15.轉(zhuǎn)錄與基因表達(dá)調(diào)控

1、十五章 轉(zhuǎn)錄與基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)：遺傳信息DNA通過(guò)RNA傳遞到蛋白質(zhì)的過(guò)程。 轉(zhuǎn)錄transcription：DNA為模板合成RNA 為表達(dá)的第一步，包括： 1. DNA為模板指導(dǎo)RNA合成 2. RNA為模板進(jìn)行DNA復(fù)制 （逆轉(zhuǎn)錄reverse transcription）第一節(jié) 轉(zhuǎn)錄 在DNA指導(dǎo)下由RNApol 催化下進(jìn)行的 ,四種NTP為原料，合成RNA。特征： 不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄一.轉(zhuǎn)錄模板 （補(bǔ)充）結(jié)構(gòu)基因（轉(zhuǎn)錄單位）： DNA中可轉(zhuǎn)錄出RNA的功能片段 轉(zhuǎn)錄不對(duì)稱性： DNA雙鏈中，轉(zhuǎn)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(wú)轉(zhuǎn)錄作用（編碼鏈）； 在一段

2、DNA中存在的多個(gè)轉(zhuǎn)錄單位模板鏈不一定在同一條DNA單鏈上。 轉(zhuǎn)錄單位存在特殊的核苷酸序列（啟動(dòng)基因，啟動(dòng)子）為RNApol識(shí)別結(jié)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(zhuǎn)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(gè)亞基組成 全酶：2 核心酶 因子為起始因子，辨認(rèn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) 核心酶催化RNA鏈延長(zhǎng)（53方向合成）（2）真核生物的RNApol種類 最活躍的酶 對(duì)鵝膏蕈堿 的反應(yīng)45S-rRNA hnRNA 5S-rRNAtRNA、snRNA耐受極敏感中度敏感轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物存在部位核仁核仁外核質(zhì)線粒體中與原核

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

4、長(zhǎng)：核心酶與DNA鏈結(jié)合松弛，有利于酶 沿3 5方向滑動(dòng)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物沿5 3方向延長(zhǎng)。新合成的RNA鏈與DNA形成雜交，但不太牢固，易分開。DNA恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)。（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(zhuǎn)錄后加工 mRNA很少加工rRNA剪切、修飾（RNA酶催化）將初級(jí)產(chǎn)物剪成16S、23S、5S三個(gè)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(zhuǎn)錄后加工 真核生物基因?yàn)閿嗔鸦?，含有?nèi)含子（非編碼區(qū)）和外顯子（編碼區(qū)）。 真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需加工。（1）mRNA生成（ hnRNA加工生成）加帽：開始合成mRNA時(shí)，第一個(gè)核苷酸（G）保留

5、三磷酸。加帽時(shí)去掉一個(gè)磷酸基團(tuán)，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(zhuǎn)錄初產(chǎn)物比成熟mRNA多約20個(gè)核苷酸，經(jīng)特異酶去除，聚合酶作用下，加polyA，長(zhǎng)度為100200A。 加帽，加尾在核內(nèi)進(jìn)行。 剪接splicing： 通過(guò)轉(zhuǎn)酯反應(yīng)過(guò)程完成內(nèi)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(nèi)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(yīng)： U DHU、 核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng) 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(yīng) 如：U DHU （3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng) 如：U （4）脫氨反應(yīng) 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(fù)制 某些生物以RNA攜帶遺傳信息，并能通過(guò)RNA復(fù)制而合成與其自身相同RNA分子 （脊髓灰質(zhì)炎病毒） 侵入宿主后，以病毒RNA為模板，NTP為底物，進(jìn)行病毒RNA復(fù)制（酶為RNA指導(dǎo)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(bǔ)RNA（負(fù)鏈）；又以負(fù)鏈為模板合成 基因組RNA（正鏈） 正鏈RNA作為mRNA指

7、導(dǎo)病毒蛋白質(zhì)合成。 第二節(jié) 基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)補(bǔ)充：基本概念（一）基因gene：負(fù)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(shù)為多肽）的信息單位；結(jié)構(gòu)：DNA編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列和內(nèi)含子組成的DNA區(qū)域(二)基因組（genome）： 來(lái)自一個(gè)生物體的一整套基因原核細(xì)胞(細(xì)菌/噬菌體) 其為單個(gè)環(huán)狀染色體所含全部基因； 真核生物 染色體基因組：一個(gè)生物體染色體所包含的全部DNA(來(lái)自兩個(gè)親本的配體)； 核外遺傳物質(zhì)（線粒DNA）(由一個(gè)親本的胞質(zhì)提供(卵細(xì)胞)。 （三）基因表達(dá) gene expression：1.基因表達(dá)： 基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程，即生

8、成具有生物學(xué)功能產(chǎn)物的過(guò)程 一定的調(diào)控機(jī)制下，大多數(shù)基因經(jīng)歷基因激活、轉(zhuǎn)錄及翻譯，產(chǎn)生具有特定生物學(xué)功能的Pr分子，賦予細(xì)胞或個(gè)體一定的功能或形態(tài)表型。 rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過(guò)程亦屬基因表達(dá)。2.基因組數(shù)量 不同生物的基因組含有不同數(shù)量的基因。 細(xì)菌的基因組約4千個(gè)基因；多細(xì)胞生物基因達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)，人類基因組含3萬(wàn)4萬(wàn)個(gè)基因。 在某一特定時(shí)期，基因組中只有一部分基因處于表達(dá)狀態(tài) 大腸桿菌通常約5%的基因處于高水平轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)，生成很少RNA和蛋白質(zhì)； 基因表達(dá)水平隨時(shí)間、環(huán)境而變化（修復(fù)基因）（四）基因表達(dá)的規(guī)律性1.時(shí)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(dá)嚴(yán)格按一定時(shí)間順序發(fā)生 基因表達(dá)的時(shí)間特異性； 多細(xì)胞生物成熟過(guò)程中的各個(gè)不同發(fā)育階段,相應(yīng)基因嚴(yán)格按一定時(shí)間順序開啟或關(guān)閉.表現(xiàn)為與分化發(fā)育一致的時(shí)間性 階段特異性。 早期發(fā)育階段的基因表達(dá)是較多的。2.空間特異性spatial specificity 多細(xì)胞生物的個(gè)體在某一生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基因在不同組織器官表達(dá)不同； 在個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育全過(guò)程，一種基因產(chǎn)物在個(gè)體的不同組織或器官表達(dá)，即在個(gè)體不同的空間出現(xiàn)。 基因表達(dá)伴隨時(shí)間或階段順序所表達(dá)出的這種空間分布差異，由細(xì)胞在器官的分布決定， 又稱細(xì)胞特異性（cell specificity） 或組織特異性（

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

11、的現(xiàn)象。誘導(dǎo)（induction）： 某信號(hào)刺激下，可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程。阻遏（repression）： 可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程（對(duì)環(huán)境信號(hào)應(yīng)答表現(xiàn)為抑制） 誘導(dǎo)與阻遏是同一事物的兩種表現(xiàn)形式，在生物界普遍存在，為生物體適應(yīng)環(huán)境基本途徑。 3.協(xié)調(diào)表達(dá)coordinate expression： 生物體內(nèi)，在一定機(jī)制控制下，功能相關(guān)的一組基因，無(wú)論其為何種表達(dá)方式，需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)。 （六）原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn) 多級(jí)調(diào)控，主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄起始 1.因子決定RNA pol識(shí)別特異性 細(xì)胞僅含一種RNApol，核心酶參與轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)，全酶司轉(zhuǎn)錄起始。 不同因子決定特異基因的

12、轉(zhuǎn)錄激活，決定mRNA、tRNA、rRNA基因的轉(zhuǎn)錄2.操縱子模型的普遍性絕大多數(shù)基因以操縱子形式存在3.原核操縱子受到阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié) 阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合或解聚時(shí)，就會(huì)發(fā)生特異基因的阻遏或去阻遏。 原核基因調(diào)控普遍涉及特異阻遏蛋白參與基因的開、關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制。（七）真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 哺乳類動(dòng)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(wàn)基因 1%序列編碼蛋白質(zhì) ;510%重復(fù)基因(如編碼tRNA); 8090%的基因組無(wú)編碼功能 (內(nèi)含子/調(diào)控序列/重復(fù)序列等) 與組蛋白結(jié)合形成復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)，調(diào)控機(jī)制復(fù)雜. 2.單順?lè)醋觤on

13、ocistron 一條編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)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(gè)基因協(xié)調(diào)表達(dá)的問(wèn)題。3. 含有大量的重復(fù)序列 真核生物普遍存在重復(fù)順序。 其長(zhǎng)短不一，(10個(gè)核苷酸以下數(shù)百乃至上千);重復(fù)頻率不盡相同： 高度重復(fù)順序（106次）； 中度重復(fù)順序（103104次）； 單拷貝序列。 重復(fù)序列有種屬特異性，基因組愈大、重復(fù)序列含量愈豐富。 與生物進(jìn)化有關(guān)。某些重復(fù)序列發(fā)生在調(diào)控區(qū)， 則可能對(duì)DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄調(diào)控具有重要意義。 4. 基因具不連續(xù)性 真核基因兩側(cè)存在不被轉(zhuǎn)錄的非編碼序列 基因表達(dá)的調(diào)控區(qū) 編碼序列內(nèi)部間隔序列（不轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)） 內(nèi)含子i

14、ntron 編碼序列外顯子exon （八）真核基因表達(dá)調(diào)控(復(fù)雜)1. RNA聚合酶： RNA Pol I、II、III，分別負(fù)責(zé)三種RNA轉(zhuǎn)錄; 由大約10個(gè)亞基組成,有共有亞基/特有亞基。 共有亞基：如TATA盒結(jié)合蛋白（TBP） 轉(zhuǎn)錄起始為表達(dá)調(diào)控的最基本環(huán)節(jié),某些機(jī)制 與原核的相似.區(qū)別在于以下方面2.處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色體結(jié)構(gòu)變化 基因激活后，可觀察到染色體相應(yīng)區(qū)域發(fā)生某些結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化活性染色體 （1）對(duì)核酸酶敏感； （2）DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化(正超螺旋) 促進(jìn)組蛋白H2A、H2B釋放，使RNApol有可能向前移動(dòng)，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄； （3）DNA堿基（C）修飾(甲基化). 甲基化范圍與

15、基因表達(dá)程度呈反比關(guān)系,處于轉(zhuǎn)錄活化狀態(tài)的基因CpG序列是低甲基化的,不表達(dá)或處于低表達(dá)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(duì)DNA親和力,易于基因轉(zhuǎn)錄。 3.正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo) 真核RNApol對(duì)啟動(dòng)子親和力小，依賴多種激活蛋白的作用。負(fù)性調(diào)節(jié)元件并不普遍存在。較大真核基因組廣泛存在正性調(diào)節(jié)機(jī)制原因：（1）采用正性調(diào)節(jié)機(jī)制更有效、更精確； 提高調(diào)節(jié)蛋白DNA相互作用的特異性 （2）采用負(fù)性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟(jì)。4. 轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行 轉(zhuǎn)錄在胞核；翻譯在胞漿。5. 轉(zhuǎn)錄后修飾、加工 轉(zhuǎn)錄后剪接、修飾較原核復(fù)雜第二節(jié) 基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控是調(diào)控環(huán)

16、節(jié)中最重要的。一、原核生物轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié) 操縱子學(xué)說(shuō)操縱子operon：原核基因組中由幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因及其調(diào)控區(qū)組成一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位。結(jié)構(gòu)： 結(jié)構(gòu)基因：編碼幾個(gè)功能相關(guān)的酶 調(diào)控區(qū)：?jiǎn)?dòng)子：RNA聚合酶結(jié)合部位 操縱區(qū)：阻遏物結(jié)合部位，調(diào)控開關(guān) 上游存在編碼阻遏物的 I 基因等操縱子有兩類： 誘導(dǎo)操縱子：因環(huán)境中出現(xiàn)某種物質(zhì)（底物）而活化； 阻遏操縱子：產(chǎn)物大量出現(xiàn)而關(guān)閉。（1）乳糖操縱子（Lac operon） 可誘導(dǎo)調(diào)控模式結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)基因： Z、Y、A分別編碼三種分解利用乳糖（半乳糖）的酶 調(diào)控區(qū) 啟動(dòng)子P：結(jié)合RNApol的部位 操縱序列O：結(jié)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(jié)合區(qū)： 結(jié)合cAMPCAP，對(duì)操縱子正調(diào)控ICAP結(jié)合位點(diǎn)POZYA（1）無(wú)乳糖存在時(shí)，Lac操縱子處于阻遏狀態(tài)。 I 序列表達(dá)lac阻遏蛋白（在 Pi 操縱下）與O序列結(jié)合，阻礙RNApol與P序列結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)。 （偶有解聚）（2）乳糖(半乳糖)存在時(shí)，lac操縱子即可被誘導(dǎo)。 誘導(dǎo)劑分子(半乳糖）與阻遏蛋白結(jié)合，使其變構(gòu)，導(dǎo)致阻遏蛋白與O序列解離，發(fā)生轉(zhuǎn)錄，使半乳糖苷酶分子增加1000倍。同時(shí)cAMP-CAP進(jìn)位，RNApol進(jìn)入啟動(dòng)子部位，開啟轉(zhuǎn)錄。 乳糖與葡萄糖同時(shí)存在，細(xì)菌先利用葡萄糖，后利用乳糖。通過(guò)cAMPCAP逆轉(zhuǎn)阻遏，啟動(dòng)lac opero

18、n。2. 色氨酸操縱子Trp operon （阻遏型模式） 五個(gè)結(jié)構(gòu)基因EDCBA編碼合成Trp的酶 衰減子結(jié)構(gòu) 無(wú)Trp時(shí)，操縱子開放，合成酶系 ；Trp存在，與輔阻遏蛋白結(jié)合?，封閉操縱區(qū)轉(zhuǎn)錄不再進(jìn)行 Trp高時(shí)，與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)進(jìn)行的翻譯過(guò)程導(dǎo)致序列3、4形成不依賴因子的終止結(jié)構(gòu)衰減子。使前方的RNApol脫落,轉(zhuǎn)錄終止； 當(dāng)缺乏trp時(shí)，無(wú)trp-tRNA供給，核糖體翻譯停止在序列1中的2個(gè)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(jié)構(gòu)，RNA轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行。二.真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)復(fù)雜。在多個(gè)水平（基因活化、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯、翻譯后加工）進(jìn)行調(diào)控。 RNApol與D

19、NA序列結(jié)合，不是直接作用，需要多種因子的參與（直接或間接）調(diào)控轉(zhuǎn)錄。（一）順式作用元件： 1.啟動(dòng)子： RNApol結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件典型啟動(dòng)子：TATA盒（-30-25bp）GC盒 CAAT盒組成2.增強(qiáng)子enhancer 遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（1-30kb），*決定基因的時(shí)間空間特異表達(dá)、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列 沒有增強(qiáng)子存在，啟動(dòng)子通常不能表現(xiàn)活性；沒有啟動(dòng)子時(shí)，增強(qiáng)子無(wú)法發(fā)揮作用。3.沉默子 silencer 負(fù)性調(diào)節(jié)元件 其結(jié)合特異蛋白因子，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用 增強(qiáng)子序列沉默子序列沉默子（二） 反式作用因子(轉(zhuǎn)錄調(diào)控的蛋白因子) 大部分TF因子以反式作用調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄

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