5-1基因的转录

上次课内容回顾与思考DNA复制的基本特征原核生物与真核生物复制特点比较端粒结构特点，端粒酶如何调节端粒的长度DNA的体外复制（PCR）第二节RNA的生物合成----转录RNABiosynthesis----Transcription转录是基因表达的第一步，也是关键的步骤，一个基因的遗传信息能否表达往往是在转录阶段。(一)基因的转录DNAmRNATranscriptionCellPolypeptide(protein)TranslationRibosome转录:以DNA为模板，在依赖于DNA的RNA聚合酶（RNApolymerase）作用下合成mRNA，将遗传信息从DNA分子转移到mRNA分子的过程。转录是基因表达的中心环节转录涉及的酶与过程转录后的加工主要内容1转录是基因表达的中心环节转录是以DNA为模板合成RNA,并且只是以单股DNA为模板，因此具有不对称性；用以转录的单链DNA,称为模板链,与复制不同，转录是局部的,从启动子开始到终止子结束,为一个转录单位;转录不需要引物；转录的忠实性相对弱；转录首先得到RNA前体，然后再进行加工转变为成熟的RNA.转录基因RNATranscriptProteinCodingRegionTerminatorSequencePromoter/ControlRegion3’UntranslatedRegionTranscriptionStartSite5’UntranslatedRegion•转录开始时模板上第一个碱基（+1）RNA聚合酶识别和结合的部位RNA聚合酶停止工作的信号转录起始位点启动子终止子被转录成单个RNA分子的一段DNA称为一个转录单位(transcript)1转录是基因表达的中心环节大肠杆菌中只有一种RNA聚合酶负责所有的合成，5种亚基：全酶=核心酶（α2ββ’）+σ因子α亚基决定转录的基因β亚基在5’——3’方向上延长多核苷酸链，其方式与DNA聚合酶相同，原料为NTP，没有纠错的功能。β’亚基结合DNA模板σ因子无催化活性（核心酶具有聚合活性），但能识别“启动子”并与之结合，形成稳定的起始复合物，参与转录的起始。σ因子的差异决定原核生物基因的选择性表达。，2RNA聚合酶（RNApolymerase）原核的RNA聚合酶DNA上的转录起始序列，称为启动子，有序列保守性，不仅是转录起始的位置，而且影响转录的活性。RNA聚合酶结合在启动子上上游下游3启动子（promoter）注意原核启动子在-35和-10区域的保守序列Pribnowbox4转录的过程（一）转录起始核心酶+因子，搜寻启动子（-35区）RNA聚合酶作用下解链（-10区）合成RNA链的第一个rNTP因子解离，核心酶与模板亲和性降低，在DNA上移动4.1转录起始：由σ因子辨认并且结合到启动子上，局部解链（10-20bp），拓朴异构酶等也参与。“转录泡（transcriptionbubble）”17bp12bp4.2RNA链的延伸由核心酶催化，以其中的一股DNA单链作为模板链，以NTP为原料，按照碱基互补配对的原则，通常是由5’ppp嘌呤核苷（G或A）开头向着3’方向延长多核苷酸链，合成开始后，σ因子从模板上脱离下来（可以重复利用）。核心酶覆盖双链DNA和RNA复合物，向前推进，一边解开螺旋，一边释放出新合成的RNA链，后面已经转录的区域中分开的DNA链又重新形成双螺旋。转录过程中的延伸阶段具体延伸情况：蠕虫转录模型（inchwormmodel）转录的延伸4.3转录的终止A.依赖于特定序列的终止转录终止区有特殊结构。终止区的上游有GC二重对称区，转录的RNA容易形成多个“发卡”结构,转录产物的3’端有polyU序列。这种特殊的二级结构阻止了转录向下游继续推进。B.依赖ρ因子的终止新生RNA上有ρ因子的识别位点。它与聚合酶-DNA-RNA复合物结合，向3’端移动，并解开DNA-RNA杂交体，需ATP。4.3转录的终止强终止子：存在回文结构，且富含GC序列，不易解开，阻止RNA聚合酶前移。其3’端有多个核苷酸的寡聚U，与模板形成A-U配对，使RNA易于释放。无需其他蛋白因子的帮助即可完成转录。强终止子的结构ρ因子不依赖转录终止机制转录的终止子弱终止子：也存在回文序列，其发夹结构中的G-C含量少，且3’端没有寡聚U。可引起聚合酶暂停，若没有其他蛋白质因子的帮助，聚合酶将会越过终止子继续“通读”下去。只有当蛋白质因子ρ存在时，转录才会终止。ρ因子依赖性转录终止机制：ρ因子结合在新合成的RNA5’端，经ATP水解供能向RNA链3’端移动，当RNA聚合酶在弱终止子处暂停时，ρ因子赶上RNA聚合酶，与之相互作用，酶、模板和RNA解离，释放新生的RNA链，转录终止。A转录终止的两种方式B转录得到的只是RNA的初级产物，通常要经过加工，才能转变为成熟的RNA。原核生物的rRNA和tRNA初级产物需要经过加工成为成熟的RNA分子，而mRNA不需要。5RNA后的加工（post-transcriptionalprocessing）原核前体rRNA的加工（切割、折叠、甲基化）（1）RNA聚合酶种类不同：聚合酶I：转录28SrRNA，18SrRNA及5.8SrRNA（核仁）聚合酶II：mRNA合成的主力酶，催化转录mRNA的前体(核不均RNA,hnRNA）和核内小RNA（核质）聚合酶III：转录tRNA和5SrRNA等（核质）1、真核、原核转录差异二、真核生物转录的特点（2）作用方式不同：原核生物中只有一种RNA聚合酶，能催化所有RNA合成，可直接结合到启动子区，而真核必须在另外的启动蛋白结合启动子后才结合并启动转录。（3）转录地点、转录后加工方式不同。真核转录启动子的保守序列1、（TATAbox，TATA盒）：约为-25bp,类似于原核生物的-10共有序列，与转录起始位置的确定有关。2、CAAT框(CCAAT)：约为-70bp，决定转录的起始频率，此序列缺失将会极大降低生物的活体转录水平。3、增强子区域：无方向性，可显著提高转录效率。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2启动子（promoter）原核生物的结构基因（编码的）是多顺反子（poly-cistron），通常是将几个相关的结构基因一起转录得到多个mRNA。（顺反子cistron一词可以视作基因的同义词）。原核生物的mRNA往往一产生就是成熟的，不需转录后的修饰加工。而真核基因是单顺反子（mono-cistron），通常只转录出一个结构基因,而且其通常由外显子（exon）和不编码的内含子（intron）间隔排开组成的。因此,转录得到的仅仅是mRNA的“毛坯”，称为核不均RNA（hnRNA），要进行转录后的加工，才能成为一个成熟的mRNA。3mRNA的加工3.15’端帽子结构真核生物的帽子是一个7-甲基鸟苷基团通过5’端三磷酸酯键连接到mRNA5’端所形成的。帽子结构不在DNA上编码，在转录达到50个核苷酸前即加到mRNA的第一个核苷酸上。主要功能：使mRNA避免受到磷酸酶和核酸酶的攻击，稳定mRNA一级结构；提供核糖体结合位点，促进核糖体和mRNA结合，促进蛋白质合成。3.23’-端polyA尾巴结构•加尾位点上游10-30个核苷酸区域存在加尾信号序列（AATAAA）•核酸内切酶识别加尾信号，在信号下游20个核苷酸处剪切mRNA前体，形成游离3’-OH•多聚A聚合酶，在3’端加上100-200个腺苷酸主要功能：增加mRNA的稳定性，延缓降解速度有助于成熟mRNA从细胞核运输到细胞质增强翻译效率3.3mRNA剪接•去除内含子，将外显子连接在一起。•核酶自我剪接(rRNA)•蛋白质（酶）促剪接(tRNA)•小分子核糖核蛋白参与剪接(mRNA)真核生物mRNA的转录后加工：1.在5’端加鸟嘌呤“帽”结构2.在3’端加polyA的“尾”3.切除内含子；4.拼接外显子。5’帽结构真核mRNA前体转录后加工(以卵清蛋白mRNA的转录为例)外显子内含子5’3’转录与复制的相同点：都在酶的催化作用下，以DNA为模板，按碱基互补配对的原则，沿5’-3’方向合成与模板互补的新链。转录与复制的差别：1.转录只发生在一部分区域。约3%的DNA序列最后被表达成为成熟的mRNA进入细胞质中，指导蛋白质的合成。2.转录时只有一条链为模板，称为模板链或反义链，而另一条称为有意义链或编码链。DNA复制时，两条链都用作模板。3.转录起始不需要引物的参与，而DNA复制一定要引物的存在。三、DNA转录与复制的基本特征4.转录的底物是4种核糖核苷三磷酸(rNTP)，即ATP、GTP、CTP和UTP；RNA与模板DNA的碱基相互配对关系为G-C和A-U。而复制的底物是dNTP，碱基互补配对关系为G-C和A-T。5.RNA的合成依赖于RNA聚合酶的催化作用，而DNA复制需要DNA聚合酶，两种聚合酶系不同。6.转录时DNA-RNA杂合双链分子是不稳定的，RNA链在延伸过程中不断从模板链上游离出来，模板DNA又恢复双链状态；而DNA复制叉形成之后一直打开，不断向两侧延伸，新合成的链与亲本链形成子链。7.真核生物基因和rRNA、tRNA基因经转录生成的初级转录物一般都需经过加工，才能具有生物功能和成熟的RNA分子。四、转录水平的调控•顺式作用元件：基因转录调控区。（增强子、启动子、沉默子及应答元件等）•反式作用元件：转录因子。与顺式作用元件相结合，影响转录的一组调节蛋白。•根据功能将转录因子分为3类：基本转录因子，转录激活因子，转录抑制因子。（1）基因转录的顺式作用元件和反式作用元件真核生物1)顺式作用元件(cis-actingelement)——可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点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。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-actingfactor)这种调节作用称为反式作用。cDNAaDNA反式调节C顺式调节mRNAC蛋白质CBAmRNA蛋白质AA（2）转录后水平的调控•同一种基因的转录产物前体mRNA可以被加工成几种不同的mRNA。•几乎所有真核生物的mRNA都有5’帽子结构（某些真核细胞中的病毒除外，如脊髓灰白质炎病毒mRNA），不是都有3’尾巴，也不是都必须经过拼接。•真核基因根据加工过程的差异可分为：只编码产生一种蛋白的基因；可编码两种或更多种蛋白的转录单位。（2）转录后水平的调控•mRNA前体的选择性拼接人的蛋白质的数目远远多于基因的数目，人们认为，一种原因是基因的转录产物会在体内进行可变的剪接，造成不同外显子的组合，从而翻译出不同的蛋白质。外显子基因DNA内含子转录初级RNA成熟RNA成熟RNA剪接可变剪接小分子RNA小分子RNA（micro－RNA），是一种大小约21—23个碱基的单链RNA，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成，这些非编码小分子RNA（miRNAs）参与调控基因表达。控制基因表达的两个关键步骤是DNA的转录和翻译。小分子RNA不会被翻译以合成蛋白质，而是与靶mRNA结合，通过调节翻译或降解靶mRNA来调控表达。miRNAs参与生命过程中一系列的重要进程，包括早期发育，细胞增殖，细胞凋亡，细胞死亡，脂肪代谢和细胞分化等。有些miRNA起着抑癌基因的功能。逆转录(reversetranscription)逆转录酶：又称RNA指导的DNA聚合酶。是以RNA为模板合成DNA的酶。1970年由H.M.Temin和D.Baltimore分别于动物致癌RNA病毒中发现，他们因此获得1975年诺贝尔生理学或医学奖。当RNA致癌病毒进入宿主细胞后，其逆转录酶先催化合成与病毒RNA互补的DN