生物化學(xué)：基因表達調(diào)控

1、Regulation of Gene Expression 第七章第七章 基因表達調(diào)控基因表達調(diào)控 生物化學(xué)生物化學(xué) DNARNAprotein 復(fù)制復(fù)制 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 翻譯翻譯 逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄 RNA復(fù)制復(fù)制 DNA是大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)的載體是大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)的載體 遺傳分子生物學(xué)中心法則遺傳分子生物學(xué)中心法則 生物化學(xué)生物化學(xué) 1961年F.Jacob和J.L.Monod在研究大腸埃希菌（E.coli ）乳糖代謝的調(diào)節(jié)機制時發(fā)現(xiàn)有些基因不是作為蛋白 質(zhì)合成的模板發(fā)揮作用，而是起了調(diào)節(jié)或操縱作用， 因而提出了操縱子學(xué)說。 從此根據(jù)基因功能把基因分為結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因和 操縱基

2、因操縱基因。 染色體貯存著決定生物性狀的全部基因染色體貯存著決定生物性狀的全部基因 染色體 染色纖維 核小體 組蛋白 DNA 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物體內(nèi)基因表達的開啟、關(guān)閉以及表 達的強度受特定機制的調(diào)控，基因表達的調(diào) 控是生物在長期進化過程中逐漸形成的精確 而靈敏的生存能力和應(yīng)變能力，在機體適應(yīng) 環(huán)境、維持自身的生長和增殖、維持個體發(fā) 育與分化等方面均具有重要的生物學(xué)意義。 生物化學(xué)生物化學(xué) 第一節(jié)第一節(jié) 基因表達調(diào)控的基本原理基因表達調(diào)控的基本原理 生物化學(xué)生物化學(xué) * *基因（基因（genegene）負(fù)責(zé)編碼負(fù)責(zé)編碼RNARNA或一條多肽鏈的或一條多肽鏈的 DNADNA片段，包括編碼序列

3、、編碼序列外的側(cè)翼片段，包括編碼序列、編碼序列外的側(cè)翼 序列及插入序列。序列及插入序列。 生物化學(xué)生物化學(xué) 某些病毒或類病毒，RNA也可以作為遺傳信息的攜帶者。 艾滋病病毒 * *基因組（基因組（genomegenome）一個細胞或病毒所一個細胞或病毒所 攜帶的全部遺傳信息或整套基因。攜帶的全部遺傳信息或整套基因。 原核細胞原核細胞-單個的環(huán)狀染色質(zhì)所含的全單個的環(huán)狀染色質(zhì)所含的全 部基因；部基因； 真核生物真核生物-一個生物體的染色體所包含一個生物體的染色體所包含 的全部的全部DNADNA。 核外遺傳物質(zhì)：線粒體核外遺傳物質(zhì)：線粒體DNA-DNA-線粒體基因組線粒體基因組 生物化學(xué)生物化學(xué)

4、基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物 學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過程。學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過程。 * *基因表達基因表達（geneexpresiongeneexpresion） 生物化學(xué)生物化學(xué) 并非所有基因表達的過程都產(chǎn)生蛋白質(zhì)，rRNA、tRNA編碼基 因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA的過程也屬于基因表達。 生物化學(xué)生物化學(xué) 人類基因組約有3萬-4萬個基因，某個特定時期，只有 一小部分基因處于表達狀態(tài)。 肝細胞-不超過20%的基因處于表達狀態(tài)。 基因表達調(diào)控：細胞或生物體在接受環(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作出應(yīng)答的分 子機制。 基因表達調(diào)控是生物體適

5、應(yīng)環(huán)境、維持生長、發(fā)育、增 殖和分化的需要。 基因表達是受調(diào)控的基因表達是受調(diào)控的 時間特異性時間特異性 按功能需要，某一特定基因的表達嚴(yán)按功能需要，某一特定基因的表達嚴(yán) 格按特定的時間順序發(fā)生。格按特定的時間順序發(fā)生。 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) 噬菌體、病毒、細菌侵入宿主后-感染階段-隨著感染 階段的發(fā)展和生長環(huán)境的變化-基因開啟，基因關(guān)閉； 多細胞生物：受精卵到組織、器官形成的不同發(fā)育階段 多細胞生物基因表達的時間特異性又多細胞生物基因表達的時間特異性又 稱稱階段特異性階段特異性。 空間特異性空間特異性 基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種 分布差

6、異，實際上是由細胞在器官的分布決分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決 定的，所以空間特異性又稱定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異細胞或組織特異 性性。 在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個 體按不同組織空間順序出現(xiàn)。體按不同組織空間順序出現(xiàn)。 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) 肝細胞編碼鳥氨酸循環(huán)酶類的基因表達水平高于其他組 織細胞，合成的某些酶為肝臟所特有； 細胞特定的基因表達決定了這個組織細胞特有的形態(tài)和 功能。 按對刺激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為：按對刺激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為： 基本表達基本表達 有些基因產(chǎn)物對生命全過程都是必需的或必不可

7、少的，有些基因產(chǎn)物對生命全過程都是必需的或必不可少的， 這類基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，這類基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達， 通常被稱為通常被稱為管家基因管家基因 （housekeeping gene) 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) 無論表達水平高低，管家基因無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影較少受環(huán)境因素影 響響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組，而是在個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。區(qū)別于其他基因，這類織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類 基因表達被視為基因表達被視為組成性表達組成性表達。 其表達

8、只受啟動序列或啟動子與其表達只受啟動序列或啟動子與RNARNA聚合酶相互聚合酶相互 作用的影響，而不受其他機制調(diào)節(jié)。事實上，組成性作用的影響，而不受其他機制調(diào)節(jié)。事實上，組成性 基因表達雖然持續(xù)進行，但其表達水平強弱也受一定基因表達雖然持續(xù)進行，但其表達水平強弱也受一定 機制的調(diào)控而變化。機制的調(diào)控而變化。 誘導(dǎo)和阻遏表達誘導(dǎo)和阻遏表達 在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，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，這種基因稱為基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因可誘導(dǎo)基因。 可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達增強的過程， 稱為稱為誘導(dǎo)誘導(dǎo)

9、（ induction ）。 如果基因如果基因表達表達對環(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這對環(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這 種基因是種基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表達產(chǎn)物降低的。可阻遏基因表達產(chǎn)物降低的 過程稱為過程稱為阻遏（阻遏（ repression ）。 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) DNA損傷時，編碼DNA修復(fù)酶的基因就會被誘導(dǎo)激 活，表達增加； 培養(yǎng)基中色氨酸含量充足時，細菌中催化色氨酸 合成代謝的酶類基因表達就會被阻遏； 可誘導(dǎo)或可阻遏基因除受啟動序列或啟動子與RNA 聚合酶相互作用的影響外，還受其他機制調(diào)節(jié)。此類基 因的調(diào)控序列通常含有針對特異刺激的反應(yīng)元件。 在一定機制控制下，

10、功能上相關(guān)的一組在一定機制控制下，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，即為致、共同表達，即為協(xié)調(diào)表達協(xié)調(diào)表達 （coordinate expression）。）。 這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié) （coordinate regulation） 生物化學(xué)生物化學(xué) 協(xié)調(diào)表達協(xié)調(diào)表達 1. 1.適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖 2. 2.維持個體發(fā)育與分化維持個體發(fā)育與分化 生物化學(xué)生物化學(xué) 二、基因表達調(diào)控的多層次和復(fù)雜性二、基因表達調(diào)控的多層次和復(fù)雜性 生物化學(xué)生物化學(xué) 改變遺傳信息傳遞過程中的任

11、何環(huán)節(jié)都會導(dǎo)致基 因表達的變化； 某一特定類型的細胞可以選擇性擴增基因組DNA的 部分基因使某些蛋白質(zhì)分子高表達； 為適應(yīng)某種特定需要而進行的DNA重排，以及DNA 甲基化等均可在遺傳信息水平上影響基因表達。 二、基因表達調(diào)控的多層次和復(fù)雜性二、基因表達調(diào)控的多層次和復(fù)雜性 基因表達的多級調(diào)控基因表達的多級調(diào)控 基因基因 激活激活 轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄后加工 mRNAmRNA降解降解 蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)降解等 蛋白質(zhì)翻譯蛋白質(zhì)翻譯 翻譯后加工修飾翻譯后加工修飾 轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) 在遺傳信息傳遞的各個水平上均可進行基因表 達調(diào)控。

12、而發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，尤其是轉(zhuǎn)錄起始水轉(zhuǎn)錄起始水 平的調(diào)節(jié)平的調(diào)節(jié)，對基因表達起著至關(guān)重要的作用，即 轉(zhuǎn)錄起始是基因表達的基本控制點。 基因表達的調(diào)節(jié)與基因表達的調(diào)節(jié)與基因基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生 物個體或細胞所處的內(nèi)、外物個體或細胞所處的內(nèi)、外環(huán)境環(huán)境，以及細胞內(nèi)，以及細胞內(nèi) 所存在的轉(zhuǎn)錄所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白有關(guān)。有關(guān)。 轉(zhuǎn)錄起始是基因表達的最主要的控制點。轉(zhuǎn)錄起始是基因表達的最主要的控制點。 轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)主要作用于轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)主要作用于RNARNA聚合酶與聚合酶與DNADNA的的 特異序列相結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的過程。特異序列相結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的過程。 生物化學(xué)生物

13、化學(xué) 三、基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)的因素三、基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)的因素 原核生物原核生物 - 操縱子操縱子(operon) 機制機制 生物化學(xué)生物化學(xué) （一）（一） 特異特異DNA序列序列 原核生物和真核生物基因均存在對轉(zhuǎn)錄的原核生物和真核生物基因均存在對轉(zhuǎn)錄的 激活起著調(diào)節(jié)作用的特異激活起著調(diào)節(jié)作用的特異DNA序列序列 原核生物原核生物 - 操縱子操縱子(operon) 機制機制 編碼序列編碼序列 啟動序列啟動序列 操縱序列操縱序列其他調(diào)節(jié)序列其他調(diào)節(jié)序列 (promoter) (operator) 生物化學(xué)生物化學(xué) （一）（一） 特異特異DNA序列序列 轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點 -35區(qū)區(qū)-10區(qū)區(qū) TT

14、GACATTAACT TTTACATATGAT TTTACATATGTT TTGATA TATAAT CTGACGTACTGT N17 N16 N17 N16 N16 N7 N7 N6 N7 N6 A A A A A trp tRNA Tyr lac recA araBAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列 ：RNARNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特 異異DNADNA序列序列 啟動序列啟動序列 生物化學(xué)生物化學(xué) 共有序列（共有序列（DNA）：）：-10及及-35區(qū)域內(nèi)存在一區(qū)域內(nèi)存在一 些高度保守型序列，些高度保守型序列， 啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。啟動序列的轉(zhuǎn)錄活

15、性大小。 某些特異因子（蛋白質(zhì)）某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定決定RNA聚合酶聚合酶 對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能 力。例如力。例如RNA聚合酶聚合酶全酶中的全酶中的因子識別并結(jié)因子識別并結(jié) 合在合在-35區(qū)和區(qū)和-10區(qū)。區(qū)。RNA聚合酶與啟動序列的聚合酶與啟動序列的 結(jié)合及轉(zhuǎn)錄起始的功能依賴于共有序列中核苷結(jié)合及轉(zhuǎn)錄起始的功能依賴于共有序列中核苷 酸順序的保守性。酸順序的保守性。 生物化學(xué)生物化學(xué) 真核生物真核生物 順式作用元件順式作用元件( cis-acting element) 生物化學(xué)生物化學(xué) 大多數(shù)真核編碼基因兩側(cè)的某些某些DNA序列

16、序列參與基因表達 的調(diào)控，這些具有調(diào)節(jié)功能調(diào)節(jié)功能的DNA序列。 即在同一DNA分子中，作用于自身分子并影響其基因表 達活性的一段特異DNA序列，它們屬于基因的非編碼序 列。 真核生物真核生物 BA DNA 編碼序列編碼序列 轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點 不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有 序列序列 ，如，如TATA 盒、盒、CCAAT盒等，這些共有序列是盒等，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。聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。 根據(jù)在基因中的位置、轉(zhuǎn)錄激活作用的性質(zhì)及發(fā)揮作用根據(jù)在基因中的位置、轉(zhuǎn)錄激活作用的性質(zhì)及發(fā)揮作用 的方

17、式順式作用元件：啟動子、增強子、沉默子的方式順式作用元件：啟動子、增強子、沉默子 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) （二）（二） 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白 某些蛋白質(zhì)可通過與DNA中調(diào)節(jié)序列的特異作用參 與基因表達的調(diào)控； 原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白都屬于DNA結(jié)合蛋白，分為 特異因子、阻遏蛋白及激活蛋白； 特異因子： 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)合的能力，介導(dǎo)RNA聚合酶 全酶與特異的啟動序列的結(jié)合。 操縱序列操縱序列 阻遏蛋白阻遏蛋白的結(jié)合位點的結(jié)合位點 當(dāng)操縱序列結(jié)合有當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白阻遏蛋白時，會阻礙時，會阻礙 RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是聚合

18、酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA 聚合酶不能沿聚合酶不能沿DNA向前移動向前移動 ，阻礙轉(zhuǎn)錄。，阻礙轉(zhuǎn)錄。 啟動序列啟動序列編碼序列編碼序列操縱序列操縱序列 pol 阻遏蛋白阻遏蛋白 生物化學(xué)生物化學(xué) 其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白 激活蛋白（激活蛋白（activator）可結(jié)合啟動序列可結(jié)合啟動序列 鄰近的鄰近的DNA 序列序列 ，促進，促進RNA聚合酶與啟動聚合酶與啟動 序列的結(jié)合，增強序列的結(jié)合，增強RNA聚合酶活性。聚合酶活性。 有些基因在沒有激活蛋白存在時有些基因在沒有激活蛋白存在時, RNA 聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列。聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列。 生物化學(xué)

19、生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) 真核基因的調(diào)節(jié)蛋白真核基因的調(diào)節(jié)蛋白 又稱轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或轉(zhuǎn)錄因子； 絕大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子由其編碼基因表達后，通過DNA-蛋 白質(zhì)或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用控制另一基因的轉(zhuǎn)錄， DNA-蛋白質(zhì)相互作用是指反式作用因子與順式作用元 件之間的特異識別及結(jié)合； 還有些蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自還有些蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自 身基因的調(diào)節(jié)序列身基因的調(diào)節(jié)序列, 調(diào)節(jié)自身基因的表達，稱調(diào)節(jié)自身基因的表達，稱 順式作用順式作用。 由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通 過與另一基因的順式作用元件相互作用，調(diào)過與另一基因的順式作用元件相互作用，調(diào) 節(jié)其

20、表達。節(jié)其表達。 ( trans-acting element ) 反式作用因子反式作用因子 這種作用稱為這種作用稱為反式作用反式作用 生物化學(xué)生物化學(xué) C DNA A DNA 反式調(diào)節(jié)反式調(diào)節(jié) c 順式調(diào)節(jié)順式調(diào)節(jié) mRNA c 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)B B B a mRNA 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)A A a 生物化學(xué)生物化學(xué) 被識別的被識別的DNA結(jié)合位點通常呈對稱、或結(jié)合位點通常呈對稱、或 不完全對稱結(jié)構(gòu)。不完全對稱結(jié)構(gòu)。 絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合DNA前，需通前，需通 過蛋白質(zhì)過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多 聚體。聚體。 DNA - 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)

21、 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 的相互作用的相互作用 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) （三）（三）RNA聚合酶活性聚合酶活性 DNA上的特定調(diào)節(jié)序列以及調(diào)節(jié)蛋白對轉(zhuǎn)錄激活的 調(diào)節(jié)作用，最終是通過改變RNA聚合酶的活性而體現(xiàn)的。 啟動序列或啟動子的結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)蛋白的性質(zhì)對RNA聚合 酶活性影響很大。 1. 1. 原核啟動序列原核啟動序列 / / 真核啟動子真核啟動子 功能部位包括轉(zhuǎn)錄起始點、功能部位包括轉(zhuǎn)錄起始點、RNA聚合酶結(jié)合位聚合酶結(jié)合位 點及控制轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)組件。點及控制轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)組件。 可通過影響可通過影響 RNA聚合酶與其的親和力聚合酶與其的親和力, 影響轉(zhuǎn)錄。影響轉(zhuǎn)錄。 原核原核RN

22、A聚合酶轉(zhuǎn)錄活性與啟動子中共有序列聚合酶轉(zhuǎn)錄活性與啟動子中共有序列 密切相關(guān)。原核生物啟動子保守序列與典型共有序密切相關(guān)。原核生物啟動子保守序列與典型共有序 列越一致，兩個共有序列間距離越接近列越一致，兩個共有序列間距離越接近17bp， RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄活性越強；相反，基因轉(zhuǎn)錄水平聚合酶轉(zhuǎn)錄活性越強；相反，基因轉(zhuǎn)錄水平 則降低。則降低。 生物化學(xué)生物化學(xué) （三）（三）RNA聚合酶活性聚合酶活性 1. 1. 原核啟動序列原核啟動序列 / / 真核啟動子真核啟動子 真核真核RNA聚合酶單獨存在時與啟動子的親和聚合酶單獨存在時與啟動子的親和 力極低或無親和力，某些基因的轉(zhuǎn)錄因子可與力極低或無親和力，

23、某些基因的轉(zhuǎn)錄因子可與 RNA聚合酶形成復(fù)合物促使其與啟動子結(jié)合而啟聚合酶形成復(fù)合物促使其與啟動子結(jié)合而啟 動轉(zhuǎn)錄。動轉(zhuǎn)錄。 真核真核RNA聚合酶活性除了與啟動子序列有關(guān)，聚合酶活性除了與啟動子序列有關(guān)， 還與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子作用有關(guān)。還與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子作用有關(guān)。 生物化學(xué)生物化學(xué) （三）（三）RNA聚合酶活性聚合酶活性 2. 調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白 一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號刺一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號刺 激下表達激下表達 , 然后通過然后通過DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)- 蛋白質(zhì)相互作用影響蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性。聚合酶活性。 原核特異性因子原核特異性因子 亞基識別特異啟動

24、序亞基識別特異啟動序 列而促進列而促進RNA聚合酶對不同基因轉(zhuǎn)錄；聚合酶對不同基因轉(zhuǎn)錄； 誘導(dǎo)劑、阻遏劑使調(diào)節(jié)蛋白構(gòu)象改變誘導(dǎo)劑、阻遏劑使調(diào)節(jié)蛋白構(gòu)象改變 生物化學(xué)生物化學(xué) （三）（三）RNA聚合酶活性聚合酶活性 原核基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)系統(tǒng)原核基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)系統(tǒng) 生物化學(xué)生物化學(xué) 原核生物是單細胞生物，基因組是由一條環(huán)狀 雙鏈DNA組成，沒有完整的核膜和核結(jié)構(gòu)，其 轉(zhuǎn)錄和翻譯是偶聯(lián)進行的。 原核特異基因的表達也受多級調(diào)控，如轉(zhuǎn)錄起 始、轉(zhuǎn)錄終止、翻譯水平的調(diào)控及RNA、蛋白 質(zhì)的穩(wěn)定性等 生物化學(xué)生物化學(xué) -調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始 原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點

25、 因子決定因子決定RNA 聚合酶識別特異性：不同的聚合酶識別特異性：不同的因因 子決定特異基因的轉(zhuǎn)錄激活，決定子決定特異基因的轉(zhuǎn)錄激活，決定mRNA、 rRNA和和tRNA基因的轉(zhuǎn)錄基因的轉(zhuǎn)錄 操縱子模型的普遍性：幾個功能相關(guān)蛋白質(zhì)的操縱子模型的普遍性：幾個功能相關(guān)蛋白質(zhì)的 編碼基因串聯(lián)在一起，受上游調(diào)控序列共同調(diào)編碼基因串聯(lián)在一起，受上游調(diào)控序列共同調(diào) 節(jié)，構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄單位節(jié)，構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄單位- -操縱子操縱子 阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性-負(fù)性調(diào)控負(fù)性調(diào)控 生物化學(xué)生物化學(xué) 特點：特點： 生物化學(xué)生物化學(xué) 1961年，法國科學(xué)家莫諾（JLMonod）與雅可布（FJa

26、cob） 發(fā)表“蛋白質(zhì)合成中的遺傳調(diào)節(jié)機制”一文，提出操縱子學(xué)說， 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。 莫諾與雅可布最初發(fā)現(xiàn)的是大腸桿菌的乳糖操縱子。這是一個 十分巧妙的自動控制系統(tǒng)，這個自動控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)控大腸桿 菌的乳糖代謝。 操縱子是原核生物基因表達調(diào)控的基本方式操縱子是原核生物基因表達調(diào)控的基本方式 一、乳糖操縱子（一、乳糖操縱子（E.coliE.coli） (一一) 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu) 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū) CAP結(jié)合位點結(jié)合位點 啟動序列啟動序列 操縱序列操縱序列 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶-水水 解乳糖生

27、成半乳糖、葡萄糖解乳糖生成半乳糖、葡萄糖 Y：半乳糖苷通透酶：半乳糖苷通透酶 A：乙?；D(zhuǎn)移酶：乙?；D(zhuǎn)移酶 ZYAOP DNA 生物化學(xué)生物化學(xué) CAP：代謝物基因激活蛋白：代謝物基因激活蛋白 控制細胞控制細胞 對乳糖的對乳糖的 攝取和代攝取和代 謝謝 mRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白 I DNA ZYAOP pol 沒有乳糖存在時沒有乳糖存在時 (二二) 阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié) 阻遏基因阻遏基因 生物化學(xué)生物化學(xué) 偶有阻遏蛋白與偶有阻遏蛋白與O序列解序列解 聚，使細胞中還有極低水聚，使細胞中還有極低水 平的平的-半乳糖苷酶及半乳半乳糖苷酶及半乳 糖苷通透酶生成糖苷通透酶生成 mRN

28、A 阻遏蛋白阻遏蛋白 有乳糖存在時有乳糖存在時 I DNA ZYAOP pol 啟動轉(zhuǎn)錄啟動轉(zhuǎn)錄 mRNA 乳糖乳糖半乳糖半乳糖 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) 化學(xué)合成的半乳糖類似物：別乳糖、IPTG與阻遏蛋白特異性結(jié) 合，誘導(dǎo)lac操縱子的開放； X-gal：人工合成的半乳糖苷，被-半乳糖苷酶催化水解產(chǎn)生深 藍色不溶性產(chǎn)物，被用作-半乳糖苷酶活性的指示劑。 + + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃度高時濃度高時 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時濃度低時 (三三) CAP的正性調(diào)節(jié)的正性調(diào)節(jié) ZYAOP DNA CAP CAP

29、CAPCAP CAP CAP 生物化學(xué)生物化學(xué) CAP是同二聚體，其分子內(nèi)有是同二聚體，其分子內(nèi)有DNA結(jié)合區(qū)及結(jié)合區(qū)及cAMP結(jié)合位點結(jié)合位點 生物化學(xué)生物化學(xué) 對lac操縱子來說CAP是正性調(diào)節(jié)因素正性調(diào)節(jié)因素，lac阻遏蛋白 是負(fù)性調(diào)節(jié)因素負(fù)性調(diào)節(jié)因素。兩種調(diào)節(jié)機制根據(jù)存在的碳源性 質(zhì)及水平協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)lac操縱子的表達。 (四四) 協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié) 當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能對該系統(tǒng)不能 發(fā)揮作用；如無發(fā)揮作用；如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與存在，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。操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。CAP結(jié)合結(jié)合

30、是是lac操縱子表達的必需條件。操縱子表達的必需條件。 單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；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若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時乳糖共同存在時 , 細菌首細菌首 先利用葡萄糖。先利用葡萄糖。 葡萄糖對葡萄糖對 lac lac 操縱子的阻遏作用稱操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏分解代謝阻遏 （catabolic repressioncatabolic repression）。 生物化學(xué)生物化學(xué) mRNA 低半乳糖時低半乳糖時高半乳糖時高半乳糖時 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP濃度高濃度高 葡萄糖高葡萄糖高 cAMP濃度低濃度低 RNA-pol OO

31、 OO 生物化學(xué)生物化學(xué) 二、色氨酸操縱子二、色氨酸操縱子 (一一) 色氨酸操縱子：色氨酸操縱子： 細菌經(jīng)多步酶促反應(yīng)自身合成色細菌經(jīng)多步酶促反應(yīng)自身合成色 氨酸；但一旦環(huán)境能夠提供色氨酸，氨酸；但一旦環(huán)境能夠提供色氨酸， 細菌就會充分利用外源的色氨酸，而細菌就會充分利用外源的色氨酸，而 減少或停止合成色氨酸酶系的表達。減少或停止合成色氨酸酶系的表達。 生物化學(xué)生物化學(xué) 二、色氨酸操縱子二、色氨酸操縱子 (一一) 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu) 生物化學(xué)生物化學(xué) (二二) 轉(zhuǎn)錄衰減轉(zhuǎn)錄衰減 trp trp 高時高時 trp 低時低時 mRNA OPI 調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 前導(dǎo)肽

32、前導(dǎo)肽 衰減子衰減子 色氨酸操縱子色氨酸操縱子 生物化學(xué)生物化學(xué) 衰減子結(jié)構(gòu)衰減子結(jié)構(gòu) (attenuator) 核糖體核糖體 新生肽鏈新生肽鏈 mRNA DNA 12 3 4 UUUU 3 1.當(dāng)色氨酸濃度高時當(dāng)色氨酸濃度高時 trp 密碼子密碼子 轉(zhuǎn)錄衰減機制轉(zhuǎn)錄衰減機制: 5 生物化學(xué)生物化學(xué) 1 2 3 4 5 核糖體核糖體 2.當(dāng)色氨酸濃度低時當(dāng)色氨酸濃度低時 生物化學(xué)生物化學(xué) SOS反應(yīng)反應(yīng) SOS基因基因 紫外線紫外線 激活激活 Rec A Lex A阻遏蛋白阻遏蛋白 與與DNA 損傷修復(fù)損傷修復(fù) 有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì) 基因基因 表達表達 Lex A阻遏蛋白阻遏蛋白

33、操縱序列操縱序列DNA 三三 其他轉(zhuǎn)錄調(diào)控方式其他轉(zhuǎn)錄調(diào)控方式 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) 真核基因表達調(diào)控機制發(fā)生在染色質(zhì)活化、基 因轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯及翻譯后加工 等水平。 生物化學(xué)生物化學(xué) 一、真核生物基因組結(jié)構(gòu)的特點一、真核生物基因組結(jié)構(gòu)的特點 (一一) 真核基因組結(jié)構(gòu)龐大真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 9 哺乳類動哺乳類動 物基因組物基因組 DNA 約約 3 10 堿基對堿基對 生物化學(xué)生物化學(xué) 含2萬2.5萬個基因，其中60%的基因存在可 變剪接，約80%的可變剪接能夠?qū)е碌鞍踪|(zhì)序 列的變化。 人類基因組中1%序列編碼蛋白質(zhì)，5%10% 的重復(fù)基因，其余80%90%的基因組為非

34、編 碼序列內(nèi)含子、調(diào)控序列等。 (二二) 單順反子單順反子（monocistron） 即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個 mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。 (三三) 重復(fù)序列重復(fù)序列-真核基因組普遍存在真核基因組普遍存在 單拷貝序列單拷貝序列（一次或數(shù)次一次或數(shù)次） 高度重復(fù)序列高度重復(fù)序列（ 10 次次） 6 中度重復(fù)序列中度重復(fù)序列（ 10 10 次次） 4 3 多拷貝序列多拷貝序列 生物化學(xué)生物化學(xué) 多順反子多順反子：細菌由操縱子機制控制轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可表達功能 相關(guān)的數(shù)種蛋白 在基因調(diào)控區(qū)存在的重復(fù)序列可能參與DNA 復(fù)制、轉(zhuǎn)錄的調(diào)

35、控。 生物化學(xué)生物化學(xué) (四四) 基因不連續(xù)性基因不連續(xù)性 非編碼序列非編碼序列-不被轉(zhuǎn)錄不被轉(zhuǎn)錄-基因表達的調(diào)控區(qū)基因表達的調(diào)控區(qū) 內(nèi)含子：編碼基因內(nèi)部不為蛋白質(zhì)編碼的內(nèi)含子：編碼基因內(nèi)部不為蛋白質(zhì)編碼的 間隔序列間隔序列 外顯子：編碼基因內(nèi)部編碼序列外顯子：編碼基因內(nèi)部編碼序列 前體前體mRNA：內(nèi)含子：內(nèi)含子+外顯子一起轉(zhuǎn)錄的外顯子一起轉(zhuǎn)錄的 mRNA：剪切去除內(nèi)含子，使外顯子相連：剪切去除內(nèi)含子，使外顯子相連 二、二、 真核基因表達調(diào)控特點真核基因表達調(diào)控特點 (一一) RNA聚合酶聚合酶 生物化學(xué)生物化學(xué) RNA pol、分別負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄；分別負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄； 各類基因啟動序列有不同特點，各種

36、各類基因啟動序列有不同特點，各種RNA聚聚 合酶有共同亞基也有特有亞基；合酶有共同亞基也有特有亞基； 真核細胞轉(zhuǎn)錄和翻譯在不同亞細胞結(jié)構(gòu)中進真核細胞轉(zhuǎn)錄和翻譯在不同亞細胞結(jié)構(gòu)中進 行，各種真核基因轉(zhuǎn)錄的行，各種真核基因轉(zhuǎn)錄的RNA產(chǎn)物都需要經(jīng)產(chǎn)物都需要經(jīng) 過剪接修飾等加工過程。過剪接修飾等加工過程。 二、二、 真核基因表達調(diào)控特點真核基因表達調(diào)控特點 (二二) 活性染色體結(jié)構(gòu)變化活性染色體結(jié)構(gòu)變化 1.組蛋白變化組蛋白變化 轉(zhuǎn)錄活躍的染色質(zhì)缺乏組蛋白H1，其他核心組 蛋白亦可被乙?；揎?。每一種核心組蛋白 （H2A、H2B、H3、H4）都有兩個結(jié)構(gòu)域：一 是中心結(jié)構(gòu)域，參與組蛋白和組蛋白的相互

37、作 用并幫助DNA纏繞形成核小體；二是富含賴氨 酸的氨基端結(jié)構(gòu)域，賴氨酸殘基在組蛋白轉(zhuǎn)乙 ?；傅淖饔孟卤灰阴；?。 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) 乙酰化能降低組蛋白對DNA的親和力，還 可使DNA對核酸酶的敏感性增高，有利于 轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的結(jié)合。當(dāng)某一個基因不再 轉(zhuǎn)錄時，在組蛋白脫乙?；傅拇呋率?核小體的乙酰化降低，基因轉(zhuǎn)錄趨于靜止。 2.DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化 生物化學(xué)生物化學(xué) SSB 3 5 3 5 Dna B DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶 Dna A Dna C 幫助幫助Dna B結(jié)合到復(fù)制結(jié)合到復(fù)制 起始點上起始點上 解螺旋酶解螺旋酶 防止單鏈重新形成雙螺旋防止單鏈重新

38、形成雙螺旋 和被核酸酶水解和被核酸酶水解 DNA開放的松散結(jié)構(gòu)使參與轉(zhuǎn)錄起始的RNA聚合 酶和蛋白質(zhì)因子能夠接近該區(qū)域。 70 DNA酶酶I高敏感區(qū)：大多位于被轉(zhuǎn)高敏感區(qū)：大多位于被轉(zhuǎn) 錄基因的錄基因的5旁側(cè)旁側(cè)1000bp范圍內(nèi)，長約范圍內(nèi)，長約 100-200bp；有些距離；有些距離5端較遠；有些則端較遠；有些則 位于基因的位于基因的3端或位于基因中間。端或位于基因中間。在轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn) 錄活躍的區(qū)域，缺乏或完全沒有核小體錄活躍的區(qū)域，缺乏或完全沒有核小體 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 3.DNA堿基修飾變化堿基修飾變化 真核真核DNA約有約有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化， 甲基化范圍與基因表達程度呈反

39、比。甲基化范圍與基因表達程度呈反比。 轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)-很少甲基化；很少甲基化； 不表達的基因不表達的基因-高度甲基化；高度甲基化； 管家基因富含管家基因富含CpG島，胞嘧啶殘基均不發(fā)島，胞嘧啶殘基均不發(fā) 生甲基化。生甲基化。 生物化學(xué)生物化學(xué) (三三) 正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo) 生物化學(xué)生物化學(xué) 真核RNA聚合酶對啟動子的親和力很低，僅靠 RNA聚合酶與啟動子序列結(jié)合不能啟動基因轉(zhuǎn)錄， 需要依賴多種激活蛋白的協(xié)同作用。 真核基因轉(zhuǎn)錄表達的調(diào)控蛋白主要是以激活蛋白 作用為主，表達時就需要有激活的蛋白質(zhì)存在促進 轉(zhuǎn)錄，因此真核基因表達以正性調(diào)節(jié)為主導(dǎo)。 由于調(diào)節(jié)蛋白與DNA特異序列作用特

40、異性強，而 多種激活蛋白與DNA間同時特異相互作用，使非特 異作用更加降低，可使數(shù)目巨大的真核基因的調(diào)控 更特異更精確。 (四四) 轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行 (五五) 轉(zhuǎn)錄或修飾、加工轉(zhuǎn)錄或修飾、加工 生物化學(xué)生物化學(xué) 三、三、 真核基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)真核基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié) (一一) 順式作用元件：順式作用元件：位于基因前后，參與基因位于基因前后，參與基因 表達調(diào)控、可影響轉(zhuǎn)錄速率的表達調(diào)控、可影響轉(zhuǎn)錄速率的DNA特異序列特異序列 1.啟動子啟動子 真核基因啟動子是真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)聚合酶結(jié) 合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至 少包括一個少包括

41、一個轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上以及一個以上 的的功能組件功能組件 TATA盒盒 GC盒盒 CAAT盒盒 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) TATATATA盒盒，其共有序列是TATAAAA。TATA盒通常位于轉(zhuǎn)錄起始點 上游-25-30bp，控制轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率。 GCGC盒盒（GGGCGG）和CAATCAAT盒盒（GCCAAT）通常位于轉(zhuǎn)錄起始點 上游-30110bp區(qū)域。 典型的啟動子由TATA盒及上游的CAAT盒和（或）GC盒組成，這 類啟動子通常具有一個一個轉(zhuǎn)錄起始點及較高的轉(zhuǎn)錄活性；由 TATA盒及轉(zhuǎn)錄起始點即可構(gòu)成最簡單的啟動子。 管家基因啟動子有長為12kb富含GC的

42、CpG島，稱富含GC的啟動 子，這類啟動子一般含數(shù)個分離的轉(zhuǎn)錄起始點。有的啟動子既不 含TATA盒，也沒有GC富含區(qū)，這類啟動子可有一個或多個轉(zhuǎn)錄 起始點，大多轉(zhuǎn)錄活性很低或根本沒有轉(zhuǎn)錄活性，而是在胚胎發(fā) 育、組織分化或再生過程中受調(diào)節(jié)。 2.增強子增強子（enhancer） 指遠離轉(zhuǎn)錄起始點（130kb），通過啟動子增 強轉(zhuǎn)錄效率的特異DNA序列。 真核生物基因的增強子通常占100200bp長度， 每個核心組件常為812bp，可以單拷貝或多拷 貝串聯(lián)形式存在。 生物化學(xué)生物化學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué) 增強子的作用具有下列特性： 可通過啟動子提高同一條DNA鏈上同源或異源基因轉(zhuǎn)錄 效率，其作用與靶

43、基因的方向及距離無關(guān)。 可增強遠距離達14kb的上游或下游基因轉(zhuǎn)錄活性，其 增強功能與其序列的正反方向無關(guān)。 增強子對作用的啟動子沒有嚴(yán)格選擇性，必須與特異的 蛋白質(zhì)因子結(jié)合后才能發(fā)揮增強轉(zhuǎn)錄的作用。 增強子一般具有組織或細胞特異性。 沒有增強子存在，啟動子通常不能表現(xiàn)活性；沒有啟動 子時，增強子也無法發(fā)揮作用。 3.沉默子沉默子（silencer） 當(dāng)沉默子結(jié)合特異蛋白因子時，使當(dāng)沉默子結(jié)合特異蛋白因子時，使 其附近的啟動子失去活性，基因不能表其附近的啟動子失去活性，基因不能表 達。沉默子的作用可不受序列方向的影達。沉默子的作用可不受序列方向的影 響，也能遠距離發(fā)揮作用，并可對異源響，也能遠距離發(fā)揮作用，并可對異源 基因的表達起作用。基因的表達起作用。 生物化學(xué)生物化學(xué) (二二) 反式作用因子反式作用因子 由一種基因表達的蛋白質(zhì)因子，能結(jié)合并調(diào)由一種基