转录的多种终止机制
基因转录与转录后的调控机制
基因转录与转录后的调控机制随着科技的不断发展，基因和基因表达调控机制已成为生命科学领域的研究热点之一。
其中，基因转录及其后续调控机制是十分重要的研究方向之一。
本文将从基因转录和转录后调控两个方面进行探讨。
一、基因转录基因转录是指从DNA序列到RNA序列的过程。
在细胞核中，通过RNA聚合酶（RNA polymerase）在DNA模板上进行拷贝，以便生成mRNA。
这是一种“单向”反应，从DNA到RNA，而不是从RNA到DNA。
因此，基因转录是一个重要的生物学过程，它将DNA的信息转换为RNA信使分子的语言。
在基因转录过程中，RNA聚合酶需要依赖一些调节因子来进行启动、维持、终止和调节不同基因的转录。
这些调节因子与核心酶（RNA polymerase）一起形成转录复合物，通过不同的信号途径来调控特定基因（甚至是大量的基因）的表达。
二、转录后调控机制基因转录是基因表达的第一个步骤，它为细胞合成蛋白质提供了平台。
然而，除了基因转录以外，还有一系列的转录后调控机制来进一步调节基因表达，使细胞能够对内在和外在变化做出响应。
1. RNA修饰：在转录后，RNA分子可以被修饰，包括人类经典的RNA修饰，如N6-甲基腺嘌呤（m6A）、5-甲基胞苷（m5C）、伪尿苷（Ψ）等。
这些修饰可以影响RNA的稳定性、核酸性质和RNA与其他分子（如蛋白质、DNA等）的互动，从而对RNA的功能和基因表达调节产生重要影响。
2. RNA剪切：在RNA剪切过程中，前体mRNA分子中的外显子和内含子被剪切掉，产生成熟的mRNA分子。
这个过程可以通过调节剪切位置、频率和速率等来产生多种形式的mRNA。
这些不同的mRNA分子可以编码不同的蛋白质，从而对基因表达进行调节。
3. RNA降解：在RNA降解过程中，RNA分子可以通过不同的途径降解。
这个过程是非常重要的，因为RNA的稳定性会影响RNA分子的功能和表达级别。
RNA降解机制还可以提供额外的调节控制，因为RNA分子的寿命是可以被调节和控制的。
转录的机制
第一节: 第一节:原核生物的转录机制 大肠杆菌RNA RNA聚合酶 一,大肠杆菌RNA聚合酶 大肠杆菌RNA聚合酶是大肠杆菌细胞中最大的酶之 大肠杆菌RNA聚合酶是大肠杆菌细胞中最大的酶之 RNA 该酶至少有5种亚基组成,它们分别是α 一,该酶至少有5种亚基组成,它们分别是α,β,β', , ω和σ亚基.RNA聚合酶全酶包括两个α亚基,另外4 亚基.RNA聚合酶全酶包括两个 亚基,另外4 聚合酶全酶包括两个α 个亚基各一个分子( ββ'ωσ).全酶 ωσ). 个亚基各一个分子(即α2ββ ωσ).全酶 (holoenzyme)是转录起始所必需的. (holoenzyme)是转录起始所必需的.σ因子对转录的 是转录起始所必需的 延伸不是必需的. 延伸不是必需的.在转录起始后它就从转录复合物上 释放出来.不含σ因子的酶称为核心酶( 释放出来.不含σ因子的酶称为核心酶(即 ββ'ω α2ββ ω).
二,σ70启动子 启动子是DNA分子上RNA聚合酶首先结合的序列.大肠 启动子是DNA分子上RNA聚合酶首先结合的序列. DNA分子上RNA聚合酶首先结合的序列 杆菌中,其中最常见的σ因子是σ 杆菌中,其中最常见的σ因子是σ70(因其分子量为 KD而得命).σ 识别的启动子由40至 bp的序 而得命). 70 KD而得命).σ70识别的启动子由40至60 bp的序 列组成.通过比较不同基因的启动子序列, 列组成.通过比较不同基因的启动子序列,人们在大 肠杆菌基因的启动子中发现了两个6 bp的共有序列 的共有序列, 肠杆菌基因的启动子中发现了两个6 bp的共有序列, 一个在-10位置 另一个在-35位置 位置, 位置. 一个在-10位置,另一个在-35位置.共有序列是指 一系列相关但不相同的序列在各个位置上最常出现的 核苷酸构成的序列. 核苷酸构成的序列.
转录过程分为三个阶段起始initiation延长elongation终止
• 真核生物的转录起始是在转录因子的 协助下，RNA聚合酶辨认结合转录起 始点上游的DNA序列 (启动子)，生成 起始复合物。
RNA聚合酶 TF II F
TF II D
TF II A
TATA
TF II B
TF II E
DNA
转录前起始复合物
二、转录延长
最强； • 因子还有ATP酶和解螺旋酶的活性。
2. 不依赖ρ因子的转录终止 DNA模板上靠近终止处，有特殊的
碱基序列，转录出RNA后，RNA产物 形成特殊的结构来终止转录。
特殊结构终止转录的机制： • 发夹结构改变RNA聚合酶构象，使酶停
止移动； • DNA、RNA各自形成自身双链使杂交体
不稳定而分离； • 3´－端一连串U，UA配对最不稳定，
分为三个阶段： 起始(initiation) 延长(elongation) 终止(termination)
一、转录起始
1. RNA聚合酶结合在转录模板 的起始区域
2. DNA双链解开，以一条链为模 板，合成第一个磷酸二酯键
(一) 原核生物的转录起始 RNA 聚合酶
σ
pppG N'T-OPH
PPi
转录起始复合物
(RNA聚合酶全酶－DNA－pppGpN'-OH)
(二) 真核生物的转录起始
• 反式作用因子中，直接或间接结合 RNA聚合酶的，称为转录因子 (transcriptional factor，TF）。
• 相应于RNA-polⅠ、Ⅱ、Ⅲ的TF，
分别称为TF Ⅰ 、TF Ⅱ 、TF Ⅲ。 • TFⅡ又分为TFⅡA、TFⅡB……等。
(一) 噬菌体DNA在试管内进行转录实验， 转录产物比在细胞内转录出的要长。说明： ①转录终止信号是可以跨越的； ②细胞内某些因素有执行转录终止的功能。
2转录的延伸、终止以及RNA的加工
真核生物mRNA结构特征
(1) 许多是以单顺反子形式存在； (2) 真核生物mRNA的5′端存在“帽子”结构 转录始于核苷三磷酸（经常是A或G）。 初始序列： 5′pppA/GpNpNpNp… 加工后序列：5′GpppA/GpNpNpNpNp…
5′ Gppp+pppApNpNp …
5′GpppApNpNp…+PP+P
第二节 转录的延伸、终止 及RNA加工
一、转录的延伸
RNA链延伸的基本过程 RNA链延伸的暂停 RNA链延伸的再次启动
RNA链延伸的 基本过程 核苷酸加
RNA polymerase changes size at initiation
到RNA链的
3′-OH上，
RNA链延长。
RNA链的延长，不是以恒定速度进行的
λ 噬菌体 抗终止蛋白N：与DNA茎环区结合；NusA： 与聚合酶及N结合；NusB、S10和其它蛋白 改变聚合酶构象，使其对前面的终止信号不 敏感。
启动区 抗终止位点
转录终止信号
Antitermination extends the transcription unit
抗终止蛋白作用在RNA聚合酶上，使之越 过特定终止子而通读
Rho has an N-terminal RNA-binding domain and a C-terminal ATPase domain. A hexamer in the form of a gapped ring binds RNA along the exterior of the N-terminal domains.
RNA polymerase can recover from pausing
二、原核生物转录的终止
转录相关信息
转录相关信息
1. 什么是转录?
转录是指细胞利用DNA的遗传信息合成RNA的过程。
在这个过程中,DNA上的特定基因序列被复制到RNA分子上,RNA分子承载了编码蛋白质的遗传信息。
2. 转录的步骤
转录过程可分为三个主要步骤:
(1) 起始:RNA聚合酶识别DNA上的启动子序列,并与其结合,形成转录复合物。
(2)延伸:RNA聚合酶开始沿着DNA模板链合成互补的RNA分子。
(3) 终止:RNA聚合酶到达终止序列时,RNA分子从DNA模板链和RNA聚合酶上释放。
3. 转录的调控
转录过程受多种因素调控,包括:
- 转录因子:与特定DNA序列结合,促进或抑制RNA聚合酶的结合。
- 染色质结构:DNA与蛋白质的包装状态影响转录的可及性。
- 细胞信号传导途径:外源和内源信号通过调节相关蛋白激酶等,影响转录因子的活性。
4. 转录后加工
大多数真核生物的基因在转录后需进一步加工,包括剪切、加尾和加
帽等步骤,以形成成熟的RNA分子,准备进行下一步的翻译过程。
总之,转录是生命活动中一个关键的过程,对遗传信息的表达和调控起着重要作用。
分子生物学-复习提纲-06.转录的终止
转录碰上终止信号时，新生RNA链与模板DNA相脱离并释放。终止发生时，参与形成RNA-DNA杂合体的氢键被破坏，模板DNA链与编码链重新组合成DNA双链。
━ 终止的方式——基因序列、ρ因子
★ 基因序列决定的终止——发卡式结构、寡聚U
1–终止位点上ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ富含GC碱基的二重对称区，转录产生的RNA形成发卡式结构——RNA聚合酶出现暂停，RNA-DNA杂合链5’端的正常结构被破坏。
2–终止位点前一段4～8个A组成的序列，转录产物为3’端为寡聚U——使杂合链的3’端部分出现不稳定的rU·dA区域。
两者共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。
– 终止效率——发卡式结构(至少6bp)和寡聚U序列(至少4个U) 长度的增加，终止效率逐步提高。
★依赖于ρ因子的终止
━ ρ因子——分子质量为2xl0^5的六聚体蛋白，它是NTP酶（核糖核苷酸酶），催化NTP的水解促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，终止转录。
━ 终止机制：ρ因子不能识别这些终止位点。RNA合成起始以后，ρ因子附着在新生的RNA 链上，靠ATP水解产生的能量，沿着5’→3’向朝RNA聚合酶移动，到达RNA的3’端取代暂停在终止位点上的RNA聚合酶，使之从模板DNA上释放出来，同时释放mRNA，完成转录过程。
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简述转录的基本过程。
简述转录的基本过程。
转录是生物体中基因表达的重要过程之一，它是将DNA模板上的基因信息转化为RNA的过程。
转录的基本过程包括启动、延伸和终止三个阶段。
一、启动阶段转录的启动是由转录因子与DNA上的启动子结合而开始的。
启动子是一段特殊的DNA序列，位于基因的上游区域，它能够吸引转录因子的结合。
在真核生物中，转录因子包括RNA聚合酶II及其辅助因子，它们共同组成转录起始复合物。
当转录因子与启动子结合后，RNA聚合酶II会结合到合适的位置，准备开始转录。
二、延伸阶段转录的延伸阶段是RNA链逐渐延伸的过程。
在转录起始复合物形成后，RNA聚合酶II开始解旋DNA的双链结构，并将一个与DNA模板链互补的RNA链合成出来。
在RNA链合成的过程中，RNA聚合酶II会依次将A、U、G、C四种核苷酸加入到新合成的RNA链上，与DNA模板链上的T、A、C、G相对应。
这个过程中，RNA链会与DNA模板链形成氢键连接，以稳定RNA链的合成。
三、终止阶段转录的终止阶段是RNA链合成结束的过程。
一般来说，转录过程会在终止信号的作用下结束。
终止信号是一段特殊的DNA序列，它能够识别RNA聚合酶II，并使其停止合成RNA链。
在真核生物中，终止信号通常由两个序列组成：一个是AAUAAA序列，它位于RNA 链的3'端；另一个是一段富含腺嘌呤（A）序列的区域。
当RNA聚合酶II合成到终止信号时，转录过程就会停止，RNA链会与DNA 模板链解离。
总结起来，转录的基本过程包括启动、延伸和终止三个阶段。
在启动阶段，转录因子与DNA上的启动子结合，形成转录起始复合物；在延伸阶段，RNA聚合酶II解旋DNA的双链结构，合成RNA链；在终止阶段，转录过程在终止信号的作用下结束，RNA链与DNA 模板链解离。
转录是基因表达的重要过程，它在生物体内起着至关重要的作用。
通过转录，基因的信息能够转化为RNA，为蛋白质的合成提供了基础。
依赖ρ因子的转录终止机制
依赖ρ因子的转录终止机制
依赖ρ因子的转录终止机制是真核生物和原核生物中广泛存在的一种转录终止方式。
该机制在细胞内通过一个小分子蛋白质因子ρ来调控。
ρ因子能够识别RNA聚合酶在转录相对终止位点（对于早期转录过程，其位置在核糖体结合序列下游约70到80个核苷酸处；对于晚期转录过程，其位置在特定非编码RNA内部的终止位点处）停止转录过程，并将合
成的RNA剪切为成短小的片段，最终释放出来。
在依赖ρ因子的转录终止机制中，RNA聚合酶的终止并不是由自身产生的信号决定的，而是通过识别依赖rho的效应因子来触发的。
该效应因子通常由RNA转录在终止位点处的
序列决定。
在真核生物中，由poly(A)尾端调控分子（PABPN1）组成的复合物能够识别RNA 上处于相对终止位点的特异序列，从而触发rho的终止转录功能。
成熟的rho因子通过自身复合体中的识别序列与target RNA相互作用，形成复合物，然后招募RNA解旋酶和RNA聚合酶的终止因子来最终实现终止转录过程。
rho复合体依赖于比其长约三倍的特异RNA序列结构，因此，RNA聚合酶的复合体不能够随意地继续延长过
长的RNA链，否则终止因子将不能识别到足够多的rho复合体而无法完成终止转录的过
程。
依赖rho因子的转录终止机制的作用范围十分广泛。
首先，在原核生物中，在转录过
程快速而、动态而频繁地对RNA链加工整理，该机制对基因调控和代谢途径的调整具有重
要意义。
其次，rho因子终止转录也被广泛应用于抗生素的开发中，在一些常见病毒如乙
型肝炎病毒（HBV）的研究中也发挥着重要的作用。
总之，依赖rho因子的转录终止机制具有广泛的生物学意义和应用价值。
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转录的多种终止机制
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转录进行到一定程度，会停止下来，复合物解体，新生RNA释放出来，称为转录的终止（termination）。
终止通常需要一个标志，即终止子（terminator），DNA模板上作为转录终止信号的顺式作用元件（cis-acting element）。
元件（element）指DNA上有特定功能的一段序列。
相对来说，与之作用的蛋白质被称为“因子”（factor）。
顺式（cis）与反式（trans）来自拉丁文前缀，是“在同一侧”和“在另一侧”的意思。
这两个词在顺反异构中比较好理解，在分子生物中的用法与早期研究有关。
在早期的分子遗传学研究中，经常要判断对某基因的调控作用是来自DNA分子本身，还是来自另一个分子。
前者称为顺式作用，比如增强子对启动子的作用；后者称为反式作用，比如某个蛋白因子对启动子的作用。
在顺反子的定义中也是同样的含义。
原核生物有两类终止子：依赖ρ因子的终止子和不依赖ρ因子的终止子。
ρ因子（Rho）是一种高度保守的终止因子，存在于几乎所有的原核生物。
除了终止转录以外，Rho还有抑制反义转录，影响tRNA和小调节RNA的合成，沉默外源DNA等多种功能。
两类终止子都有一段回文结构。
简单终止子有两个对称的富含GC的片段，下游还有一段富含A的序列。
而依赖ρ因子的终止子不需要GC序列和寡聚A序列。
简单终止子转录出RNA后，两段富含GC的片段会形成茎环结构，破坏了RNA和模板DNA的杂合双链结构。
此时下游恰好是结合力较弱的AU对，进一步造成了转录延伸复合物的不稳定，导致聚合酶解离和转录终止。
转录的内部终止模型。
Biomolecules. 2015 Jun; 5(2): 1063–1078.这种终止也称为内部终止（intrinsic termination）。
大肠杆菌中的大多数基因采用内部终止，Rho依赖的终止大约占20-30%。
大肠杆菌的Rho因子是环状六聚体，每个亚基47KD。
亚基
N端为RNA结合域，共同构成初始结合位点（primary binding site，PBS）。
亚基的C端具有ATP酶活性，可通过水解ATP 推动构象变化。
Rho因子首先通过PBS识别并结合RNA的特定序列（称为Rho utilization site，rut位点），然后打开六聚体环，将RNA 纳入环中。
RNA与另一侧的第二结合位点（SBS）结合后，环再闭合，并激活ATP酶活性，消耗ATP向3’方向移动，称为易位（translocation）。
Rho依赖的转录终止过程。
Trends Biochem Sci. 2016 Aug;41(8):690-699.易位的结果是Rho逐渐接近新生RNA的3’-末端，从而与RNAP相互作用，触发转录终止。
终止的具体机制尚不清楚，有不同假设，如杂合双链的剪切、RNAP 的变构等。
Rho依赖的转录终止过程具有更丰富的调控方式，包括Rho 因子的数量及活性调控、核糖体及蛋白因子对终止过程的影响等。
例如，当rut位点被核糖体或蛋白因子占据，或形成二级结构时，就无法起到终止作用，从而导致下游序列被转录出来，即转录通读（transcriptional readthrough）。
Rho依赖的转录终止与基因表达调控。
Trends Biochem Sci. 2016 Aug; 41(8):690-699.在一些细菌mRNA的5’-前导区（leader region）内有Rho依赖的终止子，通过控制rut位点或RNAP暂停等方式决定下游的基因主体是否可以被转录出
来。
真核生物的RNAP有3种，其终止方式也有所不同。
Pol I 的终止需要转录终止因子TTF-1与rRNA基因下游的终止子结合，导致聚合酶暂停。
然后由PTRF（Pol I和转录物释放因子）介导转录复合物的解离。
RNAP I的终止机制。
Genes Dev. 2009 Jun 1; 23(11): 1247–1269.Pol III转录的基因都比较小，所以终止子相对简单。
其模板链中有一段oligo（dA）（多聚A），转录出多聚U 后二者的结合较弱，使复合物不稳定。
比较特殊的是，其非模板链的oligo（dT）也会参与终止过程，可以促进聚合酶暂停和转录本释放等。
Pol II的终止研究最多，它主要用加尾信号作为转录终止信号。
当mRNA中转录出聚腺苷酸化信号5’-AAUAAA-3’后，会募集一系列蛋白因子，切割mRNA并添加poly A尾，然后才释放RNAP，转录终止。
此过程中RNAP仍可继续合成大约500-2000个核苷酸。
RNAP II释放的具体机制目前主要有两个模型：鱼雷模型（torpedo model）和变构模型（allosteric model）。
前者认为，mRNA被切割后，5’-3’核酸外切酶（Rat1/Xrn2）会降解转录复合物中剩余的RNA链，逐步接近RNAP II。
击中后就会触发复合物解体，导致转录终止。
变构模型认为，延伸复合物（EC）通过poly A位点（PAS）
会引起延伸因子的解离或终止因子的结合，导致复合物构象变化造成转录终止。
两个模型并非完全互斥，也有一些模型将二者结合起来。
还有模型认为终止需要PAS，但并不一定需要mRNA的切割（Mol Cell. 2015 Aug 6;59(3):437-48.）。
一种不需要mRNA切割的RNAP II终止模型。
Mol Cell. 2015 Aug 6;59(3):437-48.上述RNAP II的终止方式称为poly A依赖的终止，是其主要的终止机制。
此外也发现了另一种终止机制，称为NNS（Nrd1-Nab3-Sen1）依赖的终止。
其中Sen1起着类似原核Rho因子的作用。
NNS依赖的终止。
Wiley Interdiscip Rev RNA. 2019 Jul-Aug; 10(4): e1529.这种机制主要用于非编码RNA转录的早期终止，可以抑制非编码RNA的过度转录（pervasive transcription），防止其影响编码基因的表达。