分子生物學(xué)課件：第二章 基因表達(dá)調(diào)控

第二章

基因表達(dá)調(diào)控

基因表達(dá)——是指基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程

（二）順式作用元件是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的DNA片段生命科學(xué)的中心法則RNA一條主線：遺傳信息的傳遞—信息流二個(gè)階段：遺傳信息的表達(dá)—轉(zhuǎn)錄和翻譯三個(gè)層面：1.DNA2.RNA3.蛋白質(zhì)第三節(jié)原核生物基因表達(dá)調(diào)控第二節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本原理及其生物學(xué)意義第四節(jié)真核生物基因表達(dá)調(diào)控第二章基因表達(dá)調(diào)控第一節(jié)基因與基因組第一節(jié)基因與基因組第一節(jié)基因與基因組一、相關(guān)概念二、基因組結(jié)構(gòu)三、生物學(xué)意義基因（gene）

基因組（genome）基因組學(xué)（genomics）一、相關(guān)概念第一節(jié)基因與基因組1.基因(gene)是1909年丹麥植物學(xué)家W.Johannsen根據(jù)希臘文單詞genos(birth，給予生命）創(chuàng)造的?，F(xiàn)代分子生物學(xué)的基因概念：表達(dá)（合成）有功能的蛋白質(zhì)或RNA所必需的全部DNA序列，即一個(gè)基因不僅包括編碼蛋白質(zhì)或RNA的核酸序列，還應(yīng)包括為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列。基因就是一段DNA序列。但對(duì)RNA作為遺傳信息載體的RNA病毒而言，基因則是一段RNA序列第一節(jié)基因與基因組2.基因組（genome）：生物所具有的攜帶遺傳信息的遺傳物質(zhì)的總和。是指生物細(xì)胞中所有的DNA，包括所有的基因和基因間區(qū)域。

人的核基因組大約有30億個(gè)（最新資料說28.5億個(gè)）鹼基對(duì)(bp)，2～2.5萬個(gè)蛋白編碼基因，這些編碼區(qū)僅占整個(gè)基因組很少一部分（不到3%），而大部分是非編碼區(qū)。第一節(jié)基因與基因組真核生物基因組核基因組線粒體基因組葉綠體基因組原核生物基因組染色體質(zhì)粒第一節(jié)基因與基因組3.基因組學(xué)（genomics）由美國科學(xué)家ThomasRoderick于1986年首創(chuàng)?；蚪M學(xué)：在基因組水平上研究基因的科學(xué)，涉及基因組作圖、測(cè)序和整個(gè)基因組功能分析的一門學(xué)科。第一節(jié)基因與基因組基因組學(xué)（Genomics）：簡(jiǎn)言之，就是研究基因組結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)，其內(nèi)容包括基因的結(jié)構(gòu)、組成、存在方式、表達(dá)調(diào)控模式、基因的功能和相互作用等。第一節(jié)基因與基因組二、基因的結(jié)構(gòu)基因分為：被轉(zhuǎn)錄區(qū)：從轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)開始到轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)結(jié)束的作為轉(zhuǎn)錄模板的被轉(zhuǎn)錄區(qū)域。2.調(diào)控區(qū)：對(duì)基因表達(dá)起調(diào)控作用的序列，如啟動(dòng)子、增強(qiáng)子。第一節(jié)基因與基因組（一）原核生物的基因結(jié)構(gòu)：

原核生物中，絕大多數(shù)基因按功能相關(guān)性成簇地串聯(lián)排列于染色體上，共同組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位——操縱子（operon）。操縱子也是原核生物基因表達(dá)的協(xié)調(diào)控制單位。其被轉(zhuǎn)錄區(qū)包括功能上相關(guān)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因前后相連成串，位于上游的調(diào)控區(qū)序列同時(shí)調(diào)控下游的多個(gè)結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。第一節(jié)基因與基因組圖2-1大腸桿菌基因及調(diào)控序列第一節(jié)基因與基因組阻遏蛋白基因啟動(dòng)序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因編碼阻遏蛋白R(shí)NA聚合酶結(jié)合部位阻遏蛋白結(jié)合部位編碼數(shù)個(gè)功能相關(guān)蛋白5’-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATAATCTCAATAGGTCCACG-3’3’-ATCACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC-5’－35－10+1（一）原核生物的基因結(jié)構(gòu)一般構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位——操縱子（operon）包括：1.啟動(dòng)序列：位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游，TATA盒、

CAAT盒2.終止序列：結(jié)構(gòu)基因下游3.操作序列：?jiǎn)?dòng)基因鄰近，常與啟動(dòng)序列部分重疊4.正調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn):可加快轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)第一節(jié)基因與基因組（二）真核生物的基因結(jié)構(gòu)：最大特點(diǎn)：不連續(xù)性——斷裂基因：外顯子與內(nèi)含子相間排列，組成真核生物基因的被轉(zhuǎn)錄區(qū)。1.外顯子：被轉(zhuǎn)錄并在轉(zhuǎn)錄后加工剪接時(shí)被保留最終呈現(xiàn)于成熟mRNA中的DNA片段（即與成熟mRNA中的DNA片段）。2.內(nèi)含子：被轉(zhuǎn)錄但在轉(zhuǎn)錄后加工剪接時(shí)被除去的DNA片段。第一節(jié)基因與基因組第一節(jié)基因與基因組起始密碼子內(nèi)含子外顯子終止密碼子調(diào)控區(qū)5'非翻譯區(qū)成熟mRNA3'非翻譯區(qū)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)圖2-2真核生物斷裂基因（二）真核生物的基因結(jié)構(gòu)包括：1.啟動(dòng)子（promoter）

：真核生物主要有三類啟動(dòng)子（Ⅰ～Ⅲ）2.增強(qiáng)子(enhancer)：是真核生物基因中最重要的調(diào)控序列，決定著基因的表達(dá)水平3.沉默子(silencer)：屬于負(fù)性調(diào)控原件，可抑制（阻遏）基因的轉(zhuǎn)錄4.其他：絕緣子、位點(diǎn)控制區(qū)、核基質(zhì)結(jié)合區(qū)，等第一節(jié)基因與基因組第一節(jié)基因與基因組圖2-真核生物基因及其調(diào)控序列增強(qiáng)子沉默子啟動(dòng)子基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)外顯子內(nèi)含子+1位點(diǎn)控制區(qū)等第一節(jié)基因與基因組Ⅰ類啟動(dòng)子核心啟動(dòng)子–156～–107bp上游調(diào)控元件–45～＋20bpⅢ類啟動(dòng)子Ⅱ類啟動(dòng)子核心啟動(dòng)子增強(qiáng)子近端啟動(dòng)子－37bp~＋32bp遠(yuǎn)端啟動(dòng)子沉默子C盒A盒＋10bp＋20bp＋50bpB盒三、基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第一節(jié)基因與基因組表2-2不同生物基因組的大小第一節(jié)基因與基因組大?。╧b）雙螺旋線性長度（m）染色體數(shù)染色體（拷貝數(shù)）形狀病毒病毒SV405.20.0000017--環(huán)狀噬菌體φX1745.40.0000018--線性單鏈?zhǔn)删wλ460.000015--線性原核生物細(xì)菌大腸桿菌46000.0013611環(huán)狀真核生物釀酒酵母121000.00034171或2線性黑腹果蠅1800000.01442線性人30000001.222+X,Y2線性（一）病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.病毒基因組大小差異較大:病毒的基因組很小，但不同病毒基因組相差較大2.有的病毒基因組是DNA，而有的病毒基因組是RNA3.多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的核糖核酸鏈組成，但有些RNA病毒基因組由數(shù)條不連續(xù)的RNA鏈組成4.病毒基因組存在著基因重疊第一節(jié)基因與基因組5.病毒基因組的大部分區(qū)域是編碼蛋白質(zhì)的，只有極小部分不被翻譯.6.有的病毒基因可以轉(zhuǎn)錄生成多順反子mRNA7.除反轉(zhuǎn)錄病毒外，病毒基因組都是單倍體，每個(gè)基因只有一個(gè)拷貝，即在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次。反轉(zhuǎn)錄病毒基因組有兩個(gè)拷貝。8.噬菌體基因是連續(xù)的，而真核細(xì)胞病毒的基因是不連續(xù)的.第一節(jié)基因與基因組（二）原核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)原核生物的基因組較小，對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)較真核生物深入。原核生物基因組DNA雖然與蛋白質(zhì)結(jié)合，但并不形成真正的染色體結(jié)構(gòu)，只是習(xí)慣上稱之為染色體DNA。原核生物的基因組主要是染色體DNA，有的含有質(zhì)粒(可作載體)等其它攜帶遺傳物質(zhì)的DNA。第一節(jié)基因與基因組原核生物基因組的結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①基因組較小，基因組中很少有重復(fù)序列；②編碼蛋白的基因多為單拷貝基因，但編碼rRNA的基因是多拷貝基因；③編碼蛋白的基因在基因組中所占的比例約為50%；④許多編碼蛋白的結(jié)構(gòu)基因在基因組中以操縱子（operon）為單位排列。第一節(jié)基因與基因組（三）真核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

真核生物的基因組比較龐大，并且不同生物種間差異很大。真核生物基因組具有以下特點(diǎn)：

①真核生物基因結(jié)構(gòu)龐大，如人的單倍體基因組含有3×109bp，大約含有2萬～2.5萬個(gè)基因，而大腸桿菌基因組含有約4×106bp，約4000個(gè)基因；第一節(jié)基因與基因組②真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子，即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈；③真核基因組含有大量的重復(fù)序列，重復(fù)序列或集中成簇，或散在分布于基因間；④真核基因中不被轉(zhuǎn)錄的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被轉(zhuǎn)錄的區(qū)域。基因兩側(cè)的不被轉(zhuǎn)錄的序列往往是基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)。在基因內(nèi)部有內(nèi)含子、外顯子之分，因此真核基因是不連續(xù)的。第一節(jié)基因與基因組第一節(jié)基因與基因組（二）順式作用元件是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的DNA片段

順式作用元件：?jiǎn)?dòng)子、增強(qiáng)子、轉(zhuǎn)錄終止子、沉默子第一節(jié)基因與基因組真核生物

順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)不同真核生物的順式作用元件中也會(huì)發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。

第一節(jié)基因與基因組RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp

tRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列圖

五種E.coli啟動(dòng)序列的共有序列原核啟動(dòng)子在E.coli啟動(dòng)子中，在-35和-10兩個(gè)序列中各堿基的出現(xiàn)頻率為：-35：T82G78A65C54A95；-10：T80A95T45A60T96。一般說來，強(qiáng)啟動(dòng)子的序列與上述序列最接近，弱啟動(dòng)子（基因表達(dá)較少量的mRNA）則與上述序列相差較大，這種調(diào)控作用與σ因子的作用有關(guān)。識(shí)別E.coli啟動(dòng)子中一致性序列的σ因子主要是σ70亞單位。啟動(dòng)子序列與上述序列越接近，σ70與之結(jié)合的能力越強(qiáng)。原核啟動(dòng)子真核基因啟動(dòng)子是RNA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)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒真核啟動(dòng)子CCAAT盒GC盒TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)酵母圖

真核基因啟動(dòng)子的典型結(jié)構(gòu)真核啟動(dòng)子真核啟動(dòng)子元件名稱共同序列結(jié)合的蛋白因子名稱分子量結(jié)合DNA長度TATAboxTATAAAATBP30,000～10bpGCboxGGGCGGSP-1105,000～20bpCAATboxGGCCAATCTCTF/NF160,000～22bpOctamerATTTGCATOct-176,000～10bp

Oct-253,000～20bpkBGGGACTTTCCNFkB44,000～10bpATFGTGACGTAFT?20bp哺乳類RNA聚合酶Ⅱ啟動(dòng)子中的元件序列第二節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本原理及其生物學(xué)意義一、相關(guān)概念√二、基本規(guī)律(特點(diǎn))三、生物學(xué)意義（一）基因表達(dá)的概念基因表達(dá)（geneexpreession）：是指基因負(fù)載的遺傳信息轉(zhuǎn)變生成具有生物學(xué)功能的產(chǎn)物的過程，包括基因的激活、轉(zhuǎn)錄、翻譯以及相關(guān)的加工修飾等多個(gè)步驟或過程。（二）基因表達(dá)調(diào)控的概念即基因表達(dá)的調(diào)節(jié)和控制（regulationandcontrol）一、基因表達(dá)與調(diào)控的概念（一）基因表達(dá)具有時(shí)間及空間特異性二、基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)時(shí)間特異性(temporalspecificity):基因的表達(dá)按一定的時(shí)間順序發(fā)生，即根據(jù)功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱為基因表達(dá)的時(shí)間特異性空間特異性(spatialspecificity):多細(xì)胞生物個(gè)體在某一特定生長發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達(dá)不同，稱之為基因表達(dá)的空間特異性。基本規(guī)律——特點(diǎn)三、基因表達(dá)的方式按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：組成性表達(dá)（constitutiveexpression（基本表達(dá)）

一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有組織細(xì)胞中和所有時(shí)間階段都持續(xù)表達(dá)的基因，其表達(dá)水平變化很小且較少受環(huán)境變化的影響。如GAPDH、β-肌動(dòng)蛋白等

此類基因只受啟動(dòng)子序列或啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響，不受其他機(jī)制的調(diào)節(jié)?；疽?guī)律——方式非組成性表達(dá)（適應(yīng)性表達(dá)）環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)

非組成性表達(dá)是指受特定環(huán)境信號(hào)刺激后表達(dá)水平發(fā)生變化的一類基因表達(dá)，隨環(huán)境條件變化:

1.基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)（induction），這類基因稱為可誘導(dǎo)基因；

2.隨環(huán)境條件變化，基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏（repression），相應(yīng)的基因稱為可阻遏基因。誘導(dǎo)和阻遏現(xiàn)象在生物界普遍存在，是生物體適應(yīng)環(huán)境的基本途徑?；疽?guī)律——方式四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖維持細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育在疾病發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用第三節(jié)原核生物基因表達(dá)調(diào)控第二章基因表達(dá)調(diào)控一、原核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)——操縱子調(diào)控模式三、翻譯水平的調(diào)節(jié)一、原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的特點(diǎn)第二節(jié)原核表達(dá)調(diào)控（一）相對(duì)較簡(jiǎn)單（二）多級(jí)調(diào)控，主要在轉(zhuǎn)錄水平（三）操縱子調(diào)控模式具有普遍性：乳糖操縱子（lac

operon）;色氨酸操縱子（trpoperon

）（四）負(fù)性調(diào)控比較常見二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)——操縱子調(diào)控模式乳糖操縱子（lac

operon）色氨酸操縱子（trpoperon

）第二節(jié)原核表達(dá)調(diào)控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(guān)性成簇地串聯(lián)、密集于染色體上，共同組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位──操縱子（operon）。一個(gè)操縱子只含一個(gè)啟動(dòng)序列（promoter）及數(shù)個(gè)可轉(zhuǎn)錄的編碼基因。通常，這些編碼基因可轉(zhuǎn)錄出多順反子mRNA。原核基因的協(xié)調(diào)表達(dá)就是通過調(diào)控單個(gè)啟動(dòng)基因的活性來完成的。第二節(jié)原核表達(dá)調(diào)控大腸桿菌乳糖操縱子結(jié)構(gòu)lacIlacYPlacOlacZlacA啟動(dòng)子調(diào)節(jié)基因阻遏蛋白基因結(jié)構(gòu)基因操縱基因第二節(jié)原核表達(dá)調(diào)控乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP（激活蛋白）結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：通透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA第二節(jié)原核表達(dá)調(diào)控IPOZYA調(diào)控基因控制位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因DNA阻遏蛋白啟動(dòng)序列cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)操縱序列β半乳糖苷酶通透酶乙?；D(zhuǎn)移酶RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)Lac操縱子mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)阻遏基因阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)Lac操縱子mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶生理性誘導(dǎo)劑實(shí)驗(yàn)常用誘導(dǎo)劑異半乳糖異丙基硫代半乳糖（IPTG）Lac操縱子誘導(dǎo)劑生理性誘導(dǎo)劑實(shí)驗(yàn)常用誘導(dǎo)劑Lac操縱子屬于負(fù)調(diào)控，實(shí)質(zhì)是去阻遏。2.Lac操縱子正調(diào)控cAMP-CAP激活Lac操縱子與負(fù)調(diào)控相反，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合于特異DNA序列后促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄，這種基因表達(dá)調(diào)控的方式稱為正調(diào)控。E.coli中的一些弱啟動(dòng)子，本身結(jié)合RNA聚合酶的作用很弱,對(duì)于這些啟動(dòng)子來說,正調(diào)控作用是很重要的。CAP蛋白（分解代謝物基因活化蛋白

catabolitegeneactivatorprotein）：這種蛋白可將葡萄糖饑餓信號(hào)傳遞給許多操縱子，使細(xì)菌在缺乏葡萄糖的環(huán)境中可以利用其他碳源。CAP結(jié)合DNA由cAMP控制。葡萄糖cAMPcAMPcAMP—CAPCAPDNA乳糖代謝操縱子cAMPCAP轉(zhuǎn)錄CAP—DNA++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPLac操縱子乳糖操縱子中的P是一個(gè)弱啟動(dòng)子。3、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)即阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)與CAP的正性調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)。Lac操縱子mRNA低半乳糖時(shí)高半乳糖時(shí)葡萄糖低cAMP濃度高葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO協(xié)調(diào)作用CAPCAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)子操縱基因結(jié)構(gòu)基因+葡萄糖+乳糖+葡萄糖-乳糖-葡萄糖-乳糖-葡萄糖+乳糖開放關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉轉(zhuǎn)錄mRNA阻遏物RNA聚合酶乳糖操縱子中的P是一個(gè)弱啟動(dòng)子。協(xié)調(diào)作用Lac操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制（B）有葡萄糖，有乳糖（A）有葡萄糖，無乳糖（C）無葡萄糖，有乳糖很少的mRNA轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)劑阻遏蛋白CAP無轉(zhuǎn)錄ZAYOPIPIRNAPolCAP-cAMP大量的mRNA轉(zhuǎn)錄ZAYOPIPIZAYOPIPI阻遏蛋白CAPRNAPol阻遏蛋白R(shí)NAPol第二節(jié)原核表達(dá)調(diào)控三、翻譯水平的調(diào)控

原核生物的基因表達(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上，這種調(diào)控方式顯然更符合生物界的“經(jīng)濟(jì)”原則。但在mRNA被轉(zhuǎn)錄出來之后，再從翻譯水平給予調(diào)控，作為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的補(bǔ)充。與轉(zhuǎn)錄類似，翻譯一般在起始和終止階段受到調(diào)節(jié)，尤其是起始階段。翻譯起始的調(diào)節(jié)主要靠調(diào)節(jié)分子，調(diào)節(jié)分子可直接或間接決定翻譯起始位點(diǎn)能否為核糖體所利用。調(diào)節(jié)分子可以是蛋白質(zhì)，也可以是RNA。第二節(jié)原核表達(dá)調(diào)控三、翻譯水平的調(diào)控（一）多種方式SD序列mRNA穩(wěn)定性翻譯產(chǎn)物（二）小分子RNA（包括反義RNA）轉(zhuǎn)錄核糖體mRNA核糖體DNAprotein第二節(jié)原核表達(dá)調(diào)控第四節(jié)真核生物基因表達(dá)調(diào)控一、真核生物基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)二、染色質(zhì)水平的調(diào)節(jié)三、轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控四、轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控五、翻譯水平和翻譯后水平調(diào)節(jié)第二章基因表達(dá)調(diào)控（一）真核基因組結(jié)構(gòu)特征（二）不同功能模體構(gòu)成的調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)構(gòu)特征第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控一、真核生物基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征（一）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動(dòng)物基因組DNA

約3×109堿基對(duì)。

人編碼基因約2萬個(gè)，編碼序列僅占總長的1%。

重復(fù)基因約占5%~10%。第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控2.真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子單順反子(monocistron)

即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控3.真核基因中存在非編碼序列和間隔區(qū)，故：具有不連續(xù)性第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控4.真核基因組含有大量的重復(fù)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106

次）中度重復(fù)序列（103~104次）多拷貝序列第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控（二）不同功能模體構(gòu)成的調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)構(gòu)特征螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋堿性亮氨酸拉鏈模體鋅指模體“溴”結(jié)構(gòu)域第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控HTH第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控最常見的DNA結(jié)合域：鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結(jié)合GC盒第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控ZnCysHis圖

鋅指結(jié)構(gòu)第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控a-螺旋常結(jié)合CAAT盒堿性螺旋-環(huán)-螺旋堿性亮氨酸拉鏈

第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控亮氨酸拉鏈形成倒Y字結(jié)構(gòu)騎跨在DNA雙螺旋的大溝上。與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的DNA區(qū)常是一段反向重復(fù)序列，因此許多轉(zhuǎn)錄因子常以二聚體形式與DNA結(jié)合。第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控HTH結(jié)構(gòu)域組成：兩個(gè)α-螺旋區(qū)被一個(gè)β-轉(zhuǎn)角隔開。其中一個(gè)a-螺旋常帶有幾個(gè)與DNA序列相識(shí)別的氨基酸可與DNA大溝結(jié)合。第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控第三節(jié)真核生物基因表達(dá)調(diào)控一、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征二、染色質(zhì)水平的調(diào)節(jié)四、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控五、翻譯水平和翻譯后水平的調(diào)節(jié)六、非編碼RNA與真核基因表達(dá)調(diào)控第二章基因表達(dá)調(diào)控第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控一、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征①真核基因組比原核基因組大得多；②原核基因組的大部分序列為編碼序列，而哺乳類基因組中只有10%的序列編碼蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA，其余90%的序列的功能至今還不清楚，可能參與調(diào)控；③真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)的，轉(zhuǎn)錄后需要剪接去除內(nèi)含子，這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的層次；第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控④原核生物的基因編碼序列在操縱子中，多順反子mRNA使得幾個(gè)功能相關(guān)的基因自然協(xié)調(diào)控制；而真核生物則是一個(gè)基因轉(zhuǎn)錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子（monocistron），許多功能相關(guān)蛋白，即使是一種蛋白質(zhì)的不同亞基也將涉及多個(gè)基因的協(xié)調(diào)表達(dá)；⑤真核生物DNA在細(xì)胞核內(nèi)與多種蛋白質(zhì)構(gòu)成染色質(zhì)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)直接影響著基因表達(dá)；⑥真核生物的遺傳信息不僅存在于核DNA上，還存在線粒體DNA上，核內(nèi)基因與線粒體基因的表達(dá)調(diào)控既相互獨(dú)立而又需要協(xié)調(diào)。第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控

由于真核基因組的這些特點(diǎn)，真核基因表達(dá)的調(diào)控過程較原核生物要復(fù)雜許多（如下圖）。該過程包括了染色質(zhì)激活、轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄后修飾、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)、翻譯起始、翻譯后修飾等多個(gè)步驟。在上述過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)都可以對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行干預(yù)，從而使得基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)出多層次和綜合協(xié)調(diào)的特點(diǎn)。但一般來講，轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控是基因表達(dá)調(diào)控的較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。染色質(zhì)雙鏈DNAhnRNAmRNA未折疊蛋白質(zhì)成熟蛋白質(zhì)染色質(zhì)激活轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工修飾及轉(zhuǎn)運(yùn)翻譯起始翻譯后加工修飾基因表達(dá)調(diào)控中的可調(diào)控點(diǎn)第三節(jié)真核表達(dá)調(diào)控二、染色質(zhì)水平調(diào)節(jié)（一）染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)（二）DNA的甲基化修飾（一）染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)組蛋白修飾組蛋白修飾的常見形式包括乙酰化與去乙?；⒓谆c去甲基化、磷酸化與去磷酸化等

乙?；揎検咕o湊的核小體結(jié)構(gòu)變得松散，有利于轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，從而激活基因的轉(zhuǎn)錄；而去乙?；揎椀淖饔脛t相反染色質(zhì)水平調(diào)控2.染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑同樣在真核基因轉(zhuǎn)錄起始的激活過程中具有重要作用。如圖13-9B所示，轉(zhuǎn)錄激活因子也可通過結(jié)合招募染色質(zhì)重塑復(fù)合物，使啟動(dòng)子區(qū)域的DNA暴露出來，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合體形成而激活轉(zhuǎn)錄起始染色質(zhì)水平調(diào)控真核轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄激活因子啟動(dòng)子啟動(dòng)子組蛋白乙?；溉旧|(zhì)重塑復(fù)合物組蛋白乙?；D(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成染色質(zhì)重塑轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成（A）（B）（二）DNA的甲基化修飾

在染色質(zhì)水平上，DNA的甲基化修飾也是真核生物控制基因表達(dá)尤其是轉(zhuǎn)錄起始激活的重要機(jī)制。DNA的甲基化主要發(fā)生在CpG島（CpGislands）區(qū)域。CpG島是指基因組DNA中長度為300bp～3000bp的富含CpG二核甘酸的一些區(qū)域，主要存在于調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子區(qū)。約有60%以上基因的啟動(dòng)子區(qū)域含有CpG島。染色質(zhì)水平調(diào)控（二）DNA的甲基化修飾

啟動(dòng)子區(qū)中CpG島的甲基化可導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄抑制，而CpG島甲基化水平的降低是基因轉(zhuǎn)錄激活所必需的在組織中低表達(dá)的基因多呈高甲基化。目前認(rèn)為，甲基化影響基因表達(dá)的機(jī)制主要有：①DNA的甲基化影響DNA特異序列與轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合；②DNA高甲基化促進(jìn)染色質(zhì)形成致密結(jié)構(gòu)，不利于基因表達(dá)。染色質(zhì)水平調(diào)控三、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

與原核生物一樣，真核基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵也是在轉(zhuǎn)錄水平，并且主要是在轉(zhuǎn)錄起始。但與原核生物不同的是，真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控涉及位于基因調(diào)控區(qū)的各種順式作用元件與大量轉(zhuǎn)錄因子的相互作用。（一）順式作用元件與基因調(diào)控區(qū)

順式作用元件（cis-actingelement）是指位于DNA中的一些能夠調(diào)節(jié)相鄰基因轉(zhuǎn)錄的特殊的序列。順式作用元件與其調(diào)控的基因位于同一條DNA鏈上，順式作用元件通常位于基因的調(diào)控區(qū)。轉(zhuǎn)錄因子正是通過與順式作用元件結(jié)合而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄?；虻恼{(diào)控區(qū)包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和沉默子等，其作用模式以及順式作用元件組成特點(diǎn)也有所不同。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控啟動(dòng)子

真核基因的啟動(dòng)子可以大致分為核心啟動(dòng)子、近端啟動(dòng)子和遠(yuǎn)端啟動(dòng)子三部分區(qū)域。

核心啟動(dòng)子是指RNA聚合酶精確起始轉(zhuǎn)錄所需要的最少的一段DNA，長度約40個(gè)核苷酸，能與RNA聚合酶和通用轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合起始轉(zhuǎn)錄.

近端啟動(dòng)子和遠(yuǎn)端啟動(dòng)子位于核心啟動(dòng)子區(qū)域的上游和更上游區(qū)域，主要含有能夠與各種特異性轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的順式作用元件，這些順式作用元件主要參與調(diào)控不同細(xì)胞類型或不同生理/病理?xiàng)l件下各種基因的特異性轉(zhuǎn)錄.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控2.增強(qiáng)子增強(qiáng)子則是一種位于核心啟動(dòng)子之外、轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置上（1kb～30kb，通常是在其上游）的調(diào)控序列。其長度約200bp，可使基因轉(zhuǎn)錄效率提高100倍或更多轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控3.沉默子沉默子是一類基因表達(dá)的負(fù)性調(diào)控元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。沉默子與增強(qiáng)子類似，其作用亦不受序列方向的影響，也能遠(yuǎn)距離發(fā)揮作用，并可對(duì)異源基因的表達(dá)起作用。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（二）反式作用因子與轉(zhuǎn)錄因子反式作用因子（trans-actingfactor）是指能夠通過直接結(jié)合或間接作用于DNA或RNA核酸分子，對(duì)基因表達(dá)發(fā)揮不同調(diào)節(jié)作用（激活或抑制）的各類蛋白質(zhì)分子。

轉(zhuǎn)錄因子則是能夠直接結(jié)合或間接作用于靶基因啟動(dòng)子、促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合體形成的蛋白質(zhì)因子轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控有的蛋白質(zhì)因子可特異識(shí)別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達(dá)(開啟或關(guān)閉)，稱順式調(diào)節(jié)作用。具有這種調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)蛋白因子稱為順式作用因子由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)(激活或抑制)其表達(dá)。這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用.具有這種調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)蛋白因子稱為反式作用因子。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié)

mRNAC蛋白質(zhì)CBA

mRNA蛋白質(zhì)AA轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控APA蛋白質(zhì)ABPBDNAmRNA反式調(diào)節(jié)順式調(diào)節(jié)（三）轉(zhuǎn)錄激活的調(diào)節(jié)機(jī)制

一般來講，真核基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是正性調(diào)節(jié)。也就是說，基因只有被激活才被轉(zhuǎn)錄，否則就處于不表達(dá)的被抑制狀態(tài)。真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是轉(zhuǎn)錄起始的激活，該步驟的關(guān)鍵是完成轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合體的裝配，轉(zhuǎn)