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1、过程分子生物学5 2 3 4 1 6 基因表达的调控机制细胞通讯的分子机制细胞通讯的分子机制免疫多样性的分子识别免疫多样性的分子识别胚胎发育的基因表达谱胚胎发育的基因表达谱肿瘤发生的分子机制肿瘤发生的分子机制基因组学与系统生物学基因组学与系统生物学第1页/共81页基因表达的调控机制B C D A E F 原核生物基因表达的启动开关真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用原核生物的原核生物的RNARNA结构调控结构调控真核生物的真核生物的RNARNA剪切调控剪切调控原核生物反义原核生物反义RNARNA的调控的调控真核生物真核生物sRNAsRNA介导的介导的RNARNA干扰干扰G
2、真核生物应答元件的转录调控真核生物应答元件的转录调控第2页/共81页1 1A A 原核生物基因表达的启动开关原核生物基因表达的启动开关 通过对通过对100100多个大肠杆菌启动子的序列分析，结果表明：大多数具有普通生理生化功能多个大肠杆菌启动子的序列分析，结果表明：大多数具有普通生理生化功能的基因所属的启动子，具有统一的特征序列。的基因所属的启动子，具有统一的特征序列。a 大肠杆菌启动子的多样性TTGACATTGACAAACTGTAACTGTTATAATTATAATATATTAATATTA16-10 16-10 bpbp5-9 5-9 bpbp结构基因结构基因转录起始位点转录起始位点-35-3
3、5区区 TT8282TT8484GG7878AA6565CC5454AA4545-10-10区区 TT8080AA9595TT4545AA6060AA5050TT9696启动子启动子一个典型的大肠杆菌启动子通常包括下列四个结构要素：一个典型的大肠杆菌启动子通常包括下列四个结构要素：第3页/共81页1 1A A 原核生物基因表达的启动开关原核生物基因表达的启动开关 绝大多数原核生物的绝大多数原核生物的RNARNA聚合酶均由五个亚基组成：聚合酶均由五个亚基组成：aa22bbbbss（全酶全酶），其中），其中aa22bbbb称为称为（核心酶核心酶）。各种原核细菌的）。各种原核细菌的aa、bb、bb亚
4、基呈高度的同源性，唯独亚基呈高度的同源性，唯独ss因子因子差别较大。差别较大。RNARNA聚聚合酶核心酶对合酶核心酶对DNADNA链具有非特异性的亲和力（碱性蛋白与酸性链具有非特异性的亲和力（碱性蛋白与酸性DNADNA之间的静电引力），但之间的静电引力），但ss因 子 增 强 了因 子 增 强 了R N AR N A聚 合 酶 与 启 动 子 区 域 的聚 合 酶 与 启 动 子 区 域 的特 异 性特 异 性结 合。结 合。ss因 子 帮 助因 子 帮 助R N AR N Aa 大肠杆菌启动子的多样性聚合酶识别启动子，同时启动转录。聚合酶识别启动子，同时启动转录。第4页/共81页大肠杆菌启动
5、子与大肠杆菌启动子与s s因子的对应关系因子的对应关系rpo rpo DD普通生理生化普通生理生化TTGACATTGACATATAATTATAATrpo rpo HH热休克热休克CCCTTGAACCCTTGAACCCGATNTCCCGATNTrpo rpo NN氮源摄取代谢氮源摄取代谢CTGGNACTGGNATTGCATTGCAfli fli AA鞭毛生成鞭毛生成CTAAACTAAAGCCGATAAGCCGATAA基因基因分子量分子量-35-35区序列区序列70,00070,00032,00032,00054,00054,00028,00028,000性质性质间隔间隔区区16-18 bp16-
6、18 bp13-15 bp13-15 bp6 bp6 bp15 bp15 bp-10-10区序列区序列第5页/共81页1 1A A 原核生物基因表达的启动开关原核生物基因表达的启动开关 枯草杆菌中存在着大约十类不同的启动子，其中枯草杆菌中存在着大约十类不同的启动子，其中有些隶属于正常的生理代谢基因，有些则隶属于噬菌有些隶属于正常的生理代谢基因，有些则隶属于噬菌体感染、孢子生成、次级代谢过程中的相关基因。体感染、孢子生成、次级代谢过程中的相关基因。b 枯草杆菌启动子的多样性第6页/共81页在在SPO1SPO1噬菌体感染过程中的噬菌体感染过程中的RNARNA聚合酶及其聚合酶及其s s因子因子 SP
7、O1 SPO1噬菌体感染枯草杆菌后，噬菌体感染枯草杆菌后，早期基因早期基因表达；表达；4-54-5分钟后，分钟后，中期基因表达中期基因表达，早期基因关，早期基因关闭；闭；8-128-12分钟后，分钟后，晚期基因晚期基因表达，中期基因关闭。早期基因的启动子由表达，中期基因关闭。早期基因的启动子由ss4343识别启动，这是枯识别启动，这是枯草杆菌细胞内具有广泛生理生化功能的草杆菌细胞内具有广泛生理生化功能的ss因子，与大肠杆菌中的因子，与大肠杆菌中的ss7 07 0同源，组成同源，组成aa22bbbbss4343型型RNARNA聚合酶聚合酶，转录中期基因表达所需的转录中期基因表达所需的ss因子编码
8、基因因子编码基因gpgp2828。中期基因的启动子由中期基因的启动子由ssgp28gp28识别识别启动，它与枯草杆菌的核心酶构成启动，它与枯草杆菌的核心酶构成aa22bbbbssgp28gp28型型RNARNA聚合酶全酶聚合酶全酶，负责转录晚期基因表达所需负责转录晚期基因表达所需的的ss因子编码基因因子编码基因gpgp3 33 3和和gpgp3434。晚期基因的启动子由晚期基因的启动子由ssgp33gp33和和ssgp34gp34识别启动，分别构成识别启动，分别构成RNARNA聚合酶全酶聚合酶全酶aa22bbbbssgp33gp33和和aa22bbbbssgp34gp34。第7页/共81页SP
9、O1SPO1噬菌体基因表噬菌体基因表达的级联调控模式达的级联调控模式通过更换不同的通过更换不同的ss因子，因子，识别并作用于不同基因识别并作用于不同基因的启动子，最终导致这的启动子，最终导致这些基因有次序地级联表些基因有次序地级联表达。前一基因编码后一达。前一基因编码后一基因表达所需的基因表达所需的ss因子。因子。第8页/共81页枯草杆菌的孢子生成过程枯草杆菌的孢子生成过程 枯草杆菌在对数生长阶段结束后，枯草杆菌在对数生长阶段结束后，培养基中营养物质耗尽，这时便启动培养基中营养物质耗尽，这时便启动孢子生成过程：先是孢子生成过程：先是DNADNA复制，隔膜复制，隔膜形成，孢衣合成，母体裂解，孢子
10、释形成，孢衣合成，母体裂解，孢子释放。最后在细胞内约放。最后在细胞内约40%40%的的mRNAmRNA是是孢子生孢子生专一性的。专一性的。第9页/共81页枯草杆菌孢子形成过程中的枯草杆菌孢子形成过程中的RNARNA聚合酶及其聚合酶及其s s因子因子 当环境压力（例如营养成份枯竭）时，枯草杆菌细胞内发生一连串的磷酸基团传递反应，当环境压力（例如营养成份枯竭）时，枯草杆菌细胞内发生一连串的磷酸基团传递反应，最终导致转录调控因子最终导致转录调控因子SpoOASpoOA的的磷酸化。磷酸化了的磷酸化。磷酸化了的SpoOASpoOA同时启动两种不同操纵子的转录，同时启动两种不同操纵子的转录，分别表达出分别
11、表达出sspro Epro E和和ssFF。ssFF一方面启动一方面启动ssGG的表达，另一方面又激活的表达，另一方面又激活SpoIIRSpoIIR，后者再激活隔膜结后者再激活隔膜结合型蛋白合型蛋白SpoIIGASpoIIGA，活化了的活化了的SpoIIGASpoIIGA将母体细胞中表达的将母体细胞中表达的ssproEproE裂解为有活性的裂解为有活性的ssEE；而在前孢而在前孢区域内产生的区域内产生的ssEE均被前孢特有的蛋白酶摧毁殆尽。母体细胞中均被前孢特有的蛋白酶摧毁殆尽。母体细胞中ssEE的活性是激活前孢区域的活性是激活前孢区域ssGG所所必需的（通过必需的（通过SpoIIASpoII
12、A和一种未知蛋白因子）；而和一种未知蛋白因子）；而ssGG的活性又能产生一种信号，跨隔的活性又能产生一种信号，跨隔膜激活母体细胞中的膜激活母体细胞中的ssKK。即：即：ssFF ssEE ssGG ssKK 。第10页/共81页枯草杆菌孢子枯草杆菌孢子子交叉激活子交叉激活形成过程中两形成过程中两种途径的种途径的 s s因因s sFFs sEEs sGGs sKK激活激活表达表达前孢区前孢区母细胞母细胞SpoOASpoOASpoOASpoOAss4343ss4343ssFFssproEproEssEEssGGssKK隔膜隔膜第11页/共81页1 1A A 原核生物基因表达的启动开关原核生物基因表
13、达的启动开关 链霉菌启动子的结构具有很大的离散性，通过对链霉菌启动子的结构具有很大的离散性，通过对100100多个启动子序列的比较，可将链霉多个启动子序列的比较，可将链霉菌启动子分成三大类：菌启动子分成三大类：c 链霉菌启动子的多样性 具有典型原核生物启动子具有典型原核生物启动子-10-10区区和和-35-35区区特征的启动子，仅占特征的启动子，仅占21%21%具有典型原核生物启动子具有典型原核生物启动子-10-10区区而无保守的而无保守的-35-35区区的启动子的启动子 既无典型原核生物启动子既无典型原核生物启动子-10-10区区又无保守的又无保守的-35-35区区的启动子的启动子第12页/
14、共81页1 1A A 原核生物基因表达的启动开关原核生物基因表达的启动开关 天蓝色链霉菌（天蓝色链霉菌（Streptomyces Streptomyces coelicolorcoelicolor）的全基因组中存在多达）的全基因组中存在多达6565种不同的种不同的ss因因c 链霉菌启动子的多样性ss6666（hrdBhrdB）链霉菌最重要的链霉菌最重要的ss因子，因子，hrdhrdBB-突变是致死性的。突变是致死性的。hrdhrdBB基因全程基因全程表达，称为表达，称为看家基因看家基因。ssWhiGWhiG（whiGwhiG）链霉菌次级代谢基因转录所需的链霉菌次级代谢基因转录所需的ss因子。因
15、子。ssFF链霉菌孢子生成基因转录所需的链霉菌孢子生成基因转录所需的ss因子。因子。ssBldNBldN（bldNbldN）链霉菌气生菌丝发育基因转录所需的链霉菌气生菌丝发育基因转录所需的ss因子。因子。ssRR（sigRsigR）链霉菌响应氧化压力基因转录所需的链霉菌响应氧化压力基因转录所需的ss因子。因子。ssEE（sigEsigE）链霉菌感应细胞膜完整性功能所需的链霉菌感应细胞膜完整性功能所需的ss因子。因子。子，其中已被鉴定的有：子，其中已被鉴定的有：第13页/共81页1 1B B 真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用 真核生物尤其是高等真核生物（哺乳动物）由于真核
16、生物尤其是高等真核生物（哺乳动物）由于其其细胞的高度分化，决定了基因转录调控机制的复杂性。细胞的高度分化，决定了基因转录调控机制的复杂性。与原核生物不同，与原核生物不同，哺乳动物细胞内共有三大类哺乳动物细胞内共有三大类RNARNA聚合聚合酶酶系统，它们均由多系统，它们均由多转录因子转录因子构成，识别三大类真核生构成，识别三大类真核生物的启动子，分别承担物的启动子，分别承担rRNArRNA、mRNAmRNA、tRNAtRNA的转录。的转录。所有三种所有三种RNARNA聚合酶均由聚合酶均由8-148-14个亚基组成，个亚基组成，500500kDkD，但但它们并不能单独启动基因的转录。它们并不能单独
17、启动基因的转录。第14页/共81页1 1B B 真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用启动子由两部分元件构成。启动子由两部分元件构成。a RNA聚合酶 I 启动转录的程序 RNARNA聚合酶聚合酶 I I 定位于定位于核仁核仁，负责转录，负责转录rRNArRNA编码基编码基因。因。RNARNA聚合酶聚合酶 I I 只作用于一种类型的启动子，这类只作用于一种类型的启动子，这类第15页/共81页高等真核生物高等真核生物 I I 型启动子的结构型启动子的结构结构基因结构基因II 型启动子型启动子转录起始位点转录起始位点上游控制序列（上游控制序列（UCEUCE）核心启动子核心启动子G
18、CGC丰富区丰富区GCGC丰富区丰富区增强启动效果增强启动效果启动基因转录启动基因转录CCTTCCGCCGAAGTCGGTCGNNNNNNNNTNNNNNNTGGGCCGCCGGGGGCCGCCGG 人类的这两个重复序列具有人类的这两个重复序列具有85%85%的同原性的同原性第16页/共81页I I 型启动子介导型启动子介导rRNArRNA基因转录的启动过程基因转录的启动过程R N AR N A聚 合 酶聚 合 酶 I I 在在 I I 型 启 动 子型 启 动 子处 的 定 位 需 要 两 种 转 录 因 子处 的 定 位 需 要 两 种 转 录 因 子并经历三个阶段：并经历三个阶段：UBF
19、1UBF1（UCEUCE结合因子）结合因子）装配因子装配因子SL1SL1（四聚体蛋白复合物）四聚体蛋白复合物）定位因子定位因子其中之一为其中之一为TBPTBP第17页/共81页1 1B B 真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用 RNARNA聚合酶聚合酶 II II 定位于核内定位于核内，负责转录，负责转录mRNAmRNA的前体的前体分子分子hnRNAhnRNA。RNARNA聚合酶聚合酶 II II 及其作用的及其作用的 II II 型启动子是型启动子是真核生物细胞中最广泛最典型最重要的转录启动元件。真核生物细胞中最广泛最典型最重要的转录启动元件。b RNA聚合酶 II 启动
20、转录的程序第18页/共81页高等真核生物高等真核生物 II II 型启动子的结构型启动子的结构结构基因结构基因IIII 型启动子型启动子转录起始位点转录起始位点启动子附加区启动子附加区TATA BOXTATA BOX转录的启动效率转录的启动效率转录因子和转录因子和RNA pol II RNA pol II 识别位点识别位点转录的时空特异性转录的时空特异性启动基因转录启动基因转录转录起始子转录起始子 InrInr第19页/共81页高等真核生物高等真核生物 II II 型启动子的结构型启动子的结构结构基因结构基因IIII 型启动子型启动子转录起始位点转录起始位点启动子附加区启动子附加区TATA B
21、OXTATA BOXInrInrOCT BOXOCT BOXATTTGCATATTTGCAT单向性单向性Oct Oct 因子激活因子激活GC BOXGC BOXGGGCGGGGGCGG双向性双向性SP1 SP1 因子激活因子激活CAAT BOXCAAT BOXGGCCAATCTGGCCAATCT双向性双向性CTF/NF1 CTF/NF1 因子激活因子激活上述附加区元件并不一定同时存在，而且在间隔、排列顺序、拷贝上述附加区元件并不一定同时存在，而且在间隔、排列顺序、拷贝数上均有很大的可变性。数上均有很大的可变性。第20页/共81页高等真核生物高等真核生物 II II 型启动子的结构型启动子的结构
22、结构基因结构基因IIII 型启动子型启动子转录起始位点转录起始位点启动子附加区启动子附加区TATA BOXTATA BOXInrInr TATA BOX TATA BOX 位于位于-25-25区，普遍存在于所有的真核生物细胞中，由区，普遍存在于所有的真核生物细胞中，由八对碱基组成，两侧为八对碱基组成，两侧为GCGC碱基对。少数不含碱基对。少数不含TATA BOXTATA BOX 特征结构的特征结构的启动子成为启动子成为 TATA-less TATA-less 启动子。启动子。第21页/共81页RNARNA聚合酶聚合酶 II II 与转录因子复合物与转录因子复合物装配因子装配因子TF II A
23、B E F H JTF II A B E F H J RNA RNA聚 合 酶聚 合 酶 II II 本 身 由 十 个 以 上 的 亚 基 组 成本 身 由 十 个 以 上 的 亚 基 组 成 ，这 些 亚 基 具 有 类这 些 亚 基 具 有 类似似于于原 核 细 菌原 核 细 菌R N AR N A聚 合 酶 中 的聚 合 酶 中 的aa、bb、b b 亚 基 功 能，但 同 样 不 能 识亚 基 功 能，但 同 样 不 能 识别 启 动 子。对别 启 动 子。对启 动 子 的 专 一 性 识 别 由 一 系 列 的启 动 子 的 专 一 性 识 别 由 一 系 列 的转 录 因 子转
24、录 因 子负 责。这负 责。这些些转因子分为两大类：转因子分为两大类：装配因子装配因子和和定位因子定位因子。定位因子定位因子聚合酶聚合酶 IIIITBP TAFTBP TAFaa22bbbbs s 因子因子真核生物：真核生物：原核生物：原核生物：第22页/共81页II II 型启动子介导的型启动子介导的基因转录启动过程基因转录启动过程 各种转录因子和各种转录因子和RNARNA聚合酶聚合酶 II II 依次依次结合在结合在DNADNA及其蛋白质复合物及其蛋白质复合物上，每种蛋白因子的结合均使上，每种蛋白因子的结合均使DNA-DNA-蛋白质复合物的空间构象发蛋白质复合物的空间构象发生一次改变，而这
25、种构象变化又是生一次改变，而这种构象变化又是下一轮的蛋白因子加入所必需的下一轮的蛋白因子加入所必需的第23页/共81页RNARNA聚合酶聚合酶 II II 在近启动子处暂停介导的转录延伸调控机制在近启动子处暂停介导的转录延伸调控机制 以以RNARNA聚合酶聚合酶 II II 为核心的转录因子复合为核心的转录因子复合物在物在 II II 型启动子处装配完毕后，转录启动。型启动子处装配完毕后，转录启动。但随后的转录进程并非像人们想象的那么一但随后的转录进程并非像人们想象的那么一帆风顺。事实上在很多果蝇和哺乳动物的基帆风顺。事实上在很多果蝇和哺乳动物的基因中，刚刚启动转录的因中，刚刚启动转录的RNA
26、RNA聚合酶聚合酶 II II 会在转会在转录起始位点下游录起始位点下游20-5020-50个 碱 基 处个 碱 基 处停 顿停 顿下下来。一 些 蛋 白 因 子 促 进来。一 些 蛋 白 因 子 促 进R N AR N A聚 合 酶聚 合 酶 II II 快 速 进 入 停 顿 位 点，而快 速 进 入 停 顿 位 点，而N E L FN E L F（负（负延伸因子）和延伸因子）和DSIFDSIF因子因子则起到稳定处于停顿状态的聚合酶则起到稳定处于停顿状态的聚合酶 II II 的作用。的作用。快速进入停顿位点快速进入停顿位点慢速逃离停顿位点慢速逃离停顿位点第24页/共81页RNARNA聚合酶
27、聚合酶 II II 在近启动子处暂停介导的转录延伸调控机制在近启动子处暂停介导的转录延伸调控机制 RNA RNA聚合酶聚合酶 II II 从停顿位点逃离的先决条从停顿位点逃离的先决条件是一些能促进其逃离的蛋白因子的出现。件是一些能促进其逃离的蛋白因子的出现。这些因子将这些因子将正转录延伸因子正转录延伸因子bb（P-TEFbP-TEFb）招）招募至募至RNARNA聚合酶聚合酶 II II 处，并使处，并使N EL FN EL F磷酸化。磷酸化。被磷酸化的被磷酸化的NELFNELF从从RNARNA聚合酶聚合酶 II II 上解离，上解离，后者得以逃离，转录加速；反之转录将后者得以逃离，转录加速；反
28、之转录将缓慢进行。缓慢进行。ScienceScience 319319，17911791，20082008第25页/共81页1 1B B 真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用 RNARNA聚合酶聚合酶 IIIIII 定位于核内定位于核内，负责转录，负责转录tRNAtRNA和和小分子小分子 核内核内RNARNA（snRNAsnRNA）。）。相应的相应的 III III 型启动子有两种类型：型启动子有两种类型：tRNA tRNA编码基因所属的启动子称为编码基因所属的启动子称为内源型启动子内源型启动子；snRNA snRNA编码基因所属的启动子称为编码基因所属的启动子称为外源型启
29、动子外源型启动子；c RNA聚合酶 III 转录启动的程序第26页/共81页高等真核生物高等真核生物 III III 型启动子的结构型启动子的结构结构基因结构基因IIIIII 型内源型启动子型内源型启动子转录起始位点转录起始位点BOX ABOX ABOX CBOX CBOX ABOX ABOX BBOX BPSEPSEOCTOCTPol III Pol III 结合区结合区IIIIII 型外源型启动子型外源型启动子转录起始位点转录起始位点结构基因结构基因第27页/共81页III III 型启动子介导的型启动子介导的tRNA/snRNAtRNA/snRNA基因基因转录启动过程T FI I I B
30、由 T B P和 另 外 两种 蛋 白 因 子 组 成，其 功能相当于定位因子；T FI I I C和 T FI I I F 属 于 装配因子。boxAboxAboxCboxCboxAboxAboxBboxB转录起始位点（转录起始位点（11型）型）转录起始位点（转录起始位点（22型）型）TFIIIATFIIIATFIIICTFIIICTFIIIATFIIIATFIIICTFIIICTFIIICTFIIICTFIIIATFIIIATFIIICTFIIICTFIIICTFIIICTFIIIBTFIIIBTFIIIBTFIIIBRNA Pol IIIRNA Pol IIIRNA Pol IIIRNA
31、 Pol IIITFIIIBTFIIIBTFIIIBTFIIIB第28页/共81页1 1B B 真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用 由此可见，由此可见，TBPTBP是所有三种类型的是所有三种类型的RNARNA聚合酶转录聚合酶转录系统所必需的。在含有系统所必需的。在含有TATA BOXTATA BOX的启动子中，的启动子中，TBPTBP特特异性地结合在异性地结合在DNADNA的相应区域；在的相应区域；在TATA lessTATA less 型型启动子启动子中，中，TBPTBP与其它蛋白因子协同作用，结合在与其它蛋白因子协同作用，结合在DNADNA的特定的特定区域内。区域内。
32、第29页/共81页1 1C C 原核生物的原核生物的RNARNA结构调控结构调控 RNA RNA的结构调控是一种转录启动后的基因表达调控方的结构调控是一种转录启动后的基因表达调控方式，其主要形式表现为转录的式，其主要形式表现为转录的终止终止与与抗终止抗终止作用。作用。a RNA转录的终止作用 原核细菌拥有两种机制终止原核细菌拥有两种机制终止RNARNA聚合酶的转录，它们聚合酶的转录，它们分别称为分别称为顺式终止顺式终止和和反式终止反式终止。第30页/共81页介导转录顺式终止的内源性终止子介导转录顺式终止的内源性终止子 内源性终止子结构的组成为富含内源性终止子结构的组成为富含GCGC碱基的发夹结
33、构以及下游的寡聚碱基的发夹结构以及下游的寡聚UU链链（通常是通常是66个个UU）。它们由）。它们由DNADNA上的上的终 止 子 序 列终 止 子 序 列编 码，出 现 在 转编 码，出 现 在 转55 A U C G CA U C G CA UA UA UA UU AU AC GC GC GC GC GC GG CG CA UA UA UA UA UA UC GC GA GA GG CG CU AU AU AU AC UC UC GC GG CG CG CG CG UG UA AA AG G G G U A U A A UA UG UG URNARNA聚合酶聚合酶U U U U U UU U
34、 U U U U 33 录中的录中的RNARNA结构中。结构中。真 核 生 物 的 转 录 终 止 机真 核 生 物 的 转 录 终 止 机制也与顺式终止相似。制也与顺式终止相似。第31页/共81页介导转录反式终止的介导转录反式终止的RhoRho因子依赖性终止子因子依赖性终止子 基因转录的反式终止多见于噬菌体中。终止位点为基因转录的反式终止多见于噬菌体中。终止位点为CUUCUU中的某个碱基，其上游中的某个碱基，其上游 50-90 50-90 bp bp 的的序列中无茎环发夹结构，但碱基组成特殊：序列中无茎环发夹结构，但碱基组成特殊：CC 41%41%，G 14%G 14%，A 25%A 25%
35、，U 20%U 20%。在这种。在这种RhoRho（rr）因子专一性识别的终止子结构内，若缺失若干个因子专一性识别的终止子结构内，若缺失若干个CC，甚至一个甚至一个CC，便会导致不能终止便会导致不能终止的的RNARNA聚合酶聚合酶RhoRho因子识别结合区因子识别结合区55 AUAUCCGGCCUAUACCCCUUCCAUAUAUAUCCCCGGCCAACCCCUUCCCCUUCCAAAAAACCGGCCUAUACCCCUUCCGAGACCCCAGAAAGGAGAAAGGCCGUGUCCUUCUUCUU 33 现象发生。现象发生。第32页/共81页反式终止的机制反式终止的机制 RhoRho因子
36、呈六聚体，具有因子呈六聚体，具有ATPaseATPase活性。活性。当当RNARNA聚合酶转录出富含聚合酶转录出富含CC的的RhoRho因子识别位点时，因子识别位点时，RhoRho因子便与转因子便与转录出的录出的RNARNA链链结合；结合；Rho Rho因子沿因子沿RNARNA链向链向RNARNA聚合酶聚合酶方向移动，由于其移动速度快于方向移动，由于其移动速度快于RNARNA聚合酶，因此当聚合酶，因此当RNARNA聚合酶转录出终聚合酶转录出终止位点止位点CUUCUU时，时，RhoRho因子正好赶上；因子正好赶上；Rho Rho因子水解因子水解ATPATP释放能量，拆释放能量，拆开开DNA-RN
37、ADNA-RNA杂合链，转录遂终止。但杂合链，转录遂终止。但若在若在RhoRho因子与因子与RNARNA聚合酶之间存在聚合酶之间存在着核糖体，则着核糖体，则RhoRho因子不能终止转录因子不能终止转录第33页/共81页1 1C C 原核生物的原核生物的RNARNA结构调控结构调控b RNA转录的抗终止作用 在某些特殊条件下，由在某些特殊条件下，由RNARNA聚合酶引导的转录并不能聚合酶引导的转录并不能在终止子处顺利终止，这种现象称为在终止子处顺利终止，这种现象称为“转录过头转录过头”，其发，其发生生 RNA RNA的结构调控是一种转录启动后的基因表达调控方的结构调控是一种转录启动后的基因表达调
38、控方式，其主要形式表现为转录的式，其主要形式表现为转录的终止终止与与抗终止抗终止作用。作用。机制是细胞内的转录机制是细胞内的转录抗终止抗终止作用。作用。第34页/共81页细菌衰减子依赖性的转录抗终止作用细菌衰减子依赖性的转录抗终止作用UUGGGGUUGGGGCCGGCCAACCUUUUCCCC55 UUGGAAAAAACCAAUUGGUUGGAACCGGGGUUGGGGAAUUAACCCCCCAAGGCCCCCCGGCCCCUUUUAACCGGAAAAAAGGCCAAAAUUCCAAUUCCCCAAGGCCUUAAAAUUGGAAGGUUCCGGGGGGUUUUUUUUUUUUUUCCUUGG
39、GGUUGGGGCCGGCCAACCUUUUCCCCUUGGAAAACCCC55 AACCUUAAUUGGUUGGAACCGGGGGGUUCCAAAAUUGGCCGGUUAAAAAAGGCCAAAAUUCCAAGGAAUUAACCCCCCAAGGCCCCCCGGCCCCUUCCGGGGGGCCGGGGAAUUUUAAAAUUUUUUUUUUUUUU 33 33 另一个则位于正另一个则位于正常的基因编码区常的基因编码区下游。细胞内条下游。细胞内条件的变化，可使件的变化，可使基因的转录在两基因的转录在两个顺式终止子结个顺式终止子结构的某一个处终构的某一个处终止。这种结构称止。这种结构称某些细菌的结
40、某些细菌的结构基因含有构基因含有两两个顺式终止子个顺式终止子，其中其中一个一个位于位于基因上游的编基因上游的编码 区 内，码 区 内，为为衰减子衰减子。相互转换相互转换第35页/共81页细菌衰减子的转录抗终止机制细菌衰减子的转录抗终止机制大 肠 杆 菌 的 色 氨 酸 操 纵 子 中 含 有大 肠 杆 菌 的 色 氨 酸 操 纵 子 中 含 有一 个一 个衰 减 子衰 减 子结 构结 构。在 基 因 的。在 基 因 的5 5 端端编 码 区 有 两 个 连 续 排 列 的编 码 区 有 两 个 连 续 排 列 的色 氨 酸色 氨 酸密密码 子码 子。当 细 胞 内。当 细 胞 内色 氨 酸 匮
41、 乏 时色 氨 酸 匮 乏 时核 糖 体 在核 糖 体 在色 氨 酸 密 码 子 处 暂 停 翻色 氨 酸 密 码 子 处 暂 停 翻译，衰 减 子 的译，衰 减 子 的22链链和和33链链形 成 双 链形 成 双 链结 构，第 一 个 终 止 子 结 构 不 能 形结 构，第 一 个 终 止 子 结 构 不 能 形成，转 录 继 续 进 行；成，转 录 继 续 进 行；当 细 胞 内当 细 胞 内色色氨 酸 充 足 时，翻 译 不 在氨 酸 充 足 时，翻 译 不 在色 氨 酸 密色 氨 酸 密码 子 处 停 止，结 果 产 生 终 止 子 结码 子 处 停 止，结 果 产 生 终 止 子
42、结构，转录遂终止。构，转录遂终止。第36页/共81页噬菌体抗终止因子依赖性的转录抗终止作用噬菌体抗终止因子依赖性的转录抗终止作用 大 肠 杆 菌大 肠 杆 菌 l l 噬 菌 体噬 菌 体早 早 期 基 因 和 早 期 基 因 的 表 达 产 物 往 往 是 晚 期早 早 期 基 因 和 早 期 基 因 的 表 达 产 物 往 往 是 晚 期基因表达的调控因子基因表达的调控因子。早早期基因表达产物的调控机制有两种：早早期基因表达产物的调控机制有两种：一 是 作 为一 是 作 为 s s 因 子因 子识 别 早 期 基 因 和 晚 期 基 因 启 动 子，启 动 表 达 这 两识 别 早 期 基
43、 因 和 晚 期 基 因 启 动 子，启 动 表 达 这 两组 基 因；二 是 作 为 转 录组 基 因；二 是 作 为 转 录抗 终 止 因 子抗 终 止 因 子，使 宿 主 细 胞 的，使 宿 主 细 胞 的R N AR N A聚 合 酶 转聚 合 酶 转录 过 头，导 致 早 期 基 因 和 晚 期 基 因 的 表 达。这 两 种 方 式 均 为 正 调录 过 头，导 致 早 期 基 因 和 晚 期 基 因 的 表 达。这 两 种 方 式 均 为 正 调控作用。控作用。第37页/共81页噬菌体抗终止因子的作用噬菌体抗终止因子的作用 大 肠 杆 菌大 肠 杆 菌ll噬 菌 体 感 染 大噬
44、 菌 体 感 染 大肠 杆 菌 后，在肠 杆 菌 后，在PPLL启 动 子 的 介启 动 子 的 介导导下 表 达 出 抗 终 止 因 子下 表 达 出 抗 终 止 因 子NN蛋蛋白，它 以 一 种 独 特 的 方 式 使白，它 以 一 种 独 特 的 方 式 使阻止阻止R h oR h o因 子 的 转 录 终 止 作因 子 的 转 录 终 止 作用，使 早 早 期 基 因 转 录 过 头用，使 早 早 期 基 因 转 录 过 头并 转 录 出 早 期 基 因 的并 转 录 出 早 期 基 因 的m R N Am R N A NN蛋 白 的 半 衰 期 只 有 五蛋 白 的 半 衰 期 只
45、有 五分 钟，它 决 定 了 早 期 基 因 表分 钟，它 决 定 了 早 期 基 因 表达周期的长短。达周期的长短。ttL1L1ttR1R1PPLLPPRRNNcrocro左向转录单位左向转录单位右向转录单位右向转录单位抗终止因子抗终止因子 NNttL1L1ttR1R1第38页/共81页抗终止因子的工作原理抗终止因子的工作原理 大 肠 杆 菌大 肠 杆 菌 l l 噬 菌 体 的 抗噬 菌 体 的 抗终 止 因 子终 止 因 子NN特 异 性 识 别 早 早特 异 性 识 别 早 早期 基期 基因 内 部 的因 内 部 的n u tn u t位 点，并 且位 点，并 且在在R N AR N
46、A聚 合 酶 到 达 这 里 时 与聚 合 酶 到 达 这 里 时 与之 结 合，形 成 复 合 物。这 种之 结 合，形 成 复 合 物。这 种复 合 物 能 有 效 抑 制复 合 物 能 有 效 抑 制R h oR h o因子因子的 结 合 作 用，从 而 干 扰的 结 合 作 用，从 而 干 扰R h oR h o因因子 介 导 的 转 录 终 止 效 应，子 介 导 的 转 录 终 止 效 应，导导致 早 早 期 基 因 的 转 录 过 头致 早 早 期 基 因 的 转 录 过 头 QQ因 子 以 类 似 的 机 制 使因 子 以 类 似 的 机 制 使得早期基因转录过头。得早期基因转
47、录过头。启动子启动子终止子终止子RNARNA聚合酶聚合酶nut nut 位点位点r r 因子因子NusB NusB/S10S10NusANusANNCGCTCTTANNNNNNNNNAGCCCTGAAPuAAGGGCACGCTCTTANNNNNNNNNAGCCCTGAAPuAAGGGCAGCGAGAATNNNNNNNNNTCGGGACTTPyTTCCCGTGCGAGAATNNNNNNNNNTCGGGACTTPyTTCCCGT第39页/共81页1 1D D 真核生物的真核生物的RNARNA剪切调控剪切调控 真核生物大多数的真核生物大多数的分裂基因分裂基因（即含有内含子的基因）在（即含有内含子的基
48、因）在转录后必须切除内含子序列。正常剪切时，外显子的序列和转录后必须切除内含子序列。正常剪切时，外显子的序列和个数是恒定不变的；但有些基因的转录产物会出现个数是恒定不变的；但有些基因的转录产物会出现剪切多样剪切多样性性，即一种基因转录物产生多种不同的，即一种基因转录物产生多种不同的mRNAmRNA其中包括外显其中包括外显子的取代、加入、缺失。甚至在某些细胞内，这些由于剪切子的取代、加入、缺失。甚至在某些细胞内，这些由于剪切多样性而产生的不同蛋白质会同时出现，多样性而产生的不同蛋白质会同时出现，并且均为细胞正并且均为细胞正正常生物功能所必需。正常生物功能所必需。第40页/共81页GUGUAGAG
49、GUGUAGAGGUGUAGAGGUGUAGAGGUGUAGAGGUGUAGAG正常剪切模式正常剪切模式异常剪切模式异常剪切模式第41页/共81页1 1D D 真核生物的真核生物的RNARNA剪切调控剪切调控a 腺病毒E1A-RNA剪切中的外显子缺失腺病毒在宿主细胞内腺病毒在宿主细胞内能利用一个基因同时能利用一个基因同时合成三种不同大小的合成三种不同大小的蛋白质，其机理涉及蛋白质，其机理涉及到病毒到病毒RNARNA剪切过程剪切过程中的外显子缺失。中的外显子缺失。E1A E1A 基因基因11223344外显子外显子289 aa289 aa243 aa243 aa 55 aa 55 aa第42页/
50、共81页1 1D D 真核生物的真核生物的RNARNA剪切调控剪切调控b SV40病毒大小抗原与剪切多样性的关系 SV40SV40病毒基因组含有三个外显子和一个内含子。病毒基因组含有三个外显子和一个内含子。在表达小在表达小 t t 抗原蛋白抗原蛋白时，转录物进行正常剪切，只有内含子被切除，时，转录物进行正常剪切，只有内含子被切除，E1-E2-E3E1-E2-E3外显子外显子连成一个成熟的连成一个成熟的mRNAmRNA分子，但分子，但E2E2的的末端含有一个终止密码子，因此在翻译时，只翻译由末端含有一个终止密码子，因此在翻译时，只翻译由E1E1和和E2E2编码的小抗原编码的小抗原 在表达在表达