原核生物的转录及调控

consensus sequence of promoter and only
required for initiation.
2、RNA pol与启动子的结合
• σ因子识别启动子上结合位点。 RNA pol全酶
与-35 box结合→封闭型启动复合物；
• 酶向-10 box移动，并与之牢固结合，促使-10
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NusA binds to polymerase, and N binds to both NusA and box B of the nut site region of the transcript, creating a loop in the growing RNA. This complex is relatively weak and can cause antitermination only at terminators near the nut site (These conditions exist only in vitro.).
AR II + CAP-cAMP 复合体：
促使-35 box附近GC岛区的双螺旋结构稳定性降低，-10 box的解链温度降低，有利于转录启动
RNA pol ARI ARII GC Island
RNA pol RNA pol -35 -10
CAP-cAMP ARI ARII α-CTD
Up element + CAP-cAMP ＋RNA Polymerase复合体 CAP-cAMP 与RNA
4、三元复合物的形成和σ因子的解离
• RNA合成一开始，就形成模板-RNA polRNA的三元复合物。
• σ因子解离，核心酶与模板的亲和性下降到
非特异性结合的水平，RNA pol在DNA链上
变得容易移动，为链的延伸创造了条件；
• 游离的σ因子可以重新进行功能循环。
转录的起始
• 核心酶在σ因子帮助下特异性结合到DNA上；
1、核心启动子： Sextama Box： -35 site。RNA pol. loosely binding site （R site） TTGAC（Sextama Box） Pribnow Box：-10 site。RNA pol. firmly binding site（B site） TATAAT（pribnow Box） Initiation site ： +1 site。 RNA transcriptional startpoint （I site） A/G
• RNA pol与启动子-35 box 结合，形成封闭型起始
复合物；
• 酶滑动到-10 box，转变成为开放型起始复合物，
启动子活化，双链解开，模板链暴露，插入最初 的2个核苷酸； • 酶继续加上开头的几个NTP，形成三元起始复合 物，在RNA链合成了8～9个碱基后，σ因子解离， 转录开始。
Model of the
-10 upstream +1 start point +10 downstream
一、转录的起始
• 关键：全酶能以很高的亲和性结合在启
动子promoter ； • 启动子：RNA聚合酶识别、结合并起始 转录的一段DNA序列。
（一）原核启动子的结构 promoter 由两个重要部分组成
● -70 ~ -40 ：up element（上游元件）
RNA polymerase in prok.
β α α β α
σ
σ
β’
cover 60bp
α
β’
Core Enzyme for elongation 依靠静电作用力
Holo Enzyme for initiation 依靠空间结构
非专一性与非特异DNA 结合
半衰期；60’
专一性与 特异DNA结合 半衰期；数小时
interaction between E. coil RNA polymerase holoenzyme and a
DNA
promoter
Incorporating the first few Nt
二、原核生物转录的延伸
• RNA pol沿着模板链移动，RNA链不断延伸，
并保持三元复合物的结构；
NusA protein ：
antitermination N protein utilization substance
★ 69 Kd, acid protein
★ RNApol-attaching factor
★ After initiation→ substituting σ → NusA + core E
-35 (R)
-10 (B)
+1 (I) RNA
l Sextama Box 与 Pribnow Box 间距 17bp，有利于 RNA pol启动 间距趋近于17 bp，up mutation 间距远离于17 bp，down mutation 17bp的间距比17bp的序列对转录更为重要 l -35 Box or -10 Box mut.
二、RNA聚合酶各亚基的功能
1、核心酶：催化磷酸二酯键的形成
• α亚基：2个，功能多样（核心酶的组建因子、 促进双链的解开和重新聚合、启动子识别、促 进RNA pol与DNA 模板链上游转录因子结合） • β亚基：1个，结合核苷酸底物，催化磷酸二酯 键的形成； • β’ 亚基：碱性强，与模板链结合；
原核生物的转录
及其调控
RNA transcription
and regulation in prokaryotes
第一节 转录概述
• 转录：在DNA指导的RNA聚合酶催化下，以DNA链 的一条链为模板，按照碱基配对原则合成RNA链 的过程。 • 不对称转录：在DNA双链分子中，转录通常只在
DNA的一条链上进行，另一条链则不能转录，但
Activation transcription Polymerase的α-CTD 结合，激活转录 ARII
ARI
（二）原核基因转录的起始
1、σ因子的作用：
• 降低全酶与一般DNA的非专一性结合力
（20000倍）；
• 增强全酶与启动子R site、B site的专一性结
合力 （100倍）；
• 导致RNA链的延伸缓慢
box及起始位点处发生局部解链→开放型启动
复合物；
• DNA解螺旋扩展到-10 box下游17bp范围。
3、转录起始位点的决定
• 酶与-10 box 的结合，决定了第一个起始碱基
的选择。
• 第一个被转录的碱基离-10 box 的保守T约
6~9nts。
• mRNA的起始位点多为G，其次为A ，很少
为U, 起始点核苷酸的两侧分别为C 和T。
• 利链菌素（ streptolydigin）：与细菌
RNA pol β亚基结合，抑制转录的延伸。
• 肝素：与细菌RNA pol β’亚基结合，阻
碍其与模板DNA的结合。
第三节 原核生物转录的过程
• RNA的转录包括promotion，elongation，termination 三过程； • 从promoter到terminator称为transcriptional unit； • 原核生物中的转录单位多为 polycistron ； • 转录起始点记为+1，其上游记为负值，下游记为正值。
没有编号为○的碱基。
第二节 原核生物转录的相关酶类
一、E.coli RNA聚合酶
• E.coli只有一种聚合酶；
• E.coli RNA pol全酶由5种亚基组成，即
α2ββ’ωσ，480kD；
• α2ββ’ ω构成核心酶，核心酶与σ因子构成
全酶。
E.coli RNA聚合酶的基本性质
全酶中的 亚基 α β β’ σ 基因 数量 rpoA rpoB rpoC rpoD 2 1 1 1 40000*2 155000 160000 85000 σ因子 核心酶 多样 结合核苷酸 结合模板 起始识别因子 分子量（dalt） 部位 可能功能
当：ARI + CAP-cAMP cooperative effect
提高ARII 的结合效率
● ARII + CAP-cAMP
promotion
RNA pol. into -35 Box
into -10 Box
starting transcription
● Null AR II → RNA pol. into -10 Box but transcription off
Promoter与σ factor 间的结合专效性
●决定了 strong promoter & weak promoter；
★ -35 box, -10 box的差异影响启动子与RNA pol
中σ因子的结合能力；
★不同启动子的-35，-10 box间存在较为保守的标
准序列（标准启动子）；
★ σ factor is responsible for recognition of
CAP-cAMP binding site
基因表达调控的正控制位点
CAP：cAMP Acceptor Protein
（cAMP受体蛋白）
Catabolite gene Activator Protein （分解代谢基因激活蛋白）
● -35 ~ -10：core promoter（核心启动子）
RNA pol. binding site
Cartoon illustrating separation of the subunits of E. coli RNA polymerase by SDS-PAGE
Richard Burgess and Andrew Travers (1969)
150 kD 160 kD 70 kD 40 kD
→ 转录效率下降100倍
-35 Box and -10 Box mut.
→ 转录效率下降1000倍
2、上游元件：
CAP-cAMP binding site （Activator region，AR）
IR
-70 ARI
IR
-50 -40
ARII
● AR I： CAP-cAMP 的强结合位点（-70 ~ -50） ● AR II：CAP-cAMP 的弱结合位点（-50 ~ -40）
• 模板：反义链；
• 方向：5’→3’ ；
• 酶：RNA pol ； • 产物：RNA单链
转录和复制：都是遗传信息的传递
三、转录起始位点
转录起点位点核苷酸为＋1。
上游序列upstream ：转录起点的前面的序列， 用负数码（－）表示，起点前一个核苷酸为－1。
下游序列downstream： 转录起点的后面的序列， 用正数码（＋）表示。
2、σ因子：
• Reusable； • 修饰 RNA pol 的构型；
• 识别启动子，但无催化活性。
不同原核生物具有基本相同的核心酶，但σ亚基
有所差别，决定了原核生物基因的选择性表达。
3、原核生物RNA聚合酶抑制剂：
• 利福平（Rifampin）：与细菌RNA pol β
亚基结合，阻碍转录的起始作用；
★ Impel RNApol. pausing in terminator for 1’-15’ and
waiting for Rho factor to stop transcription of RNA
antitermination N protein
(Nut N binding site )
可能对转录起调节作用，这种转录方式称不对
称转录。
• 转录单位：就是从启动子到终止子的一段DNA序
列。
一、基因的编码链和有意义链
• 模板链：用于转录RNA的链称为模板链，或负
（－）链，又称无义链。
• 编码链：与模板链互补的DNA链称为编码链，
或正（＋）链，又称有义链。
二、转录的基本要点
• 底物：NTP；
三、原核生物转录的终止
• 转录的终止依赖于RNA产物的特定序列；
• 原核和某些真核生物的终止子要求转录产
物RNA 3’端具有发夹的二级结构，茎部富
有GC序列；
• 终止子的分类： 根据终止反应是否需要ρ
• 转录泡中的DNA螺旋前开、后合，RNA延长，
不断脱离DNA；
• RNA链的延伸速度不是恒定的，在模板富含
GC的区域，转录就会减慢/停顿。
12bp 17bp
DNA-RNA复合体长度
螺旋解开长度
影响RNA延伸速度的因素：
① RNA pol； ② 暂停信号：导致转录速度突然出现变化的特 殊序列。 • GC富集区：产物RNA不易释放； • IR：产物形成茎环结构，妨碍上游的模板恢 复双链。 ③ 其他配基：ppNpp、NusA蛋白。