第五章基因表達(dá)的調(diào)控（Regulationandcontrolofgene

1、1 第五章第五章 基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控 ( ( Regulation and control of gene expression )2概概 述述3基因表達(dá)基因表達(dá) ( gene expression) 生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過遺傳信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)的全過程。學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)的全過程。一、基因表達(dá)的概念一、基因表達(dá)的概念4二、基因表達(dá)的時間性及空間性二、基因表達(dá)的時間性及空間性（一）時間特異性（一）時間特異性(temporal s

2、pecificity) 按功能需要某一特定基因表達(dá)嚴(yán)按功能需要某一特定基因表達(dá)嚴(yán)格按特定的時間順序發(fā)生。格按特定的時間順序發(fā)生。5（二）空間特異性（二）空間特異性(spatial specificity) 指在個體生長全過程，某種基因指在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體不同組織器官表達(dá)存在差產(chǎn)物在個體不同組織器官表達(dá)存在差異。又稱細(xì)胞或組織特異性異。又稱細(xì)胞或組織特異性(cell or tissue specificity)。6 按對刺激的反應(yīng)性分為兩大類：按對刺激的反應(yīng)性分為兩大類：（一）基本（組成性）表達(dá)（一）基本（組成性）表達(dá) (constitutive gene expression

3、) 基因基因較少受環(huán)境因素影響較少受環(huán)境因素影響，而是在個，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。如管家基因如管家基因。三、基因表達(dá)的方式三、基因表達(dá)的方式7（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá) 在特定環(huán)境信號刺激下，有些在特定環(huán)境信號刺激下，有些基因的表達(dá)表現(xiàn)為開放或增強(qiáng)。基因的表達(dá)表現(xiàn)為開放或增強(qiáng)。誘導(dǎo)表達(dá)誘導(dǎo)表達(dá)(induction expression) 在特定環(huán)境信號刺激下，有些基在特定環(huán)境信號刺激下，有些基因的表達(dá)表現(xiàn)為關(guān)閉或下降。因的表達(dá)表現(xiàn)為關(guān)閉或下降。阻遏表達(dá)阻遏表達(dá)(repress

4、ion expression)8 在一定機(jī)制下，功能相關(guān)的一組在一定機(jī)制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)?；?，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。協(xié)調(diào)表達(dá)協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinance expression)9 四、基因表達(dá)的調(diào)控的概念四、基因表達(dá)的調(diào)控的概念 機(jī)體各種細(xì)胞中含有的相同遺傳機(jī)體各種細(xì)胞中含有的相同遺傳信息信息( (相同的結(jié)構(gòu)基因相同的結(jié)構(gòu)基因) )，根據(jù)機(jī)體的，根據(jù)機(jī)體的不同發(fā)育階段、不同的組織細(xì)胞及不不同發(fā)育階段、不同的組織細(xì)胞及不同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地表同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地表達(dá)特定數(shù)量的特定基因的過程。達(dá)特定數(shù)量的特定基因的過程。 10五、基因表達(dá)的調(diào)控因子

5、：五、基因表達(dá)的調(diào)控因子： 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) ( 主要主要 ) 小分子小分子RNA ( 某些環(huán)節(jié)某些環(huán)節(jié) )11六、基因表達(dá)的調(diào)控水平六、基因表達(dá)的調(diào)控水平v 基因組基因組v 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄v 轉(zhuǎn)錄后轉(zhuǎn)錄后v 翻譯翻譯v 翻譯后翻譯后12 第一節(jié)第一節(jié) 原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核生物基因表達(dá)的調(diào)控 原核生物基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要在主要在轉(zhuǎn)錄水平，其次是翻譯水平。轉(zhuǎn)錄水平，其次是翻譯水平。 本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹原核生物基因表達(dá)的調(diào)控。原核生物基因表達(dá)的調(diào)控。13一、原核生物基因表達(dá)的一、原核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)特點(diǎn) 1.1.只有一種只有一種RNARNA聚合酶。聚

6、合酶。2.2.基因表達(dá)以操縱子為基本單位?；虮磉_(dá)以操縱子為基本單位。3.3.轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進(jìn)行。轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進(jìn)行。4.mRNA4.mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序翻譯起始部位有特殊的堿基序列列-SD-SD序列。序列。 14 SD （ Shine-Dalgarno ）序列序列 在在起始密碼起始密碼AUGAUG上游上游4 41313個堿基個堿基之之前有一段富含嘌呤的序列，其一致序列前有一段富含嘌呤的序列，其一致序列（consensus sequenceconsensus sequence）為）為AGGAGGAGGAGG，能，能與核糖體與核糖體30S30S亞基中亞基中16S rRNA16S r

7、RNA 3 3端富端富含嘧啶的序列結(jié)合，與蛋白質(zhì)合成過程含嘧啶的序列結(jié)合，與蛋白質(zhì)合成過程中起始復(fù)合物生成有關(guān)。中起始復(fù)合物生成有關(guān)。 15 5.5.原核生物基因表達(dá)的原核生物基因表達(dá)的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平錄水平，即對，即對RNARNA合成的調(diào)控。合成的調(diào)控。 通常有兩種方式：通常有兩種方式： (1) (1) 起始調(diào)控，即啟動子調(diào)控；起始調(diào)控，即啟動子調(diào)控； (2) (2) 終止調(diào)控，即衰減子調(diào)控。終止調(diào)控，即衰減子調(diào)控。16(一一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控 1.因子及因子及RNA 聚合酶聚合酶與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控 (1) 因子調(diào)控因子調(diào)控RNA 聚合酶與聚合酶與DN

8、A結(jié)合：結(jié)合： 確保確保RNA 聚合酶與特異啟動區(qū)穩(wěn)定結(jié)合，聚合酶與特異啟動區(qū)穩(wěn)定結(jié)合，而不是與其它位點(diǎn)結(jié)合。而不是與其它位點(diǎn)結(jié)合。二、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制二、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制 17 （2）RNA 聚合酶與啟動區(qū)序列的相互作用聚合酶與啟動區(qū)序列的相互作用RNA RNA 聚合酶：聚合酶：大腸桿菌僅有的一種大腸桿菌僅有的一種RNA RNA 聚合酶，聚合酶，要識別相當(dāng)數(shù)量的啟動區(qū)，需依賴數(shù)目繁多的輔助要識別相當(dāng)數(shù)量的啟動區(qū)，需依賴數(shù)目繁多的輔助蛋白（如蛋白（如因子）完成這些功能因子）完成這些功能。啟動區(qū)序列：啟動區(qū)序列：保守序列保守序列18 是是RNARNA聚合酶結(jié)合并啟動聚合酶結(jié)合

9、并啟動轉(zhuǎn)錄的特異轉(zhuǎn)錄的特異DNADNA序列。序列。 啟動序列啟動序列RNA轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)區(qū)-10區(qū)區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列19 共有序列共有序列決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。性大小。某些特異因子（蛋白質(zhì)）某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定決定RNARNA聚合酶聚合酶對一個或一套啟動序列的對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能

10、力。特異性識別和結(jié)合能力。20 2.轉(zhuǎn)錄起始的負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的負(fù)調(diào)控 操縱子操縱子（operonoperon）：一個多順反子轉(zhuǎn)一個多順反子轉(zhuǎn)錄單位與其調(diào)控序列即構(gòu)成錄單位與其調(diào)控序列即構(gòu)成操縱子操縱子。 乳糖操縱子乳糖操縱子（lactose operon,lactose operon,laclac）是原核生物基因轉(zhuǎn)錄負(fù)調(diào)控的最典型模是原核生物基因轉(zhuǎn)錄負(fù)調(diào)控的最典型模式。式。 21 乳糖操縱子乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶：乙?；D(zhuǎn)移酶阻遏基因阻遏基因I 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn) 啟動子啟動子操

11、縱元件操縱元件ZYAOPDNA22 僅有葡萄糖僅有葡萄糖葡萄糖耗完，葡萄糖耗完，有乳糖存在有乳糖存在23 -10 +1 +10 +20 +30 . . . . .5ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA 33TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT 5 lac操縱區(qū)序列是一個以操縱區(qū)序列是一個以+11位位GC堿基對為中心的反向重復(fù)序列堿基對為中心的反向重復(fù)序列 與與laclac阻遏蛋白結(jié)合的操縱基因區(qū)域阻遏蛋白結(jié)合的操縱基因區(qū)域具有反向重復(fù)序列具有反向重復(fù)序列, ,這種反向重復(fù)序列是這種反向重復(fù)序列是

12、能與蛋白質(zhì)特異結(jié)合的能與蛋白質(zhì)特異結(jié)合的DNADNA的特征性結(jié)構(gòu)。的特征性結(jié)構(gòu)。 243.3.轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控 阿拉伯糖操縱子是正調(diào)控的典型例子。阿拉伯糖操縱子是正調(diào)控的典型例子。 阿拉伯糖操縱子的基因結(jié)構(gòu)圖阿拉伯糖操縱子的基因結(jié)構(gòu)圖 操縱子由結(jié)構(gòu)基因操縱子由結(jié)構(gòu)基因B、A、D以及調(diào)控元件以及調(diào)控元件I1、I2、O1、O2和啟動子構(gòu)成。和啟動子構(gòu)成。araC基因編碼調(diào)基因編碼調(diào)節(jié)蛋白節(jié)蛋白AraC。25 AraC 對阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖對阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖不存在阿拉伯糖時，不存在阿拉伯糖時，AraCAraC二聚體與二聚體與O O1 1、O O2 2及及I I1 1結(jié)合，二

13、聚體間相互作用使結(jié)合，二聚體間相互作用使DNADNA彎曲成環(huán)結(jié)構(gòu)。彎曲成環(huán)結(jié)構(gòu)。由于由于I I2 2不被占據(jù)，不被占據(jù)，B B、A A、D D基因不發(fā)生轉(zhuǎn)錄，但基因不發(fā)生轉(zhuǎn)錄，但有低水平的有低水平的araCaraC基因轉(zhuǎn)錄。基因轉(zhuǎn)錄。26 當(dāng)有阿拉伯糖時，當(dāng)有阿拉伯糖時，AraC二聚體與阿拉伯糖形成復(fù)合物二聚體與阿拉伯糖形成復(fù)合物,使使Ara C形狀改變，形狀改變，I1和和I2由一個由一個AraC二聚體占據(jù)，從二聚體占據(jù)，從而激發(fā)而激發(fā)B、A、D基因轉(zhuǎn)錄。此時，可有一過性高水平基因轉(zhuǎn)錄。此時，可有一過性高水平的的araC mRNA形成，維持到形成，維持到O1-O2環(huán)結(jié)構(gòu)形成。環(huán)結(jié)構(gòu)形成。 Ar

14、aC 對阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖對阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖27 4 4轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控 在大腸桿菌的許多操縱子中，基因在大腸桿菌的許多操縱子中，基因的轉(zhuǎn)錄不是由單一因子調(diào)控的，而是通的轉(zhuǎn)錄不是由單一因子調(diào)控的，而是通過負(fù)調(diào)控因子和正調(diào)控因子進(jìn)行復(fù)合調(diào)過負(fù)調(diào)控因子和正調(diào)控因子進(jìn)行復(fù)合調(diào)控。典型例子：糖代謝有關(guān)的操縱子，控。典型例子：糖代謝有關(guān)的操縱子，如如laclac 操縱子。操縱子。28 cAMPcAMP與葡萄糖相關(guān)性：與葡萄糖相關(guān)性：葡萄糖葡萄糖，cAMPcAMP 葡萄糖葡萄糖，cAMPcAMPcAMPcAMP: :環(huán)一磷酸腺苷環(huán)一磷酸腺苷 CAPCAP：分解代謝基因激活蛋白

15、質(zhì)分解代謝基因激活蛋白質(zhì)(catabolite gene activator protein，CAP) CAPCAP的活性依賴的活性依賴cAMPcAMP， 形成形成cAMP-CAPcAMP-CAP復(fù)合復(fù)合物，促進(jìn)多種操縱子的轉(zhuǎn)錄起始物，促進(jìn)多種操縱子的轉(zhuǎn)錄起始。29+ + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃度高時濃度高時有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時濃度低時ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP30mRNA沒有乳糖沒有乳糖有乳糖有乳糖 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP濃度高濃度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP濃度低濃度低RNA-polOOOO31 當(dāng)阻遏蛋白封

16、閉轉(zhuǎn)錄時，當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；統(tǒng)不能發(fā)揮作用；如無如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。32 （二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控（二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控 原核生物的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：原核生物的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：A.A.依賴依賴因子的終止調(diào)控；因子的終止調(diào)控；B.B.不依賴不依賴因子的因子的終止調(diào)控。終止調(diào)控。此外，此外，核糖體也參與轉(zhuǎn)錄終止。核糖體也參與轉(zhuǎn)錄終止。例例: :色氨酸操縱子表達(dá)的調(diào)控有兩種方式色氨酸操縱子表達(dá)的調(diào)控有兩種方式: :a.a.通過阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控通過

17、阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控b.b.通過衰減子作用通過衰減子作用 33Trp Trp 高時高時 Trp 低時低時 mRNA OPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 RNARNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶 （2 2）轉(zhuǎn)錄衰減的調(diào)控轉(zhuǎn)錄衰減的調(diào)控色氨酸操縱子色氨酸操縱子6700個核苷酸個核苷酸140個核苷酸個核苷酸34UUUUUUUU調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 trpROP前導(dǎo)序列前導(dǎo)序列 衰減子區(qū)域衰減子區(qū)域 UUUU前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)衰減子結(jié)構(gòu) 第第1010、1111密碼子為密碼子為trptrp密碼子密碼子 終止密碼子終止密碼子 14aa14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū)前導(dǎo)肽編碼區(qū)

18、: 包含序列包含序列1 1 形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力: : 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密碼子密碼子 UUUU35 色氨酸操縱子色氨酸操縱子mRNA引導(dǎo)序列不同區(qū)域互補(bǔ)所形成的不同二級結(jié)構(gòu)引導(dǎo)序列不同區(qū)域互補(bǔ)所形成的不同二級結(jié)構(gòu) 引導(dǎo)序列由一段引導(dǎo)序列由一段1414氨基酸前導(dǎo)肽編碼區(qū)和一個衰減子組成，氨基酸前導(dǎo)肽編碼區(qū)和一個衰減子組成，AUGAUG密碼子后面緊跟密碼子后面緊跟1313個密碼子，個密碼子，第第1010、1111為色氨酸密碼子為色氨酸密碼子。36色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄衰減作用色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄衰減作用 色氨酸豐富時，色氨酸豐富時，核蛋

19、白體順利沿引導(dǎo)序列移動直達(dá)最核蛋白體順利沿引導(dǎo)序列移動直達(dá)最后一個密碼子后一個密碼子UGAUGA，合成完整的引導(dǎo)肽。合成完整的引導(dǎo)肽。RNA RNA 聚合酶停止聚合酶停止在衰減子部位。在衰減子部位。 色氨酸缺乏時，色氨酸缺乏時，核蛋白體終止在核蛋白體終止在1 1區(qū)區(qū)TrpTrp密碼子部位，密碼子部位，RNA RNA 聚合酶通過衰減子而繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。聚合酶通過衰減子而繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。 37 意義：意義：這種機(jī)制可以保證充分地消耗這種機(jī)制可以保證充分地消耗色氨酸，使其合成維持在滿足需要的水平，色氨酸，使其合成維持在滿足需要的水平，防止色氨酸堆積和過多地消耗能量。同時，防止色氨酸堆積和過多地消耗能量。同時，也

20、使細(xì)菌能夠優(yōu)先將環(huán)境中的色氨酸消耗也使細(xì)菌能夠優(yōu)先將環(huán)境中的色氨酸消耗完，然后開始自身合成。完，然后開始自身合成。3938 ( (三三) ) 翻譯水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控 翻譯一般在起始和終止階段受到調(diào)節(jié)。翻譯一般在起始和終止階段受到調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)分子調(diào)節(jié)分子:RNA:RNA、蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì) 調(diào)節(jié)分子可直接或間接決定翻譯起始位調(diào)節(jié)分子可直接或間接決定翻譯起始位點(diǎn)能否為核蛋白體所利用。點(diǎn)能否為核蛋白體所利用。 391.1.反義反義RNARNA的調(diào)控作用的調(diào)控作用 反義反義RNARNA 指能與特定指能與特定mRNAmRNA互補(bǔ)結(jié)合的互補(bǔ)結(jié)合的RNARNA片段，片段，反義反義RNARNA由反義基因轉(zhuǎn)錄

21、而來。天然的具有由反義基因轉(zhuǎn)錄而來。天然的具有功能的反義功能的反義RNARNA分子一般在分子一般在200200個堿基以下。個堿基以下。反義反義RNARNA又稱又稱mRNAmRNA干擾性互補(bǔ)干擾性互補(bǔ)RNARNA（mRNA mRNA interfering complementary RNA, interfering complementary RNA, micRNAmicRNA）。）。 4140反義反義RNARNA有三種作用方式：有三種作用方式：反義反義RNARNA與與mRNAmRNA 5 5端非翻譯區(qū)包括端非翻譯區(qū)包括SDSD序列相序列相結(jié)合，阻止結(jié)合，阻止mRNAmRNA與核糖體小亞基結(jié)合

22、，直接抑與核糖體小亞基結(jié)合，直接抑制翻譯。制翻譯。反義反義RNARNA與與mRNAmRNA 5 5端編碼區(qū)起始密碼子端編碼區(qū)起始密碼子AUGAUG結(jié)結(jié)合，抑制合，抑制mRNAmRNA翻譯起始。翻譯起始。反義反義RNARNA與與mRNAmRNA的非編碼區(qū)互補(bǔ)結(jié)合，使的非編碼區(qū)互補(bǔ)結(jié)合，使mRNAmRNA構(gòu)象改變，影響其與核糖體結(jié)合，間接抑構(gòu)象改變，影響其與核糖體結(jié)合，間接抑制了制了mRNAmRNA的翻譯。的翻譯。4241 反義反義RNA調(diào)控調(diào)控Tn10轉(zhuǎn)位酶基因的表達(dá)示意圖轉(zhuǎn)位酶基因的表達(dá)示意圖Tn10轉(zhuǎn)位酶基因由轉(zhuǎn)位酶基因由PIN啟動子控制，反義啟動子控制，反義RNA的基因由的基因由POUT啟

23、動子控制。啟動子控制。兩個啟動子方向相反，轉(zhuǎn)錄區(qū)有兩個啟動子方向相反，轉(zhuǎn)錄區(qū)有35個堿基重疊，互補(bǔ)區(qū)覆蓋了個堿基重疊，互補(bǔ)區(qū)覆蓋了Tn10轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位酶位酶mRNA的翻譯起始區(qū)，活性的翻譯起始區(qū)，活性POUT比比PIN更強(qiáng)。結(jié)果是轉(zhuǎn)位酶的表達(dá)更強(qiáng)。結(jié)果是轉(zhuǎn)位酶的表達(dá)效率非常低，轉(zhuǎn)位作用極少發(fā)生。細(xì)菌效率非常低，轉(zhuǎn)位作用極少發(fā)生。細(xì)菌DNA突變機(jī)會減少，易于存活。突變機(jī)會減少，易于存活。43422. RNA的穩(wěn)定性與調(diào)控的關(guān)系的穩(wěn)定性與調(diào)控的關(guān)系 mRNA mRNA的降解速度是翻譯調(diào)控的另一個重要的降解速度是翻譯調(diào)控的另一個重要機(jī)制。蛋白質(zhì)合成速率的快速改變，與許多細(xì)機(jī)制。蛋白質(zhì)合成速率的快速改變，與

24、許多細(xì)菌菌mRNAmRNA降解速度很快有很大關(guān)系。降解速度很快有很大關(guān)系。 例：例：E.coliE.coli的許多的許多mRNAmRNA在在3737時的平均壽時的平均壽命大約為命大約為2min2min，細(xì)菌可以對環(huán)境變化作出快速，細(xì)菌可以對環(huán)境變化作出快速反應(yīng)。反應(yīng)。 43 3.3.蛋白質(zhì)合成中的自身調(diào)控蛋白質(zhì)合成中的自身調(diào)控 大腸桿菌核糖體蛋白有大腸桿菌核糖體蛋白有5050余種，它們余種，它們既可與既可與 rRNArRNA 組裝成核糖體，也可與自身組裝成核糖體，也可與自身 mRNA mRNA 翻譯起始區(qū)結(jié)合。翻譯起始區(qū)結(jié)合。5050種核糖體蛋白種核糖體蛋白的基因分布在幾個不同的操縱子中。的基

25、因分布在幾個不同的操縱子中。44第二節(jié)第二節(jié) 真核生物基因表達(dá)的調(diào)控真核生物基因表達(dá)的調(diào)控 單細(xì)胞真核生物單細(xì)胞真核生物，如酵母基因表達(dá)，如酵母基因表達(dá)的調(diào)控和原核生物表達(dá)的調(diào)控基本相同。的調(diào)控和原核生物表達(dá)的調(diào)控基本相同。 多細(xì)胞真核生物多細(xì)胞真核生物，遺傳信息從細(xì)胞，遺傳信息從細(xì)胞核的基因組核的基因組DNADNA傳遞到基因編碼的蛋白質(zhì)傳遞到基因編碼的蛋白質(zhì)均受到多層次的調(diào)控。均受到多層次的調(diào)控。45一、真核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)一、真核生物基因表達(dá)的特點(diǎn) （1 1）細(xì)胞具有全能性）細(xì)胞具有全能性 全能性：全能性：指同一種生物的指同一種生物的所有細(xì)胞都含有相同的基因組所有細(xì)胞都含有相同的基因組D

26、NADNA，都有發(fā)育成完，都有發(fā)育成完整個體的潛能。整個體的潛能。 （2 2）基因表達(dá)的時間性和空間性）基因表達(dá)的時間性和空間性 時間性：時間性：個個體發(fā)育的不同階段，基因表達(dá)的種類和數(shù)量是不體發(fā)育的不同階段，基因表達(dá)的種類和數(shù)量是不同的；同的；空間性：空間性：在不同組織和器官中，基因表達(dá)在不同組織和器官中，基因表達(dá)的種類和數(shù)量是不同的。的種類和數(shù)量是不同的。46 （3 3）轉(zhuǎn)錄和翻譯分開進(jìn)行）轉(zhuǎn)錄和翻譯分開進(jìn)行 真核生物真核生物DNADNA在核中轉(zhuǎn)在核中轉(zhuǎn)錄生成錄生成 mRNAmRNA，在胞質(zhì)中合成蛋白質(zhì)。，在胞質(zhì)中合成蛋白質(zhì)。 （4 4）初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工修飾）初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過

27、轉(zhuǎn)錄后加工修飾 初級初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物核不均一性核不均一性RNARNA（heterogeneous heterogeneous nuclear RNA ,hnRNAnuclear RNA ,hnRNA），要經(jīng)過戴帽），要經(jīng)過戴帽( (m m7 7GpppN)GpppN)、加、加PolyAPolyA尾、切除插入的內(nèi)含子和拼接外顯子等過程，尾、切除插入的內(nèi)含子和拼接外顯子等過程，才形成成熟的才形成成熟的mRNAmRNA分子。分子。47 （5 5）不存在超基因式操縱子結(jié)構(gòu)）不存在超基因式操縱子結(jié)構(gòu) 真核生物基真核生物基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子，一條因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子，一條 mRNAmRNA只翻譯一種

28、蛋白只翻譯一種蛋白質(zhì)。功能相關(guān)的基因大多數(shù)分散在不同的染色體上，質(zhì)。功能相關(guān)的基因大多數(shù)分散在不同的染色體上，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。分別進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。 （6 6）部分基因多拷貝）部分基因多拷貝 既可滿足細(xì)胞的需要，也既可滿足細(xì)胞的需要，也是表達(dá)調(diào)控的一種有效方式。是表達(dá)調(diào)控的一種有效方式。48（一）基因組（一）基因組DNA水平的調(diào)控水平的調(diào)控 1.1.染色質(zhì)的丟失染色質(zhì)的丟失 不可逆的調(diào)控。不可逆的調(diào)控。如如一些低等生物（如線一些低等生物（如線蟲）體細(xì)胞發(fā)育過程中發(fā)生染色質(zhì)丟失。蟲）體細(xì)胞發(fā)育過程中發(fā)生染色質(zhì)丟失。二、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制二、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制492.2.基因擴(kuò)增（基因擴(kuò)增（

29、gene amplificationgene amplification） 當(dāng)細(xì)胞對某種基因產(chǎn)物需要量劇增，單純當(dāng)細(xì)胞對某種基因產(chǎn)物需要量劇增，單純靠調(diào)節(jié)其表達(dá)活性不足滿足需要，只有增加這靠調(diào)節(jié)其表達(dá)活性不足滿足需要，只有增加這種基因的拷貝數(shù)。種基因的拷貝數(shù)。503.3.基因重排基因重排（gene rearrangement） 指某些基因片段改變原來存在順序而指某些基因片段改變原來存在順序而重新排列組合，成為一個完整的轉(zhuǎn)錄單重新排列組合，成為一個完整的轉(zhuǎn)錄單位。調(diào)節(jié)表達(dá)產(chǎn)物多樣性。位。調(diào)節(jié)表達(dá)產(chǎn)物多樣性。514 4. .基因的甲基化修飾基因的甲基化修飾 DNADNA上特定的上特定的CpGCpG

30、序列處的胞嘧啶發(fā)生甲基化序列處的胞嘧啶發(fā)生甲基化修飾（修飾（5 5mCmC）。甲基化程度與基因的表達(dá)一般呈反）。甲基化程度與基因的表達(dá)一般呈反比關(guān)系。甲基化程度愈高，基因的表達(dá)則降低。比關(guān)系。甲基化程度愈高，基因的表達(dá)則降低。去甲基化，基因的表達(dá)增加。去甲基化，基因的表達(dá)增加。 意義：調(diào)控真核生物基因的表達(dá)，維護(hù)染色意義：調(diào)控真核生物基因的表達(dá)，維護(hù)染色體的完整性，調(diào)節(jié)體的完整性，調(diào)節(jié)DNADNA重組的某些環(huán)節(jié)。重組的某些環(huán)節(jié)。52 5.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的調(diào)控作用染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的調(diào)控作用 常染色質(zhì)中疏松狀態(tài)的活性染色質(zhì)是基因轉(zhuǎn)常染色質(zhì)中疏松狀態(tài)的活性染色質(zhì)是基因轉(zhuǎn)錄前在染色質(zhì)水平上獨(dú)

31、特的調(diào)控機(jī)制。錄前在染色質(zhì)水平上獨(dú)特的調(diào)控機(jī)制。q 組蛋白與組蛋白與DNADNA結(jié)合與解離是真核基因表達(dá)調(diào)控的結(jié)合與解離是真核基因表達(dá)調(diào)控的重要機(jī)制之一。組蛋白可保護(hù)重要機(jī)制之一。組蛋白可保護(hù)DNADNA免受損傷，維持免受損傷，維持基因組穩(wěn)定性，抑制基因表達(dá)。去除組蛋白基因轉(zhuǎn)基因組穩(wěn)定性，抑制基因表達(dá)。去除組蛋白基因轉(zhuǎn)錄活性增高。錄活性增高。 q 非組蛋白主要作為調(diào)節(jié)基因表達(dá)的反式作用因子。非組蛋白主要作為調(diào)節(jié)基因表達(dá)的反式作用因子。 53（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 主要通過主要通過反式作用因子與順式作用反式作用因子與順式作用元件和元件和RNARNA聚合酶（聚合酶（RNA pol

32、ymerase, RNA polymerase, RNA polRNA pol）的相互作用完成。的相互作用完成。 541 . 順式作用元件順式作用元件(cis-acting element) 指某些能影響基因表達(dá)但不編碼新的指某些能影響基因表達(dá)但不編碼新的蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)和RNARNA的的DNADNA序列序列，按照功能分為啟，按照功能分為啟動子、增強(qiáng)子、負(fù)調(diào)控元件（沉默子等）。動子、增強(qiáng)子、負(fù)調(diào)控元件（沉默子等）。 55 （1 1）啟動子）啟動子( (promoter)promoter) 真核基因啟動子是在基因轉(zhuǎn)錄起始位真核基因啟動子是在基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)點(diǎn)(+1)(+1)及其及其55上游近端大約

33、上游近端大約100100200 200 bp bp 以內(nèi)的一組具有獨(dú)立功能的以內(nèi)的一組具有獨(dú)立功能的DNADNA序列。每個序列。每個元件長度約為元件長度約為7 720 20 bpbp，是決定，是決定RNARNA聚合酶聚合酶轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)和轉(zhuǎn)錄頻率的關(guān)鍵元件。轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)和轉(zhuǎn)錄頻率的關(guān)鍵元件。 56 真核真核類基因的順式作用元件圖類基因的順式作用元件圖 核心啟動子核心啟動子(core promoter)(core promoter)上游啟動子元件上游啟動子元件( upstream promoter ( upstream promoter element, UPE) element, UPE)57(2)

34、 (2) 增強(qiáng)子增強(qiáng)子( (enhancer)enhancer) 指位于啟動子上游或下游并通過指位于啟動子上游或下游并通過啟動子增強(qiáng)鄰近基因轉(zhuǎn)錄效率的啟動子增強(qiáng)鄰近基因轉(zhuǎn)錄效率的DNADNA順順序，增強(qiáng)子本身不具備啟動子活性。序，增強(qiáng)子本身不具備啟動子活性。58(3) 其他元件其他元件 包括負(fù)調(diào)控元件和終止子等。包括負(fù)調(diào)控元件和終止子等。負(fù)調(diào)控元件負(fù)調(diào)控元件: :沉默子（沉默子（silencersilencer） 或衰減子（或衰減子（dehancerdehancer） 指在真核基因內(nèi)能抑制基因轉(zhuǎn)錄的指在真核基因內(nèi)能抑制基因轉(zhuǎn)錄的DNADNA序列序列, ,與與反式作用因子相互結(jié)合而起作用。不受距

35、離和方向反式作用因子相互結(jié)合而起作用。不受距離和方向的限制，并可對異源基因的表達(dá)起作用。的限制，并可對異源基因的表達(dá)起作用。59終止子終止子 指在模板指在模板DNADNA分子的分子的55端轉(zhuǎn)錄終止信號。端轉(zhuǎn)錄終止信號。通常具有通常具有po1yApo1yA尾的基因終止信號為尾的基因終止信號為G GT T簇，簇，例如在例如在SV40SV40中的中的AGGTTTTTTAGGTTTTTT序列為終止轉(zhuǎn)錄序列為終止轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件。調(diào)控元件。 602.2.反式作用因子反式作用因子( (trans-acting factor) ) 指能直接或間接地識別或結(jié)合在各順式指能直接或間接地識別或結(jié)合在各順式作用元件作用

36、元件8 81212bpbp核心序列上，參與調(diào)控靶核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的基因轉(zhuǎn)錄效率的一組蛋白質(zhì)一組蛋白質(zhì)，也稱序列特異，也稱序列特異性性 DNADNA結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白(sequence specific DNA (sequence specific DNA binding proteinbinding protein，SDBP)SDBP)，是一類細(xì)胞核內(nèi)，是一類細(xì)胞核內(nèi)蛋白質(zhì)因子。在結(jié)構(gòu)上含有與蛋白質(zhì)因子。在結(jié)構(gòu)上含有與DNADNA結(jié)合的結(jié)結(jié)合的結(jié)構(gòu)域。構(gòu)域。61反式作用因子根據(jù)作用方式分為三類：反式作用因子根據(jù)作用方式分為三類： 通用轉(zhuǎn)錄因子。通用轉(zhuǎn)錄因子。普遍存在的轉(zhuǎn)錄因子。

37、如普遍存在的轉(zhuǎn)錄因子。如TATA TATA boxbox結(jié)合因子結(jié)合因子 TFTFD D、GC boxGC box結(jié)合因子結(jié)合因子SP1 SP1 等。等。組織特異性轉(zhuǎn)錄因子。組織特異性轉(zhuǎn)錄因子。與基因表達(dá)的組織特異性與基因表達(dá)的組織特異性有很大關(guān)系。有很大關(guān)系。誘導(dǎo)性反式作用因子。誘導(dǎo)性反式作用因子?；钚阅鼙惶禺惖恼T導(dǎo)因子活性能被特異的誘導(dǎo)因子所誘導(dǎo)。所誘導(dǎo)。62 TATATATA因子與因子與TATATATA盒結(jié)合，盒結(jié)合，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。 RNARNA聚合酶聚合酶識別并結(jié)合識別并結(jié)合由由TATATATA因子與因子與TATATATA盒形成的盒形成的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-DN

38、A-DNA復(fù)合物。復(fù)合物。 轉(zhuǎn)錄起始因子與轉(zhuǎn)錄起始因子與RNARNA聚合聚合酶結(jié)合，使酶結(jié)合，使DNADNA部分雙螺旋部分雙螺旋解開為開放的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合解開為開放的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物（物（open complexopen complex）時，基）時，基因轉(zhuǎn)錄開始因轉(zhuǎn)錄開始, ,可以合成可以合成RNARNA。 真核基因開放的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成圖真核基因開放的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成圖63（1）反式作用因子結(jié)構(gòu)域的模式：）反式作用因子結(jié)構(gòu)域的模式： 完整的反式作用因子通常含有三個主要完整的反式作用因子通常含有三個主要功能結(jié)構(gòu)域，分別為功能結(jié)構(gòu)域，分別為DNADNA識別結(jié)合域、轉(zhuǎn)錄識別結(jié)合域、轉(zhuǎn)錄活化域和

39、結(jié)合其他蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域活化域和結(jié)合其他蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域。641)DNA識別結(jié)合域：識別結(jié)合域： 鋅指（鋅指（zinc finger）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) 指含有一段保守氨基酸順序的蛋白質(zhì)與該指含有一段保守氨基酸順序的蛋白質(zhì)與該蛋白的輔基鋅螫合而形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，分為鋅蛋白的輔基鋅螫合而形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，分為鋅指、鋅扭（指、鋅扭（twisttwist）和鋅簇（）和鋅簇（clustercluster）結(jié)構(gòu)；）結(jié)構(gòu)；也有按照與鋅結(jié)合的氨基酸殘基性質(zhì)分為也有按照與鋅結(jié)合的氨基酸殘基性質(zhì)分為Cys2Cys2Cys2Cys2和和Cys2Cys2His2His2指。指。65 （A） 鋅指結(jié)構(gòu)示意圖鋅指結(jié)構(gòu)示意圖 （

40、Cys2Cys2His2His2鋅指結(jié)構(gòu)）鋅指結(jié)構(gòu)） 兩個半胱氨酸殘基和兩個組氨酸殘基兩個半胱氨酸殘基和兩個組氨酸殘基( (His)His)，通過，通過與位于中心的鋅離子以配位鍵結(jié)合，形成穩(wěn)定的指狀結(jié)與位于中心的鋅離子以配位鍵結(jié)合，形成穩(wěn)定的指狀結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 66（B） Cys2Cys2 鋅指結(jié)構(gòu)示意圖鋅指結(jié)構(gòu)示意圖67同源結(jié)構(gòu)域（同源結(jié)構(gòu)域（homeodomainhomeodomain，HDHD） 同源盒基因家族各基因間具有一相同的保守同源盒基因家族各基因間具有一相同的保守序列，稱為同源結(jié)構(gòu)域。所含的至少二個序列，稱為同源結(jié)構(gòu)域。所含的至少二個螺旋螺旋中形成中形成“轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折”，第三個，第三個螺

41、旋與螺旋與DNADNA大溝相互作大溝相互作用是同源盒蛋白與用是同源盒蛋白與DNADNA結(jié)合的主要力量結(jié)合的主要力量 。 功能：功能：調(diào)節(jié)與機(jī)體各部分正常發(fā)育或正常分化調(diào)節(jié)與機(jī)體各部分正常發(fā)育或正常分化的有關(guān)基因的表達(dá)。的有關(guān)基因的表達(dá)。68同源結(jié)構(gòu)域與同源結(jié)構(gòu)域與DNA的結(jié)合示意圖的結(jié)合示意圖69堿性堿性亮氨酸拉鏈（亮氨酸拉鏈（basic 1eucine zipperbasic 1eucine zipper，bLZbLZ） 有些肽鏈有些肽鏈C C末端有一段末端有一段3030個氨基酸序列以個氨基酸序列以- -螺螺旋構(gòu)型出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)單元，每間隔旋構(gòu)型出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)單元，每間隔6 6個氨基酸出現(xiàn)一個氨基酸

42、出現(xiàn)一個亮氨酸殘基，能形成兩性個亮氨酸殘基，能形成兩性- -螺旋螺旋。兩個具有這兩個具有這種結(jié)構(gòu)的因子接觸后可借助側(cè)鏈?zhǔn)杷越诲e對插，種結(jié)構(gòu)的因子接觸后可借助側(cè)鏈?zhǔn)杷越诲e對插，形成穩(wěn)定卷曲螺旋結(jié)構(gòu)的二聚體。形成穩(wěn)定卷曲螺旋結(jié)構(gòu)的二聚體。 功能：功能：可使堿性區(qū)與可使堿性區(qū)與DNADNA的親和力明顯增加的親和力明顯增加。70 bLZ二聚體中的亮氨酸拉鏈及與二聚體中的亮氨酸拉鏈及與DNA結(jié)合的堿性結(jié)構(gòu)域示意圖結(jié)合的堿性結(jié)構(gòu)域示意圖71螺旋螺旋- -環(huán)環(huán)- -螺旋螺旋（helix-loop-helixhelix-loop-helix，HLHHLH）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu): : 含兩個雙性含兩個雙性- -螺旋，

43、每螺旋，每3 34 4個氨基酸含一個個氨基酸含一個疏水性殘基，中間為非螺旋環(huán)區(qū)，內(nèi)含一個或多個疏水性殘基，中間為非螺旋環(huán)區(qū)，內(nèi)含一個或多個能阻斷螺旋的氨基酸殘基。能阻斷螺旋的氨基酸殘基。72 a:b 兩個具有兩性兩個具有兩性-螺旋螺旋的蛋白因子形成二聚體的蛋白因子形成二聚體 （a、b為兩個不同的蛋白因子）為兩個不同的蛋白因子）73 2)2)轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域（transcriptional activation domaintranscriptional activation domain） 反式作用因子并非都需要其直接與反式作用因子并非都需要其直接與DNADNA結(jié)合，結(jié)合，轉(zhuǎn)錄活化

44、域是反式作用因子必須具備的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)錄活化域是反式作用因子必須具備的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)錄活化域通常是依賴于轉(zhuǎn)錄活化域通常是依賴于DNADNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域以外的結(jié)合結(jié)構(gòu)域以外的3030100100個氨基酸殘基。轉(zhuǎn)錄因子通常具有一個以個氨基酸殘基。轉(zhuǎn)錄因子通常具有一個以上的轉(zhuǎn)錄活化區(qū)。上的轉(zhuǎn)錄活化區(qū)。74轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域模型有以下幾種：轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域模型有以下幾種：酸性酸性-螺旋（螺旋（acidic-helix domainacidic-helix domain） 含有較含有較多的負(fù)電荷。能非特異性地與起始復(fù)合物（如多的負(fù)電荷。能非特異性地與起始復(fù)合物（如TATATATA盒盒結(jié)合因子）相互作用發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活化功能。結(jié)合因子）相互作用發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活化功能。富含谷氨酰胺的結(jié)構(gòu)域（富含谷氨酰胺的結(jié)構(gòu)域（glutamine-rich domainglutamine-rich domain） 最強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄活化域之一。最強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄活化域之一。 富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域（富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域（prolineproline-rich domain-rich domain）753.3.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制( () )反式作用因子的活性調(diào)節(jié)反式作用因子的活性調(diào)節(jié) 真核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)，首先表現(xiàn)真核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)，首先表現(xiàn)為反式作用因子的功能調(diào)節(jié)，即特定的反為反式作用因子的功能調(diào)節(jié)，即特定的反式作用因子被激活后