ZX第5章_基因的調(diào)控

1、分子遺傳學(xué)分子遺傳學(xué) Molecular Genetics第第5 5章章 基因的調(diào)控基因的調(diào)控1第第5 5章章 基因的調(diào)控基因的調(diào)控5.1 基因調(diào)控的基本模型基因調(diào)控的基本模型5.2 調(diào)控序列與調(diào)控蛋白調(diào)控序列與調(diào)控蛋白5.3 基因的分子調(diào)控基因的分子調(diào)控5.4 原核生物操縱子的特點(diǎn)原核生物操縱子的特點(diǎn)5.5 因子級聯(lián)調(diào)控模型因子級聯(lián)調(diào)控模型5.6 真核基因的分子調(diào)控真核基因的分子調(diào)控多因子調(diào)控多因子調(diào)控5.7 真核基因的染色質(zhì)調(diào)控真核基因的染色質(zhì)調(diào)控5.8 轉(zhuǎn)錄后的基因調(diào)控轉(zhuǎn)錄后的基因調(diào)控5.9 真核基因的調(diào)控模型真核基因的調(diào)控模型Davidson-Britten模型模型5.10 真核基因的

2、多位點(diǎn)協(xié)同調(diào)控真核基因的多位點(diǎn)協(xié)同調(diào)控 隨著人類及相關(guān)生物的基因組計(jì)劃的完成隨著人類及相關(guān)生物的基因組計(jì)劃的完成,人人類將進(jìn)入一個(gè)對數(shù)以萬計(jì)的基因進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能的類將進(jìn)入一個(gè)對數(shù)以萬計(jì)的基因進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能的研究時(shí)代。研究時(shí)代。 人類基因組僅僅含人類基因組僅僅含2.53萬個(gè)基因萬個(gè)基因，對真核基因，對真核基因的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行分析并確定基因如何行使它們的的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行分析并確定基因如何行使它們的功能，將是十分迫切而艱巨的任務(wù)。人類的發(fā)育功能，將是十分迫切而艱巨的任務(wù)。人類的發(fā)育、克隆、癌癥的治療、衰老與長壽等重大問題的、克隆、癌癥的治療、衰老與長壽等重大問題的探索與解決都說明，探索與解決都說明，今后的基

3、因調(diào)控的研究，將今后的基因調(diào)控的研究，將以真核細(xì)胞的基因調(diào)控為主。以真核細(xì)胞的基因調(diào)控為主。研究基因表達(dá)調(diào)控的重要意義研究基因表達(dá)調(diào)控的重要意義1997-2003 籍貫：蘇格蘭籍貫：蘇格蘭3 S.H.E 組合組合Life cycle of human being Alcohol metabolismEthanol 乙醇乙醇ADHAcetaldehyde乙醛乙醛Acetate乙酸乙酸ALDHADH1B.1: CaucasianADH1B.2: ChineseADH1B.3: IndianALDH1 (cytoplasm)ALDH2 (Mitochondria)50% of Chinese, Ja

4、panese do not have ALDH2 activity基因的表達(dá)是受到嚴(yán)格調(diào)控的基因的表達(dá)是受到嚴(yán)格調(diào)控的 （一）時(shí)間特異性（一）時(shí)間特異性 往往與細(xì)胞或個(gè)體的特定分化、發(fā)育階段相適往往與細(xì)胞或個(gè)體的特定分化、發(fā)育階段相適應(yīng)，又稱應(yīng)，又稱階段特異性階段特異性。（二）空間特異性（二）空間特異性 由細(xì)胞在各組織器官的分布差異所決定的，故由細(xì)胞在各組織器官的分布差異所決定的，故又稱為又稱為細(xì)胞特異性細(xì)胞特異性或或組織特異性組織特異性。迎面桃花次第開迎面桃花次第開基因表達(dá)的方式基因表達(dá)的方式 （一）組成性表達(dá)（一）組成性表達(dá) 管家基因管家基因 （housekeepinghousekeepi

5、ng genes)genes) 在生命全過程都是必需的、且在一個(gè)生物個(gè)體在生命全過程都是必需的、且在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。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) 管家基因較少受環(huán)境因素的影響，在個(gè)體發(fā)育管家基因較少受環(huán)境因素的影響，在個(gè)體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)。的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)。（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)表達(dá)誘導(dǎo)表達(dá) 在特定環(huán)境信號刺激下，基因表現(xiàn)為開放或增強(qiáng)，在特定環(huán)境信號刺激下，基因表現(xiàn)為開放或增強(qiáng)，表達(dá)產(chǎn)物增加。表達(dá)產(chǎn)物增加。阻遏表達(dá)阻遏表達(dá) 在特定環(huán)境信號刺激下，基因被抑制，從而使表在

6、特定環(huán)境信號刺激下，基因被抑制，從而使表達(dá)產(chǎn)物減少。達(dá)產(chǎn)物減少。（三）協(xié)調(diào)表達(dá)（三）協(xié)調(diào)表達(dá) 在一定機(jī)制控制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)在一定機(jī)制控制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。調(diào)一致，共同表達(dá)。12- - 基因表達(dá)調(diào)控可在幾個(gè)不同水平上進(jìn)行?；虮磉_(dá)調(diào)控可在幾個(gè)不同水平上進(jìn)行。在高度復(fù)雜的生物、細(xì)胞及其代謝過程中，在高度復(fù)雜的生物、細(xì)胞及其代謝過程中，基因表達(dá)是高度有序的。如在高等生物中，基因表達(dá)是高度有序的。如在高等生物中，特定的細(xì)胞已分化成高度特化的細(xì)胞，特定的細(xì)胞已分化成高度特化的細(xì)胞，人人類眼睛的細(xì)胞只能合成眼色特有的蛋白，類眼睛的細(xì)胞只能合成眼色特有的蛋白，其絕不可能

7、合成肝細(xì)胞中特有的解毒酶，其絕不可能合成肝細(xì)胞中特有的解毒酶，各種特定細(xì)胞能阻遏不同類別的基因的表各種特定細(xì)胞能阻遏不同類別的基因的表達(dá)。達(dá)。 基因表達(dá)的調(diào)控對生物是極端重要的。基因表達(dá)的調(diào)控對生物是極端重要的。 真核生物：各種不同類型的細(xì)胞能阻遏不同類型基因真核生物：各種不同類型的細(xì)胞能阻遏不同類型基因的表達(dá)。的表達(dá)。 細(xì)菌具有阻遏基因表達(dá)的能力。細(xì)菌具有阻遏基因表達(dá)的能力。 在進(jìn)化中，細(xì)胞具備了一套機(jī)制，它能抑制那些并在進(jìn)化中，細(xì)胞具備了一套機(jī)制，它能抑制那些并非必須的酶的基因和激活那些在某一時(shí)間內(nèi)明顯必須非必須的酶的基因和激活那些在某一時(shí)間內(nèi)明顯必須的酶的基因。達(dá)到這一目的的二個(gè)條件：的

8、酶的基因。達(dá)到這一目的的二個(gè)條件： 1）必須具備關(guān)閉或打開每種特定基因的方法；）必須具備關(guān)閉或打開每種特定基因的方法；1. 2）對應(yīng)該激活一種特定基因或一組基因的特定環(huán)境具）對應(yīng)該激活一種特定基因或一組基因的特定環(huán)境具備正確識別的能力。備正確識別的能力。Three levels controlThree levels controlGene regulation very complex in eukaryotes cells !5.1 5.1 基因調(diào)控的基本模型基因調(diào)控的基本模型 5.1.1 5.1.1 原核基因調(diào)控基本模型原核基因調(diào)控基本模型 1961 1961年，提出年，提出乳糖操縱子模

9、型乳糖操縱子模型，19881988探明，探明，除了啟動子鄰近下游的操縱區(qū)外，還在除了啟動子鄰近下游的操縱區(qū)外，還在-93-93位、位、+402+402位有兩個(gè)操縱區(qū)。位有兩個(gè)操縱區(qū)。 1990 1990年得到調(diào)節(jié)蛋白年得到調(diào)節(jié)蛋白LacILacI的結(jié)晶，并清楚的結(jié)晶，并清楚LacILacI以四聚體形式結(jié)合于以四聚體形式結(jié)合于21bp21bp的操作區(qū)。如，異丙基的操作區(qū)。如，異丙基硫代半乳糖苷（硫代半乳糖苷（IPTGIPTG）與）與LacILacI結(jié)合，結(jié)合，LacILacI的四聚的四聚體變構(gòu)而脫離操作區(qū)。體變構(gòu)而脫離操作區(qū)。乳糖操縱子模型乳糖操縱子模型20 阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白原核

10、生物的表達(dá)調(diào)控原核生物的表達(dá)調(diào)控21經(jīng)典：乳糖操縱子經(jīng)典：乳糖操縱子(lactose operon)(lactose operon)Jacob and Monod22u細(xì)菌對乳糖的利用及其相關(guān)的細(xì)菌對乳糖的利用及其相關(guān)的酶酶:乳糖乳糖 (在通透酶作用下進(jìn)入細(xì)菌）在通透酶作用下進(jìn)入細(xì)菌） 半乳糖苷酶半乳糖苷酶（細(xì)菌中少量存在）（細(xì)菌中少量存在）半乳糖苷酶半乳糖苷酶（細(xì)菌中少量存在）（細(xì)菌中少量存在）葡萄糖葡萄糖+半乳糖半乳糖半乳糖苷酶半乳糖苷酶 （細(xì)菌中少量存在）（細(xì)菌中少量存在）轉(zhuǎn)乙?；皋D(zhuǎn)乙酰基酶-功能未詳功能未詳23IPOZYa控制位點(diǎn)控制位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因u乳糖操縱子（乳糖操縱子（La

11、ctose operon） 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)調(diào)控基因調(diào)控基因IOO誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)劑u乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控 操縱基因（操縱基因（Operator,簡稱簡稱O），），起到基因開關(guān)的作用。起到基因開關(guān)的作用。 啟動基因（啟動基因（Promoter，簡稱，簡稱P），），是是RNA聚合酶結(jié)合的部聚合酶結(jié)合的部位，能起動位，能起動ZYA基因的表達(dá)，基因的表達(dá)，POZYA在在DNA上幾個(gè)相鄰接上幾個(gè)相鄰接的基因共同組成一個(gè)功能單位稱操縱子。的基因共同組成一個(gè)功能單位稱操縱子。 調(diào)節(jié)基因（調(diào)節(jié)基因（I基因），基因），能編碼產(chǎn)生一種阻遏蛋白，該蛋白能能編碼產(chǎn)生一種阻遏蛋白，該蛋白能識別和結(jié)合到操縱基因上，并

12、能阻止識別和結(jié)合到操縱基因上，并能阻止RNA聚合酶啟動的轉(zhuǎn)聚合酶啟動的轉(zhuǎn)錄，使乳糖操縱子處于關(guān)閉狀態(tài)，一般情況下，阻遏蛋白錄，使乳糖操縱子處于關(guān)閉狀態(tài)，一般情況下，阻遏蛋白總是結(jié)合在操縱基因總是結(jié)合在操縱基因O區(qū)，使操縱子關(guān)閉。區(qū)，使操縱子關(guān)閉。 如何開啟操縱子表達(dá)？如何開啟操縱子表達(dá)？ 當(dāng)環(huán)境中存在乳糖及其類似物時(shí)（稱為誘導(dǎo)物），它們能當(dāng)環(huán)境中存在乳糖及其類似物時(shí)（稱為誘導(dǎo)物），它們能與阻遏物分子結(jié)合，改變阻遏蛋白的構(gòu)型，使其不能再與與阻遏物分子結(jié)合，改變阻遏蛋白的構(gòu)型，使其不能再與操縱基因操縱基因O區(qū)結(jié)合。這時(shí)，操縱基因便開啟，結(jié)合到啟動區(qū)結(jié)合。這時(shí)，操縱基因便開啟，結(jié)合到啟動子上的子上的

13、RNA聚合酶能順利啟動聚合酶能順利啟動ZYA基因的表達(dá)，合成相應(yīng)基因的表達(dá)，合成相應(yīng)的三種酶。的三種酶。二、其他基因二、其他基因I基因：基因：編碼阻遏蛋白，能阻斷編碼阻遏蛋白，能阻斷ZYA基因的表達(dá)。基因的表達(dá)。O操縱基因：操縱基因：是是DNA上與阻遏物結(jié)合的特異性位置。上與阻遏物結(jié)合的特異性位置。阻遏物一旦結(jié)合到阻遏物一旦結(jié)合到O基因上，就能阻止由基因上，就能阻止由RNA聚聚合酶催化的轉(zhuǎn)錄起動。合酶催化的轉(zhuǎn)錄起動。啟動基因啟動基因操縱子：操縱子：是幾個(gè)基因協(xié)同表達(dá)的遺傳功能單位。由是幾個(gè)基因協(xié)同表達(dá)的遺傳功能單位。由啟動基因，操縱基因和轉(zhuǎn)錄成一條啟動基因，操縱基因和轉(zhuǎn)錄成一條mRNA分子的分

14、子的幾個(gè)相鄰的基因組成的功能單位。幾個(gè)相鄰的基因組成的功能單位。三、乳糖操縱子阻遏物具有兩種識別功能三、乳糖操縱子阻遏物具有兩種識別功能1. 能識別操縱子上特定的操縱基因的序列；能識別操縱子上特定的操縱基因的序列；2. 能識別乳糖或乳糖類似物，能識別乳糖或乳糖類似物，當(dāng)阻遏物與乳糖或類當(dāng)阻遏物與乳糖或類似物結(jié)合時(shí)，阻遏物分子的構(gòu)型將發(fā)生變化，從似物結(jié)合時(shí)，阻遏物分子的構(gòu)型將發(fā)生變化，從而使阻遏物失去了對操縱基因的親和作用。阻遏而使阻遏物失去了對操縱基因的親和作用。阻遏物將從物將從DNA上脫落下來。上脫落下來。對對Lac系統(tǒng)的阻遏作用的解除稱為誘導(dǎo)，能使阻遏物系統(tǒng)的阻遏作用的解除稱為誘導(dǎo)，能使阻

15、遏物失活并導(dǎo)致失活并導(dǎo)致Lac基因表達(dá)的乳糖類似物稱為誘導(dǎo)物。基因表達(dá)的乳糖類似物稱為誘導(dǎo)物。5.1.2 5.1.2 真核基因調(diào)控基本模型真核基因調(diào)控基本模型 在真核生物中，在真核生物中，DNADNA被裝配成核小體結(jié)構(gòu)的染色被裝配成核小體結(jié)構(gòu)的染色質(zhì)。質(zhì)。染色質(zhì)是真核細(xì)胞基因調(diào)控的主要結(jié)構(gòu)染色質(zhì)是真核細(xì)胞基因調(diào)控的主要結(jié)構(gòu)。 真核細(xì)胞的調(diào)控過程中啟用聯(lián)合調(diào)控機(jī)制，細(xì)真核細(xì)胞的調(diào)控過程中啟用聯(lián)合調(diào)控機(jī)制，細(xì)胞中不同的特異的調(diào)控蛋白參與不同的調(diào)控機(jī)制胞中不同的特異的調(diào)控蛋白參與不同的調(diào)控機(jī)制，以啟動和關(guān)閉基因表達(dá)。，以啟動和關(guān)閉基因表達(dá)。 根據(jù)根據(jù)協(xié)同性和協(xié)同作用的原則協(xié)同性和協(xié)同作用的原則，一個(gè)

16、生物可以，一個(gè)生物可以通過啟用通過啟用少數(shù)少數(shù)調(diào)控蛋白完成調(diào)控蛋白完成多種多種調(diào)控作用。調(diào)控作用。 在一個(gè)基因的在一個(gè)基因的啟動啟動/ /關(guān)閉關(guān)閉的基本模型中，其上的基本模型中，其上游是一段核心啟動子序列與基因相鄰。游是一段核心啟動子序列與基因相鄰。 核心啟動子：是結(jié)合核心啟動子：是結(jié)合RNARNA聚合酶聚合酶及輔助因子及輔助因子，引導(dǎo)，引導(dǎo)polpol從正確的起始位點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄部位。從正確的起始位點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄部位。 僅靠僅靠核心啟動子核心啟動子的上游是一段的上游是一段調(diào)節(jié)啟動子調(diào)節(jié)啟動子，上，上游或下游的遠(yuǎn)處游或下游的遠(yuǎn)處是增強(qiáng)子序列是增強(qiáng)子序列（圖（圖5.25.2）。）。 激活因子與調(diào)節(jié)啟動子

17、和增強(qiáng)子結(jié)合，并通過激活因子與調(diào)節(jié)啟動子和增強(qiáng)子結(jié)合，并通過結(jié)合在核心啟動子上的結(jié)合因子與溶液中的基本結(jié)合在核心啟動子上的結(jié)合因子與溶液中的基本轉(zhuǎn)錄機(jī)構(gòu)的相互作用，使基本轉(zhuǎn)錄機(jī)構(gòu)集結(jié)到核轉(zhuǎn)錄機(jī)構(gòu)的相互作用，使基本轉(zhuǎn)錄機(jī)構(gòu)集結(jié)到核心啟動子上，而激活基因轉(zhuǎn)錄。心啟動子上，而激活基因轉(zhuǎn)錄。 有些激活因子在所有的細(xì)胞中表達(dá)，而一些僅在有些激活因子在所有的細(xì)胞中表達(dá)，而一些僅在某些特定的細(xì)胞中表達(dá)，調(diào)控細(xì)胞中某些特殊功能某些特定的細(xì)胞中表達(dá)，調(diào)控細(xì)胞中某些特殊功能的基因。的基因?；巨D(zhuǎn)錄因子復(fù)合體基本轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體5.2 5.2 調(diào)控序列與調(diào)控蛋白調(diào)控序列與調(diào)控蛋白 基因調(diào)控完全是一個(gè)基因調(diào)控完全是一個(gè)

18、DNADNA與蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用相互作用的過程。的過程。 一些特異的一些特異的DNADNA序列作為相應(yīng)的基因的開關(guān)，序列作為相應(yīng)的基因的開關(guān)，一些基因調(diào)控蛋白結(jié)合上去打開一些基因調(diào)控蛋白結(jié)合上去打開/ /關(guān)閉這些開關(guān)，關(guān)閉這些開關(guān)，稱為稱為: : 正調(diào)控（正調(diào)控（positive regulationpositive regulation） 或負(fù)調(diào)控（或負(fù)調(diào)控（negative regulation negative regulation ）。）。 相應(yīng)的調(diào)控蛋白則稱為相應(yīng)的調(diào)控蛋白則稱為: : 激活因子（激活因子（activaorsactivaors） 或抑制因子或抑制因子(repres

19、sors)(repressors)。5.2.1 DNA5.2.1 DNA雙螺旋的表面可被調(diào)控蛋白識別雙螺旋的表面可被調(diào)控蛋白識別 基因表達(dá)總是在基因表達(dá)總是在DNADNA雙螺旋的一條鏈上進(jìn)行，雙螺旋的一條鏈上進(jìn)行，想象中的調(diào)控蛋白要結(jié)合到調(diào)控序列上必須把想象中的調(diào)控蛋白要結(jié)合到調(diào)控序列上必須把DNADNA雙螺旋打開，然后再結(jié)合上去?，F(xiàn)在知道并不需雙螺旋打開，然后再結(jié)合上去。現(xiàn)在知道并不需要如此。要如此。暴露在暴露在DNADNA雙螺旋大、小溝表面的酶對堿雙螺旋大、小溝表面的酶對堿基的外緣都提供了它的氫鍵供體、氫鍵受體以及基的外緣都提供了它的氫鍵供體、氫鍵受體以及疏水區(qū)的情況各異的型式，這些型式是

20、反映四種疏水區(qū)的情況各異的型式，這些型式是反映四種堿基的準(zhǔn)確信息；堿基的準(zhǔn)確信息；調(diào)控蛋白就是依靠它們的識別調(diào)控蛋白就是依靠它們的識別來與調(diào)控序列結(jié)合。但是，來與調(diào)控序列結(jié)合。但是，只有在大溝中才能反只有在大溝中才能反映出四個(gè)堿基對排列的完整信息映出四個(gè)堿基對排列的完整信息。調(diào)控蛋白一般調(diào)控蛋白一般都結(jié)合于大溝中。（圖都結(jié)合于大溝中。（圖5.45.4）5.2.2 5.2.2 調(diào)控蛋白可以識別調(diào)控蛋白可以識別DNADNA的幾何構(gòu)型的幾何構(gòu)型 DNA DNA雙螺旋中，每兩個(gè)相鄰的核苷酸對準(zhǔn)確地雙螺旋中，每兩個(gè)相鄰的核苷酸對準(zhǔn)確地彎曲彎曲36360 0，形成每十個(gè)核苷酸對一個(gè)螺旋的幾何，形成每十個(gè)核

21、苷酸對一個(gè)螺旋的幾何構(gòu)型。后來發(fā)現(xiàn)多數(shù)核苷酸段都有不規(guī)則之處，構(gòu)型。后來發(fā)現(xiàn)多數(shù)核苷酸段都有不規(guī)則之處，如核苷酸對的傾斜、螺旋彎曲度大于或小于如核苷酸對的傾斜、螺旋彎曲度大于或小于3636度度使雙螺旋有輕度的彎曲，累積可使使雙螺旋有輕度的彎曲，累積可使DNADNA出現(xiàn)明顯出現(xiàn)明顯的彎曲。另一個(gè)有關(guān)的特點(diǎn)是某些序列有可以變的彎曲。另一個(gè)有關(guān)的特點(diǎn)是某些序列有可以變形的傾向。這些都可被調(diào)控蛋白所識別。形的傾向。這些都可被調(diào)控蛋白所識別。 在識別過程中，在識別過程中，蛋白與蛋白與DNADNA緊密結(jié)合緊密結(jié)合，DNADNA做出一做出一定程度的變形。定程度的變形。5.2.3 5.2.3 調(diào)控蛋白含有識別

22、調(diào)控蛋白含有識別DNADNA序列的結(jié)構(gòu)型式序列的結(jié)構(gòu)型式 調(diào)控蛋白對調(diào)控蛋白對DNADNA的識別，歸根結(jié)底是對的識別，歸根結(jié)底是對DNADNA序列序列的識別。主要是蛋白質(zhì)對一定區(qū)域的的識別。主要是蛋白質(zhì)對一定區(qū)域的DNADNA雙螺旋的雙螺旋的特異表面的特異表面的強(qiáng)烈互補(bǔ)強(qiáng)烈互補(bǔ)。 調(diào)控蛋白都含有一種與調(diào)控蛋白都含有一種與DNADNA結(jié)合的結(jié)合的結(jié)構(gòu)基序（結(jié)構(gòu)基序（structural motifstructural motif）。）。這些型式的每一種都是以這些型式的每一種都是以螺旋及螺旋及 折疊與折疊與DNADNA大溝相結(jié)合大溝相結(jié)合。（圖。（圖5.65.6）大溝含有大溝含有DNADNA序列相

23、互識別的足夠信息序列相互識別的足夠信息 最簡單、最常見的一種就是最簡單、最常見的一種就是HTHHTH（helix-turn helix-turn helix motifhelix motif）型式。）型式。HTHHTH有兩個(gè)有兩個(gè)螺旋構(gòu)成期間螺旋構(gòu)成期間有一小段氨基酸連接，兩個(gè)有一小段氨基酸連接，兩個(gè)螺旋間的相互作用螺旋間的相互作用使之保持一定角度。使之保持一定角度。HTHHTH肽鏈的肽鏈的羧基端羧基端為識別螺旋為識別螺旋，與，與DNADNA大溝中的大溝中的DNADNA結(jié)合；結(jié)合；氨基端氨基端識別特異識別特異DNADNA序序列方面起作用。列方面起作用。螺旋螺旋-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角-螺旋螺旋(HTH) 最

24、早發(fā)現(xiàn)于噬菌體的阻抑蛋白中。一個(gè)最早發(fā)現(xiàn)于噬菌體的阻抑蛋白中。一個(gè)螺旋螺旋位于位于DNADNA寬溝中，另一個(gè)位于穿過寬溝中，另一個(gè)位于穿過DNADNA的角中。的角中。5.3 5.3 基因的分子調(diào)控基因的分子調(diào)控 基因的表達(dá)與抑制實(shí)際上是一個(gè)分子水平上的基因的表達(dá)與抑制實(shí)際上是一個(gè)分子水平上的開開/關(guān)機(jī)制，而板動這個(gè)開關(guān)的是細(xì)胞周圍環(huán)境關(guān)機(jī)制，而板動這個(gè)開關(guān)的是細(xì)胞周圍環(huán)境中的各種信號。這種開關(guān)機(jī)制普遍存在于原核及中的各種信號。這種開關(guān)機(jī)制普遍存在于原核及真核細(xì)胞之中，只不過有簡單與復(fù)雜而己。真核細(xì)胞之中，只不過有簡單與復(fù)雜而己。 5.3.1 5.3.1 單因子調(diào)控單因子調(diào)控-色氨酸操縱子色氨酸

25、操縱子 色氨酸操縱子（色氨酸操縱子（tryptophan operon）,5個(gè)相鄰個(gè)相鄰的的trp基因?；?。Trp作為一個(gè)作為一個(gè)輔阻遏物輔阻遏物，其活化特異，其活化特異的的抑制者抑制者與與trp 操縱基因結(jié)合阻止轉(zhuǎn)錄。操縱基因結(jié)合阻止轉(zhuǎn)錄。色氨酸抑色氨酸抑制者是一種制者是一種HTH型調(diào)控蛋白型調(diào)控蛋白，兩個(gè)色氨酸分子與兩個(gè)色氨酸分子與其結(jié)合后才能與其結(jié)合后才能與trp操縱子操縱子DNA大溝結(jié)合。大溝結(jié)合。 色氨酸抑制著色氨酸抑制著是色氨酸調(diào)控是色氨酸調(diào)控trptrp操縱子的唯一因操縱子的唯一因子，而子，而色氨酸色氨酸則是開關(guān)這個(gè)因子的單一信號。則是開關(guān)這個(gè)因子的單一信號。色氨酸阻抑蛋白（色

26、氨酸阻抑蛋白（HTHHTH）的兩種狀態(tài)）的兩種狀態(tài) 奇怪的是轉(zhuǎn)錄往往不能徹底完成，大部分奇怪的是轉(zhuǎn)錄往往不能徹底完成，大部分trp trp mRNAmRNA鏈的增長剛一開始，在第一個(gè)鏈的增長剛一開始，在第一個(gè)trptrp基因（基因（gene gene E E）開始轉(zhuǎn)錄前就停止了。）開始轉(zhuǎn)錄前就停止了。這種奇怪現(xiàn)象是因?yàn)樵谶@種奇怪現(xiàn)象是因?yàn)樵趖rpEtrpE與啟動子與啟動子-操縱子區(qū)域之間存在著一個(gè)操縱子區(qū)域之間存在著一個(gè)161bp161bp的先導(dǎo)區(qū)，在先導(dǎo)區(qū)內(nèi)部有一個(gè)衰減區(qū)（的先導(dǎo)區(qū)，在先導(dǎo)區(qū)內(nèi)部有一個(gè)衰減區(qū)（123 123 150bp 150bp）。）。RNARNA多聚酶往往不能通過這個(gè)衰多

27、聚酶往往不能通過這個(gè)衰減區(qū)只產(chǎn)生約減區(qū)只產(chǎn)生約140140個(gè)核苷酸的片段，其中包含一部個(gè)核苷酸的片段，其中包含一部分衰減區(qū)的序列。只有當(dāng)一個(gè)特異的調(diào)控因子作分衰減區(qū)的序列。只有當(dāng)一個(gè)特異的調(diào)控因子作用于衰減器的時(shí)候，用于衰減器的時(shí)候，RNARNA多聚酶才能通過衰減區(qū)。多聚酶才能通過衰減區(qū)。 色氨酸色氨酸的量即能直接影響的量即能直接影響trptrp阻抑蛋白，也能阻抑蛋白，也能間接影響衰減區(qū)域。間接影響衰減區(qū)域。5.3.2 5.3.2 雙因子調(diào)控雙因子調(diào)控-乳糖操縱子乳糖操縱子 乳糖操縱子的基因開關(guān)裝置是由乳糖操縱子的基因開關(guān)裝置是由正調(diào)控與負(fù)調(diào)正調(diào)控與負(fù)調(diào)控組成控組成。它的調(diào)控蛋白除了。它的調(diào)控

28、蛋白除了laclac抑制者抑制者外，還有一外，還有一個(gè)個(gè)正調(diào)控蛋白正調(diào)控蛋白-CAP-CAP（catabolit activator catabolit activator proteinprotein）, ,又稱又稱基因激活蛋白?；蚣せ畹鞍?。 葡萄糖與乳糖作為兩個(gè)信號葡萄糖與乳糖作為兩個(gè)信號，分別通過它們對分別通過它們對laclac抑制者與抑制者與CAPCAP的作用而板動基因開關(guān)。的作用而板動基因開關(guān)。 因此，乳糖操縱子是雙因子調(diào)控，它的表達(dá)只因此，乳糖操縱子是雙因子調(diào)控，它的表達(dá)只有當(dāng)有當(dāng)乳糖存在而葡萄糖缺乏乳糖存在而葡萄糖缺乏時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。 （圖（圖5.105.10） Cap

29、 Cap結(jié)合于結(jié)合于DNADNA后，引起后，引起DNADNA彎曲而有利于基因的彎曲而有利于基因的打開。打開。LacLac抑制者是由同一肽鏈的四聚體構(gòu)成，每一抑制者是由同一肽鏈的四聚體構(gòu)成，每一肽鏈含有肽鏈含有247247個(gè)個(gè)aa,aa,分子量分子量37kDa37kDa。 所有抑制者都結(jié)合與所有抑制者都結(jié)合與DNADNA的特殊部位，阻止相應(yīng)的特殊部位，阻止相應(yīng)的的mRNAmRNA分子的轉(zhuǎn)錄。分子的轉(zhuǎn)錄。 DNADNA與抑制者結(jié)合的特異核苷酸序列，稱為操縱與抑制者結(jié)合的特異核苷酸序列，稱為操縱基因（基因（operatoroperator）。）。 一般說來，一個(gè)操縱基因至少有一般說來，一個(gè)操縱基因至

30、少有10121012個(gè)堿基個(gè)堿基與阻抑蛋白以氫鍵相結(jié)合。與阻抑蛋白以氫鍵相結(jié)合。LacLac阻抑蛋白一旦與阻抑蛋白一旦與DNADNA結(jié)合，便留在上面，直到下次與它的誘導(dǎo)物相結(jié)合，便留在上面，直到下次與它的誘導(dǎo)物相互作用?；プ饔?。 對乳糖操縱基因，利用它與抑制者結(jié)合不被核酸對乳糖操縱基因，利用它與抑制者結(jié)合不被核酸酶消化的特點(diǎn)而得以測定。酶消化的特點(diǎn)而得以測定。整個(gè)區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)區(qū)域?yàn)?121個(gè)個(gè)bp ,bp ,并并以第以第1111為堿基為中心，兩側(cè)的堿基呈交叉對稱。為堿基為中心，兩側(cè)的堿基呈交叉對稱。 這種對稱形式允許四聚體這種對稱形式允許四聚體laclac抑制者的兩個(gè)亞單抑制者的兩個(gè)亞單位能同時(shí)

31、結(jié)合于操縱基因。位能同時(shí)結(jié)合于操縱基因。 在某些情況下，一種阻抑蛋白僅能控制一種蛋在某些情況下，一種阻抑蛋白僅能控制一種蛋白質(zhì)的合成，但也有控制一個(gè)以上的蛋白質(zhì)合成白質(zhì)的合成，但也有控制一個(gè)以上的蛋白質(zhì)合成的阻抑蛋白。如：的阻抑蛋白。如：E.coliE.coli一個(gè)阻抑蛋白控制三個(gè)一個(gè)阻抑蛋白控制三個(gè)酶的合成。酶的合成。 早期認(rèn)為一個(gè)阻抑蛋白只用于一個(gè)操縱子。后早期認(rèn)為一個(gè)阻抑蛋白只用于一個(gè)操縱子。后來發(fā)現(xiàn)一個(gè)特異的阻抑蛋白可以作用精氨酸合成來發(fā)現(xiàn)一個(gè)特異的阻抑蛋白可以作用精氨酸合成基因的基因的3 3個(gè)不連續(xù)的操縱子上。個(gè)不連續(xù)的操縱子上。抑制者可以特異抑制者可以特異地作用于地作用于2 2個(gè)操

32、縱子，其中一個(gè)在調(diào)節(jié)基因的左側(cè)個(gè)操縱子，其中一個(gè)在調(diào)節(jié)基因的左側(cè)，一個(gè)在右側(cè)。，一個(gè)在右側(cè)。 在負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中，如果不被阻抑蛋白關(guān)閉，在負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中，如果不被阻抑蛋白關(guān)閉，基因就能夠表達(dá)。基因就能夠表達(dá)。 任何干擾基因表達(dá)的作用都是負(fù)調(diào)控。其共同任何干擾基因表達(dá)的作用都是負(fù)調(diào)控。其共同特點(diǎn)是一個(gè)阻抑蛋白或與特點(diǎn)是一個(gè)阻抑蛋白或與DNA結(jié)合，阻止結(jié)合，阻止RNA聚聚合酶啟動轉(zhuǎn)錄，或與合酶啟動轉(zhuǎn)錄，或與mRNA結(jié)合阻止核糖體啟動結(jié)合阻止核糖體啟動翻譯。翻譯。 受正調(diào)控的基因，僅當(dāng)活性調(diào)控蛋白存在時(shí)受正調(diào)控的基因，僅當(dāng)活性調(diào)控蛋白存在時(shí)，才能表達(dá)。，才能表達(dá)。正調(diào)控中控制特定操縱子的機(jī)制正正調(diào)控中控制

33、特定操縱子的機(jī)制正好與負(fù)調(diào)控相對應(yīng)。正調(diào)控與負(fù)調(diào)控不同，它不好與負(fù)調(diào)控相對應(yīng)。正調(diào)控與負(fù)調(diào)控不同，它不妨礙起始，而調(diào)控蛋白對正調(diào)控來說，則必不可妨礙起始，而調(diào)控蛋白對正調(diào)控來說，則必不可少。少。 調(diào)節(jié)蛋白與調(diào)節(jié)蛋白與DNA及及RNA聚合酶相互作用，協(xié)助聚合酶相互作用，協(xié)助轉(zhuǎn)錄起始。正調(diào)節(jié)蛋白應(yīng)答的小分子通常稱為激轉(zhuǎn)錄起始。正調(diào)節(jié)蛋白應(yīng)答的小分子通常稱為激活物活物(activator)。 操縱子分為誘導(dǎo)型和阻抑型兩類操縱子分為誘導(dǎo)型和阻抑型兩類: 只有在小分子誘導(dǎo)物存在時(shí)，只有在小分子誘導(dǎo)物存在時(shí)，誘導(dǎo)型誘導(dǎo)型操縱子操縱子才能發(fā)揮作用才能發(fā)揮作用. 只有在小分子輔阻抑物不存在時(shí)，只有在小分子輔阻

34、抑物不存在時(shí)，阻抑型阻抑型操操縱子才能發(fā)揮作用縱子才能發(fā)揮作用.5.4 5.4 原核生物操縱子的特點(diǎn)原核生物操縱子的特點(diǎn) （1 1）由被調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物所識別的由被調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物所識別的操縱基因，啟操縱基因，啟動基因以動基因以及及( (為單一為單一mRNAmRNA分子編碼的幾個(gè)分子編碼的幾個(gè)) )相鄰的相鄰的結(jié)結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因所組成的功能單位總稱所組成的功能單位總稱- -操縱子（操縱子（operonoperon）。 啟動基因（啟動基因（promoterpromoter）位于）位于調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因與與操縱基操縱基因因之間，在合成之間，在合成mRNAmRNA時(shí)時(shí)RNARNA多聚酶先結(jié)合到啟動基多聚酶先

35、結(jié)合到啟動基因上。因上。 因此，因此，RNARNA多聚酶在轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因之前必須首多聚酶在轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因之前必須首先通過操縱基因，如果操縱基因和阻抑蛋白結(jié)合，先通過操縱基因，如果操縱基因和阻抑蛋白結(jié)合，則則RNARNA多聚酶與啟動基因的結(jié)合會受到干擾，并使多聚酶與啟動基因的結(jié)合會受到干擾，并使RNARNA多聚酶無法通過操縱基因，這樣結(jié)構(gòu)基因?qū)⒉欢嗑勖笩o法通過操縱基因，這樣結(jié)構(gòu)基因?qū)⒉荒鼙磉_(dá)。能表達(dá)。 （2）同一操縱子中的同一操縱子中的3 3種蛋白質(zhì)不是由種蛋白質(zhì)不是由3 3個(gè)個(gè)mRNAmRNA翻翻譯譯 ，而是由一個(gè)，而是由一個(gè)mRNAmRNA分子攜帶分子攜帶3 3種蛋白質(zhì)的遺傳種蛋白質(zhì)的遺傳信息。

36、在組氨酸生物合成中，操縱子中信息。在組氨酸生物合成中，操縱子中1010個(gè)基因個(gè)基因的密碼子也是由一個(gè)的密碼子也是由一個(gè)mRNAmRNA分子攜帶的。分子攜帶的。 （3 3）被一條）被一條mRNAmRNA編碼的不同蛋白質(zhì)的產(chǎn)量不同。編碼的不同蛋白質(zhì)的產(chǎn)量不同。 （4 4）許多蛋白質(zhì)的合成并不適應(yīng)外界環(huán)境的變化）許多蛋白質(zhì)的合成并不適應(yīng)外界環(huán)境的變化。 如：如：E.E.colicoli中控制葡萄糖降解的酶的數(shù)量并不中控制葡萄糖降解的酶的數(shù)量并不因培養(yǎng)基中加入或移去葡萄糖而發(fā)生明顯變化。因培養(yǎng)基中加入或移去葡萄糖而發(fā)生明顯變化。5.5 5.5 因子級聯(lián)調(diào)控模型因子級聯(lián)調(diào)控模型 Losick Losic

37、k和和PeroPero（19811981）提出）提出因子級聯(lián)的基因因子級聯(lián)的基因調(diào)控模型。認(rèn)為細(xì)菌或噬菌體在不同的生長時(shí)期，調(diào)控模型。認(rèn)為細(xì)菌或噬菌體在不同的生長時(shí)期，或不同的生長環(huán)境中，所表達(dá)的基因種類和程度或不同的生長環(huán)境中，所表達(dá)的基因種類和程度各不相同，而各不相同，而因子的級聯(lián)式交替，則是實(shí)現(xiàn)這因子的級聯(lián)式交替，則是實(shí)現(xiàn)這種專一性調(diào)控的重要分子基礎(chǔ)之一。種專一性調(diào)控的重要分子基礎(chǔ)之一。 而而WatsonWatson模型指出，不僅有模型指出，不僅有因子，而且還有因子，而且還有反反因子，這二種因子的級聯(lián)反應(yīng)，把功能相關(guān)因子，這二種因子的級聯(lián)反應(yīng)，把功能相關(guān)而不相鄰的一些基因或操縱子組成了一

38、個(gè)行使某而不相鄰的一些基因或操縱子組成了一個(gè)行使某一功能的統(tǒng)一體系。一功能的統(tǒng)一體系。 早期由宿主的早期由宿主的4343負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄，中期和后期分別受噬菌體自負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄，中期和后期分別受噬菌體自己編碼的兩個(gè)己編碼的兩個(gè)因子（因子（gpgp2828、gpgp3434）所控制。）所控制。 Watson Watson 模型不僅體現(xiàn)了基因調(diào)控程序，而且體現(xiàn)了反饋模型不僅體現(xiàn)了基因調(diào)控程序，而且體現(xiàn)了反饋性（反性（反因子）以及整體性。因子）以及整體性。5.6 5.6 真核基因的分子調(diào)控真核基因的分子調(diào)控多因子調(diào)控多因子調(diào)控 5.6.1 真核細(xì)胞中基因調(diào)控的特點(diǎn)真核細(xì)胞中基因調(diào)控的特點(diǎn) 5.6.1.1真核細(xì)胞轉(zhuǎn)

39、錄啟動是多步驟的真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄啟動是多步驟的 真核細(xì)胞的真核細(xì)胞的RNA轉(zhuǎn)錄酶（轉(zhuǎn)錄酶（RNA polymerase）本身）本身不能啟動轉(zhuǎn)錄，必須事先有一套轉(zhuǎn)錄因子裝配到啟不能啟動轉(zhuǎn)錄，必須事先有一套轉(zhuǎn)錄因子裝配到啟動子上，轉(zhuǎn)錄才開始，使得轉(zhuǎn)錄的啟動是多步驟的。動子上，轉(zhuǎn)錄才開始，使得轉(zhuǎn)錄的啟動是多步驟的。 這些因子是獨(dú)立的蛋白質(zhì)因子，在啟動子上裝這些因子是獨(dú)立的蛋白質(zhì)因子，在啟動子上裝配成配成 轉(zhuǎn)錄復(fù)合體而使轉(zhuǎn)錄復(fù)合體而使RNA轉(zhuǎn)錄酶就位。轉(zhuǎn)錄酶就位。 如圖：如圖：5.155.6.1.25.6.1.2 真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白對轉(zhuǎn)錄啟動子的真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白對轉(zhuǎn)錄啟動子的作用是遠(yuǎn)距離的，多因

40、子的作用是遠(yuǎn)距離的，多因子的 增強(qiáng)子（增強(qiáng)子（enhancerenhancer）可位于啟動子的上、下游）可位于啟動子的上、下游數(shù)千個(gè)堿基對而發(fā)揮作用。數(shù)千個(gè)堿基對而發(fā)揮作用。真核細(xì)胞增強(qiáng)子上結(jié)真核細(xì)胞增強(qiáng)子上結(jié)合著調(diào)控蛋白復(fù)合體。事實(shí)上，一個(gè)啟動子可被合著調(diào)控蛋白復(fù)合體。事實(shí)上，一個(gè)啟動子可被沿沿DNADNA鏈分布的很多調(diào)控序列及其上面的調(diào)控蛋白鏈分布的很多調(diào)控序列及其上面的調(diào)控蛋白復(fù)合體所調(diào)控。真核細(xì)胞基因調(diào)控是遠(yuǎn)距離、多復(fù)合體所調(diào)控。真核細(xì)胞基因調(diào)控是遠(yuǎn)距離、多因子的調(diào)控。因子的調(diào)控。 遠(yuǎn)距離調(diào)控的實(shí)現(xiàn)是啟動子與增強(qiáng)子之間形成遠(yuǎn)距離調(diào)控的實(shí)現(xiàn)是啟動子與增強(qiáng)子之間形成一個(gè)彎曲（一個(gè)彎曲（lo

41、oploop），而使增強(qiáng)子上的調(diào)控蛋白復(fù)），而使增強(qiáng)子上的調(diào)控蛋白復(fù)合體可以直接與啟動子上的轉(zhuǎn)錄因子及轉(zhuǎn)錄酶接合體可以直接與啟動子上的轉(zhuǎn)錄因子及轉(zhuǎn)錄酶接觸。圖觸。圖5.16.5.16.5.6.2 5.6.2 真核細(xì)胞的調(diào)控序列真核細(xì)胞的調(diào)控序列-基因調(diào)控區(qū)基因調(diào)控區(qū) 包括啟動子及對其調(diào)控的所有的調(diào)控序列，稱為基因包括啟動子及對其調(diào)控的所有的調(diào)控序列，稱為基因調(diào)控區(qū)（調(diào)控區(qū)（gene control regiongene control region）。）。 這些調(diào)控序列距離啟動子或遠(yuǎn)或近。多數(shù)在啟動子上這些調(diào)控序列距離啟動子或遠(yuǎn)或近。多數(shù)在啟動子上游，也有的位于下游。對基因起正調(diào)控游，也有的位

42、于下游。對基因起正調(diào)控/ /負(fù)調(diào)控作用。負(fù)調(diào)控作用。5.6.3 5.6.3 真核基因的調(diào)控蛋白真核基因的調(diào)控蛋白 5.6.3.1 5.6.3.1 活化蛋白與抑制蛋白活化蛋白與抑制蛋白 起正調(diào)控的蛋白，稱為基因活化蛋白起正調(diào)控的蛋白，稱為基因活化蛋白/ /激活蛋激活蛋白（白（gene activator proteinsgene activator proteins）。）。 這種蛋白至少有兩個(gè)不同的功能區(qū)：這種蛋白至少有兩個(gè)不同的功能區(qū)： 一是一是具有與特異具有與特異DNADNA調(diào)控序列識別并激活的分調(diào)控序列識別并激活的分子子結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu)式（strctural motifsstrctural mo

43、tifs）/ /結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域。 二是二是與啟動子上的轉(zhuǎn)錄機(jī)構(gòu)接觸并加速轉(zhuǎn)錄與啟動子上的轉(zhuǎn)錄機(jī)構(gòu)接觸并加速轉(zhuǎn)錄啟動的啟動的活化區(qū)域活化區(qū)域/ /功能域功能域?；罨瘏^(qū)酸性氨基酸表面活化區(qū)酸性氨基酸表面帶正電荷，具有加速轉(zhuǎn)錄因子在啟動子裝配作用帶正電荷，具有加速轉(zhuǎn)錄因子在啟動子裝配作用。如。如,TFIIB,TFIIB的裝配對轉(zhuǎn)錄啟動有限速作用，酸性的裝配對轉(zhuǎn)錄啟動有限速作用，酸性活化蛋白能加速活化蛋白能加速TFIIBTFIIB的裝配，克服限速。的裝配，克服限速。 許多活化蛋白結(jié)合在許多活化蛋白結(jié)合在DNADNA的不同的調(diào)控序列上的不同的調(diào)控序列上來調(diào)控它們。來調(diào)控它們。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是這些基因調(diào)控蛋白都

44、應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是這些基因調(diào)控蛋白都必須是結(jié)合在必須是結(jié)合在DNADNA上才能發(fā)揮作用。上才能發(fā)揮作用。 并非所有真細(xì)胞基因調(diào)控蛋白都是活化蛋白，并非所有真細(xì)胞基因調(diào)控蛋白都是活化蛋白，有很多是有很多是基因基因阻抑蛋白（阻抑蛋白（gene repressor gene repressor proteinsproteins）。）。 這些阻抑蛋白與原核細(xì)胞不同，并不直接與這些阻抑蛋白與原核細(xì)胞不同，并不直接與RNARNA轉(zhuǎn)錄酶競爭轉(zhuǎn)錄酶競爭DNADNA結(jié)合位點(diǎn)。結(jié)合位點(diǎn)。 作用機(jī)制（作用機(jī)制（圖圖5.185.18） 與活化蛋白競爭結(jié)合位點(diǎn)（與活化蛋白競爭結(jié)合位點(diǎn)（A A）；）； 掩蓋活化蛋白的活化表面掩

45、蓋活化蛋白的活化表面 (B)(B)； 直接與轉(zhuǎn)錄因子相作用而起到抑制作用直接與轉(zhuǎn)錄因子相作用而起到抑制作用 (C)(C)。5.6.3.2 5.6.3.2 調(diào)控蛋白復(fù)合體調(diào)控蛋白復(fù)合體 某些調(diào)控蛋白可以單獨(dú)行動，但多數(shù)是以復(fù)合某些調(diào)控蛋白可以單獨(dú)行動，但多數(shù)是以復(fù)合體形式發(fā)揮作用。復(fù)合體結(jié)合它的體形式發(fā)揮作用。復(fù)合體結(jié)合它的DNA序列上，序列上，單獨(dú)蛋白是不能結(jié)合的。首先兩個(gè)蛋白以微弱的單獨(dú)蛋白是不能結(jié)合的。首先兩個(gè)蛋白以微弱的親和力結(jié)合，然后結(jié)合到親和力結(jié)合，然后結(jié)合到DNA位點(diǎn)上，這個(gè)二聚位點(diǎn)上，這個(gè)二聚體隨即創(chuàng)造一個(gè)為第三個(gè)蛋白所識別的結(jié)合面。體隨即創(chuàng)造一個(gè)為第三個(gè)蛋白所識別的結(jié)合面。以此

46、類推，形成一個(gè)活化以此類推，形成一個(gè)活化/抑制的功能集團(tuán)，或者抑制的功能集團(tuán)，或者叫叫調(diào)控艙（調(diào)控艙（regulatory modul）。 蛋白復(fù)合體作用蛋白復(fù)合體作用/形成過程（圖形成過程（圖5.19）蛋白與蛋白之間的作用力很弱，以致它們不能事先在溶液蛋白與蛋白之間的作用力很弱，以致它們不能事先在溶液中裝配，只能在中裝配，只能在DNADNA上裝配。因此，一定的上裝配。因此，一定的DNADNA調(diào)控序列就成調(diào)控序列就成為相應(yīng)蛋白質(zhì)裝配的為相應(yīng)蛋白質(zhì)裝配的“晶核晶核”（nucleation sitenucleation site）。）。不同的復(fù)合體具有不同的活化或抑制轉(zhuǎn)錄功能，而同一種不同的復(fù)合體

47、具有不同的活化或抑制轉(zhuǎn)錄功能，而同一種調(diào)控蛋白卻可以參與到不同的復(fù)合體。調(diào)控蛋白卻可以參與到不同的復(fù)合體。調(diào)控蛋白復(fù)合體可以活化基因，也可以抑制基因。調(diào)控蛋白復(fù)合體可以活化基因，也可以抑制基因。5.6.4 5.6.4 真核基因表達(dá)的真核基因表達(dá)的組合調(diào)控組合調(diào)控機(jī)制機(jī)制 5.6.4.1 5.6.4.1 調(diào)控蛋白二聚體調(diào)控蛋白二聚體組合調(diào)控組合調(diào)控 調(diào)控蛋白二聚體（調(diào)控蛋白二聚體（regulatory dimerregulatory dimer）對）對DNADNA具有具有強(qiáng)的識別和結(jié)合強(qiáng)的識別和結(jié)合能力。能力。 如亮氨酸拉鏈二聚體如亮氨酸拉鏈二聚體（leucine zipper leucine

48、zipper dimerdimer，LZDLZD）。）。二條二條鏈螺旋在中部的疏水區(qū)氨鏈螺旋在中部的疏水區(qū)氨基酸側(cè)鏈相互作用而鉸鏈一起形成拉鏈。拉鏈部基酸側(cè)鏈相互作用而鉸鏈一起形成拉鏈。拉鏈部分很短，其余部分的二條分很短，其余部分的二條鏈螺旋彼此分離。這鏈螺旋彼此分離。這種二聚體結(jié)合于種二聚體結(jié)合于DNADNA大溝中（就像一個(gè)曬衣夾子夾大溝中（就像一個(gè)曬衣夾子夾住曬衣繩）住曬衣繩） 。圖。圖5.205.20LZDLZD與與DNADNA結(jié)合結(jié)合 LZD LZD結(jié)合結(jié)合有同型二聚體（結(jié)合結(jié)合有同型二聚體（homodimershomodimers）和異型二聚體）和異型二聚體(heterodimers

49、)(heterodimers)。異型二聚體中的二個(gè)蛋白具有不同的異型二聚體中的二個(gè)蛋白具有不同的DNADNA結(jié)合、識別特異性，因而具有更高的特異性。結(jié)合、識別特異性，因而具有更高的特異性。兩種蛋白單體兩種蛋白單體可產(chǎn)生可產(chǎn)生3 3種種DNADNA結(jié)合特異性，結(jié)合特異性，3 3種蛋白單體則可產(chǎn)生種蛋白單體則可產(chǎn)生6 6種不同的種不同的DNADNA結(jié)合特異性，余此類推。結(jié)合特異性，余此類推。這就是一種組合調(diào)控。通過幾這就是一種組合調(diào)控。通過幾種不同蛋白組合而產(chǎn)生靈活、多樣的種不同蛋白組合而產(chǎn)生靈活、多樣的DNADNA結(jié)合特異性。是真結(jié)合特異性。是真核細(xì)胞具有調(diào)控的重要機(jī)制之一。核細(xì)胞具有調(diào)控的重要

50、機(jī)制之一。5.6.4.2 5.6.4.2 調(diào)控蛋白調(diào)控蛋白多聚體組合多聚體組合調(diào)控調(diào)控 另一類調(diào)控蛋白是以一個(gè)或一個(gè)以上的另一類調(diào)控蛋白是以一個(gè)或一個(gè)以上的ZnZn原子原子為結(jié)構(gòu)成分。為結(jié)構(gòu)成分。這類配備這類配備ZnZn原子的原子的DNADNA結(jié)合型式的蛋結(jié)合型式的蛋白稱為白稱為“鋅指鋅指”(zine fingers)(zine fingers)。 鋅指蛋白的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，由鋅指蛋白的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，由ZnZn原子所連接原子所連接的只是一個(gè)的只是一個(gè)螺旋和一個(gè)螺旋和一個(gè)折疊。另一個(gè)特點(diǎn)是折疊。另一個(gè)特點(diǎn)是一個(gè)以上的鋅指可以重復(fù)成串地沿大溝排列，每一個(gè)以上的鋅指可以重復(fù)成串地沿大溝排列，每一鋅

51、指的一鋅指的螺旋都與大溝螺旋都與大溝DNADNA接觸，形成多聚體組接觸，形成多聚體組合。合。鋅指結(jié)構(gòu)還有更復(fù)雜的，如胞外受體蛋白是鋅指結(jié)構(gòu)還有更復(fù)雜的，如胞外受體蛋白是兩個(gè)兩個(gè)螺旋和兩個(gè)螺旋和兩個(gè)ZnZn原子構(gòu)成。原子構(gòu)成。鋅指結(jié)構(gòu)鋅指結(jié)構(gòu) 鋅指結(jié)構(gòu)基序含一個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)基序含一個(gè)DNA結(jié)合域。結(jié)合域。5.6.4.3 5.6.4.3 調(diào)控艙組合的調(diào)控艙組合的立體調(diào)控機(jī)制立體調(diào)控機(jī)制 各種調(diào)控蛋白組成不同的復(fù)合體，它們必須在與相應(yīng)各種調(diào)控蛋白組成不同的復(fù)合體，它們必須在與相應(yīng)的調(diào)控序列結(jié)合的情況下才能活化的調(diào)控序列結(jié)合的情況下才能活化/ /抑制不同的基因。調(diào)抑制不同的基因。調(diào)控序列是調(diào)控蛋白復(fù)合體賴

52、以形成與作用的基礎(chǔ)?？匦蛄惺钦{(diào)控蛋白復(fù)合體賴以形成與作用的基礎(chǔ)。在同一在同一基因長的調(diào)控區(qū)（約基因長的調(diào)控區(qū)（約50kb50kb）中往往組織成不同的）中往往組織成不同的“艙位艙位”（modulemodule），特異的接納在生物體的不同時(shí)空坐標(biāo)中形成的），特異的接納在生物體的不同時(shí)空坐標(biāo)中形成的調(diào)控蛋白復(fù)合體，而使基因有序地表達(dá)調(diào)控蛋白復(fù)合體，而使基因有序地表達(dá)/ /抑制。抑制。這對于發(fā)這對于發(fā)育過程中性狀的表達(dá)形式特別重要。育過程中性狀的表達(dá)形式特別重要。 如：果蠅如：果蠅eveeve基因的表達(dá)。基因的表達(dá)。 果蠅胚胎發(fā)育早期的合胞體細(xì)胞質(zhì)中含有各種調(diào)控蛋果蠅胚胎發(fā)育早期的合胞體細(xì)胞質(zhì)中含有各

53、種調(diào)控蛋白，它們沿胚胎縱長不均勻分布，因而提供了胚胎各部分白，它們沿胚胎縱長不均勻分布，因而提供了胚胎各部分的定位信息。不同部分處于不同的調(diào)控蛋白的組合濃度中的定位信息。不同部分處于不同的調(diào)控蛋白的組合濃度中而表達(dá)不同的基因。而表達(dá)不同的基因。 eveeve基因沿胚胎縱軸形成基因沿胚胎縱軸形成7 7個(gè)調(diào)控序列艙位，可接納個(gè)調(diào)控序列艙位，可接納7 7個(gè)不個(gè)不同區(qū)域的調(diào)控蛋白組合。使之在不同區(qū)域表達(dá)。同區(qū)域的調(diào)控蛋白組合。使之在不同區(qū)域表達(dá)。 一個(gè)基因的眾多調(diào)控艙的組合調(diào)控，是一個(gè)基因特異地一個(gè)基因的眾多調(diào)控艙的組合調(diào)控，是一個(gè)基因特異地接受生物體不同時(shí)期、不同空間信息而使該基因進(jìn)行時(shí)間與接受生物

54、體不同時(shí)期、不同空間信息而使該基因進(jìn)行時(shí)間與空間的特異表達(dá)空間的特異表達(dá)-基因表達(dá)與發(fā)育分化?；虮磉_(dá)與發(fā)育分化。 調(diào)控艙的組合調(diào)控在進(jìn)化、變異中存在巨大潛力。調(diào)控艙的組合調(diào)控在進(jìn)化、變異中存在巨大潛力。5.7 5.7 真核基因的染色質(zhì)調(diào)控真核基因的染色質(zhì)調(diào)控 第三章已有討論，本節(jié)再作補(bǔ)充。第三章已有討論，本節(jié)再作補(bǔ)充。5.7.1 5.7.1 常染色質(zhì)與異染色質(zhì)常染色質(zhì)與異染色質(zhì) 異染色質(zhì)：異染色質(zhì)：高度凝縮且無轉(zhuǎn)錄能力的區(qū)域，占基高度凝縮且無轉(zhuǎn)錄能力的區(qū)域，占基因組的因組的10%10%，集中在染色粒周圍，高度重復(fù)序列，集中在染色粒周圍，高度重復(fù)序列，如衛(wèi)星如衛(wèi)星DNADNA。 常染色質(zhì)：常染

55、色質(zhì)：凝縮程度輕且有轉(zhuǎn)錄能力的區(qū)域，雖凝縮程度輕且有轉(zhuǎn)錄能力的區(qū)域，雖有轉(zhuǎn)錄能力，但并不是全部處于活性狀態(tài)，不同有轉(zhuǎn)錄能力，但并不是全部處于活性狀態(tài)，不同細(xì)胞類型表達(dá)不同。細(xì)胞類型表達(dá)不同。10%10%處于活性狀態(tài)。處于活性狀態(tài)。5.7.2 5.7.2 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的作用染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的作用 5.7.2.1 5.7.2.1 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的位置效應(yīng)位置效應(yīng) 包括異染色質(zhì)在內(nèi)的非活性染色質(zhì)具有使其鄰包括異染色質(zhì)在內(nèi)的非活性染色質(zhì)具有使其鄰近基因沉默的作用，稱為位置效應(yīng)（近基因沉默的作用，稱為位置效應(yīng)（position position effecteffect）。）。 如：

56、酵母的如：酵母的ADE ADE 2 2基因基因。當(dāng)它在正常位置時(shí)正。當(dāng)它在正常位置時(shí)正常表達(dá)。如人工將其移到染色體末端鄰近端粒區(qū)常表達(dá)。如人工將其移到染色體末端鄰近端粒區(qū)域，盡管所需的各類調(diào)控蛋白依然存在，但該基域，盡管所需的各類調(diào)控蛋白依然存在，但該基因不表達(dá)。由于因不表達(dá)。由于ADE ADE 2 2基因基因沉默阻遏了腺苷酸的合沉默阻遏了腺苷酸的合成，使酵母菌落有正常的白色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色。成，使酵母菌落有正常的白色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色。 類似的位置效應(yīng)亦見于果蠅類似的位置效應(yīng)亦見于果蠅白眼基因白眼基因。正常時(shí)眼顯紅色。正常時(shí)眼顯紅色。突變后被抑制則顯白色，因而叫白眼基因。在發(fā)育中，白眼突變后被抑制則顯白色

57、，因而叫白眼基因。在發(fā)育中，白眼基因有時(shí)因染色體倒位而接近異染色質(zhì)，使眼顯紅白相間的基因有時(shí)因染色體倒位而接近異染色質(zhì)，使眼顯紅白相間的斑點(diǎn)。斑點(diǎn)。5.7.2.2 5.7.2.2 染色質(zhì)去凝縮的染色質(zhì)去凝縮的活化效應(yīng)活化效應(yīng) 如：如：珠蛋白基因簇，珠蛋白基因簇，5 5個(gè)基因組成。包括調(diào)個(gè)基因組成。包括調(diào)控區(qū)在內(nèi)長達(dá)控區(qū)在內(nèi)長達(dá)100kb100kb。 5 5個(gè)基因在發(fā)育不同時(shí)期、不同器官中，專一地個(gè)基因在發(fā)育不同時(shí)期、不同器官中，專一地在紅細(xì)胞樣細(xì)胞中表達(dá)。對在紅細(xì)胞樣細(xì)胞中表達(dá)。對DNaseI DNaseI 敏感，說明染敏感，說明染色質(zhì)已經(jīng)去凝縮，染色質(zhì)的高級包裝已失去，使色質(zhì)已經(jīng)去凝縮，染色

58、質(zhì)的高級包裝已失去，使DNADNA易于被易于被DNaseIDNaseI接近。接近。 在非紅細(xì)胞樣細(xì)胞中在非紅細(xì)胞樣細(xì)胞中珠蛋白基因簇不表達(dá)，珠蛋白基因簇不表達(dá)，抗抗DNaseIDNaseI消化，說明染色質(zhì)處于凝縮的包裝中。消化，說明染色質(zhì)處于凝縮的包裝中?；虻幕罨赡芊譃閮蓚€(gè)步驟：基因的活化可能分為兩個(gè)步驟： 首先，染色質(zhì)去凝縮，使某些調(diào)控蛋白易于接近，為轉(zhuǎn)錄首先，染色質(zhì)去凝縮，使某些調(diào)控蛋白易于接近，為轉(zhuǎn)錄做好準(zhǔn)備。做好準(zhǔn)備。 其次，其余的調(diào)控蛋白裝配到其次，其余的調(diào)控蛋白裝配到“調(diào)控艙調(diào)控艙”，而使具體的基因，而使具體的基因進(jìn)行特異表達(dá)。進(jìn)行特異表達(dá)。 去凝縮過程需要一個(gè)去凝縮過程需要一

59、個(gè)DNADNA區(qū)域區(qū)域的作用。的作用。該區(qū)域稱為該區(qū)域稱為LCRLCR（locus control region,LCRlocus control region,LCR），），它位于被調(diào)控基因上游的它位于被調(diào)控基因上游的遠(yuǎn)端，包含在該基因簇遠(yuǎn)端，包含在該基因簇100kb100kb的調(diào)控區(qū)內(nèi)（圖的調(diào)控區(qū)內(nèi)（圖5.27a5.27a）。在地）。在地貧病人的紅細(xì)胞樣細(xì)胞中，貧病人的紅細(xì)胞樣細(xì)胞中，LCRLCR遺傳性缺失，盡管遺傳性缺失，盡管珠蛋白基珠蛋白基因簇及其調(diào)控蛋白依然完整，但基因不能表達(dá)。此時(shí)的因簇及其調(diào)控蛋白依然完整，但基因不能表達(dá)。此時(shí)的珠珠蛋白基因簇具有抗蛋白基因簇具有抗DNaseIDN

60、aseI性能，說明染色質(zhì)沒有去凝縮。性能，說明染色質(zhì)沒有去凝縮。如果把如果把 LCR LCR序列與人序列與人珠蛋白基因簇及其區(qū)域調(diào)控序列重組，珠蛋白基因簇及其區(qū)域調(diào)控序列重組，插入小鼠基因組后，無論那個(gè)位置，插入小鼠基因組后，無論那個(gè)位置，珠蛋白基因簇都高水珠蛋白基因簇都高水平表達(dá)。說明平表達(dá)。說明LCRLCR序列具有抗染色質(zhì)位置效應(yīng)。序列具有抗染色質(zhì)位置效應(yīng)。5.7.2.3 5.7.2.3 染色質(zhì)的異染色質(zhì)化染色質(zhì)的異染色質(zhì)化 真核細(xì)胞中廣泛存在真核細(xì)胞中廣泛存在常染色質(zhì)的異染色質(zhì)化常染色質(zhì)的異染色質(zhì)化的的基因調(diào)控。這種整體性的調(diào)控涉及大片段的基因基因調(diào)控。這種整體性的調(diào)控涉及大片段的基因失