第十一章 原核细胞的基因转录
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原核生物和真核生物中基因的转录
原核生物和真核生物中基因的转录、翻译和后修饰摘要:原核生物和真核生物中基因的转录、翻译和后修饰，是各种功能蛋白质生物合成的一系列程序。
本文通过介绍了原核生物和真核生物中基因的转录、翻译和后修饰的机制、原理、过程，从而了解真核生物和原核生物的基因表达和功能蛋白质合成上的差异。
关键词: 原核生物真核生物基因转录翻译后修饰0引言：21世纪，基因水平上的研究受到人们广泛的关注。
原核生物和真核生物中基因的转录、翻译和后修饰是基础研究，人们也只有在此基础不断扩散深入研究其它基因水平问题。
本文只简单介绍了一些关于基因转录、翻译和后修饰的一部分相关研究成果。
1 原核生物和真核生物中基因的转录：基因转录是在由RNA聚合酶和辅助因子组成的转录复合物的催化下，从双链DNA分子中拷贝生物信息生成一条RNA链的过程。
转录中，一个基因会被读取被复制为mRNA，就是说一特定的DNA片断作为模板，以DNA依赖的RNA合成酶作为催化剂的合成前体mRNA的过程。
转录产物主要有三类RNA，即信使RNA （mRNA）、核糖体RNA（rRNA）和转移RNA（tRNA）。
在基因转录过程中，RNA聚合酶起着非常重要的作用。
RNA聚合酶可以催化所有四种核苷- 5′-三磷酸（ATP、GTP、UTP和CTP）聚合成与模板DNA互补的RNA。
此反应需要Mg2+,反应中释放焦磷酸。
[1]该酶在转录的各个过程中发挥了不同的作用。
1．1 基因转录的启动RNA聚合酶正确识别DNA模板上的启动子并形成由酶、DNA和核苷三磷酸构成的三元起始复合物，转录便开始进行。
启动子是DNA分子上可与RNA聚合酶特异结合，而使转录开始的一段DNA序列而本身不被转录。
DNA模板上的启动区域常含有TATAATG顺序，称P盒。
复合物中的核苷三磷酸一般为GTP,少数为ATP,因而原始转录产物的5′端通常为三磷酸鸟苷(pppG)或腺苷三磷酸(pppA)。
真核DNA上的转录启动区域也有类似原核DNA的启动区结构，和在-30bp（即在酶和DNA结合点的上游30核苷酸处）附近也含有TATA结构，称TATA盒。
第十一章细胞核与染色质
6
（一）结构模型
核孔的直径为80~120nm，而核孔复合体直径为120-150nm。
20 世纪 80 年代，计算机图像处理技术，高分辨率场发射扫描电镜技术 (HR—FESEM)以及快速冷冻—冷冻干燥制样技术出现。 捕鱼笼式(fish-trap)的核孔复合体模型
7
核孔复合体主要结构组分
①胞质环：外环，环上8条短纤维对称分 布伸向胞质； ②核质环：内环， 8 条细长的纤维末端 形成一个直径为60nm的小环，小环由8个 颗粒组成 ③辐(spoke)：由核孔边缘伸向中心，呈 辐射状八重对称。分为三个结构域：柱 状亚单位 (column subunit)、腔内亚单 位 ( luminal subunit)、 环 带 亚 单 位 (annular subunit)； 中央栓 核质环 胞质环
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第二节 染色质
染色质( chromatin) 是遗传物质的载体。 1879年，W.Fleming 染色质 1888年，Waldeyer 染色体 染色质和染色体是在细胞周期不同阶段可 以互相转变的形态结构。
- 染色质：间期细胞核内由DNA、组蛋白、 非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构， 是间期细胞遗传物质存在的形式。
- 染色体：细胞在有丝分裂或减数分裂的特 定阶段，由染色质缩聚而成的棒状结构。
14
15
RNA及核糖体亚单位的出核转运机制
真核细胞中 RNA一般要经过转录后加工、修饰成为成熟的 RNA分子后才 能 被转运出核。 ①由 RNA聚合酶I转录的rRNA分子，总是在核仁中与从胞质中转运进来 的核糖体蛋白结合形成核糖体亚单位，以核糖核蛋白颗粒(RNP)的形式 离开细胞核，核糖体蛋白分子上含有出核信号 (nuclear export signal， NES)。转运过程需要能量； ②由 RNA 聚合酶 Ⅲ转录的 5SrRNA 与 tRNA 的转运是一种由蛋白质介导的 过程； ③由 RNA 聚合酶Ⅱ转录的 mRNA 前体只有在核内经过转录后加工、修饰 成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。 哺乳类细胞每5-20 min就产生一个成熟的 mRNA分子，几分钟后即被运 出细胞核。
分子生物学 第11章
反式作用因子从功能上分析，其结构可包含不同区 域：DNA结合域、转录激活域、连接区
（一）蛋白质直接和DNA结合
在DNA结合结构域中具有一些特殊结构基序： 1. 螺旋-转角-螺旋结构基序
2. 锌指结构基序
3. 螺旋-突环-螺旋结构基序
4. 亮氨基拉链结构基序
5. 碱性结构域 6. Β折叠
•基元，基序或模序（motifs or modules） •在许多蛋白质中，有两个或三个具有二级结构的肽 段在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象， 称为基序。有的将这种规则的二级结构的聚集体称 为超二级结构，它们可直接作为三级结构的“建筑 块”或域结构的组成单位，是蛋白质发挥特定功能 的基础。 •类型：αα、ββ、αβα、锌指结构、亮氨酸拉链…
第11章 真核生物的基因表达调控
真核生物基因表达与调控与原核生物有很大不同
•原核生物同一群体的每个细胞都和外界环境直接接 触，它们主要通过转录调控，以开启或关闭某些基 因的表达来适应环境条件（主要是营养水平的变 化），故环境因子往往是调控的诱导物。 •而大多数真核生物，基因表达调控最明显的特征时 能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从 而实现“预定”的，有序的，不可逆的分化和发育 过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范 围内保持正常的生理功能。
1. 螺旋-转角-螺旋（Helix-turn-helix, HTH)
•HTH是第一个被确立的DNA结合结构。 很多细菌的调节蛋白是以螺旋-转角-螺旋这种基序 存在，如Lac阻遏蛋白，Trp阻遏蛋白、分解代谢激 活蛋白（CAP），λ噬菌体阻遏蛋白（Cro），噬菌 体434阻遏蛋白。在酵母中涉及交配型的a1和a2蛋 白以及在高等真核生物中的Oct-1和Oct-2也属于此 类型。
原核细胞的基因结构
目的基因的mRNA
单链DNA
1
2
3
6
5
4
DNA聚合酶反转录酶③基因组和部分基因组(cDNA)比较
怎样从基因中得到我们所需的目的基因呢?依据：目的基因的有关信息。 如：根据基因的核苷酸序列 基因的功能 基因在染色体上的位置 基因的转录产物mRNA 基因翻译产物蛋白质等特性从基因中得到目的基因的方法基因
基因组部分基因 （如:cDNA）（1）.基录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需的基因。
终止子：位于基因的尾端的一段特殊的DNA片断，能终止mRNA的转录
标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将有目的基因的细胞筛选出来
载体与表达载体的区别：二者都有标记基因和复制原点两部分DNA片段。表达载体在载体基础上增加了目的基因、启动子、终止子三部分结构
01
用到的工具酶：既用到限制酶切割载体，又用到DNA连接酶将目的基因和载体拼接，两种酶作用的化学键都是磷酸二酯键
练习1：(2008理综山东卷)为扩大可耕地面积，增加粮食产量，黄河三角洲等盐碱地的开发利用备受关注。我国科学家应用耐盐基因培育出了耐盐水稻新品系。 （2）将重组DNA分子导入水稻受体细胞的常用方法有农杆菌转化法和 法。 （3）由导入目的基因的水稻细胞培养成植株需要利用 技术，该技术的核心是 和 。 （4）为了确定耐盐转基因水稻是否培育成功，既要用放射性同位素标记的 作探针进行分子杂交检测，又要用 方法从个体水平鉴定水稻植株的耐盐性。
C
练习
2）不属于质粒被选为基因运载体的理由是 A、能复制 （ ） B、有多个限制酶切点 C、具有标记基因 D、它是环状DNA
D
练习
单链DNA
1
2
3
6
5
4
DNA聚合酶反转录酶③基因组和部分基因组(cDNA)比较
怎样从基因中得到我们所需的目的基因呢?依据：目的基因的有关信息。 如：根据基因的核苷酸序列 基因的功能 基因在染色体上的位置 基因的转录产物mRNA 基因翻译产物蛋白质等特性从基因中得到目的基因的方法基因
基因组部分基因 （如:cDNA）（1）.基录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需的基因。
终止子：位于基因的尾端的一段特殊的DNA片断，能终止mRNA的转录
标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将有目的基因的细胞筛选出来
载体与表达载体的区别：二者都有标记基因和复制原点两部分DNA片段。表达载体在载体基础上增加了目的基因、启动子、终止子三部分结构
01
用到的工具酶：既用到限制酶切割载体，又用到DNA连接酶将目的基因和载体拼接，两种酶作用的化学键都是磷酸二酯键
练习1：(2008理综山东卷)为扩大可耕地面积，增加粮食产量，黄河三角洲等盐碱地的开发利用备受关注。我国科学家应用耐盐基因培育出了耐盐水稻新品系。 （2）将重组DNA分子导入水稻受体细胞的常用方法有农杆菌转化法和 法。 （3）由导入目的基因的水稻细胞培养成植株需要利用 技术，该技术的核心是 和 。 （4）为了确定耐盐转基因水稻是否培育成功，既要用放射性同位素标记的 作探针进行分子杂交检测，又要用 方法从个体水平鉴定水稻植株的耐盐性。
C
练习
2）不属于质粒被选为基因运载体的理由是 A、能复制 （ ） B、有多个限制酶切点 C、具有标记基因 D、它是环状DNA
D
练习
分子生物学：真核基因表达调控
第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓 部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。
真核基因表达的多级调控
在真核生物中基因表达的调节其特是
（1）多层次; （2）无操纵子和弱化子; （3）个体发育复杂; （4）受环境影响较小;
研究基因调控3个问题：
① 什么是诱发基因转录的信号？
基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它 使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是 基因活性调控的一种方式。
实例： 非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷
贝，在减数分裂I的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线 期它的拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个 核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。
二、基因扩增、基因重排和基因丢失
三、DNA甲基化与基因活性的调控
一、 染色质结构对转录的影响
按功能状态的不同可将染色质分为： （1）活性染色质（有转录活性） （2）非活性染色质（没有转录活性）
染色质的核小体发生构象改变，松散的染色质结构，便 于转录调控因子和顺式用元件结合和RNA聚合酶在转录模板上 滑动。
真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不 普遍；
顺式作用元件： 由若干可以区分的DNA序列组成，并与特定的功能
基因相连，组成基因转录的调控区，通过与相应的反 式作用因子结合，实现对基因转录的调控。
反式作用因子： 能直接地或间接地识别或结合在各类顺式作用元
件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白因子， 也被称为转录因子（TF）。
哺乳类基因组中约存在4万个CpG 岛，它们大多位于结构基 因启动子的核心序列和转录起始点，其中有60%～ 90% 的 CpG 被甲基化， CpG 岛在基因表达调控中起重要作用。
真核基因表达的多级调控
在真核生物中基因表达的调节其特是
（1）多层次; （2）无操纵子和弱化子; （3）个体发育复杂; （4）受环境影响较小;
研究基因调控3个问题：
① 什么是诱发基因转录的信号？
基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它 使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是 基因活性调控的一种方式。
实例： 非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷
贝，在减数分裂I的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线 期它的拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个 核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。
二、基因扩增、基因重排和基因丢失
三、DNA甲基化与基因活性的调控
一、 染色质结构对转录的影响
按功能状态的不同可将染色质分为： （1）活性染色质（有转录活性） （2）非活性染色质（没有转录活性）
染色质的核小体发生构象改变，松散的染色质结构，便 于转录调控因子和顺式用元件结合和RNA聚合酶在转录模板上 滑动。
真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不 普遍；
顺式作用元件： 由若干可以区分的DNA序列组成，并与特定的功能
基因相连，组成基因转录的调控区，通过与相应的反 式作用因子结合，实现对基因转录的调控。
反式作用因子： 能直接地或间接地识别或结合在各类顺式作用元
件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白因子， 也被称为转录因子（TF）。
哺乳类基因组中约存在4万个CpG 岛，它们大多位于结构基 因启动子的核心序列和转录起始点，其中有60%～ 90% 的 CpG 被甲基化， CpG 岛在基因表达调控中起重要作用。
RNA的生物合成复习题及答案
答案
34.转录的起始复合物中含有 A. DNA B.核心酶 C.四磷酸二核苷 D. σ因子
答案
35.关于转录的表达，正确的选项是 A.可形成小段DNA-RNA杂交双链 B.DNA双链可同时作为模板 C.转录产物可形成发夹结构而终止转录 D.同一基因可转录生成几种RNA
答案
36.关于真核细胞的mRNA以下说法，哪些 是错误的 A.由hnRNA生成 B.3’-端有一m7GTP的帽子 C.5’-端有多聚A尾巴 D.其前体经酶催化的剪接作用，去掉外 显子将内含子连接而成
答案
X型选择题
31.抑制转录的物质有 Aபைடு நூலகம்利福霉素 B.利福平 C.鹅膏蕈碱 D.氯霉素
答案
32.将以下核苷酸混合液通过polyT层析 柱，可被吸附于柱上的是 A. mRNA B. tRNA C. rRNA D. hnRNA
答案
33.关于RNA聚合酶的描述，正确的有 A.以dNTP为底物 B.催化磷酸二酯键的形成 C.具有核酸外切酶的功能 D.可与DNA双链结合
B型题 21.A 22.D 23.B 24.B 25.E 26.D 27.A 28.E 29.B 30.D
X型题 31.ABC 32.AD 33.BD 34.ABCD 35.ACD 36.BCD 37.BD 38.AD 39.BCD 40.AC
名词解释参考答案
1. 真核生物结构基因，由假设干个编码区 和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而 成，去除非编码区再连接后，可翻译出 由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些 基因称为断裂基因。
答案
14.鹅膏蕈碱可强烈抑制 A.蛋白质合成 B.hnRNA合成 C.DNA合成 D.45SrRNA合成 E.核苷酸合成
答案
15.转录与复制有许多相似之处，但不包括 A.均需依赖DNA为模板的聚合酶 B.以DNA单链为模板 C.遵守碱基配对原那么 D.有特定的起始点 E.以RNA为引物
34.转录的起始复合物中含有 A. DNA B.核心酶 C.四磷酸二核苷 D. σ因子
答案
35.关于转录的表达，正确的选项是 A.可形成小段DNA-RNA杂交双链 B.DNA双链可同时作为模板 C.转录产物可形成发夹结构而终止转录 D.同一基因可转录生成几种RNA
答案
36.关于真核细胞的mRNA以下说法，哪些 是错误的 A.由hnRNA生成 B.3’-端有一m7GTP的帽子 C.5’-端有多聚A尾巴 D.其前体经酶催化的剪接作用，去掉外 显子将内含子连接而成
答案
X型选择题
31.抑制转录的物质有 Aபைடு நூலகம்利福霉素 B.利福平 C.鹅膏蕈碱 D.氯霉素
答案
32.将以下核苷酸混合液通过polyT层析 柱，可被吸附于柱上的是 A. mRNA B. tRNA C. rRNA D. hnRNA
答案
33.关于RNA聚合酶的描述，正确的有 A.以dNTP为底物 B.催化磷酸二酯键的形成 C.具有核酸外切酶的功能 D.可与DNA双链结合
B型题 21.A 22.D 23.B 24.B 25.E 26.D 27.A 28.E 29.B 30.D
X型题 31.ABC 32.AD 33.BD 34.ABCD 35.ACD 36.BCD 37.BD 38.AD 39.BCD 40.AC
名词解释参考答案
1. 真核生物结构基因，由假设干个编码区 和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而 成，去除非编码区再连接后，可翻译出 由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些 基因称为断裂基因。
答案
14.鹅膏蕈碱可强烈抑制 A.蛋白质合成 B.hnRNA合成 C.DNA合成 D.45SrRNA合成 E.核苷酸合成
答案
15.转录与复制有许多相似之处，但不包括 A.均需依赖DNA为模板的聚合酶 B.以DNA单链为模板 C.遵守碱基配对原那么 D.有特定的起始点 E.以RNA为引物
11细胞核和染色体 中山大学研究生入学考试细胞生物学真题各章节专项整理
43.( )亮氨酸拉链基序是反式作用因子的一种特异性亮氨酸序列，它们通过二聚体的形式形成拉链结构参与基因表达的调控。（01年）
44.( )染色质中核酸酶超敏感位点常位于两个核小体之间的连接DNA上。（02年）
45.( )同一个体不同组织的细胞中，核仁的大小和数目都有很大的变化，这种变化和细胞中蛋白质合成呢个的旺盛程度有关。（03年）
b.中期染色体含有非组蛋白蛋白质
c.中期染色体的压缩程度比间期染色体的压缩程度低
d.中期染色体也含有蛋白质骨架
三、判断题
34.( )锌指结构模式仅在真核细胞DNA结合蛋白中发现，而α螺旋-转角-α螺旋模式DNA结合蛋白仅在原核细胞中发现。（98年）
35.( )中度重复序列DNA都是非编码序列，即没有结构基因。（98年）
3.根据多级螺旋模型，从DNA到染色体四级包装，共压缩了倍。（99年）
4.核质素是一种亲核蛋白，具有头、尾两个不同的结构域，其具有人核信号。（99年）
5.细胞核内不能合成蛋白质，因此，构成细胞核的蛋白质（包括酶）由合成，然后
由引导进入细胞核。（00年）
6.分子伴侣在信号肽引导的蛋白质运输和定位中具有重要作用，例如伴侣分子Bip在内质网中不仅能够帮助，还担负着作用。（00年）
46.( )核纤层是由核纤层蛋白A,核纤层蛋白B和核纤层蛋白C构成的,其中只有核纤层蛋白A与核膜相连.（04年）
47.( )同源异型框是一类含有60个氨基酸保守序列的蛋白质肽,它们是突变可以改变发育的方向.（04年）
48.( )DNA在进行半保留复制时,核小体组蛋白也要解聚,复制后再进行组装.（04年）
A.凝血缺陷B.不能抵抗组织感染
C.皮上出现水疱D.立即死亡
32.下列哪些特性使端粒酶不同与其他的DNA聚合酶？( )（08年）
44.( )染色质中核酸酶超敏感位点常位于两个核小体之间的连接DNA上。（02年）
45.( )同一个体不同组织的细胞中，核仁的大小和数目都有很大的变化，这种变化和细胞中蛋白质合成呢个的旺盛程度有关。（03年）
b.中期染色体含有非组蛋白蛋白质
c.中期染色体的压缩程度比间期染色体的压缩程度低
d.中期染色体也含有蛋白质骨架
三、判断题
34.( )锌指结构模式仅在真核细胞DNA结合蛋白中发现，而α螺旋-转角-α螺旋模式DNA结合蛋白仅在原核细胞中发现。（98年）
35.( )中度重复序列DNA都是非编码序列，即没有结构基因。（98年）
3.根据多级螺旋模型，从DNA到染色体四级包装，共压缩了倍。（99年）
4.核质素是一种亲核蛋白，具有头、尾两个不同的结构域，其具有人核信号。（99年）
5.细胞核内不能合成蛋白质，因此，构成细胞核的蛋白质（包括酶）由合成，然后
由引导进入细胞核。（00年）
6.分子伴侣在信号肽引导的蛋白质运输和定位中具有重要作用，例如伴侣分子Bip在内质网中不仅能够帮助，还担负着作用。（00年）
46.( )核纤层是由核纤层蛋白A,核纤层蛋白B和核纤层蛋白C构成的,其中只有核纤层蛋白A与核膜相连.（04年）
47.( )同源异型框是一类含有60个氨基酸保守序列的蛋白质肽,它们是突变可以改变发育的方向.（04年）
48.( )DNA在进行半保留复制时,核小体组蛋白也要解聚,复制后再进行组装.（04年）
A.凝血缺陷B.不能抵抗组织感染
C.皮上出现水疱D.立即死亡
32.下列哪些特性使端粒酶不同与其他的DNA聚合酶？( )（08年）
分子生物学 第十一章 原核基因表达的调控
二聚体， 45KD， 由crp编码
被cAMP激活 结合位点～22bp I -70 ~ -50
II -50 ~ -40
结合位点序列保守 不同基因受cAMP激活的水平不同
3 CAP的结合对DNA构型的影响
DNA弯曲 弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心 弯曲使CAP能与启动子上的RNA pol 接触
Summary
CA
B A: RNA polymerase B: lac repressor C: CRP-cAMP
Summary of lac operon regulation
Glucose High High Low Low
cAMP Low Low High High
Lactose Absent Present Absent Present
• 加入CAP，转录
• lac UV-5突变， -10区 TATGTT → TATAAT 在无CAP时，转录
• DNA topI 突变，降低起始转录对CAP的依赖
cAMP-CAP复合物的结合，使位点II附近的富含GC 区域双螺旋结构稳定性降低，因而-10区的熔解温度降 低，促进开放型启动子复合物的形成
9 原核生物基因表达的调控
9.1 基因表达概述 9.2 操纵元控制理论 9.3 基因转录的时序调控 9.4 转录后加工的调控 9.5 翻译水平的调控
孙朱乃玉恩贤
9.1 基因表达概述
9.1.1 生物遗传信息
9.1.1.1 C值矛盾 C value paradox
Genome DNA
10%; 结构基因的编码序列
triplet codon 90%; 重复，间隔，调节序列…
基因选择性表达指令 重要的遗传信息
.9.1.1.2 遗传信息的两大类别
被cAMP激活 结合位点～22bp I -70 ~ -50
II -50 ~ -40
结合位点序列保守 不同基因受cAMP激活的水平不同
3 CAP的结合对DNA构型的影响
DNA弯曲 弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心 弯曲使CAP能与启动子上的RNA pol 接触
Summary
CA
B A: RNA polymerase B: lac repressor C: CRP-cAMP
Summary of lac operon regulation
Glucose High High Low Low
cAMP Low Low High High
Lactose Absent Present Absent Present
• 加入CAP，转录
• lac UV-5突变， -10区 TATGTT → TATAAT 在无CAP时，转录
• DNA topI 突变，降低起始转录对CAP的依赖
cAMP-CAP复合物的结合，使位点II附近的富含GC 区域双螺旋结构稳定性降低，因而-10区的熔解温度降 低，促进开放型启动子复合物的形成
9 原核生物基因表达的调控
9.1 基因表达概述 9.2 操纵元控制理论 9.3 基因转录的时序调控 9.4 转录后加工的调控 9.5 翻译水平的调控
孙朱乃玉恩贤
9.1 基因表达概述
9.1.1 生物遗传信息
9.1.1.1 C值矛盾 C value paradox
Genome DNA
10%; 结构基因的编码序列
triplet codon 90%; 重复，间隔，调节序列…
基因选择性表达指令 重要的遗传信息
.9.1.1.2 遗传信息的两大类别
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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、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
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
四、转录终止Βιβλιοθήκη • 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
• 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、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
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 ）
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
第十一章
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
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