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第 9 章

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第 9 章 - PowerPoint PPT Presentation


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第 9 章. 转录. 9.1 引言 9.2 转录发生在没有配对的 DNA 转录泡中,并根据碱基互补配对原则进行 9.3 转录的三个阶段 9.4 T7 噬菌体的 RNA 聚合酶 - 一个良好的模型系统 9.5 晶体结构提示酶的移动模型 9.6 细菌 RNA 聚合酶由多个亚基组成 9.7 RNA 聚合酶包括核心酶和 σ 因子 9.8 在起始点与 σ 因子的结合会发生变化 9.9 被停止的 RNA 聚合酶可以再次启动 9.10 RNA 聚合酶是如何找到启动子序列的 9.11 σ 因子控制与 DNA 的结合

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Presentation Transcript
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第9章

转录

  • 9.1 引言
  • 9.2 转录发生在没有配对的DNA转录泡中,并根据碱基互补配对原则进行
  • 9.3 转录的三个阶段
  • 9.4 T7噬菌体的RNA聚合酶-一个良好的模型系统
  • 9.5 晶体结构提示酶的移动模型
  • 9.6 细菌RNA聚合酶由多个亚基组成
  • 9.7 RNA聚合酶包括核心酶和σ因子
  • 9.8 在起始点与σ因子的结合会发生变化
  • 9.9 被停止的RNA聚合酶可以再次启动
  • 9.10 RNA聚合酶是如何找到启动子序列的
  • 9.11 σ因子控制与DNA的结合
  • 9.12 启动子的识别依赖于一些共有序列
  • 9.13 突变可增强或降低启动子效率
  • 9.14 RNA聚合酶结合到DNA的一面上
  • 9.15 超螺旋是转录的一个重要特征
  • 9.16 σ因子的替换可以控制启动
  • 9.17 σ因子和DNA直接接触
  • 9.18 σ因子可以组成级联反应
  • 9.19 芽孢形成由σ因子控制
  • 9.20 细菌RNA聚合酶的终止发生在不连续的位点
  • 9.21 大肠杆菌的两种终止子
  • 9.22 ρ因子如何工作?
  • 9.23 抗终止是一个调控的过程
  • 9.24 抗终止需要和终止子无关的特殊序列
  • 9.25 终止子、抗终止子因子与RNA聚合酶的相互作用
  • 9.26 小结
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9.1 引言

转录物RNA与双链DNA的一条单链在序列上完全一致,这条DNA单链称为编码链。另一条DNA单链是转录RNA合成的模版,也成为模板链,它与编码连互补。

RNA的合成是由RNA聚合酶催化的。当RNA聚合酶结合到基因起始处,即称为启动子的特殊序列上时,转录开始进行。最先转录成RNA的一个碱基对时转录起始点,启动子序列围绕在它周围。从起始点开始,RNA聚合酶沿着模版链不断合成RNA,直到遇见终止子序列。

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一个转录单位就是从启动子到终止子的一段序列,或者说是一段以一条单链RNA分子为表达产物的DNA片段,这是转录单位的重要特征。一个转录单位可以包括一条以上基因。一个转录单位就是从启动子到终止子的一段序列,或者说是一段以一条单链RNA分子为表达产物的DNA片段,这是转录单位的重要特征。一个转录单位可以包括一条以上基因。

位于转录起始点前面的序列称为上游序列,起始点之后的序列(在转录序列中)称为下游序列。

序列的书写方向为从上游(左)到下游(右),信使RNA为5’-3’的方向;通常只写出和RNA完全相同的DNA编码链的序列。转录起始点的碱基编号为+1,其它碱基的编号按照从上游到下游递增的规律给出。在起始点前面的碱基编码为-1,并且越往上游负值越大,没有编号为0的碱基。

转录的直接产物叫做初始转录物,包含由启动子到终止子转录而来的RNA。

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9.2 转录发生在没有配对的DNA转录泡中,并根据碱基互补配对的原则进行

  • 关键概念:
    • RNA聚合酶将两条DNA链暂时分开,形成“转录泡”,接着使用其中的一条链作为模板,指导合成互补的RNA。
    • “转录泡”的长度是12-14bp,其中RNA-DNA杂合链的长度是8-9bp。

RNA合成发生在“转录泡”处,根据碱基互补配对的原则。在转录泡处,DNA双链被打开,成为两条短暂的单链,其中的模板链指导RNA链的合成。

RNA链从5’3’的方向合成。

37℃下总反应速度是40个核苷酸左右。翻译速率(15个氨基酸),DNA复制速率800bp。

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当RNA聚合酶结合到启动子上时,转录泡形成。当RNA聚合酶沿着DNA移动时,转录泡也随之移动,同时RNA链逐渐增长。转录泡中碱基配对和逐个递加是由酶催化完成的。当RNA聚合酶结合到启动子上时,转录泡形成。当RNA聚合酶沿着DNA移动时,转录泡也随之移动,同时RNA链逐渐增长。转录泡中碱基配对和逐个递加是由酶催化完成的。

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含有RNA聚合酶的转录泡的放大结构

随着RNA聚合酶沿着DNA模版链的移动,它在转录泡的前端(解链点)解开双链体,并且在转录泡的后端(再螺旋点)重新聚合,形成DNA双链。转录泡的长度为12-14个碱基对,但其中的DNA-RNA杂合链的长度较短。

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9.3 转录的三个阶段

  • 关键概念:
    • RAN聚合酶结合DNA启动子序列后,转录启动。
    • 在延伸过程中,转录泡沿DNA移动,RNA链从5’向3’方向增长
    • 在终止子转录终止,DNA双链重新聚合,RNA聚合酶从DNA链上解离下来。

转录发生在几个阶段:

模版识别:RNA聚合酶和双链DNA在启动子处结合,并形成转录泡;闭合复合物解链开放复合物

起始:RNA链的第一个核苷酸键的合成。在合成前9个核苷酸键时,RNA聚合酶停留在启动子处。只有当聚合酶成功的在链上延伸并离开启动子后,启动期才结束。

延伸:聚合酶沿DNA移动,不断合成RNA链。酶的移动使DNA双链不断解旋,不断暴露出新区段单链。核苷酸共价结合到延伸RNA链的3’端。在松弛区域形成DNA-RNA杂合链。

终止:识别不能再加入任何碱基到延长链上的位点。最后一个碱基加到RNA链上时,转录泡裂解,RNA-DNA杂合链破坏,DNA重新合成双链螺旋,酶和RNA全部释放。终止子是转录终止所需要的DNA序列。

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9.4 T7噬菌体的RNA聚合酶-一个良好的模型系统

  • 关键概念:
    • T3和T7噬菌体的RNA聚合酶由一条肽链构成,具有最低限度的聚合酶活性,仅能识别少数噬菌体的启动子序列。
    • T7噬菌体的RNA聚合酶和DNA的结晶结构确定了DNA结合域和酶的活性位点。

T7噬菌体RNA聚合酶结合到转录起始点上游的一个位置,依靠插入DNA的大沟来识别靶序列。

所有RNA聚合酶的共同特征是酶所识别的特定DNA序列都位于被转录序列的上游。

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9.5 晶体结构揭示酶的移动模型

细菌真菌RNA聚合酶的表面都有一个宽约25Å的槽或沟。可能是DNA经过的位置。

细菌可容纳16个碱基对,真菌可容纳25个碱基对。

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酵母RNA聚合酶有12个亚基,晶体结构定位了酵母RNA聚合酶Ⅱ的10个亚基。催化位点位于两个大亚基(1,2)之间的沟缝中。当DNA进入RNA聚合酶是,下游的钳子结构可以夹住DNA链。亚基4,7没有出现在晶体结构中,它们形成的亚复合物可以从全酶中脱离下来。酵母RNA聚合酶有12个亚基,晶体结构定位了酵母RNA聚合酶Ⅱ的10个亚基。催化位点位于两个大亚基(1,2)之间的沟缝中。当DNA进入RNA聚合酶是,下游的钳子结构可以夹住DNA链。亚基4,7没有出现在晶体结构中,它们形成的亚复合物可以从全酶中脱离下来。

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由于相邻蛋白质分子的阻隔,DNA被迫在火星位点的入口处改向并通过一个孔道进入。由于相邻蛋白质分子的阻隔,DNA被迫在火星位点的入口处改向并通过一个孔道进入。

DNA被蛋白质包围了约2/3

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RNA聚合酶活性区域的放大图显示,转弯处模板链上的碱基外翻,直接针对这核苷酸入口。RNA-DNA的杂合链由9bp长,在5’端,当RNA遇到舵型蛋白时,它被迫从DNA上解离下来。RNA聚合酶活性区域的放大图显示,转弯处模板链上的碱基外翻,直接针对这核苷酸入口。RNA-DNA的杂合链由9bp长,在5’端,当RNA遇到舵型蛋白时,它被迫从DNA上解离下来。

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聚合酶必须在特定位置与碱基形成一系列特殊的接触。聚合酶必须在特定位置与碱基形成一系列特殊的接触。

在碱基加入之后,聚合酶相对于核苷酸移动之前,这些特殊位置上的接触必须被打断,才能使酶移动,而后可以和出现在特殊位置上的新碱基重新形成接触。

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蛋白质中,一个称作桥梁的结构和活性位点是相邻的(图9.12)。桥梁结构的构象改变和酶在核苷酸链上的转位是密切相关的。蛋白质中,一个称作桥梁的结构和活性位点是相邻的(图9.12)。桥梁结构的构象改变和酶在核苷酸链上的转位是密切相关的。

聚合酶转位循环开始时,桥梁结构紧邻着核苷酸入口,构象直挺,这使得下一个核苷酸可以在入口处结合。桥梁结构和新添加的碱基紧密接触,然后聚合酶在DNA链上移动一个碱基距离。桥梁构象改变,弯折以保持和新加入的核苷酸链接触。在这个构象中,桥梁结构遮掩了核苷酸入口。循环结束时,桥梁结构重新回到它的直挺构象,并打开核苷酸入口。以便于下一个核苷酸进入。

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9.6 细菌RNA聚合酶由多个亚基组成

  • 关键概念:
    • 细菌RNA聚合酶的核心酶是500kDa大小的多亚基复合物,一般结构为α2ββ’结构。
    • DNA夹在一个通道中,和β以及β’亚基接触。

在细菌中,一种RNA聚合酶几乎负责所有mRNA、rRNA和tRNA的合成。

大肠杆菌 7000 RNA聚合酶, 2000-5000参与合成

β,β‘亚基一起构成催化中心。Β亚基可与模版DNA、RNA产物和核苷酸底物相互交联。

α亚基是装配核心酶所必需的

σ亚基识别启动子

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交联实验鉴定出了RNA聚合酶的亚基与DNA接触的位点。交联实验鉴定出了RNA聚合酶的亚基与DNA接触的位点。

稳定已经分开的单链DNA

利福平可以抑制细菌RNA聚合酶的转录,是对付肺结核的主要药物。利福平分子结合到β亚基的一个口袋中,这个位点尽管与活性位点的距离大于12Å,但它阻止了RNA的延伸。因此利福平通过阻止RNA链延伸超过2-3个碱基从而阻止了转录发生。

具有催化RNA合成能力的最好复合物可以被描述为RNA聚合酶。它负责底物核苷酸与DNA的配对,并催化核苷酸链之间形成磷酸二酯键。

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9.7 RNA聚合酶包括核心酶和σ因子

  • 关键概念:
    • 细菌RNA聚合酶可以分成具有催化转录活性的α2ββ’核心酶以及仅在转录时所需的σ亚基。
    • σ因子改变了RNA聚合酶结合DNA的性质,使得它对一般的DNA的亲和力下降,而对启动子的亲和力增加。
    • 根据每个启动子上的转录起始频率计算,RNAJU和美对不同启动子的亲和常数,可有6个数量级上的差别。

全酶( α2ββ’ σ)可分2部分:核心酶( α2ββ’)和σ因子( σ多肽)。只有全酶才能起始转录。

Σ因子仅能保证细菌RNA聚合酶稳定结合到启动子上,它通常在RNA合成8-9个碱基后释放,离开负责延伸的核心酶。

核心酶不能区别启动子和其他DNA序列,依靠碱性蛋白和酸性核苷酸间的静电引力结合。

σ因子可以是RNA聚合酶与DNA的亲和力发生很大变化

σ因子也具有识别特异结合位点的能力

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9.8 在起始点与σ因子的结合会发生变化

  • 关键概念:
    • 当RNA聚合酶结合到启动子上时,它将两条DNA链分开,形成转录泡并使9个核苷酸转录为RNA。
    • 酶进入下一阶段之前,需要跳过失败的起始循环。
    • 当新生RNA链达到8-9个碱基时,σ因子从RNA聚合酶上解离下来。

全酶和启动子通过形成闭合二元复合物开始反应。闭合即DNA保持双螺旋。

与酶结合的一小段DNA序列的溶解导致了闭合复合物转变为开放复合物。称为紧密结合。对于强启动子来说,这个反应是不可逆的。σ因子参与溶解反应

两个初始核苷酸之间的连接,形成磷酸二脂键,产生三聚体,包括RNA、DNA、聚合酶。失败释放短(2-9)核苷酸链。

起始过程完成后,聚合酶释放出σ因子而转变为核心酶,后者和DNA、新生RNA组成延伸三聚体。

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转录过程中复合体发生了形态变化,根据形态和大小的转变,复合体可分为3类:转录过程中复合体发生了形态变化,根据形态和大小的转变,复合体可分为3类:

RNA聚合酶最初结合到DNA,覆盖-55到+20约75-80bp区域。RNA聚合酶长度可覆盖50bpDNA弯曲。

起始到延伸,聚合酶不再与-55到-35区域结合。

当RNA链延伸到15-20bp碱基是,酶会发生进一步形态变化,转变成负责转录延伸的复合体,覆盖30-40bp长度。

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9.9 被停止的RNA聚合酶可以再次启动

  • 关键概念:
    • 所有被终止的RNA聚合酶都可以通过剪切RNA转录物产生新的3’端来重新开始转录。

RNA聚合酶必须能够处理转录被阻断时的突发情况。

聚合酶可以通过切割RNA的3’端,产生延伸链的新的3’端使得转录延续。

RNA聚合酶的催化位点在各种情况下都能执行切割功能。

RNA聚合酶在DNA上退行,RNA的3’端以单链形式暴露,进行切割,切割事件使正常延伸复合体重新装配。可能的原因:转录停滞造成模版位置错乱,3’端不在位于活性位点,切割和倒退把末端放入正确位点所必需。

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9.10 RNA聚合酶是如何找到启动子序列的

  • 关键概念:
    • RNA聚合酶结合到启动子上的速率极快,所以不可能是靠随机扩散结合的
    • RNA聚合酶可能随机地结合到DNA的某个位点上,然后快速地滑动并替换结合的DNA,直到发现启动子序列。

酶存在状态:

多余的核心酶像闭合松弛复合物那样大,因为σ因子加入快,解离慢,所以游离核心酶很少。

σ因子在细胞中的含量很多,可提供细胞内1/3的RNA聚合酶组装成全酶。

约有一半的核心酶从事转录

游离的全酶,推测含量较少

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启动子识别结合位点的最简单模型:

RNA聚合酶以随机扩散的方式移动,全酶很快与疏松结合位点结合或解离,不断形成和破坏一系列的闭合复合物,直到遇到(随机)启动子,然后他识别这段特殊序列,形成开放复合物而牢固结合上去。

由扩散理论,RNA聚合酶从一个结合位点扩散到第二个结合位点的速率是非常慢的。所以可能存在其他的聚合酶结合启动的的机制。

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如果RNA聚合酶的起始靶位不仅是一段特殊的序列(启动子),而是整个基因组,则过程将会加速。如果RNA聚合酶的起始靶位不仅是一段特殊的序列(启动子),而是整个基因组,则过程将会加速。

结合到目标基因的聚合酶以序列交换的形式,变换聚合酶的结合位点,直到交换到启动子的序列为止。

直接置换可以是酶“定向”行进,即酶总是优先地有结合较弱的位点移动到结合更强的位点。

另一种观点是,酶随机的在DNA上滑动,直至找到启动子为止,但没有证据证明酶能在DNA上滑动。

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9.11 σ因子控制与DNA的结合

  • 关键概念:
    • σ因子与全酶之间结合的变化改变了DNA的结合亲和力,核心酶从而可以沿着DNA移动。

启动过程仅需要与特定的启动子序列牢固结合,而延伸则需要聚合酶在转录过程中与遇到的所有序列牢固结合。

σ因子仅参与起始过程,当转录起始失败或者RNA合成成功起始后, σ因子就没有必要了。

核心酶对DNA有很高的内源亲和力,当新生RNA存在是,这种亲和力增加。但由于它对疏松结合位点的亲和力太高,以至于该酶不能很好地将启动子与其他序列分别。 σ因子通过降低疏松复合物的稳定性,使这个辨别过程加快。

σ因子因子具有识别启动子DNA的结构域。作为独立的多肽, σ因子并不与DNA结合。游离的σ因子不能识别或特异的与DNA结合。

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9.12 启动子的识别依赖于一些共有序列

  • 关键概念:
    • 启动子是一些特定位点的短保守序列。
    • 启动子的保守序列包括起始点处的一个嘌呤碱基、-10区的六聚体TATAAT以及-35区的另一个六聚体。
    • 不同启动子之间通常在共有序列的一个或多个位置上存在差别。

共有序列:将所有已知启动子排列起来以求他们最大的形似性。如果一个序列被认为是共有的,则每个特定碱基都理应在行为位置上有分布优势。且大多数真实的启动子序列与它的差异很小,一般不超过1-2个碱基。

不管是在原核生物还是真核生物的基因组中,短共有序列的保守性事调控位点(如启动子)的典型特征。

细菌启动子可能有4(可能5个)保守的序列特征:起始转录点、-10区、-35区、以及-10区和-35区之间的间隔。

  • 起始点通常(>90%)都是嘌呤碱基,起始点通常是CAT序列的中心碱基,但仅凭这个三联体的保守性还不足以构成专有信号
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在起始点上游,几乎在所有启动子中都存在一个6bp区域。六联体的中心通常靠近起始点上游10bp。这个距离在已知启动子中是可变的,从-18为到-9位。六联体按照其位置常被称为-10区。它的共有序列为TATAAT。可表示为T80A95T45A60A50T96,下标为碱基出现最大频率的百分数。在起始点上游,几乎在所有启动子中都存在一个6bp区域。六联体的中心通常靠近起始点上游10bp。这个距离在已知启动子中是可变的,从-18为到-9位。六联体按照其位置常被称为-10区。它的共有序列为TATAAT。可表示为T80A95T45A60A50T96,下标为碱基出现最大频率的百分数。

  • 另一个保守六联体是以起始点上游35bp为中心的,称为-35区。其共有序列为TTGACA,详细形式为T82T84G78A65C54A45。
  • 90%的启动子中,-35区和-10区之间的分隔距离在16-18bp之间。个别例外在小于15bp或大于20bp。尽管间隔区的真实序列并不重要,但其距离大小对帮助几何对称的RNA聚合酶结合到一定间隔的两个DNA位点是很重要的。
  • 在较远的上游,一些启动子有一段富含AT的序列,称作UP元件。它和RNA聚合酶的α亚基相互作用。

理想的启动子,包含-35区六联体,与-10区六联体相隔17bp,-10区六联体位于起始位点上游7bp。

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9.13 突变可增强或降低启动子效率

  • 关键概念:
    • 降低启动子亲和力的下调突变通常减少了与共有序列的一致性,而上调突变恰巧相反。
    • 在-35区的突变通常影响到最初与RNA聚合酶结合。
    • 在-10区的突变通常影响到将紧密复合体转变为卡方复合物的溶解反应。

大多数细菌启动子的突变可造成相关基因转录物的丢失,或是大幅度减少,这种突变称为下调突变。有时启动子突变也能使转录水平增加,被称为上调突变。

上调突变大多增大了与共有位点的相似性或是两个保守六联体之间的距离更接近17bp。下调突变大多降低了与共有序列的相似性,或是是间隔距离大于17bp。

-35区的功能是为RNA聚合酶的识别提供信号(识别域),而-10区允许复合体由闭合型转变为开放型(解链域)。

-10区的共有序列完全有A-T碱基组成,他们辅助DNA溶解为单链。

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9.14 RNA聚合酶结合到DNA的一面上

  • 关键概念:
    • -35区和-10区的共有序列为启动子上的RNA聚合酶提供了绝大多数的接触位点。
    • 接触位点位于DNA链的一面上。

图中对照可见到31条条带,样本中9-18条带缺失表明一个蛋白质覆盖区域距离DNA标记末端9-18个碱基。

如果加一个测序泳道,则可读出相应位点核苷酸序列。

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从三维结构来看,-10区序列上游的接触点均位于DNA表面。接触点被标记于从一面所观察到的双螺旋上,他们大多数位于编码链。这些碱基可能在闭合二元复合物的起始形成中被识别,这就使RNA聚合酶可以从一个侧面接近DNA并识别DNA的表面。随着DNA解链的开始,原来位于DNA其它面的更多位点也可以进一步被识别和结合。从三维结构来看,-10区序列上游的接触点均位于DNA表面。接触点被标记于从一面所观察到的双螺旋上,他们大多数位于编码链。这些碱基可能在闭合二元复合物的起始形成中被识别,这就使RNA聚合酶可以从一个侧面接近DNA并识别DNA的表面。随着DNA解链的开始,原来位于DNA其它面的更多位点也可以进一步被识别和结合。

阻止RNA聚合酶结合的修饰

 RNA酶保护下不被修饰的位点

破坏或降低启动子活性的突变

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9.15 超螺旋是转录的一个重要特征

  • 关键概念:
    • 负超螺旋通过帮助溶解反应来增强一些启动子的效应。
    • 转录时,在聚合酶的前端产生正超螺旋,后端产生负超螺旋,两种螺旋都可以通过促旋酶和拓扑异构酶来去除。

一些启动子的效率受到超螺旋程度饿影响,在负超螺旋的帮助下进行转录时他们的共同特点。

一些启动子具有易溶解序列(不很依赖超螺旋);一些启动子具有较难溶解序列(更需要超螺旋)。

随着RNA聚合酶沿双螺旋前进,在它前方产生正超螺旋,而在其后方产生负超螺旋。

促旋酶(引入负超螺旋)和拓扑异构酶(去掉负超螺旋)分别校正RNA聚合酶前后DNA状态所必需的。

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9.16 σ因子的替换可以控制启动

  • 关键概念:
    • 大肠杆菌中存在多个σ因子,每一个都能使RNA聚合酶启动-35区到-10区的特殊启动子序列。
    • σ70是启动转录的通用因子,其它的σ因子只有在特定条件下才被激活。

σ因子的替换可以改变它对启动子的识别。

各种σ因子在不同的环境变化压力下被激活

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σE负责在经受比σ32更剧烈的温度变化时产生应答。他被胞质周隙或外膜内的未折叠蛋白质的积聚所诱导。σE负责在经受比σ32更剧烈的温度变化时产生应答。他被胞质周隙或外膜内的未折叠蛋白质的积聚所诱导。

σE结合内膜上的蛋白质分子(RseA)失去激活功能;未折叠蛋白积累,激活了胞质周隙的蛋白酶分子(DegS),它能切割蛋白C末端。RseA的C末端切除,激活了内膜的蛋白(YaeL),它又能切割RseA的N末端。然后σE释放,激活热激基因的转录。

每个sigma因子是RNA聚合酶在一系列特定的启动子处进行转录起始。

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每一套启动子的共有序列是不同的,无论是-35区还是-10区。这意味着:一个聚合酶包含特定sigma因子,仅识别它自身的一组启动子,因子不同类型的转录可分别进行。当一个sigma因子被另一个替代是,就关闭了原先一组基因的转录,而开启了一组新基因的转录。每一套启动子的共有序列是不同的,无论是-35区还是-10区。这意味着:一个聚合酶包含特定sigma因子,仅识别它自身的一组启动子,因子不同类型的转录可分别进行。当一个sigma因子被另一个替代是,就关闭了原先一组基因的转录,而开启了一组新基因的转录。

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9.17 σ因子和DNA直接接触

  • 关键概念:
    • 当σ70结合到核心酶上时,它通过改变结构来释放它的DNA结合域。
    • σ70结合到-35区和-10区的两端序列上。

σ因子与启动子在-35区和-10区共有序列接触的直接证据是sigma因子的突变能够抑制共有序列的突变。

区域2和4的两个短的区域(2.4和4.20)分别与-10区和-35区的碱基接触。这两个区均是α螺旋。且主要与编码连接触。

slide35

α螺旋2.4区一面的氨基酸与-10区启动子序列的-12位到-10为的碱基接触情形。α螺旋2.4区一面的氨基酸与-10区启动子序列的-12位到-10为的碱基接触情形。

2.3区参与溶解过程。2.1、2.2区参与核心酶的相互作用。推测所有sigma因子都结合在核心酶的相同区域。

N端具有重要的调控功能,具有自我阻抑作用,当sigma因子游离时,与DNA结合的区域就封闭,当与核心酶结合时,sigma因子构象发生变化,阻抑作用消失,是sigma与DNA结合。

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Sigma因子的N末端阻止了DNA结合域结合到DNA上。当开放复合物形成时,N末端摆动20Å的距离,两个DNA结合域相差15ÅSigma因子的N末端阻止了DNA结合域结合到DNA上。当开放复合物形成时,N末端摆动20Å的距离,两个DNA结合域相差15Å

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DNA与sigma因子(粉色)和核心酶(灰色)的初始结合。DNA进入到核心酶更深的地方,是-10区的DNA能够相接触。当sigma因子释放后,包含DNA分子的通道宽度增加。DNA与sigma因子(粉色)和核心酶(灰色)的初始结合。DNA进入到核心酶更深的地方,是-10区的DNA能够相接触。当sigma因子释放后,包含DNA分子的通道宽度增加。

Sigma因子大部分位于核心酶表面。

当全酶形成时,sigma因子在核心酶亚基的表面有一个伸展的构象。

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9.18 σ因子可以组成级联反应

  • 关键概念:
    • 当需要一个σ因子转录编码下一条σ因子的基因是,就形成σ因子级联反应。
    • SPO1噬菌体的早期基因是有宿主RNA聚合酶转录的
    • 一条编码σ因子的早期基因促使RNA聚合酶转录中期基因
    • 两条编码σ因子亚基的中期基因是RNA聚合酶转录晚期基因。

SPO1噬菌体感染枯草芽孢杆菌

调控模式产生级联反应。三种调控基因28,33,34

Sigma因子的连续置换有双重效应,每当这种亚基改变,RNA聚合酶就能识别一组新基因,而不再识别旧基因,因此这些变换造成了RNA聚合酶活性的整体变化。

slide39

9.19 芽孢形成由σ因子控制

  • 关键概念:
    • 芽孢形成敬爱能够细菌分裂成一个将被裂解的母细胞和一个将被释放的芽孢。
    • 每个区域化部位通过合成新σ因子取代原先的σ因子,从而进入到下一个发育阶段。
    • 两个区域化部位之间的通讯调控了σ因子替换的时期。

生长中的隔膜将部分染色体带入前芽孢

易位酶将染色体的其余部分泵入前芽孢中

芽孢形成末期,约40%的细菌mRNA是芽孢特异性的。

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每个区域化部位中新的sigma因子不断被取代,从而导致一系列不同基因被转录。每个区域化部位中新的sigma因子不断被取代,从而导致一系列不同基因被转录。

母细胞中σE的活性是前芽孢中σG激活所必需的;而σG的激活所产生的信号穿过隔膜激活σK

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σF启动前芽孢中下一个σ因子( σG)的合成,开启Spo ⅡGA切割加工σE前体

出牙反应的交叉调节协调了母细胞和前芽孢之间的时相控制。

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9.20 细菌RNA聚合酶的终止发生在不连续位点

  • 关键概念:
    • 终止可能需要DNA上可识别的终止序列,也需要RNA产物的发夹结构。

当RNA聚合酶遇到终止子序列,酶停止向正在延伸的RNA链添加核苷酸,从DNA模版上释放已经完成的RNA产物。终止过程需要所有维持RNA-DNA杂合的氢键断裂,然后DNA重新形成双链体。

终止作用的责任在于被RNA聚合酶转录出的序列。

许多终止子需要正在转录的RNA二级结构中形成发夹结构。这就暗示了终止依赖于RNA产物,而不简单地由转录中DNA的序列来决定。

抗终止是酶越过终止子序列而继续转录,此过程也叫做通读。

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9.21 大肠杆菌的两种终止子

  • 关键概念:
    • 内源性终止子包括RNA产物中一个G-C含量较高的发夹结构以及在它之后的富含U的区域,这一区域也是终止反应发生的位置。

在体外没有任何其他因子的参与,核心酶也能在某些位点终止转录,这些位点被称为内源性终止子。

ρ -依赖型终止子在体外终止时需要ρ因子的辅助,并且突变实验显示在体内,该因子也参与了终止过程。

  • 内源终止子(2个特点):
    • 二级发夹结构(富含GC)
    • 转录单位最末端的连续约6个U残基

发夹和U区段的典型距离为7-9个碱基

大肠杆菌中约一半基因拥有内源性终止子。

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聚合酶暂停:

    • 暂停发生在类似终止子位点,但该位点在发夹和U富含区之间的碱基数增加(10-11个碱基)。如果暂停位点与终止位点不一致,通常酶继续转录。

RNA聚合酶遇到发夹结构而暂停时,U富含区是RNA-DNA解离所必需的。当暂停发生时RNA-DNA杂合链从终止区的弱键rU.dA处解开。真正的终止经常发生在U富含区前面或末端的几个位置。

影响终止的参数比较多(如上游和下游序列),发夹结构和U区为必要条件。

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9.22 ρ因子是如何工作?

  • 关键概念:
    • Ρ因子是一个终止蛋白,它结合到新生RAN上,再转位于真正的终止位点之前的富含C缺少G残基的序列上。

ρ因子是终止反应辅助蛋白,由6个相同亚基构成,具有一个RNA结合域和ATP水解域。

ρ-依赖型终止作用所需的序列长为50-90个碱基。位于终止子的上游。其特征为RNA富含C而G残基少。

一般来说,一个ρ-依赖型终止子的终止效率随富C/少G区域的长度的增加而增加。

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“热追踪”模型:

每个ρ因子能进行性地作用于RNA底物,ρ因子的关键作用是它的解旋酶活性,所有能量有RNA依赖的ATP水解提供。 ρ因子结合到RNA上,发挥它的ATP酶活性以提供在RNA上滑动的能量,知道他到达RNA-DNA在和链区域,并使双链结构解开。

转录暂停为ρ因子追上RNA聚合酶提供了条件。

ρ因子必须首先有结合RNA的机会,然后沿RNA移动。(核糖体先结合将阻断终止)

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正常情况下,较早饿终止子不被使用,核糖体阻止ρ到达RNA聚合酶。正常情况下,较早饿终止子不被使用,核糖体阻止ρ到达RNA聚合酶。

无意义突变使核糖体释放, ρ因子可以自由结合和沿mRNA移动,使它能够作用于终止子上的RNA聚合酶。

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9.23 抗终止是一个手调控的过程

  • 关键概念:
    • 当抗终止蛋白作用于RNA聚合酶,时期越过特殊的一个或多个终止子实现通读时,终止被椅子
    • Λ噬菌体有两种抗终止蛋白,pN和pQ,他们作用于不同的转录单位。

抗终止作用是RNA聚合酶没有在1区末端终止转录,而使其继续转录2区。

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抗终止蛋白使得RNA聚合酶能越过终止子,继续延伸RNA转录物。再没有抗终止蛋白时,RNA聚合酶在终止子处终止。抗终止蛋白使得RNA聚合酶能越过终止子,继续延伸RNA转录物。再没有抗终止蛋白时,RNA聚合酶在终止子处终止。

RNA聚合酶与转录单位之间可以相互作用,在这个过程中,辅助因子支持对特异转录物的抗终止。