第5章-转录-143页PPT精选文档

1第五章转录、转录后加工DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制2•基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，其生物学功能是以蛋白质的形式表达出来的。DNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成RNA，翻译生成蛋白质的过程来控制生命现象。3•基因表达包括转录（transcription）和翻译（translation）两个阶段。•转录是指拷贝出一条与DNA链序列完全相同（除了T→U之外）的RNA单链的过程，是基因表达的核心步骤。•翻译是指以新生的mRNA为模板，把核苷酸三联遗传密码子翻译成氨基酸序列、合成多肽链的过程，是基因表达的最终目的。4•DNA分子中的核苷酸排列顺序不但决定了胞内所有RNA及蛋白质的基本结构，还通过蛋白质（酶）的功能间接控制了细胞内全部有效成份的生产、运转和功能发挥。5•DNA和RNA虽然很相似，只有T或U及核糖的第二位碳原子上有所不同，但它们的生物学活性却很不同。RNA主要以单链形式存在于生物体内，其高级结构很复杂，它们既担负着贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为核酶直接在细胞内发挥代谢功能。6生物体内主要拥有三类RNA，即：•编码特定蛋白质序列的mRNA；•能特异性解读mRNA中的遗传信息并将其转化成相应氨基酸后加入多肽链中的tRNA；•直接参与核糖体中蛋白质合成的rRNA。7一、基本概念生物体以DNA为模板，按照碱基互补配对的原则合成RNA（mRNA、rRNA、tRNA、snRNA）的过程。转录RNADNA转录(transcription)：8参与转录的物质原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶其他蛋白质因子RNA合成方向：5'3'9转录的不对称性：在RNA的合成中，DNA的二条链中仅有一条链可作为转录的模板，同时模板链并非永远在一条单链上，称为转录的不对称性。转录方向5335模板链编码链编码链模板链转录方向10GCAGTACATGTC…………5533′′′′DNACGTCATGTACAG编码链模板链GCAGUACAUGUCmRNA转录编码链与模板链与RNA序列相同的那条DNA链称为编码链；将另一条根据碱基互补原则指导RNA合成的DNA链称为模板链。11DNA模板与mRNA分子及多肽链之间存在共线性关系。12二、参与转录的关键酶与元件（一）RNA聚合酶RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶，主要以单链DNA为模板，以4种核苷三磷酸作为活性前体，并以Mg2+/Mn2+为辅助因子，催化RNA链的起始、延伸和终止，它不需要任何引物，催化生成的产物是与DNA模板链相互补的RNA。13•RNA或RNA-DNA双链杂合体不能作为模板。•原核和真核生物的RNA聚合酶虽然都能催化RNA的合成，但在其分子组成、种类和生化特性上各有特色。14●原核生物RNA聚合酶（大肠杆菌为例）全酶=核心酶+σ因子核心酶只能使已开始合成的RNA链延长，但不具有起始合成RNA的能力，必须加入σ因子才表现出全部聚合酶的活性。因此又称σ因子为起始因子。核心酶由2个α亚基、一个β亚基、一个β’亚基和一个ω亚基组成。15βασωαβ’图12-5E.coliRNA聚合酶的亚基组成16大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析亚基基因相对分子量亚基数组分功能αrpoA365002核心酶核心酶组装，启动子识别βrpoB1510001核心酶β和β'共同形成RNA合成的活性中心β'rpoC1550001核心酶ω？110001核心酶？σrpoD700001σ因子存在多种σ因子，用于识别不同的启动子17•α亚基可能与核心酶的组装及启动子识别有关，并参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用。•由β和β’亚基组成了聚合酶的催化中心。β亚基能与模板DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合。18•σ因子的作用是负责模板链的选择和转录的起始，它是酶的别构效应物，使酶专一性识别模板上的启动子。•σ因子可以极大地提高RNA聚合酶对启动子区DNA序列的亲和力，酶底物结合常数提高103倍，酶底物复合物的半衰期可达数小时甚至数十小时。•σ因子还能使RNA聚合酶与模板DNA上非特异性位点的结合常数降低104倍，使酶底物复合物的半衰期小于1秒。19•真核生物中有3类RNA聚合酶，其结构比大肠杆菌RNA聚合酶复杂，它们在细胞核中的位置不同，负责转录的基因不同，对α-鹅膏覃碱(真核生物RNA聚合酶抑制剂)的敏感性也不同。•真核生物RNA聚合酶一般有8-14个亚基所组成,其中有两个相对分子质量超过1×105的大亚基；同种生物3类聚合酶有“共享”小亚基的倾向，即有几个小亚基是其中3类或2类聚合酶所共有的。真核生物RNA聚合酶20酶位置转录产物对α-鹅膏蕈碱的敏感性RNA聚合酶Ⅰ核仁45S-rRNA不敏感RNA聚合酶Ⅱ核质hnRNA敏感RNA聚合酶Ⅲ核质5S-rRNAtRNAsnRNA存在物种特异性真核细胞的三种RNA聚合酶特征比较21常用的RNA聚合酶抑制剂抑制剂靶酶抑制作用利福霉素细菌的全酶与β亚基结合，阻止起始链霉溶菌素细菌的核心酶与β亚基结合，阻止延长放线菌素D真核RNA聚合酶Ⅰ与DNA结合，并阻止延长α-鹅膏蕈碱真核RNA聚合酶Ⅱ与RNA聚合酶Ⅱ结合22RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大，4.8×105dol小，1.09×105dol引物无有产物较短，游离较长，与模板以氢键相连作用方式一条链的某一段两条链同时进行外切酶活性无5’3’，3’5’校对合成能力无有修复能力无有23（二）启动子(promoter)启动子定义：是一段位于结构基因5’端上游区的DNA序列，能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段具有高度保守性的DNA序列。大肠杆菌RNA聚合酶与启动子的相互作用主要包括启动子区的识别、酶与启动子的结合及σ因子的结合与解离。24•转录的起始是基因表达的关键阶段，而这一阶段的重要问题是RNA聚合酶与启动子的相互作用。启动子的结构影响了它与RNA聚合酶的亲和力，从而影响了基因表达的水平。25●原核生物启动子结构20-200bp26编码链AACTGTATATTA模板链TTGACATATAAT3’5’DNA转录起始点Pribnow框启动子3510+1转录区5’3’RNASextama框转录起始点的核酸为+1，转录起始点的左侧为上游，用负的数码表示；起点后为下游，也就是转录区。27转录起始点：转录开始的位置。与新生RNA链第一个核甘酸相对应DNA链上的碱基。保守区域：MCATMM，M为嘧啶碱(C或T)，A是转录起点。28启动子区有什么结构特点呢？TATAAT：-10序列，酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开），又称Pribnow框。不同启动子出现位置略有不同，一般在-4到-13范围内。每个碱基出现频率不同：T80A95T45A60A50T96启动子突变：上升突变，下降突变。增加或降低-10序列的同源性，从而增加或降低转录水平。29TTGACA：-35序列，提供了RNA聚合酶全酶识别的信号，RNA聚合酶依靠σ因子识别该位点，又称Sextama框。碱基出现的频率：T82T84G78A65C54A4530•RNA聚合酶先结合于-35序列，再结合于-10序列。•-10序列和-35序列是决定启动子强度的重要因素。-35序列决定RNA聚合酶与启动子结合的速度；-10序列决定转录起始点附近DNA双链的解链速度。31•-35序列和-10序列之间的间隔区序列长度对转录效率十分重要，17bp时转录效率最高。-35序列与-10序列间碱基数目的改变，会使它们产生的超螺旋关系发生改变（增减一个bp会使两者之间的夹角发生36°的变化），影响聚合酶与DNA的空间关系。适宜的距离可以为RNA聚合酶提供合适的空间结构，便于转录的起始。32典型启动子的结构-35-10转录起点TTGACA16-18bpTATAAT4-13bp33●真核生物启动子真核有三种不同的启动子和有关的元件，跟RNA聚合酶相对应聚合酶Ⅰ→转录rRNA聚合酶Ⅱ→转录hnRNA聚合酶Ⅲ→转录tRNA和5SrRNA启动子Ⅱ最为复杂，它和原核的启动子有很多不同34真核生物RNA聚合酶Ⅰ识别的启动子结构RNA聚合酶Ⅰ只转录rRNA一种基因，包括5.8S、18S和28SrRNA。所有真核生物rRNA基因均为多拷贝，彼此首尾串联，簇集在染色体的特定区域，共同被转录在一个转录产物上，然后经加工成为3种rRNA。35人类细胞的RNAPolⅠ识别的启动子由两个分开的启动子成分构成，一是位于起始位点周围-45至+20区域内的核心启动子（corepromoter），二是在起始位点5′上游从-180至-107区域的上游控制元件（upstreamcontrolelement，UCE）。核心启动子本身就足以起始转录，而UCE的存在可以大大提高核心启动子的转录起始效率。36真核生物RNA聚合酶Ⅲ识别的启动子结构RNAPolⅢ基因的产物为一些相对分子质量较小的细胞质RNA（cytoplasmicRNA，scRNA）、tRNA、5SrRNA、7SLRNA（参与细胞内蛋白质转移）等。RNAPolⅢ基因的启动子很特殊，既有上游启动子也有下游启动子。下游启动子位于它们转录的基因编码序列内（内部启动子），通常核心启动子在+50bp至+100bp之间。37真核生物RNA聚合酶Ⅱ识别的启动子结构核心启动子（corepromoter）上游启动子元件（upstreampromoterelement，UPE）RNAPolⅡ主要负责蛋白质基因和部分核内小RNA（smallnuclearRNA，snRNA）的转录，其识别的启动子位于转录起始位点的上游，结构最为复杂。381、核心启动子●定义：指保证RNA聚合酶Ⅱ转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，通常包括转录起始位点及转录起始位点上游TATA区起始子：转录起始的第一个碱基大多为A，通用序列特征：MMCAMMMM(M为嘧啶碱)39●作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始。聚合酶Ⅱ与TATA框牢固结合后才能开始转录。TATA框：常在-30到-25bp左右，相当于原核生物的-10序列T82A97T93A85(A63/T37)A83(A60/T37)40•当启动子缺少TATA框时，核心启动子就由下游启动子元件(AGAC)和起始子组成。•核心启动子的起始转录功能是极其低效的，需要其他激活转录上调的顺式作用元件和反式作用转录因子的参与。41•顺式作用元件（cis-actingelement）——同一DNA分子当中，具有转录调节功能的特异DNA序列e.g.启动子，增强子，沉默子•反式作用因子（trans-actingfactor）——能对不在一条DNA链上的结构基因起作用的调控基因所编码产生的调控蛋白。*反式作用因子的结构中通常含有一个DNA结合结构域，能与特定的DNA序列结合。可激活或阻遏基因的表达e.g.锌指结构域，亮氨酸拉链结构域422、上游启动子元件●包括CAAT框（CCAAT）和GC框（GGGCGG）等●作用：控制转录起始频率。CAAT：-70--80bp,存在较为普遍GGGCGG：-80--110bp，在启动子中多以多拷贝形式存在43443、增强子（enhancer）●远上游序列，-100bp以上，指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。●特点：1.增强效应十分明显，可使转录频率增加；2.增强效应与其位置和取向无关；3.大多为重复序列，内部常有一个核心序列，与特定蛋白质因子结合才能发挥增强转录作用；4.增强效应有严密的组织性和细胞特异性，但没有基因专一性；5.受外部信号调控，如环境中的金属离子浓度。45原核生物和真核生物启动子比较461.原核生物启动子类型少，而真核生物的多；2.原核生物启动子结构与真核生物启动子Ⅱ接近，基本功能区由起始子和TATA保守区组成；3.转录起始位点第一个碱基均为嘌呤碱；4.原核生物启动区范围较小，真核生物启动子Ⅱ的调控区较大；5.原核生物只有pribnow框和Sextama框，真核生物启动子Ⅱ除了T