分子遺傳學(xué)4

第五章轉(zhuǎn)錄

轉(zhuǎn)錄：是指以DNA為模板，在依賴于DNA的RNA

聚合酶的催化下，以四種rNTP（ATP、CTP、GTP

和UTP）為原料合成RNA的過程。轉(zhuǎn)錄需要模板DNA；轉(zhuǎn)錄需要酶（RNA聚合酶及轉(zhuǎn)錄有關(guān)的蛋白因子）；轉(zhuǎn)錄過程包括：起始發(fā)動(dòng)、延伸和終止；轉(zhuǎn)錄有特定的調(diào)控機(jī)制；轉(zhuǎn)錄后的產(chǎn)物需要后續(xù)加工；原核生物和真核生物的轉(zhuǎn)錄有一定差異。分子遺傳學(xué)4

一、RNA合成的基本特點(diǎn)1960年Weiss,S,B等發(fā)現(xiàn)RNA聚合酶（RNAPol）。其特點(diǎn)是：（1）以核糖核苷三磷酸（rNTR）為底物；（2）以DNA為模板；（3）按5′-3′方向合成；（4）無需引物的存在能單獨(dú)起始鏈的合成；（5）第一個(gè)引入的rNTP是以三磷酸形式存在；（6）在體內(nèi)DNA雙鏈中僅一條鏈作為模板；（7）RNA的序列和模板是互補(bǔ)的。分子遺傳學(xué)4

二、有義鏈和無義鏈1963J.Marmur和DotySpiegelnan區(qū)分有義鏈，采用枯草桿菌的SP8噬菌體為材料；SP8DNA雙鏈有“輕”、“重”，差異明顯；現(xiàn)在將作為轉(zhuǎn)錄模板的DNA單鏈稱為模板鏈或反義鏈（antisenstrand）；非模板鏈稱為有義鏈（sensestrand）或編碼鏈；在體外DNA的兩條鏈都可作為RNA合成的模板。分子遺傳學(xué)4

三、RNA合成和DNA復(fù)制的區(qū)別（1）轉(zhuǎn)錄時(shí)只有一條DNA鏈為模板，而復(fù)制時(shí)兩條鏈都可作為模板；（2）轉(zhuǎn)錄時(shí)形成的DNA-RNA雜合雙鏈不穩(wěn)定，RNA

合成后釋放；而DNA復(fù)制叉形成后一直打開，新鏈和模板鏈形成聚合雙鏈；（3）RNA合成不需引物，而DNA復(fù)制需引物；（4）轉(zhuǎn)錄的底物是rNTP，復(fù)制的底物是dNTP；（5）兩者使用的聚合酶系不同。分子遺傳學(xué)4

第一節(jié)原核生物的轉(zhuǎn)錄

一．大腸桿菌的RNA聚合酶大腸桿菌RNA聚合酶由多亞基組成；α2ββ′σ稱為全酶，分子量為480kDa；α亞基與全酶結(jié)合疏松，可解離，解離后的部分稱為核心酶。

RNApol和DNApol有兩點(diǎn)不同：（1）RNApol沒有任何校對(duì)功能；（2）在不需要引物的前提下能起始合成新的RNA鏈。分子遺傳學(xué)4分子遺傳學(xué)4分子遺傳學(xué)4分子遺傳學(xué)4RNApol執(zhí)行的功能識(shí)別DNA雙鏈上的啟動(dòng)子（promoter）；使DNA變性，在啟動(dòng)子處解旋成單鏈；通過閱讀啟動(dòng)子序列，RNApol確定它自己的轉(zhuǎn)錄方向和模板鏈；最后當(dāng)它達(dá)到終止子時(shí)，通過識(shí)別終止序列停止轉(zhuǎn)錄。

分子遺傳學(xué)4

二、轉(zhuǎn)錄的起始與延伸(一)啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)和功能啟動(dòng)子（promoter）：是指DNA分子上被RNA聚合酶識(shí)別并結(jié)合形成起始轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的區(qū)域，它還包括一些調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)因子的結(jié)合位點(diǎn)。啟動(dòng)子是控制轉(zhuǎn)錄起始的序列，并決定某一基因的表達(dá)強(qiáng)度；與RNA聚合酶親和力高的啟動(dòng)子，其轉(zhuǎn)錄起始頻率和效率均高；啟動(dòng)子的DNA序列有其獨(dú)特的特點(diǎn)，原核生物和真核生物的啟動(dòng)子序列結(jié)構(gòu)上有一定差異。分子遺傳學(xué)4

啟動(dòng)子序列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)典型,都含識(shí)別（R),結(jié)合（B)和起始（I）位點(diǎn);(2)序列保守;(3)位置和距離都比較恒定；(4)直接和多聚酶相結(jié)合；(6)位于基因的上游；(7)決定轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)和方向；(8)常和鄰近基因共同組成操縱子（operon）分子遺傳學(xué)4

典型啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)

-35區(qū)-10區(qū)轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)+1TTGACA16-19bpTATAAT5-9bp分子遺傳學(xué)4－10序列－10序列是由Pribnow和Schaller（1975）發(fā)現(xiàn)，故稱為Pribnow框盒（Pribnowbox），它位于轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游約－10bp處，是RNApol的結(jié)合部位。保守序列為T80A95T45A60A50T9

;位于-10bp左右，AT較豐富，易于解鏈。其功能是：

(1)RNApol緊密結(jié)合位點(diǎn);(2)在此形成開放啟動(dòng)復(fù)合體；

(3)使RNApol定向轉(zhuǎn)錄。分子遺傳學(xué)4-35序列－35序列又稱為Sextama盒（Sextamabox），位于－35bp處，是RNApol的識(shí)別部位。

其保守序列為（T82T84G78A65C54A45）；

其功能是:

（1）為RNApol的識(shí)別位點(diǎn)。σ亞基識(shí)別－35序列，為轉(zhuǎn)錄選擇模板；（2）－35和－10序列的距離是穩(wěn)定的，此與RNApol的結(jié)構(gòu)有關(guān)。分子遺傳學(xué)4

轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（I）轉(zhuǎn)錄開始時(shí)模板上的第一個(gè)堿基為轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)；在原核生物中90%以上為A或G；位置固定，常見序列是CAT。分子遺傳學(xué)4（二）轉(zhuǎn)錄的起始1.全酶與模板的DNA接觸，生成非專一的,不穩(wěn)定的復(fù)合物在模板上移動(dòng)；2.起始識(shí)別：全酶與－35序列結(jié)合，產(chǎn)生封閉的酶-啟動(dòng)子二元復(fù)合物（closedbinarycomplex）；3.全酶緊密地結(jié)合在-10序列處，模板DNA局部變性，形成開放的啟動(dòng)子二元復(fù)合體；4.酶移動(dòng)到轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)I，第一個(gè)rNTP轉(zhuǎn)錄開始,σ因子釋放,

形成酶-啟動(dòng)子-rNTP三元復(fù)合體（ternarycomplex）。分子遺傳學(xué)4E.coli中不同的因子可識(shí)別不同的啟動(dòng)子分子遺傳學(xué)4分子遺傳學(xué)4分子遺傳學(xué)4分子遺傳學(xué)4分子遺傳學(xué)4（三）RNA的合成延伸在酶分子上有兩個(gè)核苷酸結(jié)合位點(diǎn)，一是

起始位點(diǎn)，一是延伸位點(diǎn)；當(dāng)兩個(gè)位點(diǎn)都與模板互補(bǔ)的核苷酸結(jié)合后，第一磷酸二酯鍵才能形成；隨著RNA聚合酶沿著模板鏈的滑動(dòng)，由β亞基催化合成RNA鏈；延伸方向?yàn)?′-3′。分子遺傳學(xué)4分子遺傳學(xué)4

三、轉(zhuǎn)錄的終止

終止子（terminator,t）：在轉(zhuǎn)錄過程中，提供轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的序列，按終止方式不同分為強(qiáng)終止子和弱終止子。強(qiáng)終止子－內(nèi)部終止子（intrinsicterminators）；弱終止子－需要ρ因子（rhofactor）又稱為

ρ依賴性終止子（rho-dependentterminator）。分子遺傳學(xué)4

強(qiáng)終止子的結(jié)構(gòu)

…NNAAGCGCCGNNNCCGGCGCTTTTTTNNN…

…NNTTCGCGGCNNNGGCCGCGAAAAAANNN…

DNA

…NNAAGCGCCGNNNCCGGCGCUUUUUUNNN…RNA分子遺傳學(xué)4

強(qiáng)終止子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與終止機(jī)制(1)有回文結(jié)構(gòu)存在；(2)莖的區(qū)域富內(nèi)含G-C；(3)強(qiáng)終止子3′端上有連續(xù)6個(gè)U。*終止作用發(fā)生在RNA水平上,形成的頸環(huán)空間結(jié)構(gòu)阻止了轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行,同時(shí)3′端上連續(xù)6個(gè)U使RNA易解離,脫離DNA模板,于是整個(gè)mRNA釋放出來,轉(zhuǎn)錄停止。分子遺傳學(xué)4NNN

NNG·CC·GC·GG·CC·GG·CC·U…NNNNC·UUUUU…-OH3’mRNA

強(qiáng)終止子結(jié)構(gòu)的模式圖

發(fā)夾結(jié)構(gòu)分子遺傳學(xué)4含有IR序列，也能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；C的含量多，G的含量少；缺少U串；

*RNA聚合酶在此處暫停，若加入ρ因子，則使轉(zhuǎn)錄停止在特定的終止位點(diǎn)。

ρ依賴性終止子結(jié)構(gòu)與終止機(jī)制分子遺傳學(xué)4*ρ因子可識(shí)別終止位點(diǎn)上游50～90bp的區(qū)域，該區(qū)域RNA分子中C的

含量高，G的含量少。分子遺傳學(xué)4

RNAPol轉(zhuǎn)錄DNAρ因子附著到RNA

識(shí)別位點(diǎn)上

ρ因子跟在RNAPol

后沿RNA移動(dòng)

RNAPol在終止位點(diǎn)停下，并被ρ因子追上在轉(zhuǎn)錄泡中ρ因子使DNA-RNA雜種雙鏈解開轉(zhuǎn)錄終止,釋放出

RNAPol,ρ子和RNA分子遺傳學(xué)4

野生型突變型核糖體結(jié)合到mRNA上核糖體阻礙核糖體在突了ρ因子的變位點(diǎn)解離附著和移動(dòng)

ρ因子附著ρ因子和RNA

核糖體阻礙聚合酶接觸

ρ因子移動(dòng)轉(zhuǎn)錄繼續(xù)轉(zhuǎn)錄提前終止分子遺傳學(xué)4

第二節(jié)真核生物的轉(zhuǎn)錄

真核生物的轉(zhuǎn)錄和原核轉(zhuǎn)錄的不同點(diǎn)：原核只有一種RNA聚合酶，而真核細(xì)胞有三種聚合酶；啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有所不同，原核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)類似，真核有三種不同的啟動(dòng)子和有關(guān)的元件，分別對(duì)應(yīng)不同的RNA聚合酶；真核的轉(zhuǎn)錄有很多蛋白質(zhì)因子的介入。分子遺傳學(xué)4

一、真核的RNA聚合酶

表12-2真核生物的三種RNA聚合酶的特點(diǎn) RNAPol 位置 產(chǎn)物 相對(duì)活性對(duì)α-鵝膏蕈的敏 PolⅠ 核仁 28s,18s,5.8srRNAs50～70%不敏感 PolⅡ 核質(zhì) hnRNA,mRNA,某些SnRNA20～40% 高度敏感 PolⅢ 核質(zhì) tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs～10%片段特異，中等敏感

表12-3轉(zhuǎn)錄的抑制劑 抑制劑 靶酶 抑制作用 利福霉素 細(xì)菌全酶 和β亞基結(jié)合，抑制起始 鏈霉溶菌素 細(xì)菌核心酶 和β亞基結(jié)合，抑制起始 放射線素D 真核PolⅠ 和DNA結(jié)合，阻止延伸

α-鵝膏蕈 真核PolⅡ 和RNAPolⅡ結(jié)合

分子遺傳學(xué)4

二、真核生物轉(zhuǎn)錄的起始（一）真核生物的啟動(dòng)子

真核生物細(xì)胞中有三種轉(zhuǎn)錄方式，分別由三種RNA聚合酶（Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ）催化，與之相對(duì)應(yīng)有三種啟動(dòng)子：RNA聚合酶Ⅰ啟動(dòng)子------Ⅰ類基因(5.8s18s28srRNA基因)RNA聚合酶Ⅱ啟動(dòng)子------Ⅱ類基因(蛋白質(zhì)基因和snRNA基因)RNA聚合酶Ⅲ啟動(dòng)子------Ⅲ類基因(5SrRNAtRNAsnRNA基因)分子遺傳學(xué)41.RNA聚合酶Ⅱ啟動(dòng)子

啟動(dòng)子Ⅱ最為復(fù)雜，它和原核的啟動(dòng)子有很多不同：（1）有多種元件：TATA框，GC框，CAAT框等；（2）結(jié)構(gòu)不恒定；（3）它們的位置、序列、距離和方向都不完全相同；（4）有的存在遠(yuǎn)距離的調(diào)控元件，如增強(qiáng)子；（5）這些元件常常起到控制轉(zhuǎn)錄效率和選擇起始位點(diǎn)的作用；（6）不直接和RNApol結(jié)合；

(7)需多種轉(zhuǎn)錄因子介入。分子遺傳學(xué)4Ⅱ類基因的啟動(dòng)子和調(diào)控區(qū)TATA框：轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-30處，又稱Hogness框。核心元件起始子（initiator，Inr）：一般由Py2CAPy5構(gòu)成，

位于-3～+5，可能提供RNApolⅡ識(shí)別。

CAATbox：轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-75處。Ⅱ類啟動(dòng)子上游元件組成

GCbox：轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-90處。

增強(qiáng)子（enhancer）遠(yuǎn)端調(diào)控區(qū)減弱子（dehancer）靜息子（sisencer）上游激活序列（upstreamactivatingseguencesUASs）

分子遺傳學(xué)4

起始子（initiator，Inr）起始點(diǎn)一般沒有同源序列;mRNA的第一個(gè)堿基傾向A，包括A在內(nèi)的兩側(cè)翼由Py組成稱為起始子（initiator,Inr)。在原核CAT起始序列也有這種情況）;一般由Py2CAPy5構(gòu)成;位于－3～+5處；提供RNApolⅡ識(shí)別；無論TATA是否存在，Inr起始子的強(qiáng)度和起始位點(diǎn)的選擇都很重要；現(xiàn)已純化了Inr結(jié)合蛋白。分子遺傳學(xué)4TATAboxTATA框又稱Hogness框，Goldberg-Hogness框，俚語稱為金磚（Goldbrick）。其一致序列是：T85A97T93A85A63A83A50；常在－30區(qū)左右，相當(dāng)于原核的－10序列。其作用是：

(1)選擇正確的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，保證精確起始，故也稱為選擇子（selector）。

(2)影響轉(zhuǎn)錄的速率。分子遺傳學(xué)4

上游啟動(dòng)子元件（UPE）

表12-4哺乳動(dòng)物RNAPolⅡ上游轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的元件元件 保守序列 結(jié)合DNA的長度蛋白質(zhì)因子TATAbox TATAAAA ～10bp TBP CAATbox GGCCAATCT ～22bp