基因的转录转录后调控.docx

1、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 stran

2、d)，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53，表

3、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）。它以DNA为模板催化RNA的合成。原核生物和真核生物的转录酶，均能在模板链的转录起始部位，催化2个游离的NTP形成磷酸二酯键而引发转录的起始，如图13-2所

4、示。因此，转录的起始不需引物，这也是转录与复制在起始阶段的一大区别。一、原核生物的RNA聚合酶细菌中只发现一种RNA聚合酶，能催化mRNA，tRNA和rRNA等的合成，研究得比较清楚的是大肠杆菌（E coli）的RNA聚合酶。（一）大肠杆菌RNA聚合酶的组成大肠杆菌RNA聚合酶的分子量约450kDa，由四种5个亚基（2）组成全酶（holoenzyne），亚基与全酶疏松结合，在胞内、外均容易从全酶中解离，解离后的部分（2）称为核心酶（core enzyme）。通过利福霉素等抑制转录的实验研究，对转录酶各亚基的功能已有一定的认识：亚基可能参与全酶的组装及全酶识别启动子，从而决定哪些基因可转录；亚基

5、与底物（NTP）及新生RNA链结合；亚基与模板DNA结合；和亚基组成酶的活性中心，通过DNA的磷酸基团与核心酶的碱性基团间的非特异性吸附作用，核心酶能与模板DNA非特异性松驰结合；亚基的功能是识别启动子，辩认转录起始点，但不能单独与DNA模板结合，当它与核心酶结合时，可引起酶构象的改变，从而改变核心酶与DNA结合的性质，使全酶对转录起始点的亲和力比其他部位高4个数量级，在转录延长阶段，亚基与核心酶分离，仅由核心酶参与延长过程。因此，亚基实际上被认为是一种转录辅助因子，因而称为因子(factor)。（二）因子生物体在生命周期的不同阶段或在内、外环境有所变化时，其基因表达有一定的时、空顺序，以适应

6、生长、发育及环境变化的需要。RNA聚合酶的活性是决定基因表达的重要一环。而因子是RNA聚合酶识别及结合启动子的亚基，原核生物中所有RNA的转录都由同一种RNA聚合酶催化，在生命周期的不同阶段或不同环境下，这个酶如何识别所有转录单位的启动子，是由识别启动子的因子来完成的。基因启动子 -35和-10区的共有序列（图13-3）是因子识别的位点，如表13-2所示，不同的因子能识别的共有序列可以完全不同。二、真核生物的RNA聚合酶真核生物的RNA聚合酶已发现有三种，称为RNA聚合酶I、II和III，分别负责转录不同的RNA，它们对特异性抑制剂鹅膏蕈碱的敏感性亦有差异，如表13-3所示。第二节转录过程转录

7、是生物合成RNA的过程，与复制相似，有起始、核苷酸链延长和链合成终止三个阶段。一、转录的起始转录的起始，就是形成转录起始复合物的过程。这一阶段反应所需的辅助因子，在原核生物与真核生物之间有较大的差异。原核生物转录的起始转录的起始由RNA聚合酶与DNA模板的启动子(promoter)结合。经过对百种以上原核生物不同基因的启动子进行分析，发现启动子具有下列的共同点：在-10bp处有一段共有序列（consensus sequence），富含AT，即 TATAAT-，系Pribnow等首先发现，因而称为Pribnow盒（box），再往上游-35bp的中心处又有一组保守的共有序列，即-TTGACT-。启

8、动子邻近的结构示如图13-3。结合过程可分为二个步骤，首先由因子辨认启动子的35区，全酶与该区结合，形成疏松的复合物，此时DNA双链未解开，因而称为封闭型转录起始复合物，继而RNA聚合酶移向10区及转录起始点，在20区处DNA发生局部解链，形成1217bp的单链区，RNA聚合酶与DNA结合更紧密，形成开放型转录起始复合物。以单链的模板链为模板，RNA聚合酶上的起始位点和延伸位点被相应的NTP占据，聚合酶的亚基催化第一个磷酸二酯键的生成，亚基从全酶解离，形成DNA-RNA聚合酶（核心酶）结合在一起的起始延伸复合物。 真核生物转录的起始真核生物有三种RNA聚合酶，分别催化不同RNA的合成，每种酶都

9、需要一些蛋白质辅助因子，称为转录因子(transcription factor,TF)。为方便讨论，转录因子的命名冠以聚合酶的名称。如RNA聚合酶所需的转录因子称为转录因子（transcription factor, TF）。1. RNA聚合酶I催化的转录起始RNA聚合酶I催化前rRNA（40S RNA）的合成。前rRNA基因转录起始点上游有两个顺式作用元件（cis acting element），一个是跨越起始点的核心元件（core element），另一个在100bp处有上游调控元件（upstream control element,UCE）。RNA聚合酶I催化的转录需要2种转录因子，分别

10、称为上游结合因子（upstream binding factor,UBF）和选择性因子1（selective factor1,SL1）。SL1含有4个亚基，一个是TATA盒结合蛋白（TATA-binding protein,TBP），另3个是TBP相关因子（TBP-associated factors,TAF）。UBF与DNA结合令模板DNA发生弯曲，使相距上百bp的UCE和核心元件靠拢，接着SL1和pol I相继结合到UBF-DNA复合物上，完成起始复合物的组建,开始转录,如图13-4所示。2RNA聚合酶II催化的转录起始RNA聚合酶II催化各种前体mRNA的合成。研究表明，RNA聚合酶II

11、催化的转录起始需要较多的转录因子参与。为了便于讨论，它们的命名是在转录因子（TF）后加上大写字母，分别称为TFAJ。RNA聚合酶结合的启动子的特点是，转录起始点上游有三处参与转录调控的保守序列或称为顺式作用元件。在90bp处有核心序列为GGGCGG的GC盒，70bp处有共有(consensus)序列为GGC（T）CAATCT的CAAT盒，30bp处有共有序列为TATAA（T）AAT的TATA盒，又称Hogness盒(Hogness box)。转录起始点与原核生物相似，大多数为A或G。转录起始复合物的组装：如图13-5。3RNA聚合酶催化的转录起始RNA聚合酶催化tRNA，5S rRNA和7S

12、rRNA的转录。（1） tRNA基因转录的起始： tRNA基因的转录初产物是tRNA的前体，经加工后产生多个成熟tRNA。在DNA上的调控序列位于起始转录位点的下游，称为内部启动子。有二个调控区，分别位于编码tRNA D-环和T环的序列，分别称为A盒和B盒。如图3-6所示。（2）5S RNA基因转录的起始： 5S RNA基因的转录除了需要TFB和TFC外，还需要TFA，首先由TFA结合到起始位点下游8199 bp处（C盒），然后TFC结合到A盒和B盒，继而是类似tRNA的转录，TFB与TFC作用，和聚合酶的结合，即可起始转录。二、转录的延长转录延长阶段发生的反应，在原核生物和真核生物比较相近。

13、总的来说，一是聚合酶如何向转录起始点下游移动，继续指导核苷酸之间磷酸二酯键的形成，二是转录区的模板如何形成局部单链区，便于转录。原核生物RNA聚合酶催化转录起始，即核苷酸链中的第一个磷酸二酯键形成后，因子从全酶中解离出来，核心酶就能沿DNA分子移动，真核生物RNA聚合酶不仅需要较多的转录因子来催化起始，而且转录起始后，酶的移动也靠多种转录因子的共同作用使酶的构象发生改变来实现，如在TFH等作用下，聚合酶C端丝氨酸残基的磷酸化是聚合酶向下游移动的重要因素。在转录延长过程中，DNA双链需解开1020 bp，形成的局部单链区象一个小泡，故形象地称为转录泡（transcription bubble）。

14、转录泡是指RNA聚合酶-DNA模板-转录产物RNA结合在一起形成的转录复合物。为了保持局部的转录泡状态，在RNA聚合酶下游的DNA需不断解链，可使其下游的DNA（未解开双链部分）越缠越紧，形成正超螺旋，而其上游DNA变得松驰，产生负超螺旋，需要解旋酶（gyrase）和拓扑异构酶来消除这些现象，如图13-7。转录起始复合物中，核苷酸之间第一个磷酸二酯键的形成是由第一个核苷酸的3-OH与第二个核苷酸的5-磷酸之间脱水而成。第一个核苷酸常为G，来自GTP的5-三磷酸仍保留，第二个核苷酸的3-OH仍然游离形成5pppGpN-OH3。在聚合酶沿模板链的35移动时，可按模板链碱基序列的指引，相应NTP上的

15、-磷酸可与延长新链的3-OH相继形成磷酸二酯键，其、磷酸基脱落生成焦磷酸后迅速水解，释放的能量进一步推动转录，使新合成的RNA链沿着5 3方向逐步延长。在转录局部形成的RNADNA杂化双链之间的引力比DNA双链的弱（因为杂化双链间存在dArU配对， dArU的稳定性比dAdT的小），延长中的RNA链的5-端会被重新形成的DNA双链挤出，使合成中的RNA的5-端游离于转录复合物。三、转录的终止 原核生物转录的终止原核生物转录的终止有两种主要机制。一种机制是需要蛋白质因子（Rho）的参与，称为依赖因子(factor)的转录终止机制，另一种机制是在离体系统中观察到，纯化的RNA聚合酶不需要其他蛋白质

16、因子参与，可使转录终止，称为不依赖因子的转录终止机制。1依赖因子的转录终止： 因子是一种分子量为46kDa的蛋白质，以六聚体为活性形式。依赖因子的终止位点，未发现有特殊的DNA序列，但因子能与转录中的RNA结合。因子的六聚体被约7080 nt的RNA包绕，激活因子的ATP酶（ATPase）活性，并向RNA的3端滑动，滑至RNA聚合酶附近时，RNA聚合酶暂停聚合活性，使RNADNA杂化链解链，转录的RNA释放出来而终止转录。如图13-8所示。2不依赖因子的转录终止： 在这种转录终止系统中，模板DNA在终止位点附近有特殊的连续T序列，在连续T之前有富含GC互补区及几个插入碱基，如图13-9。这种互

17、补区的转录物可形成茎-环结构，影响RNA聚合酶的构象使转录暂停；同时，由于转录产物的（rU）n与模板的（dA）n之间的dArU杂交区的双链是最不稳定的双链，使杂化链的稳定性下降，而转录泡模板区的两股DNA容易恢复双链，释出转录产物RNA，使转录终止。 真核生物转录的终止真核生物转录终止的机制，目前了解尚不多，而且3种RNA聚合酶的转录终止不完全相同。RNA聚合酶催化的转录有18 bp的终止子序列，可被辅助因子识别。RNA聚合酶II和III催化转录的终止子，可能有与原核生物不依赖因子的终止子相似的结构和终止机制，即有富含GC的茎-环结构(stem-loop structure)和连续的U。由于成

18、熟的mRNA 3端已被切除了一段并加入了poly A尾,具体的转录终止点目前尚未认识。四、 转录的抑制作用（一）作用于模板DNA的转录抑制剂如放线菌素D（actinomycin D），能插入至DNA双链中两对dG?dC之间，低浓度时，阻止RNA链的延长，高浓度时可抑制RNA的起始，也抑制DNA复制。（二）作用于RNA聚合酶的转录抑制剂如利福平或利福霉素，能与原核细胞RNA聚合酶的亚基非共价结合，阻止RNA转录的起始，对真核生物RNA聚合酶无作用。该药临床用于治疗结核杆菌引起的疾病。鹅膏蕈碱则是真核生物RNA聚合酶的抑制剂。第三节RNA转录后的加工一、原核生物RNA转录后的加工原核生物mRNA的

19、转录产物，一般无需加工已具有活性，即可作为翻译的模板，近年也发现需要添加3poly A的现象。而对rRNA和tRNA转录产物的加工、修饰了解比较多，分别叙述如下： rRNA的加工 tRNA的加工1RNA酶III：2RNA酶D： 3RNA酶P： 4tRNA核苷酸转移酶：型tRNA没有3端的CCA，I型tRNA的3端CCA亦有被核酸酶降解的可能性。此酶以ATP和CTP为原料催化tRNA 3端CCA的形成。二、真核生物RNA转录后的加工 rRNA转录后的加工真核生物的rRNA有5S、5.8S、18S和28S四种，其中5.8S、18S和28S是由RNA聚合酶I催化一个转录单位，产生45S rRNA前体

20、，rRNA转录后加工包括前体rRNA与蛋白质结合，然后再切割和甲基化。在研究rRNA转录加工的过程中，发现某些真核生物如四膜虫（Trtrahymena）的26SrRNA的 前体为6.4kb，含有414核苷酸的内含子，可以在完全没有蛋白质的条件下，自身剪接，能很准确地将414核苷酸内含子剪除，而使两个外显子相连接为成熟的26S RNA。这种具有催化功能的RNA称为核酶（ribozyme），意为可切割特异性RNA序列的RNA分子。核酶的二级结构有多种，其中一种呈槌头状（hammerhead）结构，含有若干茎（stems）和环（loops）。例如烟草环斑（rinsport）病毒的卫星RNA的自身剪接

21、序列具有槌头状结构，如图13-11所示。根据核酶的槌头状结构，通过人工设计合成，可使原来没有核酶活性的RNA，成为具有核酶活性的RNA，用于阻断病源生物或肿瘤基因的表达，为对感染性疾病及肿瘤的治疗提供了新的思路。如图13-12所示，下半部的24核苷酸链，是没有核酶活性的病原体或肿瘤的RNA，根据槌头状结构原理，人工设计合成上半部的19核苷酸链，与其配成槌头状结构，使下半部分成为人工核酶的特异切割部位，阻断其表达，达到防治某些疾病的目的。例如，现已在探索用核酶来破坏人免疫缺陷病毒（HIV）的临床治疗方案。 tRNA转录后的加工前tRNA的加工包括切除和碱基修饰，有些则需剪接。前tRNA的碱基约有

22、10%需要酶促修饰，修饰有如下类型：前tRNA3端的U由CCA取代；嘌呤碱或核糖C2的甲基化；尿苷被还原成双氢尿苷（DH）或核苷内的转位反应，成为假尿嘧啶核苷（T）；某些腺苷酸脱氨成为次黄嘌呤核苷酸（AMPIMP）。 mRNA转录后的加工真核生物mRNA由RNA聚合酶II催化转录，初始产物为核不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA），新生的hnRNA从开始形成到转录终止，就逐步与蛋白质结合形成不均一核糖核蛋白（hnRNP）颗粒，前mRNA加工的顺序是形成5帽子结构；内切酶去除3端的一段序列；poly A聚合酶催化形成3polyA尾；最后是剪接去除内含子转变

23、为成熟的mRNA。15帽的形成：hnRNA 5端的第一个核苷酸通常为三磷酸鸟苷（5-pppGpN-），在磷酸酶催化下去除-磷酸基团形成5-ppGpN，经鸟苷酰转移酶催化与另一个GTP（pppG）作用生成GpppGpN，在鸟嘌呤-7-甲基转移酶作用下，以S-腺苷蛋氨酸为甲基来源，生成m7GpppGpN，再经2甲基转移酶催化，使5端原来的第一位， 甚至第二位核苷酸的2-O位甲基化，形成m7GpppGmN，或m7GpppGpmNm。可见5帽结构有三种形式；m7GpppGpN为帽0，m7GpppGmpN为帽1，m7GpppGmpNm为帽2。不同真核生物的mRNA或同一生物的不同mRNA有不同的5帽结构

24、。2前mRNA 3端切除及加poly A尾： 除组蛋白的mRNA外，真核生物的所有mRNA都有3poly A尾。研究表明，由于结构基因中编码链的3端没有poly A序列，mRNA的poly A尾是转录后加工形成的，其过程是：加poly A位点上游1035核苷酸处有AAUAAA序列，下游约50核苷酸处有富含GU序列，这两处序列是剪切和加poly A所需的信号。首先由剪切和聚腺苷化特异因子（cleavage and polyadenylation specific factor，CPSF）结合到上游富AAUAAA序列，剪除刺激因子（cleavage stimulation factor，CSF）与

25、下游富含GU序列作用，剪除因子、（cleavage factor，CF）相继与之结合，使其更趋稳定。在剪除之前，poly A聚合酶结合到复合物上，使剪切后游离的3端能迅速腺苷酸化。poly A的生成分二个阶段，如图13-14。 3mRNA的剪接： 真核生物编码mRNA的基因是断裂基因，有外显子和内含子并共同转录于初始转录产物中，须将转录产物中的内含子去除，并把外显子连接为成熟的mRNA分子，这个过程称为剪接（splicing），剪接位点在外显子的3端与内含子的5端连接点及内含子3端与下一个外显子5端连接点。为便于叙述，把位于内含子5端的剪切点称为5端剪接点，位于内含子3端的剪切点称为3端剪接点

26、。从图13-15中可见，几乎所有真核生物的核前mRNA都有特征的GU、AG序列，称为GU-AG规则。内含子离3剪切点2050bp范围有一个A也是不变的，称为分支点。分支点附近有保守序列，如UACUAAC，其中3端倒数第二个碱基A为分支点。剪接过程： （四）RNA编辑RNA编辑（RNA editing）是指RNA前体除上述加帽、添尾、剪接、修饰等程序外，需对其序列进行改编，改编过程包括在RNA前体分子中插入、剔除、或置换一些核苷酸残基。例如人的载脂蛋白B（Apo B）有两种形式，一种是肝细胞合成的分子量为512 kDa的Apo B-100，参与细胞内合成的脂类的运输；另一种在小肠细胞合成的分子量

27、为240 kDa的Apo B-48，参与以乳糜微粒形式携带食物中的脂类。这是由mRNA合成后在其第2 153位密码子CAA（谷氨酰胺）的C变成U而成UAA（终止子），所以蛋白质合成到此密码子即终止，产生含2 152氨基酸残基的Apo B-48，未被编辑的mRNA则翻译成含4 536氨基酸残基的Apo B-100（图13-18）。由于催化胞嘧啶变成尿嘧啶的脱氨酶只存在于小肠，故Apo B-48只在小肠合成，所以RNA编辑可以看作是对生物学中心法则的一个重要补充。RNA编辑的多种形式极大地增加了mRNA的遗传信息容量。第四节逆转录、逆转录病毒及癌基因一、逆转录病毒及逆转录酶（一）发现前节讨论的转录

28、是以DNA为模板，在RNA聚合酶的作用下转录成RNA，即信息是从DNA流向RNA。某些病毒的基因组是RNA，而不是DNA，这类病毒称为RNA病毒。1964年Temin观察到有些致肿瘤的RNA病毒（如鸡肉瘤病毒avian sarcoma virus，ASV）感染细胞的作用能被DNA复制抑制剂（如甲氨喋呤，MTX）、5FdUMP等所阻断，说明ASV的繁殖需要DNA的合成。另一发现为放线菌素D能抑制子代病毒颗粒的产生。放线菌素D是抑制以DNA为模板的RNA合成，这说明RNA肿瘤病毒在宿主细胞的繁殖，需要通过细胞RNA的合成。因此，Temin大胆提出一种设想，即RNA肿瘤病毒先变成DNA原病毒(pro

29、virus)，再产生RNA肿瘤病毒。这意味着遗传信息也可以从RNA流向DNA。1970年Temin和Baltimore各自发现RNA肿瘤病毒含有一种酶，称为逆转录酶(reverse transcriptase)。这种酶以RNA为模板，在有4种dNTP存在及合适条件下，能按碱基互补配对的原则，合成互补DNA(complementary DNA，cDNA)。这种酶也称RNA依赖的DNA聚合酶(RNA-dependent DNA polymerase)。由于RNA肿瘤病毒含有这种逆转录酶，所以也称为逆转录病毒(retrovirus)。这一发现使生物中心法则内容更充实和完善。Temin和Baltimo

30、re也因此而获得诺贝尔奖金。逆转录病毒颗粒的直径约为1 000?，基因组由两个完全相同的单链RNA分子组成，每分子约3.510 kb，不同毒株差异较大, 还含有若干分子的逆转录酶及来自宿主的tRNA。(二)ASV的基因组图13-19显示ASV原病毒基因组的结构，两侧端为长末端重复序列(1ong terminal repeat，LTR)，R为两侧完全相同的序列，U5及U3，则序列不同，两侧LTR含整合信号，启动子，增强子及加poly A等信号序列，紧接5端的下游有病毒包装的序列()，是包装成病毒颗粒的必需信号。（三）逆转录病毒的生活周期当病毒与宿主细胞受体结合后，病毒颗粒进入细胞内，开始病毒的生

31、活周期，有两个阶。1第一阶段病毒RNA基因组逆转录成DNA前病毒，再整合至宿主基因组中。逆转录酶具有催化三种反应的活性：RNA指导的DNA合成；RNA的水解；DNA指导的DNA合成，如图13-20所示。合成的起始可能是利用tRNA作为引物。合成的双链DNA原病毒可整合到宿主细胞的基因组中。2第二阶段包括已整合至宿主基因组的原病毒DNA，通过宿主细胞的RNA聚合酶II转录成相应的mRNA，此mRNA可作为病毒的RNA基因组，或作为合成相应蛋白质的模板。结果，病毒RNA基因组与病毒蛋白质可包装成新的病毒颗粒进行繁殖，后者以芽植式离开宿主，这种逆转录病毒一般不会杀死宿主细胞。二、癌基因与抑癌基因（一）癌基因的概念上述ASV基因组含四个基因，其中gag，pol和env是病毒生活所必需的，而src不是病毒生活必需的。但src基因与细胞的转化(transformation)和引起动物肿瘤有关，故称为癌基因(oncogene)。src基因不是病毒生活所必需的， ASV中的src是ASV的前体(不含src)通过重组而获得细胞中的src，并突变成癌基因。因此，将病毒中与转化和致癌有关的基因称为癌基因，又因为来自病毒，故加一前缀v-src。而正常细胞的基因则称为c-src(c代表cellular)，或原癌基因。原癌基因如何转变成癌基因的呢? 如上述src被逆转录病毒获得后，受到逆转录病