第十一章 原核细胞的基因转录
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启动子 转录区 终止子 有义链 反义链
三、转录的延伸
• 延伸（elongation）：RNA聚合酶以5′→3 ′方向和共价键 结合方式，将核苷酸加在RNA链3'-端的过程，在此过程中， RNA聚合酶本身以3'→5'方向沿着模板链移动 • 随着聚合酶的移动，局部双链DNA随之解链以便进行碱基 配对，而在聚合酶之后双螺旋结构又重新形成 • 在37℃时，大肠杆菌RNA聚合酶的转录效率约为40个核苷 酸/秒。
二、转录的启动
• 转录单元：从启动子开始到终止子结束的一段DNA序列 • 启动子：RNA聚合酶与双链DNA结合的部位，位于基因编码 区上游。转录启动从RNA聚合酶与启动子结合开始 • 解链：在转录开始之前，双螺旋DNA必须在启动子的RNA聚 合酶结合部位解链 • 转录起始部位：又称为+1位 • 转录复合物：装配在DNA模板上的RNA聚合酶及共因子
G ---5-8 bp--C T TTGACA -----16-18 bp-------TATAAT A -35 sequence -10 sequence +1
第四节
转录过程
一、起始阶段
• 启动子结合: 核心酶先与启动子 DNA序列非特异结合，然后全酶 沿着DNA搜索-10和-35序列，增 加与启动子的特异性结合，形成 闭合的聚合酶-启动子DNA复合 物 • 双链DNA解链: 聚合酶将启动子 处的DNA双链解开，DNA双链 的负超螺旋有利于解链，解链的 DNA与聚合酶形成开放复合物 • RNA合成启动: RNA合成不需引 物， 合成从 GTP or ATP开始, 在 聚合酶不移动情况下将前9个核 糖核苷酸添加在RNA链上
第十ຫໍສະໝຸດ Baidu章
原核细胞基因的转录
第一节
转录的基本原理
一、概述
• 转录(transcription)是以DNA为模板进行的RNA合成过程， 是基因表达的第一步，最终导致编码蛋白的合成 • 转录由RNA聚合酶催化，以核苷酸前体（ATP、GTP、 CTP和UTP）为原料 • 转录以固定方向（5→3）进行，通常情况下双链DNA仅 一条链发生转录，该链称为有义链（sense chain），另一 链称为反义链（antisense chain）或模板链
• RNA聚合酶继续转录， 直到转录单元末端的终 止序列 • 一旦聚合酶遇到终止信 号即合成发夹，导致聚 合酶移动立即停止 • 发夹末端连续的U 碱基 有助于合成的RNA链从 DNA模板链上解离
依赖Rho因子的转录终止
• 当终止部位不能形成典型发夹结构时，转录终止需rho（ρ） 因子参与 • ρ因子是1个六聚体蛋白质，在单链RNA存在时，通过水解 ATP和识别RNA的特定结构与72个碱基结合，使RNA聚合酶 在ρ依赖转录终止子处停止移动 • ρ依赖的终止信号有时确有发夹样结构，但缺少一串U碱基
二、延伸阶段
• 随着RNA合成的启动，RNA聚合酶全酶释放 因子，形 成聚合酶-DNA-RNA复合物，使得聚合酶沿着DNA链移 动，此步骤称为启动子清除，以便转录再次启动 • 解链的DNA区域形成转录泡，随聚合酶沿着DNA移动 • RNA的 5'-端与模板链的12碱基区域形成杂合区域
三、终止阶段
四、转录终止
• 定义：指转录复合物的 解离和RNA合成的结束
• 终止子（terminator）： 通常含自身互补序列， 导致合成的RNA链形成 发夹结构，使RNA聚合 酶移动和转录停止
• 终止反应：RNA-DNA杂 合分子发生分离，以便 DNA重新形成双链及 RNA聚合酶和RNA链的 释放
具有典型发夹结构的终止子不需其 他因子参与即能终止转录，否则需 ρ蛋白等辅助因子才能终止转录
第二节
大肠杆菌的RNA聚合酶
一、RNA聚合酶
• 全酶（holoenzyme）：包括2个α亚单位和1个β、β ' 、ω、 σ亚单位，为转录启动所必需 • 核心酶（core enzyme）：不包括σ因子的聚合酶，负责 转录延伸和转录复合物的释放 • T3和T7噬菌体RNA聚合酶：单一多肽链，能识别其自 身特定DNA的结合序列和快速合成RNA
五、反转录
• 以RNA链为模板，由逆转录酶（依赖于RNA的DNA聚 合酶）催化合成DNA链的过程，叫做反（逆）转录 • 反转录机制首先在RNA肿瘤病毒中发现，哺乳动物的胚 胎细胞和正在分裂的淋巴细胞中也有反转录酶 • 反转录合成一条与RNA模板互补的DNA单链，叫做互 补DNA (complementary DNA, cDNA ）
一、启动子序列
• 长度：40-60bp，-55到+20区域为聚合酶结合区，其中-10和-35 保守序列最关键 • -10序列：由Pribnow发现（故称Pribnow 框），共有序列为 TATAAT，与转录起始部位间距离为5-8个碱基 • -35序列：共有序列为TTGACA，高效启动子中高度保守，与10序列之间间隔为16-18个核苷酸 • 启动效率：不同基因转录效率差异很大，主要由启动子控制， 其-35和-10序列越典型转录效率越高 • 转录起始部位：约90%基因的转录起始部位为G或A，两侧分别 是C和T
二、结构亚单位
• 亚单位: rpoA 基因编码， 核心酶装配所需，可能参与 启动子的识别 • 亚单位： rpoB基因编码， 是该酶的催化中心 • ‘ 亚单位: rpoC 基因编码， 可能与模板链结合有关 • 因子:最常见的是 70，对 启动子识别起关键作用
第三节
大肠杆菌70启动子
启动子 转录区 终止子 有义链 反义链
三、转录的延伸
• 延伸（elongation）：RNA聚合酶以5′→3 ′方向和共价键 结合方式，将核苷酸加在RNA链3'-端的过程，在此过程中， RNA聚合酶本身以3'→5'方向沿着模板链移动 • 随着聚合酶的移动，局部双链DNA随之解链以便进行碱基 配对，而在聚合酶之后双螺旋结构又重新形成 • 在37℃时，大肠杆菌RNA聚合酶的转录效率约为40个核苷 酸/秒。
二、转录的启动
• 转录单元：从启动子开始到终止子结束的一段DNA序列 • 启动子：RNA聚合酶与双链DNA结合的部位，位于基因编码 区上游。转录启动从RNA聚合酶与启动子结合开始 • 解链：在转录开始之前，双螺旋DNA必须在启动子的RNA聚 合酶结合部位解链 • 转录起始部位：又称为+1位 • 转录复合物：装配在DNA模板上的RNA聚合酶及共因子
G ---5-8 bp--C T TTGACA -----16-18 bp-------TATAAT A -35 sequence -10 sequence +1
第四节
转录过程
一、起始阶段
• 启动子结合: 核心酶先与启动子 DNA序列非特异结合，然后全酶 沿着DNA搜索-10和-35序列，增 加与启动子的特异性结合，形成 闭合的聚合酶-启动子DNA复合 物 • 双链DNA解链: 聚合酶将启动子 处的DNA双链解开，DNA双链 的负超螺旋有利于解链，解链的 DNA与聚合酶形成开放复合物 • RNA合成启动: RNA合成不需引 物， 合成从 GTP or ATP开始, 在 聚合酶不移动情况下将前9个核 糖核苷酸添加在RNA链上
第十ຫໍສະໝຸດ Baidu章
原核细胞基因的转录
第一节
转录的基本原理
一、概述
• 转录(transcription)是以DNA为模板进行的RNA合成过程， 是基因表达的第一步，最终导致编码蛋白的合成 • 转录由RNA聚合酶催化，以核苷酸前体（ATP、GTP、 CTP和UTP）为原料 • 转录以固定方向（5→3）进行，通常情况下双链DNA仅 一条链发生转录，该链称为有义链（sense chain），另一 链称为反义链（antisense chain）或模板链
• RNA聚合酶继续转录， 直到转录单元末端的终 止序列 • 一旦聚合酶遇到终止信 号即合成发夹，导致聚 合酶移动立即停止 • 发夹末端连续的U 碱基 有助于合成的RNA链从 DNA模板链上解离
依赖Rho因子的转录终止
• 当终止部位不能形成典型发夹结构时，转录终止需rho（ρ） 因子参与 • ρ因子是1个六聚体蛋白质，在单链RNA存在时，通过水解 ATP和识别RNA的特定结构与72个碱基结合，使RNA聚合酶 在ρ依赖转录终止子处停止移动 • ρ依赖的终止信号有时确有发夹样结构，但缺少一串U碱基
二、延伸阶段
• 随着RNA合成的启动，RNA聚合酶全酶释放 因子，形 成聚合酶-DNA-RNA复合物，使得聚合酶沿着DNA链移 动，此步骤称为启动子清除，以便转录再次启动 • 解链的DNA区域形成转录泡，随聚合酶沿着DNA移动 • RNA的 5'-端与模板链的12碱基区域形成杂合区域
三、终止阶段
四、转录终止
• 定义：指转录复合物的 解离和RNA合成的结束
• 终止子（terminator）： 通常含自身互补序列， 导致合成的RNA链形成 发夹结构，使RNA聚合 酶移动和转录停止
• 终止反应：RNA-DNA杂 合分子发生分离，以便 DNA重新形成双链及 RNA聚合酶和RNA链的 释放
具有典型发夹结构的终止子不需其 他因子参与即能终止转录，否则需 ρ蛋白等辅助因子才能终止转录
第二节
大肠杆菌的RNA聚合酶
一、RNA聚合酶
• 全酶（holoenzyme）：包括2个α亚单位和1个β、β ' 、ω、 σ亚单位，为转录启动所必需 • 核心酶（core enzyme）：不包括σ因子的聚合酶，负责 转录延伸和转录复合物的释放 • T3和T7噬菌体RNA聚合酶：单一多肽链，能识别其自 身特定DNA的结合序列和快速合成RNA
五、反转录
• 以RNA链为模板，由逆转录酶（依赖于RNA的DNA聚 合酶）催化合成DNA链的过程，叫做反（逆）转录 • 反转录机制首先在RNA肿瘤病毒中发现，哺乳动物的胚 胎细胞和正在分裂的淋巴细胞中也有反转录酶 • 反转录合成一条与RNA模板互补的DNA单链，叫做互 补DNA (complementary DNA, cDNA ）
一、启动子序列
• 长度：40-60bp，-55到+20区域为聚合酶结合区，其中-10和-35 保守序列最关键 • -10序列：由Pribnow发现（故称Pribnow 框），共有序列为 TATAAT，与转录起始部位间距离为5-8个碱基 • -35序列：共有序列为TTGACA，高效启动子中高度保守，与10序列之间间隔为16-18个核苷酸 • 启动效率：不同基因转录效率差异很大，主要由启动子控制， 其-35和-10序列越典型转录效率越高 • 转录起始部位：约90%基因的转录起始部位为G或A，两侧分别 是C和T
二、结构亚单位
• 亚单位: rpoA 基因编码， 核心酶装配所需，可能参与 启动子的识别 • 亚单位： rpoB基因编码， 是该酶的催化中心 • ‘ 亚单位: rpoC 基因编码， 可能与模板链结合有关 • 因子:最常见的是 70，对 启动子识别起关键作用
第三节
大肠杆菌70启动子