生物化學(xué)與分子生物學(xué)：第十八章 基因表達調(diào)控

1第十八章基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpression2除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組的一段DNA序列?；虬ň幋a序列（外顯子）、調(diào)控序列和間隔序列（內(nèi)含子）?；颍╣ene）：編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負載遺傳信息的基本單位。3基因組（genome）：一個生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。原核生物：單個的環(huán)狀染色體所含的全部基因。真核生物：一個生物體的染色體所含的全部DNA，又稱染色體基因組。線粒體基因組葉綠體基因組屬核外遺傳物質(zhì)，由一個親本（卵細胞）的細胞質(zhì)所提供人類基因組包含了細胞核染色體DNA（常染色體和性染色體）及線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。5第一節(jié)

基因表達與基因表達調(diào)控的基本概念與特點BasicConceptionsandCharactersofGeneExpressionandit’sRegulation6一、基因表達是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，也是基因所攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過程，包括基因轉(zhuǎn)錄成互補的RNA序列，對于蛋白質(zhì)編碼基因，mRNA繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加工成最終的蛋白質(zhì)產(chǎn)物?；虮磉_(geneexpression)基因表達是受調(diào)控的。7二、基因表達具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性是指基因表達按一定的時間順序發(fā)生按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按一定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。

多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。8（二）空間特異性是指多細胞生物個體在特定生長發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達不同在個體生長、發(fā)育過程中，一種基因產(chǎn)物在個體的不同組織或器官表達，即在個體的不同空間出現(xiàn)，這就是基因表達的空間特異性(spatialspecificity)?；虮磉_伴隨時間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實際上是由細胞在器官的分布所決定的，因此基因表達的空間特異性又稱細胞特異性(cellspecificity)或組織特異性(tissuespecificity)。9三、基因表達的方式存在多樣性基因表達調(diào)控（regulationofgeneexpression）就是指細胞或生物體在接受內(nèi)外環(huán)境信號刺激時或適應(yīng)環(huán)境變化的過程中在基因表達水平上做出應(yīng)答的分子機制，即位于基因組內(nèi)的基因如何被表達成為有功能的蛋白質(zhì)（或RNA），在什么組織表達，什么時候表達，表達多少等。

10按對刺激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為：基本（或組成性）表達誘導(dǎo)或阻遏表達11（一）有些基因幾乎在所有細胞中持續(xù)表達某些基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，不易受環(huán)境條件的影響，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。管家基因的表達水平受環(huán)境因素影響較小，而是在生物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，或變化很小。這類基因表達被視為基本（或組成性）基因表達(constitutivegeneexpression)?；镜幕虮磉_水平并非絕對“一成不變”，所謂“不變”是相對的。12（二）有些基因的表達受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)和阻遏在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，即這種基因表達是可誘導(dǎo)的?？烧T導(dǎo)基因(induciblegene)在一定的環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(dǎo)(induction)。DNA損傷→修復(fù)酶基因激活13如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答時被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegene)?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。色氨酸—色氨酸合成酶系表達被抑制14在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，即為協(xié)同表達(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)同調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。（三）生物體內(nèi)不同基因的表達受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)15四、基因表達調(diào)控受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)一般說來，調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，稱為順式作用元件(cis-actingelement)。16啟動子上游調(diào)控元件增強子加尾信號細胞信號反應(yīng)元件順式作用元件17轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子典型的真核生物順式作用元件(cis-actingelement)AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1真核生物的特異DNA序列順式作用元件(cis-actingelement)——位于編碼基因兩側(cè)，可影響自身基因表達活性的DNA序列RNA聚合酶ⅡBADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點mRNARNA聚合酶ⅡBADNA轉(zhuǎn)錄起始點mRNA19調(diào)節(jié)序列遠離被調(diào)控的編碼序列，實際上是其他分子的編碼基因，只能通過其表達產(chǎn)物來發(fā)揮作用，這些蛋白質(zhì)分子稱為反式作用因子(trans-actingfactor)。20五、基因表達調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性首先，遺傳信息以基因的形式貯存于DNA中。其次，遺傳信息經(jīng)轉(zhuǎn)錄由DNA傳向RNA過程中的許多環(huán)節(jié)。(最重要、最復(fù)雜)最后，蛋白質(zhì)生物合成即翻譯與翻譯后加工。21基因表達調(diào)控的多層次和復(fù)雜性基因激活轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄后加工翻譯水平翻譯后加工mRNA降解基因表達可調(diào)控的環(huán)節(jié)蛋白質(zhì)降解22六、基因表達調(diào)控為生物體生長、發(fā)育的基礎(chǔ)（一）生物體調(diào)節(jié)基因表達以適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖久居高原地區(qū)的居民平均Hb濃度升高23（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達以維持細胞分化與個體發(fā)育在多細胞個體生長、發(fā)育的不同階段，或同一生長發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白質(zhì)分子分布、種類和含量存在很大差異，這些差異是調(diào)節(jié)細胞表型的關(guān)鍵。24第二節(jié)

原核基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpressioninProkaryote25原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點①基因組中很少有重復(fù)序列；②編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因為連續(xù)編碼，且多為單拷貝基因，但編碼rRNA的基因仍然是多拷貝基因；③結(jié)構(gòu)基因在基因組中所占的比例（約占50%）遠遠大于真核基因組；④許多結(jié)構(gòu)基因在基因組中以操縱子為單位排列。原核生物基因組是具有超螺旋結(jié)構(gòu)的閉合環(huán)狀DNA分子26——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點σ因子決定RNA聚合酶識別特異性27在轉(zhuǎn)錄起始階段，σ亞基（又稱σ因子）識別特異啟動序列；不同的σ因子決定特異基因的轉(zhuǎn)錄激活，也決定不同RNA（mRNA、rRNA和tRNA）基因的轉(zhuǎn)錄。28噬菌體SPO1感染宿主細胞的過程中，不同的σ因子在不同階段順序表達，指導(dǎo)宿主RNA聚合酶啟動相應(yīng)的基因轉(zhuǎn)錄。29原核生物大多數(shù)基因表達調(diào)控是通過操縱子機制實現(xiàn)的。一、操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單位

蛋白質(zhì)因子特異DNA序列編碼序列

啟動子

操縱元件

其他調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)30操縱子定義：原核生物基因組中，幾個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因及其上游的調(diào)控區(qū)域，稱為一個操縱子(Operon)。組成：結(jié)構(gòu)基因----2個以上的編碼序列啟動序列----RNA聚合酶辨認、結(jié)合操縱元件----（Operator)

調(diào)節(jié)序列----與其他調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合31操縱子結(jié)構(gòu)（Operon）啟動序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因1結(jié)構(gòu)基因2結(jié)構(gòu)基因3（信息區(qū)）（調(diào)控區(qū)）PromoterOperatorStructuralgeneRNA聚合酶多順反子mRNA識別結(jié)合結(jié)合阻遏蛋白其它序列其它調(diào)節(jié)蛋白32操縱子模型的普遍性多順反子(polycistron)：一條mRNA分子攜帶了幾個多肽鏈的編碼信息。33E.Coli乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)基因34操縱子模型的普遍性多順反子(polycistron)：一條mRNA分子攜帶了幾個多肽鏈的編碼信息。啟動子是RNA聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是決定基因表達效率的關(guān)鍵元件。各種原核基因啟動序列特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始點上游-10及-35區(qū)域存在一些相似序列，稱為共有序列。

E.coli及一些細菌啟動序列的共有序列在-10區(qū)域是TATAAT，在-35區(qū)域為TTGACA共有序列決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。35圖18-15種E.coli啟動序列的共有序列

Pribnow盒操縱序列

操縱序列（operator）是指能被阻遏蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動序列鄰近或與啟動序列重疊，當阻遏蛋白結(jié)合在操縱序列上，會影響其下游基因的轉(zhuǎn)錄。操縱序列是原核阻遏蛋白的結(jié)合位點，介導(dǎo)負性調(diào)節(jié)。

以乳糖操縱子中的操縱序列為例，其操縱序列（o）位于啟動序列（p）與被調(diào)控的基因之間，部分序列與啟動序列重疊。

調(diào)節(jié)序列

調(diào)節(jié)序列中存在某些特異的DNA序列，可結(jié)合激活蛋白，結(jié)合后RNA聚合酶活性增強，使轉(zhuǎn)錄激活，介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)。39調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）編碼能夠與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白，可以分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白。調(diào)控蛋白的作用分別是①特異因子決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力，如σ因子；40②阻遏蛋白可以識別、結(jié)合特異DNA序列──操縱序列，抑制基因轉(zhuǎn)錄，所以阻遏蛋白介導(dǎo)負調(diào)節(jié)（negativeregulation）。阻遏蛋白介導(dǎo)的負性調(diào)節(jié)機制在原核生物中普遍存在；③激活蛋白可結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列，提高RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合能力，從而增強RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，是一種正調(diào)控（positiveregulation），如CAP結(jié)合蛋白。41基因表達有正調(diào)控和負調(diào)控調(diào)節(jié)原核生物基因表達的效應(yīng)蛋白可分：阻遏蛋白----負調(diào)控因素激活蛋白----正調(diào)控因素42大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖，當培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時，細菌優(yōu)先利用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，但經(jīng)過短時間的適應(yīng)，就能完全利用乳糖，細菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。二、乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)型調(diào)控43大腸桿菌能夠利用乳糖作為它的唯一碳源，就必須使得：1.乳糖能進入細胞2.將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖β半乳糖苷酶、透酶和乙酰基轉(zhuǎn)移酶是大腸桿菌DNA上乳糖操縱子的3個結(jié)構(gòu)基因，經(jīng)轉(zhuǎn)錄和翻譯而成。44（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列編碼阻遏蛋白CAP:cataboliteactivationprotein45圖18-2lac操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)46mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)阻遏基因1.阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)

有乳糖存在時：

Lacoperon被誘導(dǎo)表達。

阻遏蛋白的阻遏作用并非絕對，偶有阻遏蛋白與O序列解聚、因此每個細胞中可能有寥寥數(shù)分子β-半乳糖苷酶、透酶生成。乳糖可經(jīng)過這數(shù)分子的透酶催化進入細胞，再經(jīng)過β-半乳糖苷酶催化轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘?，半乳糖作為一種誘導(dǎo)劑（inducer)與阻遏蛋白結(jié)合，使之構(gòu)象改變，導(dǎo)致阻遏蛋白與O序列解離，而發(fā)生轉(zhuǎn)錄。半乳糖乳糖阻遏蛋白結(jié)合半乳糖后，阻遏蛋白構(gòu)象改變48mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶圖18-4lac

操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)49半乳糖的類似物異丙基硫代半乳糖苷（IPTG）因與半乳糖結(jié)構(gòu)類似，是一種作用極強的誘導(dǎo)劑。常被實驗室采用。β半乳糖50++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時2.CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP513.協(xié)同調(diào)節(jié)當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。如無CAP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。單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

兩者相輔相成，缺一不可52mRNA無乳糖時高乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOOFLASH53圖18-3 CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)54TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶色氨酸操縱子三、色氨酸操縱子通過轉(zhuǎn)錄衰減的方式阻遏基因表達色氨酸操縱子的作用阻遏原理55四、原核基因表達在轉(zhuǎn)錄終止階段有不同的調(diào)控機制（一）不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止兩段富含GC的反向重復(fù)序列，中間間隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。終止子結(jié)構(gòu)特點：56近終止區(qū)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物形成發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)是非依賴ρ因子終止的普遍現(xiàn)象。57（二）依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止常見于噬菌體中，結(jié)構(gòu)特點不清楚。58五、原核基因表達在翻譯水平的多個環(huán)節(jié)受到精細調(diào)節(jié)（一）轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)調(diào)節(jié)提高了基因表達調(diào)控的有效性衰減是轉(zhuǎn)錄-翻譯的偶聯(lián)調(diào)控色氨酸操縱子（trpoperon）除了產(chǎn)物阻遏負調(diào)控外，還有轉(zhuǎn)錄衰減（attenuation）調(diào)控方式。單林娜制作59調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因

催化分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼?/p>

的酶

色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)trpRtrpRPLeader前導(dǎo)序列單林娜制作6061UUUU……UUUU……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)能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……62UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制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)DNAUUUU3’

RNA聚合酶終止63UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’

trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA

RNA聚合酶2.當色氨酸濃度低時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)64圖18-4色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)及其關(guān)閉機制65衰減和抗終止現(xiàn)象最早在E.coli

Trp操縱子中發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)和機制異常精細。衰減可以使得轉(zhuǎn)錄提前結(jié)束，抗終止使得轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進行下去。阻遏和衰減雖然都在轉(zhuǎn)錄水平上進行，但兩者的機制完全不同：前者控制轉(zhuǎn)錄的起始，后者決定轉(zhuǎn)錄起始后是否進行下去。衰減作用比阻遏作用是更為精細的調(diào)節(jié)。66衰減子更靈敏只要Trp一增多，即使不足以誘導(dǎo)阻遏蛋白結(jié)合O序列，也可以使大量的mRNA轉(zhuǎn)錄提前終止。反之，當Trp減少時，即使失去了誘導(dǎo)阻遏蛋白的阻遏作用，但只要還可以維持前導(dǎo)肽的合成，仍繼續(xù)阻止轉(zhuǎn)錄。這樣可以保證盡可能充分的消耗Trp，使其合成維持在滿足需要的水平，防止Trp堆積和過多的消耗能量。67（二）大分子結(jié)合于啟動序列或啟動序列周圍進行自我調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合mRNA靶位點，阻止核糖體識別翻譯起始區(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，稱自我控制(autogenouscontrol)。蛋白質(zhì)結(jié)合：68如：核糖體蛋白是自身翻譯的抑制蛋白組成核糖體的蛋白質(zhì)有50種之多，這些蛋白質(zhì)必需以相同的速度合成出來，且它們必需嚴格保持與rRNA相應(yīng)的水平。當有過量核糖體蛋白游離存在時即會引起它自身以及有關(guān)蛋白質(zhì)合成的阻遏。69核糖體蛋白質(zhì)rRNAmRNA？核糖體蛋白質(zhì)既可以和rRNA結(jié)合，又可以和編碼自身的mRNA結(jié)合。但是它對前者的結(jié)合力要比后者大很多。正常情況下，核糖體蛋白質(zhì)與rRNA結(jié)合，當它表達過量時，“多余的”核糖體蛋白就會和mRNA結(jié)合，阻遏自身的翻譯。機制：70如SD序列與16SrRNA的互補程度，以及SD序列到起始密碼子之間的距離都強烈影響翻譯的效率。核酸分子結(jié)合：71（三）翻譯阻遏利用蛋白質(zhì)與自身mRNA的結(jié)合實現(xiàn)對翻譯起始的調(diào)控編碼區(qū)的起始點可與調(diào)節(jié)分子（蛋白質(zhì)或RNA）直接或間接地結(jié)合來決定翻譯起始。調(diào)節(jié)蛋白可以結(jié)合到起始密碼子上，阻斷與核糖體的結(jié)合。72S8：組成核糖體小亞基的一個蛋白，可以與16SrRNA的莖環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)合。L5：組成核糖體大亞基的一個蛋白，其mRNA的5‘末端能形成與16SrRNA類似的莖環(huán)結(jié)構(gòu)。當16SrRNA充足時，可以與所有的S8蛋白結(jié)合，不影響L5蛋白合成；當16SrRNA不足時，多余的S8與L5mRNA結(jié)合，阻遏L5蛋白的合成。73（四）反義RNA結(jié)合mRNA翻譯起始部位的互補序列對翻譯進行調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)基因表達的RNA稱為調(diào)節(jié)RNA。細菌中含有與特定mRNA翻譯起始部位互補的RNA，通過與mRNA雜交阻斷30S小亞基對起始密碼子的識別及與SD序列的結(jié)合，抑制翻譯起始。這種調(diào)節(jié)稱為反義控制(antisensecontrol)。74（五）mRNA密碼子的編碼頻率影響翻譯速度當基因中的密碼子是常用密碼子時，mRNA的翻譯速度快，反之，mRNA的翻譯速度慢。75第三節(jié)

真核基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpressioninEukaryote76一、真核細胞基因表達的特點①真核基因組比原核基因組大得多；②原核基因組的大部分序列都為編碼基因，而哺乳類基因組中只有10%的序列編碼蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重復(fù)序列功能至今還不清楚，可能參與調(diào)控；③真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)的，轉(zhuǎn)錄后需要剪接去除內(nèi)含子，這就增加了基因表達調(diào)控的層次；77④原核生物的基因編碼序列在操縱子中，多順反子mRNA使得幾個功能相關(guān)的基因自然協(xié)調(diào)控制；而真核生物則是一個結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子（monocistron），許多功能相關(guān)的蛋白、即使是一種蛋白的不同亞基也將涉及到多個基因的協(xié)調(diào)表達；78⑤真核生物DNA在細胞核內(nèi)與多種蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成染色質(zhì)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)直接影響著基因表達；⑥真核生物的遺傳信息不僅存在于核DNA上，還存在線粒體DNA上，核內(nèi)基因與線粒體基因的表達調(diào)控既相互獨立而又需要協(xié)調(diào)。

79圖18-5真核生物基因表達的多層次復(fù)雜調(diào)控80二、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與真核基因表達密切相關(guān)活性染色質(zhì)(activechromatin)具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)。超敏位點（hypersensitivesite)當染色質(zhì)活化后，常出現(xiàn)一些對核酸酶（如DNaseI）高度敏感的位點。（一）轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)對核酸酶極為敏感81(二)轉(zhuǎn)錄活化染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變組蛋白結(jié)構(gòu)及其化學(xué)修飾（a）組蛋白與DNA組成的核小體；（b）組蛋白的氨基端伸出核小體，形成組蛋白尾巴；（c）四種組蛋白組成的八聚體82轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域的染色質(zhì)中的組蛋白的特點：富含Lys的H1組蛋白降低；H2A-H2B組蛋白二聚體不穩(wěn)定性增加，使其容易從核小體核心中被置換出來；核心組蛋白H3、H4可發(fā)生乙?；?、磷酸化及泛素化修飾。以上特點使得核小體結(jié)構(gòu)變得松弛不穩(wěn)定，降低核小體對DNA的親和力，易于基因轉(zhuǎn)錄。83組蛋白乙酰化／去乙?；M蛋白的乙?；且豢赡娴膭討B(tài)過程，而其穩(wěn)定狀態(tài)的維持則是多種組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（HATs）和去乙?；福℉DACs）共同作用的結(jié)果。這種可逆的乙?；揎椬饔每墒谷旧|(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生動態(tài)的改變，并對基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生相應(yīng)的影響。84賴氨酸引入乙?；阴；D(zhuǎn)移酶去乙酰化酶85組蛋白乙?；鹑旧|(zhì)結(jié)構(gòu)改變及基因轉(zhuǎn)錄活性變化可能的機制：組蛋白尾部賴氨酸殘基的乙酰化能夠使組蛋白攜帶正電荷量減少，降低其與帶負電荷的DNA鏈的親和性，導(dǎo)致局部DNA與組蛋白八聚體解開纏繞，從而促使參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的各種蛋白因子與DNA特異序列結(jié)合，進而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。86組蛋白甲基化通常不改變組蛋白尾巴上的電荷；增加其堿性度和疏水性；增強組蛋白與DNA的親和力。87組蛋白氨基酸殘基位點修飾類型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色質(zhì)濃縮H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙?；せ頗3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙酰化防止Lys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙?；b配H4Lys-12乙酰化裝配H4Lys-16乙酰化核小體裝配H4Lys-16乙?；疐lyX激活組蛋白修飾對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的影響88組蛋白修飾對于基因表達影響的機制也包括兩種相互包容的理論。即：組蛋白的修飾直接影響染色質(zhì)或核小體的結(jié)構(gòu)，以及化學(xué)修飾募集其他調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，為其他功能分子與組蛋白結(jié)合搭建了一個平臺。這些理論構(gòu)成了“組蛋白密碼”的假說。89（三）

CpG島甲基化水平降低CpG島（CpGisland)

：甲基化胞嘧啶在基因組中并不是均勻分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整個基因組中，人們將這些GC含量可達60%，長度為300-3000bp的區(qū)段稱為CpG島。轉(zhuǎn)錄活躍狀態(tài)的染色質(zhì)中，CpG島的甲基化程度降低。9090

DNA甲基化(DNAmethylation)是真核生物在染色質(zhì)水平調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的重要機制。主要是由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶所催化的基因組DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價結(jié)合，胞嘧啶由此被修飾為5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應(yīng)

90S-腺苷甲硫氨酸91表觀遺傳（epigeneticinheritance)

：染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達的影響可以遺傳給子代細胞，其機制是細胞內(nèi)存在著具有維持甲基化作用的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，可以在DNA復(fù)制后，依照親本DNA鏈的甲基化位置催化子鏈DNA在相同位置上發(fā)生甲基化。表觀遺傳對基因表達的調(diào)控不僅體現(xiàn)在DNA甲基化上，組蛋白乙?；?、甲基化和非編碼小RNA的調(diào)控都屬于表觀遺傳調(diào)控的范疇。92三、基因組中的順式作用元件是轉(zhuǎn)錄起始的關(guān)鍵調(diào)節(jié)部位同原核生物一樣，轉(zhuǎn)錄起始是真核生物表達調(diào)控的關(guān)鍵。順式作用元件

指可影響自身基因表達活性的DNA序列。93圖18-7 順式作用元件

A、B分別代表同一基因中的兩段特異DNA序列。B序列通過一定機制影響A序列，并通過A序列控制該基因的轉(zhuǎn)錄起始的準確性及頻率。A、B序列就是調(diào)節(jié)這個基因轉(zhuǎn)錄活性的順式作用元件94（一）真核生物啟動子結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)遠較原核生物復(fù)雜真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒95最典型的功能組件是TATA盒：位于轉(zhuǎn)錄起始點上游-25~-30bp,控制轉(zhuǎn)錄起始的準確性及頻率，是TFⅡD的結(jié)合位點。以及GC盒：

－30~－110bp區(qū)域GGGCGG;CAAT盒：－30~－110bp區(qū)域GCCAAT，另外，還有不含TATA盒的啟動子。96CCAAT盒GC盒TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點酵母真核基因啟動子的典型結(jié)構(gòu)97常見啟動子元件結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子98（二）增強子是能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件增強子的功能及其作用特征如下：與被調(diào)控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件；是組織特異性轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合部位；不僅能夠在基因的上游或下游起作用，而且還可以遠距離實施調(diào)節(jié)作用；作用與序列的方向性無關(guān)；需要有啟動子才能發(fā)揮作用。99例如：Beta珠蛋白基因的增強子是由串聯(lián)重復(fù)的兩個72bp長的相同序列組成，位于轉(zhuǎn)錄起點上游-1400bp或下游3300bp處，均可增強轉(zhuǎn)錄效率（活性）200倍。增強子在轉(zhuǎn)錄起始點的上下游一定范圍內(nèi)增強轉(zhuǎn)錄效率。作用可以是5’～3’，也可以是3’～5’方向。100（三）沉默子能夠抑制基因的轉(zhuǎn)錄沉默子是一類基因表達的負性調(diào)控元件，當其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。101四、轉(zhuǎn)錄因子是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵分子真核基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白又稱轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactor,TF）。絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由其編碼基因表達后，進入細胞核，通過識別、結(jié)合特異的順式作用元件而增強或降低相應(yīng)基因的表達。轉(zhuǎn)錄因子也被稱為反式作用蛋白或反式作用因子。102真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達，稱順式作用。由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達。這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用。

反式作用因子(trans-actingfactor)

103圖18-8反式與順式作用蛋白104（一）通用轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動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。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）通用轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子105TFⅡD------------三種聚合酶都有TFⅡA、TFⅡB、TFⅡE、TFⅡF、TFⅡH--------------RNApolⅡTFⅢA、TFⅢB、TFⅢC--------------RNApolⅢ106*（二）特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)為個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子增強子結(jié)合蛋白沉默子結(jié)合蛋白有的通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用而發(fā)揮抑制作用107（三）轉(zhuǎn)錄因子作用的結(jié)構(gòu)特點DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域最常見）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域1081.DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域——常見的有：鋅指結(jié)構(gòu)（Zincfinger）堿性螺旋－環(huán)－螺旋（basichelix-loop-helix--bHLH）堿性亮氨酸拉鏈（basicleucinezipper–bZIP)109最常見的DNA結(jié)合域：鋅指模體(zincfinger)由1個α螺旋（有2個His或Cys）和2個反向平行的β折疊（各有1個Cys）組成。常結(jié)合GC盒。C=半胱氨酸；H=組氨酸；F=苯丙氨酸；L=亮氨酸；Y=酪氨酸；Zn=鋅離子圖18-9鋅指結(jié)構(gòu)110一個蛋白質(zhì)分子可有2—9個鋅指重復(fù)單位，鋅指以指部伸入DNA的雙螺旋的大溝，接觸5個核苷酸。111Cys2/His2鋅指結(jié)構(gòu)112堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basichelix-loop-helix,bHLH)（a）獨立的堿性螺旋-環(huán)-螺旋模體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bHLH模體二聚體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個-螺旋的堿性區(qū)分別嵌入DNA雙螺旋的大溝內(nèi)由2個α螺旋和一個短肽環(huán)組成。常結(jié)合CAAT盒113堿性螺旋－環(huán)－螺旋（basichelix-loop-helixbHLH)常結(jié)合CAAT盒α－螺旋嵌入DNA的深溝，兩個亞基占據(jù)一個螺距突環(huán)(loop)α螺旋114N端富含堿性氨基酸，C端每隔6個氨基酸出現(xiàn)一個Leu，C端形成α螺旋時Leu都出現(xiàn)在α螺旋的同一側(cè)。常結(jié)合CAAT盒3.堿性亮氨酸拉鏈(basicleucinezipper,bZIP)

（a）堿性亮氨酸拉鏈二聚體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bZIP模體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個-螺旋上的亮氨酸殘基彼此接近，形成了類似拉鏈的結(jié)構(gòu)，而富含堿性氨基酸殘基的區(qū)域與DNA骨架上的磷酸基團結(jié)合。115堿性亮氨酸拉鏈

兩組平行走向的帶亮氨酸的α－螺旋形成對稱的二聚體，每條鏈上的亮氨酸有規(guī)律的每隔6個aa就出現(xiàn)一次（兩圈，每圈3.6aa）其側(cè)鏈上的R－基團的分支，剛好互相交錯排列，形成拉鏈狀結(jié)構(gòu)。α螺旋Leu側(cè)鏈位于α螺旋的疏水面,呈拉鏈狀排列（basicleucinezipper–bZIP)116堿性亮氨酸拉鏈1172.轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域

酸性激活結(jié)構(gòu)域：一段富含酸性氨基酸的保守序列，常形成帶負電的β-折疊，通過與TFII-D的相互作用協(xié)助轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的組裝。谷氨酰胺富含結(jié)構(gòu)域：N-端谷氨酰胺含量高，與GCbox結(jié)合后發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活作用。脯氨酸富含結(jié)構(gòu)域：C末端富含Pro，通過與CAATbox結(jié)合激活轉(zhuǎn)錄。118（四）二聚化是常見的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用方式

與bZIP和bHLH結(jié)構(gòu)有關(guān)。119五、轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的動態(tài)構(gòu)成是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要方式（一）啟動子與RNA聚合酶活性啟動序列或啟動子的核苷酸序列會影響其與RNA聚合酶的親和力，而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄起始的頻率。轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子AATAAA剪接加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體+1結(jié)構(gòu)基因啟動子上游啟動子元件121（二）調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性真核RNA聚合酶II不能單獨識別、結(jié)合啟動子，而是先由基本轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶II形成一個功能性的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物。122圖18-12轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成真核RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。PolⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPDNATATAEBPTBP123先有TFⅡD組成成分TBP(TATA結(jié)合蛋白）識別TATA盒或啟動元件（initiatorInr）并有TAF（TBP相關(guān)因子）參與形成TFⅡD－啟動子復(fù)合物，繼而在TFⅡA----F等參與下形成轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物PIC。124polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPTBP相關(guān)因子EBPTATA

DNA結(jié)合了增強子的轉(zhuǎn)錄激活因子與轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物中的TFⅡD接近或通過TAF與TFⅡD聯(lián)系形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，才能啟動轉(zhuǎn)錄。125六、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要影響真核mRNA的結(jié)構(gòu)與功能（一）mRNA穩(wěn)定性的影響真核生物基因表達5-端的帽子結(jié)構(gòu)可以增加mRNA的穩(wěn)定性避免被5’-核酸外切酶降解；與相應(yīng)的帽子結(jié)合蛋白結(jié)合提高翻譯效率；參與mRNA的轉(zhuǎn)運。3-端的poly(A)尾結(jié)構(gòu)防止mRNA降解防止3’-核酸外切酶的降解；參與翻譯起始；3’-UTR參與mRNA胞質(zhì)定位。126mRNA運輸、胞漿內(nèi)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)：

所有RNA分子中，mRNA壽命最短。mRNA穩(wěn)定性是由合成速率和降解速率共同決定的。RNA無論是在核內(nèi)進行加工、由胞核運至胞漿，還是在胞漿內(nèi)停留（至降解），都是通過與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白顆粒(ribonucleoprotein,RNP)進行的。127轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(TfR)介導(dǎo)含鐵的鐵蛋白從細胞外進入細胞內(nèi)。其mRNA的降解速率受胞漿內(nèi)某些蛋白質(zhì)成分的調(diào)節(jié)。

當細胞內(nèi)鐵足量時：TfRmRNA降解速度加快。

細胞內(nèi)鐵不足時（如缺鐵性貧血）：TfRmRNA穩(wěn)定性增加，受體蛋白合成增加。例：128TfR的3′UTR區(qū)存在一些特殊的序列，稱為鐵應(yīng)答元件（ironresponseelement，IRE）。由富含A-U配對的莖-環(huán)結(jié)構(gòu)組成。IRE是IRE結(jié)合蛋白（IRE-BP）的特異性識別區(qū)域，IRE-BP受細胞內(nèi)鐵濃度的影響。缺鐵鐵足量129與原核基因表達調(diào)節(jié)一樣，某些小分子RNA也可調(diào)節(jié)真核基因表達。這些RNA都是非編碼RNA（noncodingRNA,ncRNA）。如：具有催化活性的RNA（核酶）、細胞核小分子RNA（snRNA）以及核仁小分子RNA（snoRNA）目前人們廣泛關(guān)注的非編碼RNA有miRNA和siRNA。小分子RNA對基因表達的調(diào)節(jié)十分復(fù)雜，（二）一些非編碼小分子RNA可引起轉(zhuǎn)錄后基因沉默130（三）mRNA前體的選擇性剪接可以調(diào)節(jié)真核生物基因表達真核生物基因所轉(zhuǎn)錄出的mRNA前體含有交替連接的內(nèi)含子和外顯子。通常狀態(tài)下，mRNA前體經(jīng)過剔除內(nèi)含子序列后成為一個成熟的mRNA，并被翻譯成為一條相應(yīng)的多肽鏈。但是，參與拼接的外顯子可以不按照其在基因組內(nèi)的線性分布次序拼接，內(nèi)含子也可以不完全被切除，由此產(chǎn)生了選擇性剪接。大鼠降鈣素基因的選擇性剪切降鈣素,維持鈣濃度穩(wěn)定降鈣素-基因相關(guān)肽,舒張血管,降低血壓132七、真核基因表達在翻譯以及翻譯后仍可受到調(diào)控（一）對翻譯起始因子活性的調(diào)節(jié)主要通過磷酸化修飾進行蛋白質(zhì)合成速率的快速變化在很大程度上取決于起始水平，通過磷酸化調(diào)節(jié)翻譯起始因子（eukaryoticinitiationfactor,eIF）的活性對起始階段有重要的控制作用。1．翻譯起始因子eIF-2α的磷酸化抑制翻譯起始133

如eIF-2α亞基的磷酸化可阻遏eIF的正常運行，從而抑制蛋白質(zhì)合成的起始。ATPADP如：血紅素可以抑制PKA活化，防止或減少eIF-2的失活，促進蛋白的合成。細胞抗病毒的機制：dsRNA激活蛋白激酶，使eIF-2磷酸化，抑制蛋白合成。1342．eIF-4E及eIF-4E結(jié)合蛋白的磷酸化激活翻譯起始帽結(jié)合蛋白eIF-4E與mRNA帽結(jié)構(gòu)的結(jié)合是翻譯起始的限速步驟，磷酸化修飾及與抑制物蛋白的結(jié)合均可調(diào)節(jié)eIF-4E的活性。磷酸化的eIF-4E與帽結(jié)構(gòu)的結(jié)合力是非磷酸化的eIF-4E的4倍，因而可提高翻譯的效率。135（二）RNA結(jié)合蛋白參與了對翻譯起始的調(diào)節(jié)RNA結(jié)合蛋白（RNAbindingprotein,RBP），是指那些能夠與RNA特異序列結(jié)合的蛋白質(zhì)?；?/p>