第三章：转录及其调控

人民卫生出版社《分子生物学》转录及其调控章节的总结整理，内容相对还是比较喜欢详细的，大家可以借鉴。

转录及其调控

• 概述
  • 转录（transcription）
    • 生物体以DNA为模板合成RNA的过程
  • 复制和转录的区别
    • 类似点
      • 多核苷酸的合成方向都是5'-3'
      • 在3'-OH末端与加入的核苷酸形成磷酸二酯键
    • 不同点
      • 对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因的转录都受到相对独立的控制
      • 转录是不对称的
      • 转录时不需要引物
      • RNA链的合成是连续的
  • RNA链合成特点
    • RNA由RNA聚合酶使用DNA模板和NTPs合成
    • 许多RNA必须经过修饰和加工才能发挥功能
    • RNA可用作通过逆转录酶合成DNA的模板
    • RNA既可作为遗传信息的载体，本身也可以作为生物催化剂
• 原核生物转录
  • 转录单位：一个转录区段可视为一个转录单位，包括若干个结构基因及其上游的调控序列 
  • 转录模板、酶及相关因子
    • 模板
      • 
      • 不对称转录（asymmetric transcription）
        • 在DNA分子双链上某一区段，一股DNA链可转录，另一股DNA链不转录
        • 模板链并非永远在同一单链上
    • DNA指导的RNA聚合酶催化RNA合成
      • 转录体系
        • 模板
          • DNA
        • 原料
          • ATP
          • CTP
          • GTP
          • UTP
        • RNA聚合酶
          • 原核生物
            • 全酶（holoenzyme）α2ββ'σ
              • 
              • σ 亚基结合位点：-35序列 β’亚基结合位点：-10序列
          • 真核细胞
            • RNA聚合酶I
            • RNA聚合酶II
            • RNA聚合酶III
    • 转录相关因子
      • ρ因子
        • 控制转录终止的蛋白质因子
        • 又称释放因子，六聚体蛋白，可以水解NTP
        • 其解旋酶促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录
  • 转录过程
    • 转录的起始
      • 超过90%的转录起始点为嘌呤核苷酸
      • 原核生物以操纵子作为转录和调控的基本单位，启动子是RNA聚合酶辨认结合的模板DNA区段，是控制转录起始的关键部位
        • 
        • -10序列
          • 位于转录起始位点上游-10bp左右，有一个6个碱基组成的保守序列TATAAT，是RNA聚合酶结合的部位，又称为TATA盒或Pribnow盒
          • 不同的启动子，其位置略有不同
          • 不同的启动子，每个碱基出现的频率不同
        • -35序列
          • 位于转录起始位点上游35bp处，有一个6个碱基组成的保守序列TTGACA
          • 不同启动子的-35 序列的每个碱基出现的频率不同
          • -35 序列是RNA聚合酶初始结合的部位
          • -35 序列的核苷酸结构决定了启动子的强度
      • 转录起始需解决两个问题
        • RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域
        • DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板
      • 转录起始过程
        • 
        • 辨认起始位点
          • σ亚基辨认启动子的-35区，RNA聚合酶全酶(α2ββ'σ)与模板疏松结合。全酶滑行到-10区，通过β'亚基与模板牢固结合
          • 形成闭合转录复合物
        • RNA聚合酶挤入DNA双链中，解链长度约12~17个核苷酸， 拓扑异构酶参与
          • 形成开放转录复合物
        • 在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应
          • 形成转录起始复合物
    • 转录的延长
      • 
      • σ亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移
      • 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长
        • (NMP) n + NTP → (NMP) n+1 + PPi
      • 转录泡的形成
        • 转录泡：DNA解开的两条单链与RNA聚合酶及其转录产物RNA构成的转录复合物
          • 
        • RNA-pol：40-60 bp； 解链：小于20 bp； RNA/DNA：8-9 bp
      • DNA/DNA双链比DNA/RNA杂化双链稳定
      • 原核生物转录与翻译同时进行
        • 
    • 转录的终止
      • RNA聚合酶在DNA模板上停止前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落
      • 分类
        • 依赖Rho (ρ)因子的转录终止
          • 
        • 非依赖Rho因子的转录终止
          • 
          • 发夹式结构和寡聚U的共同作用使RNA从三元复合物中解离出来
            • 
          • 终止效率与反向重复序列序列（至少6bp）和寡聚U（至少4个U）的长短有关，长度↑，终止效率↑
• 真核生物转录
  • 真核生物转录酶及相关因子
    • 真核生物的RNA聚合酶
    • 转录因子（TF）
      • 
      • 能与顺式作用原件识别、结合，调节真核基因转录的蛋白质，称为转录调节因子，简称转录因子，也称反式作用因子
        • 
      • 基本转录因子
        • 
        • 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白质因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA、rRNA)转录的类别
      • 特异转录因子
        • 为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。此类特异因子中起转录激活作用的称转录激活因子，起转录抑制作用的称转录抑制因子
  • 真核生物转录过程
    • 转录起始
      • 
      • 顺式作用元件
        • 
      • 真核生物启动子
        • 
      • 转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板的启动子，其起始过程比原核生物复杂
        • 
      • 转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC)
        • 真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子
        • 拼版理论：一个真核生物基因的转录需要3-5个不同的转录因子，它们之间相互作用与结合，形成专一性的活性复合物，再与RNA聚合酶搭配而特异性地结合并转录相应的基因
    • 转录延长
      • 与原核生物大致相似，没有转录与翻译同步的现象
      • RNA-pol前移,核小体移位和解聚现象
        • 
    • 转录终止
      • 
      • 和转录后修饰密切相关
      • 转录终止修饰点: DNA读码框架下游的一组AATAAA和GT共同序列, 参与转录终止过程, 这些序列称之为转录终止修饰点
  • 真核生物RNA成熟
    • mRNA的成熟
      • 1、5'端形成帽子结构
        • 5'端：7-甲基鸟嘌呤-三磷酸鸟苷
          • 
          • 帽子结构的功能
            • 核内生成, 保护mRNA不被核酸外切酶水解。
            • 与翻译过程有关，帽子结构结合蛋白是翻译起始必需的因子。
            • 促进某些RNA的合成
        • 3'端：polyA
          • 
          • 剪切/多聚腺苷酸化特异性因子（CPSF）
          • 剪切刺激因子（CstF）
          • 剪切因子I，II（CFI、CFII）
          • Poly（A）多聚酶（PAP）
          • Poly（A）结合蛋白（PBP）
      • mRNA的剪接
        • 
        • 内含子剪接在剪接体（spliceosome）中完成
          • 
      • 举例：鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰
        • 
    • tRNA的转录后加工
      • 过程
        •  
    • rRNA的转录后加工
      • 
    • 非编码RNA的成熟
      • lncRNA
      • sncRNA
    • RNA编辑
      • mRNA水平上改变遗传信息
• 转录调控
  • 转录起始是基因表达调控的基本控制点
    • 
    • 转录水平的基因表达调控最重要
  • 原核生物的转录调控
    • 原核生物转录调控的特点
      • σ因子的特异性识别
        • 
        • 在转录的起始阶段， σ亚基识别特异启动序列，不同的σ因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、tRNA、rRNA基因的转录
        • 枯草杆菌孢子形成过程中σ亚基的替换
          • 主要是σ55、σ37、σ29三种亚基的更迭。含σ55的RNA聚合酶只能识别营养基因的启动子，含σ37的RNA聚合酶只能识别早期孢子形成基因的启动子，含σ29的RNA聚合酶则只能负责中、晚期孢子形成基因的转录
      • 操纵子学说的普遍性
        • 操纵子（operon）：是原核生物在分子水平上基因表达调控的单位，由调节基因、启动子、操纵基因和结构基因等序列组成
          • 
      • 负性调节占主导
        • 负调控
          • 阻遏蛋白与操作基因结合，抑制结构基因的表达
        • 正调控
          • 阻遏蛋白与操纵基因脱离后，激活蛋白与启动子结合以及和RNA集合酶相互作用，帮助结构基因的转录起始
        • 原核细胞的基因调节中负性调节占主导作用
        • 操纵序列
          • 阻遏蛋白(repressor)的结合位点
          • 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录
    • 原核生物转录起始调控
      • 乳糖操纵子的诱导性调控
        • 
        • 阻遏蛋白的负性调节
          • 
        • CAP的正性调节
          • 
        • 协调调节
          • 
          • 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用
          • 如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性
          • 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源
          • 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖
      • 色氨酸操纵子的阻遏型调控
        • 
    • 原核生物转录终止调控
      • 
  • 真核生物转录调控
    • 真核生物转录调控的特点
      • 有多种RNA聚合酶
        • 
      • 转录激活状态的染色体结构发生明显变化
        • 对核酸酶敏感
        • DNA拓扑结构发生改变
        • DNA碱基的甲基化修饰发生变化
        • 组蛋白变化
        • 染色质状况与基因表达相关
          • 转录活化区/ 非转录活化区染色质的结构差异
          • 转录活性区域对DNA酶敏感
          • 核小体结构不完整、缺少H1组蛋白
      • 正性调节占主导
        • 主要调控水平
          • 转录水平调控（transcriptional control）
          • 转录后水平调控（post-transcriptional control）
            • RNA加工水平调控（RNA processing control）
            • 翻译水平调控（translational control）
          • 蛋白质的翻译后修饰（post-translational modification）
    • 真核生物转录前调控
      • 染色质结构对转录的影响
        • 真核基因的活跃转录是在常染色质上进行的
          • 转录发生之前，染色质常常会在特定得区域被解旋松弛，形成自由DNA。这种变化包括核小体结构的消除或改变，DNA 本身局部结构的变化，从右旋型变为左旋型（Z-DNA）等，这些变化可导致结构基因暴露，促进转录因子与启动区DNA的结合，诱发基因转录
        • 活跃表达基因所在染色质上一般含有一个或数个DNA酶I（水解单链或双链DNA的核酸内切酶）超敏感位点，大多位于基因的5′端启动区，少数在其他位置
        • 证据：体外重建染色质改变转录效率
      • DNA的修饰
        • DNA拓扑结构变化：天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；
        • 基因活化后
        • DNA碱基修饰变化
          • 真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比
          • m^5C是真核生物 DNA中的主要修饰成分
            • 多发生在CpG序列中
            • 不同细胞间m^5C 相差甚大
            • 胚胎细胞与特化体细胞相差10^6
      • 组蛋白的修饰
        • 组蛋白的乙酰化
        • 组蛋白的磷酸化
    • 真核生物转录水平调控
      • 顺式作用元件
        • 通常只在原位影响与其处于同一个DNA分子上的、物理上紧密相连的基因表达的DNA序列。通常不编码蛋白，多位于基因旁侧或内含子中。如启动子、终止子、增强子、操纵基因 
        • 启动子
          • 
          • 真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件
        • 增强子
          • 指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列
          • 增强基因转录的效应十分明显
          • 发挥作用的方式通常与其方向,所在部位与转录起始点的距离无关
          • 大多数为重复序列,跨度一般为100 ~200bp，但其基本的核心组件常由8 ~ 12bp组成,有完整的或部分的回文结构
          • 增强基因转录的效应有严格的组织细胞特异性
          • 没有基因专一性，可以在不 同基因的转录中发挥作用
          • 活性与其在DNA双螺旋结构中的空间方向性有关
          • 许多增强子是否发挥作用受外部信号驱使,这时的增强子又被称为反应元件,如 cAMP反应元件、激素反应元件、金属反应元件和血清反应元件等
        • 沉默子
          • 某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用
      • 反式作用因子
        • 分类
          • 基本转录因子
            • 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别
          • 特意转录因子
            • 为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达
              • 转录激活因子
              • 转录抑制因子
        • 转录因子的DNA结合域
          • 
          • 螺旋-转角-螺旋
            • 
          • 锌指(zinc finger)
            • 
          • 亮氨酸拉链（leucine zipper）
            • 
            • α螺旋的特点是Leu频繁出现，每7个aa残基中出现一个，延α螺旋的疏水侧排列成直线
            • 与Leu重复区相邻的是碱性氨基酸含量较高的DNA结合区。形成二聚体时该碱性区对DNA的亲和力较高
          • 碱性螺旋-环-螺旋
            • 
            • 每一个bHLH单体由3部分构成
              • 一长一短两个α-螺旋，中间由一个非螺旋的环连接
              • N一端由碱性氨基酸形成亲水区，与DNA结合，即DNA结合域
              • C一端由疏水性氨基酸残基形成疏水区，与另一单体结合，形成二聚体
            • 与亮氨酸拉链相似，bHLH也骑跨在DNA双螺旋的大沟上。非螺旋环有不同的长度，使单体分子易于弯曲折叠
          • β-片层和环结构域
            • 在前面所述的转录因子的DNA结合域中，至少有一个α-螺旋被插人到DNA双螺旋的大沟中，但一些转录因子所含有的β片层和环结构域，由于它们特殊的氨基酸组成，可以识别结合DNA双螺旋分子大沟表面的特殊序列
      • 真核生物转录起始复合物的形成
        • 
      • 真核生物转录终止调控
        • 机制尚不十分清楚。在大多数哺乳类动物转录单位中，RNA polⅡ转录终止于polyA添加点(3’端)0.5-2kb范围内的多处可能位点
        • 一些真核生物基因及感染细胞的病毒基因可以靠终止方式调节其转录
        • 例子
          • HIV基因组转录终止调节
            • HIV基因的有效表达需要病毒蛋白Tat，它是一种抗终止蛋白，可使RNA pol Ⅱ通过转录终止点
            • 其作用方式是与转录产物5’端特异RNA序列结合，并与宿主蛋白质、RNA polⅡ相互作用，使延长中的RNA形成一定的二级结构，阻止HIV基因组转录过程的提早终止
          • 热休克蛋白基因的转录终止调节
            • 真核细胞与原核细胞一样，在环境温度升高或其他应激条件下可做出一系列的反应，包括暂时性停止大多数基因的转录和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白质即热休克蛋白(heat shock protein, HSP)基因的转录。
            • 在果蝇中，热休克刺激可使HSP70和其他热休克蛋白的转录在数秒钟内即可由极低水平提高到最高水平。这是因为在热休克时，热休克转录因子快速地由无活性转变为活性状态。
            • 这种类型的调节对基因快速诱导表达极其适用，或许在其他基因的表达调节中也存在。
    • 真核生物转录后调控
      • 转录后的调控是指对基因转录产物进行的一系列修饰、加工
      • 包括对mRNA前体hnRNA的剪接和加工，mRNA由细胞核转至细胞质及其定位，mRNA的稳定性，RNA编辑等多个环节进行调控