1、Ch6.regulation of gene expression 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工調(diào)節(jié) mRNA在運(yùn)輸過(guò)程中在運(yùn)輸過(guò)程中 的調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié) 翻譯調(diào)節(jié)翻譯調(diào)節(jié) mRNA降解的調(diào)節(jié)降解的調(diào)節(jié)第一節(jié)第一節(jié) 真核基因的表達(dá)調(diào)控真核基因的表達(dá)調(diào)控 一、真核生物的表達(dá)調(diào)控一、真核生物的表達(dá)調(diào)控 復(fù)雜性復(fù)雜性同一物種（個(gè)體），在不同發(fā)育時(shí)期，基因同一物種（個(gè)體），在不同發(fā)育時(shí)期，基因表達(dá)的種類和數(shù)量不同；表達(dá)的種類和數(shù)量不同； 同一基因，在不同組織、器官，基因表達(dá)的同一基因，在不同組織、器官，基因表達(dá)的種類和數(shù)量不同。種類和數(shù)量不同。 主要調(diào)控方式仍然是轉(zhuǎn)錄水平的

2、調(diào)控。主要調(diào)控方式仍然是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控。 DNA的結(jié)構(gòu)；的結(jié)構(gòu)； 蛋白因子；蛋白因子； RNA分子；分子； 翻譯后蛋白質(zhì)的修飾翻譯后蛋白質(zhì)的修飾 DNA的結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控的結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控 DNA是遺傳信息的載體，具有高度的穩(wěn)定是遺傳信息的載體，具有高度的穩(wěn)定性，但性，但DNA在生物體內(nèi)并不是一個(gè)僵硬的分子，在生物體內(nèi)并不是一個(gè)僵硬的分子，而會(huì)根據(jù)需要，在某些因素的影響下發(fā)生構(gòu)象的而會(huì)根據(jù)需要，在某些因素的影響下發(fā)生構(gòu)象的改變。改變。 一、一、 DNA的立體結(jié)構(gòu)對(duì)表達(dá)的調(diào)控的立體結(jié)構(gòu)對(duì)表達(dá)的調(diào)控 超螺旋超螺旋：體外實(shí)驗(yàn)表明，只有把：體外實(shí)驗(yàn)表明，只有把DNA卷成超螺卷成超螺 旋，才能進(jìn)

3、行復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。旋，才能進(jìn)行復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。 “超螺旋開(kāi)放假說(shuō)超螺旋開(kāi)放假說(shuō)”DNA的超螺旋度的超螺旋度對(duì)基因表達(dá)至關(guān)重要，在任何細(xì)胞中，凡需表達(dá)對(duì)基因表達(dá)至關(guān)重要，在任何細(xì)胞中，凡需表達(dá)的基因，其超螺旋度恰好符合該的基因，其超螺旋度恰好符合該DNA解鏈的要解鏈的要求，利于求，利于RNA聚合酶與之結(jié)合并進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。聚合酶與之結(jié)合并進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。 超螺旋度決定基因是否表達(dá)超螺旋度決定基因是否表達(dá) DNA的構(gòu)象的構(gòu)象 Z-DNA增強(qiáng)子增強(qiáng)子2.基因的擴(kuò)增、重組及修飾對(duì)表達(dá)的影響基因的擴(kuò)增、重組及修飾對(duì)表達(dá)的影響 基因擴(kuò)增基因擴(kuò)增重復(fù)性重復(fù)性 個(gè)體發(fā)育的某一階段或在細(xì)胞分化過(guò)程中，個(gè)體發(fā)育的某一階段或在細(xì)胞分化

4、過(guò)程中，作為細(xì)胞急需積累某種或某些蛋白的一種手段。作為細(xì)胞急需積累某種或某些蛋白的一種手段。 基因重組基因重組 在一級(jí)結(jié)構(gòu)水平上改變基因的排列，使基在一級(jí)結(jié)構(gòu)水平上改變基因的排列，使基因表達(dá)增強(qiáng)或減弱。因表達(dá)增強(qiáng)或減弱。 轉(zhuǎn)位因子轉(zhuǎn)位因子引起的基因重組引起的基因重組 轉(zhuǎn)位因子中帶有啟動(dòng)子序列或終止信號(hào)，轉(zhuǎn)位因子中帶有啟動(dòng)子序列或終止信號(hào)，使鄰近基因轉(zhuǎn)錄；使鄰近基因轉(zhuǎn)錄； 轉(zhuǎn)位后，受體表現(xiàn)新的性狀，如抗性基因轉(zhuǎn)位后，受體表現(xiàn)新的性狀，如抗性基因的傳播；的傳播； 轉(zhuǎn)位因子是一個(gè)具有表達(dá)潛能的沉默基因；轉(zhuǎn)位因子是一個(gè)具有表達(dá)潛能的沉默基因； 改變基因的閱讀框架或改變基因的連續(xù)性。改變基因的閱讀框架或

5、改變基因的連續(xù)性。堿基修飾（甲基化）堿基修飾（甲基化） GC順序的甲基化能抑制基因表達(dá)；順序的甲基化能抑制基因表達(dá)； 成年珠蛋白基因在網(wǎng)織紅細(xì)胞中低甲基化，成年珠蛋白基因在網(wǎng)織紅細(xì)胞中低甲基化，在其他細(xì)胞中高甲基化；胚胎型珠蛋白基因在胎在其他細(xì)胞中高甲基化；胚胎型珠蛋白基因在胎肝中低甲基化，在其他組織中高甲基化。肝中低甲基化，在其他組織中高甲基化。 C5m利于利于Z-DNA的穩(wěn)定。的穩(wěn)定。3. 調(diào)控序列（順式調(diào)控元件）調(diào)控序列（順式調(diào)控元件） 啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等 順式作用元件與反式作用因子順式作用元件與反式作用因子(轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子) 轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征 螺旋螺

6、旋-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)螺旋結(jié)構(gòu)(helix-turn-helix) 鋅指結(jié)構(gòu)鋅指結(jié)構(gòu)(zinc finger) 亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)(leucine zipper)The helix-turn-helix motifHelix-turn-helix motif與DNA結(jié)合(識(shí)別螺旋在DNA大溝中)螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋螺旋-環(huán)-螺旋鋅指結(jié)構(gòu)鋅指結(jié)構(gòu)Zinc finger transcription factorsHisHisCysZnCysZnCysCysHisHisA C2H2 zinc fingerThe estrogen receptorA C4 + C5 zinc finger pa

7、irZnCysCysCysCysCysZnCysCysCysCysC4 + C5transactivationhormone binding, dimerization and transactivationDNA binding domainNTFIIIA鋅指與5S DNA結(jié)合模型亮氨酸拉鏈模型及它在轉(zhuǎn)錄因子兩個(gè)分子二聚體化中的作用二聚體化轉(zhuǎn)錄因子C/EBP的亮氨酸拉鏈和DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)模型 蛋白因子與基因表達(dá)調(diào)控蛋白因子與基因表達(dá)調(diào)控 1. 蛋白激酶和核內(nèi)蛋白磷酸化蛋白激酶和核內(nèi)蛋白磷酸化 磷酸化磷酸化去磷酸化，使酶活性改變；去磷酸化，使酶活性改變； 2. 特異性特異性DNA結(jié)合蛋白

8、結(jié)合蛋白 轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子 ( TF A、B )； 3. snRNP 核內(nèi)小分子核糖核蛋白；核內(nèi)小分子核糖核蛋白； 4. 激素激素 形成激素形成激素受體復(fù)合物，與受體復(fù)合物，與DNA特定位點(diǎn)結(jié)特定位點(diǎn)結(jié)合，影響基因表達(dá)。合，影響基因表達(dá)。 RNA在基因表達(dá)調(diào)控中的作用在基因表達(dá)調(diào)控中的作用 RNA參與蛋白質(zhì)生物合成（參與蛋白質(zhì)生物合成（tRNA 、 rRNA、mRNA），），是連接是連接DNA和蛋白質(zhì)的橋梁，是信息和蛋白質(zhì)的橋梁，是信息的傳遞者。研究表明，的傳遞者。研究表明，RNA是一個(gè)種類繁多，功是一個(gè)種類繁多，功能廣泛的復(fù)雜大分子體系，與其它大分子（能廣泛的復(fù)雜大分子體系，與其它大分子（D

9、NA、蛋白質(zhì)、多糖）共同完成生物的各種功能。如參蛋白質(zhì)、多糖）共同完成生物的各種功能。如參與與mRNA的成熟、促進(jìn)蛋白的分泌運(yùn)輸?shù)取５某墒臁⒋龠M(jìn)蛋白的分泌運(yùn)輸?shù)取?對(duì)轉(zhuǎn)錄的影響對(duì)轉(zhuǎn)錄的影響 snRNA提高轉(zhuǎn)錄的模板活性；提高轉(zhuǎn)錄的模板活性； 與與DNA結(jié)合，影響轉(zhuǎn)錄和結(jié)合，影響轉(zhuǎn)錄和DNA復(fù)制（端粒酶）復(fù)制（端粒酶） mRNA的不同剪接方式的不同剪接方式不同蛋白質(zhì)不同蛋白質(zhì) 翻譯后蛋白質(zhì)修飾在基因表達(dá)中的作用翻譯后蛋白質(zhì)修飾在基因表達(dá)中的作用 蛋白以前體形式存在，經(jīng)蛋白酶水解成為有蛋白以前體形式存在，經(jīng)蛋白酶水解成為有活性的肽；活性的肽； 翻譯后進(jìn)行某些氨基酸的修飾：羥基化、乙酰翻譯后進(jìn)行某些

10、氨基酸的修飾：羥基化、乙酰化、磷酸化、糖基化等化、磷酸化、糖基化等擴(kuò)大生物對(duì)環(huán)境的適擴(kuò)大生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。應(yīng)性。第二節(jié) 原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié) 一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn) (一) 因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性 (二) 操縱子模型的普遍性 操縱子一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位 (三) 阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性 Lac operon和它的調(diào)節(jié)基因圖譜和它的調(diào)節(jié)基因圖譜Lac operon阻遏與誘導(dǎo)狀態(tài)圖解乳糖操縱子乳糖操縱子誘導(dǎo)型誘導(dǎo)型二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制 （一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu) 誘導(dǎo)型操縱子誘導(dǎo)型操縱子 P- RNA酶結(jié)合的酶結(jié)合的DNA序列序列 -10區(qū)區(qū)TATAAT

11、和和-35區(qū)區(qū)TTGACA, 強(qiáng)啟動(dòng)子強(qiáng)啟動(dòng)子 O- 結(jié)合阻遏物結(jié)合阻遏物,是是RNA酶能否通過(guò)的開(kāi)關(guān)酶能否通過(guò)的開(kāi)關(guān)POZYA結(jié)構(gòu)基因阻遏物基因啟動(dòng)子操縱基因產(chǎn)生阻遏蛋白R(shí)NA酶結(jié)合結(jié)合阻遏物ICAPPOTTTACA -35區(qū)TATGTT -10區(qū)CAP位點(diǎn)5-ATTAAT GTGAGTTAGCTCACTCATTAGG-3R基因（二）、阻遏蛋白的（二）、阻遏蛋白的負(fù)性負(fù)性調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 無(wú)乳糖無(wú)乳糖 lac操縱子處于阻遏狀態(tài)操縱子處于阻遏狀態(tài) 有乳糖有乳糖 lac操縱子即可被誘導(dǎo)操縱子即可被誘導(dǎo) 誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)劑 半乳糖半乳糖 IPTG（三）（三）CAP的的正性正性調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) CAP分解代謝基因激活蛋白

12、分解代謝基因激活蛋白 同二聚體同二聚體 DNA結(jié)合區(qū)結(jié)合區(qū) cAMP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn)CAP二聚體結(jié)構(gòu)CAP、RNA聚合酶、Repressor與模板DNA結(jié)合簡(jiǎn)圖 乳糖操縱子的調(diào)控方式乳糖操縱子的調(diào)控方式i基因POLac ZLac Ylac A無(wú)誘導(dǎo)物時(shí)阻遏物蛋白亞基 阻遏蛋白R(shí)NA聚合酶i基因基因POLac ZLac Ylac A有誘導(dǎo)物時(shí)有誘導(dǎo)物時(shí)阻遏物阻遏物蛋白亞基蛋白亞基阻遏蛋白阻遏蛋白誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物無(wú)活性的無(wú)活性的阻遏蛋白阻遏蛋白轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯-半乳糖苷酶半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶mRNACAP cAMPCAP-cAMP（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

13、（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)負(fù)性調(diào)節(jié)與正性調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)合作負(fù)性調(diào)節(jié)與正性調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)合作阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP不發(fā)揮作用不發(fā)揮作用如沒(méi)有如沒(méi)有CAP加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，即使阻遏蛋白從加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，即使阻遏蛋白從P上上解聚仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性解聚仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性葡萄糖葡萄糖/ /乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖萄糖葡萄糖可降低葡萄糖可降低cAMP濃度，阻礙其與濃度，阻礙其與CAP結(jié)結(jié)合從而抑制轉(zhuǎn)錄合從而抑制轉(zhuǎn)錄結(jié)論：結(jié)論：lac操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖糖又需缺乏葡萄糖-35-100CAPcAMPORNA聚合酶結(jié)合無(wú)葡萄糖:有葡萄糖:cAMPcA

14、MP(促進(jìn)轉(zhuǎn)錄)(不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄)三、其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制（一）（一） 轉(zhuǎn)錄衰減轉(zhuǎn)錄衰減 trp操縱子操縱子阻遏型操縱子阻遏型操縱子 有有trp時(shí)時(shí)trp結(jié)合阻遏蛋白結(jié)合阻遏蛋白Trp時(shí)阻斷轉(zhuǎn)錄時(shí)阻斷轉(zhuǎn)錄 RNA聚合酶聚合酶輔阻遏蛋白輔阻遏蛋白OPR基因基因EDCBA+色氨酸色氨酸 無(wú)色氨酸無(wú)色氨酸操縱子基因開(kāi)始轉(zhuǎn)錄，此后操縱子基因開(kāi)始轉(zhuǎn)錄，此后轉(zhuǎn)錄速率受轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄速率受轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制衰減機(jī)制調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 結(jié)構(gòu)基因與結(jié)構(gòu)基因與 P 之間有一衰減子區(qū)域之間有一衰減子區(qū)域 前導(dǎo)肽轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián)前導(dǎo)肽轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián) 衰減子衰減子不依賴不依賴因子的終止結(jié)構(gòu)因子的終止結(jié)構(gòu) RNA聚合酶脫落，轉(zhuǎn)錄終止聚合酶脫落，轉(zhuǎn)錄終止

15、 色氨酸操縱子色氨酸操縱子調(diào)控機(jī)制：阻遏型調(diào)控機(jī)制：阻遏型 有有trp，基因不表達(dá)；基因不表達(dá)； 無(wú)無(wú)trp，基因表達(dá)基因表達(dá) 翻譯與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)的衰減子調(diào)控翻譯與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)的衰減子調(diào)控trp operon的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖5個(gè)結(jié)構(gòu)基因個(gè)結(jié)構(gòu)基因E、D、C、B、A；Promoter操縱基因操縱基因O前導(dǎo)序列前導(dǎo)序列L衰弱子衰弱子att阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控粗調(diào)粗調(diào) 當(dāng)環(huán)境中無(wú)當(dāng)環(huán)境中無(wú)trp時(shí)，阻遏蛋白無(wú)活性，不能時(shí)，阻遏蛋白無(wú)活性，不能與操縱基因與操縱基因O結(jié)合，基因轉(zhuǎn)錄；結(jié)合，基因轉(zhuǎn)錄； 當(dāng)環(huán)境中存在當(dāng)環(huán)境中存在trp時(shí)，時(shí)， trp與阻遏蛋白結(jié)合成與阻遏蛋白結(jié)合成有活性的阻遏蛋白，

16、與操縱基因有活性的阻遏蛋白，與操縱基因O結(jié)合而阻止結(jié)合而阻止RNA聚合酶向前移動(dòng)，阻止基因轉(zhuǎn)錄。聚合酶向前移動(dòng)，阻止基因轉(zhuǎn)錄。 trp是一個(gè)輔助阻遏物。是一個(gè)輔助阻遏物。trp與trp阻遏物結(jié)合改變了阻遏物的構(gòu)象trp阻遏蛋白與DNA的結(jié)合衰弱效應(yīng)衰弱效應(yīng)細(xì)調(diào)細(xì)調(diào) trp mRNA分子合成開(kāi)始，大多數(shù)分子合成開(kāi)始，大多數(shù)mRNA分分子在子在trpE轉(zhuǎn)錄開(kāi)始之前就停止，當(dāng)轉(zhuǎn)錄開(kāi)始之前就停止，當(dāng)trp很少時(shí)，很少時(shí)，才合成完整的才合成完整的mRNA 。 前導(dǎo)序列由前導(dǎo)序列由14個(gè)氨基酸的前導(dǎo)肽個(gè)氨基酸的前導(dǎo)肽 構(gòu)成構(gòu)成 4個(gè)互補(bǔ)區(qū)個(gè)互補(bǔ)區(qū) 1個(gè)衰弱子個(gè)衰弱子 前導(dǎo)序列有以下特點(diǎn)：前導(dǎo)序列有以下特點(diǎn)

17、： 富富含含GC，易于形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)；易于形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)； 并列多個(gè)并列多個(gè)trp密碼子；密碼子； 8個(gè)連續(xù)的個(gè)連續(xù)的U，構(gòu)成轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)；構(gòu)成轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)； 12、3 4、2 3均會(huì)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。均會(huì)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。 當(dāng)當(dāng)12、3 4區(qū)配對(duì)，形成強(qiáng)終止子，轉(zhuǎn)區(qū)配對(duì)，形成強(qiáng)終止子，轉(zhuǎn)錄終止，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為錄終止，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為mRNA的前導(dǎo)序列。的前導(dǎo)序列。 衰弱效應(yīng)衰弱效應(yīng) 當(dāng)當(dāng)2 3區(qū)配對(duì)，不形成強(qiáng)終止子，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)區(qū)配對(duì)，不形成強(qiáng)終止子，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生完整的進(jìn)行，產(chǎn)生完整的mRNA序列。序列。trp弱化子位點(diǎn)堿基順序 Lys Ala Ile Phe Val Leu Lys Gly Trp Trp A

18、rg Thr Ser StopAUG AAA GCA AUU UUC GUA CUG AAA GGU UGG UGG CGC ACU UCC UGA.trp前導(dǎo)肽的氨基酸順序和對(duì)應(yīng)前導(dǎo)前導(dǎo)肽的氨基酸順序和對(duì)應(yīng)前導(dǎo)mRNA的堿基順序的堿基順序推測(cè)前導(dǎo)mRNA中的二級(jí)結(jié)構(gòu)四個(gè)區(qū)能夠堿基配對(duì)形成三個(gè)莖和環(huán)結(jié)構(gòu)(1、2；2、3和3、4)E.coli trp operon弱化子模型 研究發(fā)現(xiàn)衰弱效應(yīng)是以翻譯進(jìn)程控制基因轉(zhuǎn)研究發(fā)現(xiàn)衰弱效應(yīng)是以翻譯進(jìn)程控制基因轉(zhuǎn)錄的進(jìn)程。錄的進(jìn)程。 當(dāng)無(wú)當(dāng)無(wú)trp時(shí)，核糖體在（時(shí)，核糖體在（1）區(qū)內(nèi)）區(qū)內(nèi)trp密碼子密碼子處停滯相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，使（處停滯相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，使（1）不能與（）不能與（2）配）配對(duì)，當(dāng)對(duì)，當(dāng)mRNA合成到（合成到（4）區(qū)前，（）區(qū)前，（2）與（）與（3）配對(duì)，配對(duì)，RNA聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄；聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄； 當(dāng)有當(dāng)有trp時(shí)，時(shí)，mRNA合成在前，蛋白質(zhì)合成合成在前，蛋白質(zhì)合成在后，（在后，（1）與（）與（2）配對(duì)，）配對(duì)， （3）與）與 （4）配對(duì)，）配對(duì)，形成強(qiáng)終止子，轉(zhuǎn)錄終止。形成強(qiáng)終止子，轉(zhuǎn)錄終止。 基因的轉(zhuǎn)錄取決于基因的轉(zhuǎn)錄取決于trp的濃度的濃度trp的濃度不同的