動(dòng)物遺傳學(xué)：第十三章 免疫遺傳學(xué)基礎(chǔ)

第十三章

基因表達(dá)調(diào)控

第一節(jié)

基因表達(dá)調(diào)控基本概念

第二節(jié)

基因表達(dá)調(diào)控的基本原理

第三節(jié)原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

第四節(jié)真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

第一節(jié)

基因表達(dá)調(diào)控基本概念與原理

一、基因表達(dá)的概念

基因（gene）：是為生物活性產(chǎn)物（RNA或蛋白質(zhì)）編碼的DNA功能片段，是遺傳的基本單位。

基因組(genome)：指一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。

基因表達(dá)(geneexpression)：指基因轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過程。

基因的三種基本功能遺傳功能表型功能進(jìn)化功能復(fù)制表達(dá)變異傳遞遺傳信息控制性狀發(fā)育適應(yīng)外界環(huán)境實(shí)質(zhì)作用基因的概念發(fā)展基因概念的演變1865年，孟德爾，顆粒性遺傳因子1909年，

Johannsen，更名為“基因”1910，Morgan等，基因存在于染色體上，線性排列1926年，Morgan等,“三位一體”：結(jié)構(gòu)單位、功能單位、突變單位和交換單位Avery（1944年）、Hershey和Chase（1952年）證明DNA是遺傳物質(zhì)基因功能的研究1908年，Garrod：onemutantgene-onemetabolicblock，Earlyevidencethatenzymesarecontrolledbygenes1941年，BeadleandTatam:Onegene-oneenzymeOnegene-onepolypeptideTheproductsofgeneareprotein,tRNAandrRNA

基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究20世紀(jì)50年代，擬等位基因和順反子的出現(xiàn),“三位一體”：不適用了；60年代，操縱子學(xué)說表明，DNA上的有些區(qū)段不編碼任何蛋白質(zhì)，如操縱基因、啟動(dòng)子。擬等位基因(pseudoalleles)是表型效應(yīng)相似，功能密切相關(guān)，在染色體上的位置又緊密連鎖的基因。它們象是等位基因，而實(shí)際不是等位基因。順反子（cistron）：即結(jié)構(gòu)基因，為決定一條多肽鏈合成的功能單位，約1000bp基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究1957年，Benzer：順反子學(xué)說，基因是DNA分子上一個(gè)決定一條多肽鏈的完整功能單位，內(nèi)部是可分的，包含多個(gè)突變和重組單位。1961年，Jacob等：操縱子模型學(xué)說，功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因在染色體上往往緊密聯(lián)系在一起1977年，Sharp等發(fā)現(xiàn)斷裂基因：在一個(gè)基因內(nèi)，編碼序列與非編碼序列相間排列。1978年，Sanger發(fā)現(xiàn)了重疊基因：同一段DNA序列由于閱讀框架的不同或終止密碼子出現(xiàn)的早晚不同，同時(shí)編碼兩個(gè)以上多肽的基因基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究重復(fù)基因（repeatedgene)指染色體上存在多數(shù)拷貝基因，重復(fù)基因往往是生命活動(dòng)最基本，最重要的功能相關(guān)的基因。如，rRNA,tRNA,His跳躍基因（jumpinggene):可以在染色體組上移動(dòng)位置的基因。如，translocus順反子1955年，美國(guó)分子生物學(xué)家本澤（Benzer）通過對(duì)大腸桿菌的噬菌體T4的rII區(qū)基因的深入研究，揭示了基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)。提出了基因的順反子（Cistron）概念。他發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)基因內(nèi)部，可以發(fā)生若干不同位點(diǎn)的突變，倘若在一個(gè)基因內(nèi)部發(fā)生兩個(gè)以上位點(diǎn)的突變，其順式和反式結(jié)構(gòu)的表型效應(yīng)是不同的。1957年，美國(guó)分子生物學(xué)家西莫爾·本澤爾（SeymourBenzer,1921--2007）以T4噬菌體為材料，在DNA分子水平上研究基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提出了順反子（cistron）、突變子(muton）和重組子(recon）的概念。順反子是一個(gè)遺傳功能單位，一個(gè)順反子決定一條多肽鏈，這就使以前一個(gè)基因一種酶的假說發(fā)展為一個(gè)基因一種多肽的假說。能產(chǎn)生一種多肽的是一個(gè)順反子，順反子也就是基因的同義詞。順反子可以包含一系列突變單位──突變子。突變子是DNA中構(gòu)成基因的一個(gè)或若干個(gè)核苷酸。由于基因內(nèi)的各個(gè)突變子之間有一定距離，所以彼此間能發(fā)生重組，這樣，基因就有了第三個(gè)內(nèi)涵──“重組子”。重組子代表一個(gè)空間單位，它有起點(diǎn)和終點(diǎn)，可以是若干個(gè)密碼子的重組，也可以是單個(gè)核苷酸的互換。如果是后者，重組子也就是突變子。順反子概念把基因具體化為DNA分子的一段序列，它負(fù)責(zé)傳遞遺傳信息，是決定一條多肽鏈的完整的功能單位；但它又是可分的，組成順反子的核苷酸可以獨(dú)自發(fā)生突變或重組，而且基因與基因之間還有相互作用?；蚺帕形恢玫牟煌?，會(huì)產(chǎn)生不同的效應(yīng)。假基因(pseudogene)：在多基因家族中，某些成員并不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物，但在結(jié)構(gòu)和DNA序列上與相應(yīng)的活性基因具有相似性。例如α珠蛋白基因簇中有假基因ψα和ψξ，其中一個(gè)是由于移碼突變或者終止密碼子突變而不能表達(dá)，而且缺少兩個(gè)內(nèi)含子；另一個(gè)假基因由于堿基突變不能產(chǎn)生有功能的蛋白質(zhì)?；虻囊话憬Y(jié)構(gòu)特征外顯子和內(nèi)含子信號(hào)肽序列側(cè)翼序列和調(diào)控序列基因的一般結(jié)構(gòu)特征（一）外顯子和內(nèi)含子原核生物的基因是DNA分子的一個(gè)片段，連續(xù)編碼；真核生物的結(jié)構(gòu)編碼序列往往是不連續(xù)的，被非編碼序列隔開。編碼序列稱為外顯子，非編碼序列稱為內(nèi)含子。GT-AG法則：每個(gè)內(nèi)含子的5’端起始的兩個(gè)核苷酸都是GT，3’端末尾的兩個(gè)核苷酸都是AG，這就是RNA剪接的信號(hào)，這種接頭形式被稱之為GT-AG法則。開放閱讀框(openreadingframe)：結(jié)構(gòu)基因內(nèi)從起始密碼子開始到終止密碼子的一段核苷酸區(qū)域，其間不存在任何終止密碼，可編碼完整的多肽鏈，這一區(qū)域被稱為開放閱讀框。基因的一般結(jié)構(gòu)特征（二）信號(hào)肽序列

在分泌蛋白基因的編碼序列中，起始密碼子之后，有一段編碼富含疏水氨基酸多肽的序列，稱為信號(hào)肽序列(Signalpeptidesequence)。它所編碼的信號(hào)肽行使著運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)的功能。

常見的分泌蛋白有：抗體；淋巴因子；唾液淀粉酶，胃蛋白酶，胰蛋白酶等消化酶；胰腺細(xì)胞分泌胰島素、胰高血糖素等蛋白質(zhì)類激素，各種促激素等?；虻囊话憬Y(jié)構(gòu)特征（三）側(cè)翼序列和調(diào)控序列側(cè)翼序列(flankingsequence)：每個(gè)結(jié)構(gòu)基因在第一個(gè)和最后一個(gè)外顯子的外側(cè)，都有一段不被轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)。5’非翻譯區(qū)（5’-untranslatedregion5’-UTR）：從轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)至起始密碼子的一段非翻譯區(qū)。3’非翻譯區(qū)（3’-untranslatedregion3’-UTR）：從終子密碼子至轉(zhuǎn)錄終止的一段非翻譯區(qū)。調(diào)控序列(regulatorsequence)，對(duì)基因的有效表達(dá)起著調(diào)控作用的特殊序列，包括啟動(dòng)子，增強(qiáng)子，終止子，核糖體結(jié)合位點(diǎn)，加帽和加尾信號(hào)等。調(diào)控序列啟動(dòng)子：是指準(zhǔn)確而有效地啟始基因轉(zhuǎn)錄所需的一段特異的核苷酸序列。TATA框、CAAT框、GC框增強(qiáng)子和沉默子增強(qiáng)子：使啟動(dòng)子發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)錄的能力加強(qiáng)，具有組織特異性和細(xì)胞特異性。沉默子：是另一種與基因表達(dá)有關(guān)的調(diào)控序列，通過與蛋白的結(jié)合，對(duì)轉(zhuǎn)錄起阻抑作用。終止子：一段位于基因3’端非編碼區(qū)中與終止轉(zhuǎn)錄過程有關(guān)的序列，它由一段富含GC堿基的顛倒重復(fù)序列以及寡聚T組成，是RNA聚合酶停止工作的信號(hào)。加尾信號(hào)真核生物mRNA的3’端都有一段多聚A尾巴(polyAtail)，它不是由基因編碼，而是在轉(zhuǎn)錄后通過多聚腺苷酸聚合酶作用加到mRNA上的。這個(gè)加尾過程受基因3’端非編碼區(qū)中一種叫做加尾信號(hào)序列的控制。核糖體結(jié)合位點(diǎn)在原核生物基因翻譯起始位點(diǎn)周圍有一組特殊的序列，控制著基因的翻譯過程，SD序列是其中主要的一種?；虮磉_(dá)=基因轉(zhuǎn)錄+翻譯基因表達(dá)的調(diào)控:生物體隨時(shí)調(diào)整不同基因的表達(dá)狀態(tài),以適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和發(fā)育需要。主要是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)：1.DNA序列2.調(diào)控蛋白R(shí)NA聚合酶3.DNA-蛋白質(zhì)相互作用活性的影響Gene

structure(a)Typicalprokaryoticgene真核生物基因的一般結(jié)構(gòu)示意圖單順反子與多順反子單順反子（monocistron）：真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子，即一個(gè)基因編碼一條多肽鏈或RNA鏈，每個(gè)基因轉(zhuǎn)錄有各自的調(diào)節(jié)元件。在原核細(xì)胞中，通常是幾種不同的mRNA連在一起，相互之間由一段短的不編碼蛋白質(zhì)的間隔序列所隔開，這種mRNA叫做多順反子mRNA?；蜃饔门c性狀表達(dá)

基因（DNA）

轉(zhuǎn)錄

mRNA

翻譯

蛋白質(zhì)

酶（蛋白質(zhì)）

（直接）

某種物質(zhì)

性狀表達(dá)（可見）（間接）基因(型)控制性狀（1）作用途徑：轉(zhuǎn)錄、翻譯、生理生化反應(yīng)（2）基因(組)差異決定表型差異

DNA差異表型差異a.重要功能基因的遺傳效應(yīng)；b.多基因間的綜合作用---數(shù)量性狀的微效多基因假說（加性效應(yīng)）；---基因間的復(fù)雜互作機(jī)制（非加性：顯性、互補(bǔ)、上位、抑制、重疊等）；---基因表達(dá)調(diào)節(jié)蛋白，如轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。DNA(Gene)mRNAProteinTraitsc.基因變異來源---編碼區(qū)變異直接影響產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和功能；---非編碼區(qū)變異通過影響基因表達(dá)過程，調(diào)節(jié)合成產(chǎn)物量；---大部分DNA變異表現(xiàn)為SNP。d.基因通過基因型發(fā)揮作用---親子相似性：1/2---生命千姿百態(tài)：世界上找不到完全相同的兩片樹葉；---性連鎖基因，印記基因；（3）非DNA序列變異影響表型a.表(觀)遺傳學(xué)(Epigenetics)（表型~/外因~/發(fā)育~/擬~）：研究基因型產(chǎn)生表型的過程；b.特點(diǎn)：可遺傳；基因表達(dá)的改變；無DNA序列變化；c.遺傳機(jī)制：---DNA甲基化---組蛋白修飾---染色質(zhì)改型---RNA干涉。《遺傳》，2005.01

二、基因表達(dá)的特異性

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。

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。

（一）時(shí)間特異性

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，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性（temporalspecificity）。

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（stagespecificity）。

（二）空間特異性

在個(gè)體發(fā)育、生長(zhǎng)的全過程，一種基因產(chǎn)物在個(gè)體的不同組織或器官表達(dá)，即在個(gè)體的不同空間出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性（spatialspecificity）。

基因表達(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（cellspecificity）或組織特異性(tissuespecificity)。

三、基因表達(dá)的方式

按對(duì)內(nèi)、外環(huán)境信號(hào)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：

（一）基本表達(dá)

管家基因:某些基因在一個(gè)生物體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，這類基因稱管家基因（housekeepinggene）。

管家基因的表達(dá)方式稱基本（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，不受其它機(jī)制調(diào)節(jié)。

（二）誘導(dǎo)和阻遏

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，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因。

可誘導(dǎo)基因在一定的環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程誘導(dǎo)（induction）。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因稱為可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。

誘導(dǎo)和阻遏在生物界普遍存在，也是生物體適應(yīng)環(huán)境的基本途徑。

在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá)（coodinateexpression）。

四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義

（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖；

（二）維持個(gè)體發(fā)育與分化。

第二節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本原理

一、基因表達(dá)調(diào)控的多層次和復(fù)雜性

基因

激活轉(zhuǎn)錄起始

基本控制點(diǎn)

轉(zhuǎn)錄后加工

mRNA降解

蛋白質(zhì)翻譯

翻譯后加工修飾

蛋白質(zhì)降解等

二、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的基本要素

（一）特異DNA序列

１、原核生物特異DNA序列

結(jié)構(gòu)基因群:操縱元中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因(Structuralgene,SG)操縱子（operator）：能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列。

啟動(dòng)子（promoter）

調(diào)控基因(regulatorygene):編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。

終止子（terminator,T)

２、真核生物特異DNA序列啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、絕緣子和沉默子往往與結(jié)構(gòu)基因保持一定的距離

順式作用元件順式作用元件(cis-actingelement)存在于基因旁側(cè)序列中能影響基因表達(dá)的DNA序列，可影響自身基因表達(dá)活性。順式作用元件本身不編碼任何蛋白質(zhì)，僅僅提供一個(gè)作用位點(diǎn)，要與反式作用因子相互作用而起作用。原核生物順式作用元件包括啟動(dòng)子、操縱子、終止子，真核生物順式作用元件包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和沉默子等。在不同真核生物基因的順式作用元件中也發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CCAAT盒等。這些共有序列就是順式作用元件的核心序列，它們是真核RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。

（二）調(diào)節(jié)蛋白

１、原核生物基因調(diào)節(jié)蛋白

分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白，都是DNA結(jié)合蛋白。

特異因子決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。

阻遏蛋白可識(shí)別、結(jié)合操縱序列，抑制基因轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負(fù)性調(diào)節(jié)。

激活蛋白可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性。

２、真核生物基因調(diào)節(jié)蛋白

真核基因調(diào)節(jié)蛋白又稱轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactors,TF)，其調(diào)節(jié)作用分為:反式調(diào)節(jié)（主要）和順式調(diào)節(jié)(圖13-3)絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄因子與特異的順式作用元件相互作用反式激活另一基因的轉(zhuǎn)錄，故稱為反式作用因子（trans-actingfactors）.定義1：通過直接結(jié)合或間接作用于DNA、RNA等核酸分子，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)因子。定義2：起反式作用的調(diào)控元件。其本身對(duì)基因表達(dá)沒有調(diào)控作用，只是阻斷來自上、下游的調(diào)控效應(yīng)。是指能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各類順式作用元件核心序列上參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì)。順式作用元件順式作用元件(cis-actingelement)存在于基因旁側(cè)序列中能影響基因表達(dá)的序列。順式作用元件包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、調(diào)控序列和可誘導(dǎo)元件等，它們的作用是參與基因表達(dá)的調(diào)控。順式作用元件本身不編碼任何蛋白質(zhì),僅僅提供一個(gè)作用位點(diǎn)，要與反式作用因子相互作用而起作用。同一類序列特異性的反式作用因子由多基因家族所編碼,它們具有特定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)(如上述的鋅指結(jié)構(gòu)、堿性亮氨酸拉鏈、螺旋-環(huán)-螺旋基元等)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上的同源性,因而構(gòu)成反式作用因子家族,如類固醇激素受體家族、AP1家族等。主要包括：

1.DNA結(jié)合域：

a.螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋

b.鋅指結(jié)構(gòu)

c.亮氨酸拉鏈

d.螺旋-突環(huán)-螺旋

2.轉(zhuǎn)錄激活域：與其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用的結(jié)構(gòu)成分。隨著表觀遺傳學(xué)的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)除了蛋白，DNA、RNA也有調(diào)控功能，所以現(xiàn)在也稱反式調(diào)控元件，主要有miRNA，轉(zhuǎn)錄因子等

3、DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用

DNA-蛋白質(zhì)相互作用指反式作用因子與順式作用元件之間的特異識(shí)別及結(jié)合。通常是非共價(jià)結(jié)合，被調(diào)節(jié)蛋白識(shí)別的DNA結(jié)合位點(diǎn)通常呈對(duì)稱、或不完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在結(jié)合前，需要通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用形成二聚體或多聚體。

（四）RNA聚合酶

DNA元件與調(diào)節(jié)蛋白對(duì)轉(zhuǎn)錄激活的調(diào)節(jié)最終是由RNA聚合酶活性體現(xiàn)的。

1、啟動(dòng)序列/啟動(dòng)子與RNA聚合酶活性

啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子核苷酸序列會(huì)影響其與RNA聚合酶的親和力，從而直接影響轉(zhuǎn)錄起動(dòng)和頻率。

2、調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性

特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號(hào)刺激下在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，通過DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性，從而使基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率發(fā)生改變，出現(xiàn)表達(dá)水平變化。

第三節(jié)

原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

----主要調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始

一、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)

（一）σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性

（二）操縱子模型的普遍性

（三）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性

原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)以負(fù)性調(diào)節(jié)為主。

二、原核生物轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)

（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)（圖13-4）

（二）乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制

1、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)（圖13-4）

2、CAP的正性調(diào)節(jié)

3、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

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無轉(zhuǎn)錄活性。（圖13-5）PO調(diào)節(jié)基因

控制位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)區(qū)操縱區(qū)

-半乳糖苷酶A轉(zhuǎn)乙酰酶

-半乳糖苷透過酶ZY2、操縱子結(jié)構(gòu)和功能--乳糖操縱子模型；--乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)；P’R三、原核生物轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)四、原核生物翻譯水平調(diào)節(jié)（一）蛋白質(zhì)分子的自我調(diào)節(jié)（二）反義RNA對(duì)翻譯的調(diào)節(jié)原核生物基因表達(dá)的調(diào)控方式特點(diǎn)調(diào)控機(jī)制

--操縱子正調(diào)控負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)快速乳糖操縱子--負(fù)、正調(diào)控

轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

色氨酸操縱子--負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始、終止的調(diào)控一、乳糖操縱子(lactoseoperon)操縱子（operon）：原核生物中幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列組成的一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位（DNA序列）.一個(gè)操縱子

=編碼序列（2-6）

+啟動(dòng)序列+操縱序列+(其他調(diào)節(jié)序列)乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌以葡萄糖為能量來源葡萄糖充分時(shí)：

與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因---表達(dá)

與其他糖代謝有關(guān)的酶基因---關(guān)閉葡萄糖耗盡時(shí)，乳糖存在（培養(yǎng)基）：

與乳糖代謝有關(guān)的酶基因

---表達(dá)

與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因---關(guān)閉細(xì)菌對(duì)乳糖的利用及其相關(guān)的酶:

乳糖(在通透酶作用下進(jìn)入細(xì)菌）

β半乳糖苷酶

（細(xì)菌中少量存在）別位乳糖

β半乳糖苷酶

（細(xì)菌中少量存在）

葡萄糖+半乳糖

β半乳糖苷酶（細(xì)菌中少量存在）轉(zhuǎn)乙酰基酶--功能未詳IPOZYa

控制位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因DNA阻遏蛋白啟動(dòng)序列操縱序列β半乳糖苷酶通透酶乙?；D(zhuǎn)移酶（一）乳糖操縱子（lactoseopron）結(jié)構(gòu)RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)調(diào)控基因（二）Lac阻遏物的作用---負(fù)調(diào)控Lac阻遏物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)調(diào)控機(jī)制（負(fù)調(diào)控）由基因I編碼生成的蛋白質(zhì)具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)具有4個(gè)相同亞基每個(gè)亞基中都有一與誘導(dǎo)劑結(jié)合的位點(diǎn)Lac阻遏物與O基因結(jié)合：結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉Lac阻遏物與誘導(dǎo)劑結(jié)合：不與O基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因開放

RNA聚合酶結(jié)合，轉(zhuǎn)錄開始生理性誘導(dǎo)劑實(shí)驗(yàn)常用誘導(dǎo)劑別位乳糖異丙基硫代半乳糖（IPTG）Lac操縱子誘導(dǎo)劑IOOρ誘導(dǎo)劑乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控圖15-4（三）CAP-cAMP復(fù)合物在乳糖操縱子表達(dá)中

的作用----乳糖操縱子的正調(diào)控低葡萄糖、高乳糖、高cAMP時(shí)：

Lac阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄,CAP+cAMP

加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄。葡萄糖存在時(shí)：優(yōu)先利用葡萄糖作為能源。與阻遏蛋白的存在有關(guān)

--乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控與cAMP有關(guān)：葡萄糖

cAMP

Lac操縱子（-）只有乳糖存在時(shí)：只能利用乳糖解除阻遏蛋白的作用CAP-cAMP復(fù)合物的激活作用

CAP+cAMP

乳糖操縱子導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄(正調(diào)控)cAMP

在原核生物中的作用（饑餓信號(hào)）CAP(分解物基因激活物蛋白):有二個(gè)相同亞基的蛋白質(zhì)一個(gè)與DNA結(jié)合的domain

一個(gè)與cAMP結(jié)合的domainIPOZYa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)移酶乳糖操縱子（lactoseopron）結(jié)構(gòu)RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)

CAP-cAMP復(fù)合物

在乳糖操縱子表達(dá)中的作用---正調(diào)控條件2:低乳糖條件3:低乳糖條件4:高葡萄糖低cAMP高乳糖

Lac阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí),CAP對(duì)該系統(tǒng)不發(fā)揮作用條件1:低葡萄糖高cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄時(shí),沒有CAP存在,也無高效轉(zhuǎn)錄活性。Lac阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄,CAP+cAMP

加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄。OOOOO圖原核生物基因表達(dá)的一般情況

（乳糖操縱子）環(huán)境條件的變化是相關(guān)基因表達(dá)的外界信號(hào)基因表達(dá)的負(fù)調(diào)控基因表達(dá)的正調(diào)控正、負(fù)調(diào)控協(xié)同表達(dá)葡萄糖、乳糖濃度的變化Lac阻遏物與操縱基因cAMP+CAP與相應(yīng)的DNA序列二、色氨酸操縱子

1.阻遏物對(duì)色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控

調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因

催化分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼?/p>

的酶

trpRtrp阻遏物對(duì)色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控

阻遏物+Trp

結(jié)合操縱基因相同二個(gè)共阻遏物亞基組成

的蛋白質(zhì)高Trp時(shí)：阻遏物+Trp

結(jié)合操縱基因低Trp時(shí)：阻遏物不結(jié)合操縱基因2.衰減作用對(duì)色氨酸操縱子的調(diào)控衰減子（attenuator）---DNA位于L基因中,離E基因5’端約30-60bp。通過衰減子（轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)）使轉(zhuǎn)錄終止。高Trp

時(shí)：衰減子起作用，終止轉(zhuǎn)錄。

產(chǎn)生“衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物”（mRNA)

轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián)，同時(shí)產(chǎn)生“前導(dǎo)肽”。

前導(dǎo)肽轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)圖15-6前導(dǎo)肽:在真核生物中指引導(dǎo)新合成的多肽到達(dá)特定的細(xì)胞器的肽段。在原核生物中指引導(dǎo)新合成的多肽從胞質(zhì)到外周質(zhì)的肽段。可存在于新合成多肽的N端或C端，常在引導(dǎo)任務(wù)完成后被切除。LeaderPeptide（前導(dǎo)肽）信號(hào)肽的一種，位于成熟蛋白的N端，引導(dǎo)蛋白穿膜，并且在后來被剪切掉。各種實(shí)驗(yàn)表明衰減作用需要負(fù)載色氨酸rRNA參與，這意味著前導(dǎo)序列的某些部分被翻譯了。分析前導(dǎo)序列發(fā)現(xiàn)，它包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA；如果翻譯起始于AUG，應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)含有14個(gè)氨基酸的多肽。這個(gè)假設(shè)的多肽被稱為前導(dǎo)肽。

前導(dǎo)肽的特點(diǎn)：在其第10和11位上有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子。這些密碼子參與了trp及其他操縱子中的轉(zhuǎn)錄弱化機(jī)制。前導(dǎo)肽含有較多的堿性氨基酸、羥基氨基酸，并容易形成α-螺旋結(jié)構(gòu)的能力，便于穿膜。原核生物轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián)圖15-8衰減作用的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)高色氨酸時(shí)低色氨酸時(shí)圖15-7發(fā)夾結(jié)構(gòu)環(huán)莖多個(gè)U高Trp時(shí)：Trp-tRNATrp

存在

核糖體通過片段1(2個(gè)Trp密碼子)

封閉片段2

片段3，4形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)類似于不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止序列

RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),產(chǎn)生前導(dǎo)肽低Trp時(shí)：Trp-tRNATrp

沒有供應(yīng)核糖體翻譯停止在片段1

（2個(gè)Trp密碼子）片段2，3

形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄不終止

RNA聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄

第三節(jié)真核生物基因表達(dá)的調(diào)控

一.真核生物調(diào)控的特征：真核生物基因表達(dá)的調(diào)控核心途徑：環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)染色質(zhì)活化轉(zhuǎn)錄的激活基因表達(dá)以正調(diào)控為主（激活蛋白激活靶基因）轉(zhuǎn)錄與翻譯在不同的亞細(xì)胞區(qū)域進(jìn)行二、參與基因調(diào)控的順式作用元件和

反式作用因子（一）順式作用元件真核生物DNA序列和被轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)基因距離較近包括：?jiǎn)?dòng)子（啟動(dòng)子上游近側(cè)序列）

增強(qiáng)子和轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)

(可影響自身編碼基因表達(dá)活性)1.啟動(dòng)子和啟動(dòng)子上游近側(cè)序列是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的DNA序列位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游按其對(duì)RNA聚合酶的影響分為兩類:位于較上游的元件，強(qiáng)烈影響轉(zhuǎn)錄起始

CAATbox，GCbox離轉(zhuǎn)錄點(diǎn)較近，起轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控作用

TATAbox去甲基化的CpG島對(duì)轉(zhuǎn)錄起始是必需的CpG島：基因的5’末端調(diào)控區(qū)存在一段富含成對(duì)的胞嘧啶、鳥嘧啶（CpG）的序列2.增強(qiáng)子一類能增強(qiáng)真核生物啟動(dòng)子功能的順式作用元件（DNA序列）增強(qiáng)子、啟動(dòng)子交錯(cuò)覆蓋/連續(xù)沒有增強(qiáng)子啟動(dòng)子不表現(xiàn)活性沒有啟動(dòng)子增強(qiáng)子無法發(fā)揮作用增強(qiáng)子作用不受序列方向的制約有組織特異性

3.反應(yīng)元件真核細(xì)胞處于某一特定環(huán)境時(shí)有反應(yīng)的基因具有相同的順式作用元件這一類順式作用元件--反應(yīng)元件（DNA序列）

特點(diǎn)：（１）具較短的保守序列

（２）與轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的距離不固定

（３）可位于啟動(dòng)子或增強(qiáng)子內(nèi)舉例：激素反應(yīng)元件（HRE）當(dāng)糖皮質(zhì)激素作用時(shí),真核細(xì)胞中有反應(yīng)的基因具有此類順式作用元件（二）反式作用因子

（轉(zhuǎn)錄因子，transcriptionfactor）一類在真核細(xì)胞核中發(fā)揮作用的蛋白質(zhì)因子反式作用因子

識(shí)別/結(jié)合順式作用元件中的靶序列啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄例：轉(zhuǎn)錄因子TFⅡD識(shí)別結(jié)合

TATAbox

轉(zhuǎn)錄因子SP1識(shí)別結(jié)合

GCbox

轉(zhuǎn)錄因子CTF1識(shí)別結(jié)合

CCAATbox反式因子有兩個(gè)必需的結(jié)構(gòu)域

DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域：與順式元件識(shí)別、結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域：與RNA聚合酶結(jié)合蛋白質(zhì)圖15-9反式作用因子（DNA結(jié)合域）結(jié)構(gòu)模式

--蛋白質(zhì)Helix-turn-helixα螺旋-β轉(zhuǎn)角-α螺旋最常見DNA結(jié)合域之一例：CAP(最早在原核生物中發(fā)現(xiàn)）α螺旋識(shí)別、進(jìn)入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大溝Zinc-fingers

鋅指最常見DNA結(jié)合域之一約有30個(gè)AA殘基其中4個(gè)AA殘基（2個(gè)Cys，2個(gè)His或4個(gè)Cys）配位鍵

Zn2+

鋅指與DNA雙螺旋大溝結(jié)合。存在于多種真核轉(zhuǎn)錄因子具多個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)123456789蛋白質(zhì)圖15-10圖15-11Leucine-zippers

亮氨酸拉鏈一段肽鏈中每隔7個(gè)AA

即有一個(gè)Leuα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)圖15-12圖15-13helix-loop-helix

螺旋-環(huán)-螺旋

α-螺旋有兼性形成二聚體有利于其與DNA結(jié)合二聚體

第三節(jié)

真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)

一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（一）基因組結(jié)構(gòu)龐大

（二）單順反子

指一個(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。

（三）重復(fù)序列

根據(jù)重復(fù)頻率分為：

高度重復(fù)序列（106次）

中度重復(fù)序列（103～104次）

單拷貝序列（<10次）

（四）基因不連續(xù)性

二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)

（一）RNA聚合酶

（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化

1、對(duì)核酸酶敏感

2、DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化

3、DNA堿基修飾變化

4、組蛋白變化

包括：(1)富含Lys組蛋白水平降低；

(2)H2A?H2B二聚體不穩(wěn)定性增加；(3)H3、H4組蛋白修飾：乙?；?、磷酸化及泛素化等。

（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)

真核基因組廣泛存在正性調(diào)節(jié)機(jī)制，原因有二：

（1）采用正性調(diào)節(jié)機(jī)制更有效；

（2）采用負(fù)性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟(jì)。

原因：真核RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子的親和力很低。

（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行

（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工

三、RNApolⅠ和pol