轉(zhuǎn)錄過程模板和酶

第一節(jié)模板和酶概述1、轉(zhuǎn)錄的概念——生物體以DNA為模板，以NTP為原料，在RNA聚合酶的催化下，合成RNA的過程，稱為轉(zhuǎn)錄。即把DNA的堿基序列抄錄成RNA的堿基序列。轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的核心步驟。2、 轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物包括：mRNA;tRNA;rRNA等。mRNA把遺傳信息從染色體內(nèi)貯存的狀態(tài)轉(zhuǎn)送至胞質(zhì)，作為蛋白質(zhì)合成的直接模板，tRNA;rRNA不用作翻譯的模板，但參與蛋白質(zhì)的生物合成。，比較如下：3、 轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的異同轉(zhuǎn)錄與復(fù)制都是酶促的核苷酸聚合過程，有許多相似之處，也有許多不同的地方。三磷酸核苷酸；③遵守堿基配對(duì)規(guī)律；④模板閱讀方5—3,；⑤酶：依賴DNA的聚合酶；⑥產(chǎn)物：三磷酸核苷酸；③遵守堿基配對(duì)規(guī)律；④模板閱讀方5—3,；⑤酶：依賴DNA的聚合酶；⑥產(chǎn)物：向：3'—5'；新鏈合成方向：多核苷酸鏈模板DNA雙鏈 DNA模板鏈原料dNTP NTP配對(duì)A—T，G—C A—U,T—A，G—C酶DDDP、解螺旋酶、引物酶 DDRP拓?fù)涿?、連接酶產(chǎn)物子代DNA(半保留) RNA(mRNA、tRNA引物+ 一復(fù)制轉(zhuǎn)錄、rRNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄、rRNA等)第一節(jié)模板和酶轉(zhuǎn)錄需要的原料是轉(zhuǎn)錄模板和聚合酶。轉(zhuǎn)錄時(shí)， DNA雙鏈中一股單鏈用作模板鏈(templatestrand)，按堿基配對(duì)規(guī)律指引核苷酸的聚合，催化聚合的酶是依賴DNA的RNA聚合酶(DNAdependentRNApolymerase,RNA-pol。)轉(zhuǎn)錄是有選擇性的，能轉(zhuǎn)錄出RNA的DNA區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因。一、轉(zhuǎn)錄模板即為DNA的一股鏈。1、模板鏈定義：轉(zhuǎn)錄時(shí)，DNA雙鏈中能作為模板轉(zhuǎn)錄生成RNA的那一股鏈，稱為模板鏈，也稱有意義鏈或Waston鏈。轉(zhuǎn)錄I2、編碼鏈定義：與模板鏈相對(duì)的另一股單鏈稱編碼鏈，也稱反義鏈或Crick鏈。模板鏈既與編碼鏈互補(bǔ)，又與mRNA互補(bǔ)，可見mRNA的堿基序列除用U代替T外，與編碼鏈?zhǔn)且恢碌?。如下圖：3、不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄一一在轉(zhuǎn)錄過程中DNA雙鏈中僅有一股鏈的某個(gè)區(qū)段可作為模板指導(dǎo)RNA合成；不同的基因其轉(zhuǎn)錄時(shí)的模板鏈可能不同，轉(zhuǎn)錄的這種選擇性，稱為不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄。這是轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)。不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄的含義：1、 DNA分子上一股可轉(zhuǎn)錄，另一股不轉(zhuǎn)錄。2、 模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一單鏈上。［圖示］4、結(jié)構(gòu)基因定義：DNA分子中能轉(zhuǎn)錄出mRNA，然后指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的部分稱之。有的基因可能轉(zhuǎn)錄出rRNA、tRNA，也屬結(jié)構(gòu)基因。換句話說，凡是能轉(zhuǎn)錄出RNA的DNA區(qū)段，均稱為結(jié)構(gòu)基因。其余部分則不是。二、RNA聚合酶(轉(zhuǎn)錄酶transcriptase,RNA-pol)原核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶也稱轉(zhuǎn)錄酶(transcriptase)，全稱依賴DNA的RNA聚合酶(DDRP)。目前研究比較透徹的是E.coli的RNA聚合酶。其它原核生物的RNA聚合酶在結(jié)構(gòu)、組成、功能上都與E,coli的RNA聚合酶相似。組成：全酶由5個(gè)亞基組成：即a2^'6，其中6亞基易脫落。既辯認(rèn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)，又有催化聚合功能，參與轉(zhuǎn)錄起始。核心酶由a2。。'亞基組成，具有催化聚合功能，不能辯認(rèn)起始點(diǎn)，但參與轉(zhuǎn)錄的延長。各亞基的功能：a亞基——決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄P亞基——與轉(zhuǎn)錄全過程有關(guān)（催化）"亞基——結(jié)合DNA模板（開鏈）6亞基 辯認(rèn)起始點(diǎn)。原核生物的。、。亞基1、 原核生物的。亞基已發(fā)現(xiàn)多種，典型者為0702、 參與熱休克（應(yīng)激heatshock）應(yīng)答反應(yīng)必需的o32因子：辨認(rèn)與典型的-35和-10序列完全不同的啟動(dòng)子序列，以控制一套熱休克基因的表達(dá)。3、 原核生物的RNA聚合酶，都受利福平或利福霉素的抑制，它專一性地結(jié)合RNA聚合酶的P亞基，在轉(zhuǎn)錄開始后才加入利福平，仍能發(fā)揮其抑制轉(zhuǎn)錄的作用，這就說明P亞基是在轉(zhuǎn)錄全過程都起作用的。（二）真核生物的RNA聚合酶已發(fā)現(xiàn)三種RNA聚合酶分別稱為RNA聚合酶I、II、III，專一性地轉(zhuǎn)錄不同的基因，生成不同的產(chǎn)物。鵝膏蕈堿是真核生物RNA聚合酶的特異性抑制劑，但敏感性不同。由于hnRNA為mRNA前體，而mRNA在各種RNA中壽命最短，最不穩(wěn)定，需經(jīng)常合成，故酶II被認(rèn)為是最重要的酶。三、模板與酶的辯認(rèn)結(jié)合轉(zhuǎn)錄開始時(shí)需要模板與酶的辨認(rèn)，有特別的辨認(rèn)“信號(hào)”。操縱子（operon）:原核生物的轉(zhuǎn)錄單位定義。啟動(dòng)子：為DNA鏈上一段能被RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的區(qū)域，又稱轉(zhuǎn)錄起始區(qū)。特點(diǎn)：啟動(dòng)區(qū)長約40-60bp;富含A,T；位于結(jié)構(gòu)基因上游（3‘端）。結(jié)構(gòu)：啟動(dòng)區(qū)多為40?60bp的片段，包括三個(gè)部分1、 識(shí)別區(qū)（辨別區(qū)）：與起始點(diǎn)的辨認(rèn)有關(guān)，由全酶6因子辨認(rèn)，位于-35bp左右，多具有5，-TTGACA-的序列。又稱一35區(qū)。2、 結(jié)合區(qū)：為RNA聚合酶緊密結(jié)合區(qū)，結(jié)合后使DNA解鏈，位于-10bp左右，具有5，-TATAATPu的序列，稱為Pribnow-box?；蚍Q一10區(qū)。3、 轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)：由全酶催化兩個(gè)核苷酸生成第一個(gè)磷酸二酯鍵。［真核細(xì)胞的啟動(dòng)區(qū)在一30區(qū)，又稱TATAbox或Hognessbox。］［圖示］第二節(jié)轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄也跟復(fù)制一樣，分起始、延長、終止三個(gè)階段。首先看原核生物的轉(zhuǎn)錄。一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過程（一）原核生物的轉(zhuǎn)錄起始1、 轉(zhuǎn)錄的起始就是生成一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物由RNA-pol（a2、°、pp）-DNA-pppGpN-OH3組成。RNA聚合酶全酶辨認(rèn)、結(jié)合到模板的啟動(dòng)區(qū)，靠。因子辨認(rèn)轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)，使DNA解開成單鏈，形成復(fù)制叉，需諸多因子和酶的輔助。轉(zhuǎn)錄復(fù)合物即為RNA聚合酶的核心酶、DNA模板和轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA三者結(jié)合在一起的復(fù)合體。2、 解開DNA雙鏈，形成“轉(zhuǎn)錄空泡”。解鏈的范圍不大（10—20bp）——形成轉(zhuǎn)錄空泡。［圖示］3、 起動(dòng)復(fù)合物形成，轉(zhuǎn)錄開始：不需引物，RNA聚合酶在起始部位催化兩個(gè)核苷酸形成磷酸二酯鍵。第一個(gè)核苷酸常為GTP，GTP與隨后的NTP生成PPPGPN-OH，仍保留三磷酸鳥苷狀態(tài)。因此常把［RNA聚合酶全酶-DNA-pppGpN，-OH］稱為轉(zhuǎn)錄的起始復(fù)合物。4、 6因子從全酶脫落，可重復(fù)利用。（二）、轉(zhuǎn)錄的延長1、 核心酶沿著模板滑動(dòng)，催化四種NTP按堿基配對(duì)原則生成長核苷酸鏈，方向5'一3'。核心酶經(jīng)過后，DNA雙鏈復(fù)合為雙螺旋，RNA鏈與模板分離。2、 因同一DNA上可多位點(diǎn)同時(shí)轉(zhuǎn)錄；又因DNA—DNA較DNA—RNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，故RNA易被排斥分離，在電鏡下，同一DNA模板上，長短不一的RNA鏈散開成羽毛狀圖形（見圖）。3、 對(duì)于較長的mRNA，可一邊轉(zhuǎn)錄、一邊與核糖體結(jié)合而開始“翻譯”過程。［圖示］三）、轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄的生成鏈到一定階段，遇到“轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)”，停頓，酶一模板分離，RNA脫落，轉(zhuǎn)錄終止。轉(zhuǎn)錄終止方式：1、 依賴Rho（p）因子的轉(zhuǎn)錄終止p因子幫助RNA聚合酶辯認(rèn)終點(diǎn)并停止轉(zhuǎn)錄。p因子與RNA結(jié)合（主要與PolyC親和力最大）一RNA-DNA雜化雙鏈的短鏈變性一利于轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中釋放。p因子有ATP酶與解鏈酶活性。2、 非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止RNA產(chǎn)物形成特殊結(jié)構(gòu)來終止轉(zhuǎn)錄。在近轉(zhuǎn)錄終止區(qū)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物常出現(xiàn)多個(gè)“UUUU.....”結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)之前，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物形成“發(fā)夾樣”或“柄鼓泡”樣結(jié)構(gòu)，這種二級(jí)結(jié)構(gòu)是阻止轉(zhuǎn)錄繼續(xù)向下游推進(jìn)的關(guān)鍵。其機(jī)理為：1） 、改變酶構(gòu)象，使酶-模板結(jié)合方式變化，酶不能向下游移動(dòng)，轉(zhuǎn)錄終止。2） 、RNA分子形成“發(fā)夾樣”結(jié)構(gòu)，DNA又要回復(fù)雙鏈結(jié)構(gòu)，使DNA-RNA雜化短鏈不穩(wěn)定，使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物（酶-DNA-RNA）解體。二、真核生物的轉(zhuǎn)錄過程（一）轉(zhuǎn)錄起始1、轉(zhuǎn)錄起始的上游區(qū)段真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，RNA-pol不直接結(jié)合模板，其起始過程比原核生物復(fù)雜。［圖示］

順式作用元件：DNA分子上的具有的可影響轉(zhuǎn)錄的各種組分。2、轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子：能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合RNA聚合酶的蛋白質(zhì)，稱轉(zhuǎn)錄因子。反式作用因子：能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，也稱反式作用因子。3、轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物4、拼版理論一個(gè)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄需要3至5個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子之間互相結(jié)合，生成有活性，有專一性的復(fù)合物，再與RNA聚合酶搭配而有針對(duì)性地結(jié)合、轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的基因。（二）轉(zhuǎn)錄延長真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象。RNA-pol前移處處都遇上核小體。轉(zhuǎn)錄延長過程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。（三）轉(zhuǎn)錄終止真核生物轉(zhuǎn)錄終止和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)。1.真核生物DNA上有轉(zhuǎn)錄終止的信號(hào)，稱為轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)。已知真核生物DNA讀碼框架的3'端均含富含AT的序列（如AATAAA或ATTAAA等）；相隔0-30bp后又出現(xiàn)TTTT順序（通常是3-5個(gè)T）；該結(jié)構(gòu)可能與轉(zhuǎn)錄終止及3'端加polyA有關(guān)。2.轉(zhuǎn)錄越過轉(zhuǎn)錄修飾點(diǎn)后的RNA在修飾點(diǎn)被切斷，隨即“加尾”、“戴帽”。余下RNA繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，但產(chǎn)物很快被酶水解。和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)。第三節(jié)（真核生物）轉(zhuǎn)錄后的修飾無論原核或真核生物，初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物都經(jīng)過一定程度的修飾和加工才具有生物學(xué)功能。真核生物轉(zhuǎn)錄后加工修飾更復(fù)雜，故主要介紹真核生物。一、mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工（一）首尾修飾1、 5'端帶帽：即GPPPmG。其功能：一種翻譯起始因子可和帽子結(jié)構(gòu)結(jié)合，故與翻譯過程有關(guān)。2、 3'端接尾；即PolyA，一般為100?200bp。其功能：維持mRNA作為翻譯模板活性，增加mRNA穩(wěn)定性。（二）內(nèi)部剪接1、斷裂基因（Splitgene）、外顯子（exon）和內(nèi)含子（intron）艇區(qū)A.B,C,D1） 、斷裂基因一一真核生物的結(jié)構(gòu)基因常由若干個(gè)編碼區(qū)及非編碼區(qū)間隔連續(xù)鑲嵌而成，稱之。2） 、外顯子——基因中（包括hnRNA）能編碼AA的片段。3） 、內(nèi)含子——基因中（包括hnRNA）非編碼AA的片段。原核生物結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的編碼序列，無斷裂基因。2、 mRNA的剪接：即剪去內(nèi)含子，拼接外顯子斷裂基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄形成hnRNA，hnRNA剪去內(nèi)含子，拼接外顯子，成為成熟的mRNA3、 內(nèi)含子分類：據(jù)剪接方式不同分為四大類；第一、第二類主要是線粒體、葉綠體內(nèi)分別轉(zhuǎn)錄初級(jí)rRNA和mRNA的基因，這兩類內(nèi)含子剪接多屬于自身剪接，RNA自身具酶活性。第三類是形成套索狀結(jié)構(gòu)后剪接，由核小核糖核酸蛋白（SnRNP）完成。第四類是tRNA基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的內(nèi)含子，剪接過程需酶及ATP。4、 內(nèi)含子功能：看法不一1） 、利于物種進(jìn)化選擇。細(xì)菌無內(nèi)含子，其體積小，復(fù)制速度快；真核生物有內(nèi)含子，外顯子可移動(dòng)，使生物在環(huán)境變化時(shí)合成功能上有差異而結(jié)構(gòu)只有微小差異的蛋白質(zhì)。2） 、在基因表達(dá)中起調(diào)控功能。因從中斷基因線性表達(dá)意義上說，內(nèi)含子分為三類：翻譯前剪接內(nèi)含子、翻譯繞過式內(nèi)含子、翻譯后刪除內(nèi)含子。DNA二、tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工tRNA為DDRPIII的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物1、 剪接：去除插入的堿基。2、 生成各種稀有堿基：即除A、C、G、U以外的堿基，如DHU、w、I等。1） 、甲基化：A—Am,G—Gm2） 、還原反應(yīng)：U—DHU3） 、核苷內(nèi)轉(zhuǎn)位反應(yīng)：尿嘧啶核苷一假尿苷w（C5—C1'）4） 、脫NH3：A—I3、3,端加入CCA-OH未端，完成氨基酸臂的組成。三、 rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工rRNA的基因（rDNA）屬豐富基因族的DNA序列，有高度重復(fù)序列，這些序列可被不能轉(zhuǎn)錄為mRNA的間隔區(qū)分隔組成。rRNA的加工：rRNA在胞核內(nèi)經(jīng)轉(zhuǎn)錄形成45S-rRNA，后者經(jīng)加工剪接形成18S-rRNA和經(jīng)拼接形成5.8s及28s-rRNAo三種rRNA一起和核糖體蛋白構(gòu)成核糖體，進(jìn)入胞質(zhì)。四、 核酶發(fā)現(xiàn)的意義（一） 、對(duì)研究生命起源和進(jìn)化有重大意義：核酶大多在古老生物中發(fā)現(xiàn)，或許是現(xiàn)代生物物種內(nèi)存在的“活化石”。（二） 、人工核酶：可用人工合成的核酶連接于病原體（如RNA病毒）、有害基因（如癌細(xì)胞基因）的RNA或DNA并使其破壞。第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控基本概念一、 基因表達(dá)的概念及意義1、 基因表達(dá)的概念一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因，稱為基因組。不同生物基因組所含基因多少不同。在某一特定時(shí)期，基因組中只有一部分基因處于表達(dá)狀態(tài)。在個(gè)體不同生長時(shí)期、不同生活環(huán)境下，某種功能的基因產(chǎn)物在細(xì)胞中的數(shù)量會(huì)隨時(shí)間、環(huán)境而變化?；虮磉_(dá)就是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程（圖）。在一定調(diào)節(jié)機(jī)制控制下，大多數(shù)基因經(jīng)歷基因激活、轉(zhuǎn)錄及翻譯等過程，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子。但并非所有基因表達(dá)過程都產(chǎn)生蛋白質(zhì)。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá)。2、 基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖生物體賴于生存的外環(huán)境是在不斷變化的。在生命體中的所有活細(xì)胞都必須對(duì)外環(huán)境變化作出適當(dāng)反應(yīng)，調(diào)節(jié)代謝，以使生物體能更好地適應(yīng)變化著的外環(huán)境，維持生命。這種適應(yīng)調(diào)節(jié)的能力總是與某種或某些蛋白質(zhì)分子的功能有關(guān)，即與相關(guān)基因表達(dá)有關(guān)。生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)，適應(yīng)環(huán)境是普遍存在的。原核生物、單細(xì)胞生物調(diào)節(jié)基因的表達(dá)就是為適應(yīng)環(huán)境、維持生長和細(xì)胞分裂。高等生物也普遍存在適應(yīng)性表達(dá)方式。如經(jīng)常飲酒者體內(nèi)醇氧化酶活性高即與相應(yīng)基因表達(dá)水平升高有關(guān)。維持個(gè)體發(fā)育與分化在多細(xì)胞個(gè)體生長、發(fā)育的不同階段，細(xì)胞中的蛋白質(zhì)分子種類和含量差異很大；即使在同一生長發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白質(zhì)分子分布也存在很大差異，這些差異是調(diào)節(jié)細(xì)胞表型的關(guān)鍵。高等哺乳類動(dòng)物各種組織、器官的發(fā)育、分化都是由一些特定基因控制的。當(dāng)某種基因缺陷或表達(dá)異常時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)組織或器官的發(fā)育異常。二、基因表達(dá)的規(guī)律病毒、細(xì)菌，乃至高等哺乳類動(dòng)物及人，基因表達(dá)表現(xiàn)為嚴(yán)格的規(guī)律性，即時(shí)間、空間特異性?；虮磉_(dá)的時(shí)間、空間特異性由特異基因的啟動(dòng)子（序列）和/或增強(qiáng)子與調(diào)節(jié)蛋白相互作用決定。時(shí)間特異性噬菌體、病毒或細(xì)菌侵入宿主后，呈現(xiàn)一定的感染階段。隨感染階段發(fā)展、生長環(huán)境變化，有些基因開啟，有些基因關(guān)閉。按功能需要，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，這就是基因表達(dá)的時(shí)間特異性。在多細(xì)胞生物從受精卵到組織、器官形成的各個(gè)不同發(fā)育階段，相應(yīng)基因嚴(yán)格按一定時(shí)間順序開啟或關(guān)閉，表現(xiàn)為與分化、發(fā)育階段一致的時(shí)間性。因此，多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性?？臻g特異性在多細(xì)胞生物個(gè)體某一發(fā)育、生長階段，同一基因產(chǎn)物在不同的組織器官表達(dá)多少是不一樣的；在同一生長階段，不同的基因表達(dá)產(chǎn)物在不同的組織、器官分布也不完全相同。在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，這就是基因表達(dá)的空間特異性?；虮磉_(dá)伴隨時(shí)間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，因此基因表達(dá)的空間特異性又稱細(xì)胞特異性或組織特異性。二、 三、基因表達(dá)的方式不同種類的生物遺傳背景不同，同種生物不同個(gè)體生活環(huán)境不完全相同，不同的基因功能和性質(zhì)也不相同。因此，不同的基因其表達(dá)方式或調(diào)節(jié)類型存在很大差異。組成性表達(dá)某些基因產(chǎn)物對(duì)生命全過程都是必需的或必不可少的，這類基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因。例如，三羧酸循環(huán)是一中樞性代謝途徑，催化該途徑各階段反應(yīng)的酶編碼基因就屬這類基因。管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長階段的大多數(shù)、或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。這類基因表達(dá)被視為基本的、或組成性基因表達(dá)。這類基因表達(dá)只受啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響，而不受其它機(jī)制調(diào)節(jié)。事實(shí)上，組成性基因表達(dá)水平并非真的”一成不變”，所謂”不變”是相對(duì)的。誘導(dǎo)和阻遏與管家基因不同，另有一些基因表達(dá)極易受環(huán)境變化影響。隨外環(huán)境信號(hào)變化，這類基因表達(dá)水平可呈現(xiàn)升高或降低的現(xiàn)象。在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因是可誘導(dǎo)的?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程稱為誘導(dǎo)。例如有DNA損傷時(shí)，修復(fù)酶基因就會(huì)在細(xì)菌內(nèi)被誘導(dǎo)激活，使修復(fù)酶反應(yīng)性地增加。相反，如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因是可阻遏的。可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏。例如，當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸供應(yīng)充分時(shí)，在細(xì)菌內(nèi)與色氨酸合成有關(guān)的酶編碼基因表達(dá)就會(huì)被抑制。可誘導(dǎo)或可阻遏基因除受啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響外，尚受其它機(jī)制調(diào)節(jié)；一般，這類基因的調(diào)控序列含有特異刺激的反應(yīng)元件。誘導(dǎo)和阻遏是同一事物的兩種表現(xiàn)形式，在生物界普遍存在，也是生物體適應(yīng)環(huán)境的基本途徑。第二節(jié)基因表達(dá)調(diào)控基本原理一、原核基因表達(dá)調(diào)控1、原核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)原核特異基因的表達(dá)也受多級(jí)水平調(diào)控（見第一節(jié)），但其表達(dá)開、關(guān)調(diào)控關(guān)鍵機(jī)制主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄起始。概括原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)有以下特點(diǎn)：。因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性原核生物細(xì)胞僅含有一種RNA聚合酶，核心酶參與轉(zhuǎn)錄延長，全酶司轉(zhuǎn)錄起始。在轉(zhuǎn)錄起始階段，。亞基（又稱。因子）識(shí)別特異啟動(dòng)序列；不同的。因子決定特異編碼基因的轉(zhuǎn)錄激活，也決定不同RNA（mRNA、rRNA和tRNA）基因的轉(zhuǎn)錄。操縱子（元）模型的普遍性除個(gè)別基因外，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（元），如乳糖（lac）操縱子、阿拉伯糖（ara）操縱子及色氨酸（trp）操縱子（元）等。操縱子（元）機(jī)制在原核基因調(diào)控中具有較普遍的意義。一個(gè)操縱子（元）只含一個(gè)啟動(dòng)序列及數(shù)個(gè)可轉(zhuǎn)錄的編碼基因（通常為2~6個(gè)，有的多達(dá)20個(gè)以上）。在同一啟動(dòng)序列控制下，操縱子（元）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。阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性在很多原核操縱子（元）系統(tǒng)，特異的阻遏蛋白是控制原核啟動(dòng)序列活性的重要因素。當(dāng)阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合或解聚時(shí)，就會(huì)發(fā)生特異基因的阻遏或去阻遏。原核基因調(diào)控普遍涉及特異阻遏蛋白參與的開、關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制。2、乳糖操縱子（元）調(diào)節(jié)機(jī)制乳糖操縱子（元）的結(jié)構(gòu)E.coli的乳糖操縱子（元）含Z、Y及A三個(gè)結(jié)構(gòu)基因，分別編碼半乳糖苷酶、透酶和乙酰基轉(zhuǎn)移酶，此外還有一個(gè)操縱序列0、一個(gè)啟動(dòng)序列P及一個(gè)調(diào)節(jié)基因I（圖）。?W子（opcron■* 木更. ■■■峰.三寸十?■?■ ■4 1 、??.■■■I■r■ra■n-ter .■■■I基因編碼一種阻遏蛋白，后者與0序列結(jié)合，使操縱子（元）受阻遏而處于關(guān)閉狀態(tài)。在啟動(dòng)序列P上游還有一個(gè)分解（代謝）物基因激活蛋白（CAP）結(jié)合位點(diǎn)。由P序列、0序列和CAP結(jié)合位點(diǎn)共同構(gòu)成lac操縱子的調(diào)控區(qū)，三個(gè)酶的編碼基因即由同一調(diào)控區(qū)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)基因產(chǎn)物的協(xié)調(diào)表達(dá)。阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)在沒有乳糖存在時(shí)，lac操縱子（元）處于阻遏狀態(tài)。此時(shí)，I序列在PI啟動(dòng)序列操縱下表達(dá)的Lac阻遏蛋白與0序列結(jié)合，阻礙RNA聚合酶與P序列結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄起動(dòng)。當(dāng)有乳糖存在時(shí)，lac操縱子（元）即可被誘導(dǎo)。在這個(gè)操縱子（元）體系中，真正的誘導(dǎo)劑并非乳糖本身。乳糖進(jìn)入細(xì)胞，經(jīng)b一半乳糖苷酶催化，轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘?。后者作為一種誘導(dǎo)劑分子結(jié)合阻遏蛋白，使蛋白構(gòu)象變化，導(dǎo)致阻遏蛋白與0序列解離、發(fā)生轉(zhuǎn)錄。異丙基硫代半乳糖苷（IPTG）是一種作用極強(qiáng)的誘導(dǎo)劑，不被細(xì)菌代謝而十分穩(wěn)定，因此被實(shí)驗(yàn)室廣泛應(yīng)用。CAP的正性調(diào)節(jié)分解（代謝）物基因激活蛋白CAP是同二聚體，在其分子內(nèi)有DNA結(jié)合區(qū)及cAMP結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)沒有葡萄糖及cAMP濃度較高時(shí)，cAMP與CAP結(jié)合，這時(shí)CAP結(jié)合在lac啟動(dòng)序列附近的CAP位點(diǎn)，可刺激RNA轉(zhuǎn)錄活性，使之提高50倍；當(dāng)有葡萄糖存在時(shí)，cAMP濃度降低，cAMP與CAP結(jié)合受阻，因此lac操縱子表達(dá)下降。由此可見，對(duì)lac操縱子（元）來說CAP是正性調(diào)節(jié)因素，lac阻遏蛋白是負(fù)性調(diào)節(jié)因素。兩種調(diào)節(jié)機(jī)制根據(jù)存在的碳源性質(zhì)及水平協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)lac操縱子的表達(dá)。Dill□tZQSdlpikhHilgLK心和￡E?FflNR町mm列fcji-Lki訥aapretain(ciWJPUi^,kudLsiw■■unt協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)lac阻遏蛋白負(fù)性調(diào)節(jié)與CAP正性調(diào)節(jié)兩種機(jī)制協(xié)調(diào)合作：當(dāng)Lac阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；但是如果沒有CAP存在來加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，即使阻遏蛋白從操縱序列上解聚仍幾無轉(zhuǎn)錄活性?？梢?，兩種機(jī)制相輔相成、互相協(xié)調(diào)、相互制約。由于野生型lac啟動(dòng)序列作用很弱，所以CAP是必不可少的。lac操縱子(元)的負(fù)性調(diào)節(jié)能很好地解釋：單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌是如何利用乳糖作碳源的。然而，細(xì)菌生長環(huán)境是復(fù)雜的，倘若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖才是最節(jié)能的。這時(shí)，葡萄糖通過降低cAMP濃度，阻礙cAMP與CAP結(jié)合而抑制lac操縱子轉(zhuǎn)錄，使細(xì)菌只能利用葡萄糖。葡萄糖對(duì)lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)0lac操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。其它轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制原核基因通過操縱子(元)機(jī)制調(diào)節(jié)是主要的，此外尚有其它特異調(diào)節(jié)機(jī)制，如轉(zhuǎn)錄衰減、基因重組、SOS反應(yīng)等。4.基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的基本要素包括：特異DNA序列的作用調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的作用DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用RNA聚合酶的活性特異DNA序列的作用——在轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游某些區(qū)域的DNA序列，能決定轉(zhuǎn)錄的起始、加強(qiáng)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的活性。被發(fā)現(xiàn)的特異DNA序列有：TATAAT序列(原核生物在-10區(qū)域，又稱Pribnowbox或Pribnow盒)TTGACA序列(原核生物在-35區(qū)域)TATA盒(真核生物在-25?-35區(qū)域)CAAT盒(真核生物在-30?-110區(qū)域)順式作用元件——在結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)近距離的某些具有調(diào)節(jié)作用的DNA序列稱順式作用元件(cis-actingelement)。包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子等。調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的作用：特異因阻遏蛋白激活蛋白如：CAP原核生物基因調(diào)節(jié)蛋白如：轉(zhuǎn)錄因子反式作用因子——位于真核細(xì)胞核內(nèi)特異性地與順式作用元件結(jié)合，從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄活性的一類蛋白質(zhì)稱為反式作用因子(trans-actingfactor)。順式作用蛋白一一如DNA的表達(dá)蛋白能調(diào)節(jié)自身DNA分子上的基因轉(zhuǎn)錄活性，稱為順式作用蛋白DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用DNA-蛋白質(zhì)相互作用(DNA-proteininteraction)——反式作用因子與順式作用元件之間的特異識(shí)別與結(jié)合。特點(diǎn)：非共價(jià)鍵結(jié)合實(shí)質(zhì)：多肽鏈中的側(cè)鏈與DNA中的堿基作用蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用（protein-proteininteraction） 形成二聚體或多聚體后結(jié)合DNA,調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄。（4）RNA聚合酶的活性啟動(dòng)子（或啟動(dòng)序列）影響其活性調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的作用影響其活性二、真核基因表達(dá)調(diào)控1、 真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動(dòng)物基因組DNA由約3x109bp（堿基對(duì)）的核苷酸組成。其中表達(dá)的基因約占全部基因組的6%。單順反子與原核不同，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。有很多真核蛋白質(zhì)由幾條不同的多肽鏈組成，因此存在多個(gè)基因協(xié)調(diào)表達(dá)的問題。重復(fù)序列在原核、真核DNA中都有重復(fù)出現(xiàn)的核苷酸序列，但在真核更普遍。重復(fù)序列長短不一，重復(fù)頻率也不盡相同。根據(jù)重復(fù)頻率可將重復(fù)序列區(qū)分為高度重復(fù)序列（106次）、中度重復(fù)序列（103?104次）及單考貝序列。基因不連續(xù)性真核結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)存在有不被轉(zhuǎn)錄的非編碼序列，往往是基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)。在編碼基因內(nèi)部尚有一些不為蛋白質(zhì)編碼的間隔序列，稱內(nèi)含子；編碼序列稱外顯子，因此真核基因是不連續(xù)的。2、 真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)同原核一樣，轉(zhuǎn)錄起始仍是真核基因表達(dá)調(diào)控的最基本環(huán)節(jié)，而且某些機(jī)制是一樣的。但在下述方面與原核存在明顯差別?；钚匀旧w結(jié)構(gòu)變化當(dāng)基因被激活時(shí)，可觀察到染色體相應(yīng)區(qū)域發(fā)生某些結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化，如活化基因?qū)怂崦笜O度敏感；當(dāng)基因活化時(shí)，轉(zhuǎn)錄區(qū)DNA有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化；DNA堿基修飾（如甲基化）變化及組蛋白變化。正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)真核RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子的親和力極小或根本沒有實(shí)質(zhì)性的親和力，必需依賴一種或多種激活蛋白的作用。盡管已發(fā)現(xiàn)某些基因含有負(fù)性順式作用元件存在；很多真核調(diào)節(jié)因子既可作為激活蛋白又可作為阻遏蛋白發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，但負(fù)性調(diào)節(jié)元件并不普遍存在。較大真核基因組廣泛存在正性調(diào)節(jié)機(jī)制。在正性調(diào)節(jié)中，大多數(shù)基因不結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白，所以是沒有活性的；只要細(xì)胞表達(dá)一組激活蛋白時(shí)，相關(guān)靶基因即可被激活。轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行真核細(xì)胞有細(xì)胞核及胞漿等區(qū)間分布，轉(zhuǎn)錄與翻譯在不同細(xì)胞部位進(jìn)行。轉(zhuǎn)錄后修飾、加工真核基因轉(zhuǎn)錄后剪接及修飾等過程比原核復(fù)雜。真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)順式作用元件在分子遺傳學(xué)領(lǐng)域，相對(duì)同一染色體或DNA分子而言為“順式”（cis）；對(duì)不同染色體或DNA分子而言為“反式”（trans）。順式作用元件是同一DNA分子中具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能的特異DNA序列。WE? u_ic率7uI?_■■■?_Tfc.^二 e齡m肖 忐通潔住白勺DNAk歹u車至雖懸拓點(diǎn)iDNAI日IIA1綁&布裝注步"千同寡士袤主楊g叨^V：缶用*/中中也WM菟電——蘭里親祈丘歹U-iinTATAM、CAATmr.誥蘭里我有汗歹uwrtismt音皿應(yīng)外寺畀銬錄M王&^等差H忐.按功能特性，真核基因順式作用元件分為啟動(dòng)子、增強(qiáng)子及沉默子。①啟動(dòng)子—是原核操縱子中啟動(dòng)序列的同義語。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，每一組件含7~20bp的DNA序列。啟動(dòng)子包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的機(jī)能組件。在這些機(jī)能組件中最具典型意義的就是TATA盒，它的共有序列是TATAAAA。TATA盒通常位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-25?-30bp，控制轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率。TATA盒是基本轉(zhuǎn)錄因子TFIID結(jié)合位點(diǎn)。除TATA盒外，GC盒（GGGCGG）和CAAT盒（GCCAAT）也是很多基因常見的，它們通常位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-30?-110bp區(qū)域。此外，還發(fā)現(xiàn)很多其它類型的機(jī)能組件。由TATA盒及轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)即可構(gòu)成最簡單的啟動(dòng)子。②增強(qiáng)子一就是遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（1?30kb）、決定基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列，其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關(guān)。增強(qiáng)子也是由若干機(jī)能組件組成，有些機(jī)能組件既可在增強(qiáng)子、也可在啟動(dòng)子中出現(xiàn)。這些機(jī)能組件是特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合DNA的核心序列。從機(jī)能上講，沒有增強(qiáng)子存在，啟動(dòng)子通常不能表現(xiàn)活性；沒有啟動(dòng)子時(shí)，增強(qiáng)子也無法發(fā)揮作用。有時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系而無法區(qū)分的啟動(dòng)子、增強(qiáng)子樣結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱啟動(dòng)子。通常描述的、具有獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄活性和決定基因時(shí)間、空間特異性表達(dá)能力的啟動(dòng)子就是這類定義的啟動(dòng)子。在酵母基因，有一種類似高等真核增強(qiáng)子樣作用的序列，稱為上游激活序列（UASs），其在轉(zhuǎn)錄激活中的作用類似。③沉默子——某些基因含有的一種負(fù)性調(diào)節(jié)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。反式作用因子除少數(shù)順式作用蛋白，大多數(shù)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子以反式作用調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。這些調(diào)節(jié)蛋白又稱轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，簡稱轉(zhuǎn)錄因子（TF）。按功