RegulationofGeneExpression基因表達(dá)調(diào)控

第一節(jié)

基因表達(dá)調(diào)控的基本概念BasicConceptionsofGeneExpressionRegulation學(xué)習(xí)要求：

掌握基因、基因組、基因表達(dá)的概念；熟悉基因表達(dá)的方式、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義；了解基因表達(dá)的時(shí)空特異性的意義。**一、基因表達(dá)與調(diào)控的概念基因（gene）

cDNA(complementoryDNA)，是與mRNA互補(bǔ)的DNA。習(xí)慣上也將cDNA稱為“基因”?；蚪M(genome)

是遺傳的基本單位，是負(fù)載著特定遺傳信息的DNA片段，編碼具有生物學(xué)功能的多肽鏈或RNA。

（一）基因與基因組指一個(gè)遺傳體系（如一個(gè)生命個(gè)體、細(xì)胞或病毒）所攜帶的全部遺傳信息。**基因表達(dá)(geneexpression)

（二）基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控

是指基因的轉(zhuǎn)錄(單純的RNA編碼基因)，或基因的轉(zhuǎn)錄與翻譯(多肽鏈編碼基因)的過(guò)程?；虮磉_(dá)調(diào)控(controlofgeneexpression)對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄(單純的RNA編碼基因)，或基因的轉(zhuǎn)錄與翻譯(多肽鏈編碼基因)過(guò)程的調(diào)節(jié)與控制。

體細(xì)胞含有個(gè)體發(fā)育所需的全部遺傳信息，但其表達(dá)受嚴(yán)格調(diào)控，只表達(dá)自身所需的蛋白質(zhì)。①

人正常肝細(xì)胞只在胚胎期合成甲胎蛋白(AFP)。②

人正常肺組織細(xì)胞不合成降血鈣素。**（一）時(shí)間特異性(temporalspecificity)

又稱階段特異性(stagespecificity)，指在生物個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，每一階段都會(huì)有一些的特定基因，嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序開(kāi)啟或關(guān)閉，使不同的細(xì)胞向其特定的方向分化。

（二）空間特異性(spatialspecificity)又稱為組織特異性(tissuespecificity)或細(xì)胞特異性(cellspecificity)，指在多細(xì)胞生物個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，某些基因在個(gè)體中按不同組織細(xì)胞空間順序表達(dá)的特性。二、基因表達(dá)的時(shí)空特異性**

人類基因組約有2.5萬(wàn)個(gè)基因，通常只有少部分基因表達(dá)，大部分基因處在沉靜狀態(tài)；另一方面，在細(xì)胞周期等生命過(guò)程的不同時(shí)期，個(gè)體的不同組織細(xì)胞中表達(dá)的基因不同。

物種愈高級(jí)，基因表達(dá)的時(shí)空特異性就愈明顯；而且，基因表達(dá)時(shí)空特異性的異常往往還與某種疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)聯(lián)。

葡萄糖-６-磷酸酶，通常在肝/腎細(xì)胞中表達(dá)，肌細(xì)胞中不表達(dá)。

血紅蛋白在骨髓紅系細(xì)胞中表達(dá)，肌紅蛋白在肌細(xì)胞中表達(dá)。丙酮酸羧化酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶果糖二磷酸酶-1

**三、基因表達(dá)的方式

同一基因組內(nèi)的不同基因?qū)ν猸h(huán)境刺激信號(hào)的反應(yīng)，即基因表達(dá)的方式，往往有很大差別，主要包括：（一）基因的組成性表達(dá)(constitutivegeneexpression)（二）基因的誘導(dǎo)性表達(dá)和阻遏性表達(dá)(inducedexpressionandrepressedexpression)（三）基因的協(xié)調(diào)性表達(dá)或調(diào)節(jié)(coordinateexpression/regulation)**指生物體基因組中的某些基因，在生物體一生及幾乎所有的細(xì)胞中，以相對(duì)恒定的表達(dá)速率，較少受外環(huán)境因素的影響的基因表達(dá)方式。采取組成性方式表達(dá)的基因，通常被稱之為持家基因或管家基因（house-keepinggene）。微管蛋白、糖酵解酶系蛋白、三羧酸循環(huán)酶系蛋白以及核糖體蛋白等蛋白的編碼基因。（一）基因的組成性表達(dá)三、基因表達(dá)的方式**可誘導(dǎo)基因的誘導(dǎo)性表達(dá)，是指在特定外環(huán)境刺激信號(hào)作用下，基因的表達(dá)被激活，表達(dá)產(chǎn)物明顯增加的基因表達(dá)方式。可阻遏基因的阻遏性表達(dá)，是指在特定外環(huán)境刺激信號(hào)作用下，基因的表達(dá)被抑制，表達(dá)產(chǎn)物明顯減少的基因表達(dá)方式。（二）基因的誘導(dǎo)性表達(dá)和阻遏性表達(dá)

乳糖可誘導(dǎo)細(xì)菌體內(nèi)利用乳糖的酶系蛋白編碼基因的表達(dá)。

色氨酸可抑制細(xì)菌體內(nèi)色氨酸合成酶系蛋白編碼基因的表達(dá)。**基因的協(xié)調(diào)表達(dá)，是指在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)的表達(dá)方式。對(duì)這種過(guò)程的調(diào)節(jié)，稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。（三）基因的協(xié)調(diào)性表達(dá)或調(diào)節(jié)組成一個(gè)代謝途徑的一系列酶和其它蛋白質(zhì)的編碼基因的統(tǒng)一調(diào)節(jié)，使參與的不同酶和蛋白質(zhì)間的比例適當(dāng)、作用協(xié)調(diào)。**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（二）維持個(gè)體發(fā)育與分化

多細(xì)胞生物體生長(zhǎng)、發(fā)育的基礎(chǔ)，是由一些特異性蛋白的編碼基因的選擇性表達(dá)而控制的細(xì)胞增殖與分化。

生物體所處的內(nèi)、外環(huán)境是在不斷變化的，通過(guò)調(diào)控不同基因表達(dá)，可使生物體生產(chǎn)出合適的蛋白質(zhì)，更好地適應(yīng)環(huán)境，維持其生長(zhǎng)與增殖。**第二節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本原理BasicPrinciplesofGeneExpressionRegulation學(xué)習(xí)要求：

掌握基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的基本要素，原核基因操縱子的概念、結(jié)構(gòu)。**一、基因表達(dá)調(diào)控的復(fù)雜性基因表達(dá)調(diào)控是多級(jí)水平上的復(fù)雜生物分子事件。①基因激活基因擴(kuò)增重排或丟失②轉(zhuǎn)錄起始③轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)運(yùn)mRNA降解④蛋白質(zhì)翻譯⑤翻譯后加工修飾蛋白質(zhì)降解等**（一）特異DNA序列

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPCAPDNA1.原核生物的特異DNA序列二、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)控的基本要素基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的基本要素包括特異DNA序列、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白和RNA聚合酶。**(1)啟動(dòng)序列(promotor)啟動(dòng)序列是RNA聚合酶特異性識(shí)別與結(jié)合的部位，通常位于操縱子轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游，有嚴(yán)格的方向性。共有序列中的任一堿基的變異都會(huì)影響RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，從而影響轉(zhuǎn)錄起始。啟動(dòng)序列區(qū)段內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-10區(qū)域和-35區(qū)域存在著與操縱子的轉(zhuǎn)錄活性關(guān)系密切共有序列(consensussequence)。**啟動(dòng)序列編碼序列操縱序列pol(2)操縱序列(operator)當(dāng)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是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阻遏蛋白操縱序列是阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，與啟動(dòng)序列或毗鄰，或重疊，或交錯(cuò)。**(3)轉(zhuǎn)錄激活蛋白結(jié)合序列有些操縱子啟動(dòng)序列中有轉(zhuǎn)錄激活蛋白結(jié)合位點(diǎn)等調(diào)節(jié)序列。++++轉(zhuǎn)錄ZYAOPCAPDNACAP當(dāng)轉(zhuǎn)錄激活蛋白結(jié)合與轉(zhuǎn)錄激活蛋白結(jié)合位點(diǎn)時(shí)，RNA聚合酶的就會(huì)活性增強(qiáng)，轉(zhuǎn)錄加快，介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)。**pol2.真核生物的特異DNA序列參與真核基因轉(zhuǎn)錄起始的特異DNA序列分別稱之為啟動(dòng)子(promoter)、增強(qiáng)子(enhancer)和沉默子(silencer)等；又稱為順式作用元件。**1.原核生物調(diào)節(jié)蛋白分為三類：(1)特異因子（二）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白即σ因子，是原核RNA聚合酶全酶的成分之一，決定RNA聚合酶對(duì)操縱子啟動(dòng)序列中-35區(qū)域共有序列的特異性識(shí)別與結(jié)合。如σ70識(shí)別TTGACA序列，控制著相應(yīng)操縱子基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。**(2)阻遏蛋白(repressor)可以與調(diào)控區(qū)的操縱序列識(shí)別、結(jié)合，通過(guò)抑制轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成抑制基因轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負(fù)性調(diào)節(jié)，是原核基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)調(diào)控的主要機(jī)制。**激活蛋白識(shí)別、結(jié)合的序列與啟動(dòng)序列鄰近，能夠增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性。分解代謝物基因激活蛋白(CAP)是一種典型的激活蛋白，對(duì)乳糖操縱子的表達(dá)至關(guān)重要；可被cAMP結(jié)合而活化。沒(méi)有CAP的作用，RNA聚合酶的活性很弱。(3)激活蛋白(activator)：**2.真核基因的調(diào)節(jié)蛋白

調(diào)節(jié)自身編碼基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)蛋白又被稱為順式作用蛋白(cis-actingprotein)；而調(diào)節(jié)非自身編碼基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)蛋白則被稱為反式作用因子(trans-actingfactor)。一般有三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域中：DNA識(shí)別結(jié)合域、結(jié)合其它蛋白的結(jié)合域、轉(zhuǎn)錄活性域；能識(shí)別結(jié)合上游調(diào)控區(qū)中的順式作用元件；對(duì)基因表達(dá)有正性和負(fù)性調(diào)控作用，即激活和阻遏基因的表達(dá)。**圖15-7反式作用因子和順式作用蛋白調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的作用方式**（三）RNA聚合酶1.原核基因啟動(dòng)序列與RNA聚合酶間的結(jié)合改變基因啟動(dòng)序列區(qū)中的共有序列，可調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄水平。

（1）原核基因的啟動(dòng)序列與RNA聚合酶間可直接結(jié)合，二者間親和力的大小，直接影響以RNA聚合酶為核心的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物組裝的頻率。**

（2）原核基因的特異轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白σ決定著RNA聚合酶識(shí)別啟動(dòng)序列的特異性。P70S1S2S3?P32H1H2H3?P60N1N2N3?σ70σ32σ60不同的σ調(diào)節(jié)蛋白可介導(dǎo)RNA聚合酶與不同的基因啟動(dòng)序列結(jié)合，啟動(dòng)不同的基因轉(zhuǎn)錄。**2.真核基因啟動(dòng)子與RNA聚合酶間的結(jié)合（1）在真核基因，由于單獨(dú)的RNA聚合酶與啟動(dòng)子之間的親和力極低或無(wú)親和力，兩者間的結(jié)合需要TFⅡD等基本轉(zhuǎn)錄因子從中介導(dǎo)。（2）真核基因啟動(dòng)子與基本轉(zhuǎn)錄因子TFⅡD等之間的親和力，決定真核基因特異DNA序列對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起始的影響。**(1)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白與DNA序列之間特異性結(jié)合的決定因素：①轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白多肽鏈中的堿性氨基酸殘基與

戊糖-磷酸骨架之間的正負(fù)電荷引力。②轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白氨基酸殘基與DNA分子堿基之間的相互作用。③還與轉(zhuǎn)錄因子、DNA的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。*酵母單雜交分析DNA-蛋白質(zhì)的相互作用**通常轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白在與特異性DNA序列結(jié)合前，需先通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)間的相互作用形成轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白二聚體(dimer)或多聚體(polymer)。在真核生物,一些轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白不能直接結(jié)合DNA，而是通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)之間的相互作用間接結(jié)合在DNA上，或直接與RNA聚合酶相互作用，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。(2)DNA-蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用:*酵母雙雜交分析蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用**第三節(jié)

原核基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpressioninProkaryote學(xué)習(xí)要求：

掌握乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)及其負(fù)性、正性、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)；熟悉色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)和調(diào)控機(jī)制；了解原核基因表達(dá)翻譯水平的調(diào)控。**——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)控的特點(diǎn)（一）不同σ因子決定著RNA聚合酶特異性識(shí)別不同的操縱子（二）操縱子學(xué)說(shuō)的普遍性（三）操縱子基因轉(zhuǎn)錄阻遏機(jī)制的普遍性Jacob和Monod二人獲得了1965年諾貝爾生理學(xué)/醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。**二、原核生物轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)（一）乳糖操縱子(lac

operon)的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPCAPDNA**結(jié)構(gòu)基因調(diào)控區(qū)1.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)（二）乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制（或本底水平的組成性表達(dá)）**半乳糖-1,4-β-葡萄糖半乳糖-1,6-葡萄糖5-溴-4-氯-3-吲哚半乳糖苷(X-gal)發(fā)色底物異丙基硫代-β-ο-半乳糖苷(IPTG)強(qiáng)誘導(dǎo)劑**半乳糖苷酶半乳糖苷通透酶乳糖半乳糖葡萄糖乳糖別乳糖2.CAP的正性調(diào)節(jié)CAP/cAMPCAPcAMP：

未結(jié)合cAMP的CAP不能與DNA結(jié)合而無(wú)法發(fā)揮正性調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)錄效率下降；

結(jié)合了cAMP的CAP可與lac操縱子P序列上游的CAP位點(diǎn)識(shí)別結(jié)合而增強(qiáng)RNA聚合酶的活性，使轉(zhuǎn)錄的效率提高。**

阻遏蛋白與O序列結(jié)合，lac操縱子處于關(guān)閉狀態(tài)；并且cAMP濃度低而不能與CAP有效結(jié)合，沒(méi)有CAP的正性調(diào)節(jié)作用。3.協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)CAP的正性調(diào)節(jié)與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)是相互協(xié)調(diào)的。(1)乳糖不存在，葡萄糖存在或本底水平的組成性表達(dá)

此時(shí)，細(xì)菌只利用葡萄糖。**

阻遏蛋白封閉O序列，lac操縱子處于關(guān)閉狀態(tài)；雖然cAMP濃度高能與CAP有效結(jié)合，但CAP的正性調(diào)節(jié)仍無(wú)法發(fā)揮作用。

此時(shí)的大腸桿菌可能通過(guò)表達(dá)其它操縱子，以尋求利用環(huán)境中存在的其它能源物質(zhì)。(2)乳糖不存在，葡萄糖也不存在或本底水平的組成性表達(dá)**

雖然阻遏蛋白與O序列解聚，

lac操縱子處于開(kāi)放狀態(tài)；但cAMP濃度低而不能與CAP有效結(jié)合，故沒(méi)有CAP的正性調(diào)節(jié)，lac操縱子轉(zhuǎn)錄但水平很低。

此時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖。(3)乳糖存在，葡萄糖也存在**阻遏蛋白與O序列解聚，同時(shí)cAMP濃度高而與CAP有效結(jié)合，CAP的正性調(diào)節(jié)可正常發(fā)揮，lac操縱子被快速開(kāi)啟，轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)。此時(shí)，細(xì)菌可有效利用乳糖。(4)乳糖存在，葡萄糖不存在**Thelacoperonisbacterialsystemforregulatorygenesthatcontrolullosationdicecolysatelactose.Theoperoncontrolexpressionofgeneb-galactosidase,whichsplitthedicecolyse,permease,whichtransportthelactosetothecell,andtranscetylase.ThestructuralgenearetranscriptwithRNApolymerasewhichcanbindthepromotercontrolling.Whenthereisnolactoseinthecellenvironment,therewouldbewasteofthecellstomakeproteinandkeepRNApolymerasebinding,soitturnoff.Let’sseehow.UpstreamofthelacoperonisregulatorgenelacI,whichgenecodetherepressorprotein.Therepressorbutslowlycontinueexpressedbythecell.Nowlet’slookthecontrolsystem,thepromoterandoperatorwiththestructuralgene.Theoperatoroverlapthepromoter,andtherepressormoleculepresentanditcanbindthelandoperator.Itdoesn’tsticktheDNAlikeaglue,butcontinuerebindandreleased,sotheoperatornotboundbytherepressorallthetime,andthestructuralgenearetranscriptatlowandwerebasallevel.Whenthereisalittlelactosepresent,thereisnoreasontowasteenergytomaketheenzymeprocessing,butwhathappenwhenthereisalotoflactoseandthecellsmustusingitasacarbonsource,therepressorproteinhassavedbindthelactose.Lactosebindingcausethechangeshapeofrepressor,soitcannolongerbindtheoperator.Withoutcompetitionwiththepromoter,RNApolymerasecanrepeatedlytranscriptthestructuralgene,andtranslationthemRNA,andmaketheenzymesforprocessinglactose.Thelacoperonisinduciblesystem.基因表達(dá)調(diào)控乳糖操縱子**一、基因表達(dá)與調(diào)控的概念基因與基因組、基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控二、基因表達(dá)的時(shí)空特異性時(shí)間特異性、空間特異性三、基因表達(dá)的方式基因的組成性表達(dá)基因的誘導(dǎo)性表達(dá)和阻遏性表達(dá)基因的協(xié)調(diào)性表達(dá)或調(diào)節(jié)四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖；維持個(gè)體發(fā)育與分化第一節(jié)概述**二、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)控的三個(gè)基本要素（一）特異DNA序列（二）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白（三）RNA聚合酶啟動(dòng)序列P、操縱序列O、其它調(diào)節(jié)序列CAP啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子特異因子σ、阻遏蛋白、激活蛋白轉(zhuǎn)錄因子：順式作用蛋白、反式作用因子通用轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄激活因子、轉(zhuǎn)錄抑制因子σ因子通用轉(zhuǎn)錄因子(TFⅡD

：TBP+TAF)一、基因表達(dá)與調(diào)控的復(fù)雜性第二節(jié)基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的基本要素**一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的特點(diǎn)（一）不同σ因子特異性識(shí)別不同的操縱子（二）操縱子學(xué)說(shuō)的普遍性（三）操縱子基因轉(zhuǎn)錄阻遏機(jī)制的普遍性二、原核生物轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)第三節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控（一）乳糖操縱子(lac

operon)的結(jié)構(gòu)（二）乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制**

操縱子由多個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)成的編碼區(qū)和位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游，含有啟動(dòng)序列、操縱序列和激活蛋白結(jié)合位點(diǎn)的調(diào)控區(qū)構(gòu)成。乳糖葡萄糖阻遏蛋白與O序列CAP與CAP結(jié)合位點(diǎn)轉(zhuǎn)錄活性不存在存在結(jié)合(負(fù)性調(diào)節(jié))解聚(無(wú)正性調(diào)節(jié))不轉(zhuǎn)錄本底水平轉(zhuǎn)錄不存在結(jié)合(負(fù)性調(diào)節(jié))結(jié)合(正性調(diào)節(jié)難發(fā)揮)不轉(zhuǎn)錄本底水平轉(zhuǎn)錄存在存在解聚(負(fù)性調(diào)節(jié)解除)解聚(無(wú)正性調(diào)節(jié))轉(zhuǎn)錄活性低不存在解聚(負(fù)性調(diào)節(jié)解除)結(jié)合(正性調(diào)節(jié)正常)轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)CAP正性調(diào)節(jié)與阻遏蛋白負(fù)性調(diào)節(jié)的相互協(xié)調(diào)3.協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)三、原核基因擁有不同的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)機(jī)制①

依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)機(jī)制。②

不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)機(jī)制。③

衰減子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)機(jī)制；主要見(jiàn)于色氨酸操縱子(自習(xí))。

模板轉(zhuǎn)錄終止區(qū)有富含GC的反向重復(fù)序列，并在其后出現(xiàn)6~8個(gè)連續(xù)的A；轉(zhuǎn)錄出的RNA區(qū)段形成特殊的莖環(huán)結(jié)構(gòu)和隨后的多個(gè)連續(xù)的U使轉(zhuǎn)錄終止。ρ因子識(shí)別結(jié)合RNA富含C區(qū)使RNApol變構(gòu)停頓，RNA/DNA雜交雙鏈解離。**（一）色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)（二）色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制1.阻遏蛋白的調(diào)控作用2.色氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄的衰減調(diào)節(jié)(1)色氨酸濃度處臨界狀態(tài)以上，序列3與序列4有機(jī)會(huì)互補(bǔ)形成衰減子(2)色氨酸十分缺乏時(shí)，序列2和序列3形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，阻止了衰減子形成完整的前導(dǎo)肽不全的前導(dǎo)肽衰減子**四、原核翻譯水平上的調(diào)控λ噬菌體一個(gè)長(zhǎng)達(dá)26kb的操縱子，作為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，編碼了多種蛋白質(zhì)。這些蛋白的用量是不一樣的，相差可達(dá)千倍，需要在蛋白翻譯水平上實(shí)施差別調(diào)控。

轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是基因表達(dá)調(diào)控的最主要、最經(jīng)濟(jì)、也是最有效的方式，但有時(shí)翻譯水平的基因表達(dá)調(diào)控也同樣是十分關(guān)鍵的。**（一）mRNA作為翻譯模板能力的差異調(diào)控

多數(shù)氨基酸有一種以上的密碼子，但各自對(duì)應(yīng)的tRNA豐度差別很大；采用常用密碼子的mRNA翻譯速度快，而采用稀有密碼子的mRNA翻譯速度慢。

mRNA5

端的SD序列AGGAGG可與核糖體小亞基的16SrRNA分子3

端CCUCCU互補(bǔ)結(jié)合；SD序列結(jié)構(gòu)適宜則蛋白翻譯起始頻率高，反之則低；可差上千倍。

核糖體30S亞基與mRNA分子上核糖體結(jié)合位點(diǎn)RBS的結(jié)合強(qiáng)度，取決于SD序列與起始密碼AUG之間的距離，9個(gè)核苷酸為最佳。**（二）翻譯起始的調(diào)控

除mRNA5

端的SD序列和rpS-1識(shí)別序列外，一些翻譯起始調(diào)節(jié)蛋白可直接或間接地與mRNA分子上的靶點(diǎn)結(jié)合，阻止核糖體與翻譯起始區(qū)識(shí)別結(jié)合，從而阻斷翻譯。

一些調(diào)節(jié)蛋白是作用于自身的mRNA,抑制自身的合成，故稱為自我控制(autogenouscontrol)。**（三）核蛋白體蛋白翻譯的阻遏組成核蛋白體的蛋白質(zhì)共有50多種，它們的合成需要嚴(yán)格地保持與rRNA水平相適應(yīng)。利用這種機(jī)制可以使核蛋白體蛋白的合成與核蛋白體的組裝直接關(guān)聯(lián)在一起。當(dāng)游離的核蛋白體蛋白質(zhì)過(guò)量存在時(shí)，會(huì)引起它自身以及相關(guān)蛋白質(zhì)翻譯的阻遏。**（四）RF2合成的自我調(diào)控

RF2是原核生物中的一種特殊蛋白因子，能夠識(shí)別終止密碼子UGA和UAA，發(fā)揮翻譯終止功能。

細(xì)胞內(nèi)RF2充足時(shí)，RF2識(shí)別這個(gè)U與第26位密碼子頭兩個(gè)核苷酸組成的終止密碼子UGA，使RF2的合成提前終止。

細(xì)胞內(nèi)RF2不足時(shí)，核糖體就會(huì)以＋1的移碼機(jī)制，將第26位密碼子譯成天冬氨酸GAU，完成整個(gè)RF2的翻譯，最后由RF-1終止翻譯。**RF2編碼基因在第25和26位密碼子間多了一個(gè)U。(不連續(xù)排列)-UGAU-（五）反義RNA的作用反義RNA：

能與所調(diào)控的RNA序列互補(bǔ)的RNA片段。

在復(fù)制水平,引物RNA的反義RNA與引物RNA互補(bǔ)結(jié)合,抑制DNA復(fù)制，控制DNA的復(fù)制頻率。

在轉(zhuǎn)錄水平，

5

末端的反義RNA與mRNA分子5

末端互補(bǔ)結(jié)合，阻止完整的mRNA分子的轉(zhuǎn)錄。

在翻譯水平，SD序列或起始密碼子AUG的反義RNA，可通過(guò)其互補(bǔ)序列與特定mRNA分子的SD序列或起始密碼子AUG結(jié)合，抑制蛋白翻譯。**第四節(jié)

真核基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpressioninEukaryote學(xué)習(xí)要求：

掌握順式作用元件、反式作用因子的概念；熟悉真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基因表達(dá)調(diào)控的特征；了解真核轉(zhuǎn)錄因子的分類及組成、PIC的裝配、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。**一、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)

三、真核基因表達(dá)的染色質(zhì)水平調(diào)控

四、真核rRNA和tRNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控（自習(xí)）

五、真核蛋白編碼基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄起始水平

的調(diào)控

六、真核基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控(大部分自習(xí))

七、真核基因表達(dá)的翻譯水平調(diào)控(自習(xí))第四節(jié)內(nèi)容**（1）瞬時(shí)調(diào)控（2）發(fā)育調(diào)控真核基因表達(dá)調(diào)控可分為兩大類或稱可逆性調(diào)控，相當(dāng)于原核生物基因?qū)Νh(huán)境變化所做出的反應(yīng)，比如細(xì)胞周期中不同階段酶活性的調(diào)節(jié)；或稱不可逆調(diào)控，是真核基因調(diào)控的特征所在，決定了真核生物生長(zhǎng)、分化和發(fā)育的全部進(jìn)程。**一、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）真核生物基因組結(jié)構(gòu)龐大C值概念一個(gè)單倍體基因組DNA的總量稱為該物種的C值（Cvalue）。C值矛盾在真核生物中，物種進(jìn)化的復(fù)雜程度與其C值并不完全一致，稱為C值矛盾（Cvalueparadox）。顯花植物和兩棲類動(dòng)物的基因組最大人類基因組的DNA總量約為3×109bp,2.5萬(wàn)個(gè)基因,僅占全基因組的約1.5％。

釀酒酵母基因組含約1.75×107

bp，分成16組染色體，共有6275個(gè)基因，其中可能約有5800個(gè)真正具有功能。**（二）真核生物基因?yàn)閱雾樂(lè)醋咏M織形式（三）真核生物基因組中存在眾多重復(fù)序列單/低拷貝序列（在基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106

拷貝）中度重復(fù)序列（103~4拷貝）多拷貝序列反向重復(fù)序列（invertedrepeat):

由兩個(gè)互補(bǔ)序列、在同一DNA鏈上反向排列而成。真核生物基因均為單順?lè)醋?monocistron)的組織形式，即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子、翻譯生成一條多肽鏈。**（四）真核基因編碼序列的不連續(xù)性

真核生物的編碼序列或結(jié)構(gòu)基因，絕大多數(shù)是不連續(xù)基因(interruptedgene)，即由若干個(gè)編碼序列和非編碼序列鑲嵌排列而成的。

編碼序列稱外顯子（exon），非編碼序列稱內(nèi)含子（intron）。此外，真核基因兩側(cè)還存在著不被轉(zhuǎn)錄的非編碼序列，分別是基因的5

和3轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)。**二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)（一）順式作用元件是決定真核基因轉(zhuǎn)錄活性

的關(guān)鍵內(nèi)在因素在真核基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)，啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和沉默子等順式作用元件是決定真核基因轉(zhuǎn)錄活性的關(guān)鍵內(nèi)在因素。**1.啟動(dòng)子(promoter)是指RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)及其周圍的一組轉(zhuǎn)錄調(diào)控組件，每個(gè)組件含7～20bp的DNA序列。

TATA盒是真核基因啟動(dòng)子的核心元件，其共有序列為T(mén)ATAAAA，通常位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-25～-30bp處，是基本轉(zhuǎn)錄因子TFⅡD的結(jié)合位點(diǎn)，控制基因轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性與頻率。在真核基因的啟動(dòng)子中，還經(jīng)常見(jiàn)到GC盒(GGGCGG)和CAAT盒(GCCAAT)，通常位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-30～-110bp區(qū)域，又稱為上游啟動(dòng)子元件。**2.增強(qiáng)子(enhancer)是指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)(1~30kb),但決定基因表達(dá)的時(shí)空特異性，并能顯著增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。有以下的特點(diǎn)：①一般能使轉(zhuǎn)錄效率增加10~200倍，有的上千倍；②其作用與其方向，或與轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的距離無(wú)關(guān)；③大多為重復(fù)序列，可有完整或部分回文結(jié)構(gòu)；④增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)有嚴(yán)格的組織細(xì)胞特異性；⑤可在不同基因的轉(zhuǎn)錄中發(fā)揮作用；⑥活性與其在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的空間方向性有關(guān)；⑦許多增強(qiáng)子是否發(fā)揮作用受外部信號(hào)驅(qū)使，又被稱

為反應(yīng)元件，如cAMP反應(yīng)元件、激素反應(yīng)元件等。**3.沉默子(silencer)沉默子與增強(qiáng)子的作用恰恰相反，可與特異蛋白因子結(jié)合，對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄發(fā)揮抑制作用需要留意的是：有些真核基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，可被單一信號(hào)激活；但更多的真核基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同一DNA元件，有時(shí)表現(xiàn)增強(qiáng)子的活性，有時(shí)又表現(xiàn)沉默子的活性，這取決于該元件與之結(jié)合的蛋白質(zhì)的性質(zhì)。**（二）反式作用因子與順式作用蛋白是真核基

因的重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白在真核細(xì)胞中，能夠幫助RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄RNA的蛋白質(zhì)被稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactors，TF)或轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白(transcriptionregulatoryprotein)。少數(shù)以順式作用方式調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，稱順式作用蛋白(cis-actingprotein)；大多數(shù)皆以反式作用的方式調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，稱反式作用因子(trans-actingfactor)。**轉(zhuǎn)錄因子的分類(1)基本/通用轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)(2)特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)①轉(zhuǎn)錄激活因子(transcriptionactivators)

即增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(EBP),與增強(qiáng)子結(jié)合，激活某種特異基因的轉(zhuǎn)錄，決定基因時(shí)空特異性表達(dá)。

能直接與啟動(dòng)子結(jié)合，介導(dǎo)RNA聚合酶與啟動(dòng)子的相互作用，如TFⅡD，各類真核細(xì)胞通用，決定3種RNA(mRNA、rRNA和tRNA)轉(zhuǎn)錄類別。②轉(zhuǎn)錄抑制因子(transcriptioninhibitors)

即沉默子結(jié)合蛋白(IBP),與沉默子結(jié)合，抑制某種特異基因的轉(zhuǎn)錄，決定基因的空特異性表達(dá)。**1.轉(zhuǎn)錄因子含有不同的DNA結(jié)合域（1）螺旋-回折-螺旋是轉(zhuǎn)錄因子中的常見(jiàn)的DNA結(jié)合域。（2）鋅指結(jié)構(gòu)是含鋅離子的轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合域。（3）亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域可同時(shí)調(diào)節(jié)與DNA的結(jié)合及蛋白質(zhì)的二聚體化。（4）堿性螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)域也可調(diào)節(jié)與DNA的結(jié)合及蛋白二聚體化。（5）

片層和環(huán)結(jié)構(gòu)域可識(shí)別結(jié)合DNA的特殊序列。螺旋-回折-螺旋鋅指結(jié)構(gòu)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域堿性螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)域**2.轉(zhuǎn)錄因子含有不同的轉(zhuǎn)錄激活域

轉(zhuǎn)錄因子中較常見(jiàn)的轉(zhuǎn)錄激活域一般由30~100個(gè)氨基酸殘基組成。根據(jù)氨基酸組成特點(diǎn)，轉(zhuǎn)錄激活域分為4種類型：①富含谷氨酰胺的結(jié)構(gòu)域；②富含脯氨酸的結(jié)構(gòu)域；③帶負(fù)電荷的α螺旋結(jié)構(gòu)域；④含有雙性α螺旋和酸性氨基酸的結(jié)構(gòu)域。真核細(xì)胞中少見(jiàn)，但也存在有抑制基因轉(zhuǎn)錄的阻遏蛋白(repressorprotein)。**3.真核基因表達(dá)正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)真核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)更多，主要包括有染色質(zhì)的活化、轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯起始和翻譯后加工等主要過(guò)程；參與調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子和其它功能蛋白多。

真核基因組廣泛采用正性調(diào)節(jié)機(jī)制的原因?yàn)椋?/p>

①首先是采用負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制不經(jīng)濟(jì)；②可以有效保證基因表達(dá)調(diào)節(jié)的特異性；③可以充分體現(xiàn)基因表達(dá)調(diào)節(jié)的精確性。**

三、真核基因表達(dá)的染色質(zhì)水平調(diào)控**活性染色質(zhì)或常染色質(zhì)(euchromatin)的特征：

對(duì)核酸酶DnaseⅠ十分敏感；超敏感位點(diǎn)主要位于基因5’或3’側(cè)翼1kb以內(nèi)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)內(nèi)，可被切割成100~200bp的片段。

DNA雙鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨RNA聚合酶的前進(jìn)而發(fā)生變化；前方形成正性超螺旋，促進(jìn)核小體中H2A-H2B二聚體釋放、核小體解體；后方為負(fù)性超螺旋，有利于核小體結(jié)構(gòu)的再形成。

還會(huì)發(fā)生諸如組蛋白修飾和主要針對(duì)CpG島的DNA甲基化修飾等，這些均參與染色質(zhì)水平上的基因表達(dá)的調(diào)控。**圖15-12組蛋白的乙?；揎椗c核小體重塑(一)組蛋白修飾與核小體重塑使染色質(zhì)局部活化**（二）轉(zhuǎn)錄活性基因啟動(dòng)子區(qū)甲基化程度低一般處于轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)的基因，其啟動(dòng)子區(qū)的CpG序列的甲基化程度較低；而處于不表達(dá)或低表達(dá)水平的基因，其啟動(dòng)子區(qū)的CpG甲基化較高。

基因組印跡(genomicimprinting)是DNA甲基化修飾調(diào)控基因表達(dá)的一個(gè)典型例證。來(lái)自父方和母方的等位基因在通過(guò)精子和卵子傳遞給子代時(shí)，原有源于親代的甲基化印跡被消除；在配子形成過(guò)程中重新產(chǎn)生新的甲基化修飾模式，使得等位基因具有不同的表達(dá)特性。***45SrRNA是5.8S、18S和28SrRNA的前體。**hnRNA是mRNA的前體。種類細(xì)胞內(nèi)定位轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄因子RNA-polⅠ核仁45SrRNA*第一類TFⅠRNA-polⅡ核質(zhì)hnRNA**，某些snRNA***第二類TFⅡRNA-polⅢ核質(zhì)5SrRNA、tRNA、snRNA第三類TFⅢRNA-polⅣ核質(zhì)siRNA第四類TFⅣRNA-polmt線粒體線粒體RNAs？TFmt?***小分子核內(nèi)核糖核酸(smallnuclearRNA，snRNA)。

四、真核rRNA和tRNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控（自習(xí)）真核細(xì)胞主要有三種RNA聚合酶：**TFⅡFTFⅡFTFⅡATFⅡBTFⅡHTFⅡE1.TFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA復(fù)合物形成TATACTD-P2.PIC組裝完成，生成第一個(gè)磷酸二酯鍵TBPTAFRNAPOL-ⅡTAF