遗传信息的表达和调控

一个基因的遗传信息转换成蛋白质的第一步是以DNA为
模板在RNA聚合酶的作用下合成RNA，这个过程称为转录
(transcription)。在体内，它是基因表达的第一阶段并且是 基因调节的主要阶段。另外DNA复制过程中的RNA引物也是 通过转录产生的。
RNA有四种，信使RNA (messenger RNA，mRNA),
复制
遗传信息的水平传递
（一）基因复制
（二）基因重组
（一）基因（DNA）复制
指以原来的DNA分子为模板合成出相同分子的过程。 1、DNA的半保留复制机制 2、DNA的半不连续复制机制 3、复制的基本过程
4、原核生物DNA的复制
5、真核生物DNA的复制 6、逆转录病毒的复制
6、逆转录病毒的复制
指在依赖于RNA的DNA聚合酶或称反转录酶的的催 化下，以四种脱氧核苷三磷酸为底物，病毒单链RNA为 模板，进行的DNA的合成。
原核生物启动子保守序列
来自噬菌体和细菌的10个基因的启动子序列
真核细胞DNA的启动子：
—25区（TATA）
—75区（CAAT）
顺式作用元件
结构基因
-GCGC---CAAT---TATA
转录起始 增强子
TATA盒 共有序列TATAAAA CAAT盒 共有序列GGCCAATCT
GC盒 共有序列GGGCGG
转运RNA(transfer RNA，tRNA), 核糖体RNA(ribosomal
RNA，rRNA)和核小RNA (small nuclear RNA, snRNA)。 mRNA 中 含 有 由 DNA 直 接 指 导 生 产 蛋 白 质 的 特 殊 信 息 ， tRNA和rRNA参与蛋白质的合成，而snRNA仅在真核生物中 发现，参与内含子的剪切。
tRNA, 5SRNA, snRNA
①转录的起点
启动子 a、启动子：能与RNA聚合酶作用并启始转录的一段DNA序 列。 启动子的结构与特点：
b、起始点：指第一个被转录为mRNA的碱基，以“+1”表
示，由此向右称下游，其核苷酸依次编为正序列；起始点 向左侧称为上游，其核苷酸依次以负号表示。
RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合
百度文库
遗传信息水平传递的补充 RNA的自我复制
五类不同核酸型的病毒在感染宿主后的六种mRNA合成方式
对ss（—）RNA病毒
直接以（—）RNA为模版复制出（＋）RNA （—）RNA，如狂犬病病毒。
对ss（±）RNA病毒
以（—）RNA为模板复制出（+）RNA
（—）RNA
（±）RNA，如呼肠孤病毒。
对ss（＋）RNA肿瘤病毒 （+）RNA （—）DNA （±）DNA复 制出（±）DNA成熟时以（—）DNA （+） RNA。
究竟哪一条链为编码链哪一条为模板链则是由启动子所决定
的。RNA的合成方向跟DNA合成方向一样，也是从5'→3'方
向进行的，这时作为模板的DNA链与由此合成的RNA链的方
向是相反的，即转录时的DNA链是从3'→5'读取的。
模板链 (负链 minus strand－；反意义链anti-sense strand ；无义链) ：它的碱基序列与转录出来的RNA序列相 反（反义）； 编码链（正链plus strand +；有意义链sense strand）： 不做为模板的DNA链，它的碱基序列与转录出来的RNA序列相 同（同义） T→U 。
2. DNA指导下的RNA合成（转录）
转录
转录：以DNA的转录链为模板，在RNA聚合酶的催化下， 合成一 条碱基互补的RNA。 RNA的转录合成类似于DNA的复制，多核苷酸链的合成都 是以5’→3’的方向。RNA合成的起始于DNA上的启动子区域， 经酶促延长后，终止于DNA 上的终止子区域。 转录：启动→延长→终止→前体RNA→加工→功能RNA；
在原核生物中，RNA聚合酶仅要求σ 因子结合到核心酶，
然后全酶就能结合到启动子上，但在真核生物中，转录的起
始要求复合蛋白结合位点和许多不同的转录因子，并且在真 核生物中并不只是启动子调节RNA转录的数量，另外增强子序 列也是许多转录因子的结合位点。
起始特点 1、合成后的RNA链上的第一个核苷酸常常是ATP或GTP， 形成三元起始复合物：启动子、RNA聚合酶全酶、ATP或 GTP。 2、σ亚基被释放脱离核心酶。
子，RNA聚合酶随即与之结合。当RNA合成开始后，σ 因子被
释放，RNA的延伸由核心酶催化。RNA转录到终止子，合成终 止。起动子和终止子确定了转录的范围。
以DNA为模板合成RNA时，σ 因子正确地识别DNA上的起 动子，RNA聚合酶随即与之结合。
当RNA合成开始后，σ 因子被释放，RNA的延伸由核心酶 催化。RNA转录到终止子，合成终止，起动子和终止子确定了 转录的范围。
c、RNA聚合酶的识别位点与结合位点 -10区（或Pribnow框）：指位于起始点上游10bp处的一 段DNA序列，其功能是使RNA聚合酶结合原形成的转录复合 物，从闭合状态转为开放状态。 -35区（或称Sextama框）：指位于起始点上游35bp处的 一段DNA序列，是RNA聚合酶对模板的初始识别位点，其功 能是为RNA聚合酶提供识别信号。
由于基因的不同，因而所转录产生的RNA分子大小也不
一样。真核生物和原核生物的转录是相似的，但由于真核生
物有细胞核，而原核生物没有细胞核，因而也存在一些根本
的差异，譬如说，在真核生物中，在将RNA中的遗传信息转
变成蛋白质之前，RNA必须从细胞核转移到细胞质中。
与DNA复制不同，转录是一个不对称过程，RNA合成时 仅 仅 以 DNA 双 链 中 的 一 条 作 为 模 板 ， 这 条 链 叫 模 板 链 (template strand)，另一条链叫编码链(coding strand)，
R
R
R
U5
R U5
U3 R U5
U3 R U5
U3 R U5
PBS
U3 R U5
U3 R U5
PBS U3 R U5
U3 R U5
反转录产物： DNA双链； 没有5’端帽子和3’端poly A； 两端含有U3-R-U5的长末端重复序列LTR； 包含有1个PBS位点； 是线性DNA分子。
当它转录成RNA的时候会在RNA两端加上防止降解的“帽子” （ poly A ）
RNA聚合酶保护区 结构基因
5 3 5
-50 -40 -30 -20 -10 1 10
3 5 3 5 开始转录 -10 区 T A T A A T Pu A T A T T A Py (Pribnow box 核心酶结合位点)
3 -35 区 TTGACA AA C T G T RNA-pol辨认位点 (recognition site)
RNA指导下的DNA合成： 逆转录酶(reverse transcriptase)，以RNA的核苷酸顺序 为模板，根据碱基配对原则(U与A) ，合成DNA。 这一过程与一般遗传信息流转录的方向相反，称为逆转 录，催化此过程的DNA聚合酶叫做逆转录酶。 1970年由Temin等在致癌RNA病毒中发现。逆转录酶不 仅普遍存在于RNA病毒中，哺乳动物的胚胎细胞和正在分裂 的淋巴细胞中也有反转录酶 逆转录酶是以dNTP(脱氧核糖核苷酸)为底物，以RNA 为模板，按5′→3′方向合成一条与RNA模板互补的DNA单链 ，称为互补DNA(complementary DNA, cDNA)，它与RNA模 板形成RNA-DNA杂交体。随后又在反转录酶的作用下，水 解掉RNA链，再以cDNA为模板合成第二条DNA链。
（Σ性状）表型（生命状态）
中心法则：生物界遗传信息的传递、表达的方向、途径。
遗传信息的流动规律——中心法则：
中心法则：生物界遗传信息的传递方向。
复制
DNA ？
转录
逆转录 RNA 蛋白质 翻译
复制
中心法则包括： 遗传信息的水平传递 和 遗传信息的垂直传递
复制
DNA ？
转录
逆转录 RNA 蛋白质 翻译
蛋白依赖性和蛋
白非依赖性的转
录终止机制
1. 依赖 Rho因子的转录终止：
具有控制转录终止作用的蛋白质因子。 机制：与RNA转录产物3‘-OH的poly C结合 ，抑制聚合活性，激活解螺旋活性。
③转录的终止 终止子：DNA上提供转录停止信号使RNA聚合酶从DNA链上 解离,从而终止DNA转录的一段DNA序列。 普通终止子（不依赖于ρ 因子的终止子）： 指不依赖于Rho蛋白质辅助因子而实现终止作用的终止子。 有发夹样结构，其中富含G-C对，转录单位末端有一段6-8 个重复U序列，它提供了使RNA聚合酶解离的信号。 依赖于ρ 因子的终止子： 指依赖于Rho蛋白质辅助因子才能实现终止作用的终止。 有发夹样结构，但无丰富的G-C区域，无重复U序列。在终 止子处，RNA聚合酶的运动暂停，ρ 因子与之结合，转录 过程终止，RNA链释放，ρ 因子与RNA聚合酶解离。
3、在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，
另一股链不转录 ； 4、模板链并非永远在同一条单链上。
②转录的延伸
RNA的合成方向跟DNA合成方向一样，也是从5'→3'方向 进行的，这时作为模板的DNA链与由此合成的RNA链的方向是 相反的，即转录时的DNA链是从3'→5'读取的。
RNA聚合酶与DNA聚合酶相似，反应需要模板，4种核苷三 磷酸（ATP、CTP、GTP和UTP）及Mg2+，但有一个重要的区别是 RNA聚合酶催化的RNA合成不需要引物。 以DNA为模板合成RNA时，σ 因子正确地识别DNA上的起动
逆转录过程
R 和 U5 7-甲基鸟苷
R 和 U3 多聚A (poly A, 约200bp)
人体T细胞白血病病毒
反转录过程中DNA双链的合成和LTR的产生 逆转录病毒单链RNA在其复制过程中会形成RNADNA杂交分子和双链DNA两种中间体。RNA-DNA杂交分 子是在病毒粒子中所含的1种反转录酶——依赖于 RNA的DNA聚合酶的催化下合成的。所合成的DNA链在 1种依赖于DNA的DNA聚合酶的作用下再合成双链DNA。
真核生物启动子保守序列
虽然在大部分原核生物中只有一种RNA聚合酶，但在真核 生物中，存在有三种不同的RNA聚合酶，并且不同类型的RNA 是由不同的RNA聚合酶催化的(见下表)。
RNA聚合酶 RNA聚合酶I
在细胞中的位置 核仁
产物 rRNA
RNA聚合酶II RNA聚合酶III
细胞核 细胞核
mRNA, snRNA
转录即RNA的合成需要依赖DNA的RNA聚合酶。在大多数原 核生物中，各种类型的RNA都是由一种RNA聚合酶催化转录的， 这酶在E. coli中研究得最为详细，全酶包括6个多肽，其中5 个多肽(α α β β 'ω )紧密结合在一起，构成核心酶，核心酶 本身已能催化从DNA合成RNA，但它不能鉴别基因的起始位点， 只有σ 因子能正确识别DNA上的启动区。
转录过程是连续的，每个RNA分子都是一个转录本。 上游(up stream)：与转录相反的方向；（在上游方向与 转录起点相邻的位置定为-1 ）； 下游(down stream)：转录方向；（在DNA上开始转录的 第一个碱基规定为+1 ）； 转录的第一个核苷酸定义为转录的+1位，对应DNA链的紧 接着上游的核苷酸为-1位，没有0位。
携带逆转录酶的病毒又称为逆转录病毒，它侵入宿主细
胞后先以病毒RNA为模板靠反转录酶催化合成DNA，随后这种 DNA 环 化 并 整 合 到 宿 主 细 胞 的 染 色 体 DNA 中 去 ， 以 原 病 毒 (provirus)的形式在宿主细胞中一代代传递下去。 许多逆转录病毒基因组中都含有癌基因，如果由于某种 因素激活了癌基因就可使宿主细胞转化为癌细胞。 逆转录酶的发现对于遗传工程技术起了很大的推动作用 ，它已成为一种重要的工具酶。用组织细胞提取mRNA并以它 为模板，在反转录酶的作用下，合成出互补的DNA(cDNA)， 由此可构建出cDNA文库(cDNA library)，从中筛选特异的目 的基因，是基因工程技术中最常用的获得目的基因的方法。
第三章 遗传信息的表达和调控
1．中心法则
大纲
2. DNA指导下的RNA合成（转录）
3. RNA指导下的蛋白合成（翻译）
4．原核生物基因表达调控
5．真核生物基因表达调控
补充：λ噬菌体的溶源化与裂解调控
思考题
遗传信息的流动规律——中心法则：
中心法则
DNA 复制 转录 RNA 转译 protein
（Σprotein）性状