1、第五章 基因表達調(diào)控制作小組：肖詩楠、陳力、董永雄1江漢大學(xué)文理學(xué)院一、概述 原核生物及單細胞真核生物在其生長繁殖過程，往往直接暴露在變化莫測的自然環(huán)境中，其食物供應(yīng)多樣且無保障，因此只能隨同環(huán)境條件的改變，來合成各種不同的蛋白質(zhì)，使其代謝過程能夠適應(yīng)環(huán)境的變化，維持自身的生存乃至繁衍。高等真核生物代謝途徑以及食物來源相對于原核生物而言比較穩(wěn)定，但由于它們是多細胞的有機體，在個體發(fā)育過程中出現(xiàn)細胞分化，形成各種組織和器官，不同的細胞所合成的蛋白質(zhì)在質(zhì)和量上是不同的。因此，不論是真核細胞還是原核細胞，都必須有一套準確的調(diào)節(jié)基因表達和蛋白質(zhì)合成的機制。 第一節(jié)原核生物基因表達調(diào)控2江漢大學(xué)文理學(xué)院

2、 生物的遺傳信息是以基因的形式儲藏在細胞內(nèi)的DNA（或RNA）分子中的，隨著個體的發(fā)育，DNA有序地將遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能多、完成生命的全過程。從DNA到蛋白質(zhì)的過程，叫做基因表達(gene expression)對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達調(diào)控(regulation of gene expression or gene control)。對于原核生物，以營養(yǎng)狀況（nutritional status）和環(huán)境因素（environmental factor）為主要的基因表達影響因素。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormone level）

3、和發(fā)育階段（developmental stage）是基因表達調(diào)控的最主要手段和體現(xiàn)，而營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。3江漢大學(xué)文理學(xué)院 （一）細菌細胞對營養(yǎng)的適應(yīng) 為了生存，細菌必須能夠適應(yīng)廣泛變化的環(huán)境條件。這些環(huán)境條件包括營養(yǎng)、水分、溶液濃度、溫度、pH等。而這些條件又必須通過細胞內(nèi)的各種生化反應(yīng)途徑，為細胞的生長繁殖提供能量和構(gòu)建細胞組分所需的小分子化合物。一般細菌如火腸桿菌所需的碳源首先是葡萄糖，利用葡萄糖發(fā)酵獲得能量，維持生存。在缺乏葡萄糖時細菌也可以利用其他糖類（如乳糖）作為碳源維持生存。（二）結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因 結(jié)構(gòu)基因(structural gene)是編碼蛋白質(zhì)或功能RN

4、A的基因。細菌的結(jié)構(gòu)基因一般成簇排列，多個結(jié)構(gòu)基因受單一啟動子共同控制，使整套基因或都表達或者都不表達。結(jié)構(gòu)基因編碼大量功能各異的蛋白質(zhì)，其中有組成細胞和組織器官基本成分的結(jié)構(gòu)蛋白、有催化活性的酶和各種調(diào)節(jié)蛋白等。調(diào)節(jié)基因(regu1ator，gene)是編碼合成那些參與基因表達調(diào)控的RNA和蛋白質(zhì)的特異DNA序列。調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物通過與DNA上的特定位點結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵。調(diào)節(jié)物與DNA特定位點的相互作用能以正調(diào)控的方式(啟動或增強基因表達活性)調(diào)節(jié)靶基因，也能以負調(diào)控的方式(關(guān)閉或降低基因表達活性)調(diào)節(jié)靶基因。它們通常位于受調(diào)節(jié)基因的上游，但有時也有例外。 4江漢大學(xué)文理學(xué)院(三

5、)正調(diào)控與負調(diào)控 在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白(a九vat。r)，激活蛋白結(jié)合啟動子RNA聚合酶后，轉(zhuǎn)錄才會進行。在負轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白(re-pressor)，阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，其作用部位是操縱區(qū)，它與操縱區(qū)結(jié)合轉(zhuǎn)錄受阻。(四)可誘導(dǎo)的操縱子(inducible operon)與可阻遏的操縱子(repressible operon) 根據(jù)操縱子對于能調(diào)節(jié)它們表達的小分子的應(yīng)答反應(yīng)的性質(zhì)，可將操縱子分為可誘導(dǎo)的操縱子和可阻遏的操縱子兩類。在可誘導(dǎo)的操縱子中，加入這種對基因表達有調(diào)節(jié)作用的小分子后，則開啟基因的轉(zhuǎn)錄活性。這種作用及其過程叫做誘導(dǎo)(induct

6、ion)。產(chǎn)生誘導(dǎo)作用的小分子物質(zhì)叫做誘導(dǎo)物(inducer)。在可阻遏的操縱子中，加入對基因表達有調(diào)節(jié)作用的小分子物質(zhì)后，則關(guān)閉基因的轉(zhuǎn)錄活性。這種作用及其過程叫做阻遏(repression)。產(chǎn)生阻遏作用的小分子物質(zhì)叫做輔阻遏物(corepressor)。5江漢大學(xué)文理學(xué)院大腸桿菌乳糖操縱子各功能區(qū)組織排列示意圖7江漢大學(xué)文理學(xué)院 三個結(jié)構(gòu)基因的功能如下：lacZ基因編碼-半乳糖苷酶，為500kD的四聚體構(gòu)成。在分解代謝中可水解乳核的半乳糖苷鍵，從而產(chǎn)生半乳糖和葡萄糖。lacY基因編碼-半乳糖苷透性酶，這種酶是一種分子質(zhì)量為30kD的膜結(jié)合蛋白，它構(gòu)成了轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，負責(zé)將半乳糖轉(zhuǎn)運到細胞中。

7、lacA基因編碼-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，其功能是將乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)移到-半乳糖苷上。 除此之外，乳糖操縱子還包括處在結(jié)構(gòu)基因上游的調(diào)節(jié)基因lacI。lacZ、lacY、lacA基因的轉(zhuǎn)錄是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白所控制的。lacI一般和結(jié)構(gòu)基因相鄰，但其本身有自己的啟動子和終止子而形成獨立的轉(zhuǎn)錄單位。乳糖操縱子的阻遏蛋白是由4個亞基組成的四聚體，主要結(jié)合在結(jié)構(gòu)基因lacZ、lacY和lacA上游的操縱基因(lacO)，阻止啟動子的轉(zhuǎn)錄起始，對操縱子形成負調(diào)控(negative regulation)。8江漢大學(xué)文理學(xué)院乳糖操縱子負調(diào)控模型10江漢大學(xué)文理學(xué)院3小分子效應(yīng)物的作用 細

8、菌耍能在營養(yǎng)供給千變?nèi)f化的自然環(huán)境中生存下來，就必須對環(huán)境的變化做出迅速的反應(yīng)，并具備可交換不同代謝底物的能力。因此當缺乏底物的時候，細菌就阻斷相關(guān)酶的合成途徑，但同時也留有余地，當?shù)孜锎嬖谥畷r可立刻快速大量地合成相關(guān)酶類。這種機制反映在原核生物的操縱子上，即是通過調(diào)節(jié)蛋白與小分子物質(zhì)相互作用達到誘導(dǎo)狀態(tài)或阻遏狀態(tài)。這些小分子或是代謝途徑的底物或是產(chǎn)物，屬于基因表達的調(diào)節(jié)物質(zhì)，稱為效應(yīng)物。細菌細胞有兩種類型的效應(yīng)物，簡述如下： (1)誘導(dǎo)物 在自然狀態(tài)下有些阻遏蛋白一般結(jié)合在DNA分子上，當誘導(dǎo)物缺乏時，阻遏蛋白與操縱基因牢固結(jié)合，阻止RNA聚合酶進入啟動子區(qū)域，操縱子被關(guān)閉，結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄

9、。當有誘導(dǎo)物存在時，誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合，促使后者空間構(gòu)象變化，使阻遏蛋白與操縱基因親和力下降而解離下來，RNA聚合演能夠進入啟動子區(qū)域，開啟了結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄表達。 (2)輔阻遏物 有些阻遏蛋白本身不具有結(jié)合操縱基因的活性，在自然狀態(tài)下操縱于是開放的，能正常表達，當細胞中有輔阻遏物存在時，它可以結(jié)合到阻遏蛋白分子上，提高阻遏蛋白與換縱篡因的親和性。11江漢大學(xué)文理學(xué)院4降解物對基因活性的調(diào)節(jié) 有葡萄糖存在的情況下，即使在培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對應(yīng)的操縱子也不會啟動產(chǎn)生代謝這些糖的酶。這是因為葡萄糖是最常用的碳源，細菌所需要的能量主要從葡萄糖獲得，在這種情況下

10、，細菌無需開動一些不常用的基因去利用這些稀有的糖類。葡萄糖的存在可抑制細菌細胞中的腺苷酸環(huán)化酶，減少環(huán)腺苷酸(cAMP)的合成，與它結(jié)合的受體蛋白質(zhì)CAP因找不到配體而不能形成cAMP-CAP復(fù)合物。cAMPCAP是一個重要的正調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以與操縱子上的啟動子區(qū)結(jié)合，啟動基因轉(zhuǎn)錄，所以如果培養(yǎng)基中葡萄糖的含量下降，腺苷酸環(huán)化酶活力就會相應(yīng)提高，cAMP合成增加，cAMP與CAP形成復(fù)合物并與啟動子結(jié)合，促進乳糖操縱子的表達。葡萄糖等降解物的這種抑制的作用稱為葡萄糖效應(yīng)或稱為降解物抑制作用。12江漢大學(xué)文理學(xué)院大腸桿菌半乳糖操縱子的調(diào)節(jié)14江漢大學(xué)文理學(xué)院大腸桿菌半乳糖操縱子的DNA成環(huán)15江漢

11、大學(xué)文理學(xué)院 AraC蛋白同時顯正、負調(diào)節(jié)因子的功能。阿拉伯糖操縱子的操縱基因受AraC蛋白調(diào)節(jié)。AraC蛋白具有兩種不同的功能構(gòu)象，即正、負調(diào)節(jié)因子的雙重功能構(gòu)象。一般認為Pr是起阻遏作用的構(gòu)象形式，可與操縱區(qū)位點相結(jié)合，Pi是起誘導(dǎo)作用的構(gòu)象形式，通過與PBAD啟動子結(jié)合進行調(diào)節(jié)。Pr和Pi兩種構(gòu)象處于動態(tài)平衡之中。當缺乏誘導(dǎo)物阿拉伯糖時，AraC處于Pr狀態(tài)，不結(jié)合araI而是結(jié)合操縱基因位點，阻礙araBAD的表達。當阿拉伯糖存在時，由araC編碼的激活蛋白AraC與其結(jié)合，改變了AraC的構(gòu)象顯出Pi，該復(fù)合物結(jié)合于araL區(qū)后可激活PBAD轉(zhuǎn)錄。 17江漢大學(xué)文理學(xué)院阿拉伯糖對ar

12、a操縱子araL位點的調(diào)控作用18江漢大學(xué)文理學(xué)院(四)色氨酸操縱子(tryptophan operon) 大腸桿菌的乳糖操縱子是一個誘導(dǎo)系統(tǒng)，控制的是分解代謝。其底物小分子的存在誘導(dǎo)操縱子打開而合成一系列酶系，從而催化乳搪的分解。色氨酸操縱子作用則正好相反，其控制的是合成代謝，最終合成產(chǎn)物是色氨酸。在培養(yǎng)基中缺乏色氨酸時操縱子打開，而加入色氨酸后將促進操縱子的關(guān)閉，也就是代謝途徑的最終產(chǎn)物色氨酸或某種物質(zhì)對轉(zhuǎn)錄起到阻遏而非誘導(dǎo)的作用。大腸桿菌色氨酸操縱子結(jié)構(gòu)19江漢大學(xué)文理學(xué)院1色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng) trp操縱子中編碼阻遏物的基因trpR距trp基因簇較遠，編碼合成一個相對分子質(zhì)量為580

13、00kD的阻遏蛋白。當這個阻遏蛋白以游離形式存在時，不能結(jié)合到操縱基因上，此時后者能夠轉(zhuǎn)錄和表達，使細菌細胞合成色氨酸。但當在培養(yǎng)基中的色氨酸過量時，它能與阻遏蛋白形成復(fù)合物，并結(jié)合到操縱基因上阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，這種以代謝終產(chǎn)物阻止基因轉(zhuǎn)錄的機理稱為反饋阻遏。此終產(chǎn)物(色氨酸)稱為輔阻遏物。這種調(diào)控方式容易造成在色氯酸充足時，色氨酸-阻遏蛋白復(fù)合體結(jié)合操縱基因，完全阻斷轉(zhuǎn)錄；而當色氨酸水平很低時，阻遏被消除，轉(zhuǎn)錄開放，合成色氨酸。色氨酸操縱子負調(diào)控過程 20江漢大學(xué)文理學(xué)院2色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng) 色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)是色氨酸生物合成途徑的第一水平調(diào)控，它主要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的啟動與否。色氨酸操縱子

14、的第二水平調(diào)控是色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng)，它決定著已經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)錄是否能夠繼續(xù)進行下去。 在色氨酸mRNA5端trpE起始密碼子前有一段162個堿基的DNA序列和核糖體結(jié)合位點，稱為前導(dǎo)序列(1eader sequence)。當mRNA轉(zhuǎn)錄起始后，如果培養(yǎng)基中存在一定水平的色氨酸，轉(zhuǎn)錄能夠被啟動，但到達這個區(qū)域就停止，產(chǎn)生一個140nt的RNA分子，如果沒有色氨酸存在，則轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進行，合成trpEmRNA。當mRNA合成起始以后，除非培養(yǎng)基中完全沒有色氨酸，否則轉(zhuǎn)錄總是在這個區(qū)域終止。因為轉(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這一區(qū)域，并且這種終止能被調(diào)節(jié)，因此這個區(qū)域被稱為弱化子或衰減子(attenuator)。對引起

15、終止的mRNA堿基序列的研究發(fā)現(xiàn)，這一區(qū)域的mRNA堿基序列可通過自我配對形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，可以導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄終結(jié)。21江漢大學(xué)文理學(xué)院三、轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控(一)RNA干擾的影響 RNA干擾(RNA interference)是在研究反義RNA技術(shù)中首先發(fā)現(xiàn)的，與反義RNA的作用既有聯(lián)系又有一定的差別。反義RNA是利用完全互補的RNA與同源性mRNA/DNA雜交，封閉mRNADNA，以阻斷基因的表達。RNA干擾是外源或內(nèi)源性雙鏈RNA(dsRNA)觸發(fā)同源mRNA的特異性降解，從而使相應(yīng)基因表達沉默。因RNA干擾所致的基因沉默發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平亦稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默。22江漢大學(xué)文理學(xué)院四、翻譯水平調(diào)控（一

16、）、翻譯起始的調(diào)控 1、重疊核苷酸與翻譯調(diào)控 在原核生物中常常數(shù)顯操縱子中相鄰的基因有少量的DNA順序發(fā)生重疊，這不僅可以充分的利用有限的堿基，既滿足細胞的需要，同時又不造成浪費。 2、翻譯水平的自體調(diào)控 原核生物翻譯水平上的字體調(diào)控至少包括兩種方式：a由翻譯產(chǎn)物蛋白質(zhì)直接控制自身mRNA的可翻譯性。b利用RNA二級結(jié)構(gòu)的改變來控制操縱子各個基因表達的差異性，這是另一種自體調(diào)控。 色氨酸重疊核苷酸 24江漢大學(xué)文理學(xué)院（1）RNA噬菌體mRNA翻譯的自體調(diào)控，這類自體調(diào)控的特點是mRNA翻譯產(chǎn)物作為一種阻礙物起調(diào)控作用。（2）核糖體蛋白翻譯系統(tǒng)的自體調(diào)控，組成原核細胞的核糖體蛋白有近70種，r

17、RNA約3種，卻占整個核糖體66%，蛋白質(zhì)占34%。各種核糖體蛋白的數(shù)目不同，功能各異，半衰期不同。然而核糖體蛋白和一些輔助因子以及RNA聚合酶等的基因摻雜在一起組成6個操縱子。這樣一些基因組成的操縱子則必然存在一種差異表達的機制，用以保持核糖體各種蛋白質(zhì)數(shù)目和配比，并適應(yīng)核糖體組裝的需要。 （3）mRNA二級結(jié)構(gòu)對翻譯的調(diào)控，在一些RNA噬菌體mRNA上有兩個翻譯的起始位點（含AUG密碼子），只有一個其實位點是可被利用的，因為第二個起始位點被包含在莖環(huán)二級結(jié)構(gòu)中，因而核糖體不能識別它。但當?shù)谝粋€順反子翻譯的核糖體破壞了這種二級結(jié)構(gòu)后，AUG被暴露，核糖體很易結(jié)合到下一個順反子起始位點上，結(jié)果

18、使第二個起始位點成為可利用的。許多RNA噬菌體常利用其mRNA中的二級結(jié)構(gòu)來控制它的可翻譯性。25江漢大學(xué)文理學(xué)院3.反義RNA的調(diào)控 有時小分子RNA也可調(diào)節(jié)基因的表達，和蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)物一樣，此RNA是獨立合成的分子，與靶位點的特殊序列是分開的。靶序列常是單鏈的核苷酸序列，調(diào)節(jié)物RNA的功能是和靶序列互補，形成一個雙鏈區(qū)。此調(diào)節(jié)物RNA的作用可能有兩種機制：a和靶核苷酸序列形成雙鏈區(qū)，直接阻礙其功能，如翻譯的開始。B在靶分子的部分區(qū)域形成雙鏈區(qū)，改變其他區(qū)域的構(gòu)象，這樣直接影響其功能。在控制翻譯的反義調(diào)控中意味著RNA-RNA的相互作用 。27江漢大學(xué)文理學(xué)院（二）、翻譯的延伸調(diào)控 1、稀有密

19、碼子的調(diào)控 在原核生物中，有時同一個操縱子中的基因其功能并不相關(guān)，那么它們的產(chǎn)量就不可能有求一致，但又同在一個操縱子中，除自我調(diào)控外還可以利用別的途徑，如利用稀有密碼子進行調(diào)控就是有效的方法之一。所謂的稀有密碼子是在一般的編碼中利用頻率很低的密碼子。 2、二級結(jié)構(gòu)對翻譯的調(diào)控，弱化作用是原核生物利用RNA的二級結(jié)構(gòu)來調(diào)控轉(zhuǎn)錄。利用相似的機制還可以對翻譯進行調(diào)控，較典型的例子就是抗紅霉素基因利用mRNA二級結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)控甲基化酶的表達。紅霉素甲基化基因的表達受到前導(dǎo)肽和RNA二級結(jié)構(gòu)的調(diào)控28江漢大學(xué)文理學(xué)院（三）翻譯終止調(diào)控1、嚴緊控制 細菌升在貧瘠的條件下（如氨基酸不足），它們立即大范圍的

20、將基因活性關(guān)閉，表現(xiàn)為rRNA和tRNA合成減少80%-90%，總RNA合成減少到原水平的5%-10%，某些mRNA合成減少到3%。蛋白質(zhì)合成減少而降解速度增大，許多代謝發(fā)生調(diào)整，這種受控于氨基酸饑餓產(chǎn)生一系列的反應(yīng)稱為嚴緊反應(yīng)。2、mRNA的壽命對翻譯的調(diào)節(jié) 一般來說，原核生物的mRNA的壽命很短，大多數(shù)mRNA的半衰期為23min，這樣就能夠使細菌迅速適應(yīng)環(huán)境的變化。但是，細菌中各種mRNA在壽命上還是有相當大差異的，覺得mRNA壽命的許多因素都影響到基因的表達。29江漢大學(xué)文理學(xué)院第二節(jié) 真核生物基因表達調(diào)控一、概述 真核基因表達調(diào)控也有轉(zhuǎn)錄調(diào)控的許多基本原理和原核生物基因相同。主要表現(xiàn)

21、在：與原核基因的調(diào)控一樣，真核基因表達調(diào)控也有轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，并且也以轉(zhuǎn)錄水平為最重；在真核結(jié)構(gòu)基因的上游和下游也存在著許多特異的調(diào)控成分，并依靠特異蛋白因子與這些調(diào)控成分的結(jié)合與否調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。 由于真核生物與原核生物的基本生活方式不同，真核生物與原核生物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、基因結(jié)構(gòu)特點不同，以及真核基因與原核基因表達的時空特點不同等真核基因表達調(diào)控中至少有四個方面與原核基因表達調(diào)控不同30江漢大學(xué)文理學(xué)院（1）真核基因表達受到更多層次的調(diào)控，由于真核基因的轉(zhuǎn)錄與翻譯在時空上是分別進行的，而且真核基因是斷裂基因，轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)過剪切去除內(nèi)含子拼接外顯子等修飾過程才具有翻譯模板活性，使得真核

22、基因的表達有多種調(diào)控機制，包括DNA和染色體水平的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控、翻譯水平的調(diào)控、蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控等多種層次。（2）順式作用元件與反式作用因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)模式，轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)是真核基因表達調(diào)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這一過程主要是通過順式作用元件（cis-acting element）與反式作用因子（trans-acting factor）的相互作用而實現(xiàn)。（3）正調(diào)控占主導(dǎo)，真核細胞中雖然也像原核生物一樣有正調(diào)控和負調(diào)控成分，但目前已知的主要是正調(diào)控，而且一個真核基因通常有多個調(diào)控序列，必須有多個激活物同時特異的與之結(jié)合才能調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄。（4）細胞特異性表達，真核生物都為多細

23、胞生物，在個體發(fā)育過程中發(fā)生細胞分化后，不同細胞的功能不同，基因表達的情況也不一樣，某些基因僅特異地在某種細胞中表達，稱為細胞特異性或組織特異性表達。真核生物的細胞特異性或組織特異性表達顯示其具有調(diào)控這種特異性表達的機制。 31江漢大學(xué)文理學(xué)院二、DNA和染色水平 真核生物基因組不是環(huán)狀和線狀近于裸露的DNA，而是由多條染色體組成，染色體本身也是以核小體味單位形成的多級結(jié)構(gòu)，因此真核生物的基因調(diào)控是從DNA到染色體多層次的。 (一)基因丟失 有的生物在個體發(fā)育的早期，在體細胞中藥丟失部分染色體，而在生殖細胞中保持全部的基因組，被丟失在染色體其上的遺傳信息可能對體細胞來說沒有什么意義而對生殖細胞

24、的發(fā)育也許是不可缺少的。 (二)基因擴增 基因擴增其本質(zhì)是指細胞內(nèi)特定基因拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象。 1、組織中整個染色體都進行擴增，例如果蠅的唾腺中，細胞不分裂但染色體卻多輪復(fù)制，產(chǎn)生巨大的多線染色體(ploytenne chromosomes)含1000多條染色體。 2、發(fā)育中的編程擴增 (1)特定的基因簇的染色體外擴增 (2)特定的基因簇原位擴增 (3)哺乳動物培養(yǎng)細胞中定向基因的應(yīng)激性擴增，某些試劑可使那些對其產(chǎn)生抗性的基因量擴增，當用藥物處理培養(yǎng)的哺乳動物類細胞來一直特定的酶時，抗性細胞可以被分離并大量生長32江漢大學(xué)文理學(xué)院果蠅的唾腺染色體33江漢大學(xué)文理學(xué)院（三）基因重排 一個

25、基因可以通過從遠離其啟動子的地方移到距它很近的位點而被啟動轉(zhuǎn)錄，這種方式稱為基因重排，通過基因重排調(diào)節(jié)基因活性的典型例子是小鼠免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因的表達。我們知道，免疫球蛋白的肽鏈主要是由可變區(qū)（V區(qū)）、恒定區(qū)（C區(qū)）以及兩者之間的連接區(qū)（J區(qū)）組成的，而且V基因、C基因和J基因在小鼠細胞中相隔較遠的。當免疫球蛋白形成細胞（如淋巴細胞）發(fā)育分化時，能通過染色體內(nèi)重組，把三個遠離的基因緊密地連接在一起，從而產(chǎn)生免疫球蛋白。34江漢大學(xué)文理學(xué)院（四）染色質(zhì)水平調(diào)控(1)異染色質(zhì)化 染色質(zhì)可分為常染色質(zhì)(euchromatin)和異染色(heterochrom-atin)，它們在細胞中凝聚的時期不同，

26、異染色質(zhì)是包裝成2030nm，不具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)。異染色質(zhì)有分為組成性異染色質(zhì)(constitive heteroch- romatin)和兼性異染色質(zhì)(facultative heterochro-matin)。前者是指在各種細胞中，在整個細胞周期內(nèi)都處于凝聚狀態(tài)的染色質(zhì)，如著絲粒，端粒等。(2)DNase的敏捷性和基因表達 當一個基因處于轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)時，含有這個基因的染色質(zhì)區(qū)域?qū)Nase （一種內(nèi)切酶）降解的敏感性要比無轉(zhuǎn)錄活性區(qū)域高得多。這是由于此區(qū)域染色質(zhì)的DNA蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變得松散， DNase 易于接觸到DNA之故。 DNase 敏感區(qū)的范圍隨著基因序列的不同而變化，從基因周圍

27、幾個kb到兩側(cè)20kb大小不等(3)組蛋白的乙?；腿ヒ阴；刂迫旧|(zhì)活化 真核生物的染色體是由DNA與組蛋白、非組蛋白構(gòu)成的復(fù)合物。從進化的意義上說組蛋白是極端保守的，在各種真核生物中他們的氨基酸順序，結(jié)構(gòu)和功能都十分相似。35江漢大學(xué)文理學(xué)院五、DNA甲基化與去甲基化 DNA甲基化作用是真核生物基因表達調(diào)控的一種重要方式，通過影響基因轉(zhuǎn)錄水平而參與細胞分化的調(diào)控過程。已有大量研究表明，DNA甲基化作用可以影響DNA分子構(gòu)象，從而改變某些基因上游調(diào)控區(qū)和各種與基因轉(zhuǎn)錄相關(guān)的蛋白因子之間的相互作用。在較高的真核細胞DNA中少量胞嘧啶殘基（2%7%）被甲基化，其中衛(wèi)星DNA序列最為強烈。 一般說

28、來甲基化多發(fā)生在CG二核苷酸對，大多數(shù)CG二核苷酸對都是甲基化的，甲基化達到一定程度時會發(fā)生從常規(guī)的B構(gòu)象向Z構(gòu)象的轉(zhuǎn)變。由于Z構(gòu)象結(jié)構(gòu)收縮，螺旋加深，使許多蛋白質(zhì)因子賴以結(jié)合的元件縮入大溝而不利于基因轉(zhuǎn)錄的起始。甲基化作用通過兩種方式抑制轉(zhuǎn)錄：一是通過干擾轉(zhuǎn)錄因子對DNA結(jié)合位點的識別。二是將轉(zhuǎn)錄因子識別的DNA序列轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)錄抑制物的結(jié)合點。 但是，DNA甲基化和去甲基化與基因活性的關(guān)系并不是絕對的，DNA甲基化也不是使基因表達失活的一種普遍機制，甲基化和去甲基化在基因表達活性調(diào)控中心的意義依生物不同而有差異，即使同一種生物，甲基化對不同基因活性也有不同的效應(yīng)。36江漢大學(xué)文理學(xué)院 轉(zhuǎn)錄水平

29、的調(diào)控最重要RNA聚合酶順式作用元件(cis-acting element)反式作用因子(trans-acting factor)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控37江漢大學(xué)文理學(xué)院順式作用元件定義：影響自身基因表達活性的非編碼DNA序列。其活性僅影響與其自身處于同一分子的基因。真核基因的順式作用元件按其功能可以分為啟動子、增強子、沉默子、絕緣子、應(yīng)答原件（1）啟動子：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識別、結(jié)合并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄起始的序列。38江漢大學(xué)文理學(xué)院exon1intron1exon nintron n上游下游轉(zhuǎn)錄起始點增強子沉默子啟動子TATA盒GC盒CAAT盒增強子39江漢大學(xué)文理學(xué)院（1）啟動子：在DNA

30、分子中，RNA聚合酶能夠識別、結(jié)合并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄起始的序列。真核基因的啟動子指的是RNA聚合酶（RNA polymerase，RNA Pol）識別、結(jié)合的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)中啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段特異DNA序列，包含一組轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能組件，其中每一個功能組件的DNA序列約720 bp。核心啟動子和上游啟動子40江漢大學(xué)文理學(xué)院41江漢大學(xué)文理學(xué)院（2）增強子：指能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列。 增強子特點： 增強效應(yīng)十分明顯，一般能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加10-200倍 增強效應(yīng)與其位置和取向無關(guān)，不論增強子以什么方向排列（53或35），甚至和靶基因相距3 kb，或在靶基因下游，均表現(xiàn)出增強效應(yīng)；

31、42江漢大學(xué)文理學(xué)院大多為重復(fù)序列，一般長約50bp，適合與某些蛋白因子結(jié)合。其內(nèi)部常含有一個核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），該序列是產(chǎn)生增強效應(yīng)時所必需的； 增強效應(yīng)有嚴密的組織和細胞特異性，說明增強子只有與特定的蛋白質(zhì)（轉(zhuǎn)錄因子）相互作用才能發(fā)揮其功能；43江漢大學(xué)文理學(xué)院 沒有基因?qū)Ｒ恍?，可以在不同的基因組合上表現(xiàn)增強效應(yīng)；可以通過啟動子提高同一條鏈上靶基因的轉(zhuǎn)錄效率；44江漢大學(xué)文理學(xué)院增強子作用機理： 45江漢大學(xué)文理學(xué)院沉默子：是指某些真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)中抑制或阻遏基因轉(zhuǎn)錄的一段（數(shù)百bp）DNA序列。沉默序列促進局部DNA的染色質(zhì)形成致密結(jié)構(gòu)，從而阻止轉(zhuǎn)錄激活因子

32、結(jié)合DNA，是基因轉(zhuǎn)錄的負性調(diào)節(jié)因素。其序列長短不一，短者僅數(shù)十個堿基對，長者超過46江漢大學(xué)文理學(xué)院絕緣子（insulator）是真核生物基因組的調(diào)控元件之一，亦為一種邊界元件。功能為阻止臨近調(diào)控元件，對它所界定基因的啟動子其增強或者阻遏的作用。它對增強子的抑制作用具有極性，即只對處于其所在邊界另一側(cè)的增強子有抑制作用，而并不能抑制與其處于同一結(jié)構(gòu)域的增強子。47江漢大學(xué)文理學(xué)院 與絕緣子作用有關(guān)的蛋白質(zhì)因子 真核生物基因的啟動子和增強子等調(diào)控元件都是通過和細胞內(nèi)特定的蛋白質(zhì)因子相互作用而產(chǎn)生調(diào)控效應(yīng)的。因此，在討論絕緣子的作用機理時，也不可忽視它們的結(jié)合蛋白。 絕緣子與其蛋白形成的復(fù)合物對

33、絕緣子的生物學(xué)功能至關(guān)重要。這些蛋白常常被稱為“絕緣子蛋白”48江漢大學(xué)文理學(xué)院49江漢大學(xué)文理學(xué)院絕緣子的功能 保護啟動子功能不受其它異常增強子或其它激發(fā)信號的有害影響；防止基因免受鄰近沉默信號的作用。50江漢大學(xué)文理學(xué)院應(yīng)答元件是位于基因上游能被轉(zhuǎn)錄因子識別和結(jié)合，從而調(diào)控基因?qū)Ｒ恍员磉_的DNA序列。應(yīng)答元件也有位于啟動子或增強子內(nèi)。如HSE位于啟動子內(nèi)，GRE則在增強子內(nèi)。各種應(yīng)答元件的作用原理是相同的，即特定的蛋白因子識別應(yīng)答元件并與其結(jié)合，從而調(diào)控基因的表達。所有的應(yīng)答元件都以相同的原理發(fā)揮其功能，即基因受識別啟動子或增強子中應(yīng)答元件的特定蛋白因子調(diào)控，這種特定蛋白轉(zhuǎn)錄因子是RNA聚

34、合酶II啟動轉(zhuǎn)錄所必需的。51江漢大學(xué)文理學(xué)院轉(zhuǎn)錄的反式作用因子（trans-acting factor）是能夠直接或間接識別或結(jié)合特異性順式元件（啟動子、增強子等）序列的蛋白質(zhì)。參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率，起正向或負向調(diào)控作用?；窘Y(jié)構(gòu)包括3個主要功能域： （1）識別或結(jié)合DNA的結(jié)構(gòu)域 （2）轉(zhuǎn)錄活性域 （3）結(jié)合其他因子或調(diào)控蛋白的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域52江漢大學(xué)文理學(xué)院識別、結(jié)合 DNA 的結(jié)構(gòu)域螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）結(jié)構(gòu) eg. 同源結(jié)構(gòu)域（homodomain, HD）、Oct1、2等鋅指（Zinc finger）結(jié)構(gòu) eg. TF IIIA、類固醇受體、S

35、P1等亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)（basic leucine zipper, bZIP）結(jié)構(gòu) eg. C/EBP家族、AP1（Fos-Jun家族）等螺旋-突環(huán)-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）結(jié)構(gòu) eg. Myc/Max、MyoD家族、E12、E47等53江漢大學(xué)文理學(xué)院1、螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋含約60個氨基酸，有至少2個 螺旋，其間由短肽段形成轉(zhuǎn)折，近羧基端 螺旋與DNA雙螺旋大溝結(jié)合。例：同源異型盒（homobox, Hox）基因編碼的的蛋白質(zhì)中都含有同源結(jié)構(gòu)域（homodomain, HD）的THT結(jié)構(gòu)，含3個螺旋，以二聚體形式與相鄰兩條DNA大溝結(jié)合。Hox是胚胎發(fā)育和細

36、胞分化的重要調(diào)控基因，已發(fā)現(xiàn)300多種，產(chǎn)物都是轉(zhuǎn)錄因子，序列保守。54江漢大學(xué)文理學(xué)院55江漢大學(xué)文理學(xué)院鋅指結(jié)構(gòu) 肽鏈中含有2個Cys和2個His、或4個Cys，具有保守序列C-X2-4-C-X3-F-X5-L-X2-H-X3-H， 2個C、2個H或4個C與Zn+以配位鍵結(jié)合，突出的環(huán)狀結(jié)構(gòu)稱鋅指，指間距離為7-8個氨基酸。56江漢大學(xué)文理學(xué)院3、堿性-亮氨酸拉鏈二聚體亮氨酸之間相互作用形成二聚體，形成“拉鏈” 。肽鏈氨基端2030個富含堿性氨基酸結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合。57江漢大學(xué)文理學(xué)院CSM Genome & Gene regulationEukaryotic Gene Regulati

37、on堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)及其與 DNA 的結(jié)合58江漢大學(xué)文理學(xué)院4、堿性-螺旋-環(huán)-螺旋該調(diào)控區(qū)長約50個aa殘基，同時具有DNA結(jié)合和形成蛋白質(zhì)二聚體的功能，其主要特點是可形成兩個親脂性-螺旋，兩個螺旋之間由環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連，其DNA結(jié)合功能是由一個較短的富堿性氨基酸區(qū)所決定的。 59江漢大學(xué)文理學(xué)院轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域（）轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域(Transactivation domain) 是反式作用因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控結(jié)構(gòu)域，一般由DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域外的30-100個aa組成常見的反式激活域有以下幾種：酸性謹螺旋結(jié)構(gòu)域(acidic a-Helix domain)如Jun；富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域(glutaminerich domain)如SPl富含脯氨酸的結(jié)構(gòu)域(proline-rich domain)。60江漢大學(xué)文理學(xué)院激素調(diào)節(jié)甾類激素：糖皮質(zhì)激素、鹽皮質(zhì)激素、雌激素、雄激素等 1、分子質(zhì)量小，細胞中含量低 2、甾體核上