1、 基 因 表 达 调 控基 因 表 达 调 控Regulation control of Gene Expression 戴 五 星戴 五 星同济医学院生物化学与分子生物学系同济医学院生物化学与分子生物学系第第 一一 节节Section概概 述述本节介绍本节介绍4 4方面内容方面内容:基因经过转录、翻译，产生具有特异生物基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。对某些基因而学功能的蛋白质分子的过程。对某些基因而言言,基因的表达只有转录的过程。基因的表达只有转录的过程。*基因表达基因表达（gene expresiongene expresion）基因表达是受调控的基因表达是受
2、调控的 基因表达调控（基因表达调控（gene expression gene expression regulation and controlregulation and control）指通过生物体内的调控系统来调节和控制指通过生物体内的调控系统来调节和控制体内蛋白质的含量与活性，使之在特定的时间、体内蛋白质的含量与活性，使之在特定的时间、特定的空间、并以一定的强度出现，以适应机特定的空间、并以一定的强度出现，以适应机体生长、发育和繁殖的需要。体生长、发育和繁殖的需要。（一）（一）时间特异性时间特异性 在单细胞生物，按功能需要，某一特定基因在单细胞生物，按功能需要，某一特定基因的表达随时间
3、、环境而变化，严格按特定的时的表达随时间、环境而变化，严格按特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。在在多多细胞生物，从受精卵到组织器官形成的细胞生物，从受精卵到组织器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现与发育阶段一致的时间顺序开启或关闭，表现与发育阶段一致的时间性。因此，在多细胞生物，基因表达的时间特性。因此，在多细胞生物，基因表达的时间特异性又称异性又称阶段特异性阶段特异性。（二）（二）空间特异性空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布基因表达伴随时间顺序所表现
4、出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这种按一定空间顺序不同组织空间顺序出现，这种按一定空间顺序出现的基因表达称空间特异性。出现的基因表达称空间特异性。按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一一）组成性表达组成性表达 无论表达水平高低，管家基因无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素较少受环境因素影响影响，而是在个体各个生长阶段的大多数
5、或几乎，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为基因，这类基因表达被视为组成性表达组成性表达。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,通常被称为通常被称为管家基因管家基因。(housekeeping gene housekeeping gene)（二）（二）诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因。
6、可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为为诱导（诱导（induction）。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物降低的。可阻遏基因表达产物降低的过程称为过程称为阻遏（阻遏（repression）。在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、相互配无论其为何种表达方式，均需协调一致、相互配合、共同表达，即为合、共同表达，即为协调表达协调表达 （coordinate coordinate expre
7、ssionexpression）这种调节称为协调调节这种调节称为协调调节（coordinate regulationcoordinate regulation）（三）协调表达（三）协调表达 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mRNAmRNA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 包括基因扩增（拷贝数增多）、基因重排、基包括基因扩增（拷贝数增多）、基因重排、基因结构的活化等。真核基因组因结构的活化等。真核基因组DNADNA与组蛋白组成与组蛋白组成核小体，核小体串联为染色质，染色质再密集为核小体，核小体串联为染色质，染色质再密集为染色体
8、染色体,RNApol,RNApol分子量分子量500kD500kD，核小体分子量仅，核小体分子量仅260kD260kD，核小体绕在，核小体绕在4 4对组蛋白所组成的八聚体核对组蛋白所组成的八聚体核心外两周，心外两周，DNADNA还要围绕核小体盘旋两周还要围绕核小体盘旋两周。DNADNA必须部分暴露才能使必须部分暴露才能使RNApolRNApol有效的结合，有效的结合，转录起始前基因必须进入活性状态才能起始转录。转录起始前基因必须进入活性状态才能起始转录。转录水平的调控是基因表达调控中转录水平的调控是基因表达调控中最重要的环节最重要的环节，转录的起始是转录的起始是基本的控制点基本的控制点。转录起
9、始调控在很多转录起始调控在很多基因表达中普遍发生，这是因为：基因表达中普遍发生，这是因为：在所有生物合在所有生物合成途径中，第一步反应通常是最有效的调节环节，成途径中，第一步反应通常是最有效的调节环节，控制反应途径的第一步反应通常可减少不必要的生控制反应途径的第一步反应通常可减少不必要的生物合成，节约原料，合理用能；物合成，节约原料，合理用能；在功能方面相互在功能方面相互依赖的数个蛋白质编码基因串联为复合基因（如依赖的数个蛋白质编码基因串联为复合基因（如LacLac操纵子），此时通过转录起始阶段调节这些基操纵子），此时通过转录起始阶段调节这些基因产物的表达是最有效的。因产物的表达是最有效的。指
10、转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、指转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、加工过程。包括转录提前终止、加工过程。包括转录提前终止、mRNAmRNA前体的加前体的加工、剪接、工、剪接、RNARNA编辑等。对大多数基因来说，基编辑等。对大多数基因来说，基因转录水平的调控是最重要的。但对某些基因来因转录水平的调控是最重要的。但对某些基因来说，说，转录后水平的调控在决定细胞的表型多样化转录后水平的调控在决定细胞的表型多样化和蛋白质结构与功能上和蛋白质结构与功能上也是也是十分关键的十分关键的。如肌钙。如肌钙蛋白有蛋白有2020种同源蛋白，这种变异是由于转录后变种同源蛋白，这种变异是由于转录后变位剪接
11、造成的。位剪接造成的。通过特异的蛋白质阻断某些通过特异的蛋白质阻断某些mRNAmRNA翻译起始，翻译起始，是一种特异性调节。是一种特异性调节。翻译的起始调控是翻译水平翻译的起始调控是翻译水平调控的主要阶段。调控的主要阶段。蛋白质合成后，使其活化并发挥生物学功能的调蛋白质合成后，使其活化并发挥生物学功能的调节过程，多数蛋白质的肽链合成后，需经一定的节过程，多数蛋白质的肽链合成后，需经一定的加工和修饰，才能成为具有特定空间构象和生物加工和修饰，才能成为具有特定空间构象和生物学活性的蛋白质。加工包括肽链的折叠、二硫键学活性的蛋白质。加工包括肽链的折叠、二硫键配对，前体激活及肽链中一些残基侧链的修饰等
12、，配对，前体激活及肽链中一些残基侧链的修饰等，这些使蛋白质活化并发挥生物学功能的调节过程这些使蛋白质活化并发挥生物学功能的调节过程称为称为翻译后水平的调控。翻译后水平的调控。第第 二二 节节 原核基因表达调节原核基因表达调节Regulation of gene expression in prokaryotesSection 1 1、启动子、启动子 启动子是启动子是DNADNA链上能与链上能与RNApolRNApol结合并能有结合并能有效起始效起始RNARNA转录的转录的DNADNA序列。它是序列。它是基因表达不基因表达不可缺少的调控序列可缺少的调控序列，没有启动子，基因就不能，没有启动子，基
13、因就不能转录。转录。5 TTGACA TATATT AGGTCCACG 3-35-10+1 3 AACTGT ATATAA TCCAGGTGC 5AGGUCCACG 启动子决定转录的效率启动子决定转录的效率RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecA araBAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列是是RNARNA聚合酶结合并启动转聚合酶结合并启动转录的特异录的特异DNADN
14、A序列。序列。启动序列启动序列 因子控制因子控制RNApolRNApol与与DNADNA结合结合 因子的作用是确保因子的作用是确保RNApolRNApol与特异的与特异的启动子而不是与其他位点结合启动子而不是与其他位点结合 核心酶核心酶 core enzymecore enzyme全酶全酶 holoenzymeholoenzyme 因子使得因子使得RNApolRNApol选择特定的启动区起始转选择特定的启动区起始转录录。一旦一种。一旦一种 因子被另一种因子被另一种 因子代替，即引因子代替，即引起原来一套基因的关闭和新的一套基因转录的开起原来一套基因的关闭和新的一套基因转录的开始。如环境温度升高
15、或其它应激变化引起始。如环境温度升高或其它应激变化引起 3232与与核心酶结合，核心酶结合，RNApolRNApol全酶结合全酶结合HspHsp基因的启动区，基因的启动区，起始起始HspHsp基因转录，而原先许多基因的转录关闭。基因转录，而原先许多基因的转录关闭。操纵元件又称操纵基因操纵元件又称操纵基因,是阻遏蛋白识别与结是阻遏蛋白识别与结合的一小段合的一小段DNADNA序列。序列。阻遏蛋白指一类在转录水平对基因表达产生负阻遏蛋白指一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白。它主要通过调控作用的蛋白。它主要通过改变启动子的可获改变启动子的可获得性得性而控制基因转录。而控制基因转录。操纵元件与
16、阻遏蛋白操纵元件与阻遏蛋白去阻遏（去阻遏（derepressionderepression）:一类特定的小分子物一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从质与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNADNA脱落下来的作用。脱落下来的作用。辅阻遏辅阻遏:一类特定的小分子物质与阻遏蛋白一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白活化，抑制转录。结合，使阻遏蛋白活化，抑制转录。如如E.coli lacE.coli lac ，当阻遏蛋白与操纵序列结合时，当阻遏蛋白与操纵序列结合时，则抑制转录。有乳糖或乳糖类似物则抑制转录。有乳糖或乳糖类似物(IPTG)(IPTG)存在存在时，阻遏蛋白与乳糖结
17、合而变构，变构的阻遏时，阻遏蛋白与乳糖结合而变构，变构的阻遏蛋白不能与操纵序列结合，引起结构基因转录。蛋白不能与操纵序列结合，引起结构基因转录。如如E.coli TrpE.coli Trp，无色氨酸时，阻遏蛋白不，无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵序列结合，能与操纵序列结合，RNApolRNApol与启动子结合启与启动子结合启动基因转录。有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨动基因转录。有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后与操纵序列结合，阻止酸形成复合物后与操纵序列结合，阻止RNApolRNApol与启动子结合而抑制转录。与启动子结合而抑制转录。正调控蛋白：正调控蛋白：一类与一类与DNADNA结合后，促进
18、基因转录的调控结合后，促进基因转录的调控蛋白。它主要通过蛋白。它主要通过改变启动子的起始效率改变启动子的起始效率而控而控制基因的转录。制基因的转录。CAPCAP与与CAPCAP位点结合后，才能位点结合后，才能促使促使RNApolRNApol与与启动子结合启动子结合，启动基因转录，这样一个操纵子中，启动基因转录，这样一个操纵子中的一组基因要转录必需具备两个条件才能转录。的一组基因要转录必需具备两个条件才能转录。阻遏蛋白与操纵基因解离阻遏蛋白与操纵基因解离CAP与与CAP结合位点结合结合位点结合 乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列结构
19、基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNAntrCntrCpntrBntrB激酶激酶ntrBntrB磷酸酶磷酸酶 当谷氨酰胺丰富时，当谷氨酰胺丰富时，ntrBntrB以磷酸酶活性为主，当谷氨酰以磷酸酶活性为主，当谷氨酰胺缺乏时，胺缺乏时，ntrBntrB以激酶活性为主。谷氨酰胺合成酶基因启动以激酶活性为主。谷氨酰胺合成酶基因启动子上游有两个子上游有两个ntrCntrC结合位点，既可与磷酸化的结合位点，既可与磷酸化的ntrCntrC结合，又结合，又可与去磷酸化的可与去磷酸化的ntrCntrC结合。去磷酸化的结合。去磷酸化的ntrCntrC与位
20、点结合后没与位点结合后没有调控活性，磷酸化的有调控活性，磷酸化的ntrCntrC与与DNADNA结合位点结合后，通过结合位点结合后，通过DNADNA的柔曲性，回折到启动子处，直接与的柔曲性，回折到启动子处，直接与RNApolRNApol接触，提接触，提高高RNApolRNApol的解链能力，形成开放性的起始复合物。的解链能力，形成开放性的起始复合物。是一种位点特异性的是一种位点特异性的重组酶重组酶。可使。可使DNADNA的某的某一段序列发生倒位。倒位蛋白可使启动子的方向一段序列发生倒位。倒位蛋白可使启动子的方向发生倒位，而控制基因转录。发生倒位，而控制基因转录。转录终止子转录终止子(temin
21、ater(teminater)定义：定义：指基因的指基因的33末端或者操纵子的末端或者操纵子的33的一段具有终止转录功能的核苷酸序列。的一段具有终止转录功能的核苷酸序列。分类：分类：依赖依赖 因子的转录终止子因子的转录终止子 不依赖不依赖 因子的转录终止子因子的转录终止子相同点：相同点：终止点之前有一段反向重复序列，两重终止点之前有一段反向重复序列，两重复序列之间有间隔序列，终止子被转录出来的复序列之间有间隔序列，终止子被转录出来的RNARNA可形成发夹结构。可形成发夹结构。不同点：不同点：不依赖不依赖 因子的转录终止子因子的转录终止子反向重复序列反向重复序列中有较多中有较多G-CG-C碱基对
22、，碱基对，反向重复序列反向重复序列下游有下游有6-8A-T6-8A-T碱基对；依赖碱基对；依赖 因子的转录终止子因子的转录终止子反向重复序列反向重复序列中中G-CG-C含量较少，含量较少，反向重复序列反向重复序列下游没有固定特征。下游没有固定特征。不依赖不依赖 因子因子（E.coli,TrpE.coli,Trp）终终止子止子依赖依赖 因子（因子（TR1）的终止子）的终止子回文序列下游回文序列下游A/UA/U序列的作用：序列的作用：dAdA和和rUrU之间氢之间氢键力和碱基堆积力很弱，造成键力和碱基堆积力很弱，造成RNARNA和和DNADNA杂交杂交部分很容易拆开，三元复合物解体，部分很容易拆开
23、，三元复合物解体，RNApolRNApol与与RNARNA解离，转录终止。解离，转录终止。因子具有两种活性：因子具有两种活性：促进转录促进转录终止终止；具有具有NTPNTP酶活性酶活性，后一种，后一种活性是实现前一种活性必不可少活性是实现前一种活性必不可少的。的。ATP 是一个受翻译控制的转录终止子结构。是是一个受翻译控制的转录终止子结构。是一段能减弱转录作用的序列。由于翻译作用的一段能减弱转录作用的序列。由于翻译作用的影响，衰减子下游的基因影响，衰减子下游的基因或者继续被转录或者继续被转录，或或者者在衰减子处在衰减子处实现转录的终止。实现转录的终止。当当ppGppppGpp与与RNApolR
24、NApol结合时，即改变结合时，即改变RNApolRNApol的构象，活性降低，而影响基因转录。的构象，活性降低，而影响基因转录。Regulation mechanism of transcription in prokaryotic genes原核结构基因转录调控机制受操纵子控制原核结构基因转录调控机制受操纵子控制The Operon is the popular regulation mechanism in regulation of prokaryotic gene expression.乳糖操纵子调控模式乳糖操纵子调控模式（一一）乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结
25、构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNARegulatory mechanism of Lac operonmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二二）乳糖操纵子受乳糖操纵子受阻遏蛋白和阻遏蛋白和CAPCAP的双重调节的双重调节阻遏基因阻遏基因1.阻遏蛋白负性调节阻遏蛋白负性调节（Negative regulation of repressor）When lactose is absentmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时
26、有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶When lactose is presentgalactosidaserepressorlactoseallolactose 当当G G、LacLac、AraAra同时存在，同时存在，细菌优先利用细菌优先利用G G。原。原因是因是G G的代谢产物可的代谢产物可抑制抑制ACAC，激活，激活PDEPDE，使，使cAMPcAMP水水平降低。平降低。ATPcAMP5AMPACPDE cAMPcAMP，CAP+cAMPcAMPCAP+cAMPcAMP-CAP-CAP与操纵与操纵子上子上CAPCAP结合
27、位点结合，促进结合位点结合，促进RNApolRNApol与启动子结合，与启动子结合，引起有效转录。引起有效转录。CAP+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时2.CAP的正性调节的正性调节(Positive regulation of CAP)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPWhen glucose is absent,cAMP becomes higher.When glucose is present,cAMP is lower.3.3.协调调节协调调节(Coordinate regulation)当阻遏蛋白封闭转录时
28、，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统对该系统不能发挥作用；不能发挥作用；如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解分解代谢阻遏代谢阻遏(catabolic repression)。阿拉伯糖操纵子调控的机制阿拉伯糖操纵子调控的机制阿拉伯糖操纵子的结构阿拉伯糖操纵子
29、的结构 阿拉伯操纵子转录调节机制阿拉伯操纵子转录调节机制依据依据G G、AraAra和和AraCAraC蛋白的有无可有以下几种组合：蛋白的有无可有以下几种组合：无无AraCAraC，有，有AraAraAraAra只有与只有与AraCAraC蛋白形成复合物才具有转录的正蛋白形成复合物才具有转录的正调控作用，此时无调控作用，此时无AraCAraC蛋白，蛋白，AraAra不能起正调控不能起正调控作用，结构基因不能转录，但此时作用，结构基因不能转录，但此时AraCAraC基因可表基因可表达达AraCAraC蛋白。蛋白。有有AraCAraC蛋白，有蛋白，有G G，有或无，有或无AraAra 结构基因不能
30、转录，因结构基因不能转录，因G G代谢产物使代谢产物使cAMPcAMP，CAPCAP不能活化，不能与不能活化，不能与CAPCAP位点结合，位点结合，AraCAraC同时与同时与AraIAraI和和AraO2AraO2结合，将两个位点拉在一起，使结合，将两个位点拉在一起，使DNADNA形成一个环，这是一种形成一个环，这是一种阻遏型的构象阻遏型的构象。这时，。这时，AraCAraC蛋白起着阻遏蛋白的作用，无论是否有蛋白起着阻遏蛋白的作用，无论是否有AraAra，AraCAraC都不能与都不能与AraAra糖结合而启动转录，基因处于关糖结合而启动转录，基因处于关闭状态。闭状态。有有AraCAraC，
31、无，无G G，有，有AraAra 无无G,cAMPG,cAMP,CAP,CAP活化，阻遏状态解除。有活化，阻遏状态解除。有AraAra，AraCAraC与与AraAra结合，激活结合，激活RNApolRNApol，结合于，结合于BADBAD基因的启动子，启动基因的启动子，启动BADBAD基因转录。基因转录。LacLac和和AraAra操纵子的调控是一种复合调控，既有负调控因素操纵子的调控是一种复合调控，既有负调控因素的参与，又有正调控因素的参与，既要解除阻遏状态又要有激的参与，又有正调控因素的参与，既要解除阻遏状态又要有激活因子存在。活因子存在。在在LacLac操纵子，由乳糖诱导阻遏蛋白脱离操
32、纵基因解除阻遏，操纵子，由乳糖诱导阻遏蛋白脱离操纵基因解除阻遏，由由CAPCAP蛋白促进蛋白促进RNApolRNApol结合启动子而起始转录。结合启动子而起始转录。在在AraAra操纵子，解除阻遏的作用由操纵子，解除阻遏的作用由CAPCAP蛋白完成，激活蛋白完成，激活RNApolRNApol由由AraCAraC完成，但完成，但AraCAraC只有与只有与AraAra结合才能激活结合才能激活RNApolRNApol 色氨酸操纵子的调控模式色氨酸操纵子的调控模式色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构 阻遏蛋白的调控作用阻遏蛋白的调控作用 无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵序列结无色氨酸时，阻遏蛋白不能与
33、操纵序列结合，对转录无抑制作用，有色氨酸时，阻遏蛋合，对转录无抑制作用，有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸结合变构，与操纵序列结合，抑制白与色氨酸结合变构，与操纵序列结合，抑制转录。转录。色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制阻遏蛋白的调控作用阻遏蛋白的调控作用trptrp 高时高时trp 低时低时mRNAOPI调节区调节区结构基因结构基因前导肽前导肽衰减子衰减子 色氨酸色氨酸 操纵子操纵子 衰减子的调控作用衰减子的调控作用 L L基因基因的的33端有一个衰减子序列。前导序列端有一个衰减子序列。前导序列转录的转录的mRNAmRNA具有如下特性及功能：具有如下特性及功能：1 1）内含）内含4 4
34、段特殊的短序列段特殊的短序列，序列，序列与与，与与，与与能互补配对形成发夹结构，强弱依次为：能互补配对形成发夹结构，强弱依次为：/。当。当/形成发夹结构，形成发夹结构，/形成发夹结构时，紧形成发夹结构时，紧接着是不依赖接着是不依赖 因子的转录终止信号，使转录终止。因子的转录终止信号，使转录终止。当当/不形成发夹结构，不形成发夹结构，/就形成发夹结构，就形成发夹结构，/就不就不能形成发夹结构，能形成发夹结构，E E、D D、C C、B B、A A基因转录。基因转录。2 2）序列）序列是一个开放阅读框：是一个开放阅读框：转录后立即翻译成转录后立即翻译成1414氨基酸的短肽称作前导肽，氨基酸的短肽称
35、作前导肽，前导肽第前导肽第1010，1111位是两位是两个连续的色氨酸。个连续的色氨酸。当色氨酸缺乏时，无当色氨酸缺乏时，无Trp-tRNATrp-tRNA供给，翻译序列供给，翻译序列时核糖体只好停留在时核糖体只好停留在TrpTrp密码子前，序列密码子前，序列/不不能形成发夹，能形成发夹，/则形成发夹，则形成发夹，/则不能形成则不能形成发夹，发夹，RNARNA持续转录。持续转录。当当TrpTrp浓度高时，核糖体很快翻译序列浓度高时，核糖体很快翻译序列并封闭并封闭序列序列，/形成发夹结构，出现连续形成发夹结构，出现连续U U、RNApolRNApol解离，转录终止。解离，转录终止。衰减子结构衰减
36、子结构 (attenuator)核糖体核糖体新生肽链新生肽链mRNADNA1234UUUU 3 1、当色氨酸浓度高时、当色氨酸浓度高时 trp 密码子密码子转录衰减机制转录衰减机制:512345核糖体核糖体2、当色氨酸浓度低时、当色氨酸浓度低时 （一）反义（一）反义RNARNA对翻译的调控作用对翻译的调控作用 OmpROmpR基因的产物，基因的产物，OmpROmpR蛋白在不同的渗透压蛋白在不同的渗透压具有不同的构象。渗透压低时，与具有不同的构象。渗透压低时，与OmpFOmpF基因的调基因的调控区结合，对控区结合，对OmpFOmpF基因的表达起正调控作用，基因的表达起正调控作用，OmpFOmpF
37、;渗透压高时，变构，与渗透压高时，变构，与OmpCOmpC基因调控区基因调控区结合结合,对对OmpCOmpC基因的表达起正调控作用，基因的表达起正调控作用，OmpCOmpC 。两种蛋白随渗透压的变化而变化，但两种蛋白总量两种蛋白随渗透压的变化而变化，但两种蛋白总量不变不变。OmpCOmpC基因转录时，基因转录时，OmpCOmpC基因上游有一段基因上游有一段DNADNA序列，以相反方向转录产生一个序列，以相反方向转录产生一个174174个核苷酸个核苷酸的小分子的小分子RNARNA，这个，这个RNARNA能与能与OmpFOmpF mRNA mRNA的前的前导序列中的导序列中的4444个核苷酸（包括
38、个核苷酸（包括SDSD序列及编码区）序列及编码区）形成杂合双链，形成杂合双链，抑制抑制OmpFOmpF mRNA mRNA的翻译的翻译。（二）（二）mRNAmRNA寿命对翻译的调控作用寿命对翻译的调控作用不同的不同的mRNAmRNA有不同的降解速度有不同的降解速度1、降解降解mRNAmRNA的外切酶主要是的外切酶主要是33外切核酸酶外切核酸酶 mRNA mRNA 分子末端的二级结构能阻止分子末端的二级结构能阻止33外切酶外切酶进攻，凡降解终止子发夹结构的突变都造成进攻，凡降解终止子发夹结构的突变都造成mRNAmRNA稳定性降低，终止子除转录终止功能外，稳定性降低，终止子除转录终止功能外，还决定
39、还决定mRNAmRNA的稳定性。的稳定性。2 2、降解降解mRNAmRNA的内切酶主要是的内切酶主要是RNaseRNase 发挥作用需要一定的二级结构特征，如发挥作用需要一定的二级结构特征，如RNaseRNase对对 整合酶基因（整合酶基因（intint）的）的mRNAmRNA降解时就需要转录终降解时就需要转录终止子序列所形成的发夹结构上又增添一个发夹结构，止子序列所形成的发夹结构上又增添一个发夹结构，这个附加的发夹结构恰好构成了这个附加的发夹结构恰好构成了RNaseRNase的识别位的识别位点和切割位点。点和切割位点。（三）翻译产物对翻译的调控作用（三）翻译产物对翻译的调控作用 控制自身控制
40、自身mRNAmRNA的的可翻译性可翻译性，大多是控，大多是控制翻译的起始。制翻译的起始。1 1、RF2RF2合成的自体调控合成的自体调控 利用释放肽链的职能提前终止其利用释放肽链的职能提前终止其mRNAmRNA的翻译。的翻译。RF2RF2由由340aa340aa组成，前组成，前25aa25aa和后和后315aa315aa处于不同阅处于不同阅读框读框,两编码区之间多一个两编码区之间多一个U U，这个，这个U U与第与第2626位氨位氨基酸（基酸（ASPASP）的密码子）的密码子GACGAC的前两个核苷酸构成的前两个核苷酸构成了了RF2RF2所能识别的终止密码子所能识别的终止密码子UGAUGA。当
41、当RF2RF2充足时，充足时，RF2RF2促成肽链合成的提前终止。促成肽链合成的提前终止。当当RF2RF2缺乏时，核糖体向前滑动一个核苷酸，继缺乏时，核糖体向前滑动一个核苷酸，继续合成第续合成第2626个个aaaa，直至基因的最后一个终止密码，直至基因的最后一个终止密码子子UAGUAG，UAGUAG由由RF1RF1识别并促成识别并促成RF2RF2的释放。的释放。RF2RF2合成的自体调控合成的自体调控 利用释放肽链的职能提前终止其利用释放肽链的职能提前终止其mRNA的翻译。的翻译。mRNA GGG UAU CUU UGAC UAC GAC23 24 25 26 27 28RF2 2 2、核糖体
42、蛋白质合成的自体调控、核糖体蛋白质合成的自体调控 E.coE.coli li基因的表达机构中约有基因的表达机构中约有7070余种蛋白质，核余种蛋白质，核糖体蛋白质糖体蛋白质5050多种，绝大多数种类的蛋白质在每个多种，绝大多数种类的蛋白质在每个核糖体只有一个。核糖体只有一个。这些蛋白的编码基因均为单拷贝，它们混合编组这些蛋白的编码基因均为单拷贝，它们混合编组构成若干个操纵子，每个操纵子转录出一种多顺反构成若干个操纵子，每个操纵子转录出一种多顺反子子mRNA,mRNA,以同样的速率翻译出几种蛋白质。其中有以同样的速率翻译出几种蛋白质。其中有一种蛋白质可以结合到多顺反子上游的一个特定部一种蛋白质可
43、以结合到多顺反子上游的一个特定部位，阻止核糖体结合和起始翻译。位，阻止核糖体结合和起始翻译。这种蛋白质称调这种蛋白质称调控蛋白控蛋白，是直接与，是直接与rRNArRNA相结合的蛋白质，结合能力相结合的蛋白质，结合能力各各mRNAmRNA。当核糖体蛋白较少时，调控蛋白优先与当核糖体蛋白较少时，调控蛋白优先与rRNArRNA结合。结合。当核糖体蛋白较多时，多余的调控蛋白就与当核糖体蛋白较多时，多余的调控蛋白就与mRNAmRNA结合结合，核糖体就不能与，核糖体就不能与mRNAmRNA结合，从而降低了有关结合，从而降低了有关基因产物的合成。基因产物的合成。（四）（四）SDSD序列对翻译的影响序列对翻译
44、的影响1 1、SDSD序列的定义：序列的定义：SDSD序列是位于序列是位于mRNAmRNA起始密码子起始密码子AUGAUG上游由上游由3-93-9碱基组成的一段核苷酸序列，它是核糖碱基组成的一段核苷酸序列，它是核糖体结合的位点。体结合的位点。2 2、SDSD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 SD SD序列的存在与否是序列的存在与否是mRNAmRNA在细胞中翻译的决定在细胞中翻译的决定因素因素，缺少，缺少SDSD序列，不能作为模板合成蛋白质。序列，不能作为模板合成蛋白质。SD SD序列的位置是影响翻译效率的重要因素序列的位置是影响翻译效率的重要因素 表达表达IL-2IL-
45、2时，时，LacLac启动子的启动子的SDSD序列距序列距AUGAUG为为7 7个个核苷酸时，核苷酸时，IL-2IL-2表达效率最高，间隔表达效率最高，间隔8 8个核苷酸，个核苷酸，表达水平降低表达水平降低500500倍倍 2 2、隐蔽、隐蔽SDSD序列对翻译的影响序列对翻译的影响 如如SDSD序列处于序列处于mRNAmRNA的二级结构中，核糖体的二级结构中，核糖体不能与之结合，只有打破这种结构，核糖体才能不能与之结合，只有打破这种结构，核糖体才能结合。结合。如红霉素甲基化酶如红霉素甲基化酶mRNAmRNA的结构类似于色氨酸的结构类似于色氨酸操纵子转录下来的操纵子转录下来的mRNAmRNA，含
46、有前导，含有前导mRNAmRNA（内含（内含4 4个特殊短序列，即个特殊短序列，即/、/、/可互补可互补配对形成发夹结构）配对形成发夹结构）无红霉素时无红霉素时，可合成前导肽，核糖体释放，可合成前导肽，核糖体释放，序列序列/、/形成发夹结构，红霉素甲基化形成发夹结构，红霉素甲基化酶编码区的核糖体结合位点位于序列酶编码区的核糖体结合位点位于序列和和形成形成的茎环结构中，不能与核糖体结合，因此的茎环结构中，不能与核糖体结合，因此不能合不能合成红霉素甲基化酶成红霉素甲基化酶。有红霉素时有红霉素时，红霉素与核糖体结合，抑制核糖，红霉素与核糖体结合，抑制核糖体移动，阻止序列体移动，阻止序列/形成发夹结构
47、，序列形成发夹结构，序列/形成发夹结构，红霉素甲基化酶形成发夹结构，红霉素甲基化酶mRNAmRNA的的SDSD序列暴序列暴露，与核糖体结合，露，与核糖体结合，翻译出红霉素甲基化酶翻译出红霉素甲基化酶。真核基因的表达调控系统与原核的区别真核基因的表达调控系统与原核的区别：1 1、真核基因数目多，哺乳动物有数万、真核基因数目多，哺乳动物有数万1010万，而万，而E.coliE.coli仅有仅有400040002 2、大量重复序列，可能对基因的表达带来影响、大量重复序列，可能对基因的表达带来影响3 3、真核、真核DNADNA与组蛋白组成核小体结构，并有许多与组蛋白组成核小体结构，并有许多非组蛋白结合
48、。组蛋白、非组蛋白和核小体的组织非组蛋白结合。组蛋白、非组蛋白和核小体的组织状态及核小体的超螺旋结构影响基因的活性。状态及核小体的超螺旋结构影响基因的活性。4 4、真核基因有内含子，转录的、真核基因有内含子，转录的mRNAmRNA都要经拼接都要经拼接加工，细胞可通过对加工，细胞可通过对mRNAmRNA前体的加工与否进行调前体的加工与否进行调节。节。5 5、真核、真核mRNAmRNA寿命长，脊椎动物寿命长，脊椎动物mRNAmRNA平均半寿平均半寿期大约为期大约为3 3小时。小时。家蚕丝心蛋白家蚕丝心蛋白mRNAmRNA平均半寿期为几天平均半寿期为几天6 6、调控范围大：、调控范围大：DNADNA
49、水平水平转录水平转录水平转录后水转录后水平平 翻译水平翻译水平翻译后水平等多层次的调控。翻译后水平等多层次的调控。难以直接鉴定基因产物和基因控制的生化难以直接鉴定基因产物和基因控制的生化过程；难以直接选择出影响调节基因的突变体；过程；难以直接选择出影响调节基因的突变体；难以直接通过改变外界环境条件来研究分析基难以直接通过改变外界环境条件来研究分析基因表达变化；难以直接进行基因操作等。因表达变化；难以直接进行基因操作等。真核基因表达调控所面临的困难：真核基因表达调控所面临的困难：1 1、染色质的丢失、染色质的丢失 例如线虫细胞在发育过程中有染色质丢例如线虫细胞在发育过程中有染色质丢失，动物红细胞
50、在发育过程中有染色质丢失。失，动物红细胞在发育过程中有染色质丢失。染色质丢失是不可逆的调控。染色质丢失是不可逆的调控。2 2、基因扩增、基因扩增 例如肿瘤细胞中癌基因大量扩增，例如肿瘤细胞中癌基因大量扩增，DNADNA合成时组蛋白基因扩增。合成时组蛋白基因扩增。3 3、基因重排、基因重排 基因重排是指某些基因片段改变原来存在基因重排是指某些基因片段改变原来存在顺序，通过调整有关基因片段的衔接顺序，再顺序，通过调整有关基因片段的衔接顺序，再重排成为一个完整的转录单位，例如免疫球蛋重排成为一个完整的转录单位，例如免疫球蛋白在白在B B淋巴细胞分化和浆细胞生成过程中的重排。淋巴细胞分化和浆细胞生成过
