1、基因表达医学知识 2基因表达医学知识 基因表达及其调控的特点w组成性基因表达组成性基因表达（constitutive gene expression）管家基因的表达方式，较管家基因的表达方式，较少受环境影响，在个体各生长阶段的几少受环境影响，在个体各生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小。乎全部组织中持续表达或变化很小。w管家基因管家基因（housekeeping gene）在一个在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。基因。3基因表达医学知识 诱导表达诱导表达（induction expression）有一些基有一些基因表达极易受环境影响，在特定环
2、境信号因表达极易受环境影响，在特定环境信号刺激下，基因的表达开放或增强。刺激下，基因的表达开放或增强。w阻遏表达阻遏表达（repression expression）在特定在特定环境信号刺激下，基因的表达关闭或减弱。环境信号刺激下，基因的表达关闭或减弱。w协调表达协调表达:在生物体内在生物体内,各种代谢途径有条不各种代谢途径有条不紊地进行紊地进行,这是在一定机制控制下这是在一定机制控制下,功能相关功能相关的一组基因的一组基因,协调一致协调一致,共同表达。共同表达。4基因表达医学知识 基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分
3、化维持个体发育与分化基因表达调控的环节：基因表达调控的环节：基因活化、转录、转录后加工、翻译、基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工翻译后加工5基因表达医学知识 第一节第一节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控一、转录水平的调控是原核生物的主要调控环节一、转录水平的调控是原核生物的主要调控环节原核生物基因多以操纵子形式存在。操纵子原核生物基因多以操纵子形式存在。操纵子由调控区和信息区组成。上游调控区包括启由调控区和信息区组成。上游调控区包括启动子与操纵元件二部分。启动子是同动子与操纵元件二部分。启动子是同RNARNA聚聚合酶结合并启动转录的特异性合酶结合并启动转录的特异性DNADN
4、A序列，操序列，操纵元件是特异的阻遏物结合区。纵元件是特异的阻遏物结合区。6基因表达医学知识 影响原核生物转录的因素影响原核生物转录的因素 1 1、启动子、启动子 2 2、因子的种类与浓度因子的种类与浓度 3 3、阻遏蛋白、阻遏蛋白 4 4、正调控蛋白、正调控蛋白 5 5、倒位蛋白通过、倒位蛋白通过DNADNA重组倒位而调节基因表达重组倒位而调节基因表达 6 6、衰减子、衰减子 7 7、RNARNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物7基因表达医学知识 1 1、启动子、启动子 促进促进DNADNA转录的转录的DNADNA顺序，是顺序，是DNADNA分子上可与分子上可与RNA polRNA pol结结合并使
5、之转录的部位。又称启动基因，但启动子本身不被合并使之转录的部位。又称启动基因，但启动子本身不被转录。转录。如如E.coliE.coli启动子全长约启动子全长约404060bp60bp，3 3个功能部位，个功能部位，2 2个个重要功能：重要功能：（1 1）起始部位：）起始部位：转录合成的第一个互补碱基对，用转录合成的第一个互补碱基对，用+1+1表表示，左为上游，右为下游，用负、正表示，没有示，左为上游，右为下游，用负、正表示，没有O O的位置。的位置。（2 2）结合部位：）结合部位：RNA pol RNA pol 与启动子结合位置，位于与启动子结合位置，位于-10bp10bp，同源性强，又称，同
6、源性强，又称TATA boxTATA box或或pribnowpribnow盒。盒。（3 3）识别部位：）识别部位：位于位于-35bp-35bp，RNApolRNApol识别启动子部位，识别启动子部位，保守性极强。保守性极强。8基因表达医学知识 （1 1）决定转录方向及那一条）决定转录方向及那一条DNADNA链作模板。链作模板。（以信息（以信息链的互补链作模板，转录链的互补链作模板，转录mRNAmRNA与信息链一致）与信息链一致）（2 2）决定转录效率。）决定转录效率。E.coliE.coli启动子，在启动子，在-35-35、1010的的两个区序列称为一致性序列。通过比较大量的两个区序列称为一
7、致性序列。通过比较大量的E.coliE.coli启动子，表明这两个序列中各碱基的出现频率为启动子，表明这两个序列中各碱基的出现频率为-35-35区：区：TGACATGACA；-10-10区：区：TATAATTATAAT。如果某一个启动子与上述序。如果某一个启动子与上述序列越接近，基因的转录效率越强。反之就弱。列越接近，基因的转录效率越强。反之就弱。启动子功能：启动子功能：9基因表达医学知识原核生物转录起始区的一致性序列原核生物转录起始区的一致性序列10基因表达医学知识 2、因子的种类与浓度因子的种类与浓度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,环境变化可环
8、境变化可产生特定的产生特定的因子，从而打开一套特定的基因。因子，从而打开一套特定的基因。通过对通过对大肠杆菌基因组序列分析后，发现存在大肠杆菌基因组序列分析后，发现存在6种种因子，并因子，并根据其相对分子质量的大小或编码基因进行命名。根据其相对分子质量的大小或编码基因进行命名。因子705438322824编码基因rpoDrpoNrpoHrpoSrpoFrpoE主要功能参与碳代谢过程基因的调控参与多数氮源利用基因的调控参与分裂间期特异基因表达调控热体克基因的表达调控鞭毛趋化相关基因的表达调控过渡热休克基因的表达调控11基因表达医学知识 3、阻遏蛋白、阻遏蛋白阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生
9、负调控作用阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。根据其作用特征可分为的蛋白质。根据其作用特征可分为负控诱导负控诱导和和负控阻遏负控阻遏二大类。在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物（诱二大类。在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结构基因不转录；在负控阻遏系统中，导物）结合时，结构基因不转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。阻遏蛋白阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。阻遏蛋白作用部位是操纵区。作用部位是操纵区。12基因表达医学知识 4、正调控蛋白、正调控蛋白正调控蛋白结合于特异正调控蛋白结合于特异DNA序列后，具有促进基因的序列后
10、，具有促进基因的转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。根据正调转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。根据正调控蛋白的作用性质分为控蛋白的作用性质分为正控诱导系统正控诱导系统和和正控阻遏系统正控阻遏系统。在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使正在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使正调控蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分调控蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。子的存在使激活蛋白处于非活性状态。13基因表达医学知识 5 5、倒位蛋白通过、倒位蛋白通过DNADNA重组倒位而调节基因表达重组倒位而调节基因表达倒位蛋白是一种位点特异
11、性的重组酶倒位蛋白是一种位点特异性的重组酶。14基因表达医学知识 6、衰减子、衰减子衰减子又称为弱化子，位于一些操纵子中第一个结构衰减子又称为弱化子，位于一些操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。如色氨酸基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。如色氨酸操纵子序列内含有一段衰减子序列操纵子序列内含有一段衰减子序列.7、RNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物细菌在缺乏氨基酸的环境中，细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNARNA聚合酶活性降低，聚合酶活性降低，RNARNA（rRNA,tRNArRNA,tRNA）合成减少或停止，这种现象称为）合成减少或停止，这种现象称为严谨反应严谨反应。机制：当氨基
12、酸缺乏时，游离核糖体与空载的机制：当氨基酸缺乏时，游离核糖体与空载的tRNAtRNA增加，增加，在在ATPATP存在下，产生存在下，产生pppGpppppGpp和和ppGppppGpp，后者与，后者与RNARNA聚合酶结聚合酶结合形成复合物，进而使合形成复合物，进而使RNARNA聚合酶构象变化，活性降低。聚合酶构象变化，活性降低。15基因表达医学知识 二、转录的调控机制二、转录的调控机制在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控的。比较典型的是一
13、些糖代谢有关的操纵子。复合调控的。比较典型的是一些糖代谢有关的操纵子。乳糖操纵子调控的机制阿拉伯糖操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制16基因表达医学知识 操纵子模型的提出操纵子模型的提出 莫洛莫洛(Monod)(Monod)和雅各布和雅各布(Jacob)(Jacob)获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖17基因表达医学知识 （1）人们早在上个世纪初就发现了酵母中酶的诱导现象。即分解底物的酶只有底物存在时才出现。酶受底物的诱导，这种可诱导现象在细菌中普遍存在。在培养基中加入适合底物-乳糖或半乳糖后23分钟，一半乳糖苷酶可迅速达到5000个酶分子，增加了1000倍，
14、占细菌蛋白总量的510%。(一半乳糖苷酶水解乳糖半乳糖+葡萄糖 2个单糖)。若撤消底物，该酶合成迅速停止，就象当初迅速合成一样。从60年代乳糖操纵子模型提出1966年分离得到该操纵子的阻遏蛋白1975年乳糖操纵子的碱基序列已全部测定清楚了。1.1.乳糖操纵子的调控机理（可诱导的操纵子）乳糖操纵子的调控机理（可诱导的操纵子）18基因表达医学知识 （2）乳糖操纵子（Lactose operon，Lac operon）结构示意图CAPCAMPIPOZYA结构基因区（信息区）RNA pol调控区调控区 I-调节基因P-启动子O-操纵基因（OP有一定的重叠）CAP结合位点结构基因Z-半乳糖苷酶基因（-g
15、alactosidase）Y-半乳糖苷透酶（乳糖透酶）（-galotoside porinerase）A-硫代半乳糖转乙酰基酶（trans acetylase）19基因表达医学知识（3 3）调控机理）调控机理 乳糖操纵子的转录起始受到乳糖操纵子的转录起始受到CAP和阻遏蛋白的双重调控，即正、和阻遏蛋白的双重调控，即正、负调控。负调控。CAP（正控）（正控）:通过通过结合到启动子上游结合到启动子上游CAP结合位点，促进结合位点，促进RNA pol与与P的结合，才能有效的转录，原因是：的结合，才能有效的转录，原因是：Lac p 是弱启动子，与一致序列的差异极大是弱启动子，与一致序列的差异极大，CA
16、P位点结合位点结合cAMP-CAP复合物后，复合物后，改变了改变了RNA pol空间结构空间结构,增强增强了了RNA pol与与P的结合的结合的牢固性。所以的牢固性。所以CAP是是Lac operon 的正控因子。的正控因子。阻遏蛋白（负控）阻遏蛋白（负控）调节基因调节基因I（除（除Lac operon用用I外，其余均用外，其余均用R）产生的阻遏蛋）产生的阻遏蛋白结合到操纵基因白结合到操纵基因O上，由于上，由于启动子启动子p与操纵基因有一定的重叠，与操纵基因有一定的重叠，妨碍妨碍RNA pol与与P的结合，的结合，就抑制了结构基因的转录，诱导物就抑制了结构基因的转录，诱导物（或称效应物）可以去
17、阻遏，实现对基因的转录，这是（或称效应物）可以去阻遏，实现对基因的转录，这是Lac operon的负控机制。的负控机制。20基因表达医学知识 CAP结合到CAP位点发挥正控作用，乳糖诱导去阻遏，这样1个操纵子中的1组基因就有2道开关，只有2道开关同时打开时，基因才能转录。2个CAP分子和RNA pol 在Lac p 一致序列上排列CAPCAP-35RNA pol-10IPOZYADNAmRNA阻遏蛋白效应物（半乳糖）ZYA基因产物（酶）CAPCAP21基因表达医学知识 细菌优先利用葡萄糖（细菌优先利用葡萄糖（G G）-葡萄糖效应葡萄糖效应 如果细菌生长环境中，乳糖、葡萄糖同时存在，尽管有诱导物
18、乳糖存在，但细菌优先利用葡萄糖，不予理睬乳糖，在G耗尽之前，Lac operon也不会表达。也就是说G阻碍了Lac operon的表达。这种G效应在半乳糖、阿拉伯糖操纵子中也存在。G效应的原因是：G降解代谢产物可以抑制腺苷环化酶、激活磷酸二酯酶，结果使胞内cAMP下降；CAP的正调控需要结合cAMP形成复合物才能结合到CAP结合位点；当G耗尽，cAMP开始集累，cAMP和CAP结合使CAP变构才能结合到CAP结合位点上，促进RNA pol与P结合。22基因表达医学知识 结合乳糖、葡萄糖存在与否及与操纵子正、负控因素、基因结合乳糖、葡萄糖存在与否及与操纵子正、负控因素、基因开放与关闭情况如下：开
19、放与关闭情况如下：葡萄糖（G）乳糖 基因开放 基因关闭 机理简述（学生填充）CAP正控、乳糖去阻遏、基因开放、转录进行 不能诱导去阻遏，CAP即使结合，基因未开放 细菌优先用G，无CAP结合，无诱导去阻遏 cAMP-CAP复合物无，CAP位点空，乳糖去阻 遏，基因未开放23基因表达医学知识2.色氨酸操纵子（trp operon）结构特点结构特点E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因的色氨酸操纵子有五个结构基因E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色氨酸，基因编码三种酶，用于合成色氨酸，上游调控区由启动子（上游调控区由启动子（P）和操纵基因（）和操纵基因（O）组成组成调节基因调节基因R：编
20、码阻遏蛋白：编码阻遏蛋白24基因表达医学知识 25基因表达医学知识 无色氨酸无色氨酸操纵子基因开始转录，此后转录速操纵子基因开始转录，此后转录速率受转录率受转录衰减机制衰减机制(attenuation)调节调节结构基因与结构基因与 O 之间有一个之间有一个L基因，在基因，在L基因内存在一基因内存在一个衰减子。个衰减子。衰减子：有衰减子：有4段特殊的序列，可形成不依赖段特殊的序列，可形成不依赖因子的因子的转录终止信号。转录终止信号。前导肽编码区转录产物中含两个相邻的前导肽编码区转录产物中含两个相邻的色氨酸密码子色氨酸密码子，这两个，这两个密码子以及原核生物中密码子以及原核生物中转录与翻译偶联是产
21、生衰减作用的基础。转录与翻译偶联是产生衰减作用的基础。1234终止密码前导肽编码区UUUUU四个片段之间形成发夹能力四个片段之间形成发夹能力:1/22/33/4，四个片段形成，四个片段形成何种发夹结构，是由何种发夹结构，是由L基因转录物的翻译过程控制的。基因转录物的翻译过程控制的。26基因表达医学知识 当有色氨酸时无色氨酸时27基因表达医学知识 色氨酸操纵子中的操纵基因和衰减子可以起双重负色氨酸操纵子中的操纵基因和衰减子可以起双重负调节作用。衰减子可能比操纵基因更灵敏，调节作用。衰减子可能比操纵基因更灵敏，只要只要色氨酸一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白结合操纵色氨酸一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白
22、结合操纵基因，就足可以使大量的基因，就足可以使大量的mRNAmRNA提前终止。反之，当提前终止。反之，当色氨酸减少时，即使失去了诱导阻遏蛋白的阻遏作色氨酸减少时，即使失去了诱导阻遏蛋白的阻遏作用，但只要还可以维持前导肽的合成，仍继续阻止用，但只要还可以维持前导肽的合成，仍继续阻止转录。这样可以保证细菌对色氨酸的充分利用。防转录。这样可以保证细菌对色氨酸的充分利用。防止堆积。止堆积。28基因表达医学知识 3.阿拉伯糖操纵子（ara operon）调节机制结构特点结构特点结构基因结构基因 B、A、D，分别编码异构酶，分别编码异构酶（isomerase）、激酶（）、激酶（kinase）、表位酶）、表
23、位酶（epimerase），），催化阿拉伯糖转变为催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮磷酸木酮糖糖调控区：调控区：调节基因为调节基因为C基因（编码调控蛋白基因（编码调控蛋白C蛋白）蛋白）、启动子（、启动子（P）、起始区（）、起始区（I）和操纵基因（）和操纵基因（O）构）构成成29基因表达医学知识 30基因表达医学知识二、翻译水平的调控1、SD序列对翻译的影响序列对翻译的影响nSD序列(Shine-Dalgarno sequence)：mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。(9-12bp)SD序列的差异对翻译的影响 SD序列位置对翻译的影响31基因表达医学知识32基因表达医学知识2、mRNA二
24、级结构隐蔽SD序列某些mRNA分子中，核糖体结合位点在一个二级结构中（茎环）中，使核糖体无法结合，只有打破茎环结构，核糖体才能结合。例如：带有红霉素抗性的细菌33基因表达医学知识编码区红霉素甲基化酶核糖体23SmRNA上特定位点的一个腺嘌呤甲基化。红霉素终止密码子终止密码子34基因表达医学知识 细菌蛋白质的合成速率的快速改变，不仅是转录与翻译偶联，更重要的与mRNA的降解速度快有关。影响影响mRNA的降解因素：的降解因素：细菌的生理状态、环境因素；mRNA的一级结构及次级结构的影响；与mRNA的序列和结构有关3、mRNA的稳定性是调控翻译的方式之一的稳定性是调控翻译的方式之一35基因表达医学知
25、识 有些mRNA编码的蛋白质，本身也可以对相应的mRNA的翻译过程产生调节作用，这是一种自身翻译调控作用。核糖体蛋白翻译的自身调控 翻译的RF2调节自身的翻译4、翻译产物对、翻译产物对mRNA的翻译进行调控的翻译进行调控UGAC25315编码RF2蛋白mRNA36基因表达医学知识 5、小分子、小分子RNA抑制特定抑制特定mRNA的翻译的翻译小分子RNA调整基因表达产物的类型：大肠杆菌渗透压调节基因ompR的产物OmpR蛋白，在不同渗透压时具有不同的构象。OmpR低渗低渗结合ompF基因的调控区，起正调控高渗高渗结合ompC基因的调控区，起正调控当细菌从低渗到高渗状态时，不仅ompF基因抑制，其
26、表达的mRNA的翻译也抑制。37基因表达医学知识 38基因表达医学知识Tn10转位酶基因表达在细菌中处于极低水平。这是因了一种小分子RNA阻遏物在翻译水平上严格限制着Tn10转位酶基因的表达。小分子小分子RNA控制特定基因的控制特定基因的低水平表达低水平表达39基因表达医学知识 小分子RNA在翻译水平上对Tn10转位酶基因表达调控40基因表达医学知识真核生物基因表达的调控DNA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水平的调控41基因表达医学知识DNA水平的调控1 1、染色质的丢失、染色质的丢失：低等生物的细胞发育过程中及动物红：低等生物的细胞发育过程中及动物红细胞成熟过程
27、中，发现有染色质的丢失。细胞成熟过程中，发现有染色质的丢失。2 2、基因扩增、基因扩增：增加基因的拷贝数是调控基因表达活性的：增加基因的拷贝数是调控基因表达活性的一种有效方式。一种有效方式。药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因药物：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拷贝数异常增加3 3、基因重排、基因重排：基因片段改变原衔接顺序，重排为完整的：基因片段改变原衔接顺序，重排为完整的转录单位转录单位 如免疫球蛋白基因在如免疫球蛋白基因在B B淋巴细胞分化和浆细胞生成过淋巴细胞分化和浆细胞生成过程中重排，奠定了其多样性的基础。程中重排，奠定了其多样性的基础。42基因表达
28、医学知识 4 4、DNADNA甲基化甲基化：在真核生物基因表达中，基因甲基化程：在真核生物基因表达中，基因甲基化程度高，基因表达降低；去甲基化：基因表达增加。度高，基因表达降低；去甲基化：基因表达增加。5 5、染色质结构染色质结构对基因表达的调控对基因表达的调控：真核生物的染色体或：真核生物的染色体或染色质由染色质由DNADNA与组蛋白、非组蛋白及少量与组蛋白、非组蛋白及少量RNARNA及其它物及其它物质结合而成。具有核小体结构。质结合而成。具有核小体结构。非组蛋白（高迁移组非组蛋白（高迁移组分）与组蛋白竞争结合分）与组蛋白竞争结合DNADNA，解除组蛋白对基因表达的，解除组蛋白对基因表达的抑
29、制。抑制。43基因表达医学知识 转录水平的调控是真核生物基因调控中最重要调控主要通过顺式作用元件、反式作用因子、RNA聚合酶的相互作用来完成的。同时转录水平的调控主要通过上述三者作用影响转录起始复合物的形成。44基因表达医学知识(一一)转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶识别的不是单纯的聚合酶识别的不是单纯的DNADNA序列，而是序列，而是由一个通用转录因子（由一个通用转录因子（transcription factor,TFtranscription factor,TF）与）与DNADNA形成的蛋白质形成的蛋白质-DNA-DNA复合物复合物.形成过程形
30、成过程:1 1、TFIIDTFIID结合结合TATATATA盒盒2 2、RNARNA聚合酶聚合酶结合结合TFDTFD，形成闭合的复合物，形成闭合的复合物3 3、其它、其它TFTF与与RNARNA聚合酶形成开放的复合物聚合酶形成开放的复合物 在转录调控过程中，在转录调控过程中，反式作用因子反式作用因子的的主要作用：主要作用：是促进或抑制是促进或抑制TFIIDTFIID结合结合TATATATA盒或盒或RNARNA聚合酶结合聚合酶结合TFDTFD，形成闭合的复合物以及转录起始复合物的形，形成闭合的复合物以及转录起始复合物的形成。成。45基因表达医学知识 （二）、反式作用因子（二）、反式作用因子 真核
31、细胞内含有大量的能识别、结合特异性序列的真核细胞内含有大量的能识别、结合特异性序列的DNADNA结合蛋白，其主要功能是使基因开放或关闭，称为结合蛋白，其主要功能是使基因开放或关闭，称为反式作用因子反式作用因子，通常是一类细胞核内蛋白质因子。，通常是一类细胞核内蛋白质因子。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。46基
32、因表达医学知识 DNA结合域（结合域（DNA-binding domain）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 zipper）螺旋环螺旋螺旋环螺旋(Helix-loop-helix structure)碱性碱性 螺旋（螺旋（Alkaline-helix）47基因表达医学知识48基因表达医学知识 锌指结构49基因表达医学知识123456789蛋白质蛋白质图图15-10图图15-1150基因表达医学知识同源结构域：螺旋-回折-螺旋51基因表达医学知识 碱性-亮
33、氨酸拉链结构NH2COOH碱性氨基酸区碱性氨基酸区特点：是蛋白质分子的肽链上每隔特点：是蛋白质分子的肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，结个氨基酸就有一个亮氨酸残基，结果就导致这些亮氨酸残基都在果就导致这些亮氨酸残基都在螺旋的同一个方向出现。两个相同的结螺旋的同一个方向出现。两个相同的结构的两排亮氨酸残基就能以疏水构的两排亮氨酸残基就能以疏水性作用力性作用力结合成二聚体，这二聚体的另结合成二聚体，这二聚体的另一端的肽段富含碱性氨基酸残基，借其正电荷与一端的肽段富含碱性氨基酸残基，借其正电荷与DNA双螺旋链上带负电双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合。若不形成二聚体则对荷的磷酸基团结合。若不形成
34、二聚体则对DNA的亲和结合力明显降低的亲和结合力明显降低亮氨酸拉链区亮氨酸拉链区52基因表达医学知识图图15-1353基因表达医学知识 54基因表达医学知识：55基因表达医学知识二聚体二聚体56基因表达医学知识 转录活化结构域转录活化结构域转录活化结构域是反式作用因子的转录激活区，通常转录活化结构域是反式作用因子的转录激活区，通常在反式作用因子的在反式作用因子的DNADNA结合域以外由结合域以外由8080到到100100个氨基酸个氨基酸组成的区域。转录因子通常具有一个以上的转录活化组成的区域。转录因子通常具有一个以上的转录活化区。转录活化结构模型有以下几种：区。转录活化结构模型有以下几种：1、
35、酸性、酸性-螺旋结构域螺旋结构域：带较多负电荷，能形成亲脂性-螺旋（糖皮质激素受体）2、富含谷氨酰胺结构域富含谷氨酰胺结构域（转录因子SP1）3、富含脯氨酸结构域：、富含脯氨酸结构域：CTF NF-157基因表达医学知识 （三）、转录起始是由多种激活的反式作用因子三）、转录起始是由多种激活的反式作用因子进行复合调控进行复合调控1、反式作用因子激活方式、反式作用因子激活方式：（1）、）、通过基因表达产生通过基因表达产生反式作用因子是激活方式之一。反式作用因子是激活方式之一。通常这种激活方式又称为通常这种激活方式又称为表达方式调节表达方式调节。这类因子一。这类因子一合成出来就有活性，它们只是在需要
36、时才合成，并迅速通合成出来就有活性，它们只是在需要时才合成，并迅速通过蛋白水解酶迅速降解。过蛋白水解酶迅速降解。（2）、）、共价修饰调节蛋白活性共价修饰调节蛋白活性。这类因子通常可通过磷酸化这类因子通常可通过磷酸化-去磷酸化、糖基化修饰去磷酸化、糖基化修饰方式来调节其蛋白活性。方式来调节其蛋白活性。58基因表达医学知识 （3）、）、与配体结合引起功能变化与配体结合引起功能变化：许多激素的受体也是反式作用因子，本身对基因许多激素的受体也是反式作用因子，本身对基因转录无调节作用。当激素进入细胞后，受体与激素结合，转录无调节作用。当激素进入细胞后，受体与激素结合，才能结合于才能结合于DNA，调节基因
37、的表达。，调节基因的表达。（4）、）、蛋白与蛋白相互作用蛋白与蛋白相互作用：蛋白与蛋白之间的解离或形成复合体，是许多细蛋白与蛋白之间的解离或形成复合体，是许多细胞内反式作用因子活性调节的重要方式。如胞内反式作用因子活性调节的重要方式。如c-myc蛋白蛋白单一作用靶单一作用靶DNA，其效率低，但与其配体，其效率低，但与其配体max蛋白形蛋白形成异二聚体形式作用，效率大增。成异二聚体形式作用，效率大增。59基因表达医学知识 反式作用因子激活后，通过识别并结合基因上游的启动反式作用因子激活后，通过识别并结合基因上游的启动子元件或增强子中的保守序列，从而发挥其对下游基因子元件或增强子中的保守序列，从而
38、发挥其对下游基因的调节作用。那么反式作用因子又是如何影响下游基因的调节作用。那么反式作用因子又是如何影响下游基因活性呢？目前提出活性呢？目前提出反式作用因子有以下几种作用模式反式作用因子有以下几种作用模式：1、成环、成环：当反式作用因子与增强子结合后，利用DNA的柔曲性，弯曲成环，使增强子区域与RNA聚合酶结合位点靠近，直接接触而发挥作用。2、扭曲：、扭曲：反式作用因子通过与反式作用因子通过与DNA结合后，通过结合后，通过DNA变形，扭曲而发生构型改变，使通用转录因子与变形，扭曲而发生构型改变，使通用转录因子与RNA聚聚合酶结合更适合。合酶结合更适合。3、滑动：、滑动：4、连锁反应：、连锁反应
39、：60基因表达医学知识 三、三、mRNA的加工和运输可形成转录后水平的调控的加工和运输可形成转录后水平的调控（一）、（一）、5端加帽和端加帽和3端加多聚腺苷酸尾具有调控意义端加多聚腺苷酸尾具有调控意义1、5形成一个m7GpppNp-2、3形成一个100200个腺苷酸，即poly（A）3 3、核糖体的组装在细胞核内，可能保护rRNA不被降解；4 4、tRNA在合成后，形成特定的空间构象，也使其具有抵抗降解的机制。62基因表达医学知识（二）、（二）、mRNA的选择剪接亦可调控基因表达的选择剪接亦可调控基因表达mRNAmRNA的选择剪接是指真核细胞基因表达所转录出的前体的选择剪接是指真核细胞基因表达
40、所转录出的前体mRNAmRNA的剪接过程中，参加拼接的外显子可以不按其在基的剪接过程中，参加拼接的外显子可以不按其在基因组的线性分布次序拼接，内含子也可以不被切除而保因组的线性分布次序拼接，内含子也可以不被切除而保留，即一个外显子或内含子是否出现在成熟的留，即一个外显子或内含子是否出现在成熟的mRNAmRNA中是中是可以选择的。这种剪接称可以选择的。这种剪接称mRNAmRNA选择剪接选择剪接。mRNAmRNA选择剪接方式：选择剪接方式：外显子选择外显子选择(optional exon)(optional exon)互斥外显子互斥外显子内部剪接位点内部剪接位点内含子选择内含子选择(optiona
41、l intron)(optional intron)63基因表达医学知识 64基因表达医学知识 BaxBax基因转录产物的选择剪接基因转录产物的选择剪接123456选择剪接产生选择剪接产生、三种蛋白123456共含192个密码子1123456终止密码子共218个密码子13456共151个密码子65基因表达医学知识 （三）、（三）、mRNAmRNA运输控制调节进入细胞质的运输控制调节进入细胞质的mRNAmRNA量量mRNAmRNA的运输是受控制的。成熟的的运输是受控制的。成熟的mRNAmRNA并不是全部并不是全部进入细胞质。大约只有进入细胞质。大约只有20%20%的的mRNAmRNA进入胞浆，留
42、在进入胞浆，留在核内的核内的RNARNA大约在大约在1 1小时内降解。小时内降解。RNARNA通过核膜的运通过核膜的运输是一个主动运输过程，输是一个主动运输过程，RNARNA运输出核孔的机制，运输出核孔的机制，目前不清。目前不清。66基因表达医学知识 四、翻译水平的调节或控制四、翻译水平的调节或控制（一）、蛋白翻译起始可受特定因素的调控（一）、蛋白翻译起始可受特定因素的调控1、阻遏蛋白的调控：、阻遏蛋白的调控：可以结合到可以结合到mRNA的的5端端5端非编码区铁反应元件铁结合调节蛋白铁编码铁蛋白的基因信息区67基因表达医学知识 2、翻译起始因子调节蛋白质合成速度、翻译起始因子调节蛋白质合成速度
43、eIF-2是蛋白质合成过程中重要的起始因子，有些物质可以影响其活性。如：血红素对珠蛋白合成的调节eIF-2eIF-2-PicAMP依赖性蛋白激酶血红素-+活性降低68基因表达医学知识 3、5AUG对翻译的调控作用对翻译的调控作用 在真核生物通常以在真核生物通常以mRNAmRNA为模板的翻译开始于最靠为模板的翻译开始于最靠近其近其55端的第一个端的第一个AUGAUG为起始密码子指导翻译。但少为起始密码子指导翻译。但少数数mRNAmRNA中，在起始密码子中，在起始密码子AUGAUG上游非编码区存在一个上游非编码区存在一个或数个或数个AUGAUG，称为，称为5AUG5AUG，由于，由于5AUG5AU
44、G的开放阅读框与的开放阅读框与正常编码区的阅读框不一致，如果从正常编码区的阅读框不一致，如果从5AUG5AUG开始翻译，开始翻译，很快就会遇到终止密码子，从而翻译出无活性的短肽。很快就会遇到终止密码子，从而翻译出无活性的短肽。因此有因此有5AUG5AUG存在会竞争抑制正常起始密码子的翻译，存在会竞争抑制正常起始密码子的翻译，使正常翻译处于低水平状态。使正常翻译处于低水平状态。在正常的原癌基因中其在正常的原癌基因中其5端的非翻译区内多存端的非翻译区内多存在在5AUG5AUG从而抑制了原癌基因表达。从而抑制了原癌基因表达。69基因表达医学知识 4、mRNA 5 端非编码区长度对翻译的影响端非编码区
45、长度对翻译的影响 mRNA5 mRNA5端的非编码区太短时，起始密码子由于和端的非编码区太短时，起始密码子由于和55端帽子位置太近，从而不容易被端帽子位置太近，从而不容易被40S40S亚基识别。当亚基识别。当55端的非编码区长度在端的非编码区长度在17-8017-80核苷酸之间时，体外翻核苷酸之间时，体外翻译效率与其长度成正比。译效率与其长度成正比。第一个第一个AUGAUG至至55端的长度影响翻译起始效率和翻端的长度影响翻译起始效率和翻译起始准确性。译起始准确性。70基因表达医学知识 （二）（二）mRNAmRNA稳定性调节蛋白质合成的水平稳定性调节蛋白质合成的水平1、mRNA 3端非编码区结构
46、中含有一段丰富的A和U序列，是致mRNA不稳定的原因。2、同时研究组蛋白的mRNA 3端结构时，发现其3端的特殊的茎-环结构，其稳定性受DNA合成调节。（三）、（三）、小分子小分子RNARNA（MicroRNA,miRNAMicroRNA,miRNA）对翻译水平的）对翻译水平的影响影响71基因表达医学知识 72基因表达医学知识 五、翻译后水平的调控五、翻译后水平的调控(一一)、新生肽链的水解；、新生肽链的水解；1 1、新生肽链、新生肽链N N端的氨基酸是稳定残基还是不稳定残基，端的氨基酸是稳定残基还是不稳定残基，是控制其降解的一个重要因素；是控制其降解的一个重要因素；不稳定残基又分一级、二级、
47、三级三类不稳定残基又分一级、二级、三级三类一级：精、赖、苏、甘、苯、亮、异亮、酪、色一级：精、赖、苏、甘、苯、亮、异亮、酪、色二级：天冬氨酸、谷、半二级：天冬氨酸、谷、半三级：天冬酰胺、谷氨酰胺三级：天冬酰胺、谷氨酰胺2 2、新生肽链的运输速度是控制功能蛋白质数量的一、新生肽链的运输速度是控制功能蛋白质数量的一个重要因素。个重要因素。73基因表达医学知识(二二)、肽链中氨基酸的共价修饰具有调节蛋白质的活性：、肽链中氨基酸的共价修饰具有调节蛋白质的活性：磷酸化、甲基化、酰基化；磷酸化、甲基化、酰基化；(三三)、通过信号肽、通过信号肽(signal peptide)(signal peptide)分拣、运输、定位分拣、运输、定位影响蛋白的功能发挥。影响蛋白的功能发挥。74基因表达医学知识 近年来提出的有关基因表达的新理论近年来提出的有关基因表达的新理论-“统一统一理论理论”。这一理论将基因表达过程中的单个具体的。这一理论将基因表达过程中的单个具体的事件或步骤联系在一起，从而形成一个完整的调控事件或步骤联系在一起，从而形成一个完整的调控网络。网络。同时随着功能基因组时代的到来，基因的调控已同时随着功能基因组时代的到来，基因的调控已不再是细胞内单个的事件，而是一个更复杂调控网不再是细胞内单个的事件，而是一个更复杂调控网络下的综合协同过程。络下的综合协同过程。75基因表达医学知识
