转录调控-研究生教学课件
转录及其调控 (2)优秀课件
σ因子
σ因子负责识别启动子的保守序列，不同的 σ因子识别不同的启动子。
许多细菌能产生多种可取代的σ因子，以识 别不同的启动子。
一些抗生素，如利链菌素，可以抑制原核生物的 RNA聚合酶，使得原核生物的基因无法转录成 mRNA，从而达到杀死细菌等原核生物的效果。
二、原核生物转录的起始延伸
1.转录起始 全酶与模板的DNA接触，生成非专一的，不稳定的复合物在模
真核生物RNA聚合酶不与DNA分子直接结合，而需 依靠众多的转录因子，形成转录起始复合物（preinitiation complex,PIC).
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。 3.全酶紧密地结合在-10序列处，DNA模板局部变性，形成开放的
启动子二元复合物。（RNA聚合酶与启动子结合后造成约10bp的 DNA解链） 4.合成短多聚核苷酸（<10nt),三元复合物形成。（酶-启动子-NTP） 5. σ因子从全酶中解离下来，聚合酶转变为延长构型。酶分子与启 动子特异性结合性的结合力下降，延伸阶段开始。
转录延长
三、转录的终止
终止序列和释放因子
终止子：一种位于poly(A)位点下游，长度在数百碱基以内的结 构。提供终止信号的序列。 原核生物终止子分为两类： 不依赖ρ因子而实现终止作用。如强终止子，病毒SV40 的终止 依赖ρ因子才能实现终止作用。
ρ因子---蛋白质辅助因子
不依赖ρ因子终止作用： 在转录终止点之前有一段回文序列，回文序列的两 个重复部分之间由几个碱基对的不重复阶段隔开
依赖于ρ因子终止作用
ρ因子是55KDa蛋白，其活性形式为六聚体 1）促进转录终止活性 2）NTPase活性，需要RNA链。
《转录水平的调控》课件
转录因子在转录过程中的作用机制
激活机制
转录因子通过与DNA上的特异序 列结合，促进RNA聚合酶的招募 ，从而激活基因转录。
抑制机制
转录因子通过与DNA上的特异序 列结合，阻止RNA聚合酶的招募 ，从而抑制基因转录。
共激活剂和共抑制
因子
一些转录因子可以招募共激活剂 或共抑制因子，进一步增强或减 弱其调控作用。
转录因子在疾病中的调控作用
肿瘤发生和发展
一些转录因子在肿瘤发生和发展过程中发挥重要作用，如MYC、FOXM1等。这些转录因子的异常表达可以导致肿瘤 细胞的增殖、侵袭和转移。
免疫系统调控
一些转录因子在免疫系统的发育和功能中发挥重要作用，如NF-κB、IRF等。这些转录因子的异常表达可以导致免疫 系统紊乱，增加疾病易感性。
在转录过程中，RNA聚合酶识别DNA上的启动子 02 序列，并开始合成RNA链。
转录过程中，DNA双链结构中的一条链作为模板 03 ，合成RNA链。
转录的步骤
起始
RNA聚合酶结合到DNA上的启动子序列， 并开始合成RNA链。
延长
RNA聚合酶沿着DNA模板链不断向前移动，同时合 成RNA链。
终止
RNA聚合酶到达DNA上的终止子序列，停 止合成RNA链，并从DNA上释放出来。
表观遗传学主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码 RNA等机制。
表观遗传学调控在细胞分化、胚胎发育、肿瘤发生等多种生物学过程中发 挥重要作用。
DNA甲基化在转录水平调控中的作用
DNA甲基化是指在 DNA序列中，CpG位 点的胞嘧啶被甲基所
修饰的一种形式。
DNA甲基化可以影响 转录因子与DNA的结 合，从而调控基因的
02
转录调控ppt课件
（Regulation of Gene Expression）
本章主要内容 ❖ 基本概念与原理
❖ 原核生物基因转录调控 ❖ 真核生物基因表达调控
一、基因表达的概念
基因表达 是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息 经过转录及翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质， 进而发挥其特定生物学功能的全过程。 基因表达产物 各种RNA(tRNA、mRNA和rRNA)以及蛋白质、 多肽。
乳糖操纵子
P 启动基因：RNA聚合酶的结合位点
O 操纵基因：阻遏物的结合位点，当阻遏物附着在操纵
基因上时，结构基因无法转录。
I: 调节基因（阻遏基因）：编码阻遏物
没有乳糖的时候，阻遏基因编码产生的阻遏蛋白 结合在操纵基因序列上，使得RNA聚合酶无法对
下游的结构基因进行转录
异乳糖
原核生物的共有序列
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3 亮氨酸拉链结构 亮氨酸拉链（leucine zipper， ZIP）结构也是转录因子DNA结合区的一种结 构模式
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4．螺旋-环-螺旋结构 螺旋-环-螺旋（helix-loophelix，HLH）是新近发现的一种DNA结合区的 结构模式
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六、真核基因表达的激素调节
转录产物的转运 翻译调控 翻译水平 翻译后加工
二、色氨酸操纵子的调节机制
❖ 色氨酸操纵子（trp operon）：
❖ 阻遏型操纵子； ❖ 主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白
的转录合成。 ❖ 当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放； ❖ 而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。
二、色氨酸操纵子的调节机制
第八章 真核基因转录调控(共84张PPT)
但真核基因转录发生在细胞核(线粒体基因的转录 在线粒体内)，翻译则多在胞浆，两个过程是分开 的，因此其调控增加了更多的环节和复杂性，转 录后的调控占有了更多的分量。
• (二)真核基因的转录与染色质的结构变化相 关。
❖ ④增强子的作用机理虽然还不明确，但与其他顺 式调控元件一样，必须与特定的蛋白质结合后才 能发挥增强转录的作用。
❖ 增强子一般具有组织或细胞特异性，许多增强子只在 某些细胞或组织中表现活性，是由这些细胞或组织中 具有的特异性蛋白质因子所决定的。
• ①影响模板附近的DNA双螺旋结构，导 致DNA双螺旋弯折或在反式因子的参与 下，以蛋白质之间的相互作用为媒介形 成增强子与启动子之间“成环”连接，活 化基因转录；
• 实验表明这段序列甲基化可使其后的基因不能转录，甲基 化可能阻碍转录因子与DNA特定部位的结合从而影响转录
。
• 如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶，小鼠的 胚胎就不能正常发育而死亡，可见DNA的甲基化对基因表 达调控是重要的。
• 由此可见，染色质中的基因转录前先要有一个被激活的过程， 但目前对激活机制还缺乏认识。
• 真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100－ 200bp序列，包含有若干具有独立功能的DNA序列元 件，每个元件约长7－30bp。
• 最常见的哺乳类RNA聚合酶Ⅱ启动子中的元件
哺乳类RNA聚合酶Ⅱ启动子中的元件序列
元件名称 共同序列
名称
结合的蛋白因子 分子量 结合DNA长度
TATAbox TATAAAA
• 三、真核基因转录水平的调控
原核生物的转录及调控课件 (一)
原核生物的转录及调控课件 (一)原核生物是一类简单的单细胞生物，其转录和调控机制相对于真核生物来说要简单许多。
本文将会从原核生物转录和调控的基本知识入手，分别对其进行相关的讲解。
一、原核生物的转录机制原核生物的转录和真核生物相比较于简单，它的基因位置并没有核膜的保护，直接暴露在细胞浆中，基因间没有间隔，这意味着原核生物较容易完成基因转录任务并且速度快。
原核生物的转录分为三个阶段：启动、延伸和终止。
启动阶段是通过RNA聚合酶(enzyme)与启动子(promoter)的结合来完成的。
当RNA聚合酶与启动子结合后，它会在SO基因(即甲基接收酶基因)上找到对应的开始密码子(subunit)。
发生开放读取框架(ORF)，这时RNA聚合酶就能够开始向下一个框架(ORF)复制。
与真核生物不同的是，原核生物只有一个RNA聚合酶，大部分基因的转录都是由这种聚合酶完成的。
二、原核生物的调控机制原核生物的基因调控是非常重要的一部分。
它们使用许多方法来对其基因表达进行调控，以适应环境变化和其它外部信号的影响。
原核生物的基因调控主要分为两种方式：正调控和负调控。
1. 正调控：这种方式是使得信号物质(Messenger)能够结合到转录因子上，进而使其能够附着到启动子(promoter)上面。
这些信号物质可以直接或间接地影响基因的表达，以达到对细胞的调节效果。
在真核生物中，常见的正调控因子有启动子结合蛋白(TBP)。
2. 负调控：在负调控中，信号物质通过阻止转录因子的结合，来预防其结合到启动子上来。
这将使得该基因的表达能够被阻止，因此，其效果可能与正调控相反。
在原核生物中这种现象是非常常见的。
总结在原核生物中，转录和调控的机制相对比较简单。
它们基因转录的速度较快，在基因调控时使用正调控和负调控来达到有目的地外部信号的调节效果。
虽然其调控机制相对单一，但是作为生物学的基础研究，其在基因转录和调控方面的应用可能带来重要突破。
转录和转录水平的调控要点讲课讲稿
转录和转录水平的调控要点讲课讲稿SECTION 5转录和转录水平的调控重点：转录的反应体系，原核生物RNA聚合酶和真核生物中的RNA聚合酶的特点，RNA的转录过程大体可分为起始、延长、终止三个阶段。
真核RNA的转录后加工，包括各种RNA前体的加工过程。
基因表达调控的基本概念、特点、基本原理。
乳糖操纵子的结构、负性调控、正性调控、协调调节、转录衰减、SOS反应。
难点：转录模板的不对称性极其命名，原核生物及真核生物的转录起始，真核生物的转录终止，mRNA前体的剪接机制（套索的形成及剪接），第I、n类和第"类内含子的剪接过程，四膜虫rRNA前体的加工，核酶的作用机理。
真核基因及基因表达调控的特点、顺式作用元件和反式作用因子的概念、种类和特点. 以及它们在转录激活中的作用。
一．模板和酶：要点1．模板RNA的转录合成需要DNA做模板，DNA双链中只有一股链起模板作用，指导RNA合成的一股DNA链称为模板链（template strand ）,与之相对的另一股链为编码链（coding strand ）,不对称转录有两方面含义：一是DNA链上只有部分的区段作为转录模板（有意义链或模板链）, 二是模板链并非自始至终位于同一股DNA单链上。
2. RNA聚合酶转录需要RNA聚合酶。
原核生物的RNA聚合酶由多个亚基组成：a 2 3 3 '称为核心酶，转录延长只需核心酶即可。
a 2 3 3 ' b称为全酶，转录起始前需要b亚基辨认起始点，所以全酶是转录起始必需的。
真核生物RNA聚合酶有RNA-pol I、H、川三种,分别转录45s-rRNA; mRNA（其前体是hnRNA）;以及5s-rRNA、snRNA 和tRNA。
3. 模板与酶的辨认结合转录模板上有被RNA聚合酶辨认和结合的位点。
在转录起始之前被RNA聚合酶结合的DNA 部位称为启动子。
典型的原核生物启动子序列是-35区的TTGACA序列和-10区的Pribnow盒即TATAAT序列。
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Transient Transfection:
E
P P P
Luciferase
Luciferase
Luciferase
E
Insulator (绝缘子)
一种负调控元件，参与基因表达的负调控。 干扰增强子与启动子的相互作用，并抑 制启动子的激活活性。
Insulator function in Imprinting
CTCF vs. BORIS
CTCF
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
BORIS
11个与DNA结合的锌指结构 域 与绝大多数的ICRs以及CpG 岛结合 结合是甲基化敏感的 具有绝缘子功能 具有边界元素的功能，例如 阻断异染色质的传播 保护相应区域不被甲基化 广泛表达，尤其在精母细胞 中表达量高 过表达抑制细胞的增殖 基因定位于16q22, 在癌症中 常发生突变或缺失
1、转录起始位点（TSS）的确定
生物信息学预测TSS
↓
5´-RACE初步确定TSS的大概位置
↓
引物延伸、核酸酶保护或S1作图精确定位TSS
预测转录起始位点和启动子区域的常用软件
推荐使用Gene2Promoter 软件（ http://www.genomatix.de） 和TSSW、TSSG（/berry.phtml）
1.核心启动子：RNA polⅡ转录起始所必须的最少的DNA序 列，作用是确定转录起始点并产生基础水平转录。
2.上游启动子元件 包括-70bp的CAAT盒,GC盒,其他距起始 转录点更远的上游元件。 与TFⅡD结合成复合物后提 高转录频率。
启动子的研究方法
研究内容：
1、 转录起始位点的确定
2、启动子区域（顺式作用元件）的确定 3、转录因子（反式作用元件）结合位点的确定 4、反式作用元件和顺式作用元件相互作用 对基因转录的影响
CTCFBSDB: a CTCF binding site database for
characterization of vertebrate genomic insulators :
/
CTCF is the only protein identified so far in vertebrate that binds to insulators and shows enhancer-blocking activity
非编码序列
分为：启动子、增强子、沉默子、绝缘 子
反式作用因子trans-acting factor
概念：通过识别和结合顺式作用元件的核心序列, 而调控靶基因的转录效率的一类蛋白因子（转 录因子），对基因表达调控可正(激活)可负(阻 遏) 。
类别：基本转录因子、上游转录因子和可诱导 转录因子
启动子(Promoter)
11个与DNA结合的锌指结构 域 结合位点与CTCF显著重叠 ？ ？ ？ 在癌症中被重新激活 通常仅在睾丸中表达 过表达促进细胞的增殖. 基因定位于20q13, 在癌症中 常发生扩增
Thank you!
(1)生物信息学预测转录因子结合位点 (2)实验证实转录因子结合位点： EMSA/gel-shift, super shift ChIP DNase I footprinting
Mapper Jaspar
/mapper/mapper-top /cgi-bin/jaspar_db.pl
2、启动子区域的确定
↓ 克隆5 ´-flanking sequence并连接到报告基因载体上 ↓ 缺失突变 ↓ 荧光素酶活性分析 ↓
确定转录调控区域（启动子区域）
生物信息学预测启动子区域
Deletion mutagenesis (缺失诱变)
Reporter vector
3、转录因子结合位点的确定
定点突变
增强子（enhancer）
基因组中能增强邻近基因启动转录的序列。最早 发现于SV40的基因上游，含2个72bp的正向重复 序列。 增强子特性 1.增强效应非常明显 10~200倍 。 2.与其位置、取向无关（上下游、距离） 3.核心序列是重复序列,是增强效应所必须 4.有细胞组织特异性， 需与特异蛋白因子作用 5.无基因特异性 6. 要有启动子才能发挥作用
Enhancer Element Locator
http://www.cs.helsinki.fi/u/palin/EEL/
Assays for Enhancers
1. 2. 3. 4. Transient transfection DNAase I hypersensitivity DNAase I footprinting/mutation analysis Transgenic mice
真核生物基因转录调控研究 的进展和方法
周建林
一、真核生物基因表达调控的特点(略) 二、真核生物基因转录调控 三、真核生物基因转录调控的研究方法
转录水平的调控
顺式作用元件(cis-acting element) 反式作用因子(trans-acting factor)
顺式作用元件
是指对基因表达有调控活性的DNA序列，其 活性只影响与其自身同处于一个DNA分子上 的基因
预测CpG岛常用软件：CpGPlot
（ /emboss/cpgplot ）
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FirstChoice RLM-RACE Kit (Ambion) GeneRacer RLM-RACE Kit (Invitrogen )
SMART RACE cDNA Amplification (Clontech)
推荐使用MatInspector 软件 （ http://www.genomatix.de）
Search for evolutionary conserved transcription factor binding sites.
rVista 2.0 (/) ConSite ( )
概念：启动子是基因序列中决定转录起始的部位。 包括核心启动子和上游启动子元件 。
一个基因可同时拥有一个及以上启动子； 一般在转录起始点上游, 位于(+1)及5’端上游 100~200b左右，是决定转录起始点及转录频率的关键 元素。 ； 可与增强子共同控制转录起始和强度； 发挥功能时除需RNA聚合酶外，还需转录调控因子 与启动子区各种调控元件相互作用。
Models for Enhancer Action
Bulger and Groudine. 2002. Nature Gen. 32:555-557
Characterization of an enhancer?
– consists of several good binding sites of TFs – the sites are spatially clustered together – the pattern of sites is conserved
Primer extension(引物延伸)
S1 nuclease mapping
RNA 5’
DNA 3’ RNA 5’ DNA 3’ 3’
* 5’
Add S1 nuclease
3’ 5’
PAGE Analysis
Primer extension and S1 nuclease digestion
Gel retardation(凝胶阻滞)/electrophoretic mobility shift assay (EMSA, 电泳迁移率变动分析)
ChIP （染色质免疫共沉淀）
4、反式元件与顺式元件的相互作用对转录 的影响
（1）定点突变→荧光素酶活性分析 （2）过表达转录因子→测定目的基因的表达 （3）干扰转录因子的表达→测定目的基因的表达 （4）转基因动物
Igf2
H19
Two linked Imprinted Genes: Maternal [H19 (on), Igf2 (off)] Paternal [H19 (off), Igf2 (on)] 3.7
Effects of insulators on enhancer–promoter interactions