遺傳信息的傳遞(1)

1、遺傳信息的傳遞遺傳信息的傳遞 董 燕 臨床藥理研究所 免疫學(xué)分子生物學(xué)技術(shù)研究室 遺傳現(xiàn)象 遺傳現(xiàn)象遺傳現(xiàn)象:生物的性狀可從上一代傳至下一代生物的性狀可從上一代傳至下一代 性狀：性狀：生物體表現(xiàn)出的形態(tài)特征（如花色）和生理生生物體表現(xiàn)出的形態(tài)特征（如花色）和生理生 化特征（如抗病性、合成某種物質(zhì)的能力）化特征（如抗病性、合成某種物質(zhì)的能力）通過通過 各種蛋白質(zhì)而顯現(xiàn)各種蛋白質(zhì)而顯現(xiàn) 中心法則：中心法則： 轉(zhuǎn) 錄 反 轉(zhuǎn) 錄 翻 譯 復(fù) 制 基因表達(dá)基因表達(dá)（gene expressiongene expression） 是指基因組中結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、是指基因組中結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、 翻譯等過程，

2、合成蛋白質(zhì)，進(jìn)而發(fā)翻譯等過程，合成蛋白質(zhì)，進(jìn)而發(fā) 揮其特定的生物學(xué)功能的全過程。揮其特定的生物學(xué)功能的全過程。 一、一、DNA的復(fù)制的復(fù)制（replication） 是指以親代是指以親代DNA分子為模板合成一個(gè)新的子代分子為模板合成一個(gè)新的子代DNA分分 子的過程子的過程 1. 半保留復(fù)制半保留復(fù)制 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的雙螺旋結(jié)構(gòu)中的 兩條鏈分開，以每一條單兩條鏈分開，以每一條單 鏈為模板（鏈為模板（template）按照）按照 堿基互補(bǔ)配對方式合成一堿基互補(bǔ)配對方式合成一 條新鏈。條新鏈。 新生成的兩個(gè)新生成的兩個(gè)DNA分分 子與原來的子與原來的DNA分子完全分子完全 相同，且每個(gè)子代相同，

3、且每個(gè)子代DNA分分 子中有一條鏈來自親代子中有一條鏈來自親代 DNA，而另一條鏈?zhǔn)切潞?，而另一條鏈?zhǔn)切潞?成的。成的。 實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明同位素標(biāo)記和密度梯度離心同位素標(biāo)記和密度梯度離心 親代親代子一代子一代 子二代子二代 輕鏈輕鏈 14NDNA 雜交鏈雜交鏈 14N- 15NDNA 重鏈重鏈 15NDNA 15N培養(yǎng)基 培養(yǎng)基 14N培養(yǎng)基 培養(yǎng)基 14N培養(yǎng)基 培養(yǎng)基 親代 子一代 子二代 2.半不連續(xù)復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制 模板模板：DNA 底物底物：dATP、dTTP、dGTP、dCTP RNA引物引物 DNA聚合酶聚合酶：從引物的：從引物的3-OH上逐個(gè)加上逐個(gè)加 上上脫氧脫氧核苷酸核苷酸

4、 53 聚合活性聚合活性 新鏈合成方向新鏈合成方向：53 DNA復(fù)制開始于染色體上固定的起始點(diǎn)，稱為復(fù)制開始于染色體上固定的起始點(diǎn)，稱為復(fù)復(fù) 制起點(diǎn)制起點(diǎn)（origin of replication, ori） DNA兩條鏈在起始點(diǎn)分開，形成兩條鏈在起始點(diǎn)分開，形成“復(fù)制叉復(fù)制叉” DNA不是全部解開，而是不是全部解開，而是邊解開邊合成邊解開邊合成 DNA復(fù)制可以朝一個(gè)方向進(jìn)行，也可以朝兩個(gè)相復(fù)制可以朝一個(gè)方向進(jìn)行，也可以朝兩個(gè)相 反的方向進(jìn)行反的方向進(jìn)行 滯后鏈滯后鏈 前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈 岡崎片段岡崎片段復(fù)制叉 3.DNA復(fù)制的分子機(jī)制復(fù)制的分子機(jī)制 解鏈酶解鏈酶 helicase 拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)?/p>

5、異構(gòu)酶 topoisomerase 單鏈結(jié)合蛋白單鏈結(jié)合蛋白 SSB 引物合成酶引物合成酶 primase DNA聚合酶聚合酶 polymerase DNA連接酶連接酶 ligase 起始、延長、終止 大腸桿菌大腸桿菌DNA聚合酶：聚合酶： DNA聚合酶IDNA聚合酶IIDNA聚合酶III 分子結(jié)構(gòu)單鏈分子單鏈分子 核心酶3個(gè)亞基 全酶22亞基 分子量（ku）109120450 53 聚合聚合 酶酶活性 53 外切外切 酶酶活性 35 外切外切 酶酶活性 功能 除去除去RNARNA引物引物 并填補(bǔ)空隙并填補(bǔ)空隙 DNADNA校正和修復(fù)校正和修復(fù) 岡崎片段及岡崎片段及 前導(dǎo)鏈的合成前導(dǎo)鏈的合成

6、起始起始：特定的起始位點(diǎn)特定的起始位點(diǎn)(復(fù)制起點(diǎn)，復(fù)制起點(diǎn)，Ori） 雙鏈解開雙鏈解開解鏈酶、拓?fù)洚悩?gòu)酶、解鏈酶、拓?fù)洚悩?gòu)酶、SSB 引物生成引物生成引物合成酶引物合成酶 延長：延長：前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈 岡崎片段岡崎片段 DNA聚合酶聚合酶III 終止：終止：停止延伸停止延伸 刪除引物刪除引物DNA聚合酶聚合酶I（外切酶活性）（外切酶活性） 填補(bǔ)空隙填補(bǔ)空隙DNA聚合酶聚合酶I（聚合酶活性）（聚合酶活性） 滯后鏈形成滯后鏈形成DNA連接酶連接酶 形成超螺旋形成超螺旋拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶 二、轉(zhuǎn)錄二、轉(zhuǎn)錄 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄（transcription） ：是遺傳信息轉(zhuǎn)移至是遺傳信息轉(zhuǎn)移至RNA 分子中的過程。

7、在依賴于分子中的過程。在依賴于DNA的的RNA聚合酶作用下，聚合酶作用下， 合成與合成與DNA模板鏈堿基順序互補(bǔ)的模板鏈堿基順序互補(bǔ)的RNA的過程。的過程。 1. DNA指導(dǎo)下的指導(dǎo)下的RNA合成反應(yīng)體系：合成反應(yīng)體系： 模板模板：DNA RNA聚合酶聚合酶：從單核苷酸的：從單核苷酸的3-OH上逐個(gè)加上核苷酸上逐個(gè)加上核苷酸 53 聚合活性聚合活性 底物底物：ATP、UTP、GTP、CTP 合成方向合成方向：53 不需引物不需引物 產(chǎn)物產(chǎn)物：信使信使RNA（mRNA） 核糖體核糖體RNA（rRNA） 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移RNA（tRNA） 模板鏈（模板鏈（template strand） 或反義鏈（或反義

8、鏈（antisense strand） 編碼鏈（編碼鏈（coding strand） 或有義鏈或有義鏈(sense strand) 2. RNA聚合酶聚合酶 大腸桿菌大腸桿菌：全酶（：全酶（holoenzyme） 2 核心酶（核心酶（core enzyme） 2 . 識別模板鏈上的起始位點(diǎn)識別模板鏈上的起始位點(diǎn) 因子因子 識別終止信號識別終止信號 需要需要因子幫助因子幫助 不需要引物不需要引物 ，不具有校正功能，不具有校正功能 真核生物真核生物：RNA聚合酶有聚合酶有 I、II、III 聚合酶聚合酶I（核仁）（核仁）催化催化rRNA（大分子）（大分子）合成；合成； 聚合酶聚合酶II（核質(zhì)）（核

9、質(zhì)）催化催化mRNA前體即不均一核前體即不均一核RNA （hnRNA）的合成；轉(zhuǎn)錄的起始需要輔助因子參與）的合成；轉(zhuǎn)錄的起始需要輔助因子參與 聚合酶聚合酶 III （核質(zhì)）（核質(zhì)）催化催化tRNA和和rRNA（小分子）（小分子） 合成合成 3. 啟動(dòng)子啟動(dòng)子 DNA鏈上一段能與RNA聚合酶結(jié)合并能 起始RNA合成的序列 原核原核： 真核：真核： 啟動(dòng)子啟動(dòng)子：保守區(qū)：保守區(qū)Hogness盒（或盒（或TATA 盒）、盒）、GC盒及盒及CAAT盒（或盒（或CAT盒）盒） 是轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)是轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn) 增強(qiáng)子增強(qiáng)子（enhancer）序列）序列 ：對基因的轉(zhuǎn)錄對基因的轉(zhuǎn)錄 起促進(jìn)作用起促

10、進(jìn)作用 ，增強(qiáng)鄰近基因的表達(dá)但與它本增強(qiáng)鄰近基因的表達(dá)但與它本 身所在的位置及方向無關(guān)身所在的位置及方向無關(guān) 4. 轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄過程 起始： RNA聚合酶與啟動(dòng)子識別并結(jié)合聚合酶與啟動(dòng)子識別并結(jié)合 全酶全酶啟動(dòng)子啟動(dòng)子ATP/GTP 雙鏈局部解開雙鏈局部解開 延伸：延伸： 酶沿著酶沿著DNA鏈移動(dòng)鏈移動(dòng) DNA雙螺旋解開雙螺旋解開 RNA鏈由鏈由5 3 延延 長長 終止：終止： 模板上5端有終止信號： 5-末端AT豐富區(qū)中含有一連串的A 多個(gè)G、C組成的所謂“斷裂反復(fù)區(qū)” RNA鏈的3終止端為一連串的堿基U RNA鏈能自身配對互補(bǔ)而自動(dòng)形成 發(fā)夾式結(jié)構(gòu) RNA聚合酶識別終止信號 RNA脫離RN

11、A聚合酶和DNA模板 發(fā)夾式結(jié)構(gòu) 5. 真核生物的轉(zhuǎn)錄后加工真核生物的轉(zhuǎn)錄后加工 真核真核mRNA前體的加工： 1. 加帽：5端加上一個(gè)7-甲基鳥苷帽子 （與核糖體識別有關(guān)， 穩(wěn)定一級結(jié)構(gòu)） 2. 加尾：3端加上多聚腺苷酸尾巴poly （A） ，長度約為 100200個(gè)核苷酸 （保護(hù)作用，維持穩(wěn)定性，模板活性） 3. 剪接作用： mRNA前體不均一核RNA （hnRNA） 成熟mRNA （具有生物活性 ） 4. 甲基化、編輯加工 除去內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄 產(chǎn)物，拼接外顯 子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物 小核RNA（snRNA） 核酶 RNA和和DNA的合成過程比較：的合成過程比較： 相似：相似： 具有啟動(dòng)、延伸和終止的基本

12、步驟； 需要多組分的啟動(dòng)復(fù)合物； 遵循堿基配對原則； 按5到3方向合成新鏈。 不同：不同： RNA合成的底物是核苷三磷酸（NTP），而不是脫氧核苷三 磷酸（dNTP）； RNA中以U代替T作為A的互補(bǔ)堿基； RNA合成中不需要引物參與； 基因組中只有小部分被轉(zhuǎn)錄成RNA,而在DNA復(fù)制中全部基 因組都必須被復(fù)制； RNA轉(zhuǎn)錄過程中無校正功能。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需加工修飾。 三、翻譯 翻譯（翻譯（translation）即蛋白質(zhì)的生物合即蛋白質(zhì)的生物合 成，以成，以mRNA為模板將氨基酸裝配成特為模板將氨基酸裝配成特 定肽鏈的過程。定肽鏈的過程。 主要元件：主要元件：核糖體核糖體場所場所 mRNA模板模板

13、 tRNA運(yùn)載氨基酸運(yùn)載氨基酸 氨基酸氨基酸 1.遺傳密碼遺傳密碼 mRNA上三個(gè)連續(xù)的核苷酸編碼一種氨基酸，上三個(gè)連續(xù)的核苷酸編碼一種氨基酸， 稱為三聯(lián)體（稱為三聯(lián)體（triplet）密碼或密碼子）密碼或密碼子 （codon） 。43=64種種 起始密碼起始密碼AUG，編碼甲硫氨酸編碼甲硫氨酸 終止密碼終止密碼 UAA、UAG和和UGA，是多，是多 肽合成的終止信號肽合成的終止信號 5 TCT AGA ATG AAA TGG AAA GTT TTT AAA Met Lys Trp Lys Val Phe Lys AAG TGA 3 Lys * 特征：特征： a. 簡并性：即多個(gè)密碼子可編碼同

14、一個(gè)氨基酸。如簡并性：即多個(gè)密碼子可編碼同一個(gè)氨基酸。如 AAA，AAG都編碼賴氨酸，為都編碼賴氨酸，為同義密碼子同義密碼子。 b.非多義性非多義性 、連續(xù)性連續(xù)性 、通用性通用性 、偏好性偏好性 開放閱讀框架開放閱讀框架（open reading frame，ORF）：）： mRNA分子中分子中 由由5 3 ，從起始密碼子到終止密碼子之間的核苷酸序列。，從起始密碼子到終止密碼子之間的核苷酸序列。 2. 2. 核糖體核糖體 核糖體由大小兩個(gè)亞基構(gòu)成核糖體由大小兩個(gè)亞基構(gòu)成 核糖體能與核糖體能與mRNA結(jié)合并在其上移動(dòng)結(jié)合并在其上移動(dòng) 參與多肽鏈的啟動(dòng)、延長和終止過程中各種因子的識參與多肽鏈的啟

15、動(dòng)、延長和終止過程中各種因子的識 別別 3. 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移RNA（tRNA） （1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 3末端末端氨基酸結(jié)合的位點(diǎn)，生成氨酰氨基酸結(jié)合的位點(diǎn)，生成氨酰 tRNA 反密碼子反密碼子(anticodon)識別識別mRNA分子分子 上的密碼子上的密碼子 （2）功能：）功能： 實(shí)現(xiàn)了特定的氨基酸與實(shí)現(xiàn)了特定的氨基酸與mRNA上特定的堿基上特定的堿基 （密碼子）之間的聯(lián)系（密碼子）之間的聯(lián)系 。 4. 蛋白質(zhì)生物合成的分子機(jī)制蛋白質(zhì)生物合成的分子機(jī)制 起始： 核糖體與mRNA 結(jié)合（S-D序列） fMet-tRNA通過 反密碼子識別 mRNA上的起始密 碼子，并與核糖體 的P部位（肽基部

16、 位）結(jié)合 形成起始復(fù)合體 后，翻譯開始 延伸延伸： （1）下一個(gè)氨酰下一個(gè)氨酰-tRNA分子進(jìn)入核糖體的分子進(jìn)入核糖體的A部位。部位。進(jìn)位進(jìn)位 （2）兩個(gè)氨基酸分子之間形成肽鍵。）兩個(gè)氨基酸分子之間形成肽鍵。轉(zhuǎn)肽轉(zhuǎn)肽 （3）P部位上的部位上的tRNA釋放。釋放。脫落脫落 （4）核糖體沿著）核糖體沿著mRNA的的53方向移動(dòng)，同時(shí)攜帶著方向移動(dòng)，同時(shí)攜帶著 肽基的肽基的tRNA從從A部位移到部位移到P部位。空出部位?？粘鯝部位，等待第部位，等待第 三個(gè)氨酰三個(gè)氨酰-tRNA進(jìn)入進(jìn)入 。移位移位 終止：終止： 到達(dá)終止密碼子時(shí)，氨酰到達(dá)終止密碼子時(shí)，氨酰-tRNA 不能與之結(jié)合不能與之結(jié)合 多肽

17、鏈從多肽鏈從mRNA上釋放，核糖體脫落上釋放，核糖體脫落 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 原核細(xì)胞中，蛋白質(zhì)的合成與mRNA合成 無嚴(yán)格時(shí)空界限。 真核細(xì)胞的mRNA的合成在細(xì)胞核，蛋白質(zhì)的合 成在細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行，所以，翻譯是在轉(zhuǎn)錄完成后 才開始。 五、翻譯后加工修飾五、翻譯后加工修飾 新生的多肽鏈大多數(shù)是沒有功能的，必新生的多肽鏈大多數(shù)是沒有功能的，必 須經(jīng)過加工修飾才能成為有活性的蛋白須經(jīng)過加工修飾才能成為有活性的蛋白 質(zhì)。質(zhì)。 （1）N端端fMet或或Met的切除。的切除。 （2）二硫鍵的形成。）二硫鍵的形成。 （3）氨基酸的修飾。包括磷酸化、糖基）氨基酸的修飾。包括磷酸化、糖基 化、甲基化、乙?；土u基化等

18、。化、甲基化、乙?；土u基化等。 （4）肽鏈的切除。如胰島素。）肽鏈的切除。如胰島素。 基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控 （gene expression regulation ） 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 維持個(gè)體發(fā)育與分化維持個(gè)體發(fā)育與分化 原核生物：原核生物： 生長與周圍環(huán)境密切相關(guān) 大腸桿菌基因組有4 300個(gè)基因 條件適宜條件適宜生長迅速生長迅速 營養(yǎng)缺乏、高溫、射線營養(yǎng)缺乏、高溫、射線生長緩慢生長緩慢 調(diào)節(jié)不同基因的表達(dá)調(diào)節(jié)不同基因的表達(dá)，以適應(yīng)營養(yǎng)條件（碳、 氮源等）的變化及對付周圍不利的環(huán)境因素 （如高溫、射線、重金屬等） 迅速合成自身需要的蛋白質(zhì)（酶）、核

19、酸和其 他生物大分子;或迅速停止合成不再需要的成分。 真核生物：真核生物： 基因表達(dá)具有階段特異性和組織特異性基因表達(dá)具有階段特異性和組織特異性 人類基因組大約有人類基因組大約有3萬個(gè)基因萬個(gè)基因 受精卵細(xì)胞受精卵細(xì)胞 胚胎胚胎 組織器官組織器官 細(xì)胞的形態(tài)功能不同細(xì)胞的形態(tài)功能不同 細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)不同細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)不同 2%15%基因表達(dá)基因表達(dá) 選擇性、程序性地表達(dá)特定基因選擇性、程序性地表達(dá)特定基因 管家基因管家基因（housekeeping gene）在一個(gè)生物個(gè)在一個(gè)生物個(gè) 體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。 組成性基因表達(dá)組成性基因表達(dá)（const

20、itutive gene expression） 管家基因的表達(dá)方式，較少受環(huán)境影響，在個(gè)管家基因的表達(dá)方式，較少受環(huán)境影響，在個(gè) 體各生長階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)或變體各生長階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)或變 化很小。化很小。 基因表達(dá)及其調(diào)控的特點(diǎn) 誘導(dǎo)表達(dá)誘導(dǎo)表達(dá)（induction expression）有一些有一些 基因表達(dá)極易受環(huán)境影響，在特定環(huán)境基因表達(dá)極易受環(huán)境影響，在特定環(huán)境 信號刺激下，基因的表達(dá)開放或增強(qiáng)。信號刺激下，基因的表達(dá)開放或增強(qiáng)。 阻遏表達(dá)阻遏表達(dá)（repression expression）在特在特 定環(huán)境信號刺激下，基因的表達(dá)關(guān)閉或定環(huán)境信號刺激下，基因的

21、表達(dá)關(guān)閉或 減弱。減弱。 時(shí)間特異性時(shí)間特異性（temporal specificity）在多細(xì)胞生在多細(xì)胞生 物，從受精卵到組織、器官形成的各個(gè)發(fā)育階物，從受精卵到組織、器官形成的各個(gè)發(fā)育階 段，相應(yīng)的基因嚴(yán)格按照一定的時(shí)間順序開啟段，相應(yīng)的基因嚴(yán)格按照一定的時(shí)間順序開啟 或關(guān)閉?；蜿P(guān)閉。 空間特異性空間特異性（spatial specificity）在個(gè)體生長全在個(gè)體生長全 過程，某基因產(chǎn)物在不同組織空間順序出現(xiàn)。過程，某基因產(chǎn)物在不同組織空間順序出現(xiàn)。 協(xié)調(diào)表達(dá)協(xié)調(diào)表達(dá)（coordinated expression）功能相關(guān)功能相關(guān) 的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。又稱協(xié)調(diào)的一組基因，協(xié)

22、調(diào)一致，共同表達(dá)。又稱協(xié)調(diào) 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)（coordinated regulation） 一、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控一、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控 1. 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控操縱子 （operon) 是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的基本方式 Jacob和Monod于1961年提出大腸桿菌的 lac 操縱子（乳糖操縱子）模型 操縱子是由數(shù)個(gè)相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因及其調(diào) 控區(qū)組成。 幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因排列在一起受上游同一個(gè)調(diào)控序列控制， 呈現(xiàn)協(xié)同表達(dá)協(xié)同表達(dá) 結(jié)構(gòu)基因：結(jié)構(gòu)基因：LacI 編碼阻遏蛋白，lacZ 編碼-半乳糖苷酶，lacY 編碼通透酶，lacA 編碼硫代 半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶 調(diào)控區(qū)：調(diào)控區(qū)：操縱基因（oper

23、ator gene）、啟動(dòng)基因（promoter gene）及其它有調(diào)控功能的部 位組成 誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物 IPTG 復(fù)合物復(fù)合物 O基因基因“開啟開啟”，結(jié)構(gòu)基因開始表達(dá)，結(jié)構(gòu)基因開始表達(dá) 基因基因“關(guān)閉關(guān)閉” 多順反多順反子子mRNA是為兩條或更多條多肽鏈編碼是為兩條或更多條多肽鏈編碼 的的mRNA，在原核生物中普遍存在。，在原核生物中普遍存在。 負(fù)調(diào)控負(fù)調(diào)控（negative control）調(diào)節(jié)蛋白存在時(shí)）調(diào)節(jié)蛋白存在時(shí) 基因表達(dá)活性被關(guān)閉。沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時(shí)基基因表達(dá)活性被關(guān)閉。沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時(shí)基 因是表達(dá)的。因是表達(dá)的。 調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白阻遏物（阻遏物（repressor） 正調(diào)控正

24、調(diào)控（positive control）有調(diào)節(jié)蛋白（誘）有調(diào)節(jié)蛋白（誘 導(dǎo)物，導(dǎo)物，inducer）時(shí)，基因表達(dá)活性被開啟。）時(shí)，基因表達(dá)活性被開啟。 沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時(shí)基因是關(guān)閉的。沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時(shí)基因是關(guān)閉的。 調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白誘導(dǎo)物（誘導(dǎo)物（inducer） 正調(diào)控作用正調(diào)控作用 ： P基因上游（基因上游（ RNA聚合酶結(jié)合部位的上游）處聚合酶結(jié)合部位的上游）處 有一個(gè)有一個(gè)CAP （分解代謝基因活化蛋白）結(jié)合位（分解代謝基因活化蛋白）結(jié)合位 點(diǎn)點(diǎn), 但只有當(dāng)?shù)挥挟?dāng)CAP與與cAMP結(jié)合成復(fù)合物，才結(jié)結(jié)合成復(fù)合物，才結(jié) 合到合到DNA上。結(jié)合后有推動(dòng)上。結(jié)合后有推動(dòng)RNA聚合酶前移作

25、聚合酶前移作 用。用。 正負(fù)調(diào)控之間存在著一種協(xié)調(diào)正負(fù)調(diào)控之間存在著一種協(xié)調(diào): :阻遏蛋白的退離阻遏蛋白的退離 和和CAPCAP的結(jié)合是的結(jié)合是laclac操縱子表達(dá)的必要條件操縱子表達(dá)的必要條件 當(dāng)阻遏蛋白結(jié)合于當(dāng)阻遏蛋白結(jié)合于O區(qū)而阻礙轉(zhuǎn)錄時(shí)，區(qū)而阻礙轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP結(jié)合對轉(zhuǎn)錄沒有影響；結(jié)合對轉(zhuǎn)錄沒有影響； 但如果沒有但如果沒有CAP蛋白與蛋白與CAP位點(diǎn)結(jié)合，即便阻遏蛋白退離位點(diǎn)結(jié)合，即便阻遏蛋白退離O區(qū)也區(qū)也 不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。 Lactose Glucose - + - - + - + + LacI CAP-cAMP Four States of the Lac Operon

26、 所謂基因所謂基因“關(guān)閉關(guān)閉”不是絕對的，不是絕對的， 只是說基因表達(dá)水平只是說基因表達(dá)水平 很低，存在基礎(chǔ)表達(dá)速率。很低，存在基礎(chǔ)表達(dá)速率。 通常，可誘導(dǎo)基因只具有較低的基礎(chǔ)表達(dá)速率，在受通常，可誘導(dǎo)基因只具有較低的基礎(chǔ)表達(dá)速率，在受 到誘導(dǎo)物的正調(diào)控時(shí)，其基因表達(dá)增加。如乳糖操縱到誘導(dǎo)物的正調(diào)控時(shí)，其基因表達(dá)增加。如乳糖操縱 子。子。 具有高基礎(chǔ)表達(dá)速率的基因常受到阻遏物的負(fù)調(diào)節(jié)。具有高基礎(chǔ)表達(dá)速率的基因常受到阻遏物的負(fù)調(diào)節(jié)。 例如，大腸桿菌的色氨酸操縱子：例如，大腸桿菌的色氨酸操縱子： 在沒有外源色氨酸在沒有外源色氨酸 時(shí)，操縱子表達(dá)，合成有關(guān)色氨酸合成的酶類，在有時(shí)，操縱子表達(dá)，合成有

27、關(guān)色氨酸合成的酶類，在有 外源色氨酸存在時(shí)，操縱子受到阻遏，細(xì)菌不必自己外源色氨酸存在時(shí)，操縱子受到阻遏，細(xì)菌不必自己 合成色氨酸。合成色氨酸。 2. 基因轉(zhuǎn)錄的翻譯調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的翻譯調(diào)控衰減子衰減子 衰減子調(diào)控的實(shí)質(zhì)是以翻譯手段調(diào)控基衰減子調(diào)控的實(shí)質(zhì)是以翻譯手段調(diào)控基 因的轉(zhuǎn)錄因的轉(zhuǎn)錄 轉(zhuǎn)錄和翻譯是緊密偶聯(lián)的，轉(zhuǎn)錄和翻譯是緊密偶聯(lián)的，RNA聚合酶聚合酶 剛轉(zhuǎn)錄出前導(dǎo)肽的部分密碼子，核糖體剛轉(zhuǎn)錄出前導(dǎo)肽的部分密碼子，核糖體 就開始翻譯。就開始翻譯。 高色氨酸水平高色氨酸水平 形成終止子結(jié)構(gòu)形成終止子結(jié)構(gòu) 低色氨酸水平低色氨酸水平 不不形成終止子結(jié)構(gòu)形成終止子結(jié)構(gòu) Trp衰減子機(jī)制衰減子機(jī)制 :

28、 3. 翻譯水平的調(diào)控 （1）S-D序列序列（Shine-Dalgaron序列） 又叫核糖體結(jié)合位點(diǎn)（又叫核糖體結(jié)合位點(diǎn)（RBS） 位于mRNA上起始密碼子上游312個(gè)堿基位置 與核糖體16S rRNA 3-端序列可互補(bǔ)配對 S-D序列缺失或突變，或者S-D序列與起始密碼子AUG的距離發(fā)生 變化，都可對翻譯水平產(chǎn)生較大影響 核糖體 小亞基30S：16S rRNA 核糖體結(jié)合蛋白 大亞基50S （2）反義）反義RNA（anti-sense RNA） 是一段含有與被調(diào)控基因所產(chǎn)生的是一段含有與被調(diào)控基因所產(chǎn)生的mRNAmRNA互補(bǔ)互補(bǔ) 的堿基序列的小分子的堿基序列的小分子RNARNA 通過堿基互補(bǔ)

29、與特定通過堿基互補(bǔ)與特定mRNA結(jié)合，結(jié)合，抑制抑制mRNAmRNA的的 翻譯翻譯 結(jié)合位點(diǎn)通常是結(jié)合位點(diǎn)通常是mRNA上的上的S-D序列、起始密序列、起始密 碼子碼子AUG和部分和部分N端的密碼子端的密碼子 1983年，發(fā)現(xiàn)了反義年，發(fā)現(xiàn)了反義RNA對基因表達(dá)的調(diào)控；對基因表達(dá)的調(diào)控； 1984年，提出用反義年，提出用反義RNA來治療病毒性疾病來治療病毒性疾病 二真核生物基因表達(dá)的調(diào)控二真核生物基因表達(dá)的調(diào)控 A.真核生物基因有如下特點(diǎn)：真核生物基因有如下特點(diǎn)： （1）單順反子）單順反子。其。其mRNA只為一條多肽鏈編碼，而只為一條多肽鏈編碼，而 真核細(xì)胞蛋白多由幾條多肽鏈組成，因而存在多個(gè)

30、基真核細(xì)胞蛋白多由幾條多肽鏈組成，因而存在多個(gè)基 因協(xié)調(diào)表達(dá)的問題因協(xié)調(diào)表達(dá)的問題 （2）基因家族）基因家族。許多結(jié)構(gòu)相似，功能相關(guān)的真核基因。許多結(jié)構(gòu)相似，功能相關(guān)的真核基因 組成一個(gè)集合稱為組成一個(gè)集合稱為基因家族基因家族（gene family）。家族）。家族 中的成員可以緊密地排在一起，成為一個(gè)中的成員可以緊密地排在一起，成為一個(gè)基因簇基因簇；也；也 可分散在同一染色體的不同部位；也可位于不同染色可分散在同一染色體的不同部位；也可位于不同染色 體上。體上。 （3）重復(fù)序列）重復(fù)序列。即許多重復(fù)出現(xiàn)的核苷酸順序。某些 重復(fù)序列出現(xiàn)在調(diào)控區(qū)，如轉(zhuǎn)錄終止區(qū)、衰減區(qū)及某 些酶或蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)，

31、可能對DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄調(diào)控 等有重要意義。 多拷貝序列多拷貝序列，近1/3的基因是多拷貝的。 （4）斷裂結(jié)構(gòu)）斷裂結(jié)構(gòu)。大多數(shù)基因都是由外顯子和內(nèi)含子組。大多數(shù)基因都是由外顯子和內(nèi)含子組 成，外顯子之間被內(nèi)含子隔開，形成相間排列的斷裂成，外顯子之間被內(nèi)含子隔開，形成相間排列的斷裂 方式。方式。 基因轉(zhuǎn)錄后在加工修飾形成成熟的mRNA時(shí)，內(nèi)含 子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物被切除。對于同一初級轉(zhuǎn)錄本，不同的剪 接方式產(chǎn)生不同mRNA，可翻譯出不同的多肽。 B.真核基因與原核基因有一些相同的表達(dá)調(diào)控機(jī)真核基因與原核基因有一些相同的表達(dá)調(diào)控機(jī) 制，但在以下幾點(diǎn)與原核基因不同：制，但在以下幾點(diǎn)與原核基因不同： （1）

32、DNA與蛋白質(zhì)形成復(fù)雜而有序的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)， 轉(zhuǎn)錄的激活與被轉(zhuǎn)錄區(qū)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)； （2）盡管有正負(fù)調(diào)控元件，但正調(diào)控機(jī)制占主要地 位； （3）真核基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯分別在細(xì)胞核和細(xì)胞 質(zhì)中進(jìn)行，這種時(shí)空差別使真核基因的調(diào)控更復(fù)雜、 有序。 轉(zhuǎn)錄前調(diào)控（DNA水平調(diào)控） 轉(zhuǎn)錄調(diào)控 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控 翻譯調(diào)控 翻譯后調(diào)控 C.真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控是一個(gè)多真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控是一個(gè)多 層次、多水平的復(fù)雜過程層次、多水平的復(fù)雜過程 （多級調(diào)控）（多級調(diào)控） 1. DNA水平的調(diào)控基因結(jié)構(gòu)改變 （1） 基因丟失基因丟失 在細(xì)胞分化過程中，丟失掉某些基因而去除這在細(xì)胞分化過程中，丟失掉某些基因而去除這 些基

33、因的活性。些基因的活性。 在低等動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)：原生動(dòng)物、線蟲、昆蟲和在低等動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)：原生動(dòng)物、線蟲、昆蟲和 甲殼類動(dòng)物的個(gè)體發(fā)育中存在基因丟失現(xiàn)象甲殼類動(dòng)物的個(gè)體發(fā)育中存在基因丟失現(xiàn)象 （2）基因擴(kuò)增）基因擴(kuò)增細(xì)胞內(nèi)某些特定基因的細(xì)胞內(nèi)某些特定基因的 拷貝數(shù)專一性地大量增加的現(xiàn)象拷貝數(shù)專一性地大量增加的現(xiàn)象 是細(xì)胞在短期內(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。 如如:非洲爪蟾卵母細(xì)胞中非洲爪蟾卵母細(xì)胞中rRNA基因在分裂期擴(kuò)基因在分裂期擴(kuò) 增了約增了約4 000倍，使細(xì)胞內(nèi)迅速積蓄起倍，使細(xì)胞內(nèi)迅速積蓄起1012個(gè)核個(gè)核 糖體。糖體。 一些藥物能誘導(dǎo)抗藥性基因的擴(kuò)增，如：一些藥物

34、能誘導(dǎo)抗藥性基因的擴(kuò)增，如： 氨甲蝶呤氨甲蝶呤二氫葉酸還原酶基因二氫葉酸還原酶基因 鎘汞等重金屬鎘汞等重金屬金屬硫蛋白金屬硫蛋白I基因基因 銅離子銅離子銅結(jié)合蛋白銅結(jié)合蛋白 （3） 基因重排基因重排 指某些基因片斷改變原來存在的順序而 重新排列組合。 抗體抗體抗原特異性抗原特異性 ，機(jī)制之一是，機(jī)制之一是B細(xì)胞免疫球蛋白基細(xì)胞免疫球蛋白基 因重排。因重排。 方式：方式： 同源重組同源重組 移動(dòng)基因（轉(zhuǎn)位基因、跳躍基因），如癌基因的轉(zhuǎn)座移動(dòng)基因（轉(zhuǎn)位基因、跳躍基因），如癌基因的轉(zhuǎn)座 基因轉(zhuǎn)化，如病毒基因的整合基因轉(zhuǎn)化，如病毒基因的整合 （4 ）DNA的甲基化的甲基化 5%的胞密啶（的胞密啶（C）

35、在）在5位上被甲基化，生成位上被甲基化，生成mCG。 低甲基化或未甲基化的基因轉(zhuǎn)錄活躍 高度甲基化的基因不轉(zhuǎn)錄、不表達(dá) 如珠蛋白基因如珠蛋白基因在紅細(xì)胞中是低甲基化的，而在不表達(dá)在紅細(xì)胞中是低甲基化的，而在不表達(dá) 珠蛋白的細(xì)胞中則高度甲基化。珠蛋白的細(xì)胞中則高度甲基化。 胎兒型血紅蛋白基因在成體中不表達(dá)。胎兒型血紅蛋白基因在成體中不表達(dá)。 治療鐮刀型紅細(xì)胞貧血和治療鐮刀型紅細(xì)胞貧血和 地中海貧血地中海貧血：5- 5-氮胞嘧啶可使細(xì)氮胞嘧啶可使細(xì) 胞胞DNADNA脫甲基化，從而啟動(dòng)成體中胎兒型血紅蛋白（脫甲基化，從而啟動(dòng)成體中胎兒型血紅蛋白（HbFHbF） 基因的表達(dá)?；虻谋磉_(dá)。 （5 ）染色

36、質(zhì)結(jié)構(gòu)）染色質(zhì)結(jié)構(gòu) 活躍轉(zhuǎn)錄的基因與非轉(zhuǎn)錄基因在染色質(zhì)結(jié)活躍轉(zhuǎn)錄的基因與非轉(zhuǎn)錄基因在染色質(zhì)結(jié) 構(gòu)方面有不同構(gòu)方面有不同 組蛋白與組蛋白與DNA的結(jié)合與解離，特定的結(jié)合與解離，特定DNA序列的暴露序列的暴露 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)： 結(jié)構(gòu)緊密的超卷曲狀態(tài)異染色質(zhì) 大多不具轉(zhuǎn)錄活性 結(jié)構(gòu)松散的伸展?fàn)顟B(tài)常染色質(zhì)基因的轉(zhuǎn)錄活性高 多種中間狀態(tài) 2. 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 三種因素的相互作用 （1）RNA聚合酶聚合酶(polII) RNA聚合酶識別聚合酶識別DNA序列，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物序列，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物 （2）順式作用元件）順式作用元件：DNADNA分子分子上與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的 調(diào)控序列，包括啟動(dòng)子，增強(qiáng)子和終止子 （

37、3）反式作用因子）反式作用因子：蛋白質(zhì)因子 （基因產(chǎn)物），包含兩個(gè)結(jié)構(gòu)域 具有DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，與特定DNA序列 結(jié)合DNA結(jié)合蛋白 改變DNA的構(gòu)象,影響基因轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 因子因子 DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域結(jié)合結(jié)構(gòu)域與與DNA特定順序結(jié)合特定順序結(jié)合 鋅指結(jié)構(gòu)域鋅指結(jié)構(gòu)域 亮氨酸拉鏈亮氨酸拉鏈 堿性堿性螺旋螺旋 螺旋螺旋環(huán)環(huán)螺旋螺旋 Zinc Finger Motif Helix-Turn-Helix Motif Leucine Zipper H-Bonding in a Protein-DNA Interaction 轉(zhuǎn)錄活性結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄活性結(jié)構(gòu)域與其它調(diào)控蛋白相互與其它調(diào)控蛋白相互 作用，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活化功能。作用，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活化功能。 直接與直接與RNA聚合酶作用提高其活性，聚合酶作用提高其活性， 或與其它轉(zhuǎn)錄因子作用后再作用于或與其它轉(zhuǎn)錄因子作用后再作用于RNA 聚合酶聚合酶 有些是細(xì)胞固有轉(zhuǎn)錄因子，與細(xì)胞周期、發(fā)育等密切相關(guān)。 也有些能介導(dǎo)激素、生長因子、致癌物等外來刺激所誘導(dǎo)的 轉(zhuǎn)錄起始作用。 據(jù)功能分類：據(jù)功能分類： 1. 基本轉(zhuǎn)錄因子基本轉(zhuǎn)錄因子RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合