第三章 原核基因转录后调控
第三章+转录及其调控
三、真核生物RNA成熟
剪接体的装配和剪接过程
三、真核生物RNA成熟
剪接过程需两次转酯反应
三、真核生物RNA成熟
2. mRNA 5′端“加帽”和3′端“加尾” 绝大部分真核细胞成熟mRNA的5′端通常都有一个 以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷（m7G-5′ppp5′-N3′）作为起始结构的“帽子”结构，3′端有一 段长为80~250个核苷酸的多聚腺苷酸（polyA） 尾。5′端“帽子”结构和3′端多聚腺苷酸尾是 通过对mRNA前体的加工形成的，并且都先于中段 的剪接过程。
内含子近3′端的嘌呤甲基化是形成套索所必需的。
大多数内含子序列的5′端都以GU开始，而以3′端AG-OH结 束。5′-GU……AG-OH-3′称为剪接接口（splicing junction）或边界序列。
三、真核生物RNA成熟
hnRNA的剪接发生在剪接体（splicesome），自20 世纪70年代后期RNA剪接现象发现以来，科学家们 一直在探索其中的分子奥秘，中国科学家施一公 研究组2015年8月21日，在《科学》(Science)发 表论文阐述了单颗粒冷冻电子显微技术（冷冻电 镜）解析的酵母剪接体近原子分辨率的三维结构 ，并在此结构基础上分析了剪接体对前体信使RNA 执行剪接的基本工作机理。
二、原核生物转录过程
1.依赖因子的转录终止
二、原核生物转录过程
2.非依赖因子的转录终止
第二节 真核生物转录
目录
一、真核生物转录酶及相关因子
三、真核生物RNA成熟
（一）真核生物RNA聚合酶
（二）真核生物转录相关因子 二、真核生物转录过程 （一）真核生物转录起始 （二）真核生物转录延长 （三）真核生物转录终止
polymerase）催化下，以4种三磷酸核苷（ATP、GTP、
原核生物的转录与调控
转录 ( transcription ) ——
生物体以DNA为模板按5’3’方向合 成RNA的过程
转 录
DNA
RNA
参 与 转 录 的 物 质：
原料 : 4种NTP ( ATP, UTP, GTP, CTP )
模板 : DNA 酶 : RNA聚合酶 其他蛋白质因子
A. 原核生物的转录
一、转录概述 二、转录的基本过程 三、大肠杆菌RNA聚合酶 四、转录的机制
一、转录概述
1. 基本术语：
起始点 (start point)：合成第一个RNA碱基的位置，用“+1”表示。 启 动 子 (promoter) ： 位 于 转 录 起 始 点 前 ， 和 RNA 聚 合 酶 结 合 的 一 段
二、转录水平的调控－操纵子
2. 结构基因：编码蛋白质或RNA产物的任何基因。 1) 细菌的结构基因常以基因簇的形式存在。 2) 基因簇中基因的编码产物功能上是相关的。例如， 编码同一代谢途径中酶的基因常存在于同一基因簇。 3) 基因簇中基因能受单一启动子的共同控制，结果是 整簇基因或者都表达或者都不表达。
b. DNA的初始解旋导致DNA与聚合酶 形成开放复合物，这一过程称为紧 密结合。
c. 进行多次流产起始
d. 起始成功后，聚合酶释放因子，形 成聚合酶-DNA-新生RNA的三聚复 合物，RNA链开始延伸。
RNA pol 是如何发现正确的起点而启动基因转录的呢？
1) 启动子的识别取决于共有序列
保守性序列：每个启动子都包括一个能被RNA聚合酶识 别的特征DNA序列。
反式作用因子通常为蛋白质或RNA，其特征为可以从合成 地扩散到目标场所发挥作用。
顺式作用元件（cis-acting factor）是指对结构基因表达 有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在 一个DNA分子上的基因。顺式作用元件通常不编码蛋白 质，多位于基因旁侧或内含子中。
原核生物转录调控
原核细胞
转录，翻
译相偶联
5’
真核生物
L2: The trp operon
在色氨酸操纵子转录进行的过程 中, RNA Polymerease 在 sequence 2的末端停滞直到 核糖体开始翻译前导肽
调控
弱化作用 抗终止作用
L2: The trp operon
L2: The trp operon
CRP-cAMPΒιβλιοθήκη lactosemRNA
PlacI
Plac
lacI
lacZ
lacY
lacA
Olac
startpoint
Plac / RNA polymerase
-60 -50 -40
-30
-20
-10
1
10
20
30
CRP binding
Olac / repressor
v When glucose is absent
Transcriptional regulation by alternative s Factors
Regulation of Transcription in Prokaryotes
Many bacteria produce alternative sets of σfactors to meet the regulation requirements of transcription under normal and extreme growth condition
3.因此色氨酸决定核糖体的位置，从而控 制转录。
Trp（—）
Trp（+）
Trp Trp
Trp Trp
Regulation of Transcription in Prokaryotes
第3章 原核生物转录及调控
前导序列 Ptrp Otrp
弱化子(162 nt ） 弱化子 结构基因
TrpR
mRNA 7kbRNA
TrpE
TrpE
TrpD
TrpC
TrpB
TrpB
TrpA
TrpD
TrpC
TrpA
被激活色氨 酸阻抑物 色氨酸阻抑物
色氨酸 色氨酸所需的酶
（三）弱化子
弱化子:一段可以导致转录效率降低的mRNA序列, 弱化子:一段可以导致转录效率降低的mRNA序列,该 mRNA序列 位点称为弱化子. 位点称为弱化子.
转录单位
编码链/ +链 模板链/ -链
转录：DNA-RNA 起始-延伸-终止
Figure 8.2
Promoter） 启动子（Promoter）
··· ··· TTGACA ···16-18 bp ··· TATAAT ···5-8 bp··· C -35序列 序列 增强转录频率 识别区 -10序列 序列 解旋区 G T A +1 转录起始位点
依赖ρ 依赖ρ的转录终止
Rho factor (ρ)-dependent termination
第二节 原核基因转录水平的顺式调节 ——大肠杆菌 ——大肠杆菌σ70启动子) 大肠杆菌σ 启动子)
一、启动子 1.启动子(promoter)的大小 1.启动子(promoter)的大小 启动子(promoter) 1）核心启动子区域（起始位点、－1O序 核心启动子区域（起始位点、－1O序 、－1O 列和-35序列 列和-35序列) 序列) 2）上游元件（CAP位点） 上游元件（CAP位点 位点） 二、RNA聚合酶的覆盖范围及检测法DNA RNA聚合酶的覆盖范围及检测法DNA 聚合酶的覆盖范围及检测法 酶保护法（ method）。 酶保护法（DNase protection method）。
03转录及调控-3
（一）真核生物基因表达的特点
1. 细胞的全能性 2. 基因表达的时间性和空间性 3. 转录和翻译分开进行
4. 初级转录产物要经过转录后加工修饰
5. 部分基因多拷贝
6. 不存在操纵子结构 真核生物的mRNA是单顺反子mRNA
(monocistronic mRNA)
胚胎期
ε
胚胎期 δ2 Hb Grow1
原核生物以负调控为主： 原核生物染色质没有核小体结构，DNA没有遮蔽，
催化转录的RNA聚合酶很容易发现启动子，其基 因表达的调节很容易通过阻遏蛋白实现。 负调控提供了一个非常保险的机制：即使调节系 统失灵，蛋白质照样可以合成。很多原核操纵子 （元）系统，原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋 白参与的开、关调节机制。
Transcription
mRNA 5′
3′
1
2
3
Translation
Proteins
1
2
3
3.转录和翻译偶联进行；
4.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列—SD序 列，共有序列为AGGAGG； 5.原核生物基因表达调控主要在转录水平，即对 RNA合成的调控。
通常有两种方式： (1) 起始调控，即启动子调控 (2) 终止调控(衰减子调控)
转录终止调控方式 ： A.依赖ρ因子的终止调控
噬菌体
B.不依赖ρ因子的终止调控
• 依赖mRNA3′末端转录终止子
• 衰减子介导的转录终止
色氨酸操纵子的表达调控
1.色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子（tryptophan operon，trp operon）
负责色氨酸合成的操纵子，由启动子和操纵基因 区组成，该操纵基因区控制一个编码色氨酸生物合 成需要的5种蛋白的多顺反子mRNA的表达。
基因的转录、转录后调控
基因的转录、转录后调控基因的转录、转录后加工及逆转录转录(transcription)是以DNA单链为模板，NTP为原料，在DNA依赖的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。
与DNA的复制相比，有很多相同或相似之处，亦有其特点，它们之间的异同可简要示于表13-1转录的模板是单链DNA，与复制的模板有较多的不同特点，引出了下列相关概念。
转录过程只以基因组DNA中编码RNA（mRNA、tRNA、rRNA及小RNA）的区段为模板。
把DNA分子中能转录出RNA的区段，称为结构基因（structure gene）。
结构基因的双链中，仅有一股链作为模板转录成RNA，称为模板链(template strand)，也称作Watson（W）链(Watson strand)、负（-）链(minus strand)或反意义链(antisense strand)。
与模板链相对应的互补链，其编码区的碱基序列与mRNA的密码序列相同（仅T、U互换），称为编码链(coding strand)，也称作Crick（C）链（Crick strand）、正（+）链(plus strand)，或有意义链(sense strand)。
不同基因的模板链与编码链，在DNA分子上并不是固定在某一股链，这种现象称为不对称转录(asymmetric transcription)。
模板链在相同双链的不同单股时，由于转录方向都从5’→3’，表观上转录方向相反，如图13-1。
与DNA复制类似，转录过程在原核生物和真核生物中所需的酶和相关因子有所不同，转录过程及转录后的加工修饰亦有差异。
下面的讨论中将分别叙述。
参与转录的酶转录酶（transcriptase）是依赖DNA的RNA聚合酶（DNA dependent RNA polymerase，DDRP），亦称为DNA指导的RNA 聚合酶（DNA directed RNA polymerase），简称为RNA聚合酶（RNA pol）。
3-转录及其调控
（2）没有校对能力； （3）催化的底物是核糖核苷三磷酸。
大肠杆菌RNA聚合 酶
大肠杆菌只有一种RNA聚合酶，负责所有rRNA、mRNA和 tRNA的合成。该酶具有全能性，基本上不需要其他蛋白因 子的参与，即可独立的进行。
功能：
（1）识别DNA双链上的启动子 （2）通过阅读启动子序列，确定转录方向和模板链 （3）解开DNA部分双螺旋，产生约17 bp的单链DNA模板 （4）选择正确的核糖核苷三磷酸（rNTP）底物并催化形成磷
σ因子
σ因子负责识别启动子的保守序列，不同的 σ因子识别不同的启动子。
许多细菌能产生多种可取代的σ因子，以识 别不同的启动子。
一些抗生素，如利链菌素，可以抑制原核生物的 RNA聚合酶，使得原核生物的基因无法转录成 mRNA，从而达到杀死细菌等原核生物的效果。
二、原核生物转录的起始延伸
1.转录起始 全酶与模板的DNA接触，生成非专一的，不稳定的复合物在模
板上移动。 2.起始识别：全酶与-35序列结合，产生封闭的酶-启动子二元复合
物。 3.全酶紧密地结合在-10序列处，DNA模板局部变性，形成开放的
启动子二元复合物。（RNA聚合酶与启动子结合后造成约10bp的 DNA解链） 4.合成短多聚核苷酸（<10nt),三元复合物形成。（酶-启动子-NTP） 5. σ因子从全酶中解离下来，聚合酶转变为延长构型。酶分子与启 动子特异性结合性的结合力下降，延伸阶段开始。
真核生物转录起始前的上游区段具有启动子核心序列，RNA 聚合酶不能直接结合模板，RNA聚合酶II启动转录时需要转 录因子才能形成转录复合物。
当合成一段含有60-70个核苷酸的RNA时，TFIIＥ 和TF II H释放，RNA聚合酶II进入转录延长期。
第三章基因表达调控练习题
第三章基因表达调控【本章要求】1.掌握基因表达的概念，表达的特点及基本规律，调控的方式和意义。
2.掌握基因表达的基本要素：顺式作用元件和反式作用因子及调节蛋白的相互作用。
3.掌握乳糖操纵子的结构及其调节原理。
4.了解真核基因表达调控的基本原则。
【内容提要】基因表达调控的基本内容是介绍细胞或个体生长过程中基因表达的方式、规律及调节机制，以及这些表达规律、调节机制与发育、分化的关系，个体与环境的适应。
基因表达就是指基因转录和翻译的过程。
并非所有基因表达过程都产生蛋白质分子，有些基因只转录合成RNA分子，如rRNA、tRNA等。
这些基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。
原核生物，如细菌调节基因表达是为适应环境变化，调节代谢、维持细胞生长与分裂。
真核生物，如动物乃至人类在环境变化及个体生长、发育的不同阶段调节基因的表达既为调节代谢、适应环境，也为维持生长、发育与分化。
基因表达的规律性可分为阶段特异性和组织特异性两种：1.阶段特异性：按功能需要，原核生物某一特定基因的表达随时间、环境而变化，严格按特定时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。
多细胞真核生物从受精卵到组织器官形成经历不同发育阶段。
在各个发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启和关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。
因此，多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。
2.组织特异性：在多细胞真核生物中，同一基因在同一发育阶段的不同组织器官表达水平是不一样的；在发育、分化的特定时期内，不同基因在同一组织细胞内表达水平也不一样，即基因在不同组织空间表达不同，这就是基因表达的空间特异性，又称组织特异性。
原核生物基因表达无组织特异性。
不同基因功能不同，调控机制不同，基因表达的方式也不同。
有些基因在生物个体生命全过程的几乎所有细胞中持续表达，称为基本的基因表达。
这类基因通常被称之为管家基因。
基本的基因表达并非绝对一成不变，其表达也是在一定机制控制下进行的。
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的序列。SD序列在细菌mRNA起始密码子AUG上游10个碱基左右处，
mRNA起始密码子上 游的SD序列
核糖体 16srRNA3端 序列
2.16S rRNA 3端序列对翻译的影响
16S rRNA 3端保守序列能形成发卡结构，又能与
mRNA结合，是动态的，可变的。
3. 多顺反子的翻译起始
顺反子：结构基因，为决定一条多肽链合成性与翻译调节 蛋白质的调控作用 严紧反应
密码子的选择对反应的影响
小分子RNA的调控作用
第一节 mRNA的结构和稳定性与翻译调节
（一）、翻译的起始调节
1. SD序列与翻译的起始效率
Shine-Dalgarno sequence ：mRNA中用于结合原核生物核糖体 有一段富含嘌呤的碱基序列，能与细菌16SrRNA3’端识别，帮 助从起始AUG处开始翻译
2. 大肠杆菌对渗透压变化的反义RNA调节
3. Tn10转座子中转座酶合成的反义RNA调节
二、RNA干扰与基因表达调控
2.
多顺反子
单顺反子
（二）、 mRNA的二级结构对翻译的影响
（三）、重叠基因对翻译的影响
重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列，或是 指一段DNA序列成为两个或两个以上基因的组成部分。
（四）、 poly（A）对翻译的影响
poly（A）: 通常位于mRNA上的150-200个腺苷酸残基 （又称为特殊的尾巴结构）。
第5节小RNA在基因表达的调控作用
一、反义RNA（antisense RNA），也称为（干涉mRNA的互补 RNA）
通过与mRNA互补，抑制mRNA的翻译。一般200bp以下。
1. 反义RNA对bfr基因翻译的抑制作用 低铁离子浓度对bfr表达的影响 受环境变化的影响，细菌会产生一些小RNA，能与mRNA的特定 序列结合，改变其构象，导致翻译关闭或开放。
成， Qβ噬菌体（+RNA）——复制-RNA——+ RNA
+链上有许多核糖体，影响复制酶合成-链， Qβ复制酶作为翻译阻遏，抑制蛋白质的合成。
翻译出 蛋白质
第三节 严谨反应
stringent response (stringent control) 细菌在氨基酸饥饿时发 生的rRNA、tRNA基因及核糖体蛋白基因停止转录反应，细菌 质粒拷贝控制在几个拷贝的反应。 原核生物中，核糖体是蛋白合成控制的中心环节。 细胞饥饿，氨基酸缺乏时，出现空载tRNA，引发报警信号 ppGpp和pppGpp的生成，继而诱导严谨因子的的合成。之后， RNA合成减少，核糖体装配受阻。
第四节 密码子的选择对翻译的影响
一、起始密码子的选择
AUG 83%；GUG14%；UUG3%；AUU只有2个基因。
fMet-tRNA与后面的密码子结合力弱，翻译效率低。
二、稀有密码子对翻译的影响
细胞中，不同tRNA含量差异很大，因此产生丰富（偏爱）密码 子和稀有密码子。 含稀有密码子多的基因表达量低
原核生物polyA较短，主要作用是促进RNA的降解。 原
核生物mRNA半衰期很短。
5 ‘ -UTR
3‘-UTR
cDNA sequence and deduced amino acid sequence of IgL3 in P. fulvidraco.
（五）、 mRNA的稳定性对翻译效率的影响
二、核糖体蛋白与翻译调控
核糖体蛋白的合成与翻译调控有关。
核糖体蛋白50多种，大多1个分子，唯L7/L12例外。 各2个分子，由一个基因编码。生长旺盛的细胞，也没 有游离的核糖体蛋白质，可见核糖体蛋白的合成是高 度统一的。所以核糖体蛋白本身的合成与核糖体合成 其它蛋白质有复杂的调控机制。
（三）翻译的阻遏 翻译水平上，也存在蛋白因子的阻遏作用。 例如Qβ噬菌体感染大肠杆菌， 首先要指导Qβ复制酶的合
RF3 ：与延长因子EF-G有关的细菌蛋白质合成终止因子。当 它终止蛋白质合成时，它使得因子RF1和RF2从核糖体上释放。
• RF2具有自控能力，其调控机制与基因中25号密码子和26号密 码子之间多出的1个T碱基有关。 • 细胞内RF2充足时，25号密码子后的终止密码子起作用。 RF2 肽链合成终止。
mRNA的二级结构不但影响mRNA的降解速度，也影响mRNA
与核糖体的结合，进而影响对蛋白质的合成。 降解mRNA的酶主要是3‘外切酶，而mRNA末端的二级结构可 能阻止外切酶的进攻。 终止子不仅使转录终止，还决定mRNA的寿命。
第二节 蛋白质的调控作用
一、释放因子RF2合成的自调控 释放因子（release factor，RF）：识别终止密码子引起完整的 肽链和核糖体从mRNA上释放的蛋白质。单一因子以数字排列， 真核生物细胞的因子称为eRF。 RF1：能识别终止密码子UAA和UAG而终止蛋白质合成的细菌 释放因子。 RF2：能识别终止密码子UAA和UGA而终止蛋白质合成的细菌 释放因子。