1、第五章第五章基因表达的调控基因表达的调控 基因表达基因表达是指生物基因组中结构基是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录、翻译等因所携带的遗传信息经过转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。但并非所有基因表达过程都的全过程。但并非所有基因表达过程都产生蛋白质，产生蛋白质，rRNA、tRNA编码基因转编码基因转录生成录生成RNA的过程也属于基因表达。的过程也属于基因表达。管家基因：管家基因：在生命全过程都是必需的，且在一个生在生命全过程都是必需的，且在一个生物个体的几乎所
2、有细胞中持续表达的基因。物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。组成性基因表达：组成性基因表达：在个体各个生长阶段的几乎全部组织中在个体各个生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小。持续表达或变化很小。诱导表达和阻遏表达：诱导表达和阻遏表达：基因表达受环境变化影响，在特定基因表达受环境变化影响，在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现环境信号刺激下，有些基因的表达表现为开放或增强，则这种表达方式称为诱为开放或增强，则这种表达方式称为诱导表达；有些基因的表达表现为关闭或导表达；有些基因的表达表现为关闭或下降，则这种表达方式称为阻遏表达。下降，则这种表达方式称为阻遏表达。协调表达和协调调节协调表达
3、和协调调节：在生物体内，各种代谢途径有条不紊在生物体内，各种代谢途径有条不紊地进行，是在一定机制控制下，功能相关地进行，是在一定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达，即协的一组基因，协调一致，共同表达，即协调表达，这种调节被称为协调调节。调表达，这种调节被称为协调调节。基因表达的调控：基因表达的调控：在同一机体的各种细胞内含有相同的在同一机体的各种细胞内含有相同的遗传信息，即相同的结构基因，它们在各遗传信息，即相同的结构基因，它们在各种细胞中并非同时表达，而是根据机体生种细胞中并非同时表达，而是根据机体生长、发育、繁殖的需要，随着环境的变化，长、发育、繁殖的需要，随着环境的变化，
4、有规律的选择性、程序性、适度地表达，有规律的选择性、程序性、适度地表达，以适应环境，发挥其生理功能。这就是所以适应环境，发挥其生理功能。这就是所谓的调控，即基因表达的调节和控制谓的调控，即基因表达的调节和控制（regulation and control）。）。基因表达的时间性及空间性基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性（一）时间特异性 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特时间特异性异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基
5、因表达的时间特异性又称阶段阶段特异性特异性(stage specificity)。（二）空间特异性（二）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(cell or tissue specificity)。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，不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的称之为基因表达的空空间特异性间特异性(spatial specif
6、icity)。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转录起始转录起始第一节第一节原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控原核生物基因的转录和翻译过程是偶原核生物基因的转录和翻译过程是偶联的，联的，mRNAmRNA降解快、半衰期短。因此其降解快、半衰期短。因此其基因表达调控的环节主要在转录水平，基因表达调控的环节主要在转录水平，其次是翻译水平。其次是翻译水平。一、转录水平的调控一、转录水平的调控（一）影响转录的因素（一）影响转录的因素1 1、启动子、启动
7、子（1 1）启动子决定转录方向及模板链）启动子决定转录方向及模板链 （2）启动子决定转录效率）启动子决定转录效率35和和10的两个序列称为一致性序列。的两个序列称为一致性序列。35：T82G78A65C54A95 10：T80A95T45A60A50T96（下角标数字表示核苷酸在所有启动子中出现的（下角标数字表示核苷酸在所有启动子中出现的频率）。频率）。强启动子的序列与上述序列最接近，弱强启动子的序列与上述序列最接近，弱启动子则相差较大。启动子则相差较大。不同的不同的因子可以竞争结合因子可以竞争结合RNA聚合酶，聚合酶，RNA聚合酶聚合酶的核心酶与不同的核心酶与不同因子组成的全酶识别不同基因的
8、启因子组成的全酶识别不同基因的启动子。动子。2、因子因子37：70-核心酶为主核心酶为主42：70-核心酶，核心酶，32-核心酶核心酶(32 mRNA 主要在主要在4042翻译翻译)32-核心酶识别核心酶识别 HSP 基因的启动子。基因的启动子。3、阻遏蛋白、阻遏蛋白 阻遏蛋白是在一定的条件下与阻遏蛋白是在一定的条件下与DNA结合、在结合、在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。阻遏蛋白可以与特定的信号分子结合而阻遏蛋白可以与特定的信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与DNA结合，或者与结合，或者
9、与DNA解离。阻遏蛋白结解离。阻遏蛋白结合于合于DNA后可抑制转录，这种基因表达调控后可抑制转录，这种基因表达调控的方式称为负调控。的方式称为负调控。lac operon诱导去阻遏诱导阻遏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序列后促序列后促进基因的转录，这种基因表达调控的方式进基因的转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。称为正调控。（1）CAP蛋白蛋白 E.coli 的分解代谢物基因活化蛋白的分解代谢物基因活化蛋白（catabolite gene activator protein，CAP）是一种基因激活蛋白。是一种基因激活蛋白。cAMP与与CAP结合，
10、诱导结合，诱导CAP发生构象改变，发生构象改变，使之能够结合于特定的使之能够结合于特定的DNA序列，激活基因序列，激活基因的转录。的转录。cAMP水平降低时，水平降低时，cAMP与与CAP解离，解离，CAP转回到无活性的构象，并与转回到无活性的构象，并与DNA解离。解离。（2）ntrC蛋白蛋白 ntrC蛋白是大肠杆菌氮代谢基因的激蛋白是大肠杆菌氮代谢基因的激活蛋白，其自身活性可通过磷酸化和去磷活蛋白，其自身活性可通过磷酸化和去磷酸化而被调节。酸化而被调节。ntrC蛋白结合的蛋白结合的DNA元件是细菌元件是细菌DNA中的一种增强子。中的一种增强子。谷氨酰胺谷氨酰胺合成酶基因合成酶基因启动子的上启
11、动子的上游游100多多bp处，有两个处，有两个ntrC蛋白结蛋白结合位点。合位点。ntrC蛋蛋白可以结合白可以结合这些位点。这些位点。非磷酸非磷酸化的化的ntrC蛋蛋白也可以与白也可以与DNA上的上的ntrC蛋白结蛋白结合位点结合，合位点结合，但对转录没但对转录没有调控作用有调控作用5倒位蛋白倒位蛋白倒位蛋白是一种位点特异性的重组酶。倒位蛋白是一种位点特异性的重组酶。沙门氏菌的沙门氏菌的 H1 和和 H2 鞭毛蛋白分别由两鞭毛蛋白分别由两个基因编码。个基因编码。H2 基因表达时，同时转录翻译出基因表达时，同时转录翻译出 H1 基因的阻遏蛋基因的阻遏蛋白，使白，使H1基因关闭。基因关闭。H2基因
12、的启动子包含一个基因的启动子包含一个 1000 bp 的的DNA片段内，当倒位基因片段内，当倒位基因him表达倒位表达倒位蛋白时，可使该片段倒位，启动子的方向反转。蛋白时，可使该片段倒位，启动子的方向反转。H2 基因关闭，基因关闭，H1 基因则因失去阻遏蛋白的抑制作用而基因则因失去阻遏蛋白的抑制作用而开始表达，产生开始表达，产生H1鞭毛蛋白。鞭毛蛋白。6衰减子衰减子细菌中的细菌中的mRNA转录和蛋白质翻译合成是偶联转录和蛋白质翻译合成是偶联在一起的。在一起的。一些操纵子中的特殊序列可以在转录过程中控一些操纵子中的特殊序列可以在转录过程中控制转录水平。这些特殊的序列称为衰减子（制转录水平。这些特
13、殊的序列称为衰减子（attenuator）。衰减子位于操纵子中第一个结构基）。衰减子位于操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的顺序。因之前，是一段能减弱转录作用的顺序。色氨酸操纵子，L基因中含有衰减子（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复合调控的。因子进行复合调控的。细菌通常优先以葡萄糖作为能源，葡萄糖代谢细菌通常优先以葡萄糖作为能源，葡萄糖代谢产物能抑制细胞腺苷酸环化酶和激活磷酸二酯酶的产物能抑制细胞
14、腺苷酸环化酶和激活磷酸二酯酶的活性，结果使细胞内活性，结果使细胞内cAMP水平降低。水平降低。葡萄糖耗尽时，细胞内葡萄糖耗尽时，细胞内cAMP水平升高，即可水平升高，即可通过通过CAP 调控其它操纵子的表达。调控其它操纵子的表达。1乳糖操纵子调控的机制乳糖操纵子调控的机制E.coli的乳糖操纵子有的乳糖操纵子有Z、Y、A三个结构基因，三个结构基因，编码编码-半乳糖苷酶、乳糖透酶和半乳糖苷乙酰化半乳糖苷酶、乳糖透酶和半乳糖苷乙酰化酶，结构基因上游有一个启动子（酶，结构基因上游有一个启动子（P）和一个）和一个operator。（。（O）。启动子上游有一个）。启动子上游有一个CAP蛋白的蛋白的结合位
15、点。启动子、结合位点。启动子、operator和和CAP结合位点共结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区。同构成乳糖操纵子的调控区。I 基因是调节基因，编码产生阻遏蛋白。基因是调节基因，编码产生阻遏蛋白。阻遏蛋白为四聚体，每个亚基相同。在没有阻遏蛋白为四聚体，每个亚基相同。在没有乳糖的条件下，阻遏蛋白能与操纵区结合。乳糖的条件下，阻遏蛋白能与操纵区结合。乳糖经透酶作用进入细胞，细胞内已存在的乳糖经透酶作用进入细胞，细胞内已存在的-半乳糖苷酶可催化乳糖转变成半乳糖和葡萄糖，同时半乳糖苷酶可催化乳糖转变成半乳糖和葡萄糖，同时催化一小部分乳糖转变成异半乳糖（两个单糖以催化一小部分乳糖转变成异半乳糖（两个
16、单糖以1,4-1,4-糖苷健连接，而不是糖苷健连接，而不是1,6-1,6-糖苷健），异半乳糖是真正糖苷健），异半乳糖是真正的诱导剂。的诱导剂。lac启动子是弱启动子，启动子是弱启动子，RNA聚合酶与之结聚合酶与之结合的能力很弱，只有合的能力很弱，只有CAP结合到启动子上游的结合到启动子上游的CAP结合位点后，促进结合位点后，促进RNA聚合酶与启动子聚合酶与启动子结合，才能有效转录。结合，才能有效转录。乳糖操纵子的转录起始由乳糖操纵子的转录起始由CAP和阻遏蛋白两和阻遏蛋白两种调控因子来控制，可因葡萄糖和乳糖的存在种调控因子来控制，可因葡萄糖和乳糖的存在与否而有与否而有 4 种不同的组合。种不同
17、的组合。2阿拉伯糖操纵子的调控机制阿拉伯糖操纵子的调控机制 阿拉伯糖操纵子（阿拉伯糖操纵子（ara operon）含有）含有B、A、D三个结构基因，编码异构酶、激酶、表位三个结构基因，编码异构酶、激酶、表位酶，催化阿拉伯糖转变为酶，催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮糖，后者磷酸木酮糖，后者进入磷酸戊糖途径。进入磷酸戊糖途径。araO1araO2araI启动子启动子启动子启动子CAP结合位点结合位点C mRNABAD mRNA 调控区由启动子（调控区由启动子（P）和起始区（）和起始区（I）以及操）以及操纵区（纵区（O）组成。）组成。C基因是调节基因，编码调基因是调节基因，编码调控蛋白控蛋白AraC，
18、该基因的启动子与，该基因的启动子与ara操纵子的操纵子的操纵区（操纵区（araO1）重叠。此外在）重叠。此外在C基因内存在着基因内存在着AraC蛋白的结合位点蛋白的结合位点araO2。araO1araO2araI启动子启动子启动子启动子CAP结合位点结合位点C mRNABAD mRNA AraC蛋白、蛋白、CAP蛋白和阿拉伯糖的复合蛋白和阿拉伯糖的复合作用对操纵子的转录进行调控。调控作用受葡作用对操纵子的转录进行调控。调控作用受葡萄糖和阿拉伯糖的存在与否的影响。萄糖和阿拉伯糖的存在与否的影响。1.no C proteinRNA pol C 蛋白cAMPCAP阿拉伯糖3.有 C 蛋白，无葡萄糖，
19、有阿拉伯糖2.有 C 蛋白，有葡萄糖，有或无阿拉伯糖 3色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制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，用于合成色氨基因编码三种酶，用于合成色氨酸。上游调控区由启动子（酸。上游调控区由启动子（P）和操纵区（）和操纵区（O）组成。）组成。R基因是调节基因，编码阻遏蛋白。基因是调节基因，编码阻遏蛋白。trp操纵子是一种阻遏型操纵子，无色氨酸时，操纵子是一种阻遏型操纵子，无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵区结合，对转录无抑制作用；细阻遏蛋白不能与操纵区结合，对转录无抑制作用；细胞内有较大量的色氨酸时，阻
20、遏蛋白与色氨酸形成复胞内有较大量的色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后能与操纵区结合，抑制转录。合物后能与操纵区结合，抑制转录。trp操纵子的另一个调控方式是衰减机制调节。操纵子的另一个调控方式是衰减机制调节。衰减子衰减子位于结构基因位于结构基因 E 和操纵区（和操纵区（O）之间的）之间的 L 基基因因中。中。在无色氨酸的环境下，在无色氨酸的环境下，L基因基因和结构基因能转和结构基因能转录产生具有录产生具有 6700 个核苷酸的全长多顺反子个核苷酸的全长多顺反子mRNA，当细胞内色氨酸增多时，结构基因转录受到抑制，当细胞内色氨酸增多时，结构基因转录受到抑制，但，但L基因转录的基因转录的前导前
21、导mRNA（140个核苷酸）个核苷酸）并并没有减少，这部分转录物称为衰减子转录物。没有减少，这部分转录物称为衰减子转录物。Translation and Termination of transcriptionmRNA肽链肽链DNAUUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区:包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱：序列序列1/21/
22、2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUUUUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1.1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 2.2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相
23、关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 trp高高trp低低无蛋白质合成无蛋白质合成 色氨酸操纵子色氨酸操纵子L基因的翻译产物中基因的翻译产物中具有相邻的色氨酸残基这一现象，在具具有相邻的色氨酸残基这一现象，在具有衰减调节作用的有衰减调节作用的pheA，his，leu，thr等操纵子中也存在。等操纵子中也存在。二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控（一）（一）SD序列对翻译的影响序列对翻译的影响1SD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不同的不同的SD序列有一定的差异，因而翻序列有一定的差异，因而翻译起始效率不一样。译起始效
24、率不一样。SD序列与起始密码子之间的距离，也序列与起始密码子之间的距离，也影响影响mRNA翻译效率。翻译效率。SD序列与核糖体小亚基中序列与核糖体小亚基中16S rRNA 3端的序列互补端的序列互补，当，当mRNA与小亚基结合时，与小亚基结合时，SD序列与序列与16S rRNA 3端的互补序列配对结合，使起始密码子定位于翻译端的互补序列配对结合，使起始密码子定位于翻译起始部位。起始部位。SD序列的核心序列是六个嘌呤（序列的核心序列是六个嘌呤（AGGAGG）AGGAGGUAGGAGGUUCCUCCAUCCUCCAmRNA16S rRNAU UCCUCCCUCCACA16S rRNAU UGGAG
25、GGAGCGCGmRNA结合力强结合力弱 SD1、SD2和和SD3的序列可以不同，的序列可以不同，SD1/ORF1,SD2/ORF2,SD3/ORF3的的AUG和和SD之间的距离也不同。核糖体以之间的距离也不同。核糖体以不同的效率结合不同的不同的效率结合不同的SD和起始翻译。和起始翻译。在研究重组白细胞介素在研究重组白细胞介素-2（IL-2）时发现，）时发现，lac启动子启动子的的SD顺序距顺序距AUG为为7个核苷酸时，个核苷酸时，IL-2表达最高，而表达最高，而间隔间隔8个核苷酸时，个核苷酸时，IL-2表达水平可降低表达水平可降低500倍。倍。SD序列位于起始密码子序列位于起始密码子AUG上
26、游上游813个碱基处，个碱基处，不同的开放阅读框上游的不同的开放阅读框上游的SD序列与起始密码子之间的序列与起始密码子之间的距离是不同的，这使得起始密码子在翻译起始部位定距离是不同的，这使得起始密码子在翻译起始部位定位的精确度不同，因而翻译的起始效率也不相同。位的精确度不同，因而翻译的起始效率也不相同。2mRNA二级结构隐蔽二级结构隐蔽SD序列的作用序列的作用在某些在某些mRNA分子中，核糖体结合位点在茎环分子中，核糖体结合位点在茎环中，使核糖体无法结合，只有破坏茎环结构，核中，使核糖体无法结合，只有破坏茎环结构，核糖体才能结合。糖体才能结合。红霉素抗性的细菌编码一种红霉素甲基化酶红霉素抗性的
27、细菌编码一种红霉素甲基化酶（erythromycin methylase），该酶使核糖体），该酶使核糖体 23S mRNA特定位点的一个腺嘌呤甲基化，阻止红霉特定位点的一个腺嘌呤甲基化，阻止红霉素的结合。红霉素通过该位点结合于核糖体，抑素的结合。红霉素通过该位点结合于核糖体，抑制蛋白质合成。（翻译调控）制蛋白质合成。（翻译调控）（二）（二）mRNA的稳定性的稳定性许多细菌许多细菌mRNA降解速度很快。降解速度很快。E.coli的许的许多多mRNA在在37时的平均寿命大约为时的平均寿命大约为2分钟，分钟，很快被酶解，这意味着，诱导基因表达的因素很快被酶解，这意味着，诱导基因表达的因素一旦消失，蛋
28、白质的合成就会迅速停止。一旦消失，蛋白质的合成就会迅速停止。不同操纵子转录出的不同操纵子转录出的mRNA分子的平均寿命分子的平均寿命是不同的，有些是不同的，有些mRNA编码的蛋白质是持续存编码的蛋白质是持续存在的，在的，mRNA也较稳定。也较稳定。mRNA的稳定与其序列和结构有关。的稳定与其序列和结构有关。RNase识别一种特殊的发夹结构，将识别一种特殊的发夹结构，将其裂解，使其裂解，使RNA能够被其他能够被其他RNA酶降解。其酶降解。其他他RNA酶不能破坏这种发夹结构。有些特殊酶不能破坏这种发夹结构。有些特殊的调控蛋白可以结合这种发夹结构，使之受的调控蛋白可以结合这种发夹结构，使之受到保护而
29、延长到保护而延长mRNA的寿命。的寿命。（三）翻译产物对翻译的调控（三）翻译产物对翻译的调控1核糖体蛋白核糖体蛋白细菌中细菌中50余种核糖体蛋白的基因分布在几个不余种核糖体蛋白的基因分布在几个不同的操纵子中，最大的操纵子可含有同的操纵子中，最大的操纵子可含有11个基因。个基因。这些操纵子在转录水平是可调控的。但核糖体这些操纵子在转录水平是可调控的。但核糖体蛋白合成的控制主要是在翻译水平。蛋白合成的控制主要是在翻译水平。每个操纵子转录的每个操纵子转录的mRNA所编码的蛋白质中所编码的蛋白质中都有一种蛋白（或两种蛋白形成的一个复合物都有一种蛋白（或两种蛋白形成的一个复合物）可以结合到多顺反子上游的
30、一个特定部位，）可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。阻止核糖体结合和起始翻译。2翻译终止因子翻译终止因子RF2调节自身的翻译调节自身的翻译RF2 识别终止密码识别终止密码 UGA 和和 UAA，RF1 识别终止密码识别终止密码 UAG 和和 UAA。RF2的的mRNA不是一个连续的开放阅读框，不是一个连续的开放阅读框，前面前面25个氨基酸与后面个氨基酸与后面315 个氨基酸不是同个氨基酸不是同一阅读框，两个编码区之间是一个终止密码一阅读框，两个编码区之间是一个终止密码UGA和一个和一个C（UGAC）。）。frame-shifting region of RF2 mR
31、NA（四）小分子（四）小分子RNA的调控作用的调控作用1调整基因表达产物的类型调整基因表达产物的类型 大肠杆菌渗透压调节基因大肠杆菌渗透压调节基因ompR的产物的产物OmpR 蛋白，在不同的渗透压时具有不同的构蛋白，在不同的渗透压时具有不同的构象，分别结合渗透压蛋白象，分别结合渗透压蛋白ompF和和ompC基因的基因的调控区。调控区。micRNA：mRNA干扰性互补干扰性互补RNA（mRNA interfering complementary RNA）2低水平表达基因的控制低水平表达基因的控制 Tn10 转位酶基因由转位酶基因由pIN启动子控制，启动子控制，RNA阻遏物的基因由阻遏物的基因由p
32、OUT启动子控制。启动子控制。两个启动子方向相反，交叉进行转录，两个启动子方向相反，交叉进行转录，使得基因转录水平很低。两个转录区有使得基因转录水平很低。两个转录区有35个碱基重叠。个碱基重叠。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 真核生物基因表达的调控可以发生真核生物基因表达的调控可以发生DNA水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平。翻译后水平。一、一、DNA水平的调控水平的调控 1染色质的丢失染色质的丢失 一些低等生物（如线虫等）的细胞发育过一些低等生物（如线虫等）的细胞发育过程中的染色质丢失。程中的染色质丢失。高等动物红
33、细胞在发育成熟中过程的染色高等动物红细胞在发育成熟中过程的染色质丢失。质丢失。都是一些不可逆的调控。都是一些不可逆的调控。2基因扩增基因扩增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在顺序，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。，再重排成为一个完整的转录单位。例如免疫球蛋白基因在例如免疫球蛋白基因在B淋巴细胞分化淋巴细胞分化和浆细胞生成过程中的重排。和浆细胞生成过程中的重排。4基因修饰基因修饰基因的甲基化与基因的表达呈反比关系。基因的甲基化与基因的表达呈反比关系。基因的甲基化直接改变了基
34、因的构型，基因的甲基化直接改变了基因的构型，影响影响DNA特异顺序与转录因子的结合，使基特异顺序与转录因子的结合，使基因不能转录。因不能转录。基因基因5端调控序列甲基化后与核内甲基端调控序列甲基化后与核内甲基化的化的CG序列结合蛋白（序列结合蛋白（methyl CpG-binding protein）结合，阻止了转录因子与基因形成）结合，阻止了转录因子与基因形成转录复合物。转录复合物。5染色质结构对基因表达的调控作用染色质结构对基因表达的调控作用真核生物的染色质或染色体是由真核生物的染色质或染色体是由DNA与组蛋与组蛋白、非组蛋白和少量白、非组蛋白和少量RNA及其它物质结合而形及其它物质结合而
35、形成，具有核小体结构。成，具有核小体结构。组蛋白组蛋白N末端丝氨酸磷酸化，使其带正电荷末端丝氨酸磷酸化，使其带正电荷减少，与减少，与DNA结合能力降低，组蛋白中丝氨酸结合能力降低，组蛋白中丝氨酸和精氨酸的乙酰化，同样使组蛋白带正电荷减和精氨酸的乙酰化，同样使组蛋白带正电荷减少，与少，与DNA结合力减弱，从而有利于转录。结合力减弱，从而有利于转录。特定的非组蛋白可以与组蛋白竞争性地特定的非组蛋白可以与组蛋白竞争性地与与DNA结合，解除组蛋白对基因表达的抑结合，解除组蛋白对基因表达的抑制作用。目前已知的许多结合于制作用。目前已知的许多结合于DNA的非的非组蛋白为反式作用因子。组蛋白为反式作用因子。
36、转录活性高的基因都位于结构较松散的转录活性高的基因都位于结构较松散的常染色质中，而不具有转录活性的基因都常染色质中，而不具有转录活性的基因都位于结构紧密的异染色质中。位于结构紧密的异染色质中。二、转录水平的调控二、转录水平的调控（一）转录起始复合物的形成（一）转录起始复合物的形成转录水平的调控是真核生物基因表达调转录水平的调控是真核生物基因表达调控中最重要环节。调控作用主要是通过反控中最重要环节。调控作用主要是通过反式作用因子、顺式作用元件和式作用因子、顺式作用元件和RNA聚合酶聚合酶的相互作用来完成的。的相互作用来完成的。反式作用因子通过结合顺式作用元件影反式作用因子通过结合顺式作用元件影响
37、转录起始复合物的形成。响转录起始复合物的形成。TATA因子（或称因子（或称TFD）结合）结合TATA盒，盒，并与其它转录因子一起辅助并与其它转录因子一起辅助RNA pol与与启动子结合，形成稳定的转录复合物。启动子结合，形成稳定的转录复合物。反式作用因子的作用主要是促进或抑制反式作用因子的作用主要是促进或抑制形成转录起始复合物的各步反应。形成转录起始复合物的各步反应。TATA盒一致性序列位于转录起始点上游盒一致性序列位于转录起始点上游 2530 bp处。处。T82A97T93A85（A or T）100A83（A or T）83转录起始复合物的形成：转录起始复合物的形成：T82A97T93A8
38、5（A or T）100A83（A or T）83 效率效率?HEA TBPBFJ（二）反式作用因子（二）反式作用因子1反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor）真核细胞内含有大量的序列特异性的真核细胞内含有大量的序列特异性的DNA结合蛋结合蛋白，其中一些蛋白的主要功能是使基因开放或关闭白，其中一些蛋白的主要功能是使基因开放或关闭，称为反式作用因子。，称为反式作用因子。反式作用因子识别特定的反式作用因子识别特定的DNA序列（通常序列（通常815个个核苷酸），与核苷酸），与DNA结合后，可以促进（正调控）或结合后，可以促进（正调控）或抑制（负调控）一个邻近基因的转录。抑
39、制（负调控）一个邻近基因的转录。2反式作用因子的主要特点反式作用因子的主要特点 一般具有三个功能结构域一般具有三个功能结构域:DNA识别结合识别结合域，转录活性域，结合其他蛋白的结合域。域，转录活性域，结合其他蛋白的结合域。能识别并结合上游调控区中的顺式作用能识别并结合上游调控区中的顺式作用元件。元件。对基因表达有正性和负性调控作用，即对基因表达有正性和负性调控作用，即激活和阻遏基因的表达。激活和阻遏基因的表达。3.反式作用因子结构域的模式反式作用因子结构域的模式（1）DNA结合域（结合域（DNA-binding domain）1）锌指结构）锌指结构 2）同源结构域）同源结构域 3）亮氨酸拉链
40、结构）亮氨酸拉链结构 4）螺旋）螺旋-环环-螺旋结构螺旋结构 5）碱性）碱性-螺旋螺旋1）锌指结构（）锌指结构（zinc finger motif）是指是指DNA结合域中含有较多半胱氨酸和组氨结合域中含有较多半胱氨酸和组氨酸的区域，借肽链的弯曲使酸的区域，借肽链的弯曲使 2 个个 Cys和和 2 个个 His 或或4 个个 Cys 与一个与一个 Zn+络合成的指状结构。络合成的指状结构。ZnCysHis123表示锌离子表示锌离子2）同源结构域（）同源结构域（homodomain，HD）许多反式作用因子的许多反式作用因子的DNA结合域中有一结合域中有一段相同的保守序列，是段相同的保守序列，是60
41、个左右氨基酸组成个左右氨基酸组成的螺旋回折螺旋（的螺旋回折螺旋（helix-turn-helix,HTH）结构的区域，称为同源结构域（简称同源）结构的区域，称为同源结构域（简称同源域）。域）。常结合常结合CAAT盒盒 螺旋螺旋 3 结合结合DNA的大沟，的大沟，1 和和 2 位于双螺位于双螺旋之外，旋之外，螺旋螺旋 3 可接触磷酸骨架和特定的碱基。可接触磷酸骨架和特定的碱基。N端臂可进入小沟，与碱基接触。端臂可进入小沟，与碱基接触。3）亮氨酸拉链结构）亮氨酸拉链结构 是是DNA结合域中一段约结合域中一段约 30 个氨基酸组成的核个氨基酸组成的核心序列，心序列，N-端富含碱性氨基酸端富含碱性氨基
42、酸，形成，形成DNA结合面结合面;另一侧每另一侧每隔隔 6 个氨基酸个氨基酸残基出现残基出现 1 个亮氨酸个亮氨酸残基，残基，称为亮氨酸拉链区。称为亮氨酸拉链区。两个具有亮氨酸拉链区的反式作用因子以疏水力两个具有亮氨酸拉链区的反式作用因子以疏水力相互作用形成亮氨酸拉链（相互作用形成亮氨酸拉链（leucine zipperleucine zipper）。）。是含是含100200个氨个氨基酸残基的肽段，有基酸残基的肽段，有两个两个-螺旋区域，附近螺旋区域，附近有一段富含碱性氨基有一段富含碱性氨基酸区域，螺旋区是形酸区域，螺旋区是形成二聚体所必需的，成二聚体所必需的，碱性氨基酸区对结合碱性氨基酸区对
43、结合DNA是必需的。是必需的。4）螺旋）螺旋-环环-螺旋结构（螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）5）碱性）碱性-螺旋螺旋 转录复制因子转录复制因子CTF/NF-1的的DNA结结合区域具有合区域具有-螺旋结构，并含有高密度螺旋结构，并含有高密度的碱性氨基酸，但无锌指结构、同源结的碱性氨基酸，但无锌指结构、同源结构域及亮氨酸拉链结构。构域及亮氨酸拉链结构。6）片层和环结构中特殊氨基酸也可识）片层和环结构中特殊氨基酸也可识别别DNA大沟表面的特殊序列。大沟表面的特殊序列。（2）转录活化结构域转录活化结构域 （transcriptional activation domain）1）酸
44、性酸性-螺旋螺旋结构域结构域 （acidic-helix domain）其结构特点是含有较多的负电荷，并能形其结构特点是含有较多的负电荷，并能形成亲脂性成亲脂性-螺旋。螺旋。2）富含谷氨酰胺富含谷氨酰胺结构域结构域 （glutamine-rich domain）3）富含脯氨酸富含脯氨酸结构域结构域 （proline-rich domain）（三）转录起始的调控（三）转录起始的调控真核基因表达的转录水平的调控机制涉真核基因表达的转录水平的调控机制涉及反式作用因子的激活以及反式作用因子及反式作用因子的激活以及反式作用因子的作用。的作用。1反式作用因子的活性调节反式作用因子的活性调节 （1）表达式调
45、节）表达式调节（2）共价修饰）共价修饰（3）配体结合）配体结合（4）蛋白质与蛋白质相互作用）蛋白质与蛋白质相互作用2反式作用因子与顺式元件的结合反式作用因子与顺式元件的结合3反式作用因子的作用方式反式作用因子的作用方式（1）成环（）成环（looping）反式作用因子结合于增强子后，利用反式作用因子结合于增强子后，利用DNA的的柔曲性，弯曲成环，与柔曲性，弯曲成环，与RNA聚合酶结合位点靠聚合酶结合位点靠近而发挥作用。近而发挥作用。（2）扭曲（）扭曲（twisting）使使DNA构型改变而发挥作用。构型改变而发挥作用。（3）滑动（）滑动（sliding）反式作用因子结合到特异的位点上，然后反式作
46、用因子结合到特异的位点上，然后沿沿DNA滑动到另一特异的序列发挥作用。滑动到另一特异的序列发挥作用。（4）Oozing一种反式作用因子与顺式作用元件结合一种反式作用因子与顺式作用元件结合，促进另一种反式作用因子与邻近的顺式，促进另一种反式作用因子与邻近的顺式作用元件结合，后者又促进下一个反式作作用元件结合，后者又促进下一个反式作用因子与其顺式作用元件的结合，直到基用因子与其顺式作用元件的结合，直到基因的转录起始点，进而影响基因的转录。因的转录起始点，进而影响基因的转录。4反式作用因子的组合式调控作用反式作用因子的组合式调控作用反式作用因子结合顺式元件后，可激反式作用因子结合顺式元件后，可激活转
47、录，也可抑制转录。活转录，也可抑制转录。反式作用因子对基因表达的调控不是反式作用因子对基因表达的调控不是由单一因子完成的，而是几种因子组合由单一因子完成的，而是几种因子组合，发挥特定的作用，称为组合式基因调，发挥特定的作用，称为组合式基因调控（控（conbinatorial gene regulation）。）。三、转录后水平的调控三、转录后水平的调控（一）（一）5端加帽和端加帽和3 端多聚腺苷酸化端多聚腺苷酸化 的调控意义的调控意义 加帽和加帽和 poly(A)尾不是尾不是mRNA稳定的唯稳定的唯一因素，但是十分重要的因素。这两个因一因素，但是十分重要的因素。这两个因素至少保证素至少保证mR
48、NA在转录过程中不被降解在转录过程中不被降解。核糖体在核内组装，核糖体在核内组装，rRNA受到蛋白受到蛋白质的保护而不被降解。质的保护而不被降解。tRNA在合成后，形成特殊的空间结构在合成后，形成特殊的空间结构，可抵抗降解。，可抵抗降解。mRNA如果没有如果没有5帽和帽和3poly(A)尾，尾，在合成过程中就会被迅速降解。在合成过程中就会被迅速降解。（二）（二）mRNA的选择剪接对基因表达的调的选择剪接对基因表达的调控作用控作用 1mRNA的选择剪接的选择剪接 真核细胞前体真核细胞前体mRNA的剪接过程中，参加拼的剪接过程中，参加拼接的外显子可以不按其在基因组的线性分布次序接的外显子可以不按其
49、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留，即一个外拼接，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显子或内含子是否出现在成熟的mRNA中是可以中是可以选 择 的，这 种 剪 接 方 式 称 为 选 择 剪 接（选 择 的，这 种 剪 接 方 式 称 为 选 择 剪 接（alternative splicing）。）。structural gene and poly(A)signalsnRNP与与hnRNA结合成为并接体结合成为并接体（1）外显子选择（）外显子选择（optional exon）（2）内含子选择）内含子选择（optional intron）（3）
50、互斥外显子（）互斥外显子（mutually exclusive exon）（4）内部剪接位点（）内部剪接位点（internal splice site）2选择剪接对基因表达的调控作用选择剪接对基因表达的调控作用（1）Bax基因转录产物的选择剪接基因转录产物的选择剪接 Bax基因的编码产物是与细胞凋亡有关的分子基因的编码产物是与细胞凋亡有关的分子 Bax基因编码产生的蛋白质有几种（基因编码产生的蛋白质有几种（、等），结构略有差异，差异的产生来自于等），结构略有差异，差异的产生来自于mRNA的选择剪接。的选择剪接。alternative splicing of mRNA from bax gene
