1、基因表达与调控基因表达与调控08基因基因(gene):是一段是一段DNA分子，编码一种多肽链或分子，编码一种多肽链或RNA。基因组基因组(genome)：指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。或整套基因。1.几个重要的概念几个重要的概念2.基因表达的方式基因表达的方式 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：基本或组成性基本或组成性(constitutive expression)基因表达基因表达 某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为持续表达，通常被称为
2、管家基因管家基因(house-keeping gene)。无论表达水平高低，管家基因较少受环境无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多因素影响，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。数或几乎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组成区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性表达。性表达。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，这种基因称为激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因(inducible gene)
3、。可诱导基因在特定环境中表达增强的过可诱导基因在特定环境中表达增强的过程称为程称为诱导诱导(induction)如果基因对环境信号应答时被抑制，这种如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是基因是可阻遏基因可阻遏基因(repressible gene)可阻遏基因表达产物降低的过程称为可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏阻遏(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、因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为共同表达，即为协调表达协调表达(coordinate expression)。这种调节
4、称为这种调节称为协调调节协调调节(coordinate regulation)。3.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 生物体赖以生存的外环境是在不断变化的，为了生物体赖以生存的外环境是在不断变化的，为了生存，所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反生存，所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应，调节代谢，以适应环境变化。生物体适应环境、应，调节代谢，以适应环境变化。生物体适应环境、调节代谢的能力与蛋白质分子的生物学功能有关。调节代谢的能力与蛋白质分子的生物学功能有关。而蛋白质的水平又受基因表达的调控。而蛋白质的水平又受基因表达的调控
5、。维持个体发育与分化维持个体发育与分化 多细胞生物调节基因的表达除为适应环多细胞生物调节基因的表达除为适应环境外，还有维持组织器官分化、个体发育的境外，还有维持组织器官分化、个体发育的功能。功能。当某种基因缺陷或表达异常时，则会出当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器官的发育异常。现相应组织或器官的发育异常。二、原核生物基因表达的调节二、原核生物基因表达的调节1.操纵子模型操纵子模型 转录调节普遍采用操纵子模式，原核生物转录调节普遍采用操纵子模式，原核生物功能相关的基因往往串联地排列在一起，在一功能相关的基因往往串联地排列在一起，在一个共同的调控区的调节下，一起转录生成一个个共同的调
6、控区的调节下，一起转录生成一个多顺反子，最终表达产物是一些功能相关的酶多顺反子，最终表达产物是一些功能相关的酶或蛋白质，它们一起参与某种底物的代谢或某或蛋白质，它们一起参与某种底物的代谢或某种产物的合成。种产物的合成。Franois Jacob and Jacques Monod,was awarded the 1965 Nobel Prize for Physiology or Medicine for discoveries concerning regulatory activities in bacteria.操纵子操纵子(operon)(operon)的结构与功能的结构与功能Inhi
7、bitor genePS1S2S3启动子启动子结构基因结构基因1，2，3.O操纵基因操纵基因PromoterOperator geneStructure gene调控区调控区结构基因结构基因 操纵子操纵子表达表达阻阻遏蛋白遏蛋白 结合结合RNA聚合酶聚合酶 结合结合阻遏蛋白阻遏蛋白表达表达功能蛋白功能蛋白?I阻遏物（调节）基因阻遏物（调节）基因 在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白蛋白(activator)，激活蛋白结合与，激活蛋白结合与DNA的启动子及的启动子及RNA聚合酶后，转录才会进行。聚合酶后，转录才会进行。n 在正控诱导系统中在正控诱导
8、系统中，诱导物的存在使激活蛋白处，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。于活性状态，转录进行。n 在正控阻遏系统中在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。白处于非活性状态，转录不进行。2.2.关于正调控与负调控关于正调控与负调控 在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白蛋白(repressor)阻止结构基因转录。其作用部位阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。n 负控诱导系统负控诱导系统阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白不与
9、诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结蛋白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。构基因转录。n 负控阻遏系统负控阻遏系统阻遏蛋白与效应物结合时，结阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。构基因不转录。酶酶的的诱诱导导和和阻阻遏遏操操纵纵子子模模型型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因操纵基因启动基因启动基因调节基因调节基因结构基因结构基因
10、阻遏蛋白阻遏蛋白(有活性有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达结构基因不表达诱导物诱导物诱导物与阻遏蛋白结合诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达结构基因可以表达酶蛋白酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达结构基因可以表达阻遏蛋白阻遏蛋白(无活性无活性)酶蛋白酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达结构基因不表达代谢产物代谢产物 以乳糖操纵子为列介绍以乳糖操
11、纵子为列介绍 原核生物操纵子调控模式原核生物操纵子调控模式 乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构AYZOPI结构基因透酶 半乳糖苷酶调控区操纵序列启动序列CAP结合位点调节基因乙酰转移酶1.三个结构基因三个结构基因Z 基因：基因：编码编码-半乳糖苷酶（半乳糖苷酶（galactosidase），分解），分解乳糖成为半乳糖和葡萄糖乳糖成为半乳糖和葡萄糖Y 基因：基因：编码透过酶（编码透过酶（permease），使外界乳糖等透），使外界乳糖等透过大肠杆菌细胞壁进入细胞内。过大肠杆菌细胞壁进入细胞内。A 基因：基因：编码乙酰基转移酶（编码乙酰基转移酶（acetylase），能将乙酰），能将乙酰CoA上的乙
12、酰基转移到半乳糖上，形成乙酰半乳糖。上的乙酰基转移到半乳糖上，形成乙酰半乳糖。2.三个调节序列：三个调节序列：在结构基因的上游还有一个启动子（在结构基因的上游还有一个启动子（P）和）和一个操纵基因（一个操纵基因（O），在启动子上游还有一个分），在启动子上游还有一个分解（代谢）物基因激活蛋白（解（代谢）物基因激活蛋白（catabolite gene activation protein,CAP）或腺苷酸受体蛋白）或腺苷酸受体蛋白（cAMP receptor protein,CRP)结合位点，以结合位点，以及一个调节基因（及一个调节基因（I）（又称）（又称R基因），调节基基因），调节基因编码阻遏蛋
13、白。因编码阻遏蛋白。mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时3.乳糖操纵子的调节机制乳糖操纵子的调节机制阻遏基因阻遏基因I.阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖 实际上，别乳糖是实际上，别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物。操纵子转录的活性诱导物。人们发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能人们发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被被-半乳糖苷酶水解的半乳糖苷酶水解的-半乳糖苷异丙基硫代半乳半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（糖苷（isopropyl thio
14、galactoside：IPTG）起着）起着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以操纵子的一个诱导物的作用，所以IPTG常用于常用于诱导含有使用了诱导含有使用了lac启动子的质粒载体的细菌中的重启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。组蛋白的表达。II.II.CAPCAP的正性调节的正性调节AYZOPI无葡萄糖，cAMP浓度高时CAPcAMPRNA pol 有葡萄糖，cAMP浓度低时AYZOPIRNA polCAPIII.CAP的正性调节的正性调节:CAP蛋白是一个同二聚体，具有蛋白是一个同二聚体，具有DNA结合域结合域和和cAMP结合位点。当没有葡萄糖存在时，由于结合位点。当没有葡萄糖存在时
15、，由于cAMP的浓度受葡萄糖代谢的调节，的浓度受葡萄糖代谢的调节，cAMP浓度浓度表现为较高，这时表现为较高，这时cAMP与与CAP蛋白结合形成蛋白结合形成cAMPCAP复合物。此复合物可结合剂复合物。此复合物可结合剂lac启动启动基因上游附近的基因上游附近的CAP位点上，从而可增强转录达位点上，从而可增强转录达50倍之倍之多。多。当培养基中有葡萄糖存在时，当培养基中有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，浓度较低，cAMP与与CAP蛋白不能形成复合物，也就不能结蛋白不能形成复合物，也就不能结合到合到CAP位点，位点，lac基因的转录水平较低。基因的转录水平较低。由此可见，对由此可见，对lac操纵子
16、来说操纵子来说CAP是正性调是正性调节因素，节因素，lac阻遏蛋白是负性调节因素。阻遏蛋白是负性调节因素。葡萄糖降解物与葡萄糖降解物与cAMP的关系的关系葡萄糖葡萄糖分解代谢分解代谢产物产物腺苷酸环化腺苷酸环化酶酶磷酸二酯磷酸二酯酶酶ATPcAMP5-AMP抑制抑制激活激活乳糖操纵子调控方式的比较乳糖操纵子调控方式的比较负调控负调控正调控正调控调节蛋白调节蛋白 阻遏蛋白阻遏蛋白 CAP变构物变构物 别乳糖、乳糖别乳糖、乳糖 cAMP与变构物结合与变构物结合 无活性无活性 有活性有活性基因位点基因位点 O基因基因 CAP位点位点结合于基因位点结合于基因位点 基因关闭基因关闭 基因开放基因开放未未
17、结合于基因位点结合于基因位点 基因开放基因开放 基因关闭基因关闭不不与变构物结合与变构物结合 有活性有活性 无活性无活性IV.协调调节协调调节 当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能对该系统不能发挥作用；发挥作用；如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。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,细菌首细菌首先利用葡萄糖。先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac lac 操纵子的阻遏作用称
18、操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏分解代谢阻遏（catabolic repressioncatabolic repression）。）。OOOORNA pol无葡萄糖cAMP浓度高有葡萄糖cAMP浓度低有乳糖无乳糖RNA polRNA polRNA pol4.转录衰减作用（转录衰减作用（attenuationattenuation）是指转录可正常启动，但在转录进到第是指转录可正常启动，但在转录进到第一个结构基因前即突然停止的过程。由于一个结构基因前即突然停止的过程。由于这一终止作用并不能使正在进行的结构基这一终止作用并不能使正在进行的结构基因转录中途止，而仅是部分中途停止转录，因转录中途止，而仅是
19、部分中途停止转录，所以称为转录衰减。所以称为转录衰减。I.衰减子（衰减子（attenuator）在原核生物的在原核生物的Trp操纵子结构中，第一个结构操纵子结构中，第一个结构基因与启动子基因与启动子P之间有一个区域含之间有一个区域含 Trp密码子，称密码子，称为衰减子。当环境中为衰减子。当环境中 Trp浓度很高时，它可通过浓度很高时，它可通过编码并翻译成编码并翻译成Trp而终止而终止Trp操纵子的表达，这种操纵子的表达，这种转录衰减实质上是转录与一个前导肽翻译过程的转录衰减实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联，它是原核生物特有的一种基因调控机制。偶联，它是原核生物特有的一种基因调控机制。II
20、.大肠杆菌色氨酸操纵子的大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制衰减作用的可能机制111232233444核糖体核糖体核糖体核糖体转录继续转录继续转录终止转录终止C.高浓度色氨酸使核高浓度色氨酸使核糖体到达糖体到达2部位，部位，3与与4 碱基配对，转录碱基配对，转录终止。终止。A.游离游离mRNA中中1与与2以及以及3与与4碱基配对碱基配对。B.低浓度色氨酸使核低浓度色氨酸使核糖体停留在糖体停留在1部位，部位，转录得以完成。转录得以完成。Trp-codon7US5.5.生长速度的调控生长速度的调控 营养丰富，温度适宜时，细菌的生长速度营养丰富，温度适宜时，细菌的生长速度可以很快，在两个细胞尚未
21、分裂的情况下，新可以很快，在两个细胞尚未分裂的情况下，新一代的一代的DNA已经开始合成，大肠杆菌的倍增时已经开始合成，大肠杆菌的倍增时间为间为25分钟时，平均每个细胞的分钟时，平均每个细胞的DNA分子为分子为4.5个，核糖体的数目也很多。个，核糖体的数目也很多。当营养严重缺乏时，比如氨基酸饥饿时，当营养严重缺乏时，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一二种氨基酸，而是氨基酸的全面就不是缺少一二种氨基酸，而是氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种生一个应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物
22、化学反应过程肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。细菌进入严紧控制状态，这是在困均被停止。细菌进入严紧控制状态，这是在困难时期获得生存的策略，被称为严紧控制难时期获得生存的策略，被称为严紧控制（stringent control）。）。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的酸的tRNAtRNA，这种空载的，这种空载的tRNAtRNA会激活会激活焦磷酸转移酶焦磷酸转移酶，使，使ppGppppGpp（四磷酸鸟苷，魔斑（四磷酸鸟苷，魔斑I I，magic spot I)magic spot I)或或pppGpppppGpp（五磷酸鸟苷，魔
23、斑（五磷酸鸟苷，魔斑IIII，magic spot II)magic spot II)大大量合成，其浓度可增加量合成，其浓度可增加1010倍以上。倍以上。ppGppppGpp的出现会关的出现会关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因，闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因，以应付这种紧急状况。当环境中出现足够的氨基酸时，以应付这种紧急状况。当环境中出现足够的氨基酸时，pppGpppppGpp和和ppGppppGpp被迅速降解，被迅速降解，RNARNA和蛋白质的合成很快和蛋白质的合成很快恢复。恢复。四四(五）磷酸鸟苷是控制多种反应的效应分子，最五）磷酸鸟苷是控制多种反应的效应分子，最
24、显著的与显著的与RNARNA聚合酶结合降低聚合酶结合降低rRNArRNA的合成。的合成。ppGpp和和pppGpp的合成与作用的合成与作用6.6.基因表达的时序调控基因表达的时序调控 噬菌体基因表达的时序调控研究较深入，其噬菌体基因表达的时序调控研究较深入，其5 50 0个基因组成个基因组成4 4个操纵子个操纵子。n 阻遏蛋白操纵子阻遏蛋白操纵子n 左早期操纵子左早期操纵子n 右早期操纵子右早期操纵子n 晚期操纵子晚期操纵子 噬菌体的调节基因和转录产物噬菌体的调节基因和转录产物 c cI I、crocro、N N、Q Q以及以及c cIIII和和c cIIIIII为为调节基因调节基因。pLpL
25、和和pRpR为左右为左右启动子启动子；oLoL和和oRoR分左右分左右操操纵基因纵基因。nutLnutL和和nutRnutR为为N N蛋白结合位点蛋白结合位点；qutqut为为Q Q蛋白结合位点蛋白结合位点；tL1、tR1、tR2、tR3、tR4为左右中止子。为左右中止子。L1、L2、L3、R1、R2、R3、R4和和R5分别为左右操纵子的转录产物。分别为左右操纵子的转录产物。左向转录的为左向转录的为L L链，右向转录的为链，右向转录的为R R链，当链，当噬菌体侵入噬菌体侵入宿主细胞后，前早期宿主细胞后，前早期(crocro，N N）和后早期的基因首先表达，随和后早期的基因首先表达，随后，后，若
26、晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环若晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环，若合成阻遏蛋白，若合成阻遏蛋白，则进入溶原状态则进入溶原状态。右早期操纵子的调节基因右早期操纵子的调节基因crocro可抑制溶原型阻遏蛋白可抑制溶原型阻遏蛋白cIcI的的合成，使合成，使噬菌体进入裂解循环，噬菌体进入裂解循环，噬菌体对两个生活史的的选噬菌体对两个生活史的的选择取决于择取决于cIcI和和crocro的拮抗。的拮抗。紫外线和紫外线和4242度高温等可钝化度高温等可钝化cIcI，结，结果进入裂解循环。果进入裂解循环。左早期操纵子的调节基因左早期操纵子的调节基因N N的表达产物为抗终止子，使前的表达产物为抗终止子，使前
27、早期基因的转录越过终止信号进入后早期基因，后早期基因包早期基因的转录越过终止信号进入后早期基因，后早期基因包括左右早期操纵子的括左右早期操纵子的3 3个调节基因，个调节基因，c/cc/c与建立与建立溶原溶原状态的状态的阻遏蛋白的合成有关，阻遏蛋白的合成有关，Q Q调节基因的产物亦为抗终止子，使晚调节基因的产物亦为抗终止子，使晚期基因表达，期基因表达，噬菌体进入裂解循环。噬菌体进入裂解循环。7.7.翻译水平的调节和反义翻译水平的调节和反义RNARNA 翻译水平的调节的调节包括：不同翻译水平的调节的调节包括：不同mRNA的翻译能力的翻译能力差异、翻译的阻遏和反义差异、翻译的阻遏和反义RNA的调节的
28、调节 某些某些RNA分子也可调节基因表达分子也可调节基因表达,这种这种RNA称为调节称为调节RNA.细菌中有种称为反义细菌中有种称为反义RNA的调节的调节RNA,含有与特定含有与特定 mRNA 翻译起始部位互补的序列翻译起始部位互补的序列,通过与通过与mRNA杂交阻断杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合序列的结合,抑制翻抑制翻译起始译起始,这类这类RNA又称作干扰又称作干扰mRNA的互补的互补RNA(mRNA interfering complementary RNA,micRNA),这种调节称这种调节称为反义控制为反义控制(antisense
29、control)。Mizuno Mizuno等发现在等发现在E.coliE.coli中有两个膜蛋白质中有两个膜蛋白质OmpFOmpF、OmpCOmpC，当渗透压高时，当渗透压高时，F F低而低而C C高。两个基因受高。两个基因受OmpROmpR调调节，（与渗透压感受有关）发现一种小分子节，（与渗透压感受有关）发现一种小分子RNARNA，micRNAmicRNA，大约，大约174174核苷酸，可与核苷酸，可与OmpFOmpF的的mRNAmRNA的的5 5端互端互补，直接干扰模板的翻译能力，抑制后者的翻译。补，直接干扰模板的翻译能力，抑制后者的翻译。EnvZ(感受器)细胞膜 OmpC 活化 (高压
30、)O Om mp pR R(正调控因子)micF 10 35 10 35 OmpC MicF OmpF 174b RNA mRNA interfering complementary RNA (底压时)OmpF 图16-在E.coli中通过反义RNA来调控膜蛋白的合成 三三.真核基因表达调节真核基因表达调节一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点真真核基因组结构庞大，染色体结构核基因组结构庞大，染色体结构 具有多个复制起点具有多个复制起点.单顺反子单顺反子 含有大量重复序列含有大量重复序列 基因不连续性，内含子，外显子基因不连续性，内含子，外显子 非编码区较多（占非编码区较多（占80809
31、090）转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行 转录后修饰加工转录后修饰加工1、真核基因组结构特点、真核基因组结构特点 真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没有特定生物学功能的大部分是没有特定生物学功能的DNADNA片段，可占整个片段，可占整个基因组基因组DNADNA的的90%90%。根据重复频率可将其分为高度重。根据重复频率可将其分为高度重复序列、中度重复序列和单拷贝序列。复序列、中度重复序列和单拷贝序列。单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列高度重复序列（10 次次）6中度重复序列中度重复序列（10 10 次次）4
32、 3多拷贝序列多拷贝序列关于关于C C值悖理（值悖理（C value paradox)C value paradox)生物体的单倍体基因组所含生物体的单倍体基因组所含DNADNA总量称为总量称为C C值值。生物进化总体趋势是生物进化总体趋势是C C值不断增加。值不断增加。但生物基因组的大小同生物在进化上所处地位并不完全比例增加，如鱼类和两栖类但生物基因组的大小同生物在进化上所处地位并不完全比例增加，如鱼类和两栖类的的C C值远远高于哺乳类，这种现象称为值远远高于哺乳类，这种现象称为C C值悖理。值悖理。2.真核基因表达调节真核基因表达调节DNA转录初产物转录初产物RNAmRNA蛋白质前体蛋白质
33、前体mRNA降解物降解物活性蛋白质活性蛋白质1.转录前转录前调节调节2.转录调节转录调节3.转录后加转录后加工的调节工的调节5.翻译调节翻译调节6.mRNA降解降解调节调节7.翻译后加翻译后加工的调节工的调节核核细胞质细胞质4.转运调节转运调节真核基因表达调控的七个水平真核基因表达调控的七个水平u 转录转录前前水平调节水平调节1 1）染色体丢失染色体丢失2 2）基因扩增基因扩增3 3）基因重排基因重排4 4）DNADNA的修饰和异染色质化的修饰和异染色质化u 转录转录活性的活性的调节调节 1 1）染色体质的活化）染色体质的活化 对核酸酶敏感对核酸酶敏感,活化的染色质活化的染色质DNADNA会出
34、现一些会出现一些DNase IDNase I超敏位点，常出现在调节蛋白结合位点超敏位点，常出现在调节蛋白结合位点附近。附近。在真核在真核DNADNA有约有约5%5%的胞嘧啶被甲基化为的胞嘧啶被甲基化为5 5甲甲基胞嘧啶，这种甲基化最常发生在某些基因基胞嘧啶，这种甲基化最常发生在某些基因5 5 侧翼区的侧翼区的GpGGpG序列序列-CpG-CpG岛。岛。DNADNA甲基化与基因的甲基化与基因的表达呈反比关系，管家基因富含表达呈反比关系，管家基因富含CpGCpG岛，不被甲岛，不被甲基化。基化。顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element):(cis-acting element)
35、:指在基因调控区域中不需要通过其编码产物指在基因调控区域中不需要通过其编码产物而直接控制基因表达的而直接控制基因表达的DNADNA片段，如片段，如:启动子、启动子、增强子、沉默子、绝缘子。增强子、沉默子、绝缘子。启动子：启动子：RNARNA聚合酶结合位点周围的一聚合酶结合位点周围的一 组转录控制组件，一个转录起始点有一个以组转录控制组件，一个转录起始点有一个以 上功能组件，上功能组件，TATATATA、CAATCAAT、GCGC框等，框等，CAATCAAT、GCGC框属上游控制元件，框属上游控制元件，决定基因表达的基础决定基因表达的基础 水平水平。对于可诱导基因，还有对细胞内外信对于可诱导基因
36、，还有对细胞内外信 号作出反应的应答元件（号作出反应的应答元件（response element)2 2）启动子和增强子的顺式作用元件）启动子和增强子的顺式作用元件 增强子增强子(enhancer)enhancer)：远离转录起始点、：远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达、增强决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的启动子转录活性的DNADNA序列。通过启动子起序列。通过启动子起作用，与距离无关，无方向性，具有组织作用，与距离无关，无方向性，具有组织特异性。特异性。沉默子沉默子(silencer)(silencer)：负性调节元件，：负性调节元件，是负调节蛋白的结合位点。
37、是负调节蛋白的结合位点。绝缘子绝缘子（insulatorinsulator）：阻止激活或阻）：阻止激活或阻遏作用在染色体上的传递，使染色体活性遏作用在染色体上的传递，使染色体活性限定在结构域之内。限定在结构域之内。3 3）调节转录的反式作用因子）调节转录的反式作用因子 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor):(trans-acting factor):和调控序列相结合或间接影响其作用的蛋白和调控序列相结合或间接影响其作用的蛋白质因子质因子,统称反式因子。统称反式因子。可分为：可分为：基本基本(通用）转录因子通用）转录因子(basal transcription(ba
38、sal transcriptionfactor):factor):与与RNA PolRNA Pol一起形成转录起始复合物。一起形成转录起始复合物。上游因子上游因子（upstream factor)upstream factor)：结合在启动：结合在启动子和增强子的上游结合位点。子和增强子的上游结合位点。可诱导因子可诱导因子（inducible factor)inducible factor)：与应答元：与应答元件相互作用。件相互作用。有些因子活性受修饰控制，如磷酸化激活。有些因子活性受修饰控制，如磷酸化激活。反式作用因子的结构反式作用因子的结构 DNADNA结合结构域结合结构域 转录激活域转录
39、激活域 蛋白质蛋白质结合域（二聚化结构域）蛋白质蛋白质结合域（二聚化结构域）DNADNA结合结构域有共同的结构特征结合结构域有共同的结构特征 1 1）螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋(Helix-turn-helix,HTH(Helix-turn-helix,HTH）。）。最常见最常见DNADNA结合域之一，结合域之一，螺旋识别、进入螺旋识别、进入 DNADNA双螺旋结构的大沟。双螺旋结构的大沟。2)2)锌指锌指（Zinc-fingerZinc-finger）:每个约有每个约有3030个个AAAA残基，其中残基，其中4 4个个AAAA残基（残基（2 2个个CysCys，2 2个个HisHis或或4
40、 4个个CysCys）配位键配位键 ZnZn2+2+锌指锌指与与DNADNA双螺旋大沟结合。双螺旋大沟结合。123456789蛋白质蛋白质3)3)亮氨酸拉链亮氨酸拉链(Leucine-zippers):(Leucine-zippers):一段肽链中每隔一段肽链中每隔7 7个个AAAA即有一个即有一个Leu Leu 螺旋。亲水面：亲水螺旋。亲水面：亲水AAAA组成，组成，疏水面：疏水面：LeuLeu组成（亮氨酸拉链条）。可形成二聚体组成（亮氨酸拉链条）。可形成二聚体（发挥作用）。同二聚体（发挥作用）。同二聚体/异二聚体）。异二聚体）。DNADNA的结合域：的结合域：拉链区以外结构（碱性氨基酸），
41、磷酸化可增加其活性。拉链区以外结构（碱性氨基酸），磷酸化可增加其活性。4)4)螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋 (helix-loop-helix,HLH):-(helix-loop-helix,HLH):-螺螺旋有兼性旋有兼性,形成二聚体形成二聚体,有利于其与有利于其与DNADNA结合，结合，N N末端末端碱性氨基酸与碱性氨基酸与DNADNA结合。结合。二聚体二聚体螺旋螺旋螺旋螺旋环环Ca2+Ehelix FhelixEF5)EF5)EF手基序手基序(EF-hand)(EF-hand)q 转录后水平的调节转录后水平的调节 (mRNA(mRNA的加工）的加工）q 翻译水平调节翻译水平调节 主要是控制主
42、要是控制mRNAmRNA的稳定性和的稳定性和 有选择的翻译有选择的翻译q 翻译后水平调节翻译后水平调节 蛋白质的加工与修饰蛋白质的加工与修饰 原核与真核基因表达调控特点比较原核与真核基因表达调控特点比较 原核基因转录调节特点原核基因转录调节特点 真核基因表达调控特点真核基因表达调控特点 一种一种RNA-pol,决定决定 三种三种RNA-pol 识别特异性识别特异性 操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性 活性染色体结构发生变化活性染色体结构发生变化 阻遏蛋白与阻遏机阻遏蛋白与阻遏机 正性调节占主导正性调节占主导 制的普遍性制的普遍性 转录与翻译相偶连转录与翻译相偶连 转录与翻译分割进行转录与翻译分割进行 转录后修饰加工简单转录后修饰加工简单 转录后修饰加工复杂转录后修饰加工复杂68 结束语结束语
