轉錄和轉錄組學

關于轉錄和轉錄組學ReplicationReplicationTranscriptionReverseTranscriptionTranslation中心法則（thecentraldogma）第2頁,共188頁，星期六，2024年，5月第3頁,共188頁，星期六，2024年，5月TheRoyalSwedishAcademyofScienceshasdecidedtoawardtheNobelPrizeinChemistryfor2006toRogerD.Kornberg

StanfordUniversity,CA,USA"forhisstudiesofthemolecularbasisofeukaryotictranscription".第4頁,共188頁，星期六，2024年，5月RogerD.Kornberg,born1947(59)inStLouis,MO,USA(UScitizen).PhDfromStanfordUniversity,CA,USA.Mrs.GeorgeA.WinzerProfessorinMedicineatStanfordUniversitySchoolofMedicine,CA,USA.第5頁,共188頁，星期六，2024年，5月OriginalscientificarticlesCramer,P.,Bushnell,D.A.andKornberg,R.D.(2001)Structuralbasisoftranscription:RNApolymeraseIIat2.8?ngstromresolution.Science292,1863-1876.Gnatt,A.L.,Cramer,P.,Fu,J.,Bushnell,D.A.andKornberg,R.D.(2001)Structuralbasisoftranscription:AnRNApolymeraseIIelongationcomplexat3.3?resolution.Science292,1876-1882.Bushnell,D.A.,Westover,K.D.,Davis,R.E.andKornberg,R.D.(2004)Structuralbasisoftranscription:AnRNApolymeraseII–TFIIBcocrystalat4.5angstroms.Science303,983-988.

ReviewarticleBoeger,H.,Bushnell,D.A.,Davis,R.,Griesenbeck,J.,Lorch,Y.,Strattan,J.S.,Westover,K.D.andKornberg,R.D.(2005).Structuralbasisofeukaryoticgenetranscription.FEBSLett.579,899-903.第6頁,共188頁，星期六，2024年，5月

SeveroOchoaArthurKornberg1/2oftheprize1/2oftheprizeUSAUSANewYorkUniversity,CollegeofMedicine

NewYork,NY,USAStanfordUniversity

Stanford,CA,USAb.1905

(inLuarca,Spain)

d.1993b.1918

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1959"fortheirdiscoveryofthemechanismsinthebiologicalsynthesisofribonucleicacidanddeoxyribonucleicacid"第7頁,共188頁，星期六，2024年，5月2006年諾貝氏生理醫(yī)學獎得主Dr.FireAandDrMelloC第8頁,共188頁，星期六，2024年，5月第9頁,共188頁，星期六，2024年，5月主要內容一、核糖核酸的類型、結構和功能二、RNA的合成三、真核細胞轉錄后修飾四、轉錄水平的基因表達調控五、RNA分析六、轉錄組學第10頁,共188頁，星期六，2024年，5月一、核糖核酸的類型、結構和功能類型編碼蛋白質：編碼RNA和非編碼RNA功能：rRNA,tRNA,mRNA小RNA(snRNA,snoRNA,scRNA)第11頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.核糖核酸的結構和功能4種核苷糖以磷酸二酯鍵連接的長鏈,A、U、C、G；戊糖是核糖。第12頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.1mRNA2.1.1.原核生物mRNA結構的特點：（1）多順反子；（2）mRNA5′端無帽子結構，3′端無多聚A尾；（3）mRNA一般沒有修飾堿基。第13頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.2.2.真核生物mRNA結構的特點：（1）5′端有帽子結構；（2）大多3′端有多聚A尾；（3）分子中可能有修飾堿基：主要有甲化；（4）分子中有編碼區(qū)與非編碼區(qū)。第14頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.2tRNA1.單鏈小分子；2.含有稀有堿基或修飾堿基；3.5′端總是磷酸化，5′末端往往是pG；4.3′端是CpCpAoH序列；5.三葉草結構；6.三級結構是倒L型。第15頁,共188頁，星期六，2024年，5月第16頁,共188頁，星期六，2024年，5月三級結構呈倒L形第17頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.3rRNA：原核生物：70S--由50S和30S組成真核生物：80S--由60S和40S組成第18頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.4核酶：分三類：異體催化的剪切型；自體催化的剪切型；內含子的自我剪接型。二級結構：錘頭結構；13（或11）個保守核苷酸。第19頁,共188頁，星期六，2024年，5月核酶的發(fā)現(xiàn)

1982年Cech在研究低等真核生物四膜蟲的rRNA加工成熟過程中發(fā)現(xiàn)其rRNA前體有自我剪接作用，即酶的作用，故把有催化活性的RNA稱核酶。第20頁,共188頁，星期六，2024年，5月底物部分含GU，催化部分包括3個莖。1～3個環(huán)，含13b保守序列CAAA，AC，AGUC，GUG核苷酸鏈斷裂點槌頭狀結構，最簡單的核酶第21頁,共188頁，星期六，2024年，5月核酶的意義動搖了酶是蛋白質的傳統(tǒng)概念。為地球上生命起源早期可能是先出現(xiàn)RNA提供證據(jù)。為人工合成核酶以破壞某些病原微生物，消除體內有害基因提供理論基礎。第22頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.5核內不均一RNA（hnRNA）真核細胞mRNA的前體加工過程：5′端加帽；3′端加尾；內含子的切除和外顯子的拼接；甲基化修飾；核苷酸序列的編輯作用。第23頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.6小分子核內RNA（snRNA）：尿嘧啶含量較高—用U命名（U1---U10）U1、U2、U4、U5、U6位于核漿內U3存在于核仁U7、U8、U9、U10只存在于哺乳動物2.7反義RNA：可與mRNA形成雙鏈，抑制翻譯。2.8microRNA調節(jié)mRNA的水平第24頁,共188頁，星期六，2024年，5月二、RNA的合成----轉錄(transcription）指在RNA聚合酶催化下，以DNA為模板，NTP為原料，合成RNA的過程。第25頁,共188頁，星期六，2024年，5月轉錄概述DNA為模板合成RNA的過程RNA聚合酶原料：ATP，UTP，CTP，GTP(NTP)Mg2+，Mn2+合成方向：5′→3′

連接方式：3′,5′-磷酸二酯鍵第26頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.1轉錄模板

模板鏈（templatestrand）也稱反意義鏈（antisensestrand)鏈或Watson鏈，即指導轉錄生成RNA的一股DNA單鏈。1.原核生物RNA的合成第27頁,共188頁，星期六，2024年，5月編碼鏈（codingstrand）也稱有意義鏈（sensestrand)或Crick鏈，指不被轉錄的DNA單鏈。其堿基序列除有T無U外，與轉錄產(chǎn)物RNA相同。

第28頁,共188頁，星期六，2024年，5月5′……GCAGTACATGTC……..3′3′……cgt

catgta

cag

……..5′5′……

GCAGUACAUGUC..…..3′N……Ala

.Val.

His.Val……C

DNARNA肽轉錄翻譯編碼鏈模板鏈第29頁,共188頁，星期六，2024年，5月5'

3'5'3'5'5'不對稱轉錄

結構基因:能轉錄出RNA的DNA區(qū)段第30頁,共188頁，星期六，2024年，5月不對稱轉錄(asymmetrictranscription）

DNA片段（結構基因）轉錄時，雙鏈DNA中只有一條鏈作為轉錄的模板，且模板鏈并非總在同一條單鏈上，這種轉錄方式稱為不對稱轉錄。第31頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.2原核生物RNA聚合酶（DNA-dependentRNApolymerase，RNA-pol，DDRP）（1種）1.2.1.組成全酶：2′

（核心酶+）核心酶：2′第32頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.2.2.作用α亞基：

決定那些基因被轉錄。β亞基：

催化與模板配對的相鄰NTP以3′,5′-磷酸二酯鍵相連。β′亞基：促進酶與模板鏈結合，并使DNA雙鏈打開。(核心酶：催化RNA鏈的延長，參與整個過程。)第33頁,共188頁，星期六，2024年，5月σ亞基：

辨認轉錄起始位點，并與核心酶結合成全酶啟動轉錄。

σ70：辨認一般轉錄起始點。

σ32：辨認原核生物熱休克基因(hsp)的轉錄起始點。

第34頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.2.3.特點聚合速率慢，30~50NTP/s。無外切酶活性，無校對功能，錯誤率10-6。β亞基可被利福平，利福霉素結合、抑制。第35頁,共188頁，星期六，2024年，5月

原核生物的RNA聚合酶全酶及其在轉錄起始區(qū)的結合DNA雙鏈以打開，

因子尚未脫落

-35TTGACATATAAT

′+20

+1第36頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.3.模板與酶的辨認結合啟動子（promoter）轉錄開始進行時，RNA聚合酶與模板結合的特定部位，也是調控轉錄的關鍵部位。第37頁,共188頁，星期六，2024年，5月原核生物啟動子結構識別部位：

-35bp區(qū)，TTGACA，因子識別此部位。結合部位：

-10bp區(qū)（Pribnowbox）

TATAAT，Tm低，DNA易解鏈。轉錄起始點（startsite）：以+1表示第38頁,共188頁，星期六，2024年，5月RNApol保護區(qū)結構基因終止點+1第39頁,共188頁，星期六，2024年，5月第40頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.4.原核生物的轉錄過程σ識別起始位點，RNApol全酶解開雙鏈DNA10～20bp形成轉錄空泡。1.4.1.轉錄起始第41頁,共188頁，星期六，2024年，5月原核生物的RNA聚合酶全酶及其在轉錄起始區(qū)的結合DNA雙鏈以打開，

因子尚未脫落

-35TTGACATATAAT

′+20

+1第42頁,共188頁，星期六，2024年，5月全酶催化與模板配對結合的頭兩個NTP（GTP多見，或ATP）以磷酸二酯鍵相連成5′pppGpN-OH3′，轉錄泡變?yōu)檗D錄起始復合物。RNApol(2′

)-DNA-pppGpN-OH。σ因子脫落，核心酶變構，與模板鏈結合變松，沿DNA滑動。第43頁,共188頁，星期六，2024年，5月第44頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.4.2.轉錄延長核心酶沿模板鏈3′→5′滑動，催化與模板堿基配對結合的相鄰NTP之間以磷酸二酯鍵相連，RNA鏈沿5′→3′延長。轉錄泡隨核心酶滑動而移動，生成的RNA與DNA模板形成約12bp雜化雙鏈，過長的RNA脫離模板鏈，伸出轉錄泡外。第45頁,共188頁，星期六，2024年，5月第46頁,共188頁，星期六，2024年，5月

第47頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.4.3.轉錄終止轉錄到終止信號時,酶停止滑動,轉錄終止。第48頁,共188頁，星期六，2024年，5月終止信號（terminator）DNA特定部位富含GC回文區(qū)與富含AT配對區(qū)，轉錄后使mRNA形成發(fā)卡結構，以終止轉錄。

蛋白輔助識別終止信號，參與終止。第49頁,共188頁，星期六，2024年，5月第50頁,共188頁，星期六，2024年，5月（1）非依賴因子的終止

GC區(qū)形成發(fā)卡結構，聚U區(qū)配對不穩(wěn)定，使RNA釋放。第51頁,共188頁，星期六，2024年，5月5′5′第52頁,共188頁，星期六，2024年，5月（2）依賴

因子的終止沿RNA鏈5′→3′滑動的因子追上RNApol，并與RNA中富C區(qū)結合，誘導RNA聚合酶構象改變，

因子的解螺旋酶活性使RNA釋放。第53頁,共188頁，星期六，2024年，5月富Cpolymerasepolymerase第54頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.2.真核生物RNA的生物合成第55頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.2.1真核生物RNA聚合酶

種類IIIIII轉錄產(chǎn)物45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA鵝膏蕈堿耐受極敏感

中度敏感利福平不敏感不敏感不敏感亞細胞定位核仁核質核質分子量550KD600KD600KD第56頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.2.2.真核生物啟動子結構（以RNA

polⅡ為例）識別部位：-70區(qū)CAAT盒結合部位：-25區(qū)TATAbox（Hognessbox）

CAAT上游的GC盒含增強子(enhancer)和靜息子(silencer)第57頁,共188頁，星期六，2024年，5月+1增強子（+）靜息子（-）

基礎表達（啟動子）結構基因-25-70第58頁,共188頁，星期六，2024年，5月順式作用元件(cis-actingelement)

轉錄上游區(qū)與轉錄相關的具有調控作用DNA序列。反式作用因子(trans-actingfactor)

能直接或間接辨認、結合轉錄上游區(qū)段DNA的蛋白質。轉錄因子(transcriptionalfactor,TF)

能直接或間接結合RNApol的反式作用因子。第59頁,共188頁，星期六，2024年，5月起始:復雜

DNA在開鏈前，需多種轉錄因子（TFⅡ）結合后，RNApolⅡ加入形成轉錄起始前復合物（pre-initiationcomplex,PIC)。2.2.3.真核生物轉錄的特點：第60頁,共188頁，星期六，2024年，5月參與RNApolⅡ轉錄的TFⅡ轉錄因子分子量功能TFⅡA12，19，35穩(wěn)定TFⅡD結合TFⅡB33促進polⅡ結合TFⅡD38辨認TATA盒TFⅡE57(α)34(β)ATPaseTFⅡFTFIIH30，74

解旋酶蛋白激酶活性第61頁,共188頁，星期六，2024年，5月

TFⅡDTFⅡATFⅡBpolⅡ/TFⅡFTFⅡE

TATAPICTATAADBFDNARNApolⅡEHTFIIH第62頁,共188頁，星期六，2024年，5月延長：除轉錄和翻譯是兩個時空進行外，與原核生物大致相似。

第63頁,共188頁，星期六，2024年，5月終止：●

mRNA3′端轉錄出AAUAAA及富GU序列后，在AAUAAA后約11～13b的修飾點（processing）被切斷，游離的mRNA戴帽、加尾。螺旋酶使在AAUAAA后繼續(xù)轉錄出的RNA脫離模板鏈，轉錄終止，RNApolⅡ脫落，該RNA被RNase水解。第64頁,共188頁，星期六，2024年，5月AAUAAA——GUGUGUG5′——AAUAAA——ployA真核生物的轉錄終止1323'processingGUGUGUG解螺旋酶核酸酶第65頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.mRNA前體的加工

hnRNA（核內不均一RNA）：mRNA前體經(jīng)加工修飾后成為成熟的mRNA。三、真核生物的轉錄后修飾第66頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.1.5′末端加帽（核內）5′末端帽子m7GpppG的生成第67頁,共188頁，星期六，2024年，5月G第68頁,共188頁，星期六，2024年，5月功能穩(wěn)定mRNA結構給核蛋白體提供識別信號第69頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.2.3′末端加尾（核內）轉錄終止時在修飾點切除多余的RNA。在polyA聚合酶催化下，以ATP為原料在修飾點后逐個加上AMP形成polyA尾(100～200b)。第70頁,共188頁，星期六，2024年，5月功能維持了mRNA的活性穩(wěn)定mRNA結構參與mRNA由核進入胞漿第71頁,共188頁，星期六，2024年，5月

斷裂基因(splitegene)：

真核生物的結構基因（編碼序列）中插入若干非編碼序列而被隔開，故稱斷裂基因。1.3.剪接（splicing）（核內）第72頁,共188頁，星期六，2024年，5月hnRNA(hetero-nuclearRNA):雜化核RNA:mRNA的前體,核內出現(xiàn)的mRNA的初級轉錄產(chǎn)物.第73頁,共188頁，星期六，2024年，5月成熟mRNA與基因DNA雜交電鏡所見第74頁,共188頁，星期六，2024年，5月104318551129118143156第75頁,共188頁，星期六，2024年，5月

外顯子(exon)

在斷裂基因及其初級轉錄產(chǎn)物上出現(xiàn),并表達為成熟RNA的核酸序列。內含子(intron)

隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。第76頁,共188頁，星期六，2024年，5月內含子的分類：按基因類型和剪接方式分為4種

I、II類；自身剪接(線粒體,葉綠體;rRNA,mRNA)III類：形成套索結構后剪接(mRNA)IV類：剪接需酶和ATP(tRNA)按基因線性表達分為翻譯前切除，翻譯繞過，翻譯后切除3種。剪接方式第77頁,共188頁，星期六，2024年，5月第78頁,共188頁，星期六，2024年，5月內含子的功能利于物種的進化選擇基因表達的調控第79頁,共188頁，星期六，2024年，5月剪接：hnRNA剪切內含子，拼接外顯子，連接為成熟mRNA的過程。剪接部位為內含子末端的特定序列

5′-GU·······AG-3′套索的形成及剪除機制——二次磷酸酯轉移第80頁,共188頁，星期六，2024年，5月snRNA(smallnuclearRNA)

100－300bp的核內小RNA.

已發(fā)現(xiàn)U1、U2、U4、U5、U6剪接體：snRNA和核內蛋白質構成的小分子核糖核蛋白體（snRNP),能結合hnRNA內含子區(qū)段，使內含子彎曲，3′和5′靠近，利于剪接。第81頁,共188頁，星期六，2024年，5月第82頁,共188頁，星期六，2024年，5月第83頁,共188頁，星期六，2024年，5月第84頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.4.甲基化甲基化發(fā)生在剪接之前，在非編碼區(qū)分子含1~2個m6A。第85頁,共188頁，星期六，2024年，5月1.5.RNA編輯（RNAediting）遺傳信息在mRNA水平上的改變過程，稱為RNA編輯。某些mRNA的核苷酸序列，在生成轉錄產(chǎn)物后還需插入、刪除或取代一些核苷酸殘基，方能生成具有正確翻譯功能的模板。第86頁,共188頁，星期六，2024年，5月apoBmRNA的編輯加工第87頁,共188頁，星期六，2024年，5月

5′末端加帽

3′末端加尾（剪切內含子，拼接外顯子）剪接hnRNAmRNA修飾編輯小結：第88頁,共188頁，星期六，2024年，5月2.tRNA的轉錄后加工串聯(lián)tRNA初級轉錄產(chǎn)物由RNaseP從tRNA單體的5′端切下單個tRNA。RNA內切核酸酶切除反密碼環(huán)前身中內含子，連接酶連接反密碼環(huán)。第89頁,共188頁，星期六，2024年，5月RNaseD從3′切下幾個核苷酸，核苷酸轉移酶催化3′末端加上?CCA?OH。甲基化：A→mA、G→mG（甲基轉移酶）還原：形成DHU環(huán)異構：U→Ψ脫氨：A→I第90頁,共188頁，星期六，2024年，5月第91頁,共188頁，星期六，2024年，5月3.rRNA的轉錄后加工3.1.特點rDNA為高度重復序列，真核生物初級轉錄產(chǎn)物為45SrRNA的串聯(lián)rRNA。

原核：5~107個拷貝真核：果蠅260個拷貝第92頁,共188頁，星期六，2024年，5月3.2.過程RNA內切酶（多種）切下45SrRNA的單位，甲基化后切成18S、5.8S和28SrRNA。5SrRNA由RNApolⅢ從rDNA外轉錄出，無成熟過程。第93頁,共188頁，星期六，2024年，5月第94頁,共188頁，星期六，2024年，5月四、轉錄水平的基因表達調控第95頁,共188頁，星期六，2024年，5月第96頁,共188頁，星期六，2024年，5月第97頁,共188頁，星期六，2024年，5月基因表達（geneexpression）是指基因組中結構基因經(jīng)過轉錄、翻譯等過程，合成蛋白質，進而發(fā)揮其特定的生物學功能的全過程。第98頁,共188頁，星期六，2024年，5月RNA的合成

4種NTP、DNA模板、RNA聚合酶轉錄單位：結構基因、啟動子、終止子按堿基配對原則,沿5’---3’方向真核生物有三型RNA聚合酶分為起始階段、延長階級和終止階段轉錄后的產(chǎn)物經(jīng)加工成為成熟的RNA第99頁,共188頁，星期六，2024年，5月蛋白質的合成合成體系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖體、某些酶與蛋白質因子、ATP、GTP、MgmRNA編碼區(qū)的三個相鄰核苷酸組成密碼子tRNA起接合器作用，核糖體是合成場所和裝配機核糖體循環(huán)：起始、肽鏈延長和終止翻譯后加工：折疊、共價修飾、水解和亞單位的聚合第100頁,共188頁，星期六，2024年，5月基因表達及其調控的特點管家基因（housekeepinggene）在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因。組成性基因表達（constitutivegeneexpression）管家基因的表達方式，較少受環(huán)境影響，在個體各生長階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達或變化很小。第101頁,共188頁，星期六，2024年，5月誘導表達（inductionexpression）有一些基因表達極易受環(huán)境影響，在特定環(huán)境信號刺激下，基因的表達開放或增強。阻遏表達（repressionexpression）在特定環(huán)境信號刺激下，基因的表達關閉或減弱。第102頁,共188頁，星期六，2024年，5月時間特異性（temporalspecificity）在多細胞生物，從受精卵到組織、器官形成的各個發(fā)育階段，相應的基因嚴格按照一定的時間順序開啟或關閉?？臻g特異性（spatialspecificity）在個體生長全過程，某基因產(chǎn)物在不同組織空間順序出現(xiàn)。第103頁,共188頁，星期六，2024年，5月協(xié)調表達（coordinatedexpression）功能相關的一組基因，協(xié)調一致，共同表達。又稱協(xié)調調節(jié)（coordinatedregulation）第104頁,共188頁，星期六，2024年，5月基因表達的調控（geneexpressionregulation）是指各種細胞中相同的遺傳信息，有規(guī)律的選擇性、程序性、適度的表達以適應機體生長、發(fā)育、繁殖以及環(huán)境變化的需要，發(fā)揮其生理功能的調節(jié)和控制。第105頁,共188頁，星期六，2024年，5月基因表達調控的生理意義適應環(huán)境、維持生長和增殖維持個體發(fā)育與分化第106頁,共188頁，星期六，2024年，5月基因表達調控的基本原理基因表達的多級調控基因轉錄激活調節(jié)基本因素特異DNA序列調節(jié)蛋白DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質相互作用RNA聚合酶第107頁,共188頁，星期六，2024年，5月Transcription5’GATCTGACTGACATAGACATAGAT3’

coding(=non-template)strand3’CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA5’

templatestrand

5’GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU3’mRNA

第108頁,共188頁，星期六，2024年，5月

4.1.原核生物基因表達的調控第109頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.1.1轉錄水平的調控

影響轉錄的因素啟動子σ因子阻遏蛋白正調控蛋白倒位蛋白RNA聚合酶抑制物衰減子第110頁,共188頁，星期六，2024年，5月操縱子（operon）調控區(qū)信息區(qū)啟動子操縱基因第111頁,共188頁，星期六，2024年，5月啟動子決定轉錄方向及模板鏈：E.coli的啟動子長約40-60bp，至少包括三個功能區(qū)。起始部位（initiationsite）＋1結合部位（bindingsite）-10bp，RNA聚合酶與之結合T80A95T45A60A50T96識別部位（recognitionsite）-35bp，σ因子與之結合T82G78A65C54A95第112頁,共188頁，星期六，2024年，5月σ因子不同的因子σ可以競爭性的結合RNA聚合酶,環(huán)境變化可由到產(chǎn)生特定的σ因子，從而打開一套特定的基因。阻遏蛋白（repressor）與DNA結合后都是抑制轉錄，這種基因表達調控的方式稱為負調控。第113頁,共188頁，星期六，2024年，5月正調控蛋白與DNA結合后促進轉錄，這種基因表達調控的方式稱為正調控。CAP蛋白(catabolicgeneactivatorprotein，CAP)分解代謝物基因活化蛋白ntrC蛋白是大腸桿菌氮代謝基因激活蛋白，其自身活性可通過ntrB使其磷酸化（有活性）和去磷酸化（無活性）而被調節(jié)第114頁,共188頁，星期六，2024年，5月consensusTATA(Pribnow)boxE.coliPromoters

第115頁,共188頁，星期六，2024年，5月倒位蛋白（inversionprotein）是一種位點特異的重組酶。沙門菌H1和H2鞭毛蛋白分別由兩個基因編碼，在一個細菌克隆中以表達一種鞭毛抗原為主。衰減子（attenuator）又稱弱化子，位于操縱子中第一個結構基因之前，是一段能減弱轉錄作用的序列。第116頁,共188頁，星期六，2024年，5月RNA聚合酶抑制物細菌在缺乏氨基酸的環(huán)境中，RNA聚合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成減少或停止這種現(xiàn)象稱為嚴謹反應（stringentresponse）第117頁,共188頁，星期六，2024年，5月Positivevs.NegativeRegulation第118頁,共188頁，星期六，2024年，5月AllostericEffectorsBindingcanalsoberequiredforbindingofrepressor(e.g.Trp)orcanblockanactivator.第119頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.1.2.轉錄的調控機制乳糖操縱子調控的機制阿拉伯糖操縱子的調控機制色氨酸操縱子的調控機制第120頁,共188頁，星期六，2024年，5月乳糖操縱子（lacoperon）結構特點三個結構基因Z、Y、A，分別編碼β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)、透酶(permease)和半乳糖苷乙?；?galactosideacetylase)其上游還有一個啟動子（P）和一個操縱基因（O）啟動子上游還有一個CAP蛋白結合位點第121頁,共188頁，星期六，2024年，5月OrganizationofLacOperonandLacIOperonpromoterRibosomeinitiation第122頁,共188頁，星期六，2024年，5月RegulationofGeneExpressionIPTGalsoinducesSplitslactoselactosetransport??（異丙基硫代半乳糖苷）半乳糖第123頁,共188頁，星期六，2024年，5月第124頁,共188頁，星期六，2024年，5月cAMPAMPACAdenylatecyclaseandCAPmediateglucoserepressionofLacAdenylatecyclase(AC)isanenzymethatsynthesizescyclicAMP(cAMP)fromATPHighglucose

adenylatecyclaseisinhibited(indirectly,viaacatabolicproduct)

ThereforecAMPlevelsareLOWAbsenceofglucose

adenylatecyclaseisNOTrepressed

ThereforecAMPlevelsareHIGHcAMPformsacomplexwiththeCAPprotein,whichallowsittothenbindtotheCAPsiteupstreamoftheLacoperon.BindingoftheCAPproteinisrequiredtoallowRNApolymerasetobindtothelacpromoterandturnontranscription.IntheabsenceofCAPbinding,thereisno(orverylittle)transcriptionofthelactoseoperon,eveninthepresenceoflactose.glucose第125頁,共188頁，星期六，2024年，5月CAPBindingBendsDNAvThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding第126頁,共188頁，星期六，2024年，5月CAPmediatesglucoserepressionofLacPromotestranscription第127頁,共188頁，星期六，2024年，5月調控機制I基因編碼產(chǎn)生阻遏蛋白，阻遏蛋白為四聚體，在沒有乳糖的條件下，阻遏基因與操縱基因結合。當有乳糖存在時，經(jīng)透酶作用進入細胞，在β-半乳糖苷酶催化下轉變成半乳糖，后者作為誘導劑（inducer）與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白與操縱基因解聚，結構基因轉錄。第128頁,共188頁，星期六，2024年，5月Lactose

Glucose-+--+-++LacICAP-cAMPFourStatesoftheLacOperon第129頁,共188頁，星期六，2024年，5月

阿拉伯糖操縱子（araoperon）結構特點結構基因B、A、D，分別編碼異構酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖轉變?yōu)?-磷酸木酮糖調控區(qū)由啟動子（P）、起始區(qū)（I）和操縱基因（O）構成第130頁,共188頁，星期六，2024年，5月CAP第131頁,共188頁，星期六，2024年，5月調控機制C基因是調節(jié)基因，編碼調控蛋白AraC，AraC蛋白單獨存在時，結合到araO1和araO2，表現(xiàn)出負調控；阿拉伯糖使AraC蛋白變構，結合到araI上，表現(xiàn)正調控。在ara操縱子基因表達調控中，CAP蛋白的調控作用不顯著。第132頁,共188頁，星期六，2024年，5月TheArabinoseOperon

ThislooppreventsRNAtranscription(NOTtrueforallloops)NoArabinosepresent,operonOFFArabinosepresent,Glucoseabsent,operonON第133頁,共188頁，星期六，2024年，5月調控作用有葡萄糖，有或無阿拉伯糖：關閉無葡萄糖，無阿拉伯糖：關閉無葡萄糖，有阿拉伯糖：開放第134頁,共188頁，星期六，2024年，5月

色氨酸操縱子（trpoperon）結構特點E.coli的色氨酸操縱子有五個結構基因E、D、C、B、A基因編碼三種酶，用于合成色氨酸，上游調控區(qū)由啟動子（P）和操縱基因（O）組成R基因編碼阻遏蛋白第135頁,共188頁，星期六，2024年，5月第136頁,共188頁，星期六，2024年，5月GenomicOrganizationoftheTrpOperon

第137頁,共188頁，星期六，2024年，5月調控機制阻遏型操縱子及衰減機制。衰減子位于結構基因E和操縱基因O之間的L基因中。L基因的部分轉錄產(chǎn)物編碼14個氨基酸，其中含兩個相鄰的色氨酸密碼子，這兩個相鄰的色氨酸密碼子及原核生物中轉錄和翻譯的偶聯(lián)是產(chǎn)生衰減的基礎。調控作用將環(huán)境中的色氨酸消耗完，然后開始自身合成。第138頁,共188頁，星期六，2024年，5月ControlofGeneExpressionintheTrpOperonTheenzymecatalyzingthefirststepinthepathwayisinhibitedbyTrp(feedbackcontrol).InthepresenceofTrp,arepressorproteinbindstoanoperatorupstreamoftheTrpoperonandshutsofftranscriptionAttenuation.Thereisa160basepairregionintheTrpmRNAthatcausestranscriptiontoterminateprematurelyifTrpispresent.第139頁,共188頁，星期六，2024年，5月TrranscriptionalControl第140頁,共188頁，星期六，2024年，5月AttenuationControl第141頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.1.2.翻譯水平的調控SD序列（Shine-Dalgarnosequence）原核細胞多順反子mRNA上的一段序列，位于起始密碼子上游SD序列與起始密碼子的距離、蛋白質對SD序列的作用，影響翻譯的起始mRNA二級結構隱蔽SD序列的作用第142頁,共188頁，星期六，2024年，5月mRNA的穩(wěn)定性mRNA的降解速度是翻譯調控的一個重要因素mRNA的穩(wěn)定與其序列和結構（即一級結構與次級結構）有關第143頁,共188頁，星期六，2024年，5月翻譯產(chǎn)物對自身翻譯的影響核糖體蛋白50種蛋白質分布于不同操縱子各自編碼一種可結合于mRNA多順反子上游特定部位的蛋白質，阻止核蛋白體結合翻譯終止因子RF2調節(jié)自身的翻譯前25個密碼子與后315個密碼子間的UGAC在無RF2時框移第144頁,共188頁，星期六，2024年，5月小分子RNA的調控作用調整基因表達產(chǎn)物的類型mRNA干擾性互補RNA（mRNAinterferingcomplementaryRNA，micRNA）低水平表達基因的調控小分子RNA阻遏物在翻譯水平嚴格控制低水平基因表達第145頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.真核基因的表達調控第146頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.1.

DNA水平的調控染色質丟失低等生物及動物紅細胞，不可逆基因擴增基因重排

基因片段改變原銜接順序，重排為完整的轉錄單位第147頁,共188頁，星期六，2024年，5月DNA甲基化與基因的表達成反比關系直接改變基因的構型影響轉錄因子與順式作用元件結合5′端調控序列甲基化后與核內甲基化CG序列結合蛋白結合DNaseⅠ高敏感區(qū)為去甲基化的標志染色質結構改變組蛋白與DNA結合與解離非組蛋白與組蛋白競爭結合DNA，解除組蛋白對基因表達的抑制第148頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.2.轉錄水平的調控

轉錄起始復合物的形成:真核生物的RNA聚合酶識別的不是單純的DNA序列，而是由一個通用轉錄因子（transcriptionfactor,TF）與DNA形成的蛋白質-DNA復合物TFIID結合TATA盒RNA聚合酶結合TFⅡD，形成閉合的復合物其它TF與RNA聚合酶形成開放的復合物第149頁,共188頁，星期六，2024年，5月反式作用因子真核細胞內序列特異的DNA（8-15bp）結合蛋白可以使基因開放（正調控）或關閉（負調控）三個功能結構域：DNA結合域，轉錄活性域，結合其它蛋白結構域第150頁,共188頁，星期六，2024年，5月DNAStructure–Major

andMinorGrooves第151頁,共188頁，星期六，2024年，5月DNA結合域（DNA-bindingdomain）鋅指結構（Zincfingermotif）同源結構域（Homodomain）亮氨酸拉鏈（Leucinezipper）螺旋－環(huán)－螺旋(Helix-loop-helixstructure)堿性α螺旋（Alkalineα-helix）第152頁,共188頁，星期六，2024年，5月ZincFingerMotif第153頁,共188頁，星期六，2024年，5月Helix-Turn-HelixMotif第154頁,共188頁，星期六，2024年，5月LeucineZipper第155頁,共188頁，星期六，2024年，5月LeucineZipperZipper:every7thresidueisaLeu

Hydrophobicinterface第156頁,共188頁，星期六，2024年，5月H-BondinginaProtein-DNAInteraction第157頁,共188頁，星期六，2024年，5月轉錄活化結構域（transcriptionalactivationdomain）酸性α-螺旋結構域（acidicα–helixdomain）富含谷氨酰胺結構域（glutamine-richdomain）富含脯氨酸結構域（proline-richdomain）第158頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.3.轉錄起始的調控反式作用因子的活性調節(jié)表達式調節(jié)合成后即有活性，不能積累共價修飾磷酸化、去磷酸化，糖基化配體結合激素受體蛋白質與蛋白質相互作用復合物的解離與形成第159頁,共188頁，星期六，2024年，5月反式作用因子與順式元件的結合反式作用因子的作用方式成環(huán)扭曲滑動Oozing反式作用因子的組合式調控作用組合式基因調控（conbinatorialgeneregulation）幾種反式作用因子組合而發(fā)揮特定作用第160頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.4.轉錄后水平的調控加帽和加尾的調控意義選擇剪接的調控作用選擇剪接（alternativesplicing）：exon，intron是否出現(xiàn)在成熟mRNA是可以選擇的Exon選擇，intron選擇，互斥exon，內部剪接位點mRNA運輸?shù)目刂频?61頁,共188頁，星期六，2024年，5月第162頁,共188頁，星期六，2024年，5月第163頁,共188頁，星期六，2024年，5月第164頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.5.翻譯水平的調控翻譯起始的調控阻遏蛋白的調控作用翻譯起始因子的功能調控AUG對翻譯的調控mRNA5′非編碼區(qū)長度對翻譯的影響mRNA穩(wěn)定性調節(jié)小分子RNA對翻譯水平的影響第165頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.6.翻譯后水平的調控新生肽鏈的水解肽鏈中氨基酸殘基的修飾通過信號肽分揀、運輸、定位第166頁,共188頁，星期六，2024年，5月4.2.7.組織特異性表達和時相性Spatialrestrictionofgeneexpression(c.p:housekeepinggenes)Multipleorgan/tissuepattern(e.g.