生化學第13章基因表達調控

1、目錄目錄第第13章章基因表達調控基因表達調控Regulation of Gene Expression目錄目錄第一節(jié)第一節(jié)基因表達調控的基本概念基因表達調控的基本概念Basic Conceptions of Gene Expression Regulation目錄目錄一、基因表達是指基因轉錄及翻譯的過程一、基因表達是指基因轉錄及翻譯的過程 基因（基因（genegene）負載特定遺傳信息的）負載特定遺傳信息的DNADNA片段。是片段。是結構功能單位，包括調節(jié)序列、編碼序列、內(nèi)含結構功能單位，包括調節(jié)序列、編碼序列、內(nèi)含子等子等DNADNA區(qū)域。區(qū)域。 基因組基因組(genome)(genome)

2、 來自一個生物體的一整套遺傳物質。來自一個生物體的一整套遺傳物質。是基因轉錄及翻譯的過程，即：生成具是基因轉錄及翻譯的過程，即：生成具有生物學功能產(chǎn)物的過程。有生物學功能產(chǎn)物的過程。 基因表達基因表達(gene expression)(gene expression) 基因表達是受調控的。基因表達是受調控的。目錄目錄二、基因表達具有時間特異性和空間特異性二、基因表達具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性（一）時間特異性 按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性特異性(tem

3、poral specificity)(temporal specificity)。 多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性特異性(stage specificity)(stage specificity)。目錄目錄（二）空間特異性（二）空間特異性 基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，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細胞或組織特異性所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cell (cell or tissue specificity)or tissu

4、e specificity)。 在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性空間特異性(spatial specificity)(spatial specificity)。目錄目錄三、基因表達的方式及調節(jié)存在很大差異三、基因表達的方式及調節(jié)存在很大差異按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：按對刺激的反應性，基因表達的方式分為： 基本（或組成性）表達基本（或組成性）表達 誘導或阻遏表達誘導或阻遏表達目錄目錄（一）基本（或組成性）表達（一）基本（或組成性）表達 某些基因在一個個體的

5、幾乎所有細胞某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因(housekeeping gene)(housekeeping gene)。 無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段境因素影響，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，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，這類基或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因 表 達 被 視 為 組 成 性 基 因 表 達因 表 達 被 視 為 組 成 性 基 因 表 達(constitutive gene exp

6、ression)。目錄目錄目錄目錄（二）有些基因的表達受到環(huán)境變化的（二）有些基因的表達受到環(huán)境變化的誘導和阻遏誘導和阻遏 在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導基基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導基因因(inducible gene)(inducible gene)。 可誘導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，可誘導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導稱為誘導(induction)(induction)。 如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏基因因是可阻遏基因(r

7、epressible gene)(repressible gene)?？勺瓒艋？勺瓒艋?表 達 產(chǎn) 物 水 平 降 低 的 過 程 稱 為 阻 遏因 表 達 產(chǎn) 物 水 平 降 低 的 過 程 稱 為 阻 遏(repression)(repression)。目錄目錄 在一定機制控制下，功能上相關的一組基在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調一因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調一致、共同表達，即為協(xié)調表達致、共同表達，即為協(xié)調表達(coordinate (coordinate expression)expression)，這種調節(jié)稱為協(xié)調調節(jié)，這種調節(jié)稱為協(xié)調

8、調節(jié)(coordinate regulation)(coordinate regulation)。目錄目錄四、基因表達調控為生物體生長、四、基因表達調控為生物體生長、發(fā)育所必需發(fā)育所必需（一）以適應環(huán)境、維持生長和增殖（一）以適應環(huán)境、維持生長和增殖生物體所處的內(nèi)、外環(huán)境是在不斷變化生物體所處的內(nèi)、外環(huán)境是在不斷變化的。通過一定的程序調控基因的表達，可使的。通過一定的程序調控基因的表達，可使生物體表達出合適的蛋白質分子，以便更好生物體表達出合適的蛋白質分子，以便更好地適應環(huán)境，維持其生長和增殖。地適應環(huán)境，維持其生長和增殖。 目錄目錄（二）以維持細胞分化與個體發(fā)育（二）以維持細胞分化與個體發(fā)育

9、在多細胞個體生長、發(fā)育的不同階段，在多細胞個體生長、發(fā)育的不同階段，或同一生長發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白或同一生長發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白質分子分布、種類和含量存在很大差異，這質分子分布、種類和含量存在很大差異，這些差異是調節(jié)細胞表型的關鍵。些差異是調節(jié)細胞表型的關鍵。 目錄目錄第二節(jié)第二節(jié)基因表達調控的基本原理基因表達調控的基本原理Basic Principles of Gene Expression Regulation目錄目錄一、基因表達調控呈現(xiàn)多層次和復雜性一、基因表達調控呈現(xiàn)多層次和復雜性基因表達的多級調控基因表達的多級調控基因激活基因激活拷貝數(shù)拷貝數(shù)重排重排甲基化程度甲基化程

10、度轉錄起始轉錄起始 轉錄后加工轉錄后加工mRNA降解降解蛋白質翻譯蛋白質翻譯翻譯后加工修飾翻譯后加工修飾蛋白質降解等蛋白質降解等轉錄起始轉錄起始目錄目錄二、基因轉錄激活受到轉錄調節(jié)蛋白二、基因轉錄激活受到轉錄調節(jié)蛋白與啟動子相互作用的調節(jié)與啟動子相互作用的調節(jié)基因表達的調節(jié)與基因的結構、性質，基因表達的調節(jié)與基因的結構、性質，生物個體或細胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細生物個體或細胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細胞內(nèi)所存在的轉錄調節(jié)蛋白有關。胞內(nèi)所存在的轉錄調節(jié)蛋白有關。（一）特異（一）特異DNADNA序列決定基因的轉錄活性序列決定基因的轉錄活性（二）轉錄調節(jié)蛋白可以增強或抑制轉錄活性（二）轉錄調節(jié)蛋白可

11、以增強或抑制轉錄活性目錄目錄目錄目錄原核生物原核生物 蛋白質因子蛋白質因子 操縱子操縱子(operon) 機制機制特異特異DNA序列序列編碼序列編碼序列 啟動序列啟動序列 操縱序列操縱序列 其他調節(jié)序列其他調節(jié)序列(promoter)(operator)目錄目錄雅各布雅各布 (F.Jacob) (F.Jacob) 1920-1920-法國人法國人 莫諾莫諾(J.L.Monod) (J.L.Monod) 1910-1976 1910-1976 法國人法國人 雷沃夫雷沃夫(A.M.Lwoff)(A.M.Lwoff) 1902-1994 1902-1994 法國人法國人 1961 1961年提出了年

12、提出了“信使核糖核酸信使核糖核酸”（mRNAmRNA）和）和“操縱子操縱子”概念，闡概念，闡明了明了RNARNA在遺傳過程中的信息傳遞在遺傳過程中的信息傳遞作用和乳糖操縱子在蛋白質生物作用和乳糖操縱子在蛋白質生物合成中的調節(jié)控制機制。合成中的調節(jié)控制機制。 發(fā)現(xiàn)酶和細菌發(fā)現(xiàn)酶和細菌合成中的遺傳調合成中的遺傳調節(jié)機制節(jié)機制. . 1965年三人榮獲諾貝爾醫(yī)學和生理獎年三人榮獲諾貝爾醫(yī)學和生理獎 目錄目錄是是RNA聚合酶結合并啟動轉錄聚合酶結合并啟動轉錄的特異的特異DNA序列。序列。1 1、啟動序列、啟動序列RNA轉錄起始轉錄起始-35區(qū)區(qū)-10區(qū)區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGAT

13、TTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列圖圖13-1 13-1 五種五種E.coliE.coli啟動序列的共有序列啟動序列的共有序列目錄目錄2 2、操縱序列、操縱序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)(repressor)的結合位點的結合位點當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚聚合酶不能沿合酶不能沿DNA

14、向前移動向前移動 ，阻礙轉錄。，阻礙轉錄。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阻遏蛋白阻遏蛋白目錄目錄3 3、其他調節(jié)序列、調節(jié)蛋白、其他調節(jié)序列、調節(jié)蛋白例如：例如： 激活蛋白激活蛋白(activator)可結合啟動序列鄰近的可結合啟動序列鄰近的DNA序列，促進序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的聚合酶與啟動序列的結合，增強結合，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聚聚合酶很少或完全不能結合啟動序列。合酶很少或完全不能結合啟動序列。目錄目錄真核生物真核生物1、順式作用元件、順式作用元件(cis-acting e

15、lement)可影響自身基因表達活性的可影響自身基因表達活性的DNA序列序列RNA聚合酶聚合酶BADNA編碼序列編碼序列轉錄起始點轉錄起始點mRNARNA聚合酶聚合酶BADNA轉錄起始點轉錄起始點mRNA圖圖13-2 順式作用元件順式作用元件目錄目錄 不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些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，如共有序列，如TATA盒、盒、CAAT盒等，這些共有盒等，這些共有序列是序列是RNA聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。 根據(jù)順式作用元件在基因中的位置、轉錄激活根據(jù)順式作用元件在基因中的位置、轉錄激活作用的性質及發(fā)揮作用的方式分

16、為作用的性質及發(fā)揮作用的方式分為 ：啟動子、：啟動子、增強子、沉默子等。增強子、沉默子等。目錄目錄 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增強子增強子 順式作用元件順式作用元件 結構基因結構基因-GCGC-CAAT-TATA轉錄起始轉錄起始真核生物啟動子保守序列真核生物啟動子保守序列目錄目錄（二（二) ) 轉錄調節(jié)蛋白轉錄調節(jié)蛋白原核生物基因調節(jié)蛋白為三類：原核生物基因調節(jié)蛋白為三類： 特異因子特異因子決定決定RNARNA聚合酶對一個或一套啟動序聚合酶對一個或一套啟動序列的特異識別和結合能力。如列的特異識別和結合能力。如因子。因子。 阻遏蛋白阻遏蛋白結合特異結合特異DNADNA序列序列操縱序列

17、，抑制操縱序列，抑制基因轉錄基因轉錄, ,負性調節(jié)。負性調節(jié)。 激活蛋白激活蛋白結合啟動序列鄰近的結合啟動序列鄰近的DNADNA序列，促進序列，促進RNARNA聚合酶與啟動序列結合，增強聚合酶與啟動序列結合，增強RNARNA聚合酶活性。聚合酶活性。如如: :分解物基因激活蛋白分解物基因激活蛋白(Catabolite gene (Catabolite gene activator protein, CAP)activator protein, CAP) 調節(jié)蛋白的共性調節(jié)蛋白的共性 ：DNADNA結合蛋白。結合蛋白。目錄目錄2 2、真核基因的調節(jié)蛋白、真核基因的調節(jié)蛋白 還有蛋白質因子可特異識別

18、、結合自身還有蛋白質因子可特異識別、結合自身基因的調節(jié)序列，調節(jié)自身基因的表達，基因的調節(jié)序列，調節(jié)自身基因的表達，稱順式作用。稱順式作用。 由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質因子，通由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調節(jié)其表達。這種調節(jié)作用稱互作用，調節(jié)其表達。這種調節(jié)作用稱為反式作用。為反式作用。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) (trans-acting factor) cDNAaDNA反式調節(jié)反式調節(jié)C順式調節(jié)順式調節(jié) mRNA C蛋白質蛋白質CbA mRNA蛋白質蛋白質AA圖圖13

19、-3 反式與順式作用蛋白反式與順式作用蛋白目錄目錄（三）轉錄調節(jié)蛋白通過與（三）轉錄調節(jié)蛋白通過與DNA或與蛋白質或與蛋白質相互作用對轉錄起始進行調節(jié)相互作用對轉錄起始進行調節(jié) （轉錄調節(jié)的作用的基本形式（轉錄調節(jié)的作用的基本形式 ）目錄目錄目錄目錄A space-filling representation of a CAP homodimer bound to DNA. Base pairs recognized by the protein are shown in green, and amino acid side chains that bind to these base pai

20、rs are shown in red. Note the bending of the DNA around the protein A ribbon representation with subunits shown in white and light blue. The helix-turn-helix DNA-binding motif is shown in red. Bound molecules of cAMP are shown in dark blue.CAP同源二聚體同源二聚體目錄目錄目錄目錄（四）（四）RNA聚合酶與基因的啟動序列聚合酶與基因的啟動序列/啟動子啟動子相

21、結合相結合1、原核啟動序列、原核啟動序列/真核啟動子與真核啟動子與RNA聚合酶活聚合酶活性性 RNA聚合酶與其的親和力，影響轉錄。聚合酶與其的親和力，影響轉錄。真核真核RNA聚合酶的活性與啟動子及轉錄調節(jié)聚合酶的活性與啟動子及轉錄調節(jié)因子有關。因子有關。目錄目錄是是RNA聚合酶結合并啟動轉錄聚合酶結合并啟動轉錄的特異的特異DNA序列。序列。啟動序列啟動序列RNA轉錄起始轉錄起始-35區(qū)區(qū)-10區(qū)區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATy

22、rlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列圖圖13-1 13-1 五種五種E.coliE.coli啟動序列的共有序列啟動序列的共有序列Pribnow盒盒目錄目錄啟動子及RNA聚合酶結合區(qū)目錄目錄2、調節(jié)蛋白與、調節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性聚合酶活性一些特異調節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號刺激下表一些特異調節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號刺激下表達，然后通過達，然后通過DNA-蛋白質、蛋白質蛋白質、蛋白質-蛋白質相蛋白質相互作用影響互作用影響RNA聚合酶活性。如原核聚合酶活性。如原核因子。因子。外界信號刺激引起調節(jié)蛋白分子構象改變。外界信號刺激引起調節(jié)蛋白分子構象改變。目錄目錄第三節(jié)第三

23、節(jié) 原核基因表達調節(jié)原核基因表達調節(jié)Regulation of Gene Expression in Prokaryote 目錄目錄調節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉錄起始。調節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉錄起始。一、原核基因轉錄調節(jié)特點一、原核基因轉錄調節(jié)特點（一）（一）因子決定因子決定RNA聚合酶識別特異性聚合酶識別特異性 在轉錄起始階段，在轉錄起始階段，因子識別特異啟動序因子識別特異啟動序列；不同的列；不同的因子決定特異基因的轉錄激活，因子決定特異基因的轉錄激活，決定決定mRNA、rRNA和和tRNA基因的轉錄?；虻霓D錄。 目錄目錄（二）操縱子模型的普遍性（二）操縱子模型的普遍性 原核生物絕大多數(shù)基因按功能相關性成

24、簇原核生物絕大多數(shù)基因按功能相關性成簇地串聯(lián)、密集于染色體上，共同組成一個轉錄地串聯(lián)、密集于染色體上，共同組成一個轉錄單位單位操縱子（操縱子（operon）。一個操縱子只含一）。一個操縱子只含一個啟動序列（個啟動序列（promoter）及數(shù)個可轉錄的編碼）及數(shù)個可轉錄的編碼基因。通常，這些編碼基因可轉錄出多順反子基因。通常，這些編碼基因可轉錄出多順反子mRNA。原核基因的協(xié)調表達就是通過調控單。原核基因的協(xié)調表達就是通過調控單個啟動基因的活性來完成的。個啟動基因的活性來完成的。 目錄目錄（三）原核操縱子受到阻遏蛋白的負性調節(jié)（三）原核操縱子受到阻遏蛋白的負性調節(jié) 原核基因調控普遍涉及特異阻遏蛋

25、白參原核基因調控普遍涉及特異阻遏蛋白參與的開、關調節(jié)機制。與的開、關調節(jié)機制。 當阻遏蛋白與操縱序列結合或解聚時，當阻遏蛋白與操縱序列結合或解聚時，就會發(fā)生特異基因的阻遏或去阻遏。就會發(fā)生特異基因的阻遏或去阻遏。目錄目錄二、操縱子調控模式在原核基因轉錄起始二、操縱子調控模式在原核基因轉錄起始的調節(jié)中具有普遍性的調節(jié)中具有普遍性（一）乳糖操縱子（一）乳糖操縱子(lac operon)的結構的結構 調控區(qū)調控區(qū)CAP結合位點結合位點啟動序列啟動序列操縱序列操縱序列 結構基因結構基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙?；D移酶：乙?；D移酶ZYAOPDNA目錄目錄nlacZ編碼編碼-半

26、乳糖苷酶，此酶由半乳糖苷酶，此酶由500kd的四聚體的四聚體構成，它可以切斷乳糖的半乳糖苷鍵，而產(chǎn)生半構成，它可以切斷乳糖的半乳糖苷鍵，而產(chǎn)生半乳糖。乳糖。nlacY編碼透酶，這種酶是一種分子量為編碼透酶，這種酶是一種分子量為30kDd膜膜結合蛋白，它構成轉運系統(tǒng)，將半乳糖苷運入到結合蛋白，它構成轉運系統(tǒng)，將半乳糖苷運入到細胞中。細胞中。nlacA編碼乙?；D移酶，其功能是將乙酰編碼乙酰基轉移酶，其功能是將乙酰-輔酶輔酶A上的乙?；D移到上的乙酰基轉移到-半乳糖苷上。半乳糖苷上。目錄目錄mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時沒有乳糖存在時（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和（二

27、）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAPCAP的雙重調節(jié)的雙重調節(jié)阻遏基因阻遏基因1 1、阻遏蛋白的負性調節(jié)、阻遏蛋白的負性調節(jié)目錄目錄mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在時有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄啟動轉錄mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶圖圖13-4 lac 13-4 lac 操縱子與阻遏蛋白的負性調節(jié)操縱子與阻遏蛋白的負性調節(jié)目錄目錄+ + + + + + + + 轉錄轉錄無葡萄糖，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2、CAP的正性調節(jié)的正性調節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP目錄目錄3 3、協(xié)調調節(jié)、

28、協(xié)調調節(jié) 當阻遏蛋白封閉轉錄時，當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能對該系統(tǒng)不能發(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縱序存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。列結合，操縱子仍無轉錄活性。 單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；若單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對先利用葡萄糖。葡萄糖對 lac 操縱子的阻遏作操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏用稱分解代謝阻遏(catabolic repression)。 目錄目錄mRNA低半乳糖時低半乳糖時高半乳糖時

29、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-polOOOO目錄目錄三、原核生物具有不同的轉錄終止三、原核生物具有不同的轉錄終止調節(jié)機制調節(jié)機制（一）不依賴（一）不依賴RhoRho因子的轉錄終止因子的轉錄終止（二）依賴（二）依賴RhoRho因子的轉錄終止因子的轉錄終止常見于噬菌體中，結構特點不清楚。常見于噬菌體中，結構特點不清楚。 兩段富含兩段富含GC的反向重復序列，中間間隔的反向重復序列，中間間隔若干核苷酸；若干核苷酸； 下游含一系列下游含一系列T序列。序列。 終止子結構特點：終止子結構特點：目錄目錄四、原核生物在翻譯水平受到四、原核生物在翻

30、譯水平受到多個環(huán)節(jié)的調節(jié)多個環(huán)節(jié)的調節(jié) （一）蛋白質分子結合于啟動序列或啟動序列（一）蛋白質分子結合于啟動序列或啟動序列周圍進行自我調節(jié)周圍進行自我調節(jié) 調節(jié)蛋白結合調節(jié)蛋白結合mRNA靶位點，阻止核蛋白體靶位點，阻止核蛋白體識別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。識別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。 調節(jié)蛋白一般作用于自身調節(jié)蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身，抑制自身的合成，稱自我控制的合成，稱自我控制(autogenous control)。 目錄目錄（二）反義（二）反義RNA結合結合mRNA翻譯起始部位的翻譯起始部位的互補序列對翻譯進行調節(jié)互補序列對翻譯進行調節(jié) 可調節(jié)基因表達的可調節(jié)基因表達的RN

31、A稱為調節(jié)稱為調節(jié)RNA。 細菌中含有與特定細菌中含有與特定mRNA翻譯起始部位互翻譯起始部位互補的補的RNA，通過與，通過與mRNA雜交阻斷雜交阻斷30S小小亞基對起始密碼子的識別及與亞基對起始密碼子的識別及與SD序列的結序列的結合，抑制翻譯起始。這種調節(jié)稱為反義控合，抑制翻譯起始。這種調節(jié)稱為反義控制制(antisense control)。目錄目錄mRNA53UAC AGC AUC AUG GCU ACC反義反義RNA AUG UCG UAG UAC目錄目錄第四節(jié)第四節(jié) 真核基因表達調節(jié)真核基因表達調節(jié)Regulation of Gene Expression in Eukaryote目

32、錄目錄一、真核基因組具有獨特的結構特點一、真核基因組具有獨特的結構特點（一）真核基因組結構龐大（一）真核基因組結構龐大 哺乳類動物基因組哺乳類動物基因組DNA 約約 3109堿基對。堿基對。 人編碼基因約人編碼基因約4萬個，編碼序列僅占總長的萬個，編碼序列僅占總長的1%。 rDNA等重復基因約占等重復基因約占5%10%。目錄目錄（二）真核基因轉錄產(chǎn)物為單順反子（二）真核基因轉錄產(chǎn)物為單順反子單順反子單順反子(monocistron) 即一個編碼基因轉錄生成一個即一個編碼基因轉錄生成一個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）真核基因組含有大量的重復序列（三）真核基

33、因組含有大量的重復序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復序列（高度重復序列（106 次）次）中度重復序列（中度重復序列（103 104次）次）多拷貝序列多拷貝序列目錄目錄HHHHHHH MHHMMHMMMMMMMLDH1 (H4)LDH2(H3M) LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5 (M4)乳酸脫氫酶的同工酶乳酸脫氫酶的同工酶目錄目錄 真核結構基因兩側存在有不被轉錄的非真核結構基因兩側存在有不被轉錄的非編碼序列，往往是基因表達的調控區(qū)。在編編碼序列，往往是基因表達的調控區(qū)。在編碼基因內(nèi)部尚有內(nèi)含子（碼基因內(nèi)部尚有內(nèi)含子（intron）、外顯子）、外顯子（ex

34、on）之分，因此真核基因是不連續(xù)的。）之分，因此真核基因是不連續(xù)的。 （四）真核基因中存在非編碼序列和間隔區(qū)，（四）真核基因中存在非編碼序列和間隔區(qū)，故：具有不連續(xù)性故：具有不連續(xù)性目錄目錄二、真核基因表達調控更為復雜二、真核基因表達調控更為復雜（一）真核細胞內(nèi)含有多種（一）真核細胞內(nèi)含有多種RNA聚合酶聚合酶真核真核RNA聚合酶有三種，即聚合酶有三種，即RNA pol I、II及及 III，分別負責三種，分別負責三種RNA轉錄。轉錄。 TATA盒結合蛋白（盒結合蛋白（TBP）是三種聚合酶）是三種聚合酶所共有的。所共有的。目錄目錄nRNA pol II中轉錄因子中轉錄因子D（TFII D ）起

35、核心）起核心作用。作用。nTFII D是一種由是一種由TATA盒結合蛋白（盒結合蛋白（TBP）和和TBP相關因子（相關因子（TAF）組成的多蛋白復合）組成的多蛋白復合物。物。目錄目錄（二）處于轉錄激活狀態(tài)的染色質結構發(fā)生（二）處于轉錄激活狀態(tài)的染色質結構發(fā)生明顯變化明顯變化1. 對核酸酶敏感對核酸酶敏感2. DNA拓撲結構變化拓撲結構變化天然雙鏈天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存均以負性超螺旋構象存在；基因活化后在；基因活化后:RNA-pol正超螺旋正超螺旋負超螺旋負超螺旋轉錄方向轉錄方向活化基因常有超敏位點，位于調節(jié)蛋活化基因常有超敏位點，位于調節(jié)蛋白結合位點附近。白結合位點附近。目錄目錄3

36、. DNA堿基的甲基化修飾變化堿基的甲基化修飾變化 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比。甲基化范圍與基因表達程度呈反比。4.4. 組蛋白變化組蛋白變化 富含富含Lys組蛋白水平降低組蛋白水平降低 H2AH2B二聚體不穩(wěn)定性增加二聚體不穩(wěn)定性增加 組蛋白組蛋白H3、H4發(fā)生乙酰化、甲基化或發(fā)生乙酰化、甲基化或磷酸化修飾磷酸化修飾目錄目錄DNA Methylation and Transcription5353目錄目錄 組蛋白修飾對于基因表達影響的機制也包括組蛋白修飾對于基因表達影響的機制也包括兩種相互包容的理論。即：組蛋白的修飾直兩種相

37、互包容的理論。即：組蛋白的修飾直接影響染色質或核小體的結構，以及化學修接影響染色質或核小體的結構，以及化學修飾征集了其他調控基因轉錄的蛋白質，為其飾征集了其他調控基因轉錄的蛋白質，為其他功能分子與組蛋白結合搭建了一個平臺。他功能分子與組蛋白結合搭建了一個平臺。這些理論構成了這些理論構成了“組蛋白密碼組蛋白密碼”的假說。的假說。目錄目錄組蛋白組蛋白氨基酸殘基位點氨基酸殘基位點修飾類型修飾類型功功 能能H3Lys-4甲基化甲基化激活激活H3Lys-9甲基化甲基化染色質濃縮染色質濃縮H3Lys-9甲基化甲基化DNA甲基化所必需甲基化所必需H3Lys-9乙酰化乙?；せ罴せ頗3Ser-10磷酸化磷酸化

38、激活激活H3Lys-14乙?；阴；乐狗乐筁ys-9的甲基化的甲基化H3Lys-79甲基化甲基化端粒沉默端粒沉默H4Arg-3甲基化甲基化H4Lys-5乙?；阴；b配裝配H4Lys-12乙?；阴；b配裝配H4Lys-16乙酰化乙?；诵◇w裝配核小體裝配H4Lys-16乙酰化乙?；疐ly X激活激活組蛋白修飾對染色質結構與功能的影響組蛋白修飾對染色質結構與功能的影響 目錄目錄 基因的基因的轉錄活性轉錄活性DNADNA去甲基化、去甲基化、增強子和某增強子和某些蛋白質因子些蛋白質因子染色質染色質結構松散結構松散基因的基因的轉錄活性轉錄活性與與DNA的的結合能力結合能力下降下降 組蛋白被磷酸化、

39、組蛋白被磷酸化、甲基化、甲基化、 乙?；阴；刃揎椀刃揎?結構松散的區(qū)域，基因的轉錄活性高。結構松散的區(qū)域，基因的轉錄活性高。目錄目錄（三）在真核基因表達調控中以正性調節(jié)占主導（三）在真核基因表達調控中以正性調節(jié)占主導 采用正性調節(jié)機制更精確：一個負性調節(jié)元采用正性調節(jié)機制更精確：一個負性調節(jié)元件的結合足可阻斷件的結合足可阻斷RNARNA聚合酶的結合，因此聚合酶的結合，因此同時采用幾個負性調節(jié)元件一般不會改變特同時采用幾個負性調節(jié)元件一般不會改變特異性；相反，如果采用多種正性調節(jié)元件、異性；相反，如果采用多種正性調節(jié)元件、正性調節(jié)蛋白可提高基因表達調節(jié)的特異性正性調節(jié)蛋白可提高基因表達調節(jié)的

40、特異性和精確性。和精確性。 采用負性調節(jié)不經(jīng)濟：在正性調節(jié)中，大多采用負性調節(jié)不經(jīng)濟：在正性調節(jié)中，大多數(shù)基因不結合調節(jié)蛋白，所以是沒有活性的；數(shù)基因不結合調節(jié)蛋白，所以是沒有活性的；只要細胞表達一組激活蛋白時，相關靶基因只要細胞表達一組激活蛋白時，相關靶基因即可被激活。即可被激活。目錄目錄（四）在真核細胞中轉錄與翻譯分隔進行（四）在真核細胞中轉錄與翻譯分隔進行（五）轉錄后修飾、加工更為復雜（五）轉錄后修飾、加工更為復雜 真核細胞有細胞核及胞漿等區(qū)間分布，真核細胞有細胞核及胞漿等區(qū)間分布，轉錄與翻譯在不同細胞部位進行，轉錄在轉錄與翻譯在不同細胞部位進行，轉錄在細胞核，翻譯在細胞漿。因此，轉錄與

41、翻細胞核，翻譯在細胞漿。因此，轉錄與翻譯產(chǎn)物的分布、定位等環(huán)節(jié)均可以被調控。譯產(chǎn)物的分布、定位等環(huán)節(jié)均可以被調控。目錄目錄三、三、RNA Pol I和和Pol III轉錄體系的轉錄體系的調節(jié)相對簡單調節(jié)相對簡單（一）（一）RNA Pol I轉錄體系轉錄體系 RNA Pol I的轉錄產(chǎn)物只有的轉錄產(chǎn)物只有rRNA前體，經(jīng)剪前體，經(jīng)剪接修飾生成除接修飾生成除5S rRNA外的各種外的各種rRNA。 啟動子元件包括：核心元件啟動子元件包括：核心元件(core element)或或核心啟動子核心啟動子(core promoter)和上游控制元件和上游控制元件(upstream control elem

42、ent, UCE)。 目錄目錄 rDNA gene-45 +20-156 -107core elementupstream control elementrRNA RNA polupstream binding factor 1, UBF-1selectivity factor 1, SL-1RNA pol目錄目錄（二）（二）RNA Pol III轉錄體系轉錄體系 RNA Pol III的轉錄產(chǎn)物：多種小分子的轉錄產(chǎn)物：多種小分子RNA，包括包括tRNA、5S rRNA和一部分小核和一部分小核RNA。 啟動子位于轉錄起始點下游，稱內(nèi)部控制區(qū)啟動子位于轉錄起始點下游，稱內(nèi)部控制區(qū)(interna

43、l control regions, ICR)。 目錄目錄control of transcription for RNA pol TGGCNNAGTGGGGTTCGANNCCTGGCNNAGTGGGGTTCGANNCCtRNA +1TGGCNNAGTGGtDNA geneGGTTCGANNCCTGGCNNAGTGGGGTTCGANNCCTF CRNA pol TF B目錄目錄5s rRNA +15s rDNA geneRNA pol TF ATF CTF B目錄目錄（一）真核基因順式作用元件影響基因轉錄活性（一）真核基因順式作用元件影響基因轉錄活性1. 啟動子啟動子(promoter)真核基

44、因啟動子是真核基因啟動子是RNA聚合酶結合位聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，至少包括一點周圍的一組轉錄控制組件，至少包括一個轉錄起始點以及一個以上的功能組件。個轉錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒四、四、RNA Pol II轉錄起始的轉錄起始的調節(jié)非常復雜調節(jié)非常復雜目錄目錄CCAT盒盒GC盒盒TATA盒盒轉錄起始點轉錄起始點高等真核生物高等真核生物上游激活序上游激活序列（列（UAS）TATA盒盒轉錄起始點轉錄起始點酵母酵母圖圖13-7 真核基因啟動子的典型結構真核基因啟動子的典型結構目錄目錄2. 增強子增強子(enhancer)指遠離轉錄起始點、決定基因的

45、時間、指遠離轉錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉錄活性的空間特異性、增強啟動子轉錄活性的DNA序列。其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離序列。其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關。無關。 3. 沉默子沉默子(silencer)某些基因的負性調節(jié)元件，當其結合特某些基因的負性調節(jié)元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。目錄目錄 The action of enhancer does not have strict The action of enhancer does not have strict direction. directi

46、motergene53GCGAGCTACGT.ACGenhancergene53TCG.AGCGGCA.TGCA 目錄目錄 其他調其他調控元件控元件增強子增強子或或 沉默子沉默子CAAT盒盒 GC盒盒 TATA 盒盒結構基因結構基因+1調節(jié)基因表達水平調節(jié)基因表達水平?jīng)Q定基因表達的決定基因表達的時空特異性等。時空特異性等。激素，金屬離子，激素，金屬離子，小分子化合物等小分子化合物等反應元件。反應元件。決定基因決定基因表達的基表達的基礎水平礎水平 與與RNA poly II 結合，決定轉錄結合，決定轉錄起始點的精確定位起始點的精確定位使轉錄使轉錄增強或增強或減弱減弱維持基本的表達水平

47、維持基本的表達水平目錄目錄（二）反式作用因子是真核細胞中重要的轉錄（二）反式作用因子是真核細胞中重要的轉錄調控蛋白調控蛋白1. 轉錄調節(jié)因子分類（按功能特性）轉錄調節(jié)因子分類（按功能特性）基本轉錄因子基本轉錄因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶結合啟動子所必需的一聚合酶結合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)轉錄的類別。轉錄的類別。目錄目錄特異轉錄因子特異轉錄因子(special transcription factors)為個別基因轉錄所必需，決定該基因為個別基因轉錄所必需，決定該基因的

48、時間、空間特異性表達。的時間、空間特異性表達。 轉錄激活因子轉錄激活因子 轉錄抑制因子轉錄抑制因子目錄目錄2. 轉錄調節(jié)因子結構轉錄調節(jié)因子結構DNA結合域結合域轉錄激活域轉錄激活域TF蛋白質蛋白質-蛋白質結合域蛋白質結合域（二聚化結構域）（二聚化結構域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域目錄目錄最常見的最常見的DNADNA結合域：結合域：1. 鋅指鋅指(zinc finger)C CysH His常結合常結合GC盒盒目錄目錄ZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZn目錄目錄2. 2. a-a-螺旋螺旋常結合常結合C

49、AAT盒盒堿性螺旋堿性螺旋- -環(huán)環(huán)- -螺旋螺旋堿性亮氨酸拉鏈堿性亮氨酸拉鏈 目錄目錄basic helix-turn helix，bHTH3.4nm213+213213213213213 -phage Cro目錄目錄basic leucine zipper，bZIPCOOHNH2COOHNH218152229361815222936LeucineresidueCNCOHCH2CHCH3CH3目錄目錄亮氨酸拉鏈結合亮氨酸拉鏈結合DNA目錄目錄（三）（三）mRNA轉錄激活需要轉錄起始復合物轉錄激活需要轉錄起始復合物的形成的形成真核真核RNA聚合酶聚合酶在轉錄因子幫助下，在轉錄因子幫助下，形成轉

50、錄起始復合物。形成轉錄起始復合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP圖圖13-9 轉錄起始復合物的形成轉錄起始復合物的形成 甾類激素-受體復合物作用于增強子促進轉錄目錄目錄五、五、RNA Pol II轉錄終止的調節(jié)機制轉錄終止的調節(jié)機制尚不清楚尚不清楚（一）（一）HIV基因組轉錄終止調節(jié)基因組轉錄終止調節(jié)（二）熱休克蛋白基因的轉錄終止調節(jié)（二）熱休克蛋白基因的轉錄終止調節(jié)病毒蛋白病毒蛋白Tat與轉錄產(chǎn)物與轉錄產(chǎn)物5端特異端特異RNA序列結序列結合，并與宿主蛋白質、合，并與宿主蛋白質、RNA Pol II相互作用，阻止相互作用，阻止HIV基因組轉錄

51、的提早終止?；蚪M轉錄的提早終止。 在應激條件下暫時性停止大多數(shù)基因的轉錄在應激條件下暫時性停止大多數(shù)基因的轉錄和翻譯，啟動一套能夠提高細胞生存能力的蛋白和翻譯，啟動一套能夠提高細胞生存能力的蛋白質即熱休克蛋白質即熱休克蛋白(heat shock protein)的表達。的表達。 目錄目錄六、轉錄后水平的調節(jié)也是六、轉錄后水平的調節(jié)也是基因表達調控的重要環(huán)節(jié)基因表達調控的重要環(huán)節(jié)（一）（一）hnRNA加工成熟的調節(jié)加工成熟的調節(jié)（二）（二）mRNA運輸、胞漿內(nèi)穩(wěn)定性的調節(jié)運輸、胞漿內(nèi)穩(wěn)定性的調節(jié)加工過程包括加帽、加尾、剪接、堿加工過程包括加帽、加尾、剪接、堿基修飾和編輯等?；揎椇途庉嫷?。 通

52、過與蛋白質結合形成核蛋白體復合物通過與蛋白質結合形成核蛋白體復合物(ribonucleoprotein, RNP)進行。進行。 hnRNA轉錄后剪接原肌球蛋白基因可變剪接目錄目錄七、基因表達在翻譯水平以及翻譯七、基因表達在翻譯水平以及翻譯后階段仍然可以受到調節(jié)后階段仍然可以受到調節(jié) （一）對翻譯起始因子活性的調節(jié)主要通過磷（一）對翻譯起始因子活性的調節(jié)主要通過磷酸化修飾進行酸化修飾進行蛋白質合成速率的快速變化在很大程度蛋白質合成速率的快速變化在很大程度上取決于起始水平，通過磷酸化調節(jié)翻譯起上取決于起始水平，通過磷酸化調節(jié)翻譯起始因子（始因子（eukaryotic initiation factor,