第三章-轉錄前調控

1、第二章：細胞分化的分子機制第二章：細胞分化的分子機制 -轉錄和轉錄前的調控轉錄和轉錄前的調控 第一節(jié)：基因表達及調控的基本原理第一節(jié)：基因表達及調控的基本原理 第二節(jié)：轉錄的基本過程及調控第二節(jié)：轉錄的基本過程及調控 Translation 基因表達基因表達 ( gene expression) 生物基因組中結構基因所攜帶的生物基因組中結構基因所攜帶的 遺傳信息，經過轉錄、翻譯等一系列遺傳信息，經過轉錄、翻譯等一系列 過程，合成具有特定的生物學功能和過程，合成具有特定的生物學功能和 生物學效應的生物學效應的蛋白質蛋白質的全過程。的全過程。 基因表達的調控基因表達的調控 機體各種細胞中含有的相同

2、遺傳機體各種細胞中含有的相同遺傳 信息信息( (相同的結構基因相同的結構基因) )，根據機體的，根據機體的 不同發(fā)育階段、不同的組織細胞及不不同發(fā)育階段、不同的組織細胞及不 同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地表同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地表 達達特定數量特定數量的的特定基因特定基因的過程。的過程。 基因表達的調控因子：基因表達的調控因子： 蛋白質蛋白質 ( 主要主要 ) 小分子小分子RNA ( 某些環(huán)節(jié)某些環(huán)節(jié) ) 基因表達的調控水平 v 基因組基因組 v 轉錄轉錄 v 轉錄后轉錄后 v 翻譯翻譯 v 翻譯后翻譯后 DNARNA 蛋白質 復制 轉錄 翻譯 逆轉錄 RNA 復制 中心法則中心法則(

3、central dogma) 一、原核生物基因表達的特點一、原核生物基因表達的特點 1.1.只有一種只有一種RNARNA聚合酶。聚合酶。RNARNA聚合酶聚合酶 用來識別原核細胞的啟動子，催化用來識別原核細胞的啟動子，催化 所有所有RNARNA的合成。的合成。 2.2.基因表達以操縱子為基本單位。基因表達以操縱子為基本單位。原原 核基因一般不含內含子，基因是連續(xù)核基因一般不含內含子，基因是連續(xù) 的。原核基因轉錄單位多為多順反子。的。原核基因轉錄單位多為多順反子。 二、原核生物基因表達的調控機制二、原核生物基因表達的調控機制 轉錄起始的調控轉錄起始的調控 轉錄終止的調控轉錄終止的調控 翻譯水平的

4、調控翻譯水平的調控 三三、真核細胞的結構真核細胞的結構 光鏡下結構光鏡下結構 細胞膜細胞膜 細胞質細胞質 細胞核細胞核 電鏡下結構電鏡下結構 膜相結構膜相結構 非膜相結構非膜相結構 細胞膜細胞膜 內質網內質網 高爾基復合體高爾基復合體 線粒體線粒體 溶酶體溶酶體 過氧化氫體過氧化氫體 核膜核膜 核糖體核糖體 中心粒中心粒 微管微管 微絲微絲 中等纖維中等纖維 細胞質基質細胞質基質 核仁核仁 染色質染色質 核基質核基質 No Image l真核生物基因表達調控的特點和種類真核生物基因表達調控的特點和種類 l真核生物的基因組真核生物的基因組 l真核生物真核生物DNADNA水平上的基因表達調控水平上

5、的基因表達調控 l真核生物轉錄水平上的基因表達調控真核生物轉錄水平上的基因表達調控 l真核基因翻譯水平上的調控真核基因翻譯水平上的調控 四、真核細胞的表達調控四、真核細胞的表達調控 真核生物的基因組真核生物的基因組 多細胞相同基因組多細胞相同基因組 細胞核控制發(fā)育的局限性細胞核控制發(fā)育的局限性 基因組重組基因組重組 特點特點 真核生物真核生物DNADNA水平上的基因表達調控水平上的基因表達調控 染色體疏松區(qū)一轉錄活躍染色體疏松區(qū)一轉錄活躍 富富AT 較富較富GC區(qū)一轉錄活躍區(qū)一轉錄活躍 DNA甲基化一抑制轉錄甲基化一抑制轉錄 第二節(jié)：轉錄的基本過程及調控第二節(jié)：轉錄的基本過程及調控 參與轉錄的

6、物質參與轉錄的物質 原料原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板:DNA:DNA 酶酶: RNA: RNA聚合酶聚合酶 其他蛋白質因子其他蛋白質因子 RNA合成方向：合成方向：5 3 轉錄的不對稱性：轉錄的不對稱性： l在在DNADNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉錄，另分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉錄，另 一股鏈不轉錄一股鏈不轉錄 l模板鏈并非永遠在同一條單鏈上。模板鏈并非永遠在同一條單鏈上。 編碼鏈與模板鏈 與與mRNAmRNA序列相同的那條序列相同的那條DNADNA鏈稱為鏈稱為編碼鏈編碼鏈

7、；將另一條根；將另一條根 據堿基互補原則指導據堿基互補原則指導mRNAmRNA合成的合成的DNADNA鏈稱為鏈稱為模板鏈模板鏈，也也 稱為稱為反義鏈反義鏈或或Crick鏈鏈。 結構基因結構基因(structural gene): DNA分子上轉錄出分子上轉錄出RNA的區(qū)段的區(qū)段 。 GCAGTACATGTC 5 5 3 3 DNA CGTCATGTACAG 編碼鏈 模板鏈 GCAGUACAUGUCmRNA 轉錄 模板鏈并非永遠在同一條單鏈上模板鏈并非永遠在同一條單鏈上 轉錄方向轉錄方向 5 5 3 3 3 3 5 5 模板鏈模板鏈編碼鏈編碼鏈 編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈 轉錄方向轉錄方向 DNA

8、分子上轉錄出分子上轉錄出RNA的區(qū)段，稱為結構基因。的區(qū)段，稱為結構基因。 結構基因： 1. RNA1. RNA聚合酶聚合酶 （1）原核細胞）原核細胞 全酶=核心酶+ 因子 因子因子- -特異蛋白質因子，特異蛋白質因子， 能識別能識別DNADNA模板起始位點的特異堿基順序，模板起始位點的特異堿基順序， 所以所以 -因子又叫起始因子因子又叫起始因子 核心酶核心酶- - 催化單個核苷酸之間形成催化單個核苷酸之間形成3535磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵 1. RNA RNA聚合酶聚合酶 真核細胞真核細胞 分為分為 I、II、III三三種種 RNA聚合酶聚合酶I：存于核仁中，催化：存于核仁中，催化r RNA前

9、體的合成前體的合成 ； RNA聚合酶聚合酶II：存于核質中，催化：存于核質中，催化m RNA前體的合成前體的合成 ； RNA聚合酶聚合酶III：存于核質中，：存于核質中， 催化催化tRNA和和r RNA等小分子量前體的合成等小分子量前體的合成 。 （2）真核細胞）真核細胞 . .轉錄的基本過程轉錄的基本過程 分起始、延長及終止三個階段分起始、延長及終止三個階段 原核生物的轉錄過程原核生物的轉錄過程 轉錄起始需解決的問題：轉錄起始需解決的問題： RNA聚合酶必須準確地結合在聚合酶必須準確地結合在 轉錄模板的起始區(qū)域。轉錄模板的起始區(qū)域。 DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為雙鏈解開，使其中的一條鏈

10、作為 轉錄的模板。轉錄的模板。 編碼鏈編碼鏈 AACTGTATATTA 模板鏈模板鏈 TTGACATATAAT 3 5 DNA 轉錄起始點轉錄起始點 Probnow盒子盒子 啟動子啟動子 35 10 +1 轉錄區(qū)轉錄區(qū) 53 RNA 轉錄起點 與新生與新生RNARNA鏈第一個核甘酸相對應鏈第一個核甘酸相對應DNADNA鏈上的堿基。通常將鏈上的堿基。通常將mRNAmRNA開始的開始的 一個核苷酸定為一個核苷酸定為0 0點點( (即即+1+1) )由此向右常稱為由此向右常稱為下游下游(downstream)(downstream)，其，其 核苷酸依次編為正序號；起始點左例稱為核苷酸依次編為正序號；

11、起始點左例稱為上游上游(upstream)(upstream)其核苷酸其核苷酸 則依次以負號表示緊接起始點左側的核昔酸為則依次以負號表示緊接起始點左側的核昔酸為-1-1。 啟動子啟動子(promoter)-(promoter)-能被能被RNARNA聚合酶識別、聚合酶識別、 結合并啟動基因轉錄的一段結合并啟動基因轉錄的一段DNADNA序列序列。 由由因子辨認并且結合到啟動子上，因子辨認并且結合到啟動子上， 局部解鏈（局部解鏈（10-20bp），）， RNA聚合酶聚合酶與與模板模板結結合合； 在在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應，聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應， 形成轉錄起始復合物形成轉錄起始

12、復合物 。 原核生物轉錄起始過程原核生物轉錄起始過程 典型啟動子的結構典型啟動子的結構 -35-35 -10 -10 轉錄起點轉錄起點 TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bpTTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp 在在-因子存在時，因子存在時，由核心酶催化，以其中的一股由核心酶催化，以其中的一股DNA 單鏈作為模板鏈，單鏈作為模板鏈， 以以NTP為原料，按照堿基互補配對的原則，通常是由為原料，按照堿基互補配對的原則，通常是由5ppp嘌呤核苷嘌呤核苷 （G 或或A ）開頭向著）開頭向著3延長多核苷酸鏈延長多核苷酸鏈，合成開始后，合成開始后， 因子從模板上脫離下來因

13、子從模板上脫離下來（可以重復利用）。（可以重復利用）。 延長延長 ： 核心酶覆蓋雙鏈核心酶覆蓋雙鏈DNADNA和和RNARNA復合物，向前推進，一邊解開螺旋，復合物，向前推進，一邊解開螺旋， 一邊釋放出新合成的一邊釋放出新合成的RNARNA鏈，鏈， 后面已經轉錄的區(qū)域中分開的后面已經轉錄的區(qū)域中分開的 DNADNA鏈又重新形成雙螺旋。鏈又重新形成雙螺旋。 3 6 5 1 2 決決 定定 哪哪 些些 基基 因因 被被 轉轉 錄錄 1 5 0 6 1 8 催催 化化 功功 能能 1 5 5 6 1 3 結結 合合 D N A 模模 板板 7 0 2 6 3 辨辨 認認 起起 始始 點點 亞亞 基基

14、 分分 子子 量量功功 能能 3 6 5 1 2 決決 定定 哪哪 些些 基基 因因 被被 轉轉 錄錄 1 5 0 6 1 8 催催 化化 功功 能能 1 5 5 6 1 3 結結 合合 D N A 模模 板板 7 0 2 6 3 辨辨 認認 起起 始始 點點 亞亞 基基 分分 子子 量量功功 能能 轉錄的終止轉錄的終止 指指RNARNA聚合酶在聚合酶在DNADNA模板上停頓下來不再前進，模板上停頓下來不再前進， 轉錄產物轉錄產物RNARNA鏈從轉錄復合物上脫落下來。鏈從轉錄復合物上脫落下來。 終止子及其結構：終止子及其結構： 概概念：念： DNA上提供上提供轉錄轉錄停止信停止信號號的一段序列

15、的一段序列稱為終稱為終止子止子(terminator)， 是一是一個個基因的末端或是一基因的末端或是一個個操操縱縱子的末端的一段特定序列。子的末端的一段特定序列。 真核生物的轉錄真核生物的轉錄 轉錄起始轉錄起始 真核生物真核生物 啟動子的結構啟動子的結構 核心啟動子核心啟動子（core promoter）：）： 指保證指保證RNA聚合酶聚合酶轉錄正常起始所必需的、最少的轉錄正常起始所必需的、最少的 DNA序列，包括轉錄起始位點及轉錄起始位點上游序列，包括轉錄起始位點及轉錄起始位點上游TATA區(qū)。區(qū)。 TATA 常在常在-25bp左右，相左右，相當當于原核的于原核的-10序列序列。 作用：選擇正

16、確的轉錄起始位點，保證精確起始。作用：選擇正確的轉錄起始位點，保證精確起始。 上游啟動子元件上游啟動子元件（upstream promoter element，UPE）：）： 包括包括CAATCAAT盒（盒（CCAATCCAAT）和）和GCGC盒（盒（GGGCGGGGGCGG）等）等 CAATCAAT盒：盒：-70 - -80bp-70 - -80bp； GCGC盒：盒：-80 - -110bp-80 - -110bp 作用：控制轉錄起始頻率作用：控制轉錄起始頻率。 真核細胞轉錄的起始步驟比較復雜，真核細胞轉錄的起始步驟比較復雜， 聚合酶聚合酶 II催化轉錄的催化轉錄的m RNA基因的基因的

17、啟動子在啟動子在-25b p中心處有中心處有-10b p盒盒 和和-110b p盒等。盒等。 轉錄起始點轉錄起始點 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增強子增強子 順式作用元件順式作用元件 (cis-acting element)(cis-acting element) 轉錄起始前的上游區(qū)段轉錄起始前的上游區(qū)段 AATAAA 切離加尾切離加尾 轉錄終止點轉錄終止點 修飾點修飾點 外顯子外顯子 翻譯起始點翻譯起始點 內內 含含 子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚體八聚體 順式作用元件順式作用元件(cis-acting element) : 可影響自身基因表達活性的可影響自身基

18、因表達活性的DNA序列。序列。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors): 能直接或間接辨認、結合順式作用元件并反式激活另一基因轉錄的蛋白質。能直接或間接辨認、結合順式作用元件并反式激活另一基因轉錄的蛋白質。 轉錄因子轉錄因子（(transcriptional factors, TF) :引起基因的轉錄引起基因的轉錄 反式作用因子中，直接或間接結合反式作用因子中，直接或間接結合RNA聚合酶的，則稱為轉錄因子。聚合酶的，則稱為轉錄因子。 轉錄起始前復合物轉錄起始前復合物(pre-initiation complex, PIC):(pre-initiation complex, PIC): 真核生物真核生物RNA-polRNA-pol不與不與DNADNA分子直接結合，而需依靠眾多的轉錄因子。分子直接結合，而需依靠眾多的轉錄因子。 轉錄延長轉錄延長 真核生物轉錄延長過程與原核