《生物化學》本科課件第34章+細胞代謝與基因表達調(diào)控

1、第三十九章 細胞代謝與基因表達調(diào)控像時鐘一樣，細胞代謝與基因表達的調(diào)控即復雜又簡單。第一節(jié) 物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系一、糖代謝與脂類代謝的相互關(guān)系二、糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系三、脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系四、核酸與糖、脂類、蛋白質(zhì)代謝的聯(lián)系糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系糖 -酮酸 氨基酸 蛋白質(zhì) NH3蛋白質(zhì) 氨基酸 -酮酸 糖（生糖氨基酸）脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系脂肪甘油磷酸二羥丙酮脂肪酸乙酰CoA氨基酸碳架氨基酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)氨基酸酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪（生酮氨基酸）糖代謝與脂類代謝的相互聯(lián)系糖乙酰CoA，NADPH脂肪酸磷酸二羥丙酮-磷酸甘油脂肪有氧氧化酵解從頭合成脂肪甘油磷酸二

2、羥丙酮糖代謝脂肪酸乙酰CoA琥珀酸糖 (植物)乙醛酸循環(huán)-氧化糖異生TCA核酸與糖、脂類、蛋白質(zhì)代謝的聯(lián)系核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。 核酸是細胞內(nèi)重要的遺傳物質(zhì)，控制著蛋白質(zhì)的合成，影響細胞的成分和代謝類型 核酸生物合成需要糖和蛋白質(zhì)的代謝中間產(chǎn)物參加，而且需要酶和多種蛋白質(zhì)因子。 各類物質(zhì)代謝都離不開具備高能磷酸鍵的各種核苷酸，如ATP是能量的“通貨”，此外UTP參與多糖的合成，CTP參與磷脂合成，GTP參與蛋白質(zhì)合成與糖異生作用。脂肪代謝和糖代謝的關(guān)系延胡索酸琥珀酸蘋果酸草酰乙酸3-磷酸甘油三羧酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)甘油乙酰 CoA三

3、酰甘油脂肪酸氧化 糖原（或淀粉）葡萄糖1，6-二磷酸果糖磷酸二羥丙酮磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸合成植物或微生物（胞液）（線粒體）（PEP）丙氨酸天冬氨酸谷氨酸（轉(zhuǎn)氨基作用）糖的分解代謝和糖異生的關(guān)系糖類脂類氨基酸和核苷酸之間的代謝聯(lián)系PEP丙酮酸生酮氨基酸-酮戊二酸核糖-5-磷酸 甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨丙氨酸 甘氨酸絲氨酰蘇氨酸半胱氨酸 氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二羥丙酮乙酰CoA甘油脂肪酸膽固醇亮氨酸賴氨酸酪酰氨色氨酸笨丙氨酸異亮氨酸亮氨酸色氨酸乙酰乙酰CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬酰氨天冬氨酸苯丙酰氨酪氨酸異亮氨酸甲硫酰氨蘇氨酸纈氨酸琥珀酰CoA蘋果酸草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸乙醛酸蛋白質(zhì)淀粉、糖原核酸

4、生糖氨基酸谷氨酰氨組氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二單酰CoA1-磷酸葡萄糖 三. 代謝的基本要略由ATP、還原力和構(gòu)造單元可合成各類生物分子，并進而裝配成生物不同層次的結(jié)構(gòu)。生物合成和生物形態(tài)建成是一個耗能和增加有序結(jié)構(gòu)的過程，需要由物質(zhì)流、能量流和信息流來支持。一、代謝調(diào)節(jié)的概念二、酶水平的調(diào)節(jié)三、細胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔控制調(diào)節(jié)四、激素調(diào)節(jié)和跨膜信號轉(zhuǎn)導第二節(jié) 代 謝 調(diào) 節(jié)一. 代謝調(diào)節(jié) 生命是靠代謝的正常運轉(zhuǎn)維持的。生命有限的空間內(nèi)同時有那麼多復雜的代謝途徑在運轉(zhuǎn)，必須有靈巧而嚴密的調(diào)節(jié)機制，才能使代謝適應(yīng)外界環(huán)境的變化與生物自身生長發(fā)育的需要。調(diào)節(jié)失靈便會導致代謝障礙，出現(xiàn)

5、病態(tài)甚至危及生命。在漫長的生物進化歷程中，機體的結(jié)構(gòu)、代謝和生理功能越來越復雜，代謝調(diào)節(jié)機制也隨之更為復雜。代謝調(diào)節(jié)的四級水平： 酶水平調(diào)節(jié) 細胞水平調(diào)節(jié) 激素水平調(diào)節(jié) 神經(jīng)水平調(diào)節(jié)多細胞整體水平調(diào)節(jié)1、酶的別構(gòu)效應(yīng) 酶活性的前饋和反饋調(diào)節(jié)2、產(chǎn)能反應(yīng)與需能反應(yīng)的調(diào)節(jié)3、酶的共價修飾與級聯(lián)放大機制二、酶水平的調(diào)節(jié)酶活性的前饋和反饋調(diào)節(jié) 前饋（feedforward ）和反饋（feedback ）是來自電子工程學的術(shù)語，前者的意思是“輸入對輸出的影響”，后者的意思是“輸出對輸入的影響”，這里分別借用來說明底物和代謝產(chǎn)物對代謝過程的調(diào)節(jié)作用。這種調(diào)節(jié)可能是正調(diào)控，也可能是負調(diào)控，其調(diào)節(jié)機理是通過酶

6、的變構(gòu)效應(yīng)來實現(xiàn)的。S0SnS2S1E0E1En-1或+或+反饋前饋6-磷酸葡萄糖對糖原合成的前饋激活作用GUDPG6-P-G+1-P-G糖原糖原 合成酶ATP ADP UTP UDPG 氨基酸合成的反饋調(diào)控反硝化作用氧化亞氮氨甲酰磷酸分支酸脫氧庚酮糖酸-7-磷酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸赤蘚糖-4-磷酸脫氫奎尼酸莽草酸谷氨酸磷酸烯醇式丙酮酸 +預(yù)苯酸TryPheTrpIleTrpHisCTPAMPGlnLysMetThr酮丁酸GlyAla谷氨酰胺合酶天冬氨酰半醛高絲氨酸氨基苯甲酸細胞能量狀態(tài)指標能荷= ATP+0.5ADPATP+ADP+AMPATPATP ADPATP系統(tǒng)質(zhì)量作用比=2、產(chǎn)能反應(yīng)

7、與需能反應(yīng)的調(diào)節(jié)正常狀態(tài)，該比值很高。機體的調(diào)節(jié)也非常靈敏和精確，因此該比值波動很小。正常情況下，大約為0.9，變動范圍0.850.95 酶分子中的某些基團，在其它酶的催化下，可以共價結(jié)合或脫去，引起酶分子構(gòu)象的改變，使其活性得到調(diào)節(jié)，這種方式稱為酶的共價修飾（Covalent moldification ）。目前已知有六種修飾方式：磷酸化/去磷酸化，乙?；?去乙酰化，腺苷酰化/去腺苷?；蜍挣；?去尿苷?；?，甲基化/去甲基化，氧化（S-S）/還原(2SH)。激酶ATPADP磷酸化酶 b（無活性）磷酸化酶a P（有活性）磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共價修飾共價修飾糖原合成酶和糖原

8、磷酸化酶的調(diào)控 糖原的分解和合成都是根據(jù)肌體的需要由一系列的調(diào)控機制進行調(diào)控，其限速酶分別為糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它們的活性是受磷酸化或去磷酸化的共價修飾的調(diào)節(jié)及變構(gòu)效應(yīng)的調(diào)節(jié)。二種酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。糖原合成酶 a ( 有活性)糖原磷酸化酶 b ( 無活性)OHOHATPADPH2OPi糖原合成酶 b ( 無活性)糖原磷酸化酶 a ( 有活性)PP線粒體:丙酮酸氧化;三羧酸循環(huán);-氧化;呼吸鏈電子傳遞;氧化磷酸化細胞質(zhì):酵解;磷戊糖途徑;糖原合成;脂肪酸合成;細胞核:核酸合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng):蛋白質(zhì)合成;磷脂合成三、細胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔控制調(diào)節(jié)動物細胞結(jié)構(gòu)和代謝途徑細胞

9、膜結(jié)構(gòu)對代謝的調(diào)節(jié)和控制作用第三節(jié) 基因表達的調(diào)控概述 (Introduction)基因表達(gene expression)-基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。rRNA、tRNA的合成也屬于基因表達中心法則(the central dogma)：一、基因表達的時間性及適應(yīng)性 (temporal and spatial specificity)1、時間特異性(temporal specificity)某一基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生 Hb (hemoglobin) 珠蛋白基因簇： （胚胎型） 、 珠蛋白基因簇： （胚胎型）、 （胎兒型）、22 22 222、適應(yīng)性： 適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖維持個體

10、發(fā)育與分化基因表達調(diào)控的環(huán)節(jié)：基因活化、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、 翻譯、翻譯后加工二、基因表達的方式1、管家基因與奢侈基因管家基因（housekeeping gene）-在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因。 組成性基因表達(constitutive gene expression)奢侈基因（luxury gene）只在特定的細胞類型中表達的基因 原核生物和單細胞真核生物直接暴露在變幻莫測的環(huán)境中，食物供應(yīng)毫無保障，只有能根據(jù)環(huán)境條件的改變合成各種不同的蛋白質(zhì)，使代謝過程適應(yīng)環(huán)境的變化，才能維持自身的生存和繁衍。 假如在大腸桿菌內(nèi)，平均一個基因1000bp，一個細胞中約有2500-3000個

11、基因。正常情況下，可帶有107個蛋白質(zhì)，平均每個基因產(chǎn)生3000多個蛋白質(zhì)分子。 但實驗卻表明，每細胞中有些蛋白質(zhì)少之10個分子，而有一些卻多達500000個分子。 一個大腸桿菌中只有15個分子的半乳糖苷酶，若將細胞培養(yǎng)在只含乳糖的培養(yǎng)基中，每細胞中酶量可高達幾萬個分子，其合成的速度和總量隨環(huán)境的變化而改變。 表明基因的表達受到調(diào)控。 細菌在進行調(diào)控時： 一個體系在需要時被打開，不需要時被關(guān)閉。這種“開-關(guān)”（on-off）活性是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來建立的，也就是說mRNA的合成是可以被調(diào)節(jié)的。 2、基因表達及基因表達調(diào)控 是指生物體基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄及翻譯等一系列過程，合成特

12、定的蛋白質(zhì)，進而發(fā)揮其特定生物學功能的全過程,稱為基因表達（gene expression）。 對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達調(diào)控（gene regulation或gene control）。rRNA、tRNA的合成也屬于基因表達 基因表達調(diào)控主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptional regulation)； mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differential processing of RNA transcript)； 翻譯水平上的調(diào)控(differential translation of mRNA)。3、基因表達調(diào)控的基本原理 多級調(diào)控:主要是轉(zhuǎn)錄水

13、平的調(diào)控 四個基本的調(diào)控點： 基因的結(jié)構(gòu)活化 轉(zhuǎn)錄起始：最有效的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié) 轉(zhuǎn)錄后加工及轉(zhuǎn)運 翻譯及翻譯后加工 4、基因表達的調(diào)控方式 負調(diào)控（negative transcription regulation）: 調(diào)控蛋白+DNA序列 基因不表達(相應(yīng)蛋白質(zhì)降低) 正調(diào)控（positive transcription regulation）: 調(diào)控蛋白+DNA序列 基因表達 (相應(yīng)蛋白質(zhì)增加)誘導和阻遏表達誘導（induction）-可誘導基因在特定環(huán)境信號刺激下表達增強的過程。DNA損傷 修復酶基因激活乳糖 利用乳糖的三種酶表達阻遏（repression）-可阻遏基因表達產(chǎn)物水平降低的過程色

14、氨酸 色氨酸合成酶系負調(diào)控根據(jù)作用特征負控誘導負控阻遏正調(diào)控根據(jù)作用特征正控誘導正控阻遏 正調(diào)控與負調(diào)控并非互相排斥的兩種機制，而是生物體適應(yīng)環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調(diào)控又有負調(diào)控；原核生物以負調(diào)控為主，真核生物以正調(diào)控為主；降解代謝途徑中既有正調(diào)控又有負調(diào)控；合成代謝途徑中一般以負調(diào)控來控制產(chǎn)物自身的合成。三、原核基因表達的調(diào)控 1、操縱子（1）操縱子(operon)的提出 大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖，當培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時，細菌優(yōu)先利用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，經(jīng)過短時間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。乳糖對半乳糖苷

15、酶的合成有誘導作用。葡萄糖對半乳糖苷酶的合成有抑制作用。 這種典型的誘導現(xiàn)象，是研究基因表達調(diào)控極好的模型。針對大腸桿菌利用乳糖的適應(yīng)現(xiàn)象，法國的Jocob和Monod等人做了一系列遺傳學和生化學研究實驗，于1961年提出乳糖操縱子（lac operon）學說。（2） 操縱子的基本組成 下面就以乳糖操縱子為例子說明操縱子的最基本的組成元件（elements）。PS1S2S3啟動子OPromoter調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因 操縱子（operon） 結(jié)合RNA聚合酶表達功能蛋白?操縱子（operon）:原核生物的轉(zhuǎn)錄單位操縱基因OperatorA、結(jié)構(gòu)基因群 操縱子中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因

16、(structural gene, SG)。一個操縱子中含有2個以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達十幾個。 乳糖操縱子含有、和 3個結(jié)構(gòu)基因。 B、 啟動子 啟動子(promoter, P )是指能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。操縱子至少有一個啟動子，一般在第一個結(jié)構(gòu)基因5側(cè)上游，控制整個結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。C、 操縱區(qū) 操縱區(qū)（operator）是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊，當調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強弱。以乳糖操縱子中的操縱區(qū)為例，其操縱區(qū)（o）序列位于啟動子（p）與被調(diào)控的基因之間，部分序列與啟動子序

17、列重疊。 D、 調(diào)控基因 調(diào)控基因(regulatory gene)是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。調(diào)控蛋白有： 阻遏蛋白(repressive protein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，其介導的調(diào)控方式為負調(diào)控 激活蛋白(activating protein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能增強或起動其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，所介導的調(diào)控方式為正調(diào)控 例如在乳糖操縱子中，調(diào)控基因lacI 位于Plac鄰近，編碼產(chǎn)生調(diào)控蛋白R。 在環(huán)境沒有乳糖存在的情況下，R能特異性與操縱區(qū)緊密結(jié)合，從而阻止利用乳糖的酶類基因的轉(zhuǎn)錄，所以R是乳糖操縱子的阻遏蛋白； 當環(huán)境中有足夠的乳糖時，乳糖與R結(jié)合，

18、失去與操縱區(qū)特異性緊密結(jié)合的能力，從而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因有轉(zhuǎn)錄的可能。 在這過程中乳糖就是誘導劑，與R結(jié)合起到去阻遏作用，誘導了利用乳糖的酶類基因轉(zhuǎn)錄開放。 許多調(diào)控蛋白都是變構(gòu)蛋白（allosteric protein），通過與上述類似的方式與效應(yīng)物結(jié)合改變空間構(gòu)像，從而改變活性，起到調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄表達的作用。E、終止子 終止子（terminator，T）是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號的DNA序列。在一個操縱子中至少在結(jié)構(gòu)基因群最后一個基因的后面有一個終止子。以上5種元件是每一個操縱子必定含有的。其中啟動子、操縱區(qū)位于緊鄰結(jié)構(gòu)基因群的上游，終止子在結(jié)構(gòu)基因群之后。2、乳糖操縱子

19、的表達調(diào)控 （1）阻遏蛋白的負調(diào)控 當大腸桿菌在沒有乳糖的環(huán)境中生存時，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)。調(diào)節(jié)基因在其自身的啟動子Pi控制下，低水平、組成性表達產(chǎn)生阻遏蛋白R，R與操縱子結(jié)合，阻礙了RNA聚合酶與啟動子Plac的結(jié)合，阻止了基因的轉(zhuǎn)錄起動。R的阻遏作用不是絕對的，R與偶爾解離，使細胞中還有極低水平的半乳糖苷酶及透過酶的生成。 當有乳糖存在時，乳糖受 半乳糖苷酶的催化轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖，與R結(jié)合，使R構(gòu)象變化，失去與的親和力，與解離，基因轉(zhuǎn)錄開放，使 半乳糖苷酶在細胞內(nèi)的含量可增加1000倍。這就是乳糖對lac操縱子的誘導作用。（2） CAP的正調(diào)控 葡萄糖存在時，半乳糖-糖苷酶等的合成也受抑

20、制。 CAP：能與cAMP特異結(jié)合的cAMP受體在lac操縱子的啟動子Plac上游端有一段與Plac部分重疊序列，能與CAP特異結(jié)合，稱為CAP結(jié)合位點（CAP binding site）。CAP與這段序列結(jié)合時，可增強RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。相反，當有葡萄糖可供分解利用時，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，lac操縱子的結(jié)構(gòu)基因表達下降。由于Plac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱子轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細菌很好利用乳糖，必需同時有CAP來加強轉(zhuǎn)錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。lac操縱子的強誘導既需要有乳糖的存在又需要沒有葡萄糖可供利用。通過這機制

21、，細菌是優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無葡萄糖而又有乳糖時，細菌才去充分利用乳糖。乳糖操縱子的誘導 3、 色氨酸操縱子 色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細菌提供足夠的色氨酸，細菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時，細菌就會充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負擔。細菌所以能做到這點是因為有色氨酸操縱子（trp operon）的調(diào)控。（1） 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu) （2） 阻遏蛋白的負調(diào)控 合成色氨酸所需要酶類的結(jié)構(gòu)基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱基因的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠離P-結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動子作用下，以

22、組成性方式低水平表達其調(diào)控蛋白R，R并沒有與結(jié)合的活性，當環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化，就能夠與特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。 因此色氨酸操縱子屬于一種負性調(diào)控的、可阻遏的操縱子（repressible operon），即這操縱子通常是開放轉(zhuǎn)錄的，有效應(yīng)物（色氨酸為阻遏劑）作用時則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。細菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類型，其調(diào)控可使細菌處在生存繁殖最經(jīng)濟最節(jié)省的狀態(tài)。四、真核生物基因表達的調(diào)控 真核基因表達調(diào)控的最顯著特征是能在特定時間和特定的細胞中激活特定的基因，從而實現(xiàn)“預(yù)定”的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育過程，并使生物的組織和器官在

23、一定的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持正常功能。 真核生物基因調(diào)控，根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類： 第一類是瞬時調(diào)控或稱可逆性調(diào)控，它相當于原核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)，包括某種底物或激素水平升降及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié)。 第二類是發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控，是真核基因調(diào)控的精髓部分，它決定了真核細胞生長、分化、發(fā)育的全部進程。 DNA水平調(diào)控（DNA regulation）; 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控（transcriptional regulation）； 轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控（post transcriptional regulation）； 翻譯水平調(diào)控（translational regulation）；

24、 蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控（regulation of protein maturation）等。根據(jù)基因調(diào)控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可分為：真核基因組的復雜性 與原核生物比較，真核生物的基因組更為復雜， 真核基因組比原核基因組大得多； 真核生物主要的遺傳物質(zhì)與組蛋白等構(gòu)成染色質(zhì)，被包裹在核膜內(nèi)，核外還有遺傳成分(如線粒體DNA等)； 二倍體； 單順反子；真核細胞的許多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亞基構(gòu)成的，這就涉及到多個基因協(xié)調(diào)表達的問題。 大量的重復序列；不連續(xù)基因；基因不連續(xù)性 內(nèi)含子 外顯子非編碼區(qū)較多 多于編碼序列(9:1) 增加了基因表達調(diào)控的層次和復雜性。 原核生物真核生物

25、操縱元調(diào)控。多樣化調(diào)控，更為復雜。 基因組小，大腸桿菌：總長4.6106bp, 編碼4288個基因, 每個基因約1100bp。 基因組大，人類基因組全長3109 bp，編碼10萬個基因，其余為重復序列?；蚍植荚谕蝗旧w上，操縱元控制。 DNA與組蛋白結(jié)合成染色質(zhì)，染色質(zhì)的變化調(diào)控基因表達；基因分布在不同的染色體上，存在不同染色體間基因的調(diào)控問題。 適應(yīng)外界環(huán)境，操縱元調(diào)控表達。 基因差別表達是細胞分化和功能的核心。轉(zhuǎn)錄和翻譯同時進行，大部分為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控。 轉(zhuǎn)錄和翻譯在時間和空間上均不同，從DNA到蛋白質(zhì)的各層次上都有調(diào)控，但多數(shù)為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控真核生物的基因表達調(diào)控要比原核復雜得多多級調(diào)控

26、DNA水平基因丟失基因擴增基因重排甲基化修飾染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)RNA水平轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控RNA的轉(zhuǎn)錄后加工mRNA向胞漿轉(zhuǎn)運mRNA穩(wěn)定性蛋白質(zhì)水 平翻譯過程翻譯后加工蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性 （一）真核生物調(diào)控的特點基因表達以正調(diào)控為主轉(zhuǎn)錄與翻譯在不同的區(qū)域進行無操縱子和衰減子個體發(fā)育復雜受環(huán)境影響較小1、DNA水平調(diào)控 1）染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達的影響 A 常染色質(zhì)(euchromatin):壓縮程度低，伸展狀態(tài)，著色淺 常染色質(zhì)是進行活躍轉(zhuǎn)錄的部位。 異染色質(zhì)(heterochromatin)：壓縮程度高，聚縮狀態(tài)，著色深沒有基因轉(zhuǎn)錄表達。異染色質(zhì)化可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑。 2) DNA的甲基化與去

27、甲基化 A 甲基化 DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的修飾途徑之一,可能存在于所有高等生物中，DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化誘導了基因的重新活化和表達 DNA甲基化的主要形式：CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC3)基因重排定義 改變基因組中有關(guān)基因序列結(jié)構(gòu) (片斷水平的拼接)，使相距很遠的片斷靠近作用 調(diào)控基因差別表達（二）轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控 真核生物的調(diào)控也主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，受大量特定的順式作用元件（cis-acting element）和反式作用因子（trans-acting factor）的調(diào)控，大多數(shù)真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是通過兩者的相互作用來實現(xiàn)的。 （1） 順式作用元件

28、真核生物DNA序列（非編碼序列）和被轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)基因距離較近，和轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)。 A 啟動子（啟動子上游近側(cè)序列） B 增強子 C 沉默子A 啟動子（promoter） 包括核心啟動子和上游啟動子，在轉(zhuǎn)錄起始點上游約100200bp以內(nèi)，每個元件長度約為720bp，決定RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄起始點和轉(zhuǎn)錄頻率的關(guān)鍵元件。 a 核心啟動子（core promoter） 保證RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄正常起始所必須，包括轉(zhuǎn)錄起始位點和TATA盒。 核心啟動子單獨起作用時，只能確定轉(zhuǎn)錄起始位點并產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄。 b 上游啟動子元件（upstream promoter element，UPE） 包括CAAT盒和GC盒等

29、，能通過TFD符合物調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄起始的頻率，提高轉(zhuǎn)錄效率。 B 增強子(enhancer) 能使和它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列，順式作用元件（DNA序列）。 沒有增強子 啟動子活性小 沒有啟動子 增強子無法發(fā)揮作用 特點： 增強效應(yīng)十分明顯；不受序列方向和距離的制約；有細胞和組織特異性；大多為重復序列；無基因特異性；許多增強子還受外部信號的調(diào)控。 C 沉默子(silencer) 負性調(diào)節(jié)元件，與相應(yīng)的反式因子結(jié)合后，可以使正調(diào)控系統(tǒng)失去作用，阻遏基因轉(zhuǎn)錄。 這類特定序列不受距離和方向的限制，但機理目前尚不清楚。（2）反式作用因子 能直接或間接識別或結(jié)合在各類順式作用元件核心序列上，參與

30、調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì)。 真核生物的RNA聚合酶不能識別DNA上的結(jié)合位點，識別這些序列的是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的反式作用因子，即轉(zhuǎn)錄因子。 但有些轉(zhuǎn)錄因子是識別并結(jié)合其它轉(zhuǎn)錄因子以形成轉(zhuǎn)錄裝置的必需蛋白。B 反式作用因子結(jié)構(gòu) 三個功能結(jié)構(gòu)域： DNA識別結(jié)合域(DNA-binding domain)； 轉(zhuǎn)錄活性域(transcriptional activation domain)； 結(jié)合其他蛋白的結(jié)合域反式作用因子通過以下不同的途經(jīng)發(fā)揮調(diào)控作用： 蛋白質(zhì)和DNA相互作用； 蛋白質(zhì)和配體結(jié)合； 蛋白質(zhì)之間的相互作用以及蛋白質(zhì)的修飾 正調(diào)控與負調(diào)控C 反式作用因子DNA 結(jié)合域結(jié)構(gòu)模式 Helix-t

31、urn-helix 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋第一個被確立的DNA-結(jié)合結(jié)構(gòu)最常見DNA結(jié)合域之一常結(jié)合CAAT盒例： Lac阻遏蛋白, Trp阻遏蛋白、分解代謝激活蛋白(CAP)等 Zinc-fingers 鋅指最常見DNA結(jié)合域之一約有30個AA殘基 其中4個AA殘基 （2個Cys，2個His或4個Cys） 配位鍵 Zn2+ 鋅 指與DNA雙螺旋大溝結(jié)合。 常結(jié)合GC盒CysCysCysCysHisHisHisHis 一段肽鏈中每隔7個AA 即有一個Leu 螺旋 親水面：親水AA組成 疏水面：Leu組成 （亮氨酸拉鏈條）可形成二聚體（發(fā)揮作用） （同二聚體/異二聚體）DNA的結(jié)合域： 拉鏈區(qū)以外結(jié)構(gòu)Leucine-zippers 亮氨酸拉鏈helix-loop-helix 螺旋-環(huán)-螺旋兩個-螺 旋：由很長 的連（環(huán)） 相連形成二聚體有利于其與 DNA結(jié)合二聚體3、轉(zhuǎn)錄起始和加工的調(diào)節(jié) （1） 轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié) A 轉(zhuǎn)錄起始復合物的形成關(guān)鍵：轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor,TF)；啟動子與TF結(jié)合后，才能被RNA pol識別與結(jié)合；-25