1、 基因表达（基因表达（gene expression）是指基因通过转录和翻译而产生蛋白质蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物（如tRNA，rRNA等）的过程。生 物体内每个细胞都含有该物种的一整套基因，但是，这些基因并不是同时都在表达。单细胞的细菌，根据环境的变化，开启或关闭某些基因，以便迅速合 成它所需要的蛋白质，停止合成它不需要的蛋白质。大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般情况下只有510%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达.哺乳类基因组更复杂，人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类
2、细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基 因处于表达状态 生物体内的基因之所以能够有序地表达，是因为细胞内存在着对基因表达基因表达的调控机制，这种调控机制是生物体所不可缺少的。成年山羊的乳腺细胞在适当的条件下也能分化发育成山羊个体(克 隆羊)，表明这些体细胞也像生殖细胞一样含有个体发育、生存和繁殖的全部遗传信息。但这些遗传信息的表达是受到严格调控的，通常各组织细胞只合成其自身结 构和功能所需要的蛋白质。不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异性基因表达的组织特异性
3、(tissue specificity)。细胞特定的基因表达状态，就决定了这个组织细胞特有的形态和功能。如果基因表达调控发生变化，细胞的形态与功能也会随之改变，例如：人肝细胞在胚胎时期合成甲胎蛋白(alfafetal protein,AFP)，成年后就很少合成AFP了，但当肝细胞转化成肝癌细胞时编码AFP的基因又会开放，合成AFP的量会大幅度提高，成为肝癌早期诊断的一个重要指 标；人肺组织并不合成降血钙素，但某些肺组织细胞癌变时，合成降血钙素的基因会开放，能分泌降血钙素，引起血钙降低的症状。细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的，这就是基因基因表达的阶段特异性表达的阶段特异性(sta
4、gespecificity)。一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息，在个体发育分化的各个阶段，各种基因极为有序地表达，一般在胚 胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中某些基因关闭(turn off)、某些基因转向开放(turn on)，胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开放的程度不一样，合成蛋白质的种类和数量都不相同，显示出基因表达调控在空间和时间上极高的 有序性，从而逐步生成形态与功能各不相同、极为协调、巧妙有序的组织脏器。即使是同一个细胞，处在不同的细胞周期状态，其基因的表达和蛋白质合成的情况也 不尽相同，这种细胞生长过程中基因表达调控的变化，正是细胞生长繁
5、殖的基础。二、基因表达适应环境的变化生物只有适应环境才能生存。当周围的营养、温度、湿度、酸度等条件变化时，生物体就要改变自身基因表达状况，以调 整体内执行相应功能蛋白质的种类和数量，从而改变自身的代谢、活动等以适应环境。生物体内的基因调控各不相同，仔细观察基因表达随环境变化的情况，可以大 致把基因表达分成两类：组成性表达(constitutive expression)指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因可称 为看家基因(housekeeping gene)，这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种
6、的细胞中都是持续表达的，可以看成是细胞基本的基因表达。组成性基因表达也不是一成 不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。适应性表达(adaptive expression)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)这类基 因被称为可诱导的基因(inducible gene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。改变基因表达的情况以适应环境，在原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要，因为细胞的生存环境经常会有剧烈的
7、变化。例如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，当外界没有葡萄糖时，细菌就要适应环境中存在的 其它糖类(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，开放能利用这些糖的酶类基因，以满足生长的需要。即使是内环境保持稳定的高等哺乳类，也经常要变动基因的表达来 适应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的 情况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及
8、转录起始），转录后水平（加工及转运），翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控真核生物比原核生物的基因表达调控复杂得多。真核生物只有少数基因的表达调控与外界 环境变化直接有关，大多数的基因表达与生物体的发育、分化等生命现象密切相关。真核生物基 因表达调控最明显的特征是能在特定的时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现有序的、不可逆的分化和发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常的生理功 能。真核生物中，基因的差别表达是细胞分化和功能的核心。真核细胞具有选择性激活和抑制 基因表达的机制，如果基因在错误的时间或细胞中
9、表达，或过量表达，都会破坏细胞的正常代谢，甚至导致细胞死亡。另外，真核生物细胞的转录和翻译在时间和空间上都不相同，转录在细胞核内，翻译则在细胞质中有规律地进行，而翻译产物的分布、定位及功 能活性调节也都是可控制的环节。适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义 原核生物在对外环境突然变化的反应中，是通过诱导或阻遏合成一些相应的蛋白质来调整与外环境之间的关系。由于原核生物的转录与翻译的过程是偶联的，而且这种过程所经历的时间很短，只需数分钟，同时由于大多数原核生物的mRNA在几分钟内就受到酶的影响而降解，因此就消除了外环境突然变化后所造成的不必要的蛋
10、白质的合成。与真核生物相比，原核生物基因表达的一个特点是快速。一、转录水平的调控一、转录水平的调控(control of transcription)操纵子操纵子(operon)：由调控区（启动子和操纵子）与信息区（结构基：由调控区（启动子和操纵子）与信息区（结构基因）组成因）组成所谓操纵子是指一些成簇排列、相互协同的基因所组成的单位操纵子是指一些成簇排列、相互协同的基因所组成的单位，也称基因表达的协同单位(a coordinated unit of gene expression)。例例1大肠杆菌乳糖酶诱导合成大肠杆菌乳糖酶诱导合成阻遏蛋白阻遏蛋白操纵基因操纵基因结构基因结构基因半乳糖苷酶半
11、乳糖苷酶半乳糖苷转乙酰酶半乳糖苷转乙酰酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶操纵基因操纵基因基因合成的开关基因合成的开关调节基因调节基因关关阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达诱导物（乳糖）诱导物（乳糖）开开诱导物阻止阻遏蛋白功能发挥。诱导物阻止阻遏蛋白功能发挥。mRNA酶蛋白酶蛋白乳 糖 操 纵 子 调 控 的 机 制乳 糖 操 纵 子 调 控 的 机 制 乳糖操纵子结构基因表达产物乳糖操纵子结构基因表达产物（一）阻遏蛋白的负性调节作用（一）阻遏蛋白的负性调节作用O OCAP位位点点 操纵序列操纵序列RNARNA聚合酶聚合酶 启动序列启动序列cAMPmRNA 5
12、DNADNA结合区结合区与与 CAPCAP位点结合位点结合CAP(CAP(同二聚体同二聚体),),含含 cAMPcAMP结合区结合区 cAMPcAMP-CAP-CAP复合物（有复合物（有活性）活性）CAP（二）（二）CAPCAP的正性调节作用的正性调节作用LacLac操纵子基因表达受阻遏蛋白和操纵子基因表达受阻遏蛋白和CAPCAP的双重调控的双重调控 trptrp操纵操纵子子属属阻遏型操纵阻遏型操纵子子，主要调控，主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。色氨酸操纵色氨酸操纵子的调控机制的调控机制色氨酸操纵子表达的调控有两种机制，一种是通过
13、阻遏物的负调控，另一种是通过衰减作用(attenuation)。色氨酸操纵子通常处于开放状态，而当色色氨酸操纵子通常处于开放状态，而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭结合而使基因转录关闭 (一)阻遏物对色氨酸操纵子的调控 色氨酸阻遏物是一种同二聚体蛋白质(由两个相同的亚基组成)，每个亚基有107个氨基酸残基。色氨酸阻遏物本身不能和操纵基因O结合，必须和色氨酸结合后才能与操纵基因O结合，从而阻遏结构基因表达，因此色氨酸是一种共阻遏物(corepre
14、ssor)。(二)衰减作用对色氨酸操纵子的调控 色氨酸操纵子转录的衰减作用是通过衰减子(attenuator)调控元件使转录终止。O 阻遏蛋白阻遏蛋白 （无活性无活性）mRNAtrpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导前导trpL衰减子衰减子 结结 构构 基基 因因 调控区调控区色氨酸操纵子的调节机制色氨酸操纵子的调节机制 （色氨酸合成的酶蛋白）（色氨酸合成的酶蛋白）E1 E2 E3O 阻遏蛋白阻遏蛋白 mRNATrp trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA转录生成转录生成162162核苷酸长的核苷酸长的前导前导序列，序列，可以可以形成形成“衰减子衰减子”结构结构（结构
15、基因关闭结构基因关闭）调节区调节区 在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的“衰减子衰减子”结构，对转录进行更精细的调控。结构，对转录进行更精细的调控。色氨酸的负性调控作用色氨酸的负性调控作用 有活性有活性操纵子前导区内类似于终止子结构的一段操纵子前导区内类似于终止子结构的一段DNA序列，称为衰减子。其作用是减弱操序列，称为衰减子。其作用是减弱操纵子的转录。纵子的转录。Trp Trp操纵子的操纵子的trpEtrpE基因基因5 5 端转录生成的端转录生成的 162162个核苷酸长的个核苷酸长的“前导序列前导序列”衰减子衰减子 结构结构 10、11mRNA （主要在
16、转录水平进行调节）（主要在转录水平进行调节）1 1）因子的特异启动作用因子的特异启动作用.不同的因子不同的因子可以竞争性的结合可以竞争性的结合RNARNA聚合酶聚合酶,环境变化可产生特环境变化可产生特定的定的因子，因子，从而打开一套特定的基因。从而打开一套特定的基因。2 2）操纵子调控机制具有普遍性操纵子调控机制具有普遍性3 3）结构基因发生多顺反子转录结构基因发生多顺反子转录4 4）阻遏蛋白的负调控作用具有普遍性阻遏蛋白的负调控作用具有普遍性SD序列序列(Shine-Dalgarno sequence)：mRNA起起始密码前的一始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列段富含嘌呤核苷酸的序列。(9-
17、12bp)5-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3SD序列的顺序及位置对翻译的影响序列的顺序及位置对翻译的影响mRNA二级结构隐蔽二级结构隐蔽SD序列的作用序列的作用（一）、（一）、SD序列对翻译的影响序列对翻译的影响SD序列与序列与16S rRNA序列互补的程度以及从起始密码子序列互补的程度以及从起始密码子AUG到嘌呤片段的距离也都强烈地影响翻译起始的效率。到嘌呤片段的距离也都强烈地影响翻译起始的效率。不同基因的不同基因的mRNA有不同的有不同的SD序列，它们与序列，它们与16S rRNA的的结合能力也不同，从而控制着单位时间内翻译过程中起始结合能力也不同，从而控制着单位时间内翻译过程中
18、起始复合物形成的数目，最终控制着翻译的速度。复合物形成的数目，最终控制着翻译的速度。（一）（一）基因组结构庞大基因组结构庞大 人类的单倍体基因组由人类的单倍体基因组由 3X103X109 9 的核苷酸组成，的核苷酸组成，含有大约含有大约2.6 2.6 3.93.9万个基因。万个基因。（二）（二）形成染色体结构形成染色体结构 真核生物的基因组是以真核生物的基因组是以DNADNA和蛋白质结合形成染和蛋白质结合形成染色体结构形式而存在于细胞核。色体结构形式而存在于细胞核。（三）（三）单顺反子单顺反子 真核基因的转录产物一般是单顺反子真核基因的转录产物一般是单顺反子 。单顺反子单顺反子 一个编码基因转
19、录生成一个一个编码基因转录生成一个mRNAmRNA分子，并指导翻译一分子，并指导翻译一条多肽链。条多肽链。（四）（四）重复序列重复序列 真核生物基因普遍存在重复序列。真核生物基因普遍存在重复序列。根据重复频率不同，根据重复频率不同，分为以下分为以下3 3类：类：高度重复序列高度重复序列 中度重复序列中度重复序列 单拷贝序列单拷贝序列 反向重复序列（回文序列）反向重复序列（回文序列）（五）断裂基因（五）断裂基因 外显子外显子 具有实际编码意义的结构基因序列；具有实际编码意义的结构基因序列；内含子内含子 不具有编码意义的碱基序列不具有编码意义的碱基序列 ，又称插入序列。，又称插入序列。（六）大多数
20、为非编码区（六）大多数为非编码区（95左右左右）第二节第二节 真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控 (Control of Eukaryotic Gene Exepression)nDNA水平的调控水平的调控n转录水平的调控转录水平的调控(transcriptional regulation)n转录后水平的调控转录后水平的调控(post transcriptional regulation)n翻译水平的调控翻译水平的调控(translational regulation)n翻译后水平的调控翻译后水平的调控(protein maturation)一、一、DNA水平的调控水平的调控通过改变
21、通过改变DNA序列和染色质结构从而影响基因表达的过序列和染色质结构从而影响基因表达的过程都属于程都属于DNA水平的调控。水平的调控。真核生物基因表达在DNA水平的调控主要通过下列方式：（一）（一）DNA甲基化甲基化(DNA methylation)：m mCpGCpG，即即“CpGCpG岛岛(CpGCpG-rich islands)”-rich islands)”甲基化甲基化(methylatedmethylated)程度高，基因表达降低；程度高，基因表达降低；去甲基化去甲基化(undermethylatedundermethylated)：基因表达增加：基因表达增加（二）染色质（二）染色质(
22、chromatin)(chromatin)结构改变参与基因表达的调控结构改变参与基因表达的调控 真核细胞染色质分为固缩状态的异染色质和结构松散的常染色质。DNA链的松弛与解旋是真核生物基因起始mRNA合成的先 决条件。常染色往往在特定区域被解旋或松弛，形成自由DNA，这些变化可导致结构基因暴露，RNA聚合酶能发生作用，促进转录因子与启动子结合。常染色质常染色质:结构松散，基因表达结构松散，基因表达异染色质异染色质:结构紧密，基因不表达结构紧密，基因不表达有基因表达活性的染色质有基因表达活性的染色质DNA对对 DNase更敏感，即更敏感，即Dnase的的敏感性可作为该基因的转录活性的标志敏感性可
23、作为该基因的转录活性的标志（三）组蛋白对基因表达的抑制作用组蛋白与DNA结合与解离是真核基因表达调控的重要机制之一。组蛋白与DNA结合后，可以保护DNA免受损伤，维持基因组稳定性，抑制基因表 达。基因转录激活因子可以从启动子区除去组蛋白，并阻止组蛋白重新与DNA结合，从而促进 基因转录的启动。组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体结构改组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体结构改变，使核小体不稳定性增加。变，使核小体不稳定性增加。除了上述几种方式外，基因重排、染色质丢失、基因扩增都是真核生物基因表达在DNA水 平上的调控方式。（一）、顺式作用元件的调控（二）、反式作用因子的调控在转录水
24、平，真核生物和原核生物的调控机制基本相似，但至少在三方面真核生物基因表达的调控有其自身的特征：第一，转录的激活与被转录区域的染色质结构变化有关；第二，原核生物基因表达有负调控和正调控，而真核生物 基因表达以正调控为主；第三，真核生物的转录和翻译两个过程在细胞内区域化上是分开的，转录在细胞核内进行，翻译在细胞质进行。1.基因表达 定义：基因在各种调节机制下,经过系列步骤表现出其生物 功能的过程。即基因转录或转录与翻译的过程。转录+翻译 蛋白质(主)转录 rRNA、tRNA2.基因:载有特定遗传信息的DNA片段.3.基因组：一个细胞或病毒所携带的全部遗传 信息或整套基因 41 单细胞真核生物单细胞
25、真核生物，如酵母基因表达，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同的调控和原核生物表达的调控基本相同。多细胞真核生物多细胞真核生物，遗传信息从细胞遗传信息从细胞核的基因组核的基因组DNADNA传递到基因编码的蛋白质传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。均受到多层次的调控。42 （1 1）细胞具有全能性）细胞具有全能性 全能性：全能性：指同一种生物的指同一种生物的所有细胞都含有相同的基因组所有细胞都含有相同的基因组DNADNA，都有发育成完，都有发育成完整个体的潜能。整个体的潜能。（2 2）基因表达的时间性和空间性）基因表达的时间性和空间性 时间性：时间性：个个体发育的不同阶段，基因
26、表达的种类和数量是不体发育的不同阶段，基因表达的种类和数量是不同的；同的；空间性：空间性：在不同组织和器官中，基因表达在不同组织和器官中，基因表达的种类和数量是不同的。的种类和数量是不同的。43 （3 3）转录和翻译分开进行）转录和翻译分开进行 真核生物真核生物DNADNA在核中转在核中转录生成录生成 mRNAmRNA，在胞质中合成蛋白质。，在胞质中合成蛋白质。（4 4）初级转录产物要经过转录后加工修饰）初级转录产物要经过转录后加工修饰 初级初级转录产物转录产物核不均一性核不均一性RNARNA（heterogeneous heterogeneous nuclear RNA,hnRNAnucle
27、ar RNA,hnRNA），要经过戴帽），要经过戴帽(m(m7 7GpppN)GpppN)、加、加PolyAPolyA尾、切除插入的内含子和拼接外显子等过程，尾、切除插入的内含子和拼接外显子等过程，才形成成熟的才形成成熟的mRNAmRNA分子。分子。44 （5 5）不存在超基因式操纵子结构）不存在超基因式操纵子结构 真核生物基真核生物基因转录产物为单顺反子，一条因转录产物为单顺反子，一条 mRNAmRNA只翻译一种蛋白只翻译一种蛋白质。功能相关的基因大多数分散在不同的染色体上，质。功能相关的基因大多数分散在不同的染色体上，分别进行转录。分别进行转录。（6 6）部分基因多拷贝）部分基因多拷贝 既
28、可满足细胞的需要，也既可满足细胞的需要，也是表达调控的一种有效方式。是表达调控的一种有效方式。二、基因表达调控基因表达调控特点 具有时空性1时间特异性（阶段特异性）定义：指某一特定基因的表达严格按 特定时间顺序发生。e.g :不同时间、阶段表达多少不同 感染、发育（早期表达多）2空间特异性（细胞,组织特异性）定义：指某一基因的表达按不同组织 空间顺序发生。e.g :不同组织、细胞表达产物多少不同（三、基因表达调控方式三、基因表达调控方式基本表达基本表达:对刺激反应小对刺激反应小适应性表达适应性表达（诱导或阻遏）（诱导或阻遏）:对刺激反应大对刺激反应大 1基本表达（组成性基因表达基本表达（组成性
29、基因表达）a.定义：定义：不易受环境变化影响的基因表达。不易受环境变化影响的基因表达。即管家基因表达即管家基因表达 管家基因：在机体所有细胞中持续表达的基因管家基因：在机体所有细胞中持续表达的基因;表达产物是整个生命过程中都持续需要的。表达产物是整个生命过程中都持续需要的。即进行基本表达的基因即进行基本表达的基因:如微管蛋白基因、糖酵 解酶系基因与核糖体蛋白基因等。48管家基因管家基因(housekeeping gene)某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。表达。bcl-2-actin1 2常用的管家基因常用的管家基因中文名称中文名称 英文缩写英文
30、缩写Beta肌动蛋白肌动蛋白 -actin甘油醛甘油醛3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶 GAPDHTATA Box结合蛋白结合蛋白 TBP18s 核糖体核糖核酸核糖体核糖核酸 18s rRNA微管蛋白微管蛋白 -Tubulinb.影响管家基因表达因素：影响管家基因表达因素：启动序列启动序列 启动子与启动子与RNA-pol相互作用相互作用 c.管家基因意义：维持生命的基本途径。管家基因意义：维持生命的基本途径。2适应性表达适应性表达 定义定义：易受环境变化影响的基因表达。：易受环境变化影响的基因表达。形式形式：诱导诱导：受环境条件变化基因表达增强的现象。：受环境条件变化基因表达增强的现象。阻遏阻遏：受环
31、境条件变化基因表达减弱的现象。：受环境条件变化基因表达减弱的现象。影响因素：影响因素：启动序列启动序列 启动子与启动子与RNA-pol相互作用相互作用 其他机制其他机制(含对特定刺激的反应元件含对特定刺激的反应元件)意义意义：适应环境的基本途径。：适应环境的基本途径。协调表达：在基本和适应性表达中，功能相关的协调表达：在基本和适应性表达中，功能相关的 基因表达协调一致。基因表达协调一致。例:热休克蛋白（heat shock protein，HSP）是一组进化上高度保守的蛋白质，机体细胞在热休克或受到其他外来刺激时诱导HSP产生，其在许多肿瘤中呈高表达 DNA损伤 修复酶基因激活（(一）、意义
32、1.适应环境、维持生长和增殖(原核)。2适应环境、维持个体发育与分化(真核)。(二)、调控点 多级性(信息传第的任何环节)：基因激活 转录起始（基本点）转录后加工 翻译 翻 译后加工（三）、基本要素（三）、基本要素（e.g:转录激活）转录激活）特异特异DNA序列序列 调节蛋白调节蛋白 DNA与调节蛋白结合方式与调节蛋白结合方式 RNA聚合酶聚合酶（一）、基因的丢失（一）、基因的丢失：不可逆：不可逆核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必需的全核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因部基因（二）、基因剂量与基因扩增（二）、基因剂量与基因扩增：增加基因的拷贝数：增加基因的拷贝数非洲爪蟾卵母
33、细胞非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增基因卵裂时，扩增4000倍，倍，达达1012个核糖体个核糖体药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基药物：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因拷贝数异常增加（三）、基因重排（三）、基因重排：如免疫球蛋白基因重排，多样性如免疫球蛋白基因重排，多样性55基因扩增（基因扩增（gene amplificationgene amplification）当细胞对某种基因产物需要量剧增，单纯当细胞对某种基因产物需要量剧增，单纯靠调节其表达活性不足满足需要，只有增加这靠调节其表达活性不足满足需要，只有增加这种基因的拷贝数。种基因的拷贝数。基因
34、重排：基因重排：（gene rearrangement）VJCVJCVJC免疫球蛋白免疫球蛋白IgGIgG基因许多片段发生重排，为免疫球蛋白分子基因许多片段发生重排，为免疫球蛋白分子的多样性奠定了基础的多样性奠定了基础指某些基因片段改变原来存在顺序而重新排列组合，指某些基因片段改变原来存在顺序而重新排列组合，成为一个完整的转录单位。成为一个完整的转录单位。调节表达产物多样性。调节表达产物多样性。57基因的甲基化修饰基因的甲基化修饰 DNADNA上特定的上特定的CpGCpG序列处的胞嘧啶发生甲基化序列处的胞嘧啶发生甲基化修饰（修饰（5mC5mC）。甲基化程度与基因的表达一般呈反）。甲基化程度与基
35、因的表达一般呈反比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降低。比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降低。去甲基化，基因的表达增加。去甲基化，基因的表达增加。意义：调控真核生物基因的表达，维护染色意义：调控真核生物基因的表达，维护染色体的完整性，调节体的完整性，调节DNADNA重组的某些环节。重组的某些环节。5353真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。二二 转录水平调控转录水平调控1.1.特异特异DNADNA序列（调节功能）序列（调节功能）顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)a.定义
36、：定义：指某些能影响基因表达但不编码新的蛋白质和指某些能影响基因表达但不编码新的蛋白质和RNARNA的的DNADNA序列序列，按照功能分为启动子、增强子、负调控元件（沉默子等）。按照功能分为启动子、增强子、负调控元件（沉默子等）。b.成分和功能：成分和功能：启动子启动子 RNA-pol识别、结合的部位识别、结合的部位 增强子增强子：是指能决定基因表达时空性，增是指能决定基因表达时空性，增 强启动子活性的特异强启动子活性的特异DNA序列。序列。其作用方式与方向、距离无关。其作用方式与方向、距离无关。沉默子沉默子：是指能抑制基因转录的特异是指能抑制基因转录的特异 DNA序列。序列。BADNA编码序
37、列编码序列转录起始点转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列一些共有序列，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，这盒等，这些共有序列是些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的聚合酶或特异转录因子的结合位点。结合位点。2.调节蛋白调节蛋白反式作用因子反式作用因子（主）（主）结合调节另一基因结合调节另一基因顺式作用因子顺式作用因子 结合调节自身基因结合调节自身基因反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)指能直接或间接地指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件识别或结合在各顺式作用元件8 812bp12bp核心序核心序列
38、上列上，参与，参与调控靶基因转录效率调控靶基因转录效率的的一组蛋白质一组蛋白质，也称序列特异性，也称序列特异性 DNADNA结合蛋白结合蛋白(sequence specific DNA binding protein(sequence specific DNA binding protein，SDBP)SDBP)，这是一类细胞核内蛋白质因子。在结构上含有与这是一类细胞核内蛋白质因子。在结构上含有与DNADNA结合的结构域结合的结构域反式作用因子特点：反式作用因子特点：1 1、常含有三个功能结构域：、常含有三个功能结构域：DNADNA识别结合域；转录活性识别结合域；转录活性 域；结合其他蛋白的结
39、合域域；结合其他蛋白的结合域2 2、能识别并结合顺式作用元件。、能识别并结合顺式作用元件。3 3、对基因的表达具有正调控与负调控作用。、对基因的表达具有正调控与负调控作用。真核基因转录起始的调节，首先表现为反式作用因子的功真核基因转录起始的调节，首先表现为反式作用因子的功能调节，即特定的反式作用因子被激活后，可以启动特定能调节，即特定的反式作用因子被激活后，可以启动特定基因的转录。基因的转录。cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CBA mRNA蛋白质蛋白质AA66表达式调节表达式调节共价修饰共价修饰配体结合配体结合蛋白质与蛋白质相互作用蛋白质与蛋白质相互
40、作用67 1)1)成环（成环（loopinglooping）2)2)扭曲扭曲(twisting)(twisting)3 3）滑动）滑动(sliding)(sliding)4 4）OozingOozing68（3 3）反式作用因子的组合式调控）反式作用因子的组合式调控基因表达的调控不是由单一的反式作用因子基因表达的调控不是由单一的反式作用因子完成而是几种因子组合，发挥特定的作用。完成而是几种因子组合，发挥特定的作用。锌指结构（锌指结构（Zinc finger motif）同源结构域（同源结构域（Homodomain）：螺旋）：螺旋-回折回折-螺旋螺旋亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（Leucine zip
41、per）螺旋环螺旋螺旋环螺旋(Helix-loop-helix structure)碱性碱性 螺旋（螺旋（Alkaline-helix）同源结构域：螺旋-回折-螺旋711.5端加帽和端加帽和3端多聚腺苷酸化及意义端多聚腺苷酸化及意义 5端加帽端加帽:真核生物转录生成的真核生物转录生成的mRNA在转录后在转录后，在，在5端加上端加上7甲基鸟苷甲基鸟苷(m7GPPPmNp-)意义意义:保护转录体保护转录体mRNA不受不受5外切酶降解，增外切酶降解，增强强mRNA的稳定性，同时有利于的稳定性，同时有利于mRNA从细胞核向从细胞核向胞质的转运，促进胞质的转运，促进mRNA与核糖体的结合（通过帽与核糖体
42、的结合（通过帽结合蛋白介导完成）。结合蛋白介导完成）。图图15-1373四四 翻译水平的调控翻译水平的调控 翻译一般在起始和终止阶段受到调节。翻译一般在起始和终止阶段受到调节。调节分子调节分子:RNA:RNA、蛋白质、蛋白质 调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用。所利用。74反义反义RNARNA 能与特定能与特定mRNAmRNA互补结合的互补结合的RNARNA片段，由反义基因转录而来片段，由反义基因转录而来。天然的具有功能的反义天然的具有功能的反义RNARNA分子一般在分子一般在200200个碱基以下。反义个碱基以下。反义R
43、NARNA又称又称mRNAmRNA干扰性互干扰性互补补RNARNA（micRNAmicRNA）。）。75 反义反义RNA调控调控Tn10转位酶基因的表达示意图转位酶基因的表达示意图76与与mRNA 5mRNA 5端非翻译区包括端非翻译区包括SDSD序列相结序列相结合，直接抑制翻译。合，直接抑制翻译。与与mRNA 5mRNA 5端编码区起始密码子端编码区起始密码子AUGAUG结合，结合，抑制抑制mRNAmRNA翻译起始。翻译起始。与与mRNAmRNA的非编码区互补结合，使的非编码区互补结合，使mRNAmRNA构象改变，影响其与核糖体结合，间接构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制了抑制了mRNA
44、mRNA的翻译。的翻译。蛋 白翻译初期，包含基因在内的双链DNA变性分开，第一条链转录信使RNA分子，作为翻译蛋白的模板，生物学家称此第一条DNA链为正义（sense）或编 码转录本（coding transcript）。尽管另一条链不携带编码蛋白的成分，但是偶尔也能产生一个反义（anti-sense）RNA分子，反义RNA与信使RNA或正义RNA序列互补。目前已经鉴别出许多基因的反义RNA，但大多数被认为是遗传缺陷。反义反义RNARNA 若干年来，研究人员一直通过测量正义RNA评价基因组，认为反义RNA转录本没有任何利用价值Whitehead 实 验室博士后研究员 Cintia Hongay
45、和MIT教授Gerald Fink研究普通酿酒酵母（面包酵母，baker yeast），发现 一种叫做IME4的基因的反义RNA能够阻止其正义RNA，换句话说，IME4自断其翻译蛋白的能力。首次在高等细胞中发现的反义RNA的特异功能，”以前在真核细胞中从未见过的全新的基因调节过程。”反义 RNA 技术基因的表达与调控的理论研究和实际运用：如癌症治疗等，插入失活产生突变调节基因表达方面已达到非常成熟的地步反义 RNA 技术是基于在细胞内引入一种能和靶 mRNA 序列互补的 RNA 链，从而阻断由 DNA 经过 RNA 到蛋白质的信息流。mRNA 和反义 RNA 之间能形成复合物，然后这种复合物或
46、者被迅速降解，或者在核内加工过程中被破坏，或使 mRNA 的翻译受到阻遏，不能产生基因相应的蛋白质表达产物，从而发挥调节基因表达的作用。80 2.2.RNA RNA 干扰干扰 (RNA interference,RNAi)(RNA interference,RNAi)将将与与mRNAmRNA编码区某段序列编码区某段序列相对应的正义相对应的正义RNA RNA 和反义和反义RNA RNA 组成的双链组成的双链RNA(double-stranded RNA(double-stranded RNA,dsRNA)RNA,dsRNA)导入细胞，使导入细胞，使mRNAmRNA发生特异性的降发生特异性的降解，
47、导致其相应的基因沉默解，导致其相应的基因沉默(表达受抑制表达受抑制)。这。这种转录后基因沉默（种转录后基因沉默（post-transcriptional post-transcriptional gene silencing,PTGS)gene silencing,PTGS)被称为被称为RNAi.RNAi.RNARNA干扰的应用干扰的应用 RNAi目前已经在功能基因组学研究、微生物学研究、基因治疗和信号转导等广泛的领域里取得了令人瞩目的进展，使其在医学领域包括动物医学领域在内的应用 有着广阔的前景。研究基因功能的新工具研究基因功能的新工具 由于RNAi具有高度的序列专一性高度的序列专一性和有效
48、的干扰活力有效的干扰活力，可以特异地使特定基因沉默特异地使特定基因沉默，获得功能丧失或降低突获得功能丧失或降低突变变，因此可以作为功能基因组学的一 种强有力的研究工具。已有研究表明RNAi能够在哺乳动物中抑制特定基因的表达在哺乳动物中抑制特定基因的表达，制作多种表型制作多种表型，而且抑制基因表达的时间可以控制在发育的任何阶段，产生类 似基因敲除的效应。与传统的基因敲除技术相比，这一技术具有投入少，周期短，操作简单等优势，近来RNAi成功用于构建转基因动物模型的报道日益 增多，标志着RNAi将成为研究基因功能不可或缺的工具。阻止艾滋病病毒进入人体细胞.在lenti病毒载体引入siRNA，激发RN
49、Ai使其抑制了HIV-1的coreceptor-CCR5进入人体外周淋巴细胞，而不影响另一种HIV-1主要的coreceptor-CCR4，从而使以lenti病毒载体为媒介引导siRNA进入细胞内产生了免疫应答，由此治疗HIV-1和其他病毒感染 性疾病的可行性大大增加。RNAi还可应用于其它病毒感染如脊髓灰质炎病毒等，siRNA已证实介导人类细胞的细胞间抗病毒免疫，用siRNA对Magi 细胞进行预处理可使其对病毒的抵抗能力增强.在全世界约30个国家和地区散发或流行的严重急性呼吸综合征(severe acute respiratory syndrome，SARS)的防治研究中，RNAi也受到了
50、重视。siRNA在感 染的早期阶段能有效地抑制病毒的复制，病毒感染能被针对病毒基因和相关宿主基因的siRNA所阻断。这些结果提示RNAi能胜任许多病毒的基因治 疗，RNAi将成为一种有效的抗病毒治疗手段。这对于许多严重的动物传染病的防治具有十分重大的意义。美国西北大学的Carthew R W 和日本基因研究所的Ishizuka A等人 发现RNAi同脆性染色体综 合征（与FMR-1基因异常有关的导致智力低下的染色体病）之间的关系密切，揭示了与RNAi相关机制的缺陷可能导致人类疾病的病理机制。遗传性疾病的 RNAi治疗成为当今研究RNAi的又一大热点。肿瘤是多个基因相互作用的基因网络调控的结果，
