第三十六章 DNA转录

第三十六章DNA转录提纲一．DNA转录的一般特征二．依赖DNA的RNA聚合酶三．细菌的DNA转录1.转录的起始2.转录的延伸3.转录的终止四．真核生物的DNA转录1.真核细胞核转录系统与细菌转录系统的异同2.真核细胞核DNA的转录五．古菌的DNA转录中心法则-“一个中心（DNA），两个基本点（RNA和蛋白质”DNA转录与DNA复制的比较与DNA复制的共同性质①需要模板、解链和解除转录过程中形成的正超螺旋②只能按照5′→3′的方向进行与DNA复制不同的性质①不需要引物②NTPs代替dNTPs;UTP代谢dTTP③缺乏校对活性（错误率在1/104~1/105nts）④发生在特定的区域（不是所有的DNA序列）⑤对于一个特定的基因而言，只有一条链转录记住一些名称——模板链（无意义链，Watson链）和编码链（有意义链，Crick链）编码链，有意义链，Crick链模板链，无意义链，Watson链转录翻译细菌RNA聚合酶*第一种被发现的合成核酸的酶是多聚核苷酸磷酸化酶（PNP）1955年，MarianneGrunberg-Manago和SeveroOchoa首先报道一种催化RNA合成的酶。Ochoa因此和ArthurKornberg荣获1959年的诺贝尔医学、生理学奖*真正的大肠杆菌RNA聚合酶1960年，由四个独立的研究小组（SamWeiss，JerardHurwitz，A.Stevens和J.Bonner）几乎同时从大肠杆菌中得到。此酶需要模板，使用4种rNTPs为底物，合成和模板链互补的序列，需要Mg2+.RNA聚合酶*共同的性质-DNA模板：一条链被转录-底物：GTP,CTP,UTP,ATP-二价金属离子：Mg2+*与DNA聚合酶之间的主要差别细菌RNA聚合酶的结构与功能所有的三类RNA由同一种RNA聚合酶催化大肠杆菌的RNA聚合酶大小为465k，含有2,1,1′,1,1ω亚基*全酶*核心酶：2,1,1,1ω*抑制剂：利福霉素和利链霉素大肠杆菌RNA聚合酶全酶的组成及其功能分工亚基基因大小（k）每一个酶分子中的数目功能α亚基β亚基β′亚基ω亚基σ70因子RopARopBRopCRopZRopD36151155117021111聚合酶的组装，转录的起始，与调节蛋白的相互作用转录的起始和延伸DNA结合在体外为变性的RNA聚合酶成功复性所必需启动子的识别TaqRNA聚合酶核心酶的三维结构真核细胞的RNA聚合酶真核细胞的RNA聚合酶出现了功能分工，不同性质的RNA由不同的RNA聚合酶催化转录，其细胞核具有三种RNA聚合酶，即RNA聚合酶I、II、和III，三者也分别被称为RNA聚合酶A、B和C，它们分别催化细胞核内的rRNA（5SrRNA除外）、mRNA和小RNA（tRNA和5SrRNA）的转录。除此以外，线粒体和叶绿体也含有RNA聚合酶。原核生物与真核生物的RNA聚合酶在三维结构上的比较RNA聚合酶II抑制剂白毒伞含有有毒的环状十肽——鹅膏蕈碱这种蘑菇口味不错，但却是致命的！食用6~24小时之后，开始出现强筋挛和腹泻第3天出现假恢复第4或第5天，死亡随时发生，除非进行肝移植真核细胞核RNA聚合酶共同的性质*都是大的多亚基蛋白质（500-700k）*都有两个大的与大肠杆菌RNA聚合酶和′亚基同源的亚基，因此活性中心是保守的*都有与大肠杆菌α亚基同源的亚基*然而，真核RNA聚合酶没有与大肠杆菌σ因子同源的亚基*这些性质是所有真核生物RNA聚合酶共同的羧基端结构域——CTD所有的真核细胞RNA聚合酶II最大亚基的CTD都含有一段由7个氨基酸残基组成的高度保守的重复序列，其一致序列是富含羟基氨基酸的YSTPSPS，因此能够被磷酸化修饰。在酵母细胞，该序列重复了26次，哺乳动物则重复56次。该重复序列是RNA聚合酶II的活性所必需的。缺失突变实验表明，酵母的CTD至少需要13段重复序列它才能保证酵母细胞能够生存。其他研究还表明，CTD没被磷酸化的RNA聚合酶II参与转录的起始，CTD被磷酸化以后，转录才从起始阶段进入延伸阶段，而且磷酸化的CTD对于转录的后加工（带帽和加尾）也是必需的。转录的详细机制*三步骤反应1)起始①什么是启动子？②如何决定启动子序列？③启动子一致序列④转录起始复合物的形成2)延伸3)终止细菌启动子的性质*启动子通常由转录起始点上游40bp长的序列组成*包括两段一致序列：“-35区”——一致序列是TTGACAPribnow盒或“-10区”——一致序列是TATAAT*“－35”区和“－10区”之间的间隔序序列的性质不重要，但长度重要，一般为17±1bp。*“增效元件”——发现在某些转录活性超强的rRNA基因的上游－40和－60之间的区域，富含AT的启动子序列，可将转录活性提高30倍。*如果一个基因的启动子序列与一致序列越相近，则该启动子的效率就越高，为强启动子；反之，就是一个弱启动子。细菌几种基因的启动子序列转录的起始1.RNA聚合酶与dsDNA非特异性结合2.RNA聚合酶全酶与启动子形成封闭复合物3.封闭复合物异构化，转变成开放复合物4.第一个磷酸二酯键形成5.启动子清空细菌基因转录从起始阶段向延伸阶段的转变转录的延伸一旦σ因子释放，转录就进入延伸。失去σ因子的核心酶通过松散的“滑动钳”构象握住DNA，以更快的速度前进。转录泡则随着核心酶的移动而移动，其大小维持在17bp左右。解链形成的超螺旋可被结合在转录泡前面的拓扑异构酶解除。由于转录的方向始终是从5′→3′，新参入的核苷酸总是被添加在RNA链的3′-OH端。每参入一个新的核苷酸，RNA-DNA杂交双链必须发生旋转。在延伸阶段，RNA链3′端大约有9bp长的片段与模板链形成A型杂交双螺旋。延伸的平均速度约为50nt/秒。但延伸速度并不是恒定的，有时聚合酶的移动速度趋缓，甚至发生暂停。如果发生这种情形，重新启动转录需要GreA和GreB来解除暂停状态：先是RNA聚合酶倒退，然后，GreA和GreB切除3′端几个核苷酸，以便让RNA的3′-OH能重新回到活性中心。转录延伸和转录泡的结构两种机制依赖于ρ因子的终止不需要ρ因子，但需要RNA转录物3′-端一段被称为终止子的序列。转录的终止不需要ρ因子的终止机制依赖ρ因子的转录终止细菌和真核生物在转录上的差别染色质和核小体结构对转录有深刻的影响真核细胞RNA聚合酶高度分工转录还需要许多被称为转录因子的蛋白质的参与启动子以外的序列（如增强子和各种反应元件）参与调节基因的转录转录与翻译不存在偶联关系转录的产物多为单顺反子，而原核基因的转录产物多为多顺反子其他顺式作用元件*ERE——雌激素反应元件*HSE——热激元件*MRE——金属反应元件*GRE——糖皮质激素反应元件*CRE——cAMP反应元件*SRE——血清反应元件RNA聚合酶I所负责的基因的转录*启动子1)核心启动子(-45to+20)2)上游控制元件(UCE;-180to-107)UCE和核心启动子之间的距离十分重要；具有物种特异性*转录因子1)SL1:TBF+TAF2)UBF*转录的起始、延伸*转录终止——需要一种特异性的DNA结合终止因子RNA聚合酶I负责的基因的启动子结构以及与转录因子的结合RNA聚合酶III所负责的基因转录该酶负责小RNA的转录，如tRNA、5SrRNA、7SRNA、snoRNA和无帽子结构的snRNA和某些病毒的mRNA等。启动子分为两类：一类与RNA聚合酶II相似，也位于基因的上游；另一类为内部启动子。转录因子有TFIIIA、B和C。其中TFIIIC为组装因子，负责与A盒和B盒结合。TFIIIB是定位因子，结合于A盒的上游约50bp的位置，但结合无序列特异性。TFIIIA仅为5SrRNA基因的转录所必需的组装因子。转录的起始和延伸转录的终止——与细菌不依赖于ρ因子的终止机制有点相似，需要1段富含GC的序列和1小串U，但U的长度短于细菌，且富含GC区域也不需要形成茎环结构tRNA基因转录的起始和延伸RNA聚合酶II所负责的基因转录催化mRNA、miRNA、具有帽子结构的snRNA和某些病毒RNA的基因转录。mRNA的基因转录受到多种顺式作用元件的控制，包括核心启动子、调控元件、增强子和沉默子。核心启动子功能与细菌的启动子相当，负责招募和定位聚合酶II到转录起始点，以正确地起动基因的转录，也可能通过促进转录复合物的装配或稳定转录因子的结合而提高转录的效率。核心启动子包括：TATA盒、起始子（Inr）、TFIIB识别元件（BRE）、下游启动子元件（DPE）和GC盒。调控元件所起的作用是调节基因的转录效率，包括上游临近元件（UPE）和上游诱导元件（UIE），两者的作用都需要结合特殊的反式作用因子。参与蛋白质基因转录的转录因子有两类，一类为基础转录因子，另一类属于特异性转录因子。前者为所有的蛋白质基因表达所必需，后者为特定的基因表达所必需转录的起始是各转录因子和RNA聚合酶II按照一定次序，通过招募的方式形成PIC。转录因子和聚合酶II与启动子结合的前后次序可能是：TFIID→TFIIA→TFIIB→(TFIIF+RNAPII)→TFIIE→TFIIH。转录终止于一段终止子区域，但终止子的性质以及它如何影响终止的尚不知晓真核生物RNA聚合酶II的启动子序列RNA聚合酶II的基础转录因子转录因子亚基数目功能TFIID1TBP12TAFs与TATA盒结合调节功能，有1个与Inr结合TFIIA3稳定TBP与启动子的结合TFIIB1招募RNAPII，确定转录起始点TFIIF2与RNAPII结合，去稳定聚合酶与DNA的非特异性结合，确定转录起始过程中模板的位置。TFIIE2协助招募TFIIH，激活TFIIH，促进启动子的解链。TFIIH9具有ATP酶、解链酶、CTD激酶活性，促进启动子解链和清空。TFIIS1刺激RNAPII的剪切活性（切掉错误参入的核苷酸），提高转录的忠实性。预起始复合物的形成TBP(TFIID)与核心启动子结合(TATA+Inr)招募TFIIB招募RNAPII+TFIIF招募TFIIE招募和刺激TFIIH解链酶活性解开靠近转录起始点的DNA序列激酶活性磷酸化CTDRNA聚合酶II催化的基因转录预起始复合物的形成古菌的DNA转录与复制系统相比，古菌似乎拥有简版的真核转录系统。无论是催化转录的RNA聚合酶的结构和性质，还是启动子的结构以及转录的基本过程都与真核生物极为相似。然而，在基因表达的调控方面，古菌与细菌接近。在启动子的结构上，古菌类似于真核生物由RNA聚合酶Ⅱ所负责转录的基因，一般由三个部分组成：一是位于转录起点上游的TATA盒，它由TBP识别；二是位于TATA盒上游的BRE，它由TFB识别；三是位于转录起点的起始子元件（Inr）古菌基因转录的起始