1、第8章 基因表達的調(diào)控 (Controlling of the Gene Expression),第一節(jié) 基因表達調(diào)控的概述（空間密碼） 第二節(jié) 乳糖操縱元（Lac Operon） 第三節(jié) Trp Operon及弱化作用機理 第四節(jié) 基因轉(zhuǎn)錄的時序調(diào)控 第五節(jié) Prok.翻譯水平的調(diào)控 第六節(jié) DNA序列重排對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控 第七節(jié) Euk.基因表達調(diào)控的特異性,第一節(jié) 基因表達調(diào)控的概述（空間密碼）,基因表達調(diào)控(gene regulation or gene control):任何影響基因轉(zhuǎn)錄過程和翻譯過程的開啟、關(guān)閉和這兩個過程速率的較為直接的因素及其作用,涉及：RNA轉(zhuǎn)錄的開/關(guān)，數(shù)量

2、，選擇性加工 蛋白質(zhì)翻譯速率，數(shù)量，加工與 降解和分泌,原核生物對環(huán)境的適應(yīng)，相關(guān)的應(yīng)答,真核生物的細胞分化, 組織特化 , 個體發(fā)育 以及環(huán)境對個體表型的影響都是基因表達的結(jié)果,Prok.和Euk.的調(diào)控極其相似,調(diào)控機制：核酸分子間的互作,核酸與蛋白質(zhì)分子間的互作,蛋白分子間的互作,調(diào)控層次：轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控,mRNA加工成熟水平上的調(diào)控,翻譯水平上的調(diào)控,翻譯后水平的調(diào)控,共同的起源與共同的分子基礎(chǔ), 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控是最為經(jīng)濟, 靈活，又是最為重要，復(fù)雜的調(diào)控,a、在復(fù)雜的基因組內(nèi)，確定需要基因轉(zhuǎn)錄的起始位點,b、精細調(diào)節(jié)基因表達的水平, 以保證生物體對環(huán)境的適應(yīng),c、 cis fac

3、tor 90k repressor required,Positive control; 停止合成 90k 特異tran-factor 即只合成10k特異expresser,經(jīng)濟 合理 有效,二、Euk.DNA水平的調(diào)控,1、 基因拷貝數(shù)的改變,a) 基因的丟失 （DNA fragment or chromosome lose）,蛔蟲胚胎發(fā)育過程中有27%DNA的丟失,細胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除 這些基因的活性,某些低等Euk.：原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物,體細胞內(nèi)丟失整條或部分染色體,將來分化產(chǎn)生生殖細胞的細胞內(nèi).,高等Euk.內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn),b) 基因的擴增 (特定基因

4、在特定階段的選擇性擴增),在沒有發(fā)生細胞分裂情況下，細胞內(nèi)某些特定基因的 拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象, 細胞短期內(nèi)為滿足某種需要而產(chǎn)生足夠的基因產(chǎn)物的 一種調(diào)控手段（外界因素）, 兩棲類和昆蟲卵母細胞rDNA的擴增,例：非洲爪蟾 體細胞rDNA約 500copies 卵母細胞 200萬copies（4000倍）, chromatin 狀況與基因表達相關(guān),2、 轉(zhuǎn)錄區(qū)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化對基因表達的控制,量大， 進化保守， 與DNA 無專一性結(jié)合區(qū),表達非?；钴S的rDNA 轉(zhuǎn)錄區(qū)無nucleosome 結(jié)構(gòu),凡被Trans-factor 結(jié)合的區(qū)域 均能阻止nucleosome 形成,活躍轉(zhuǎn)錄區(qū)的組

5、蛋白確實被乙?；⒘姿峄?Naked DNA DNA + H2A, H2B, H3, H4,轉(zhuǎn)錄速度 轉(zhuǎn)錄速度,轉(zhuǎn)錄速度 轉(zhuǎn)錄速度,complete nucleosome,3、 m5C對基因表達的調(diào)控,a) m5C是真核生物 DNA中的主要修飾成分,多發(fā)生在CpG序列中,不同細胞間m5C 相差甚大,胚胎細胞與特化體細胞相差106,b) m5C對基因轉(zhuǎn)錄抑制的表現(xiàn),三、Euk.的基因重排,啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）接合型的決定,單倍體細胞或a或,接合型互變需要HO基因 編碼內(nèi)切酶,1、單倍體接合型受 MATa MAT控制,同宗不能接合，異宗能 接合,2、接合型互

6、變的匣子模型,a、單倍體細胞中同時存在 MATa和MAT的遺傳信息,b、活躍匣子MATa或MAT 沉寂匣子HML、HMRa 在同一條染色體上,c、接合型互變 HML、HMRa能取代活 躍匣子而改變接合型 （不同型） 原HM位置仍保留一個拷 貝的沉寂匣子,3、沉寂匣子的表達,受阻遏蛋白亞基基因sir1、sir2、sir3、sir4的產(chǎn)物 Sir蛋白的反式作用控制,Sir(silent information regulator) 結(jié)合在HML和HMR的啟動子上游,而MAT上無結(jié)合位點,四、Euk.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控, Euk.基因表達包括的5種不同的調(diào)節(jié)點: 基因結(jié)構(gòu)的激活、起始轉(zhuǎn)錄、加工轉(zhuǎn)錄物、

7、運輸?shù)郊毎|(zhì)、mRNA的翻譯, 起始轉(zhuǎn)錄RNA聚合酶與啟動子相互作用決定,若干Trans F + Cis F.的作用所決定, Euk.啟動子的定義：包括所有那些位于轉(zhuǎn)錄起始位點 附近的序列，這些序列都是啟動 轉(zhuǎn)錄所必需的（實用角度）, 轉(zhuǎn)錄因子：轉(zhuǎn)錄所必需的蛋白質(zhì)（決定性功能指標） 識別并結(jié)合在啟動子序列上,并非嚴格定義 未包括增強子,a、 基本水平轉(zhuǎn)錄的 cis-factor ( promoter or basic factor) Core promoter (Cap site, TATA box 必需因子) UPE (Upstream Promoter Element) (CAAT box

8、, GC box) 對于 housekeeping gene (constitutive expression),（1）啟動子的組成,b、特異誘導高效表達的cis-factorEnhancer 對于 luxury gene (inducible expression),1、RNApol的啟動子和轉(zhuǎn)錄因子,（2）轉(zhuǎn)錄因子的分類,a、基本轉(zhuǎn)錄水平的轉(zhuǎn)錄因子(Trans-factor),基礎(chǔ)因子Core promoter,上游因子UPE,所有啟動子表達所必須-基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄復(fù)合體,每個元件都有相 應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子, 真核生物必須有與基本轉(zhuǎn)錄相關(guān)的trans-factor 在 啟動子處的先期結(jié)合,RNApol才

9、能啟動轉(zhuǎn)錄,l TF (I, II, III) 轉(zhuǎn)錄因子,l TAF (TBP 輔助因子),l RAP (RNApol. 結(jié)合蛋白), TIC (轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物) 等等.,此外,b、誘導型因子,特定時間、條件、或特定組織中合成或被活化,調(diào)控基因在不同時間、條件或不同地點表達,應(yīng)答元件-enhancer,（3） 轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合域和活化結(jié)構(gòu)域是獨立的,結(jié)合結(jié)構(gòu)域和活化結(jié)構(gòu)域之間的連接物是足夠柔性的,l多為變構(gòu)蛋白,DNA-結(jié)合 domain,二聚化 domain (在一些二聚體因子中),活化 domain,轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)域 a DNA結(jié)合: HTH、鋅指、堿性區(qū)域 b 蛋白質(zhì)結(jié)合： Leu拉

10、鏈、HLH、,c 活化 一段包括酸性AA的保守序列,（4） Enhancer 的結(jié)構(gòu)與功能,雙方向性，組織特異性，位點非專一性,a、由兩個以上的增強子成分(Enhancer Element)組成,b、Enhancer Element 必需由兩個緊密相連,具有間距效應(yīng)的 增強子元 (Enhanson）組成,c、各個Enhanson(cis-factor)與激活蛋白(trans-factor)結(jié)合,增強特異性轉(zhuǎn)錄,Enhancer,e.g. SV40 Enhancer (-179 -250),遠距離控制，無方向性,d、增強子復(fù)合物與近啟動子的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物構(gòu)型契合， 而不與RNA polymera

11、se 結(jié)合,e、Enhancer 的兩位點二元組織方式,f、 特化細胞內(nèi)，具全部特異轉(zhuǎn)錄因子（trans-factor）才表現(xiàn) 增強效應(yīng)即增強子的組織特異性,g、 增強子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以正控制方式防止基因表達的紊亂,能利用有限的trans-factor提供更多基因的表達調(diào)控因子類型,一位點的二元結(jié)構(gòu)： A, B factor AA, BB, AB, BA,兩位點的二元結(jié)構(gòu)：AA-AA, AA-BB, AA-AB, AA-BA BB-BB, BB-AA, BB-AB, BB-BA AB-BB, AB-AA, AB-AB, BA-BA,（5） 不同部位的反式因子相互作用假說,擰轉(zhuǎn)學派、滑動學派、接力

12、學派和嚕噗學派,（6） 可誘導的轉(zhuǎn)錄因 子活性的調(diào)控方式,a、合成轉(zhuǎn)錄因子,b、蛋白質(zhì)磷酸化,c、蛋白質(zhì)脫磷酸化,d、結(jié)合配基,f、抑制劑釋放,g、改變不同伴侶,五、Euk.轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控,1、hnRNA的選擇性加工,某些基因序列在hnRNA和mRNA中的相對豐度差異很大,e.g. 海膽中該調(diào)控水平的體現(xiàn),海膽細胞 hnRNA 成熟mRNA,胚胎時期胚囊 約2萬種 約13000種,成體腸 約 2.5 萬種 約3000種,且尿胚中存在而腸細胞中沒有的mRNA極大多數(shù)可在 腸細胞的hnRNA中發(fā)現(xiàn),說明：不同組織轉(zhuǎn)錄水平差異不大,加工運輸機制目前了解很少,2、mRNA前體的選擇性拼接(alter

13、native splicing),（1） 概念：有些基因產(chǎn)生的mRNA前體可按不同的方式 剪接，產(chǎn)生出兩種或更多種mRNA, 兩種結(jié)果：,結(jié)果1-差異在5和3非翻譯區(qū)，產(chǎn)生相同的蛋白質(zhì),結(jié)果2-產(chǎn)生不同的mRNA編碼區(qū)，產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì),結(jié)果2又有幾種情況：, 情況1-同一細胞中產(chǎn)生多種蛋白質(zhì), 情況2-同一基因在不同細胞中產(chǎn)生不同蛋白質(zhì) 組織特異性, 情況3-不同發(fā)育時期或條件下表達出不同的蛋白質(zhì),以上情況均受特定調(diào)控,（2） 選擇性拼接方式,a、不同的加尾位點（免疫球蛋白）,b、不同的拼接位點 SV40的T（100KD）和t抗原 （18KD）的產(chǎn)生等,t抗原的mRNA內(nèi)有一UAA,c、結(jié)合

14、前兩種機制的方式,d、可能還存在不同啟動子處 轉(zhuǎn)錄的機制 （目前尚未發(fā)現(xiàn)實例）,果蠅中選擇性拼接可決定其性別,（3） 選擇性拼接的調(diào)控機制,拼接因子SF2(拼接體組裝所需)導致不同的5拼接點的選擇,SF2濃度高時-選擇離3拼接點最近的5拼接點,3、RNA編輯（RNA editing）,（1） 概念：mRNA在轉(zhuǎn)錄后因核苷酸的插入、缺失或替換 而改變DNA模板原來的遺傳信息，從而翻譯出 AA不同的多種蛋白質(zhì)來,（2） 機制,a、核苷酸的替換 CU AG AI 或U C 如: 哺乳動物的載脂蛋白(apo-lipoprotein B apoB),基因組中只有一個 apoB基因,肝中 apoB-100

15、 512KD,小腸中 apoB-48 240KD,原因 轉(zhuǎn)錄過程中或完成后 第6666位的CU 使CAAUAA,b、可讀框改變,核苷酸的插入或缺失 插入或缺失U，以及插入G或C,如：錐蟲cox(細胞色素氧化酶亞基)基因的mRNA與其DNA相 比有1移碼，由4個U插入產(chǎn)生, 插入U需要指導RNA的參與,指導RNA與被編輯RNA的編碼區(qū)域被其它基因分散開, 編輯前的的RNA中編輯區(qū)兩側(cè)與一個指導RNA配對, 指導RNA作為插入U的模板, 指導RNA有524個U的poly(U)尾 是插入U的給體, 反應(yīng)與RNA的自我拼接類似（轉(zhuǎn)酯），且方向為35,1、翻譯因子可逆性磷酸化對翻譯的調(diào)節(jié),重復(fù)使用,六、

16、Euk.翻譯水平的調(diào)控,eIf-2因子的磷酸化狀態(tài)對翻譯起始復(fù)合體形成的調(diào)節(jié) 控制蛋白質(zhì)翻譯速率,eIF-2b(GEF),-eIF-2GDP 必須與GTP交換， 形成eIF-2GTP,-交換過程需eIF-2b(GEF)參與，提高交換的速度,2、 mRNA的結(jié)構(gòu)對翻譯水平的調(diào)控,（1）5Leading seq.(5-UTR),a、Cap 具有增譯作用,Cap + poly(A) 具有增譯的協(xié)同效應(yīng),b、AUG 兩側(cè)序列 (-3A, +4G) Kozak (1987),699種脊椎動物，植物，酵母和原生動物-普遍性,c、5UTR二級結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)夾結(jié)構(gòu)順式阻扼40s 小亞基 遷移,G/C多，阻扼強

17、,G /C近AUG, 阻扼強,（2） 3 UTR的調(diào)節(jié),對生長因子，癌基因蛋白mRNA分析,在3 UTR存在富含UA的8Nt保守重復(fù)區(qū) (UUAUUUAU相間排列),七、Euk.翻譯后水平的調(diào)控,SRP的負調(diào)控作用 分泌蛋白往往是降解酶類,本 章 結(jié) 束！,復(fù)習題 名詞解釋 正（負）調(diào)控系統(tǒng) 基因表達調(diào)控 操縱元 反義RNA 弱化子 嚴謹反應(yīng) 鋅指結(jié)構(gòu) Leu拉鏈 RNA編輯 mRNA前體的選擇性拼接 Euk.的啟動子 順式作用元件 反式作用因子,問答題 1、簡述Lac 操縱元負調(diào)控機制。 2、說明乳糖操縱元誘導物及其最初如何產(chǎn)生？ 3、簡述乳糖操縱元的正調(diào)控機制。 4、說明乳糖操縱元在乳糖、