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1、第一讲基因表达与基因表达调控吕社民, Ph.DTel: 82657764Email: 12DNAreplication 3第一节第一节 基因表达的过程和特点基因表达的过程和特点第二节第二节 环境对基因表达的影响环境对基因表达的影响第三节第三节 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控第四节第四节 真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控第五节第五节 基因表达调控异常与疾病基因表达调控异常与疾病4基因表达（基因表达（gene expression） 是指基因所贮存的遗传信息通过转录是指基因所贮存的遗传信息通过转录（transcription）和翻译（）和翻译（translation）产生
2、具有生物功能的多肽和蛋白质的过程产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程 5第一节基因表达的过程和特点一、基因的转录一、基因的转录RNA的合成的合成 二、蛋白质的生物合成二、蛋白质的生物合成翻译翻译6复制和转录的区别复制和转录的区别模板模板原料原料酶酶产物产物配对配对两股链均复制两股链均复制模板链转录模板链转录dNTPNTPDNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶子代双链子代双链DNAmRNA, tRNA, rRNAA-T,G-CA-U,T-A,G-C复复 制制 转转 录录7复制和转录的比较复制和转录的比较 多核苷酸链的合成方向都是多核苷酸链的合成方向都是53 在在3-OH末端与加入的核苷酸形成磷酸二
3、酯键末端与加入的核苷酸形成磷酸二酯键不同点不同点类似点类似点 对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因， 而且每个基因的转录都受到相对独立的控制而且每个基因的转录都受到相对独立的控制 转录是不对称的转录是不对称的 转录时不需要引物转录时不需要引物 RNA链的合成是连续的链的合成是连续的8 定义定义转录是以转录是以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程mRNA、tRNA、rRNA、小分子、小分子RNA 转录产物转录产物一、基因的转录一、基因的转录9 1. . 转录的转录的体系体系 原核细胞原核细胞 全酶（全酶（holoenzyme）2真核细胞真
4、核细胞 RNA聚合酶聚合酶I RNA聚合酶聚合酶II RNA聚合酶聚合酶III 模板模板DNA 原料原料ATP、CTP、GTP、UTP RNA聚合酶聚合酶（一）基因转录的基本方式（一）基因转录的基本方式10结构基因结构基因结构基因结构基因模板链，反意义链，模板链，反意义链，Waston 链链编码链，有意义链，编码链，有意义链，编码链，有意义链，编码链，有意义链，Crick Crick 链链链链5335RNA合成中的合成中的 DNA模板模板11Transcription5GATCTGACTGACATAGACATAGAT3coding(=non-template)strand3CTAGACTGAC
5、TGTATCTGTATCTA5templatestrand5GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU3mRNA 12E.coli RNA聚合酶全酶聚合酶全酶 (holoenzyme) 的结构的结构 决定被转录的基因决定被转录的基因识别转录起始点识别转录起始点结合结合DNA模板模板与转录全过程有关与转录全过程有关核心酶核心酶13 RNA-pol I 核仁核仁 45S-rRNA 不敏感不敏感 RNA-pol II 核质核质 hnRNA 低浓度敏感低浓度敏感RNA-pol III 核质核质 5S-rRNA,tRNA,snRNA 高浓度敏感高浓度敏感Mt RNA-pol 线粒体线粒体 线粒体线
6、粒体RNAs 不敏感不敏感 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶种类种类 细胞内定位细胞内定位 转录产物转录产物 对抑制剂鹅膏对抑制剂鹅膏 蕈碱反应蕈碱反应14 ( (二二) )转录的过程转录的过程 1. . 起始起始原核细胞原核细胞RNA聚合酶与启动子相互作用聚合酶与启动子相互作用真核细胞真核细胞RNA聚合酶、反式作用因子与顺聚合酶、反式作用因子与顺式元件相互作用式元件相互作用拼板理论拼板理论15DNA原核生物启动子原核生物启动子5335TTGACATATAAT10bp15bp Start of transcriptionPribnow boxPribnow boxRNA polymera
7、se-35区区-10区区+1+116DNA5335真核生物启动子真核生物启动子 Start of transcription TATA10bpTATA boxHogness boxCCAATGCGCCAAT boxGC box -70区区 -25区区 +1 RNA polymerase17 2. .延伸延伸核心酶催化核心酶催化 磷酸化的磷酸化的RNARNA聚合酶催聚合酶催化，核小体解聚化，核小体解聚原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞183. . 终止终止原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞结合富含结合富含C的的RNA区段，发区段，发挥挥ATP酶及解螺旋酶活性酶及解螺旋酶活性 转录终止的修饰点处切离并
8、加尾转录终止的修饰点处切离并加尾转录终止的修饰点处切离并加尾转录终止的修饰点处切离并加尾依赖依赖因子因子不依赖不依赖因子因子RNA 3 端形成茎环结构端形成茎环结构19RNA-polRNA-pol5 5 33 DNADNARNARNA polyC polyC因子和因子和因子和因子和RNARNA转录产物结合转录产物结合转录产物结合转录产物结合RNARNA聚合酶构象改变引起转录终止聚合酶构象改变引起转录终止聚合酶构象改变引起转录终止聚合酶构象改变引起转录终止20（三）转录后加工原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞tRNAtRNA和和和和rRNArRNA需加工，需加工，需加工，需加工，mRNAmRNA不
9、需加工不需加工不需加工不需加工tRNAtRNA、rRNArRNA和和和和mRNAmRNA均需加工均需加工均需加工均需加工1. . 原核细胞和真核细胞的差异原核细胞和真核细胞的差异212. 真核生物mRNA的转录后加工 5 端加帽端加帽转录未终止时加入转录未终止时加入m7G5ppp，与稳，与稳定定mRNA及翻译起始有关及翻译起始有关5pppG5pGppi5GpppGpppG pi甲基化酶甲基化酶mGpppG磷酸酶磷酸酶CH322核酸酶核酸酶 poly(A)3-OH引入引入100-200bp A真核基因真核基因3端端AATAA切除切除3尾尾1025碱基碱基3 端加尾端加尾加尾信号处切离加尾信号处切
10、离,并加并加poly (A)，与稳，与稳定定mRNA及翻译效率有关及翻译效率有关23 剪接（剪接（splicing） 由小分子细胞核内核蛋白颗粒由小分子细胞核内核蛋白颗粒（snRNP）去除核不均一）去除核不均一RNA（hnRNA）中的内含子转录序列中的内含子转录序列24 通过不同剪接方式选择性使用外显子，合成功通过不同剪接方式选择性使用外显子，合成功能不同而结构只有微小差异的蛋白质能不同而结构只有微小差异的蛋白质选择性剪接选择性剪接25 RNA编辑 （RNA editing） RNA编辑是对编辑是对mRNA前前体的序列进行的改编，在体的序列进行的改编，在mRNA前体分子的碱基序列前体分子的碱基
11、序列中中 C被被U取代，取代，A被被G取代，取代，使成熟使成熟mRNA的序列与基因的序列与基因组组DNA序列不同序列不同26成熟成熟mRNA蛋白质蛋白质细胞核细胞核细胞质细胞质3. 真核生物成熟真核生物成熟mRNA的运输的运输信使核糖核蛋白颗粒信使核糖核蛋白颗粒(mRNP)27二、蛋白质的生物合成翻译 以特定核苷酸序列的以特定核苷酸序列的mRNA为模板，合成相应为模板，合成相应氨基酸序列的多肽链，即将带有遗传信息的核苷氨基酸序列的多肽链，即将带有遗传信息的核苷酸顺序转换为氨基酸顺序的过程酸顺序转换为氨基酸顺序的过程 组成蛋白质的氨基酸由其特定的组成蛋白质的氨基酸由其特定的tRNA携带和携带和转
12、运，在核蛋白体上按照模板转运，在核蛋白体上按照模板mRNA所提供的编所提供的编码信息合成具有特定序列的多肽链码信息合成具有特定序列的多肽链28( (一一) ) 翻译的体系翻译的体系( (二二) ) 翻译的基本过程翻译的基本过程( (三三) ) 肽链翻译后的加工修饰肽链翻译后的加工修饰( (四四) ) 蛋白质的分拣与转运蛋白质的分拣与转运 29( (一一) ) 翻译的体系翻译的体系 模板模板 mRNA 氨基酸运输氨基酸运输 tRNA肽链合成场所肽链合成场所 核糖体（核糖体（rRNA+蛋白质）蛋白质）蛋白质因子蛋白质因子 起始、延长、终止因子起始、延长、终止因子原料原料 20种有遗传密码的氨基酸种
13、有遗传密码的氨基酸30 模板模板 mRNA mRNA是翻译的直接模板是翻译的直接模板 mRNA的寿命一般较短的寿命一般较短 编码单个蛋白或多个蛋白编码单个蛋白或多个蛋白 mRNA具有方向性，从具有方向性，从5端到端到3端。端。 对应肽链从氨基端到羧基端对应肽链从氨基端到羧基端 3个核苷酸构成个核苷酸构成1个密码子，指令氨基酸个密码子，指令氨基酸31 连续性连续性 简并性简并性 通用性通用性 摆动性摆动性 方向性方向性密码子特点密码子特点遗传密码表遗传密码表32由氨基酰由氨基酰-tRNA合成酶催化与氨合成酶催化与氨基酸的连接基酸的连接 氨基酸运输氨基酸运输 tRNAT C 环环反密码子反密码子氨
14、基酸臂氨基酸臂额外环额外环 (可变的可变的)DHU 环环具有绝对专一具有绝对专一性和校正功能性和校正功能运输氨基酸运输氨基酸33肽链合成场所肽链合成场所 核糖体（核糖体（rRNA+蛋白质）蛋白质）原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞30S: 16S rRNA和和21种蛋白质种蛋白质50S: 5S、23S rRNA和和34种蛋白质）种蛋白质） 40S: 18S 40S: 18S rRNA和和和和3333种蛋白质种蛋白质种蛋白质种蛋白质 60S: 5S 60S: 5S、5.8S5.8S、28S 28S rRNA和和和和4949种种种种 蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质70S80S34蛋白质因子蛋白质因子 名称
15、名称原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞IF1, IF2, IF3eIFn (10余种余种)延长因子延长因子EFTu, EFTs, EFGEF1(, , ), EF2释放因子释放因子RF1, RF2, RF3eRF起始因子起始因子35 原料原料 20种有遗传密码的氨基酸种有遗传密码的氨基酸原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞起始氨基酸为起始氨基酸为N-甲酰蛋氨酸甲酰蛋氨酸 （密码子（密码子AUG、GUG、UUG）起始氨基酸为蛋氨酸（密码子起始氨基酸为蛋氨酸（密码子AUG）36氨基酸氨基酸+ATP+tRNA氨基酰氨基酰tRNA +AMP+PPi氨基酸的活化与转运氨基酸的活化与转运氨基酰氨基酰tRNA的表
16、示方法的表示方法ala-tRNAala-tRNAalaalamet-tRNAmet-tRNAe emetmetarg-tRNAarg-tRNAargargmet-tRNAmet-tRNAi imet met 真核细胞起始用蛋氨酰真核细胞起始用蛋氨酰tRNA真核细胞延伸用蛋氨酰真核细胞延伸用蛋氨酰tRNAfmet-tRNAifmet-tRNAimetmet 原核细胞延伸用甲酰蛋氨酰原核细胞延伸用甲酰蛋氨酰tRNA371.一种氨基酸可由一种氨基酸可由一种氨基酸可由一种氨基酸可由2-62-6种种种种tRNAtRNA特异地运载特异地运载特异地运载特异地运载2.tRNAtRNA的总数（的总数（的总数（的
17、总数（40-5040-50）大于氨基酸的数目）大于氨基酸的数目）大于氨基酸的数目）大于氨基酸的数目3.氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰tRNAtRNA合成酶具有高度特异性（副密码子）合成酶具有高度特异性（副密码子）合成酶具有高度特异性（副密码子）合成酶具有高度特异性（副密码子）4.氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰tRNAtRNA合成酶具有校读活性合成酶具有校读活性合成酶具有校读活性合成酶具有校读活性5.真核生物携带蛋氨酸的真核生物携带蛋氨酸的真核生物携带蛋氨酸的真核生物携带蛋氨酸的tRNAtRNA有两种，分别为有两种，分别为有两种，分别为有两种，分别为tRNAtRNAi imetmet和和和和tRNAtRNA
18、e emetmet6.原原原原核生物核生物核生物核生物AUGAUG只能辨认甲酰化的蛋氨酸只能辨认甲酰化的蛋氨酸只能辨认甲酰化的蛋氨酸只能辨认甲酰化的蛋氨酸氨基酸的活化与转运特点氨基酸的活化与转运特点38 （二）翻译的基本过程1.起始起始 形成翻译起始复合物形成翻译起始复合物2.延长延长 指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位3.终止终止 原核细胞原核细胞 RF1, RF2识别终止密码，识别终止密码，RF3激活转激活转 肽酶释放肽链肽酶释放肽链 真核细胞真核细胞 eRF同时具有上述功能同时具有上述功能39大小亚基的拆分大小亚基的拆分大小亚基的拆分大小亚基的拆分m
19、RNAmRNA与小亚基结合与小亚基结合与小亚基结合与小亚基结合fmet-tRNAfmet-tRNA的结合的结合的结合的结合核糖体大亚基结合核糖体大亚基结合核糖体大亚基结合核糖体大亚基结合翻译起始复合物形成过程翻译起始复合物形成过程1.起始起始4030SmRNAfMettRNAfmetGTPIF2 IF3IF1 +mRNA70S核糖体核糖体+IF3+IF1 30S小亚基小亚基IF3 IF1+50S大亚基大亚基fMet tRNAfmet +GTP+IF2 fMettRNAfmetIF2GTP+ 50SIF2IF1IF3 GDP70SmRNAfMettRNAfmet70S 起始复合物的形成起始复合物
20、的形成411. 特异的起始特异的起始tRNA2. mRNA有有5端帽子结构和端帽子结构和3 尾巴。尾巴。2种帽子结合种帽子结合 蛋白（蛋白（CBP）参与参与mRNA与核蛋白体小亚基结合与核蛋白体小亚基结合3. 起始阶段起始阶段,eIF2与与met-tRNA及及GTP结合形成复结合形成复 合物，合物， eIF2是翻译所必须的因子是翻译所必须的因子真核生物翻译起始真核生物翻译起始4240S Met tRNAimet GTP80S核蛋白体核蛋白体+eIF3 40S小亚基小亚基eIF3 +60S大亚基大亚基MettRNAimet +GTP+e+eIFIF2 2 MettRNAfmeteIF2GTP80
21、S Met tRNAfmet mRNA80S 起始复合物起始复合物40S mRNA Met tRNAimet GTPeIF4CeIF4C+ mRNAeIF4A,4B,4E,4FeIF4A,4B,4E,4F+ 60SeIF2,3,4C,5eIF2,3,4C,5eIF4DeIF4D80S 起始复合物的形成起始复合物的形成432.延长延长进位、成肽和转位三个阶段进位、成肽和转位三个阶段核核糖糖体体循循环环P P位：给位或肽位位：给位或肽位位：给位或肽位位：给位或肽位 Donor site or Donor site or P Peptidyl siteeptidyl siteA A位：受位或氨基酰位
22、位：受位或氨基酰位位：受位或氨基酰位位：受位或氨基酰位 Acceptor site or Acceptor site or A Aminoacyl siteminoacyl site进位进位成肽成肽转位转位核糖体小亚基核糖体小亚基PAmRNAA U G U U A G G U C C C A A C A G C A U CU A C核糖体大亚基核糖体大亚基tRNAA A UtRNA蛋蛋亮亮PAmRNAA U G U U C G G U C C C A A C A G C A U CU A C A A G蛋蛋亮亮PAmRNAA U G U U C G G U C C C A A C A G C
23、A U CA A G亮亮蛋蛋443.终止终止释放因子（释放因子（RF）辨认终止密码辨认终止密码RF3激活转肽酶，催化激活转肽酶，催化P位上的肽与位上的肽与tRNA解离解离在在释放因子（释放因子（RR）的作用下，的作用下，tRNA，mRNA和和RF从核糖体上解离，在从核糖体上解离，在IF的作用下核糖体自身分的作用下核糖体自身分解为大小亚基。解为大小亚基。45（三）肽链翻译后的加工修饰 1. . 一级结构修饰一级结构修饰 去掉去掉N-甲酰基、甲酰基、N-蛋氨酸或蛋氨酸或N端序列端序列 个别氨基酸的修饰（羟化、磷酸化、个别氨基酸的修饰（羟化、磷酸化、 形成形成-S-S-等）等） 多蛋白（多蛋白（po
24、lyprotein）的水解修饰）的水解修饰462. . 空间结构修饰空间结构修饰 折叠成天然构象折叠成天然构象 分子伴侣（分子伴侣（molecular chaperon）帮助新生多）帮助新生多 肽链折叠成高级结构的一类蛋白质肽链折叠成高级结构的一类蛋白质 亚基聚合亚基聚合 辅基的结合（如糖基化等）辅基的结合（如糖基化等）47(四)蛋白质的分拣与转运 1. 分拣（分拣（sorting） 分拣信号分拣信号蛋白质的一级结构或高级结构中存在被分配到目的地的信息蛋白质的一级结构或高级结构中存在被分配到目的地的信息蛋白质的一级结构或高级结构中存在被分配到目的地的信息蛋白质的一级结构或高级结构中存在被分配到
25、目的地的信息细胞核：细胞核： 核定位信号（富含碱性氨基酸）核定位信号（富含碱性氨基酸） 各种细胞器：各种细胞器： 细胞器定位信号细胞器定位信号 分泌至细胞外：分泌至细胞外：信号肽（信号肽（signal peptide） 碱性氨基酸疏水氨基酸剪切位点碱性氨基酸疏水氨基酸剪切位点48 翻译转运同步（如多数分泌性蛋白）翻译转运同步（如多数分泌性蛋白） 翻译后转运（如核翻译后转运（如核DNA编码的线粒体蛋白）编码的线粒体蛋白）2. 转运转运靶向运输靶向运输分泌至胞外分泌至胞外留在胞浆内留在胞浆内进入核内或进入核内或其他细胞器其他细胞器穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质为分泌性蛋白穿过合成所在的
26、细胞到其它组织细胞去的蛋白质为分泌性蛋白49蛋白质合成的调节蛋白质合成的调节四环素类，抑制原核氨基四环素类，抑制原核氨基酰酰tRNA与核糖体结合与核糖体结合氯霉素类，阻断延长，原核氯霉素类，阻断延长，原核链霉素类，改变构象，原核链霉素类，改变构象，原核嘌呤霉素，竞争抑制酪嘌呤霉素，竞争抑制酪氨酰氨酰tRNA, 原核真核原核真核放线菌酮，放线菌酮，抑制转肽酶，真核抑制转肽酶，真核50抑制蛋白质合成的生物活性物质抑制蛋白质合成的生物活性物质1.白喉毒素白喉毒素(DT)：对：对EF2进行修饰而失活进行修饰而失活2.干扰素干扰素(IF)：-IF,-IF,-IF3. 诱导并激活一种蛋白激酶，使诱导并激活
27、一种蛋白激酶，使eIF2磷酸化而磷酸化而失活失活,使病毒蛋白的合成受到抑制；此外，还使病毒蛋白的合成受到抑制；此外，还可诱导产生一种可诱导产生一种RNA内切酶，破坏病毒内切酶，破坏病毒RNA51第二节 环境对基因表达的影响一、外环境因素对基因表达的影响一、外环境因素对基因表达的影响二、基因表达时空调控二、基因表达时空调控三、基因表达调控的基本原理三、基因表达调控的基本原理 52一、外环境因素对基因表达的影响 原核生物基因表达原核生物基因表达 环境压力形成了特殊的表达方式环境压力形成了特殊的表达方式环境压力形成了特殊的表达方式环境压力形成了特殊的表达方式 该表达方式对环境有高度适应性应变能力该表
28、达方式对环境有高度适应性应变能力该表达方式对环境有高度适应性应变能力该表达方式对环境有高度适应性应变能力 53 大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源，葡萄大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源，葡萄糖、乳糖、果糖等等糖、乳糖、果糖等等 但大肠杆菌优先利用葡萄糖。当环境中的但大肠杆菌优先利用葡萄糖。当环境中的葡萄糖缺乏时，开始利用乳糖或其它糖。葡萄糖缺乏时，开始利用乳糖或其它糖。 1960年，法国科学家年，法国科学家Jacob- Monod提出提出操操纵元模型纵元模型 乳糖操纵元（乳糖操纵元（Lactose Operon )54 乳糖操纵子组成组成结构基因（结构基因（z、y、a ）调控元件（启动子，操纵基因）
29、调控元件（启动子，操纵基因）调控方式调控方式葡萄糖充足时，阻遏物与操纵基因结合葡萄糖充足时，阻遏物与操纵基因结合, ,阻碍阻碍RNA聚聚合酶对下游三个结构基因的转录。合酶对下游三个结构基因的转录。 葡萄糖不足时，利用乳糖去阻遏物葡萄糖不足时，利用乳糖去阻遏物, ,允许允许RNA聚合聚合酶对下游三个结构基因的转录。酶对下游三个结构基因的转录。55大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子(lac operon) 的调节的调节56真核生物基因表达 外环境比原核生物优越外环境比原核生物优越 主要受内环境变化的影响主要受内环境变化的影响 ( (有些细胞的基因表达也会受到环境变化的影响有些细胞的基因表达也会受
30、到环境变化的影响) )57二、基因表达的时空调控调控对象调控对象可调节基因（可调节基因（regulated gene），是特），是特定时空条件下特异性表达的基因定时空条件下特异性表达的基因调控特点调控特点阶段特异性（时间特异性）阶段特异性（时间特异性）组织特异性（空间特异性）组织特异性（空间特异性）生物学意义生物学意义分化与发育分化与发育适应环境适应环境58 多细胞生物不同组织细胞中的基因组是相同的多细胞生物不同组织细胞中的基因组是相同的 不同细胞表达不同基因不同细胞表达不同基因 同一细胞不同的发育阶段，表达不同基因同一细胞不同的发育阶段，表达不同基因 同一种细胞中不同基因表达水平不同同一种细
31、胞中不同基因表达水平不同 丰富丰富mRNA(高高丰度丰度) 稀少稀少mRNA(低低丰度丰度)基因差异表达特征基因差异表达特征基因差异表达是多细胞生物进化的结果基因差异表达是多细胞生物进化的结果, ,是细胞活动分工的基础是细胞活动分工的基础59三、基因表达调控的基本原理三、基因表达调控的基本原理基因表达调控的环节基因表达调控的环节基因转录的调控基因转录的调控蛋白质合成的调控蛋白质合成的调控60DNA元件元件原核生物：原核生物：启动序列、操纵序列启动序列、操纵序列 真核生物：真核生物：启动子、增强子、抑制子启动子、增强子、抑制子 顺式作用元件顺式作用元件特异特异DNA序列序列 基因表达调控的因素基
32、因表达调控的因素蛋白分子蛋白分子真核生物：真核生物： 转录因子转录因子原核生物原核生物：RNA聚合酶特异因子、聚合酶特异因子、 阻遏蛋白、激活蛋白阻遏蛋白、激活蛋白转录因子转录因子反式作用因子反式作用因子基本转录因子基本转录因子增强子结合因子增强子结合因子抑制子结合因子抑制子结合因子61第三节 原核生物基因表达的调控 特点特点 转录与翻译紧密偶联转录与翻译紧密偶联操纵子是主要调节机制操纵子是主要调节机制多顺反子多顺反子mRNA阻遏蛋白介导的负性调节为主阻遏蛋白介导的负性调节为主转录起始是调节的关键转录起始是调节的关键62调节层次 转录水平调节转录水平调节 起始调节是关键起始调节是关键 依靠操纵
33、子依靠操纵子(operon)(operon)与阻遏蛋白与阻遏蛋白( (负负) )、激活蛋、激活蛋 白白( (正正) )的相互作用的相互作用63阻遏蛋白对大肠杆菌乳糖操纵子的负调节阻遏蛋白对大肠杆菌乳糖操纵子的负调节64激活蛋白对阿拉伯糖启动子的正调节激活蛋白对阿拉伯糖启动子的正调节 无阿拉伯糖时，无阿拉伯糖时，AraC同二聚体同二聚体与与O2和和I1结合，结合，BAD基因不发生基因不发生转录转录 有阿拉伯糖时，有阿拉伯糖时，AraC用另一种用另一种方式形成二聚体方式形成二聚体与与I1和和I2结合，结合，从而激活从而激活BAD基基因转录因转录65转录终止调节转录终止调节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子
34、trp operon依赖依赖因子或者依赖转录产物因子或者依赖转录产物3 端发夹结构，端发夹结构， 使转录过早终止，称为衰减（使转录过早终止，称为衰减（attenuation）66有色氨酸时，转录过有色氨酸时，转录过早终止，只生成先导早终止，只生成先导mRNA色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trp operon）表达的衰减）表达的衰减缺色氨酸时，缺色氨酸时，转录完全，生转录完全，生成全长成全长mRNA67翻译调节 稀有密码子对翻译影响稀有密码子对翻译影响 主要影响翻译的速度主要影响翻译的速度 mRNA的的5端或端或3端形成发夹结构，可防止被外切酶水端形成发夹结构，可防止被外切酶水解，延长其寿命解，延
35、长其寿命 翻译阻遏翻译阻遏反义反义RNA（antisense RNA）阻碍核糖体与靶）阻碍核糖体与靶mRNA结合结合 mRNA稳定性对翻译的影响稳定性对翻译的影响 调节蛋白竞争调节蛋白竞争mRNA的核糖体结合位点的核糖体结合位点68Regulation of Gene Expression in Eukaryotes第四节真核基因表达调控691970年年，猿猿猴猴病病毒毒40(simianvirus40,SV40）的的生生命命周周期期被被确确定定为为早早、晚晚两两个个阶阶段段，使使它它们们成成为为基基因因表表达达调调控控的典型模型。的典型模型。1975年年D.Pribonow发现发现T7启动子
36、序列。启动子序列。1982年年C.Benoist和和P.Chambon揭揭示示了了SV40的的早早期期启启动动子序列。子序列。1983年年，W.S.Dynan和和R.Tjian分分离离、鉴鉴定定了了真真核核转转录录因子因子AP1。1986年年，J.Clarke和和Chambon两两个个实实验验室室同同时时报报告告了了SV40增强子的多功能元件组成。增强子的多功能元件组成。1990年代，信号转导年代，信号转导-基因转录偶联机制成为热点课题基因转录偶联机制成为热点课题。707172I.I.真核基因表达调控的特征真核基因表达调控的特征Features of Eukaryotic Gene Regul
37、ation73一、顺式作用元件是决定真核基因转录活性的关键因素之一exon1intron1exonnintronn上游上游下游下游转录起始点转录起始点增强子增强子沉默子沉默子启动子启动子TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒增强子增强子74（一） 启动子是RNA聚合酶结合并启动 基因转录的特异DNA序列 真真真真核核核核基基基基因因因因的的的的启启启启动动动动子子子子指指指指的的的的是是是是RNARNA聚聚聚聚合合合合酶酶酶酶（RNARNApolymerasepolymerase，RNARNAPolPol）识识识识别别别别、结结结结合合合合的的的的基基基基因因因因转转转转录录录录调调调调控控控控区区
38、区区中中中中启启启启动动动动基基基基因因因因转转转转录录录录的的的的一一一一段段段段特特特特异异异异DNADNA序序序序列列列列，包包包包含含含含一一一一组组组组转转转转录录录录调调调调控控控控功功功功能能能能组组组组件件件件，其其其其中中中中每每每每一一一一个个个个功功功功能能能能组组组组件件件件的的的的DNADNA序列约序列约序列约序列约720bp720bp。 75TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒增强子增强子顺式作用元件顺式作用元件结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列761.近起始点的近起始点的TATA盒盒/起始子及起始
39、子及CpG岛岛是真核生物启动子的核心序列是真核生物启动子的核心序列真真核核细细胞胞的的启启动动子子是是包包括括转转录录起起始始点点（transcriptioninitiationsite或或transcriptionstartsite）在在内内的的、有有通通用用转转录因子及录因子及RNA聚合酶组装、结合的一段聚合酶组装、结合的一段DNA序列。序列。典典型型的的启启动动子子核核心心序序列列（coresequences）是是在在转转录录起起始始位位点点上上游游2535bp处处，有有一一保保守守的的TATA序序列列，被被称称为为TATA盒盒（TATAbox），真真核核细细胞胞的的TATA盒盒多多为为
40、TATAAAA序序列列。TATA盒盒与与原原核核细细胞胞的的启启动动子子一一样样，对对RNA聚聚合合酶酶II的的转转录录起始位点起起始位点起定位定位作用。作用。77|一一些些真真核核细细胞胞基基因因含含有有另另一一种种启启动动子子元元件件，称称为为起始子起始子(initiator,Inr)，决定启动子的强度。决定启动子的强度。|起起始始子子共共有有序序列列为为：（5 ）Y-Y-A+1-N-T/A-Y-Y-Y（3 ）；Y代代表表胞胞嘧嘧啶啶C或或胸胸腺腺嘧嘧啶啶T，N代表任意碱基，代表任意碱基，T/A代表代表T或或A。78u有有一一些些编编码码蛋蛋白白质质基基因因的的转转录录可可有有多多个个起起
41、始始点点，可产生含不同可产生含不同5 末端的末端的mRNA。u它它们们不不含含TATA盒盒或或起起始始子子，多多在在起起始始位位点点上上游游约约100bp内内含含有有20 50个个核核苷苷酸酸的的CG序序列列，被称做被称做CpG岛（岛（CpGisland）。u这这些些基基因因大大多多为为低低转转录录基基因因，编编码码中中间间代代谢谢酶酶的管家基因。的管家基因。792.启动子中的上游元件协助真核基因调节启动子中的上游元件协助真核基因调节GC盒盒(GCbox)(GGGCGG)CAAT盒盒(CAATbox)(GCCAAT)u启动子上游元件（启动子上游元件（promoter-proximaleleme
42、nts,或或upstreampromoterelements）是一些位于是一些位于TATA盒盒上游的上游的DNA序列，与调节蛋白结合，调节通用转录序列，与调节蛋白结合，调节通用转录因子与因子与TATA盒的结合、盒的结合、RNA聚合酶与启动子的结聚合酶与启动子的结合，以及转录起始复合物的形成，从而决定基因的合，以及转录起始复合物的形成，从而决定基因的转录效率与专一性。转录效率与专一性。u常见的序列是：常见的序列是：80( (二）增强子决定基因的时空特异性表达二）增强子决定基因的时空特异性表达增强子（增强子（enhancer）是是能能够够结结合合特特异异基基因因调调节节蛋蛋白白，促促进进邻邻近近或
43、或远远隔隔特特定定基基因因表表达达的的DNA序序列列；在在酵酵母母中中，被被称称为为上上游游活活化化序序列列（upstreamactivatorsequences,UASs）。增强子的作用通常与其所处的位置和方向无关。增强子的作用通常与其所处的位置和方向无关。81增增强强子子距距转转录录起起始始位位点点的的距距离离变变化化很很大大，从从100nt到到50,000nt，甚甚至至更更大大。但但总总是是作作用用于于最最近近的的启动子。启动子。增强子所处位置增强子所处位置在在所所调调控控基基因因的的上上游游或或下下游游，但但主主要要位位于于上上游游。下下游游内内含含子子当当中中，乃乃至至下下游游最最后
44、后外外显显子子以以外外的的序序列也可含有增强子。列也可含有增强子。很多哺乳动物基因受一个以上的增强子调控。很多哺乳动物基因受一个以上的增强子调控。82（三）沉默子阻遏基因转录沉默子沉默子沉默子沉默子(silencer)(silencer)是指某些真核基因转录调控是指某些真核基因转录调控是指某些真核基因转录调控是指某些真核基因转录调控区中抑制或阻遏基因转录的一段（数百区中抑制或阻遏基因转录的一段（数百区中抑制或阻遏基因转录的一段（数百区中抑制或阻遏基因转录的一段（数百bpbp）DNADNA序序序序列。沉默序列促进局部列。沉默序列促进局部列。沉默序列促进局部列。沉默序列促进局部DNADNA的染色质
45、形成致密结构，的染色质形成致密结构，的染色质形成致密结构，的染色质形成致密结构，从而阻止转录激活因子结合从而阻止转录激活因子结合从而阻止转录激活因子结合从而阻止转录激活因子结合DNADNA，是基因转录的负，是基因转录的负，是基因转录的负，是基因转录的负性调节因素。性调节因素。性调节因素。性调节因素。83二、反式作用因子和顺式作用蛋白 是真核基因的转录调节蛋白n n在在在在真真真真核核核核细细细细胞胞胞胞核核核核中中中中，有有有有许许许许多多多多蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质能能能能够够够够帮帮帮帮助助助助RNARNA聚聚聚聚合合合合 酶酶酶酶 转转转转 录录录录 RNARNA。 这这这这 类类类类
46、蛋蛋蛋蛋 白白白白 质质质质 统统统统 称称称称 转转转转 录录录录 因因因因 子子子子（transcriptiontranscription factorsfactors，TFTF）或或或或转转转转录录录录调调调调节节节节蛋蛋蛋蛋白白白白（transcriptionregulatoryproteintranscriptionregulatoryprotein）。）。）。）。n n以以以以反反反反式式式式作作作作用用用用方方方方式式式式调调调调节节节节基基基基因因因因转转转转录录录录的的的的转转转转录录录录因因因因子子子子称称称称为为为为反反反反式式式式作作作作用用用用因因因因子子子子（tra
47、ns-actingtrans-actingfactorfactor），以以以以顺顺顺顺式式式式作作作作用用用用方方方方式式式式调调调调节节节节基基基基因因因因转转转转录录录录的的的的转转转转录录录录因因因因子子子子称称称称为为为为顺顺顺顺式式式式作作作作用用用用蛋蛋蛋蛋白白白白（cis-actingproteincis-actingprotein） 。84cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节mRNAC蛋白质蛋白质CBAmRNA蛋白质蛋白质AA85（一）（一）Pol转录需要基本转录因子和特异转录需要基本转录因子和特异转录因子转录因子*基本转录因子基本转录因子(generaltran
48、scriptionfactors)是是RNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组蛋蛋白白因因子子，决决定定三三种种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。86*特异转录因子特异转录因子(specialtranscriptionfactors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定该该基基因因的的时间、空间特异性表达。时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子87转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）谷氨酰胺
49、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88（二）转录因子含有不同的DNA结合域n n螺旋螺旋螺旋螺旋- -转角转角转角转角- -螺旋螺旋螺旋螺旋是转录因子中的常见的是转录因子中的常见的是转录因子中的常见的是转录因子中的常见的DNADNA结合域结合域结合域结合域 n n同源异型域结构同源异型域结构同源异型域结构同源异型域结构与与与与HTHHTH结构域类似结构域类似结构域类似结构域类似 n n锌指结构锌指结构锌指结构锌指结构是一类含锌离子转录因子的是一类含锌离子转录因子的是一类含锌离子转录因子的是一类含锌离子转录因子的DNADNA结合域结合域结合域结合域 n n亮氨酸拉链
50、亮氨酸拉链亮氨酸拉链亮氨酸拉链结构域既可介导结合结构域既可介导结合结构域既可介导结合结构域既可介导结合DNADNA又可介导蛋白又可介导蛋白又可介导蛋白又可介导蛋白质二聚体化质二聚体化质二聚体化质二聚体化 n n碱性螺旋碱性螺旋碱性螺旋碱性螺旋- -环环环环- -螺旋螺旋螺旋螺旋结构域也可同时介导结合结构域也可同时介导结合结构域也可同时介导结合结构域也可同时介导结合DNADNA和和和和蛋白质二聚体化蛋白质二聚体化蛋白质二聚体化蛋白质二聚体化 89螺旋螺旋-回折回折-螺旋螺旋（helix-turn-helix，HTH）同源异型域同源异型域（homeodomain，HD）识别识别螺旋螺旋DNA大沟大
51、沟DNA小沟小沟螺旋螺旋1N端端DNA大沟大沟螺旋螺旋390 锌指结构是一类含锌的锌指结构是一类含锌的DNADNA结合蛋白质模体结合蛋白质模体C2H2型锌指（型锌指（Zincfinger）91反向平行反向平行片层片层DNA大沟大沟螺旋螺旋Zn292亮氨酸拉链同时调节亮氨酸拉链同时调节DNA结合与蛋白质二聚体化结合与蛋白质二聚体化LeuLeuLeuLeuLeuLeuLeuLeuDNA大沟大沟DNA大沟大沟亮氨酸拉链亮氨酸拉链（leucinezipper）93碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋结构也可调节螺旋结构也可调节DNA结合及蛋结合及蛋白质二聚体化白质二聚体化碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋（ba
52、sichelix-loop-helix，bHLH）bHLH双体双体DNA大沟大沟螺螺旋旋螺旋螺旋环环94（三）转录因子含有不同的转录激活域n n富含谷氨酰胺的转录激活域富含谷氨酰胺的转录激活域 n n富含脯氨酸的转录激活域富含脯氨酸的转录激活域 n n酸性氨基酸转录激活域酸性氨基酸转录激活域 95三、正性调节占主导的真核基因表达调控机制更加复杂* *不不不不同同同同的的的的DNADNA元元元元件件件件组组组组合合合合可可可可产产产产生生生生多多多多种种种种类类类类型型型型的的的的转转转转录录录录调调调调节节节节方式；方式；方式；方式；* *多种转录因子又可结合相同或不同的多种转录因子又可结合相
53、同或不同的多种转录因子又可结合相同或不同的多种转录因子又可结合相同或不同的DNADNA元件；元件；元件；元件；* *转转转转录录录录因因因因子子子子与与与与DNADNA元元元元件件件件结结结结合合合合后后后后，对对对对转转转转录录录录激激激激活活活活过过过过程程程程所所所所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。96II. II. 真核基因表达的染色质真核基因表达的染色质水平调控水平调控Chromosomal Regulation ofEukaryotic Gene
54、Expression97 基因活化蛋白质改变局部染色质结构基因活化蛋白质改变局部染色质结构异染色质（异染色质（heterochromatin）是转录非活性的。是转录非活性的。常常染染色色质质（euchromatin）中中的的转转录录活活性性区区域域对对核核酸酸酶酶敏敏感感，特特别别是是转转录录基基因因的的5-侧侧翼翼区区1000nt以以内内是是高高敏敏感感位位点点(hypersensitivesites)。很很多多高高敏敏感感位位点点是是调调节节蛋蛋白白质质的的结结合合序序列列，而而这这些些区区域域核核小小体体的相对缺少也使得这些蛋白质易于与之结合。的相对缺少也使得这些蛋白质易于与之结合。转转
55、录录活活化化染染色色质质与与非非活活化化染染色色质质在在结结构构上有很大不同。上有很大不同。98转转录录活活化化染染色色质质与与非非活活化化染染色色质质的的组组蛋蛋白共价修饰的方式也不相同。白共价修饰的方式也不相同。核核小小体体的的核核心心组组蛋蛋白白（H2A，H2B，H3，H4）中中赖赖氨氨酸酸残残基基的的非非可可逆逆性性甲甲基基化化，丝丝氨氨酸酸与与苏苏氨氨酸酸残残基基的的磷磷酸酸化化，乙乙酰酰化化以以及及泛泛素素化化多多是是转转录录活活性性染染色色质的特点。质的特点。真真核核细细胞胞DNA的的CpG序序列列（CpG岛岛）中中的的胞胞嘧嘧啶啶被被甲甲基基化化为为5-甲甲基基胞胞嘧嘧啶啶是是
56、常常见见现现象象，但但转转录录活活性性染色质区域胞嘧啶被甲基化的程度降低。染色质区域胞嘧啶被甲基化的程度降低。99l染色质重塑（染色质重塑（chromatinremodeling）基基因因活活化化蛋蛋白白质质可可以以通通过过改改变变基基因因的的启启动动子子和和调调节节序序列列区区域域的的染染色色质质结结构构来来促促进进转转录录开开始始。这这种种改改变变局局部部染染色色质质结结构构的的过过程程被称为被称为染色质重塑染色质重塑。最主要的两种方式：最主要的两种方式：组蛋白的共价修饰组蛋白的共价修饰核小体重塑（核小体重塑（nucleosomeremodeling）100染染色色质质重重塑塑101l组蛋
57、白乙酰化组蛋白乙酰化 位位点点：组组蛋蛋白白乙乙酰酰化化转转移移酶酶（histone acetyltransferases, HATs），也也称称组组蛋蛋白白乙乙酰酰化化酶酶（histoneacetylase）主主要要作作用用于于核核小小体体的的核核心心组组蛋蛋白白所所富富含含的的赖赖氨氨酸酸残残基基，降降低低整整个个核核小小体体对对DNA的亲和性。的亲和性。时间：时间：基因活化蛋白质结合在转录调节区域后。基因活化蛋白质结合在转录调节区域后。102作作用用：使使染染色色质质进进入入转转录录活活性性状状态态；还还可可能能促促进进或或防防止止与与其其他他转转录录或或调调节节相相关关蛋蛋白白的的相相
58、互互作作用。用。逆逆转转：组组蛋蛋白白脱脱乙乙酰酰化化酶酶(histonedeacetylase，HDAC)减减少少核核小小体体的的乙乙酰酰化化，使使染染色色质质恢恢复复转录非活性状态。转录非活性状态。103III.III.真核基因表达的转录水平调控真核基因表达的转录水平调控Transcriptional Regulation of Eukaryotic Gene Transcriptional Regulation of Eukaryotic Gene ExpressionExpression104基因表达的多级调控基因表达的多级调控: :基因基因激活激活转录起始转录起始转录后加工转录后加工
59、mRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰105基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素: :v基因的结构、性质基因的结构、性质v细胞内所存在的转录调节蛋白细胞内所存在的转录调节蛋白v生物个体或细胞所处的内、外环境生物个体或细胞所处的内、外环境106真核细胞基因开关的分子机制比原核复杂真核细胞基因开关的分子机制比原核复杂基本共同点：基本共同点：转录起始的调节是关键点转录起始的调节是关键点根本不同点：根本不同点：原核生物：原核生物：启动子在缺少转录因子情况下启动子在缺少转录因子情况下就具有天然活性就具有天然活性真核生物：真核生物：强力启动子在
60、缺少调节蛋白的强力启动子在缺少调节蛋白的情况下往往没有活性情况下往往没有活性 107*真真核核细细胞胞基基因因及及其其调调控控区区域域受受到到染染色色质质结结构构的的限限制制，转转录录的的活活化化与与转转录录调调控控区区域域、转转录录区区域域内内染染色色质质结结构的诸多变化相关；构的诸多变化相关；*正正性性调调节节是是主主要要形形式式。因因此此，在在转转录录的的基基本本状状态态受受到到制制约约的的情情况况下下，使使得得每每个个真真核核细细胞胞基基因因需需要要活活化化才能被转录；才能被转录；*真真核核细细胞胞有有更更大大、更更为为复复杂杂、种种类类更更多多的的调调节节蛋蛋白白。单单一一启启动动子
61、子可可以以被被分分散散在在DNA分分子子上上、数数量量近近乎乎无无限的调节序列所控制。限的调节序列所控制。真核细胞对基因表达起始的调控至少在下面真核细胞对基因表达起始的调控至少在下面几个方面与原核细胞存在不同：几个方面与原核细胞存在不同：108 一、转录起始调控发生在转录起始复一、转录起始调控发生在转录起始复合物的组装过程合物的组装过程基因活化蛋白质与增强子或基因活化蛋白质与增强子或UASs的结合；的结合；通用转录因子在启动子处的组装；通用转录因子在启动子处的组装；辅辅 助助 激激 活活 子子 (coactivator)和和 /或或 中中 介介 子子（medicator）在在通通用用转转录录因
62、因子子/RNA聚聚合合酶酶II复复合物与基因活化蛋白质之间的辅助和中介作用。合物与基因活化蛋白质之间的辅助和中介作用。RNA聚合酶聚合酶II与启动子的结合、启动转录需要与启动子的结合、启动转录需要诸多蛋白质因子的协同作用。这通常包括：诸多蛋白质因子的协同作用。这通常包括：109基基因因活活化化蛋蛋白白质质与与增增强强子子结结合合后后，通通过过与与全全酶酶复复合合体体中中的的中中介介子子相相互互反反应应，使使全全酶酶复复合合体在空间上更接近启动子并有效组装。体在空间上更接近启动子并有效组装。此此外外，多多数数全全酶酶复复合合体体中中缺缺少少一一些些通通用用转转录录因因子子，如如TFIID与与TF
63、IIA，它它们们需需要要在在启启动动子子处处分分别别组组装装，最最后后形形成成稳稳定定的的转转录录起起始始复复合合物物（transcriptioninitiationcomplex），启启动动转转录。录。110TATA盒盒TFIIDRNA聚合酶聚合酶II通用转录因子通用转录因子转录方向转录方向中介子中介子活化蛋白活化蛋白活化蛋白活化蛋白增强子增强子增强子增强子DNATFIIA111基基因因活活化化蛋蛋白白与与增增强强子子结结合合后后如如何何影影响响到到远远距距离离的的RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点，有有以以下下几几种模式：种模式：通通过过扭扭曲曲作作用用使使DNA链链发发生生构构型型变变化
64、化，更更适适合合于于通通用用转转录录因因子子与与RNA聚聚合合酶酶结结合合,并并通通过过直直接接接接触触或或通通过过辅辅活活化化子子/中中介介子子而而影影响响通通用转录因子和用转录因子和RNA聚合酶的组装。聚合酶的组装。扭曲（扭曲（twisting）112沿沿DNA滑滑动动，直直到到接接触触另另一一个个特特异异DNA序列结合的转录因子，发挥作用。序列结合的转录因子，发挥作用。利利用用DNA分分子子的的柔柔曲曲性性弯弯曲曲成成环环，使使增增强强子子区区域域与与RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点靠靠近近，直直接接接接触触或通过辅活化子或通过辅活化子/中介子而发挥作用。中介子而发挥作用。滑动（滑动（
65、sliding）成环（成环（looping）113固固醇醇类类激激素素、甲甲状状腺腺激激素素、维维甲甲酸酸类类激激素素等等激激素素与与细细胞胞核核内内的的特特异异性性受受体体，即即特特异异基基因因调调节节蛋蛋白白结结合合，形形成成的的激激素素-受受体体复复合合物物结结合合到到DNA特特定定的的基基因因调调节节序序列列激激素素反反应应元元件件(hormoneresponseelements,HREs)，再再通通过过与与其其他他调调节节因因子的相互作用，活化或抑制相邻基因的表达。子的相互作用，活化或抑制相邻基因的表达。114几种不同的激素反应元件几种不同的激素反应元件受体受体受体受体共同结合序列共
66、同结合序列共同结合序列共同结合序列* *男性激素（男性激素（男性激素（男性激素（AndrogenAndrogen）GG(A/T)ACANGG(A/T)ACAN2 2TGTTCTTGTTCT糖皮质激素糖皮质激素糖皮质激素糖皮质激素(Glucocorticoid)(Glucocorticoid)GGTACANGGTACAN3 3TGTTCTTGTTCT维甲酸维甲酸维甲酸维甲酸(Retinoicacid)(Retinoicacid)AGGTCANAGGTCAN5 5AGGTCAAGGTCA维生素维生素维生素维生素D(VitaminD)D(VitaminD)AGGTCANAGGTCAN3 3AGGTC
67、AAGGTCA甲状腺激素甲状腺激素甲状腺激素甲状腺激素(Thyroidhormone)(Thyroidhormone)AGGTCANAGGTCAN3 3AGGTCAAGGTCA类维生素类维生素类维生素类维生素AA（RetinoidXRetinoidX）AGGTCANAGGTCANAGGTCANAGGTCAAGGTCANAGGTCANAGGTCANAGGTCA115（一）（一）mRNA5端加帽和端加帽和3端加尾修饰端加尾修饰利于利于mRNA稳定性和转运稳定性和转运除组蛋白外，所有真核细胞除组蛋白外，所有真核细胞mRNA都有都有5 端的端的“帽帽”和和3 端的端的Poly(A)尾结构尾结构。5 端
68、的端的“帽帽”和和3 端的端的Poly(A)尾均有尾均有其特有的作用。其特有的作用。二、转录后调控涉及修饰、剪接、二、转录后调控涉及修饰、剪接、编辑、定向转运多个环节编辑、定向转运多个环节1165 加帽的作用在于：加帽的作用在于：有助于保护有助于保护mRNA免于被核糖核酸酶降解；免于被核糖核酸酶降解；5 帽帽结结合合蛋蛋白白复复合合体体参参与与mRNA和和核核糖糖体体的结合来起始翻译的结合来起始翻译。促进促进mRNA从细胞核运输到细胞浆；从细胞核运输到细胞浆；协协助助mRNA的的剪剪接接。在在剪剪接接第第一一个个外外显显子子时时，剪接体的形成需要帽结合蛋白的参与；剪接体的形成需要帽结合蛋白的参
69、与；117poly(A)尾尾可可结结合合一一种种或或多多种种特特殊殊蛋蛋白白，避避免免mRNA被被酶酶降降解解，并并在在翻翻译译过过程程中中具具有有重重要要作作用用。许许多多原原核核mRNA也也含含有有Poly(A)尾尾，但但是是此此尾尾的的功功能能是是促促进进mRNA降降解解，而而不不是是保护保护mRNA免于被降解。免于被降解。poly(A)尾的作用：尾的作用：118（二）可变性剪接可使初始转录本产生不（二）可变性剪接可使初始转录本产生不同的成熟同的成熟mRNA许许多多初初始始转转录录本本可可以以通通过过一一种种以以上上的的选选择择性性剪剪接接（alternativeRNAsplicing）
70、方方式式，去去除除不不同同的的内内含含子子而而被被加加工工形形成成不不同同的的mRNAs，因因而而形成不同的多肽。形成不同的多肽。119人视黄醛还原酶人视黄醛还原酶mRNA的选择性剪接的选择性剪接mRNAPre-mRNA同种异型同种异型mRNA120初初始始转转录录本本含含有有所所有有选选择择性性加加工工途途径径所所需需要的分子信号。要的分子信号。一一种种细细胞胞偏偏好好何何种种选选择择性性加加工工途途径径取取决决于于加工因子加工因子RNA结合蛋白的特异性。结合蛋白的特异性。负调节：负调节：抑制蛋白质可以通过与原始转录本的结抑制蛋白质可以通过与原始转录本的结合来防止剪接复合体切除内含子序列。合
71、来防止剪接复合体切除内含子序列。选择性剪接可以被正负调节分子调节：选择性剪接可以被正负调节分子调节：正调节：正调节：而不能正常剪接的剪接复合体可以在活而不能正常剪接的剪接复合体可以在活化蛋白的帮助下发挥剪接功能。化蛋白的帮助下发挥剪接功能。121（三）编辑加工可增加（三）编辑加工可增加mRNA分子信息的内涵分子信息的内涵某些某些mRNAs在翻译前被编辑在翻译前被编辑(editing)。结果：结果：转录后编辑过程插入了转录后编辑过程插入了4个个U残基，从而残基，从而改变了转录本的翻译读码框。改变了转录本的翻译读码框。机机制制：尚尚不不清清楚楚。研研究究人人员员已已经经发发现现线线粒粒体体转转录录
72、一一类类特特殊殊的的RNA分分子子，其其3 端端有有一一段段poly(U),其其5 端端序序列列与与mRNAs被被编编辑辑的的区区域域互互补补，被被称称为为引引导导RNA（guideRNA）。引引导导RNA可可能能作作为为编编辑辑过过程程的的模模板板，并并将将其其3 端端的的U转移给被编辑的转移给被编辑的mRNAs。122（四）调解成熟（四）调解成熟mRNA的核外输出也会的核外输出也会影响基因表达影响基因表达现现象象：估估计计有有1/5的的核核内内成成熟熟mRNAs能能进进入入细细胞胞浆浆。留留在在核核内内的的mRNAs约约在在1小小时时内内降降解解。mRNA通通过过核核膜膜的的过过程程是是一
73、一个个主主动动运运输输过过程程，常常常常需需要要借借助助于于核核输输出出受受体体(nuclearexportreceptors)才可穿过才可穿过9nm的核孔通道。的核孔通道。机制：机制：调控调控RNA从核运输至细胞浆的机制还不很从核运输至细胞浆的机制还不很清楚。清楚。123（五）某些（五）某些mRNA定位于细胞质的特殊区域定位于细胞质的特殊区域现象：现象：一些一些mRNA分子携带有信息，可以在翻分子携带有信息，可以在翻译开始前自我导向定位于细胞内的特定译开始前自我导向定位于细胞内的特定位置。位置。作用：作用：在细胞的特定部位集中产生所需要的大在细胞的特定部位集中产生所需要的大量蛋白质。量蛋白质
74、。124机机制制：导导向向信信号号存存在在于于mRNA的的3 端端非非翻翻译译区区（3 untranslatedregion,3 UTR）。）。mRNA被被连连接接在在附附着着于于细细胞胞骨骨架架上上的的动动力力蛋蛋白白（motorproteins）上上，利利用用其其水水解解ATP所所提提供供的的能能量量沿沿着着骨骨架架成成分分朝朝目目的的方方向向移移动动，最最终终在在目目的的地地被被锚锚蛋蛋白白（anchorproteins）固定。）固定。mRNA在细胞浆中随机扩散并被不断地降解，只有在细胞浆中随机扩散并被不断地降解，只有碰上锚蛋白才能得到保护。碰上锚蛋白才能得到保护。mRNA通通过过在在细
75、细胞胞浆浆中中的的随随机机扩扩散散，在在其其定定位位处处被被锚蛋白捕捉、固定。锚蛋白捕捉、固定。第二种情况第二种情况第三种情况第三种情况第一种情况第一种情况125mRNA分子的分子的3种不同定位过程种不同定位过程126（六）通过改变（六）通过改变mRNA分子的稳定性分子的稳定性调控基因表达调控基因表达意意义义：降降解解途途径径保保证证mRNA不不在在细细胞胞中中累累积积并并避免合成过多的蛋白质。避免合成过多的蛋白质。不同真核基因的不同真核基因的mRNA的降解速率大不相同。的降解速率大不相同。暂暂时时需需要要的的基基因因产产物物：半半衰衰期期可可能能仅仅为为几几分分钟钟、甚至几秒钟。甚至几秒钟。
76、经经常常需需要要的的基基因因产产物物：其其mRNA可可在在多多代代细细胞胞中稳定存在。中稳定存在。127真核细胞真核细胞mRNA降解有两种途径，是由每降解有两种途径，是由每种种mRNA分子的序列所决定。分子的序列所决定。Poly(A)的逐渐短缩：最常见的途径的逐渐短缩：最常见的途径vmRNA分分子子一一旦旦进进入入细细胞胞浆浆中中，核核酸酸外外切切酶酶会会使使Poly(A)末末端端逐逐步步短短缩缩，当当剩剩下下约约30个个A时时，5 端发生脱帽，端发生脱帽，mRNA分子被迅速降解。分子被迅速降解。v一一些些mRNA分分子子的的3 UTR的的特特殊殊序序列列有有助助于于特特殊殊蛋白质的结合，增加
77、或降低蛋白质的结合，增加或降低Poly(A)短缩的速度。短缩的速度。128v可可将将Poly(A)直直接接从从mRNA分分子子上上切切除除。这这种种切切除除也也有有赖赖于于mRNA分分子子的的3 UTR特特殊殊序列可以被内切酶识别。序列可以被内切酶识别。另一个途径始于特殊内切酶的作用另一个途径始于特殊内切酶的作用转转铁铁蛋蛋白白受受体体(transferrinreceptor,TfR)mRNA分分子子3 UTR柄柄环环（stem-loop）结结构构铁反应元件铁反应元件(iron-responseelement，IRE)。例如：例如：129IRE-BP对转铁蛋白受体对转铁蛋白受体mRNA稳定性的
78、调节稳定性的调节低铁状态低铁状态转铁蛋白受体转铁蛋白受体mRNA5编码区编码区活化的活化的IRE-BP3Poly(A)n翻译翻译TfR蛋白蛋白IRE高铁状态高铁状态转铁蛋白受体转铁蛋白受体mRNA5编码区编码区铁铁失活的失活的IRE-BP3Poly(A)nmRNA降解降解IRE130（七）（七）mRNA分子细胞质中添加分子细胞质中添加Poly(A)控制蛋白翻译控制蛋白翻译在在一一些些情情况况下下，特特殊殊的的Poly(A)尾尾端端可可以以在细胞浆得以延伸。在细胞浆得以延伸。例：正在成熟中的卵母细胞与卵细胞例：正在成熟中的卵母细胞与卵细胞一一些些存存在在于于细细胞胞浆浆的的mRNA分分子子的的3
79、末末端端只只有有1030个个腺腺苷苷酸酸（A），它它们们并并不不翻翻译译。在在卵卵母母细细胞胞成成熟熟和和受受精精后后的的一一个个特特定定时时段段，当当需需要要这这些些mRNA所所编编码码的的蛋蛋白白质质时时，Poly(A)被被添添加加到到这这些些选选定定的的mRNA分分子，大大促进它们翻译的开始。子，大大促进它们翻译的开始。131（八）无义变化介导的（八）无义变化介导的mRNA降解是真核降解是真核mRNA的监视系统的监视系统无义变化介导的无义变化介导的mRNA降解降解(Nonsense-mediatedmRNAdecay,NMD）当当在在同同一一阅阅读读框框架架内内的的翻翻译译终终止止密密码
80、码子子UAA、UAG或或UGA提提前前出出现现在在最最后后两两个个外外显显子子交交界界处处上上游游约约50nt处处时时，mRNA被被迅迅速速降降解解。这这些些错错位位终终止止密密码码子子被被称称为为成成熟熟前前终终止止密密码码子子（prematureterminationcodons,PTC），可可以以来自突变、重组、不完全或不正确剪接。来自突变、重组、不完全或不正确剪接。132无义变化介导的无义变化介导的mRNA的降解的降解133意义：意义：v可可以以使使某某些些异异常常的的mRNA在在被被有有效效地地翻翻译译成成蛋蛋白白质质前前得得到到清清除除，这这个个mRNA监监视视系系统统可可以以防防
81、止非正常截短的蛋白质的合成止非正常截短的蛋白质的合成。vNMD在在进进化化过过程程中中发发挥挥了了重重要要作作用用，使使真真核核细细胞胞更更容容易易探探究究由由于于DNA重重排排、突突变变或或不不同同剪剪接接方式所形成的新基因。方式所形成的新基因。v免免疫疫系系统统细细胞胞的的发发育育过过程程中中也也很很重重要要，重重排排基基因因产产生生的的这这类类mRNA被被NMD系系统统迅迅速速降降解解，避避免了截短蛋白质的细胞毒作用。免了截短蛋白质的细胞毒作用。134（九）（九）RNA干涉是一种基因转录后沉默机制干涉是一种基因转录后沉默机制RNA干涉干涉在在高高等等真真核核生生物物中中发发现现有有一一类
82、类小小RNAs(smallRNAs)介介导导的的特特殊殊基基因因的的沉沉默默。这这是是由由于于此此类类小小RNAs与与mRNAs（经经常常是是3 UTR）相相互互作作用用，导导致致mRNA降降解解或或者者翻翻译译抑抑制制，使使mRNA及其相应基因无法表达而沉默（及其相应基因无法表达而沉默（silence）。）。控控制制至至少少某某些些生生物物体体的的适适时时发发育育。它它也也是是一一种种保保护护生生物物体体免免受受RNA病病毒毒侵侵袭袭和和控控制制转转座座子子活活性的机制性的机制。意义：意义：135700bp左右左右RNA前体前体配对碱基配对碱基DICER2025bpmiRNA5RISC靶靶m
83、RNA未配对区域未配对区域靶靶mRNA降解降解导入的双链导入的双链RNA片段片段siRNARDE-1DICERRISCRISCRISC5靶靶mRNA靶靶mRNA被核酸被核酸内切酶切割内切酶切割靶靶mRNA被核酸被核酸外切酶降解外切酶降解miRNA与与siRNA使靶使靶mRNA沉默机制沉默机制136IV. 真核基因表达的翻译水平调控Translational Regulation of Eukaryotic Gene Expression137一、翻译起始因子一、翻译起始因子-2的磷酸化调节的磷酸化调节蛋白质翻译蛋白质翻译条条件件变变化化活活化化了了特特殊殊的的蛋蛋白白质质激激酶酶，使使翻翻译译
84、起起始始因因子子eIF-2（eukaryotic initiation factor，eIF-2）磷酸化所致。）磷酸化所致。138139二、二、5端或端或3端非翻译区特异端非翻译区特异RNA结合蛋白介导蛋白质翻译负调控结合蛋白介导蛋白质翻译负调控一一些些转转录录抑抑制制蛋蛋白白质质结结合合到到mRNA的的5 端端抑抑制制转转录录起起始始，而而另另一一些些抑抑制制蛋蛋白白质质则则识识别别特特殊殊mRNA分分子子的的3 UTR，通通过过干干扰扰3 Poly(A)尾与尾与5 端帽的联络而减少翻译的启动。端帽的联络而减少翻译的启动。140IRE-BP对铁蛋白对铁蛋白mRNA翻译的调节翻译的调节低铁状态
85、低铁状态5铁蛋白铁蛋白mRNA活化的活化的IRE-BP编码区编码区3翻译不能进行翻译不能进行高铁状态高铁状态5铁蛋白铁蛋白mRNA失活的失活的IRE-BP铁铁编码区编码区3翻译翻译141三、真核三、真核mRNA不同翻译起始点的调控不同翻译起始点的调控v易易遗遗漏漏扫扫描描：当当不不利利于于识识别别时时，扫扫描描的的核核糖糖体体小小亚亚基基有有时时可可以以无无视视第第一一个个AUG而而滑滑向向第第二二个个，甚甚至至第第三三个个AUG，这这种种现现象象被被称称为为易易遗遗漏漏扫扫描描（leaky scanning），可可以以使使一一个个mRNA分分子子产产生生两两个个或或更更多多仅仅氨氨基基末末端
86、端不不同同的的相相关关的的蛋蛋白白质质。在在一一些些情情况况下下，细细胞胞可可以以通通过过易易遗遗漏漏扫扫描描调调节节这这些些不不同同长长度度蛋蛋白白质质的的相对丰度。相对丰度。142v上上游游开开放放阅阅读读框框架架（upstream open readingframes,uORFs）：在在有有些些mRNA分分子子中中，起起始始密密码码子子AUG的的上上游游（5 UTR）有有一一个个或或几几个个AUG，这这些些上上游游开开放放阅阅读读框框架架与与正正常常的的开开放放阅阅读读框框架架多多不不一一致致，翻翻译译后后很很快快会会遇遇到到终终止止密密码码子子而而释出无功能的多肽。释出无功能的多肽。意
87、意义义:在在于于其其调调节节功功能能，它它们们的的AUG可可以以与与正正常常起起始始密密码码子子AUG竞竞争争扫扫描描核核糖糖体体起起始始复复合合物物，翻翻译译无无功功能能的的多多肽肽而而使使正正常常翻翻译译维维持持在较低水平。在较低水平。143不具有组织特异性。是不具有组织特异性。是RNA聚合酶结合启动聚合酶结合启动子必需的一组蛋白质分子，是所有基因转录起子必需的一组蛋白质分子，是所有基因转录起始都需要的始都需要的转录因子的分类转录因子的分类组织细胞特异性转录因子组织细胞特异性转录因子具有组织细胞特异性。与增强子，沉默子结具有组织细胞特异性。与增强子，沉默子结合后决定该基因表达的时空性合后决
88、定该基因表达的时空性基本转录因子基本转录因子144组织细胞特异性转录因子的类别组织细胞特异性转录因子的类别转录激活因子转录激活因子转录阻遏因子转录阻遏因子transcription activitortranscription repressorDNA结合结合蛋白蛋白 非非DNA结合蛋白结合蛋白辅转录激活因子辅转录激活因子辅转录阻遏因子辅转录阻遏因子co-transcription activitorco-transcription repressor145三、翻译水平的调控 5 5 端帽子端帽子端帽子端帽子： 保持保持保持保持mRNAmRNA稳定，提高翻译的效率稳定，提高翻译的效率稳定，提高
89、翻译的效率稳定，提高翻译的效率 3 3 端尾巴端尾巴端尾巴端尾巴： poly(A)poly(A)和蛋白多聚体形成的复合物和蛋白多聚体形成的复合物和蛋白多聚体形成的复合物和蛋白多聚体形成的复合物 去稳定元件去稳定元件去稳定元件去稳定元件： 引起引起引起引起RNARNA降解降解降解降解 小干扰小干扰小干扰小干扰RNARNA： 双链，特异性降解靶双链，特异性降解靶双链，特异性降解靶双链，特异性降解靶mRNAmRNA 影响影响mRNA稳定性的因素稳定性的因素146 影响翻译起始的因素 微微微微RNARNA（microRNA, miRNAmicroRNA, miRNA）： 抑制模板活性抑制模板活性抑制模
90、板活性抑制模板活性 mRNAmRNA非翻译区的二级结构非翻译区的二级结构非翻译区的二级结构非翻译区的二级结构： 影响翻译速率影响翻译速率影响翻译速率影响翻译速率 mRNAmRNA元件与元件与元件与元件与RNARNA结合蛋白的相互作用结合蛋白的相互作用结合蛋白的相互作用结合蛋白的相互作用 翻译起始因子的可逆磷酸化翻译起始因子的可逆磷酸化翻译起始因子的可逆磷酸化翻译起始因子的可逆磷酸化147第五节 基因表达调控异常与疾病一、转录因子突变与疾病一、转录因子突变与疾病二、基因修饰改变与疾病二、基因修饰改变与疾病148一、转录因子突变与疾病 转录因子突变转录因子突变转录因子突变转录因子突变 基因表达异常
91、基因表达异常基因表达异常基因表达异常 先天发育异常先天发育异常先天发育异常先天发育异常例如例如例如例如HOH-DreamHOH-DreamHOH-DreamHOH-Dream综合症，引起拇指异常，综合症，引起拇指异常，综合症，引起拇指异常，综合症，引起拇指异常，心脏的房间隔缺损，室间隔缺损等心脏的房间隔缺损，室间隔缺损等心脏的房间隔缺损，室间隔缺损等心脏的房间隔缺损，室间隔缺损等149二、基因修饰改变与疾病 CpGCpGCpGCpG岛甲基化减少岛甲基化减少岛甲基化减少岛甲基化减少 原癌基因表达增高原癌基因表达增高原癌基因表达增高原癌基因表达增高 导致肿瘤导致肿瘤导致肿瘤导致肿瘤 150基因表达
92、与表达调控一览图151ApproachestostudygeneexpressionKnown gene (single gene) unknown gene(s) (-0mics)Known gene (single gene) unknown gene(s) (-0mics)DNA DNA Southern BlotSouthern BlotSequencingSequencingCH3-specific PCRCH3-specific PCRDifferential-display PCRDifferential-display PCRRT-real time PCRRT-real ti
93、me PCRRDARDAFISHFISHROMAROMARNARNANorthern BlotNorthern BlotDNA Microarray (cDNA, Oligo)DNA Microarray (cDNA, Oligo)RPA RPA DDDDReal-time PCRReal-time PCR SSHSSHSAGESAGEProt Prot Western BlotWestern Blot2DE/MALDI-TOF2DE/MALDI-TOFImmunohistochemistryImmunohistochemistryProtein ChipProtein ChipConfocal MCConfocal MCFACSFACSFRETFRETBiocoreBiocore152
