第五章 转录（transcription）

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1 第五章 转录（transcription）
转录：是指以DNA为模板，在依赖于DNA的RNA 聚合酶的催化下，以四种rNTP（ATP、CTP、GTP 和UTP）为原料合成RNA的过程。 转录需要模板DNA； 转录需要酶（RNA聚合酶及转录有关的蛋白因子）； 转录过程包括：起始发动、延伸和终止； 转录有特定的调控机制； 转录后的产物需要后续加工； 原核生物和真核生物的转录有一定差异。

2 一、RNA合成的基本特点 1960年Weiss,S,B等发现RNA聚合酶（RNA Pol）。 其特点是：
（1）以核糖核苷三磷酸（rNTR）为底物； （2）以DNA为模板； （3）按5′-3′方向合成； （4）无需引物的存在能单独起始链的合成； （5）第一个引入的rNTP是以三磷酸形式存在； （6）在体内DNA双链中仅一条链作为模板； （7）RNA的序列和模板是互补的。

3 二、有义链和无义链 1963 J.Marmur和Doty Spiegelnan区分有义链， 采用枯草杆菌的SP8噬菌体为材料；
SP8 DNA 双链有“ 轻”、“ 重”，差异明显； 现在将作为转录模板的DNA单链称为模板链或 反义链（antisen strand）； 非模板链称为有义链（sense strand）或编码链； 在体外DNA的两条链都可作为RNA合成的模板。

4 三、RNA合成和DNA复制的区别 （1）转录时只有一条DNA链为模板，而复制时两条链 都可作为模板；
（2）转录时形成的DNA-RNA杂合双链不稳定，RNA 合成后释放；而DNA复制叉形成后一直打开，新 链和模板链形成聚合双链； （3）RNA合成不需引物，而DNA复制需引物； （4）转录的底物是rNTP，复制的底物是dNTP； （5）两者使用的聚合酶系不同。

5 第一节 原核生物的转录 一．大肠杆菌的RNA聚合酶 大肠杆菌RNA聚合酶由多亚基组成； α2ββ ′σ称为全酶，分子量为480kDa；
第一节 原核生物的转录 一．大肠杆菌的RNA聚合酶 大肠杆菌RNA聚合酶由多亚基组成； α2ββ ′σ称为全酶，分子量为480kDa； α亚基与全酶结合疏松，可解离，解离后 的部分称为核心酶。 RNA pol 和DNA pol有两点不同： （1）RNA pol 没有任何校对功能； （2）在不需要引物的前提下能起始合成新的RNA链。

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9 RNA pol 执行的功能 识别DNA双链上的启动子（promoter）； 使DNA变性，在启动子处解旋成单链；
自己的转录方向和模板链； 最后当它达到终止子时，通过识别终止 序列停止转录。

10 二、转录的起始与延伸 (一) 启动子的结构和功能
启动子（promoter）：是指DNA分子上被RNA聚合酶识别并结合形成起始转录复合物的区域，它还包括一些调节蛋白质因子的结合位点。 启动子是控制转录起始的序列，并决定某一基因的表达强度； 与RNA聚合酶亲和力高的启动子，其转录起始频率和效率均高； 启动子的DNA序列有其独特的特点，原核生物和真核生物的启动子序列结构上有一定差异。

11 启动子序列的结构特点： (1)结构典型,都含识别（R),结合（B)和起始（I）位点; (2)序列保守; (3)位置和距离都比较恒定；
(4)直接和多聚酶相结合； (6)位于基因的上游； (7)决定转录的启动和方向； (8)常和邻近基因共同组成操纵子（operon）

12 典型启动子的结构 -35区 区 转录起点+1 TTGACA bp TATAAT bp

13 －10序列 －10序列是由Pribnow和Schaller（1975）发现，故称为Pribnow框盒（Pribnow box），它位于转录起点上游约－10 bp处，是RNA pol的结合部位 。 保守序列为T80A95T45A60A50T9 ; 位于-10bp左右，AT较丰富，易于解链。其 功能是： (1) RNA pol紧密结合位点; (2) 在此形成开放启动复合体； (3) 使RNA pol定向转录。

14 -35序列 －35序列又称为Sextama盒（Sextama box）， 位于－35 bp处，是RNA pol的识别部位。
其保守序列为（T82T84G78A65C54A45）； 其功能是: （1）为RNA pol的识别位点。σ亚基识别 －35序列，为转录选择模板； （2）－35和－10序列的距离是稳定的，此 与RNA pol的结构有关。

15 转录起始位点（I） 转录开始时模板上的第一个碱基 为转录起始位点； 在原核生物中90%以上为A或G； 位置固定，常见序列是CAT。

16 （二）转录的起始 1. 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（closed binary complex）； 3. 全酶紧密地结合在-10序列处，模板DNA局部变性，形成 开放的启动子二元复合体； 4. 酶移动到转录起点I，第一个rNTP转录开始,σ因子释放, 形成酶-启动子-rNTP三元复合体（ternary complex）。

17 E.coli中不同的因子可识别不同的启动子

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22 （三）RNA的合成延伸 在酶分子上有两个核苷酸结合位点，一是 起始位点，一是延伸位点； 当两个位点都与模板互补的核苷酸结合后，
第一磷酸二酯键才能形成； 随着RNA聚合酶沿着模板链的滑动，由β亚 基催化合成RNA链； 延伸方向为5′-3′。

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24 三、转录的终止 终止子（terminator,t）：在转录过程中，提供 转录终止信号的序列，按终止方式不同分为强终 止子和弱终止子。
强终止子－内部终止子（intrinsic terminators）； 弱终止子 －需要ρ因子（rho factor）又称为 ρ依赖性终止子（rho-dependent terminator）。

25 强终止子的结构 …NNAAGCGCCGNNNCCGGCGCTTTTTTNNN…
…NNTTCGCGGCNNNGGCCGCGAAAAAANNN… DNA …NNAAGCGCCGNNNCCGGCGCUUUUUUNNN… RNA

26 强终止子的结构特点与终止机制 (1)有回文结构存在； (2)茎的区域富内含G-C； (3)强终止子3′端上有连续6个U。
* 终止作用发生在RNA水平上,形成的颈环空间结构阻止了转录的进行,同时3′端上连续6个U使RNA易解离,脱离DNA模板,于是整个mRNA释放出来,转录停止。

27 N N N G ·C C ·G C ·U …NNNNC ·U UUUU…-OH 3’ mRNA 强终止子结构的模式图 发夹结构

28 ρ依赖性终止子结构与终止机制 含有IR序列，也能形成发夹结构； C的含量多，G的含量少； 缺少U串；
*RNA聚合酶在此处暂停，若加入ρ因子， 则使转录停止在特定的终止位点。

29 *ρ因子可识别终止位点上游50～90bp的区域，该区域RNA分子中C的 含量高，G的含量少。

30 RNA Pol转录DNA ρ因子附着到RNA 识别位点上 ρ因子跟在RNAPol 后沿RNA移动 RNA Pol在终止位 点停下，并被ρ因 子追上 在转录泡中ρ因子 使DNA-RNA杂种双 链解开 转录终止,释放出 RNA Pol,ρ子 和 RNA

31 野生型 突变型 核糖体结合到mRNA上 核糖体阻碍 核糖体在突 了ρ因子的 变位点解离 附着和移动 ρ因子附着 ρ因子和RNA 核糖体阻碍 聚合酶接触 ρ因子移动 转录继续 转录提前 终止

32 第二节 真核生物的转录 真核生物的转录和原核转录的不同点： 原核只有一种RNA聚合酶，而真核细胞有三种聚合酶；
第二节 真核生物的转录 真核生物的转录和原核转录的不同点： 原核只有一种RNA聚合酶，而真核细胞有三种聚合酶； 启动子的结构特点有所不同，原核生物启动子结构类似，真核有三种不同的启动子和有关的元件，分别对应不同的RNA聚合酶； 真核的转录有很多蛋白质因子的介入。

33 一、真核的RNA聚合酶 表12-2 真核生物的三种RNA聚合酶的特点 RNA Pol 位置 产物 相对活性 对α-鹅膏蕈的敏
Pol Ⅰ 核仁 28s,18s,5.8s rRNAs ～70% 不敏感 Pol Ⅱ 核质 hnRNA,mRNA,某些SnRNA 20～40% 高度敏感 Pol Ⅲ 核质 tRNA,5SrRNA,某些SnRNAs ～10% 片段特异，中等敏感 表12-3 转录的抑制剂 抑制剂 靶酶 抑制作用 利福霉素 细菌全酶 和β亚基结合，抑制起始 链霉溶菌素 细菌核心酶 和β亚基结合，抑制起始 放射线素D 真核PolⅠ 和DNA结合，阻止延伸 α-鹅膏蕈 真核PolⅡ 和RNA PolⅡ结合

34 二、真核生物转录的起始 （一）真核生物的启动子 真核生物细胞中有三种转录方式，分别 由三种RNA聚合酶（Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ）催化，
与之相对应有三种启动子： RNA聚合酶Ⅰ启动子 Ⅰ类基因(5.8s 18s 28s rRNA基因) RNA聚合酶Ⅱ启动子 Ⅱ类基因(蛋白质基因和snRNA基因) RNA聚合酶Ⅲ启动子 Ⅲ类基因(5SrRNA tRNA snRNA基因)

35 1.RNA聚合酶Ⅱ启动子 启动子Ⅱ最为复杂，它和原核的启动子有很多不同： （1）有多种元件：TATA框，GC框，CAAT框等；
（2）结构不恒定； （3）它们的位置、序列、距离和方向都不完全相同； （4）有的存在远距离的调控元件，如增强子； （5）这些元件常常起到控制转录效率和选择起始位点的作用； （6）不直接和RNA pol结合； (7) 需多种转录因子介入。

36 Ⅱ类基因的启动子和调控区 TATA框：转录起始点上游-30处，又称Hogness框。 核心元件
起始子（initiator，Inr）：一般由Py2CAPy5构成， 位于-3～+5 ，可能提供RNA pol Ⅱ识别。 CAAT box：转录起始点上游-75处。 Ⅱ类启动子 上游元件组成 GC box：转录起始点上游-90处。 增强子（enhancer） 远端调控区 减弱子（dehancer） 静息子（sisencer） 上游激活序列（upstream activating seguences UASs）

37 起始子（initiator，Inr） 起始点一般没有同源序列;
mRNA的第一个碱基倾向A，包括A在内的两侧翼由Py组成称为起始子（initiator,Inr)。在原核CAT起始序列也有这种情况）; 一般由Py2CAPy5构成; 位于－3～+5处； 提供RNA pol Ⅱ识别； 无论TATA是否存在，Inr起始子的强度和起始位点的选择都很重要； 现已纯化了 Inr结合蛋白。

38 TATA box TATA框又称Hogness框，Goldberg-Hogness 框，俚语称为金砖（Goldbrick）。
其一致序列是：T85A97T93A85A63A83A50 ； 常在－30区左右，相当于原核的－10序列。 其作用是： (1) 选择正确的转录起始位点，保证精确起始， 故也称为选择子（selector）。 (2) 影响转录的速率。

39 上游启动子元件（UPE） 表12-4 哺乳动物 RNA PolⅡ上游转录因子结合的元件 元件 保守序列 结合DNA的长度 蛋白质因子
TATAbox TATAAAA ～10bp TBP CAAT box GGCCAATCT ～22bp CTF/NF1 GC box GGGCGG ～20bp SP1 Octamer ATTTGCAT ～20bp Oct-1 Octamer ATTTGCAT bp Oct-2 KB GGGACTTTCC ～10bp NFKB ATF GTGACGT ～20bp ATF B. Lewin:《GENES》Ⅵ.1997,Table 28.2

40 增强子（enhancer） 增强子是在1981年由Benerji，Rusconi小组和Chambom
等发现的，又称远上游序列（far upstream seguence）。 其特点是： ① 具有远距离效应； ②顺式调节； ③无物种和基因的特异性； ④具有组织的特异性； ⑤有相位性，其作用和DNA的构象有关； ⑥ 有的增强子可以对外部信号产生反应。

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42 2.Ⅱ型启动子的转录因子 RNA聚合酶Ⅱ自身不能起始转录，必须在其他辅助因子 （转录因子）的作用下才能转录，酶与其他辅助因子组
成一个基础转录装置，起始Ⅱ类基因的转录； 转录过程需要很多的转录因子参与，他们按一定顺序与 DNA结合形成复合物； 转录因子均为分子量大小不等的蛋白因子； 转录起始复合物形成的基本过程为TBP及TAFS先与DNA的 TATA框附近区域结合，而后依次为TFIIA、TFIIB、TFIIF、RNA聚合酶及TFIIE。

43 3.RNA polⅡ的转录起始 TBP 转录复合体 TAFs TFIIA TFIIB TFIIF Pol II TFIIE