，2024年2月25日，星期天tRNA核苷酸轉移酶、連接酶ATPADP目錄第55頁,共90頁，2024年2月25日，星期天堿基修飾（2）還原反應如：UDHU

（3）核苷內的轉位反應如：Uψ（4）脫氨反應如：A

I

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）目錄第56頁,共90頁，2024年2月25日，星期天三、rRNA的轉錄后加工轉錄45S-rRNA剪接18S-rRNA5.8S和28S-rRNArDNA內含子內含子28S5.8S18S第57頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第二節、基因表達調控

－－－轉錄水平調節一.基因表達的概念1.基因：負載遺傳信息的DNA片段2.基因組：來自一個遺傳體系的一整套遺傳信息，原核生物-單個環狀染色體，真核生物-染色體所包含的全部DNA3.基因表達：基因轉錄與翻譯的過程。第58頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二.基因表達的特異性1.時間的特異性（階段特異性）2.空間的特異性（細胞或組織特異性）三.基因表達的生物學意義1.適應環境，維持生長和增殖2.維持個體發育與分化第59頁,共90頁，2024年2月25日，星期天基因表達的多級調控基因激活轉錄后加工mRNA降解蛋白質降解等蛋白質翻譯翻譯后加工修飾轉錄起始第60頁,共90頁，2024年2月25日，星期天操縱子（operon）：原核基因組中，由幾個功能相關的結構基因及調節基因區組成一個基因表達的協同單位。1961年，Jacob和J.Monod提出。誘導操縱子：乳糖操縱子阻遏操縱子：色氨酸操縱子第61頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

蛋白質因子——操縱子(operon)

機制特異DNA序列編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調節序列(promoter)(operator)第62頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、乳糖操縱子調節機制（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結構

調控區CAP結合位點啟動序列操縱序列

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉移酶ZYAOPDNAI第63頁,共90頁，2024年2月25日，星期天mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOP沒有乳糖存在時（二）阻遏蛋白的負性調節阻遏基因pol第64頁,共90頁，2024年2月25日，星期天mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第65頁,共90頁，2024年2月25日，星期天++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時（三）CAP的正性調節ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第66頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（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。（弱啟動子））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)。

第67頁,共90頁，2024年2月25日，星期天mRNA無乳糖時有乳糖時

無葡萄糖cAMP濃度高

有葡萄糖cAMP濃度低RNA-polOOOO第68頁,共90頁，2024年2月25日，星期天TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調節區結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶?三、轉錄終止的調節（一）色氨酸操縱子結構色氨酸操縱子

A

BC

D

EL第69頁,共90頁，2024年2月25日，星期天UUUU……UUUU……調節區結構基因trpROP前導序列衰減子區域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區:

包含序列1形成發夾結構能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……第70頁,共90頁，2024年2月25日，星期天UUUU……34UUUU3’34核糖體前導肽前導mRNA1.當色氨酸濃度高時轉錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結構就是終止子可使轉錄前導DNAUUUU3’RNA聚合酶終止第71頁,共90頁，2024年2月25日，星期天UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽前導mRNA15’trp密碼子

結構基因前導DNARNA聚合酶2.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關結構基因被轉錄序列3、4不能形成衰減子結構第72頁,共90頁，2024年2月25日，星期天真核生物1)順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達活性的DNA序列BADNA編碼序列轉錄起始點不同真核生物的順式作用元件中也會發現一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。

第73頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）順式作用元件1.啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制