7基因的表达调控

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1、第七章第七章 基因的表达调控基因的表达调控基因表达基因表达= =基因转录基因转录+ +翻译翻译基因表达的调控基因表达的调控: : 生物体随时调整不同基因的表达状态生物体随时调整不同基因的表达状态, ,以适应环境、维持生长和发育需要以适应环境、维持生长和发育需要 基因的表达调控包括转录前基因水平的调控 转录水平的调控 转录后水平的调控 翻译水平的调控 翻译后蛋白质的加工 基因表达的调控方式基因表达的调控方式 阻遏阻遏负调控负调控: :调控蛋白调控蛋白+DNA+DNA序列序列 基因的表达基因的表达 ( (相应蛋白质相应蛋白质降低降低) ) 促进促进正调控正调控: :调控蛋白调控蛋白+DNA+DNA

2、序列序列 基因的表达基因的表达 ( (相应蛋白质相应蛋白质增加增加) )（一） 转录前基因水平的调控 染色质的丢失：不可逆核的全能性（totipotency）：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因 基因扩增(geneamplification)：增加基因的拷贝数非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加 基因重排(generearrangement)：如免疫球蛋白基因重排，多样性一、一、真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控 DNA甲基化(DNAmethylation)：mCpG，即“CpG岛(Cp

3、G-richislands)”甲基化(methylated)程度高，基因表达降低；去甲基化(undermethylated)：基因表达增加;基因组的甲基化模式可影响表型并能通过体影响表型并能通过体细胞遗传，但不该变细胞的基因型，这种现细胞遗传，但不该变细胞的基因型，这种现象称为象称为后生遗后生遗 传（传（epigenetic）。属于表观遗传现象。DNA甲基化与基因表达在两种水平控制基因的活性;(局部或大范围)酵母与果蝇基因组中未能检测到任何甲基化CpG;（一） 转录前基因水平的调控DNA甲基化与X染色体失活雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在发育早期随机失活（囊胚期），这就是“剂量补偿”效

4、应。X染色体失活中心(X-chromosomeinactivationcenter,Xic):包含辨别X染色体数目的信息和Xist基因(Xi-specifictranscript)染色体失活调控是一种反义转录调控模式。表观遗传现象之一XistX染色体其他位点甲基化，不转录活性去甲基化，活性去甲基化，转录失活甲基化，失活基因组通过DNA的甲基化永久性关闭选定的基因 在个体发育与细胞分化过程中，当某些基因已经完成预定的表达程序后必需永久性关闭。这一任务可以通过DNA甲基化促使染色质的重建完成。染色质重塑染色质重塑在基因表达的复制和重组等过程中，对应基因尤其是基因的调控区染色质的包装状态，核小体和组

5、蛋白及对应的DNA分子会发生一系列的变化，这些变化就是所谓染色体重塑（chromatinremodeling）。染色质重塑被广泛用于描述在基因组调节过程中所发生的一系列染色质的结构变化。染色质重塑的基本生化特点是染色质的一定区域对核酸酶敏感性的改变。对应的物理改变是核小体的位置和状态的改变。表观遗传现象之一。DNADNA甲基化与染色质重建甲基化与染色质重建MeCP2与DNA结合后核小体开始装配并压缩间隔DNA，转录装置与RNA多聚酶接近MeCP2。MeCP2可可能能征征召召转转录录抑抑制制因因子子，或或者者组组蛋蛋白白去去乙乙酰酰化化酶酶，或或者者其其它它与与核核小小体体互互作作的的染染色色质

6、质修修饰饰复复合合物物使使染染色色质质转转变变为为更更加加收收缩缩的的状状态态并并驱驱使转录装置与使转录装置与RNA多聚酶脱离多聚酶脱离DNA。MeCP2从甲基化DNA区段向邻近染色质扩展，直接将转录装置与RNA多聚酶从DNA中排除，使染色质处于更为抑制的状态。含有甲基化CpG DNA结合功能域的MeCP2在远离转录装置和RNA多聚酶的位置与裸露DNA中已甲基化的顺序结合。非特异非特异性与性与5-mCpG结合的结合的抑制因抑制因子子 遗传烙印遗传烙印 基基因因组组印印记记（genomic imprinting）或或遗遗传传烙烙记记是一种不符合孟德尔遗传的表表观观遗遗传传现现象象。它是指来自父方

7、和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了某种修饰，这种作用使其后代仅表达父源或母源等位基因的一种。如老鼠基因组中，编码IGF-II（insulin-likegrowthfactorII，类胰岛素生长因子II）的等位基因如果来自父亲可表达，若来自母亲则沉默。原因在于卵子的IGF-II基因被甲基化，而精子IGF-II基因未甲基化，因而接合子中这两个等位基因的行为不同。迄今为止已在人类及老鼠中鉴定了约30个具遗传印记的基因，其中有不少成员在细胞分化与个体发育中起重要作用。植物中异源多倍体油菜的核仁显性则决定于不同亲本rRNA基因的甲基化状态。异源多倍体油菜的一个亲本种B.rapa的rRNA

8、基因在杂种细胞正常表达，但B.oleracea的rRNA基因则被抑制。B.oleracea的rRNA基因沉默起因于甲基化 DNADNA甲基化与基因组表达程序化甲基化与基因组表达程序化 基因组去甲基化与肌肉细胞分化基因组去甲基化与肌肉细胞分化甲基化组甲基化组 近年来人们对高等生物基因组甲基化在基因表达与调控中的重要作用表现出极大的兴趣与关注，提出了一个专门的名词用来描述活细胞 中 基 因 组 甲 基 化 的 状 态 甲 基 化 组（Methylome），并认为它们与转录物组和蛋白质组一样对阐明基因组活性具有同等意义。 组蛋白组蛋白修饰修饰组蛋白修饰是组蛋白修饰是表观遗传学表观遗传学研究的重要内容

9、。研究的重要内容。组组蛋蛋白白中中被被修修饰饰氨氨基基酸酸的的种种类类、位位置置和和修修饰饰类类型型被被称称为为组组蛋蛋白白密密码码（histone histone codecode），它它决决定定了了基基因因表达调控的状态。表达调控的状态。而而且且与与DNADNA密密码码不不同同，组组蛋蛋白白密密码码和和它它的的解解码码机机制制在动物、植物和真菌类中不同。在动物、植物和真菌类中不同。组组蛋蛋白白的的修修饰饰作作用用包包括括乙乙酰酰化化、甲甲基基化化、磷磷酸酸化化、泛素化、类泛素化、糖基化等。泛素化、类泛素化、糖基化等。如如组组蛋蛋白白的的乙乙酰酰化化和和染染色色体体重重塑塑有有直直接接联联系

10、系。氨氨基基酸酸修修饰饰的的结结果果使使组组蛋蛋白白的的负负电电荷荷改改变变，减减弱弱其其与与DNADNA的的结结合合能能力力。这这些些修修饰饰降降低低了了组组蛋蛋白白对对DNADNA的的亲亲和和性性，也也减减弱弱了了核核小小体体之之间间的的相相互互作作用用，从从而而使使转转录录因因子子易易于于接接触触DNADNA靶靶位位。异异染染色色质质中中的的组组蛋白是未乙酰基化的，因而保持致密结构。蛋白是未乙酰基化的，因而保持致密结构。核核小小体体组组蛋蛋白白修修饰饰不不仅仅涉涉及及基基因因表表达达调调控控，而而且且在在DNADNA复制、修复、染色质重塑等中也起重要作用。复制、修复、染色质重塑等中也起重

11、要作用。 真核生物中基因表达在很大程度上受到染色质结构的影响，组蛋白及其它包装蛋白并非只是简单的结构成分，它们也参与基因的表达调控。 染色质结构至少在2方面对基因表达施加影响：1)染色体的某一区段包装程度决定该区段的基因是否表达；2)假如某一基因可以接触，基因所在的核小体位置及其周边环境会影响到该基因的表达。染色质染色质(chromatin)(chromatin)或染色体或染色体(chromosome)(chromosome)结构结构对基因表达的调控对基因表达的调控位置效应位置效应 基因的表达要求转录因子与调控顺序基因的表达要求转录因子与调控顺序结合，它不仅与核小体的状态有关，也涉结合，它不仅

12、与核小体的状态有关，也涉及基因所在的染色质区段的高级结构。及基因所在的染色质区段的高级结构。 当染色质处在致密收缩状态时，转录当染色质处在致密收缩状态时，转录因子无法与染色质包裹的因子无法与染色质包裹的DNADNA接触，基因被接触，基因被关闭。这种因染色体不同区段的结构而影关闭。这种因染色体不同区段的结构而影响基因表达的现象称为响基因表达的现象称为位置效应位置效应或位置效或位置效应斑，其也属于一种应斑，其也属于一种表观遗传现象表观遗传现象。 位于正常位置的酵母ADE2基因在所有细胞中表达。当该基因处在靠近染色体末端时，该基因在大多数细胞中被关闭。ADE2基因沉默的细胞腺嘌呤合成受阻，使中间产物

13、积累细胞变为红色。图中酵母克隆的边缘有少量白色细胞，这是因为其中沉默ADE2基因发生自发变异重新表达。位置效应位置效应果蝇白色基因（white）在野生型时具有红眼表型。当染色体区段发生倒位使white基因靠近异染色质时，果蝇的眼睛变为红白相间。白眼表示white基因已经沉默，红眼说明该基因仍在表达。因为异染色质对附近基因的抑制效应受发育阶段影响，影响减弱时基因仍具活性 座位控制区（座位控制区（LCRLCR）这是一段100 kb的人类染色体，含有5个球蛋白基因和一个座位控制区（locus control region，LCR）。LCR对下游的球蛋白基因的表达有重要影响，如果LCR发生突变可使球蛋

14、白基因沉默。绝缘子（绝缘子（insulatorinsulator） 由增强子介导的转录激活是真核生物基因表由增强子介导的转录激活是真核生物基因表达调控的主要方式。达调控的主要方式。 增强子的作用有一显著特点，即可增强子的作用有一显著特点，即可远距离双远距离双向向控制基因的转录。控制基因的转录。 有许多差别表达的基因彼此相邻，位于增强有许多差别表达的基因彼此相邻，位于增强子可以影响的范围之内。从距离推测，某些增子可以影响的范围之内。从距离推测，某些增强子可能会不加区别地作用于其它的基因，但强子可能会不加区别地作用于其它的基因，但实际上这类事件并未发生。基因组采取何种方实际上这类事件并未发生。基因

15、组采取何种方法来防止这类错误呢？法来防止这类错误呢？染色质位置阻隔效应染色质位置阻隔效应 19851985年年，UdvardyUdvardy等等在在果果蝇蝇染染色色体体87A787A7条条带带热热激激蛋蛋白白基基因因 座座 的的 两两 侧侧 发发 现现 了了 两两 段段 取取 名名 为为 scs scs 和和scs(specialized scs(specialized chronatin chronatin structures, structures, 特特化化染染色色质质区区) )的的顺顺序序。scsscs和和scs scs 长长分分别别为为350 350 bp bp 和和 200 20

16、0 bpbp，对对DNAase DNAase I I 有有高高度度抗抗性性。这这两两个个序序列列的的两两侧侧均均有有DNAase IDNAase I超敏位点，各为超敏位点，各为100 bp100 bp 果蝇绝缘子（果蝇绝缘子（insulatorinsulator）将将scsscs置于控制眼睛颜色的基因两侧然后导置于控制眼睛颜色的基因两侧然后导入果蝇，转化的果蝇品系不管转基因位于入果蝇，转化的果蝇品系不管转基因位于何处，均可产生类似的表型，说明何处，均可产生类似的表型，说明scsscs可使可使转基因免受内源染色质的转基因免受内源染色质的“位置影响位置影响” ” 。这种可以阻止邻近位置激活或失活效

17、应的这种可以阻止邻近位置激活或失活效应的顺序现在称之为顺序现在称之为绝缘子绝缘子（insulatorinsulator）。）。 绝缘子HS4具有增强子阻隔效应，它将晚期类红细胞（erythroidcell）专一性表达球蛋白调控顺序与早期类红细胞（erythroidcell）专一性表达叶酸（folate）受体基因的调控顺序相互隔离，并可阻止位于这两个基因之间收缩的染色质向外扩展。位于-球蛋白基因下游的绝缘子3HS将-球蛋白基因与odorant受体基因隔离。鸡鸡-球蛋白基因座位结构图球蛋白基因座位结构图绝缘子具有普遍性绝缘子具有普遍性 绝缘子BEAD（blockingelementalpha/de

18、lta）将差别表达的TCR和TCR基因增强子彼此隔开，互不干扰人类人类TCR/座位座位（二）转录水平的调控最重要顺式作用元件(cis-acting element)反式作用因子(trans-acting factor)转录起始的调控启动子启动子沉默子沉默子增强子增强子a. a. 启动子：启动子：RNARNA聚合酶和基本转录因子识别和结合的部位，聚合酶和基本转录因子识别和结合的部位， 它们在启动子上组装成转录起始复合物它们在启动子上组装成转录起始复合物b. b. 增强子：长度为增强子：长度为100-200bp100-200bp的含有特异的重复的的含有特异的重复的DNADNA短片短片 段，是一些特

19、异的转录活化因子结合部位，可段，是一些特异的转录活化因子结合部位，可 增强相关基因的转录活性。增强相关基因的转录活性。c. c. 沉默子：为负性调控元件。特异的蛋白质因子与沉默子沉默子：为负性调控元件。特异的蛋白质因子与沉默子 结合后可抑制基因转录起始。结合后可抑制基因转录起始。1.顺式作用元件: DNA上的一段特定序列，可以和2. 转录因子特异性结合。非编码序列.真核基因启动子真核基因启动子真核生物有3类RNA聚合酶，负责转录3类不同的启动子。由RNA聚合酶I负责转录的rRNA基因，启动子（I类）比较单一，由转录起始位点附近的两部分序列构成。第一部分是核心启动子（corepromoter），

20、由-45+20位核苷酸组成，单独存在时就足以起始转录。另一部分由-170-107位序列组成，称为上游调控元件，能有效地增强转录效率。由RNA聚合酶负责转录的是5SrRNA、tRNA和某些核内小分子RNA（snRNA），其启动子（类）组成较复杂，又可被分为三个亚类。两类5SrRNA和tRNA基因的启动子是内部启动子（internalpromoter），位于转录起始位点的下游，都由两部分组成。第三类启动子由三个部分组成，位于转录起始位点上游。由RNA聚合酶II负责转录的II类基因包括所有蛋白质编码基因和部分snRNA基因，后者的启动子结构与III类基因启动子中的第三种类型相似，编码蛋白质的II类基

21、因启动子在结构上有共同的保守序列。转录起始位点没有广泛的序列同源性，但第一个碱基为腺嘌呤，而两侧是嘧啶碱基。这个区域被称为起始子（initiator，Inr），序列可表示为Py2CAPy5。Inr元件位于-3+5。仅由Inr元件组成的启动子是具有可被RNA聚合酶II识别的最简单启动子形式。多数II类启动子有一个被称为TATA盒的共有序列，通常处于-30区，相对于转录起始位点的位置比较固定。TATA盒存在于所有真核生物中，TATA盒是一个保守的七碱基对，其序列为：也有一些II类启动子不含有TATA盒，这样的启动子称为无TATA盒启动子。1.2 增强子增强子 增强子及其对转录的影响增强子及其对转录

22、的影响增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。作为基因表达的重要调节元件，增强子通常具有下列性质：1)增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加10-200倍。经人巨大细胞病毒增强子增强后的珠蛋白基因表达频率比该基因正常转录高600-1000倍!2)增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以什么方向排列（53或35），甚至和基因相距3kp，或在基因下游，均表现出增强效应；3)大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），是产生增强效应时所必需的；4)增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明只有特定的蛋白质

23、（转录因子）参与才能发挥其功能；5)没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应；6)许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。增强子的作用原理是什么呢？增强子的作用原理是什么呢？一种观点认为，增强子为转录因子提供进入启动子区的位点。第二种认为，增强子能改变染色质的构象。因为增强子区域容易发生从B-DNA到Z-DNA的构象变化。增强子的功能是可以累加的。增强子的功能是可以累加的。SV40增强子序列可以被分为两半，每一半序列本身作为增强子功能很弱，但合在一起，即使其中间插入一些别的序列，仍然是一个有效的增强子。因此，要使一个

24、增强子失活必须在多个位点上造成突变。对SV40增强子而言，没有任何单个的突变可以使其活力降低10倍。2. 2. 反式作用因子：反式作用因子： 与顺式作用元件特异结合的蛋白质，可调节基因转录与顺式作用元件特异结合的蛋白质，可调节基因转录活性活性 转录因子转录因子 启动子启动子结构基因结构基因增强子增强子沉默子沉默子转录因子转录因子 RNARNA聚合酶聚合酶IIIImRNAmRNA反式作用因子(trans-actingfactor)概念：为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）通用或基本转录因子(generaltranscriptionfactors)RNA聚合酶结合

25、启动子所必需的一组蛋白因子。TFA、TFB、TFD、TFE等特异转录因子(specialtranscriptionfactors)个别基因转录所必需的转录因子.OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。反式作用因子特点三个功能结构域：DNA识别结合域(DNA-bindingdomain)；转录活性域(transcriptionalactivationdomain)；结合其他蛋白的结合域能识别并结合顺式作用元件(cis-actingelement)正调控与负调控2.1 DNA结合结构域结合结构域基序基序 a. Helix-turn-helix（螺（螺旋旋-转角转角-螺旋）

26、。是最早发现螺旋）。是最早发现于原核生物中的一个关键因于原核生物中的一个关键因子，该结构域长约子，该结构域长约20个个aa，主要是两个主要是两个-螺旋区和将其螺旋区和将其隔开的隔开的转角。其中的一个被转角。其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与常带有数个直接与DNA序列序列相识别的氨基酸。相识别的氨基酸。b.Zincfinger（锌指）。长约30个aa，其中4个氨基酸（Cys或2个Cys，两个His）与一个Zinc原子相结合。与Zinc结合后锌指结构较稳定。c.Homeodomain（同源域），最早来自控制躯体发育的基因，长约60个氨基酸，其中的DNA结合

27、区与helix-turn-helixmotif相似，人们把该DNA序列称为homeobox。主要与DNA大沟相结合。d.Leucinezippers（亮氨酸拉链）是亲脂性（amphipathic）的螺旋，包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸，两条多肽链以此形成二聚体。每隔6个残基出现一个亮氨酸。由赖氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）组成DNA结合区。e.碱性螺旋-环-螺旋（basichelix-loop-helix）该调控区长约50个aa残基，同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能，其主要特点是可形成两个亲脂性-螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连，其DNA结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所

28、决定的。2.2 DNA结合蛋白主要结合蛋白主要转录激活结构域转录激活结构域转录激活结构域（transcriptionactivationdomains）一般由20-100个氨基酸残基组成。如GAL4分子中有2个这种结构域，分别位于多肽链的第147-196位和第768-881位；GCN4的转录激活结构域位于多肽链的第106-125位。a.酸性-螺旋(acidic-helix)该结构域含有由酸性氨基酸残基组成的保守序列，多呈带负电荷的亲脂性-螺旋，包含这种结构域的转录因子有GAL4、GCN4、糖皮质激素受体和AP-1/Jun等。增加激活区的负电荷数能提高激活转录的水平。可能是通过非特异性的相互作用

29、与转录起始复合物上的TFIID等因子结合生成稳定的转录复合物而促进转录。b.谷氨酰胺丰富区(glutamine-richdomain)SP1的N末端含有2个主要的转录激活区，氨基酸组成中有25%的谷氨酰胺，很少有带电荷的氨基酸残基。酵母的HAP1、HAP2和GAL2及哺乳动物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2和SRF也含有这种结构域。C.脯氨酸丰富区(proline-richdomain)CTF家族（包括CTF-1、CTF-2、CTF-3）的C末端与其转录激活功能有关，含有20%-30%的脯氨酸残基。2.3 与已知与已知DNA序列相结合的反式作用因子序列相结合的反式作用因子 a. CAA

30、T盒激活因子盒激活因子CTF（CAATboxtranscriptionfactor）家族是能识别CAAT盒的一组转录因子。这一组因子是由单个基因通过可变换的剪接而形成的一组mRNA产生的。CTF家族成员对各种CAAT盒有相同的亲和力。另一组CAAT区结合蛋白被称为CP，它们是从人的HeLa细胞中得到的。CP1具有对-球蛋白和腺病毒晚期基因启动子CAAT区的高亲和力，CP2具有对-血纤蛋白原基因启动子CAAT区的高亲和力，而CP3能与腺病毒DNA相结合。CP族蛋白主要以异源多聚体的形式存在。除了CTF和CP族蛋白能与CAAT区结合外，科学家还从小鼠肝细胞里发现两个CAAT区结合蛋白。CBP对序列

31、GCAAT有较强的亲和力，而ACF则对卵清蛋白基因启动子区的CCAAT有高亲和力。因此，在启动区发现某个保守序列，并不等于同一个蛋白因子参与了该基因的调控。对9个哺乳动物类-球蛋白基因和1个人-球蛋白基因5调控区的研究发现，几乎每个基因都具有CCAAT（-80位左右）区和TATA（-30左右）区。b.TATA区结合蛋白RNA聚合酶II需要与其他转录因子结合，才能顺利起始转录。通常把辅助因子需要量最小的启动子称为一般性启动子（genericpromoter），具有组成型表达特性，这些启动子上游调控区及所需转录因子在绝大多数甚至全部基因中都是高度保守的。TBP结合于DNA的小沟。TBP与DNA的结

32、合在体外实验中保护了大约一圈双螺旋DNA免受核酸酶的降解，其覆盖的位置处于-37-25。TAFs的加入延伸了对DNA的覆盖，整个TFIID复合物可覆盖-45-10区域。C.GC区结合因子GC区结合蛋白SP1是1.0x105的单体，能与DNA链上包括GGGCGG在内约20bp的序列特异结合。在SV40启动子区，从-70-110的6个GC区全部与SP1结合，所以这个区域的DNA不会被降解。在胸腺嘧啶激酶启动子区，SP1既与上游的CTF（CAAT区结合蛋白）相互作用，又与下游的TFIID紧密相关。GC区对SP1的结合是必需的，但该序列对于SP1亲和力却很不相同，证明GC区两翼序列同样在SP1的识别及

33、结合过程中发挥作用。人们推测GC区、尤其是多次重复的GC区，与基因的永久型表达有关。d.八碱基对元件激活蛋白八碱基对元件也能被多个激活蛋白识别。Oct-1是非淋巴样细胞中结合八碱基对元件的转录激活因子，没有组织特异性。Oct-2则是组织特异的激活因子。一般说来，一个特定的共有序列元件能被相应的转录因子或一个转录因子家族的成员所识别，而相同的元件也能被不同的转录因子所识别。3. 转录起始的调控转录起始复合物的形成关键：转录因子(transcriptionfactor,TF)；启动子与TF结合后，才能被RNApol识别与结合；-25-30区：TATA盒转录起始的调控TBP:TATA-binding

34、 proteinTAFs:TBP associated factors转录起始的调控反式作用因子的活性调节合成后即有活性：需要时合成，可迅速降解共价修饰：磷酸化-去磷酸化，糖基化配体结合：如激素与受体的结合蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体反式作用因子与顺式作用元件的结合转录起始的调控反式作用因子的作用方式成环、扭曲、滑动、Oozing等反式作用因子的组合式调控作用(conbinatorialgeneregulation)使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表达成环反式作用因子与顺式作用元件的结合组合式调控作用(三) 转录后水平的调控5端加帽(cap)和3端多聚腺苷酸化(polyA)的调控意义使

35、mRNA稳定，在转录过程中不被降解mRNA的选择剪接(alternativesplicing)对基因表达的调控外显子选择(optionalexon)、内含子选择(optionalintron)、互斥外显子、内部剪接位点mRNA运输的控制1、真核生物翻译多肽的过程是在细胞质中发生真核生物翻译多肽的过程是在细胞质中发生的，所以的，所以受细胞质中调节机制的控制和影响受细胞质中调节机制的控制和影响。如。如果这个过程被抑制，则已经转录的果这个过程被抑制，则已经转录的mRNA也不能也不能翻译成多肽，被迫以失活的状态贮存起来。翻译成多肽，被迫以失活的状态贮存起来。二十世纪五十年代，在辽宁省新金县出土的已二十

36、世纪五十年代，在辽宁省新金县出土的已埋没千年的古代莲子，播种后仍能发芽开花。可埋没千年的古代莲子，播种后仍能发芽开花。可见莲子内的见莲子内的mRNA能长时间地存活。能长时间地存活。（四）翻译水平的调控（四）翻译水平的调控海胆卵内的海胆卵内的mRNA在受精前不能进行翻译在受精前不能进行翻译，但一经受精，蛋白，但一经受精，蛋白质的合成速度迅即猛增。即使在质的合成速度迅即猛增。即使在放线菌素放线菌素D（阻止（阻止mRNA的转录的转录）的作用下，蛋白质仍能合成。说明翻译蛋白质的的作用下，蛋白质仍能合成。说明翻译蛋白质的mRNA 模板早模板早已存在于卵细胞内，受精使之活化了。但当海胆受精卵发育到已存在于

37、卵细胞内，受精使之活化了。但当海胆受精卵发育到原原肠期后肠期后，再用放线菌素，再用放线菌素D处理，蛋白质的合成就不再进行，可见处理，蛋白质的合成就不再进行，可见在原肠期以后又重新转录在原肠期以后又重新转录mRNA了。了。 为什么未受精前海胆卵中的为什么未受精前海胆卵中的mRNA不能进行翻译，受精后又不能进行翻译，受精后又处于活化状态？处于活化状态？ 据分析，这种翻译调节机制之一是据分析，这种翻译调节机制之一是卵细胞卵细胞mRNA加尾过程加尾过程。许多贮藏在卵细胞中的许多贮藏在卵细胞中的mRNA仅具有约仅具有约20个核苷酸的多聚个核苷酸的多聚A(poly-A)尾端序列。在生物适宜的发育时期，尾端

38、序列。在生物适宜的发育时期，被用来翻译生物被用来翻译生物所需要的蛋白质时，多聚所需要的蛋白质时，多聚A尾端序列才加长至几百个核苷酸。尾端序列才加长至几百个核苷酸。受受精过程加长了精过程加长了mRNA多聚多聚A序列，使序列，使mRNA能够翻译成蛋白质。能够翻译成蛋白质。2、翻译起始的调控、翻译起始的调控阻遏蛋白的调控：阻遏蛋白的调控：铁结合调节蛋白铁结合调节蛋白(regulatory iron-binding protein)翻译起始因子的调控：翻译起始因子的调控：eIF-2，血红素对珠蛋白，血红素对珠蛋白合成的调节合成的调节5AUG对翻译的调控作用：减少正常对翻译的调控作用：减少正常AUG启动

39、启动翻译的作用，使翻译维持在较低水平翻译的作用，使翻译维持在较低水平mRNA 5 端非编码区长度对翻译的影响端非编码区长度对翻译的影响铁结合调节蛋白33翻译起始因子(eIF2)的调控3、mRNA稳定性调节稳定性调节3端非编码区结构影响其稳定性：端非编码区结构影响其稳定性：3端富含端富含A和和U的结构，引起的结构，引起mRNA 不稳定不稳定蚕蛹羽化成蛾后，需大量蛋白水解酶溶解蚕丝蚕蛹羽化成蛾后，需大量蛋白水解酶溶解蚕丝蛋白，蛋白，mRNA半衰期达半衰期达100小时，其他仅小时，其他仅2.5小小时时4、小分子RNA对翻译水平的影响5、移码程序性移码 （五）（五） 蛋白质翻译后加工蛋白质翻译后加工

40、a. a. 蛋白质折叠：蛋白质分子伴侣蛋白质折叠：蛋白质分子伴侣折叠折叠 b. b. 蛋白酶切割（末端、信号肽）蛋白酶切割（末端、信号肽） c. c. 蛋白质化学修饰蛋白质化学修饰 d. d. 蛋白质内含子的切除蛋白质内含子的切除蛋白质合成后的靶向输送（ protein targeting）蛋白质合成后的去向留在胞浆进入核、线粒体或其它细胞器分泌至体液，输送至靶器官二、二、 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控基因表达调控的三个水平：基因表达调控的三个水平：原核基因表达调控主要是在原核基因表达调控主要是在转录水平上转录水平上的调控。的调控。方式方式方式方式特点特点特点特点调控机制调控机

41、制调控机制调控机制 - - - -操纵子操纵子操纵子操纵子正调控正调控正调控正调控负调控负调控负调控负调控转录翻译偶联转录翻译偶联转录翻译偶联转录翻译偶联快速快速快速快速乳糖操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子 - - - -负、正调控负、正调控负、正调控负、正调控 转录转录转录转录起始起始起始起始的调控的调控的调控的调控 色氨酸操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子-负调控负调控负调控负调控 转录转录转录转录终止终止终止终止的调控的调控的调控的调控原核生物和真核生物转录的差异原核生物和真核生物转录的差异 原核生物原核生物 真核生物真核生物 1、一种、一种RNA聚合酶聚合酶 1、多种、多种

42、RNA聚合酶聚合酶2、不同启动子间有相当大的同源性、不同启动子间有相当大的同源性 2、各种不同启动子间的差异较大、各种不同启动子间的差异较大3、聚合酶直接同启动子结合、聚合酶直接同启动子结合 3、聚合酶通过同转录因子的相互作、聚合酶通过同转录因子的相互作 用促进结合用促进结合4、没有增强子、没有增强子 4、有增强子、有增强子5、转录的终止由在几个、转录的终止由在几个Us前形成茎环前形成茎环 5、转录的终止是靠在转录过程特殊、转录的终止是靠在转录过程特殊 的核酸内切酶切割的序列介导的的核酸内切酶切割的序列介导的6、启动子通常位于基因的上游、启动子通常位于基因的上游 6、聚合酶、聚合酶的启动子位于

43、被转录的的启动子位于被转录的 序列之中序列之中7、转录单位常常含有多个基因、转录单位常常含有多个基因 7、转录单位只含一个基因、转录单位只含一个基因转录调节的类型转录调节的类型代谢产物对基因活性的调节；代谢产物对基因活性的调节； 乳糖操纵子乳糖操纵子弱化子对基因活性的影响；弱化子对基因活性的影响； 如：如：Trp操纵子操纵子降解物对基因活性的调节；降解物对基因活性的调节； 葡萄糖效应（降解物抑制作用）葡萄糖效应（降解物抑制作用）细菌的应急反应；细菌的应急反应；鸟苷四磷酸（鸟苷四磷酸（ppGpp）、）、 鸟苷五磷酸（鸟苷五磷酸（pppGpp）5 5P I PP I P操纵序列操纵序列O O终止子

44、终止子3 3CAPCAP结合位点结合位点Z ZY YA A阻遏蛋白阻遏蛋白I别乳糖别乳糖（或（或IPTGIPTG）乳糖乳糖mRNAmRNA转变转变5 5P I PP I P操纵序列操纵序列O O终止子终止子3 3CAPCAP结合位点结合位点Z ZY YA A阻遏蛋白阻遏蛋白I代谢产物对基因活性的调节代谢产物对基因活性的调节1.阻遏2.去阻遏有色氨酸时，核糖体的移动阻止了2、3 茎环的形成，但3、4茎环形成，终止转录无色氨酸时，核糖体在trp密码子处停留，形成2、3茎环，阻止了3、4茎环的形成，转录继续弱化子对基因活性的影响弱化子对基因活性的影响启动子启动子P操纵序列操纵序列O终止子终止子ZYA

45、cAMP CAPcAMP CAPRNA聚合酶聚合酶CAP结合位点结合位点mRNA53 高葡萄糖浓度高葡萄糖浓度5 5启动子启动子P P操纵序列操纵序列O O终止子终止子3 3CAPCAP结合位点结合位点Z ZY YA AcAMPcAMP 低葡萄糖浓度低葡萄糖浓度降解物对基因活性的调节降解物对基因活性的调节细菌的应急反应细菌的应急反应应急信号：应急信号： 鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸（ppGpp）、）、 鸟苷五磷酸鸟苷五磷酸（pppGpp）诱导物：空载诱导物：空载tRNA核苷酸水平调控核苷酸水平调控rRNA转录的起始转录的起始典型的原核启动子有四大要素典型的原核启动子有四大要素转录起始位点，-10区，-

46、35区和-10区与-35区之间的间隔。原核基因转录起始位点通常是嘌呤，其序列为CAT（A为起始位点）。-10区是一个6碱基保守序列（常以-10为中心）。T80A95t45A60A50T96，有助于DNA的解链。-35区是另一个6碱基保守序列（常以-35为中心）。T82T84G78A65C54a45研究表明，当-10区和-35区中心位置相距16-18bp时，该启动子的功能较强；相距较近或较远时，起始转录的功能都相应减弱。启动子序列-35区与-10区启动子区的识别启动子区的识别 RNA聚合酶与启动子的识别聚合酶与启动子的识别通过氢键通过氢键互补的方式识别并由非特异性结合到特异互补的方式识别并由非特

47、异性结合到特异性结合：性结合：RNARNA聚合酶与启动子的相互作用聚合酶与启动子的相互作用酶与启动子的结合酶与启动子的结合 RNA聚合酶全酶与启聚合酶全酶与启动子区闭合双链动子区闭合双链DNA结合形成二元闭合复结合形成二元闭合复合物（全酶、模板合物（全酶、模板DNA），再解链为二），再解链为二元开链复合物，转录元开链复合物，转录起始，形成三元复合起始，形成三元复合物（全酶、模板物（全酶、模板DNA、新生新生RNA），）， 因子因子释放，释放，RNA合成开始：合成开始：P74、P70图图 因子的结合与解离因子的结合与解离 因子在酶与启动子因子在酶与启动子特异性结合中的作用特异性结合中的作用转录起

48、始与延伸阶段转录起始与延伸阶段 因子的结合与解离因子的结合与解离（了解）；（了解）； 因子的专一性：不因子的专一性：不同基因编码识别不同同基因编码识别不同启动子的启动子的 因子因子因子的专一性三、古细菌基因的表达调控古细菌基因的启动子含有典型的真核生物古细菌基因的启动子含有典型的真核生物Pol IIPol II基因基因TATATATA盒框（盒框（TTTAWATTTAWA），距），距离转录起始点离转录起始点27bp,27bp,与大多数与大多数Pol IIPol II基因启基因启动子的距离相似；动子的距离相似；古细菌古细菌sulfolobus solfataricussulfolobus solfataricus和詹氏甲和詹氏甲烷球菌都只有一种烷球菌都只有一种RNARNA多聚酶，与真核生物多聚酶，与真核生物RNARNA多聚酶非常相似多聚酶非常相似 ；古细菌也有编码类似真核生物转录因子古细菌也有编码类似真核生物转录因子TBPTBP和和TFBTFB的基因，但未鉴定出其他同源蛋白；的基因，但未鉴定出其他同源蛋白；