《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》第13章基因表達(dá)調(diào)控課件

1、 基因表達(dá)調(diào)控 Regulation of Gene Expression南方醫(yī)科大學(xué) 基因工程研究所 危 敏 副教授Institute of Genetic Engineering基本概念與原理Basic Conceptions and Principle第 一 節(jié)Institute of Genetic Engineering基因表達(dá) (gene expression) 基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過(guò)程。并非所有基因表達(dá)過(guò)程都產(chǎn)生蛋白質(zhì)。如 基因轉(zhuǎn)錄生成 rRNA，tRNA一、基因表達(dá)的概念I(lǐng)nstitute of Genetic Engineering基因表達(dá)

2、調(diào)控Gene expression regulation生物體通過(guò)特定的蛋白質(zhì)與DNA、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用來(lái)控制基因是否表達(dá)，或調(diào)節(jié)表達(dá)產(chǎn)物的多少以滿足生物體的自身需求以及適應(yīng)環(huán)境變化的過(guò)程。Institute of Genetic Engineering 在某一特定時(shí)期或生長(zhǎng)階段，基因組中只有 一小部分基因處于表達(dá)狀態(tài)。 個(gè)體某種功能的基因產(chǎn)物在細(xì)胞中的數(shù)量隨著時(shí)間、環(huán)境而變化?；虮磉_(dá)是受調(diào)控的腫瘤的特異基因表達(dá)腫瘤標(biāo)志物(Tumor Marker)是反映腫瘤存在的化學(xué)類物質(zhì)。它們或不存在于正常成人組織而僅見于胚胎組織，或在腫瘤組織中的含量大大超過(guò)在正常組織里的含量，提示腫瘤的性

3、質(zhì)，借以了解腫瘤的組織發(fā)生、細(xì)胞分化、細(xì)胞功能，以幫助腫瘤的診斷、分類、預(yù)后判斷以及治療指導(dǎo)。甲胎蛋白是肝癌的特異性標(biāo)志 降鈣素：肺癌Institute of Genetic Engineering二、基因表達(dá)的特異性（一）時(shí)間特異性 (temporal specificity)按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。階段特異性 (stage specificity)與分化、發(fā)育階段一致Institute of Genetic Engineering（二）空間特異性 (spatial specificity)細(xì)胞或組織特異性 (cell or tissue specificit

4、y)。在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體的不同組織或器官表達(dá)。二、基因表達(dá)的特異性Institute of Genetic Engineering一個(gè)基因是不是所有組織中表達(dá)？肝細(xì)胞、腎細(xì)胞等基因組是否一樣？為什么功能不同？ 基因表達(dá)與空間的關(guān)系Institute of Genetic Engineering差異基因表達(dá)（differential gene expression）基因表達(dá)譜（gene expression profile）不同細(xì)胞基因表達(dá)的種類和強(qiáng)度，決定了細(xì)胞的分化狀態(tài)和功能。Institute of Genetic Engineering三、基因表達(dá)的方式（一）基本表達(dá)某

5、些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因 (housekeeping gene)。 基本或組成性基因表達(dá) (constitutive gene expression)。Institute of Genetic Engineering（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程，稱為誘導(dǎo) (induction)。舉例：DNA損傷 修復(fù)酶基因激活 Institute of Genetic Engineering如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因。可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平

6、降低的過(guò)程稱為阻遏 (repression)。舉例：色氨酸充分 色氨酸合成酶編碼基因抑制（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)Institute of Genetic Engineering在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無(wú)論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinate regulation)。（三）協(xié)調(diào)表達(dá) (coordinate expression)Institute of Genetic Engineering四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖 原核生物：葡萄糖、乳糖代謝 高等生物：常飲酒者體內(nèi)醇氧化酶活性高（二）維持

7、個(gè)體發(fā)育與分化 各組織、器官的發(fā)育、分化是由特定的基因控制的。Institute of Genetic Engineering分節(jié)基因（segmentation genes）果蠅發(fā)育母親效應(yīng)基因（maternal effect genes）Institute of Genetic Engineering 基因表達(dá)調(diào)控的基本原理Basic Principle of Regulation of Gene Expression 第 二 節(jié) 2010-4Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering一、基因表達(dá)調(diào)控的多層

8、性和復(fù)雜性DNA擴(kuò)增DNA重排甲基化 基本控制點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始蛋白質(zhì)降解蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾轉(zhuǎn)錄水平 轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解Institute of Genetic Engineering二、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素特異DNA序列 有調(diào)節(jié)功能的DNA序列。原核生物 操縱子(operon) 機(jī)制真核生物 順式作用元件Institute of Genetic Engineering操縱子學(xué)說(shuō)1961年，法國(guó)科學(xué)家莫諾（JLMonod）與雅可布（FJacob）發(fā)表“蛋白質(zhì)合成中的遺傳調(diào)節(jié)機(jī)制”一文，提出操縱子學(xué)說(shuō)，開創(chuàng)了基因調(diào)控的研究。四年后的1965年，莫諾與雅可布即榮獲諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 In

9、stitute of Genetic Engineering 通常由2個(gè)以上的編碼序列與啟動(dòng)序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成。操 縱 子編碼序列 啟動(dòng)序列 操縱序列 其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)(coding sequence)Institute of Genetic Engineering是RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1) 啟動(dòng)序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AA

10、AAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列Institute of Genetic Engineering阻遏蛋白 (repressor) 的結(jié)合位點(diǎn)當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng) ，阻礙轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負(fù)性調(diào)節(jié)。啟動(dòng)序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白2 操縱序列Institute of Genetic Engineering3) 其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白激活蛋白(activator)可結(jié)合原核操縱子調(diào)節(jié)序列中特異的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性，

11、使轉(zhuǎn)錄激活，介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)。有些基因在沒有激活蛋白存在時(shí)，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動(dòng)序列。Institute of Genetic Engineering真核生物的特異DNA序列順式作用元件(cis-acting element)指與結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)，能夠被調(diào)控蛋白特異性識(shí)別和結(jié)合的DNA序列；或凡能激活或阻遏基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列。包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子等。共有序列：如TATA盒、CCAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。Institute of Genetic Engineering順式作用元件非編碼序列不一定都位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游真核基因的順式作用元件

12、分為： 啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子Institute of Genetic Engineering2. 調(diào)節(jié)蛋白原核生物特異因子：決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。阻遏蛋白負(fù)性調(diào)節(jié)激活蛋白正性調(diào)節(jié)Institute of Genetic Engineering真核基因的調(diào)節(jié)蛋白：轉(zhuǎn)錄因子順式作用順式作用蛋白真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由其編碼基因表達(dá)后，通過(guò)與特異的順式作用元件的識(shí)別、結(jié)合（即DNA-蛋白質(zhì)相互作用）反式激活另一基因的轉(zhuǎn)錄，稱反式作用蛋白或反式作用因子。 反式作用因子 (trans-acting factor) 1）反式作用與反式作用因子絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子是DN

13、A結(jié)合蛋白，由某一個(gè)基因表達(dá)后（蛋白質(zhì)）特異地與另一個(gè)基因的順式作用元件（DNA）作用，反式激活該基因的轉(zhuǎn)錄。 2）順式作用與順式作用蛋白有些基因產(chǎn)物可以特異地識(shí)別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的開啟與關(guān)閉。具有這種調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)蛋白稱順式作用蛋白。Institute of Genetic EngineeringDNA-蛋白質(zhì)相互作用指反式作用因子與順式作用元件之間的特異識(shí)別及結(jié)合。非共價(jià)結(jié)合絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合DNA前，需通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)。3. DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用Institute of Genet

14、ic Engineering4. RNA聚合酶 啟動(dòng)序列/啟動(dòng)子與RNA聚合酶活性啟動(dòng)序列會(huì)影響其與RNA聚合酶的親和力，直接影響轉(zhuǎn)錄起動(dòng)的頻率。共有序列決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。 Institute of Genetic Engineering 調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號(hào)刺激下表達(dá)，然后通過(guò)DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性，從而使基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率發(fā)生改變，出現(xiàn)表達(dá)水平變化。如因子可以改變RNA聚合酶識(shí)別啟動(dòng)序列的特異性4. RNA聚合酶Institute of Genetic Engineering小結(jié)：基因表達(dá)調(diào)控的基本規(guī)律基因表達(dá)具有時(shí)空

15、特異性誘導(dǎo)表達(dá)和阻遏表達(dá)是基因表達(dá)調(diào)控的普遍方式基因表達(dá)受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)-DNA以及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用是基因表達(dá)調(diào)控的分子基礎(chǔ)基因表達(dá)調(diào)控是多層次的復(fù)雜調(diào)節(jié)Institute of Genetic Engineering原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)Regulation of Prokaryotic Gene Transcription第 三 節(jié)Institute of Genetic Engineering調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)（一）因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性（二）操縱子模型的普遍性（三）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性（四）多順反子： 一個(gè)mRNA

16、分子編碼多個(gè)多肽鏈Institute of Genetic Engineering（一）乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu)Institute of Genetic EngineeringmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)（二）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因Institute of Genetic Engineering（二）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA有乳糖存在時(shí)半乳糖-半乳糖苷酶乳糖Institute of Genetic Engineering+ + + + 轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)（三）C

17、AP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPInstitute of Genetic Engineering（四）協(xié) 調(diào) 調(diào) 節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；如無(wú)CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。葡萄糖對(duì) lac 操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolic repression） Institute of Genetic Engineering單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖（四）協(xié) 調(diào) 調(diào) 節(jié)Institute of Genetic Engineeringm

18、RNA 低葡萄糖 cAMP濃度高 高葡萄糖cAMP濃度低RNA-polOOOO乳糖操縱子的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)無(wú)乳糖高乳糖 色氨酸操縱子是可阻遏操縱子 合成代謝操縱子由合成產(chǎn)物關(guān)閉合成代謝操縱子在基礎(chǔ)狀態(tài)下持續(xù)開放，在產(chǎn)物達(dá)到滿足需要量時(shí)才關(guān)閉。 分解和合成代謝的操縱子操縱子基礎(chǔ)狀態(tài)調(diào)控方式分解代謝關(guān)閉由誘導(dǎo)物開放合成代謝開放由輔阻遏物關(guān)閉Institute of Genetic Engineering大腸桿菌色氨酸操縱子（trp operon)調(diào)節(jié)基因trpR、啟動(dòng)子P、操縱基因trpO、前導(dǎo)序列trpL和衰減子trpaTrp Trp 高時(shí)Trp 低時(shí)mRNA OPtrpR調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因 RNA聚合酶

19、 RNA聚合酶 色氨酸操縱子的作用原理操縱子關(guān)閉Institute of Genetic Engineering三、原核生物轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制： 依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止 不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止終止調(diào)節(jié)方式： 衰減導(dǎo)致RNA鏈的過(guò)早終止； 抗終止阻止衰減的發(fā)生，使下游基因得以表達(dá)。1) 兩段富含GC的反向重復(fù)序列，中間間隔若干核苷酸；2) 下游含一系列U。Institute of Genetic Engineering轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制（二）色氨酸操縱子的弱化機(jī)制實(shí)質(zhì)是 轉(zhuǎn)錄與翻譯調(diào)控的偶聯(lián) 色氨酸操縱子(trp operon)除了產(chǎn)物阻遏負(fù)調(diào)控外，還有轉(zhuǎn)錄衰減(attenuation)調(diào)

20、控方式。 衰減是轉(zhuǎn)錄-翻譯的偶聯(lián)調(diào)控。 衰減子和前導(dǎo)肽在trp mRNA 5端 trpE基因的起始密碼子前有一個(gè)長(zhǎng)162bp的mRNA片段稱為前導(dǎo)序列，其中有一短的序列可形成轉(zhuǎn)錄終止子結(jié)構(gòu)，對(duì)操縱子的轉(zhuǎn)錄有減弱作用，這一短序列被稱為衰減子。前導(dǎo)序列中含有起始密碼子AUG和終止密碼子UAG，對(duì)應(yīng)于一個(gè)含14個(gè)氨基酸的小肽，它的合成直接影響到衰減子結(jié)構(gòu)的形成，從而影響轉(zhuǎn)錄，此小肽稱為前導(dǎo)肽。UUUUUUUU調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因 trpROP前導(dǎo)序列 衰減子區(qū)域 UUUU前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu) 第10、11密碼子為trp密碼子 終止密碼子 14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū): 包含序列1 形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱

21、： 序列1/2序列2/3序列3/4 trp 密碼子 UUUUUUUU34UUUU 334核糖體 前導(dǎo)肽 前導(dǎo)mRNA當(dāng)色氨酸濃度高時(shí) 轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制 125 trp 密碼子 衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNA UUUU 3 RNA聚合酶 終止UUUU342423UUUU核糖體 前導(dǎo)肽 15 trp 密碼子 結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA RNA聚合酶 當(dāng)色氨酸濃度低時(shí) Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄 序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu) 前導(dǎo)mRNA 在Trp操縱子中，阻遏蛋白對(duì)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的負(fù)調(diào)控起到粗調(diào)的作用，而衰減子起到精調(diào)的作用。Institute of Genetic Engineering調(diào)節(jié)蛋白

22、結(jié)合mRNA靶位點(diǎn)，阻止核蛋白體識(shí)別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，稱為自我控制（autogenous control)。四、原核生物翻譯水平調(diào)節(jié)（一）蛋白質(zhì)分子的自我調(diào)節(jié)Institute of Genetic Engineering（二）反義RNA對(duì)翻譯的調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)RNA：可調(diào)節(jié)基因表達(dá)的RNA分子。反義RNA含有與特定mRNA翻譯起始部位互補(bǔ)的序列，通過(guò)與mRNA雜交阻斷30S小亞基對(duì)起始密碼子的識(shí)別及與SD序列的結(jié)合，抑制翻譯起始，稱為反義控制 (antisense control)。Institute of Genetic Engineer

23、ing真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)Regulation of Eukaryotic Gene Expression第 四 節(jié)Institute of Genetic Engineering一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 編碼基因；重復(fù)基因；非編碼序列（二）單順反子 （monocistron)即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子、經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。Institute of Genetic Engineering（三）重復(fù)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106 次）中度重復(fù)序列（103 104次）多拷貝序列反向重復(fù)序列（四）基因不連續(xù)性一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)真核基因組 原核基因

24、組基因組龐大，與組蛋白結(jié)合形成染色質(zhì)只有一個(gè)DNA分子或RNA分子許多DNA不轉(zhuǎn)錄絕大部分參與基因的表達(dá)或調(diào)控單順反子多順反子有重復(fù)序列重復(fù)序列少斷裂基因（有內(nèi)含子）操縱子結(jié)構(gòu)（無(wú)內(nèi)含子）Institute of Genetic Engineering真核與原核基因組區(qū)別Institute of Genetic Engineering二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)（一）RNA聚合酶（RNA pol 、） TATA盒結(jié)合蛋白（TBP）為共有亞基（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化1. 對(duì)核酸酶敏感活化基因常有核酸酶超敏位點(diǎn)（hypersensitive site)，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)附近。Institute o

25、f Genetic Engineering2. DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在。RNA-pol正超螺旋負(fù)超螺旋轉(zhuǎn)錄方向二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)Institute of Genetic Engineering3. DNA堿基修飾變化 真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化 甲基化程度與基因表達(dá)程度呈反比，處于轉(zhuǎn)錄活化狀態(tài)的基因CpG序列一般低甲基化。4. 組蛋白變化 組蛋白乙?；M蛋白與DNA的離子鍵結(jié)合 松弛染色質(zhì)，活化轉(zhuǎn)錄二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)表觀遺傳學(xué)表觀遺傳現(xiàn)象包括DNA甲基化、RNA干擾、組蛋白修飾等。與經(jīng)典遺傳學(xué)以研究基因序列影響生物學(xué)功能為核心相比，表觀

26、遺傳學(xué)主要研究這些“表觀遺傳現(xiàn)象”建立和維持的機(jī)制。其研究?jī)?nèi)容主要包括兩類，一類為基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控，有DNA甲基化、基因印記、組蛋白共價(jià)修飾和染色質(zhì)重塑；另一類為基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，包括基因組中非編碼RNA、微小RNA、反義RNA、內(nèi)含子及核糖開關(guān)等。 Institute of Genetic Engineering采用正性調(diào)節(jié)機(jī)制更精準(zhǔn)采用負(fù)性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟(jì)（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)Institute of Genetic Engineering三、RNA pol轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)（一）順式作用元件1. 啟動(dòng)子真核基因啟動(dòng)子是RN

27、A聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件。典型的啟動(dòng)子由TATA盒及上游的CAAT盒和/或GC盒組成。Institute of Genetic Engineering真核啟動(dòng)子的典型結(jié)構(gòu) TATA Box CAAT Box GC Box Enhancercis-acting elements structural gene-GCGC-CAAT-TATAInitiation siteInstitute of Genetic Engineering2. 增強(qiáng)子(enhancer)指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA

28、序列，其作用方式通常與方向、距離無(wú)關(guān)。酵母中存在上游激活序列（upstream activator sequences, UASs）3. 沉默子(silencer)某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。（一）順式作用元件 增強(qiáng)子的功能與特征增強(qiáng)子與被調(diào)控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件。增強(qiáng)子是組織特異性轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合部位?？梢赃h(yuǎn)距離實(shí)施調(diào)控，上游或下游作用與序列的方向性無(wú)關(guān)。需要啟動(dòng)子才能發(fā)揮作用。同一增強(qiáng)子可以影響不同類型啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄。Institute of Genetic Engineering（二）反式作用因子 1. 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能

29、特性） 基本轉(zhuǎn)錄因子(general transcription factors)RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。TFD是三種聚合酶的基本轉(zhuǎn)錄因子。Institute of Genetic Engineering特異轉(zhuǎn)錄因子(special transcription factors)為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)。 轉(zhuǎn)錄激活因子：增強(qiáng)子結(jié)合蛋白 轉(zhuǎn)錄抑制因子：沉默子結(jié)合蛋白 (transcription activators) (transcription inhibitors)（二）反式作用因子

30、Institute of Genetic Engineering2. 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）轉(zhuǎn)錄激活域 谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域DNA結(jié)合域鋅指結(jié)構(gòu)堿性螺旋-環(huán)-螺旋亮氨酸拉鏈Institute of Genetic Engineering最常見的DNA結(jié)合域 1. 鋅指 (zinc finger)常結(jié)合GC盒螺旋折疊Institute of Genetic Engineering 2. -螺旋常結(jié)合CAAT盒堿性氨基酸殘基組成最常見的DNA結(jié)合域Institute of Genetic Engineering3. 亮氨酸拉鏈（leucine zi

31、pper） 蛋白質(zhì)C末端每隔6個(gè)氨基酸出現(xiàn)一個(gè)疏水性的Leu殘基形成的二聚體N末端富含堿性氨基酸，其正電荷與DNA骨架上的磷酸基團(tuán)結(jié)合。Institute of Genetic Engineering4.堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH） Institute of Genetic Engineering（三）mRNA 轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)節(jié)polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物.TATA DNATBP相關(guān)因子EBP基因活化蛋白質(zhì)與增強(qiáng)子或UASs的結(jié)合；通用轉(zhuǎn)錄因子在啟動(dòng)子處的組裝；輔助激

32、活子(coactivator)和/或中介子（medicator）在通用轉(zhuǎn)錄因子/RNA聚合酶II復(fù)合物與基因活化蛋白質(zhì)之間的輔助和中介作用。 RNA聚合酶II與啟動(dòng)子的結(jié)合、啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄需要諸多蛋白質(zhì)因子的協(xié)同作用。這通常包括：TATA盒TF IIDRNA聚合酶II通用轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄方向中介子活化蛋白活化蛋白增強(qiáng)子增強(qiáng)子DNATF IIAInstitute of Genetic Engineering真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是復(fù)雜的、多樣的不同的DNA元件組合可產(chǎn)生多種類型的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)方式；多種轉(zhuǎn)錄因子又可結(jié)合相同或不同的DNA元件。轉(zhuǎn)錄因子與DNA元件結(jié)合后，對(duì)轉(zhuǎn)錄激活過(guò)程所產(chǎn)生的效果各異，有正性調(diào)節(jié)或負(fù)性

33、調(diào)節(jié)之分。Institute of Genetic Engineering（一）HIV基因組轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)抗終止蛋白Tat Tat，抗終止蛋白，與mRNA5端結(jié)合（二）熱休克蛋白基因的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)熱休克時(shí)停止大多數(shù)基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯五、RNA pol轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)節(jié)Institute of Genetic Engineering六、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)（一）hnRNA加工成熟的調(diào)節(jié) 1. 加帽 2. 加尾 3. 剪接 4. 編輯5加帽的作用在于： 有助于保護(hù)mRNA免于被核糖核酸酶降解；5帽結(jié)合蛋白復(fù)合體參與mRNA和核糖體的結(jié)合來(lái)起始翻譯 。促進(jìn)mRNA從細(xì)胞核運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞漿；協(xié)助mRNA的剪接。在剪接

34、第一個(gè)外顯子時(shí)，剪接體的形成需要帽結(jié)合蛋白的參與；poly(A)尾可結(jié)合一種或多種特殊蛋白，避免mRNA被酶降解，并在翻譯過(guò)程中具有重要作用。poly(A)尾的作用：人視黃醛還原酶mRNA的選擇性剪接mRNAPre-mRNA同種異型mRNAInstitute of Genetic Engineering（二）mRNA運(yùn)輸、胞漿內(nèi)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性降解途徑保證mRNA不在細(xì)胞中累積并避免合成過(guò)多的蛋白質(zhì)。合成速率 降解速率六、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)不同真核基因的mRNA的降解速率大不相同。 暫時(shí)需要的基因產(chǎn)物：半衰期可能僅為幾分鐘、甚至幾秒鐘。 經(jīng)常需要的基因產(chǎn)物：其mRNA 可在多代細(xì)胞中穩(wěn)定存在。

35、 真核細(xì)胞mRNA降解由每種mRNA分子的序列所決定。 poly(A)的逐漸短縮：最常見的途徑mRNA分子一旦進(jìn)入細(xì)胞漿中，核酸外切酶會(huì)使poly(A)末端逐步短縮，當(dāng)剩下約30個(gè)A時(shí)，5端發(fā)生脫帽，mRNA分子被迅速降解。一些mRNA分子的3UTR的特殊序列有助于特殊蛋白質(zhì)的結(jié)合，增加或降低poly(A)短縮的速度。 Institute of Genetic Engineering RNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白體復(fù)合物（RNP）。 鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白受體（TfR）mRNA穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)決定于mRNA分子中3UTR特定的重復(fù)序列， 稱為鐵反應(yīng)元件（iron-response element, IRE)。

36、細(xì)胞內(nèi)高鐵濃度時(shí)，IRE可促進(jìn)TfR mRNA的降解。細(xì)胞內(nèi)鐵不足時(shí)， TfR mRNA穩(wěn)定性增加，受體蛋白合成增多。六、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié) IRE-BP對(duì)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)低鐵狀態(tài)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA5編碼區(qū)活化的IRE-BP3poly(A)n翻譯TfR蛋白IRE高鐵狀態(tài)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA5編碼區(qū)鐵失活的IRE-BP3poly(A)nmRNA降解IRE微小RNA（microRNA）是一種大小約2123個(gè)堿基的單鏈小分子RNA，是由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的約70-90個(gè)堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)過(guò)Dicer酶加工后形成。miRNA與其他蛋白質(zhì)組成誘導(dǎo)沉默復(fù)合體（RISC），通過(guò)與靶mRNA

37、分子的3端非編碼區(qū)互補(bǔ)匹配，抑制mRNA分子的翻譯。Institute of Genetic Engineering（三）小分子RNA對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)siRNA通常是一段長(zhǎng)21個(gè)核苷酸的雙股RNA（dsRNA），參與RISC組成，與特異的靶mRNA完全互補(bǔ)結(jié)合，導(dǎo)致靶mRNA降解阻斷翻譯過(guò)程。RNA干涉（RNA interference，RNAi）Institute of Genetic Engineering（三）小分子RNA對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)小干擾RNA（small interference RNA）700bp左右RNA前體配對(duì)堿基DICER20-25bp miRNA5RISC靶mRNA未配

38、對(duì)區(qū)域靶mRNA降解導(dǎo)入的雙鏈RNA片段siRNARDE-1DICERRISCRISCRISC5靶mRNA靶mRNA被核酸內(nèi)切酶切割靶mRNA被核酸外切酶降解 miRNA 與siRNA使靶mRNA沉默機(jī)制siRNA和miRNA的差異比較siRNAmiRNA前體內(nèi)源或外源長(zhǎng)雙鏈RNA誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)源發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)構(gòu)雙鏈分子單鏈分子功能降解mRNA阻遏其翻譯靶mRNA結(jié)合需完全互補(bǔ)不需完全互補(bǔ)生物學(xué)效應(yīng)抑制轉(zhuǎn)座子活性和病毒感染發(fā)育過(guò)程的調(diào)節(jié)Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering（一）翻譯起始因子（eIF）活性的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成速率的快速變化