分子生物學(xué)：第五章 基因表達(dá)的調(diào)控

1、1 第五章第五章 基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控 ( Regulation of gene expression )分子生物學(xué)分子生物學(xué)Molecular Biology 2遺傳信息傳遞中心法則遺傳信息傳遞中心法則DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制3基因表達(dá)基因表達(dá) ( gene expression) 生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列遺傳信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學(xué)功能和過程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)的RNARNA或蛋白質(zhì)的全過程?；虻鞍踪|(zhì)的全過程。一、基因表達(dá)的概念一、基因表

2、達(dá)的概念4二、基因表達(dá)的特點(diǎn)二、基因表達(dá)的特點(diǎn)（一）時(shí)間特異性（一）時(shí)間特異性 階段特異性階段特異性 （二）空間特異性（二）空間特異性 組織細(xì)胞特異性組織細(xì)胞特異性P1415 按對刺激的反應(yīng)性分為兩大類：按對刺激的反應(yīng)性分為兩大類：（一）基本（組成性）表達(dá)（一）基本（組成性）表達(dá) 基因基因較少受環(huán)境因素影響較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)，而是在個(gè)體各個(gè)生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織體各個(gè)生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。如管家基因如管家基因。三、基因表達(dá)的方式三、基因表達(dá)的方式6管家基因管家基因(housekeeping gene)某些基因在一個(gè)個(gè)體的

3、幾乎所有細(xì)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)。胞中持續(xù)表達(dá)。bcl-2-actin1 27（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)(induction expression)阻遏表達(dá)阻遏表達(dá)(repression expression)協(xié)調(diào)表達(dá)協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinance expression)在一定機(jī)制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)在一定機(jī)制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。一致，共同表達(dá)。8 四、四、基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控的概念的概念 機(jī)體各種細(xì)胞中含有的相同遺傳信機(jī)體各種細(xì)胞中含有的相同遺傳信息息( (相同的結(jié)構(gòu)基因相同的結(jié)構(gòu)基因) )，根據(jù)機(jī)體

4、的不同，根據(jù)機(jī)體的不同發(fā)育階段、不同的組織細(xì)胞及不同的功發(fā)育階段、不同的組織細(xì)胞及不同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地表達(dá)特定數(shù)能狀態(tài)，選擇性、程序性地表達(dá)特定數(shù)量的特定基因的過程。量的特定基因的過程。 9五、基因表達(dá)的調(diào)控因子：五、基因表達(dá)的調(diào)控因子： 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) ( 主要主要 ) 小分子小分子RNA ( 某些環(huán)節(jié)某些環(huán)節(jié) )10六、基因表達(dá)的調(diào)控水平六、基因表達(dá)的調(diào)控水平v 基因組基因組v 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄v 轉(zhuǎn)錄后轉(zhuǎn)錄后v 翻譯翻譯v 翻譯后翻譯后11 第一節(jié)第一節(jié) 原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核生物基因表達(dá)的調(diào)控 原核生物基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要在主要在轉(zhuǎn)錄水平，其次是翻譯水平。轉(zhuǎn)錄水平

5、，其次是翻譯水平。 本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹原核生物基因表達(dá)的調(diào)控。原核生物基因表達(dá)的調(diào)控。12一、原核生物基因表達(dá)的一、原核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)特點(diǎn) 1.1.只有一種只有一種RNARNA聚合酶。聚合酶。2.2.基因表達(dá)以操縱子為基本單位?；虮磉_(dá)以操縱子為基本單位。操縱子（操縱子（operonoperon）13操縱子學(xué)說開創(chuàng)了基因表達(dá)調(diào)控的研究操縱子學(xué)說開創(chuàng)了基因表達(dá)調(diào)控的研究 FJacob JLMonod 14操縱子操縱子(operon)(operon)模型模型ppromoter調(diào)節(jié)序列調(diào)節(jié)序列結(jié)構(gòu)基因：多個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)基因：多個(gè)串聯(lián)ayzstructural gen

6、e操縱子操縱子:一個(gè)多順反子轉(zhuǎn)錄單位與其調(diào)控一個(gè)多順反子轉(zhuǎn)錄單位與其調(diào)控序列即構(gòu)成操縱子。序列即構(gòu)成操縱子。 P114P11415PromoterGene 1Gene 2Gene 3TerminatorDNATranscriptionmRNA31235TranslationProteins123原核生物的原核生物的mRNA是多順反子是多順反子mRNA163.3.轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進(jìn)行：轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進(jìn)行：4.mRNA4.mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序翻譯起始部位有特殊的堿基序列列-SD-SD序列。序列。共有序列為共有序列為AGGAGGAGGAGG17 5.5.原核生物基因表達(dá)的原核生物基因表達(dá)

7、的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平錄水平，即對，即對RNARNA合成的調(diào)控。合成的調(diào)控。 通常有兩種方式：通常有兩種方式： (1) (1) 起始調(diào)控，即啟動(dòng)子調(diào)控；起始調(diào)控，即啟動(dòng)子調(diào)控； (2) (2) 終止調(diào)控終止調(diào)控( (衰減子調(diào)控衰減子調(diào)控) )。18二、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制二、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制 ( (一一) )轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控 ( (二二) )轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控 ( (三三) )翻譯水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控 19( (一一) )轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控 1.1.因子與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控因子與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控 核心酶核心酶 (core enzyme)全

8、酶全酶 (holoenzyme) 20調(diào)控調(diào)控RNARNA聚合酶與特異聚合酶與特異DNADNA區(qū)域結(jié)合：區(qū)域結(jié)合： 確保確保RNA RNA 聚合酶與特異啟動(dòng)序列聚合酶與特異啟動(dòng)序列穩(wěn)定結(jié)合，而不是與其它位點(diǎn)結(jié)合。穩(wěn)定結(jié)合，而不是與其它位點(diǎn)結(jié)合。(1) (1) 因子因子21 不同的不同的因子因子決定決定RNARNA聚合酶聚合酶對對一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。和結(jié)合能力。最早發(fā)現(xiàn)的最早發(fā)現(xiàn)的因子為因子為70新發(fā)現(xiàn)：新發(fā)現(xiàn)： 32、 54 、28P11422(2)(2)啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列（promoter）RNA轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)區(qū)-10區(qū)區(qū)TTGAC

9、ATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列23 共有序列共有序列決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性強(qiáng)弱。性強(qiáng)弱。某些特異因子（蛋白質(zhì)）某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定決定RNARNA聚合酶聚合酶對一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的對一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。特異性識(shí)別和結(jié)合能力。24 2.2.轉(zhuǎn)錄起始的負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的負(fù)調(diào)控 乳糖操縱子乳糖操縱子（lactose oper

10、on,lactose operon,laclac）是原核生物基因轉(zhuǎn)錄負(fù)調(diào)控的最典是原核生物基因轉(zhuǎn)錄負(fù)調(diào)控的最典型模式。型模式。 25 乳糖操縱子乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶：乙?；D(zhuǎn)移酶阻遏基因阻遏基因I 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn) 啟動(dòng)子啟動(dòng)子操縱元件操縱元件ZYAOPDNA26mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)沒有乳糖存在時(shí)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27 操縱元件在操縱子的位置是從操縱元件在操縱子的位置是從-7-7至至+28+28，RN

11、ARNA聚合酶所占的區(qū)域是從聚合酶所占的區(qū)域是從-35-35至至+20+20，兩者有部分重，兩者有部分重疊，因此阻遏蛋白和疊，因此阻遏蛋白和RNARNA聚合酶與聚合酶與DNADNA的結(jié)合是相的結(jié)合是相互排斥的。互排斥的。 28 與與laclac阻遏蛋白結(jié)合的操縱基因區(qū)域阻遏蛋白結(jié)合的操縱基因區(qū)域具有反向重復(fù)序列具有反向重復(fù)序列, ,這種反向重復(fù)序列是這種反向重復(fù)序列是能與蛋白質(zhì)特異結(jié)合的能與蛋白質(zhì)特異結(jié)合的DNADNA的特征性結(jié)的特征性結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 -10 +1 +10 +20 +30 . . . . .5ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA 3

12、3TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT 5 29mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖乳糖別乳糖別乳糖負(fù)調(diào)控的打破負(fù)調(diào)控的打破30誘導(dǎo)劑（誘導(dǎo)劑（inducerinducer） 乳糖乳糖 1,6-1,6-別乳糖（體內(nèi)生理）別乳糖（體內(nèi)生理） 異丙基硫代半乳糖苷（異丙基硫代半乳糖苷（IPTGIPTG，體外，體外試驗(yàn)）試驗(yàn)）313.3.轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控 阿拉伯糖操縱子是正調(diào)控的典型例子。阿拉伯糖操縱子是正調(diào)控的典型例子。 阿拉伯糖操縱子的基因結(jié)構(gòu)圖阿拉伯糖操縱子的基因結(jié)構(gòu)

13、圖 32 AraC 對阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖對阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖33 AraC 對阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖對阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖34轉(zhuǎn)錄活性提高轉(zhuǎn)錄活性提高5050倍倍無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)濃度高時(shí)有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)濃度低時(shí)乳糖操縱子中乳糖操縱子中CAP的正性調(diào)節(jié)的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP35 cAMPcAMP與葡萄糖相關(guān)性：與葡萄糖相關(guān)性：葡萄糖葡萄糖，cAMPcAMP 葡萄糖葡萄糖，cAMPcAMPcAMP:cAMP:環(huán)一磷酸腺苷環(huán)一磷酸腺苷 CAPCAP：分解代謝基因激活蛋白質(zhì)分解代謝基因激活蛋白質(zhì)(cataboli

14、te gene activator protein，CAP) CAPCAP的活性依賴的活性依賴cAMPcAMP， 形成形成cAMP-CAPcAMP-CAP復(fù)合復(fù)合物，促進(jìn)多種操縱子的轉(zhuǎn)錄起始物，促進(jìn)多種操縱子的轉(zhuǎn)錄起始。36 4 4轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控 在大腸桿菌的許多操縱子中，基因在大腸桿菌的許多操縱子中，基因的轉(zhuǎn)錄不是由單一因子調(diào)控的，而是通的轉(zhuǎn)錄不是由單一因子調(diào)控的，而是通過負(fù)調(diào)控因子和正調(diào)控因子進(jìn)行復(fù)合調(diào)過負(fù)調(diào)控因子和正調(diào)控因子進(jìn)行復(fù)合調(diào)控。典型例子：糖代謝有關(guān)的操縱子，控。典型例子：糖代謝有關(guān)的操縱子，如如lac lac 操縱子。操縱子。 37mRNA沒有乳糖沒有乳糖

15、有乳糖有乳糖 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-polOOOO38當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對該系對該系統(tǒng)統(tǒng) ? 發(fā)揮作用；發(fā)揮作用；如無如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子轉(zhuǎn)錄活性縱序列結(jié)合，操縱子轉(zhuǎn)錄活性 ? 。39 單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖源；若有葡萄糖或葡萄糖/ /乳糖共同乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。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分

16、解代謝阻遏解代謝阻遏。 40 （二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控（二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：A.A.依賴依賴因子的終止調(diào)控；因子的終止調(diào)控；A T P41 例例:色氨酸操縱子表達(dá)的調(diào)控色氨酸操縱子表達(dá)的調(diào)控 1.1.通過阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控通過阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控 2.2.通過衰減子作用通過衰減子作用 B.不依賴不依賴因子的終止調(diào)控。因子的終止調(diào)控。42Trp Trp 高時(shí)高時(shí) Trp 低時(shí)低時(shí) mRNA OPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 RNARNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶 轉(zhuǎn)錄衰減的調(diào)控轉(zhuǎn)錄衰減的調(diào)控色氨酸操縱子色氨酸操縱子6700個(gè)核苷酸個(gè)核

17、苷酸140個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸43UUUUUUUU調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 trpROP前導(dǎo)序列前導(dǎo)序列 衰減子區(qū)域衰減子區(qū)域 UUUU前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)衰減子結(jié)構(gòu) 第第1010、1111密碼子為密碼子為trptrp密碼子密碼子 終止密碼子終止密碼子 14aa14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū)前導(dǎo)肽編碼區(qū): 包含序列包含序列1 1 形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力: : 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密碼子密碼子 UUUU44UUUU34UUUU 334 核糖體核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽 前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA1. 1.當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)當(dāng)色氨酸濃度高時(shí) 轉(zhuǎn)錄衰減

18、機(jī)制轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制 125 trp 密碼子密碼子 衰減子結(jié)構(gòu)衰減子結(jié)構(gòu)可使轉(zhuǎn)錄可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)前導(dǎo)DNA UUUU 3 RNARNA聚合酶聚合酶 終止終止45UUUU342423UUUU核糖體核糖體 前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽 前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA 15 trp 密碼子密碼子 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)前導(dǎo)DNA RNARNA聚合酶聚合酶 2. 2.當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)當(dāng)色氨酸濃度低時(shí) Trp合成酶系相關(guān)合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄 序列序列3 3、4 4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)不能形成衰減子結(jié)構(gòu) 46色氨酸豐富時(shí)，色氨酸豐富時(shí)，核蛋白體順利沿引導(dǎo)序列核蛋白體順利沿引導(dǎo)序列移動(dòng)直達(dá)最后一個(gè)密碼子移動(dòng)直達(dá)最后一個(gè)密碼子UG

19、AUGA，合成完整合成完整的引導(dǎo)肽。的引導(dǎo)肽。RNA RNA 聚合酶停止在衰減子部位。聚合酶停止在衰減子部位。47色氨酸缺乏時(shí)，色氨酸缺乏時(shí)，核核蛋白體終止在蛋白體終止在1 1區(qū)區(qū)TrpTrp密碼子部位，密碼子部位，RNA RNA 聚合酶通過衰聚合酶通過衰減子區(qū)域而繼續(xù)轉(zhuǎn)減子區(qū)域而繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。錄。 48 ( (三三) ) 翻譯水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控 翻譯一般在翻譯一般在起始起始和和終止終止階段受到調(diào)節(jié)。階段受到調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)分子調(diào)節(jié)分子: :RNARNA、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 調(diào)節(jié)分子可直接或間接決定翻譯起始位調(diào)節(jié)分子可直接或間接決定翻譯起始位點(diǎn)能否為核蛋白體所利用。點(diǎn)能否為核蛋白體所利用。 491.1

20、.反義反義RNARNA的調(diào)控作用的調(diào)控作用 反義反義RNARNA 能與特定能與特定mRNAmRNA互補(bǔ)結(jié)合的互補(bǔ)結(jié)合的RNARNA片段，片段，由反義基因轉(zhuǎn)錄而來。天然的具有功能的由反義基因轉(zhuǎn)錄而來。天然的具有功能的反義反義RNARNA分子一般在分子一般在200200個(gè)堿基以下。個(gè)堿基以下。50反義反義RNARNA有三種作用方式：有三種作用方式：與與mRNA 5mRNA 5端非翻譯區(qū)包括端非翻譯區(qū)包括SDSD序列相結(jié)合，序列相結(jié)合，直接抑制翻譯。直接抑制翻譯。與與mRNA 5mRNA 5端編碼區(qū)起始密碼子端編碼區(qū)起始密碼子AUGAUG結(jié)合，結(jié)合，抑制抑制mRNAmRNA翻譯起始。翻譯起始。與與m

21、RNAmRNA的非編碼區(qū)互補(bǔ)結(jié)合，使的非編碼區(qū)互補(bǔ)結(jié)合，使mRNAmRNA構(gòu)象改變，影響其與核糖體結(jié)合，間接構(gòu)象改變，影響其與核糖體結(jié)合，間接抑制了抑制了mRNAmRNA的翻譯。的翻譯。51 反義反義RNA調(diào)控調(diào)控Tn10轉(zhuǎn)位酶基因的表達(dá)示意圖轉(zhuǎn)位酶基因的表達(dá)示意圖522. RNA2. RNA的穩(wěn)定性與調(diào)控的關(guān)系的穩(wěn)定性與調(diào)控的關(guān)系mRNAmRNA的穩(wěn)定性與其的穩(wěn)定性與其序列序列和和結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)有關(guān)。有關(guān)。 3. 3.蛋白質(zhì)合成中的自身調(diào)控蛋白質(zhì)合成中的自身調(diào)控 如：核糖體蛋白如：核糖體蛋白53第二節(jié)第二節(jié) 真核生物基因表達(dá)的調(diào)控真核生物基因表達(dá)的調(diào)控 單細(xì)胞真核生物單細(xì)胞真核生物，如酵母基因表達(dá)

22、，如酵母基因表達(dá)的調(diào)控和原核生物表達(dá)的調(diào)控基本相同。的調(diào)控和原核生物表達(dá)的調(diào)控基本相同。 多細(xì)胞真核生物多細(xì)胞真核生物，遺傳信息從細(xì)胞，遺傳信息從細(xì)胞核的基因組核的基因組DNADNA傳遞到基因編碼的蛋白質(zhì)傳遞到基因編碼的蛋白質(zhì)均受到多層次的調(diào)控。均受到多層次的調(diào)控。54一、真核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)一、真核生物基因表達(dá)的特點(diǎn) （1 1）細(xì)胞具有全能性）細(xì)胞具有全能性 （2 2）基因表達(dá)的時(shí)間性和空間性）基因表達(dá)的時(shí)間性和空間性55G A 221Hb Grow1Hb PorlandHb Grow HbF HbA2 HbA 胚胎期胚胎期 胎兒期胎兒期 成人期成人期不同發(fā)育時(shí)期不同發(fā)育時(shí)期珠蛋白基因表達(dá)

23、和血紅蛋白分子類型珠蛋白基因表達(dá)和血紅蛋白分子類型胚胎期胚胎期胎兒期胎兒期和和成人期成人期 56 （3 3）轉(zhuǎn)錄和翻譯分開進(jìn)行）轉(zhuǎn)錄和翻譯分開進(jìn)行 （4 4）初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加）初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加 工修飾工修飾 初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為核不均一性初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為核不均一性RNARNA（heterogeneous nuclear RNA ,hnRNA）5758 （6）不存在超基因式操縱子結(jié)構(gòu)）不存在超基因式操縱子結(jié)構(gòu)（5）部分基因多拷貝）部分基因多拷貝 真核生物的真核生物的mRNAmRNA是個(gè)是個(gè)單順反子單順反子mRNAmRNA (monocistronic mRNA) (monocistr

24、onic mRNA)59TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene35單順反子單順反子mRNA (monocistronic mRNA)60（一）基因組（一）基因組DNA水平的調(diào)控水平的調(diào)控 1.1.染色質(zhì)的丟失染色質(zhì)的丟失 不可逆的調(diào)控。如一些低等生物（如線不可逆的調(diào)控。如一些低等生物（如線蟲）體細(xì)胞發(fā)育過程中發(fā)生染色質(zhì)丟失。蟲）體細(xì)胞發(fā)育過程中發(fā)生染色質(zhì)丟失。二、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制二、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制612.2.基因擴(kuò)增（基因擴(kuò)增（gene amplificationgene amplification） 當(dāng)細(xì)胞對

25、某種基因產(chǎn)物需要量劇增，當(dāng)細(xì)胞對某種基因產(chǎn)物需要量劇增，單純靠調(diào)節(jié)其表達(dá)活性不足滿足需要，單純靠調(diào)節(jié)其表達(dá)活性不足滿足需要，只有增加這種基因的拷貝數(shù)。只有增加這種基因的拷貝數(shù)。623.3.基因重排：基因重排：（gene rearrangement）VJCVJCVJC免疫球蛋白免疫球蛋白IgGIgG基因許多片段發(fā)生重排，為免疫球蛋白分子基因許多片段發(fā)生重排，為免疫球蛋白分子的多樣性奠定了基礎(chǔ)的多樣性奠定了基礎(chǔ)指某些基因片段改變原來存在順序而重新排列組合，指某些基因片段改變原來存在順序而重新排列組合，成為一個(gè)完整的轉(zhuǎn)錄單位。成為一個(gè)完整的轉(zhuǎn)錄單位。調(diào)節(jié)表達(dá)產(chǎn)物多樣性。調(diào)節(jié)表達(dá)產(chǎn)物多樣性。634.4

26、.基因的甲基化修飾基因的甲基化修飾 DNADNA上特定的上特定的CpGCpG序列處的胞嘧啶發(fā)生甲基化序列處的胞嘧啶發(fā)生甲基化修飾（修飾（5mC5mC）。甲基化程度與基因的表達(dá)一般呈反）。甲基化程度與基因的表達(dá)一般呈反比關(guān)系。甲基化程度愈高，基因的表達(dá)則降低。比關(guān)系。甲基化程度愈高，基因的表達(dá)則降低。去甲基化，基因的表達(dá)增加。去甲基化，基因的表達(dá)增加。 GCGCGCGCGene64 5.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的調(diào)控作用染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的調(diào)控作用 常染色質(zhì)中疏松狀態(tài)的活性染色質(zhì)是基常染色質(zhì)中疏松狀態(tài)的活性染色質(zhì)是基因轉(zhuǎn)錄前在染色質(zhì)水平上獨(dú)特的調(diào)控機(jī)制。因轉(zhuǎn)錄前在染色質(zhì)水平上獨(dú)特的調(diào)控機(jī)制。65（

27、二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控真核生物真核生物RNARNA聚合酶有聚合酶有3 3種種種類種類轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物45S-rRNA（5.8、 18、28）hn-RNAsnRNA5S-RNAtRNA（RNA polymerase, RNA pol）66真核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)真核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié) 以以RNARNA聚合酶聚合酶為例為例1.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成2.順式作用元件順式作用元件 (cis-acting element)3.反式作用因子反式作用因子 (trans-acting factor)4.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制671.1.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合

28、物的形成轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiation complex, PIC)和和轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物(transcription initiation complex, TIC)的的形成形成真核生物真核生物RNA-polRNA-pol不與不與DNADNA分子直接分子直接結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。 68AB由由RNA-Pol 催化轉(zhuǎn)錄的催化轉(zhuǎn)錄的PIC POL-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA復(fù)合物復(fù)合物TATAPOL-TFFABTBPTAFTATAHECTD-P69geneTATAenhancer53promoter

29、region EBPTF II Apol IITF II FTBPTAFTAFTAFTF II ETF II BTIC形成形成 70順式作用順式作用 (cis-acting)反式作用反式作用(trans-acting)BADNA編碼序列編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) 順式調(diào)節(jié)順式調(diào)節(jié)71cDNAaDNA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)CBA mRNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)AA721 . 順式作用元件順式作用元件(cis-acting element) 指某些能影響基因表達(dá)但不編碼新的指某些能影響基因表達(dá)但不編碼新的蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)和RNARNA的的DNADNA序列序列，按照功能分

30、為啟，按照功能分為啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、負(fù)調(diào)控元件（沉默子等）。動(dòng)子、增強(qiáng)子、負(fù)調(diào)控元件（沉默子等）。 73 1 1、啟動(dòng)子、啟動(dòng)子(promoter)(promoter) RNA RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)件，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以以及一個(gè)以上的上的功能組件功能組件。 TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒決定決定RNARNA聚合酶聚合酶轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)和和轉(zhuǎn)錄頻率轉(zhuǎn)錄頻率的的一關(guān)鍵元件。一關(guān)鍵元件。74 核心啟動(dòng)子核心啟動(dòng)子(core promoter)(core promoter)上游啟動(dòng)子元件上游啟動(dòng)子元件(u

31、pstream promoter (upstream promoter element, UPE)element, UPE)上游上游-25-30bp處，又稱處，又稱TATA盒盒（TATAAAA）上游上游-30-110bp處，包括處，包括GC盒盒（GGGCGG）和）和 CAAT盒盒（GCCAAT）75 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增強(qiáng)子增強(qiáng)子 順式作用元件順式作用元件 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因-CAAT-GCGC-TATA轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動(dòng)子保守序列真核生物啟動(dòng)子保守序列76(2)(2)增強(qiáng)子增強(qiáng)子(enhancer)(enhancer) 指位于啟動(dòng)子上游或下游并通過啟指位于啟動(dòng)子上

32、游或下游并通過啟動(dòng)子增強(qiáng)目標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄效率的動(dòng)子增強(qiáng)目標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄效率的DNADNA順序，順序，增強(qiáng)子本身不具備啟動(dòng)子活性。增強(qiáng)子本身不具備啟動(dòng)子活性。位置距離及作用方向不固定位置距離及作用方向不固定決定基因表達(dá)的時(shí)空特異性決定基因表達(dá)的時(shí)空特異性77(3) 其他元件其他元件a)沉默子沉默子（silencer） 指在真核基因內(nèi)能抑制基因轉(zhuǎn)錄的指在真核基因內(nèi)能抑制基因轉(zhuǎn)錄的DNADNA序列序列, ,與反式與反式作用因子相互結(jié)合而起作用。不受距離和方向的限作用因子相互結(jié)合而起作用。不受距離和方向的限制，并可對異源基因的表達(dá)起作用。制，并可對異源基因的表達(dá)起作用。b)加尾信號加尾信號785 -AAUAA

33、A-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA792.2.反式作用因子反式作用因子( (trans-acting factor) ) 指能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各順式指能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各順式作用元件作用元件8 812bp12bp核心序列上，參與調(diào)控靶核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的基因轉(zhuǎn)錄效率的一組蛋白質(zhì)一組蛋白質(zhì)。有時(shí)也稱轉(zhuǎn)錄因子有時(shí)也稱轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor, transcription factor, TF

34、TF）。）。80反式作用因子根據(jù)作用方式分為三類：反式作用因子根據(jù)作用方式分為三類： 通用轉(zhuǎn)錄因子。通用轉(zhuǎn)錄因子。普遍存在的轉(zhuǎn)錄因子。普遍存在的轉(zhuǎn)錄因子。元件名稱元件名稱共有序列共有序列結(jié)合的蛋白因子名稱結(jié)合的蛋白因子名稱 分子量分子量 結(jié)合結(jié)合DNA長度長度 T A T A boxTATAAAA TBP 30,000 10bpGC box GGGCGG SP-1 105,000 20bpC A A T box GGCCAATCT CTF/NF1 60,000 22bp81組織特異性轉(zhuǎn)錄因子。組織特異性轉(zhuǎn)錄因子。與基因表達(dá)的組與基因表達(dá)的組織特異性有很大關(guān)系。織特異性有很大關(guān)系。誘導(dǎo)性反式作用

35、因子。誘導(dǎo)性反式作用因子?；钚阅鼙惶禺惖幕钚阅鼙惶禺惖恼T導(dǎo)因子所誘導(dǎo)。誘導(dǎo)因子所誘導(dǎo)。82轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域結(jié)合域轉(zhuǎn)錄活化域轉(zhuǎn)錄活化域TF結(jié)合其它蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域結(jié)合其它蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域（如，二聚化結(jié)構(gòu)域）（如，二聚化結(jié)構(gòu)域）831)DNA識(shí)別結(jié)合域：識(shí)別結(jié)合域： 鋅指（鋅指（zinc finger）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) Cys2 / Cys2鋅指鋅指Cys2 / His2鋅指鋅指見于甾體激素受體見于甾體激素受體見于見于SP1，TF A等等84同源結(jié)構(gòu)域（同源結(jié)構(gòu)域（homeodomainhomeodomain，HDHD） 同源盒基因家族各基因間具有一相同的保守同源盒基因家族各基因間具

36、有一相同的保守序列，稱為同源結(jié)構(gòu)域。所含的至少二個(gè)序列，稱為同源結(jié)構(gòu)域。所含的至少二個(gè)螺旋螺旋中形成中形成“轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折”，第三個(gè)，第三個(gè)螺旋與螺旋與DNADNA大溝相互作大溝相互作用是同源盒蛋白與用是同源盒蛋白與DNADNA結(jié)合的主要力量結(jié)合的主要力量 。85堿性堿性-亮氨酸拉鏈亮氨酸拉鏈二聚體二聚體亮氨酸之間相互作用形成亮氨酸之間相互作用形成二聚體，形成二聚體，形成“拉鏈拉鏈” 。肽鏈氨基端肽鏈氨基端2030個(gè)富含個(gè)富含堿性氨基酸結(jié)構(gòu)域與堿性氨基酸結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合。結(jié)合。86螺旋螺旋-環(huán)環(huán)-螺旋螺旋87 2)2)轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄活化域是反式作用因子必須具備的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)錄活化

37、域是反式作用因子必須具備的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。酸性酸性-螺旋（螺旋（acidic-helix domainacidic-helix domain） 含有較含有較多的負(fù)電荷。能非特異性地與起始復(fù)合物相互作用發(fā)多的負(fù)電荷。能非特異性地與起始復(fù)合物相互作用發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活化功能（如揮轉(zhuǎn)錄活化功能（如TBPTBP） 。富含谷氨酰胺的結(jié)構(gòu)域（富含谷氨酰胺的結(jié)構(gòu)域（glutamine-rich domainglutamine-rich domain） 最強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄活化域之一（如最強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄活化域之一（如SP1SP1） 。 富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域（富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域（proline-rich domainproline-rich do

38、main）（如（如CTF1CTF1）884.4.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制( () )反式作用因子的活性調(diào)節(jié)反式作用因子的活性調(diào)節(jié) 真核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)，首先表現(xiàn)真核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)，首先表現(xiàn)為反式作用因子的功能調(diào)節(jié)，即特定的反為反式作用因子的功能調(diào)節(jié)，即特定的反式作用因子被激活后，可以啟動(dòng)特定基因式作用因子被激活后，可以啟動(dòng)特定基因的轉(zhuǎn)錄。的轉(zhuǎn)錄。89反式作用因子的激活方式如下反式作用因子的激活方式如下: :表達(dá)式調(diào)節(jié)表達(dá)式調(diào)節(jié)共價(jià)修飾共價(jià)修飾配體結(jié)合配體結(jié)合蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用90（2）反式作用因子作用方式反式作用因子作用方式 1)1)成環(huán)（成環(huán)（lo

39、opinglooping）2)2)扭曲扭曲(twisting)(twisting)3 3）滑動(dòng)）滑動(dòng)(sliding)(sliding)4 4）OozingOozing91（3 3）反式作用因子的組合式調(diào)控）反式作用因子的組合式調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控不是由單一的反式作用因子基因表達(dá)的調(diào)控不是由單一的反式作用因子完成而是幾種因子組合，發(fā)揮特定的作用。完成而是幾種因子組合，發(fā)揮特定的作用。92 cis-acting elementsthe structure of gene in eukaryote, cis-acting element and trans or cis -acting factor

40、exonintronATGTAAPoly A siteAATAAA, 30bpdownstream enhancerterminatordownstream silencerinitiation sitepromoterupstreamsilencerupstreamenhancercoding strandtemplate strand5312n12n-1TATA boxCAAT boxGC box trans or cis-acting factors93exonintronATGTAAPoly A siteAATAAA, 30bpinitiation site12n12n-1初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物

41、初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物94(三三)轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控1.首、尾的修飾首、尾的修飾 5 端形成端形成 帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp ) 7甲基鳥苷甲基鳥苷 3 端加上多聚腺苷酸尾巴端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)95帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)96加冒加尾意義加冒加尾意義:保護(hù)轉(zhuǎn)錄體保護(hù)轉(zhuǎn)錄體mRNA不受外切酶降解，不受外切酶降解，增強(qiáng)增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定性，同時(shí)有利于的穩(wěn)定性，同時(shí)有利于mRNA從細(xì)胞核向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)從細(xì)胞核向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)mRNA與核糖體的結(jié)合（通過帽結(jié)合蛋與核糖體的結(jié)合（通過帽結(jié)合蛋白介導(dǎo)完成）。白介導(dǎo)完成）。 97雞卵清蛋白雞卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修飾首、尾修飾hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA雞雞卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄、錄、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄后后修修飾飾982. mRNA前體的選擇性剪接前體的選擇性剪接(alternative splicing)對基因表達(dá)的調(diào)控作用對基因表達(dá)的調(diào)控作用 （1）mRNA前體的剪接前體