基因表達(dá)調(diào)控

1、第十四章基因表達(dá)調(diào)控一、教學(xué)的基本要求解釋基因表達(dá)的概念，簡(jiǎn)述基因表達(dá)方式和特點(diǎn)。敘述原核生物、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的意義記住基因表達(dá)調(diào)控的要素，解釋重要的概念，如順式作用元件、反式作用因子、啟動(dòng)子和啟動(dòng)序列、增強(qiáng)子、轉(zhuǎn)錄因子等描述乳糖操縱子結(jié)構(gòu)及調(diào)解原理，解釋乳糖操縱子概念寫(xiě)出原核真核基因調(diào)控的主要區(qū)別。二、教學(xué)內(nèi)容精要(一)基因表達(dá)的概念，規(guī)律(特點(diǎn))及方式1 .基因組(genome)一個(gè)細(xì)胞或病毒攜帶的全部遺傳信息或整套基因，稱(chēng)為基因組。不同生物基因組所含的基因多少不同。在某一特定時(shí)期，基因組中只有一部分基因處于表達(dá)狀態(tài)。在個(gè)體不同生長(zhǎng)時(shí)期、不同生活環(huán)境下，某種功能的基因產(chǎn)物在細(xì)胞中的數(shù)

2、量會(huì)隨時(shí)間、環(huán)境而變化。2 .基因表達(dá)基因表達(dá)(geneexpression)就是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程。在一定調(diào)節(jié)機(jī)制控制下，大多數(shù)基因經(jīng)歷基因激活、轉(zhuǎn)錄及翻譯等過(guò)程，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子，賦予細(xì)胞或個(gè)體一定的功能或形態(tài)表型。但并非所有基因表達(dá)過(guò)程都產(chǎn)生蛋白質(zhì)。rRNA和tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄生成RNA勺過(guò)程也屬于基因表達(dá)。3 .基因表達(dá)的規(guī)律基因表達(dá)表現(xiàn)為嚴(yán)格的規(guī)律性，即時(shí)間特異性(temporalspecificity)、空間特異性(specialspecificity)。基因表達(dá)的時(shí)間、空間特異性由特異基因的啟動(dòng)子(promoter)和/或增強(qiáng)子(enhancer)與調(diào)節(jié)蛋白

3、(regulatoryprotein)相互作用決定。(1)時(shí)間特異性：噬菌體、病毒或細(xì)菌侵人宿主后，呈現(xiàn)一定的感染階段。隨感染階段發(fā)展生長(zhǎng)環(huán)境變化，有些基因開(kāi)啟(turnon),有些基因關(guān)閉(turnoff)。按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，這就是基因表達(dá)的時(shí)間特異性。在多細(xì)胞生物從受精卵到組織、器官形成的各個(gè)不同發(fā)育階段，相應(yīng)基因嚴(yán)格按一定時(shí)間順序開(kāi)啟或關(guān)閉，表現(xiàn)為與分化、發(fā)育階段一致的時(shí)間性。因此多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱(chēng)階段特異性(stagespecificity)。(2)空間特異性：在多細(xì)胞生物個(gè)體某一發(fā)育、生長(zhǎng)階段，同一基因產(chǎn)物在不同的組織器官表達(dá)多少

4、是不一樣的；在同一生長(zhǎng)階段，不同的基因表達(dá)產(chǎn)物在不同的組織、器官分布也不完全相同。在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，這就是基因表達(dá)的空間特異性。基因表達(dá)伴隨時(shí)間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，因此基因表達(dá)的空間特異性又稱(chēng)細(xì)胞特異性或組織特異性(tissuespecificity)。4 .基因表達(dá)的方式不同種類(lèi)的生物遺傳背景不同，同種生物不同個(gè)體生活環(huán)境的差異，可導(dǎo)致不同的基因功能和性質(zhì)也不相同。因此不同基因的表達(dá)方式或調(diào)節(jié)類(lèi)型存在很大差異。(1)組成性表達(dá)(constitutivegeneexpression)：某些基因產(chǎn)物對(duì)生

5、命全過(guò)程都是必需的或必不可少的，這類(lèi)基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱(chēng)為管家基因(housekeepinggene)。例如，三竣酸循環(huán)是一中樞性代謝途徑，催化該途徑各階段反應(yīng)的酶編碼基因就屬這類(lèi)基因。管家基因較少受環(huán)境因素影響，它在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段以及幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，變化很小。與其他基因的區(qū)別是這類(lèi)基因表達(dá)被視為基本的、或組成性基因表達(dá)。這類(lèi)基因表達(dá)只受啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響。事實(shí)上，組成性基因表達(dá)水平“不變”是相對(duì)的。(2)誘導(dǎo)和阻遏：與管家基因不同，另有一些基因表達(dá)極易受環(huán)境變化影響。因外界信號(hào)的變化，這類(lèi)基因表達(dá)水平可呈現(xiàn)升高或降低的現(xiàn)象。

6、在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因是可誘導(dǎo)(induction)的。可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程稱(chēng)為誘導(dǎo)。例如有DN頗傷時(shí)，修復(fù)酶基因就會(huì)在細(xì)菌內(nèi)被誘導(dǎo)激活，使修復(fù)酶反應(yīng)性地增加。相反，如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因是可阻遏(repression)的?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程稱(chēng)為阻遏。例如，當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸供應(yīng)充分時(shí)，在細(xì)菌內(nèi)與色氨酸合成有關(guān)的酶編碼基因表達(dá)就會(huì)被抑制?？烧T導(dǎo)或可阻遏基因除受啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子與RN咪合酶相互作用的影響外，尚受其他機(jī)制調(diào)節(jié)；這類(lèi)基因的調(diào)控序列含有特異刺激的反應(yīng)元件。(二)原核生物、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的意義

7、1 .適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖：生物體賴(lài)于生存的外環(huán)境是在不斷變化的。從低等生物到高等生物，都必須對(duì)外環(huán)境的變化作出適當(dāng)反應(yīng)，調(diào)節(jié)代謝，使生物體能更好地適應(yīng)變化的外環(huán)境。這種適應(yīng)調(diào)節(jié)的能力與某些蛋白質(zhì)分子的功能有關(guān)。細(xì)胞內(nèi)某種功能的蛋白質(zhì)分子有或無(wú)、多或少等數(shù)量變化是由這些蛋白質(zhì)分子的編碼基因表達(dá)與否、表達(dá)水平高低等狀況決定的。原核生物、單細(xì)胞生物調(diào)節(jié)基因的表達(dá)就是為適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和細(xì)胞分裂。高等生物也普遍存在適應(yīng)性表達(dá)方式。經(jīng)常飲酒者體內(nèi)醇氧化酶活性高即與相應(yīng)基因表達(dá)水平升高有關(guān)。2.維持個(gè)體發(fā)育與分化：在多細(xì)胞個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育的不同階段，細(xì)胞中的蛋白質(zhì)分子種類(lèi)和含量差異很大；即使在同一生

8、長(zhǎng)發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白質(zhì)分子分布也存在很大差異，這些差異是調(diào)節(jié)細(xì)胞表型的關(guān)鍵。高等哺乳類(lèi)動(dòng)物各種組織、器官的發(fā)育、分化都是由一些特定基因控制的。當(dāng)某種基因缺陷或表達(dá)異常時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)組織或器官的發(fā)育異常。(三)基因表達(dá)調(diào)控的要素和概念1.基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控對(duì)于一個(gè)基因的編碼產(chǎn)物一蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，至少有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)可調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的濃度，即基因激活、轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄后加工、mRNA降解、蛋白質(zhì)翻譯、翻譯后加工修飾及蛋白質(zhì)降解等。上述任一環(huán)節(jié)機(jī)制發(fā)生異常均會(huì)影響某個(gè)基因的表達(dá)水平。所以，基因結(jié)構(gòu)活化、轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄后加工及載運(yùn)、翻譯及翻譯后加工等均為基因表達(dá)調(diào)控的控制點(diǎn)，其中轉(zhuǎn)錄起始是基因

9、表達(dá)的基本控制點(diǎn)。2 .基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素(1)特異DN際列：不同基因特異的表達(dá)方式與基因結(jié)構(gòu)有關(guān)，這里主要指具有調(diào)節(jié)功能的DNA序列。原核生物大多數(shù)基因表達(dá)調(diào)控是通過(guò)操縱子(元)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。操縱子(operator)通常由2個(gè)以上的編碼序列與啟動(dòng)序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列在基因組中串聯(lián)組成。各種原核基因啟動(dòng)序列在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-10及-35區(qū)域，這些序列常常表現(xiàn)類(lèi)似稱(chēng)為共有序列。一些細(xì)菌啟動(dòng)序列的共有序列(consensussequence)在-10區(qū)域是TATAAT又稱(chēng)Pribnow盒(Pribnowbox),在-35區(qū)域?yàn)門(mén)TGACA這些共有序列中的任一堿基突變或變異都會(huì)影響R

10、NA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合及轉(zhuǎn)錄起始。操縱序列與啟動(dòng)序列毗鄰或接近，其DN際列常與啟動(dòng)序列交錯(cuò)、重疊，它是原核阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)會(huì)阻礙RNAm合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或使RNAm合酶不能沿DNA前移動(dòng)，阻遏轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負(fù)性調(diào)節(jié)。原核操縱子(元)調(diào)節(jié)序列中還有一種特異DNA列可結(jié)合激活蛋白CAP,此時(shí)RNA聚合酶活性增強(qiáng)，使轉(zhuǎn)錄激活，介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)(positiveregulation)。機(jī)制幾乎普遍涉及編碼基因兩側(cè)的DNAR列一順式作用元件(cis-actingelement)。所謂順式作用元件就是指可影響自身基因表達(dá)活性的DN際列。與原核基因類(lèi)似，在不同真核基因的順式作

11、用元件中也會(huì)時(shí)常發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CCAA怖等。這些共有序列就是順式作用元件的核心序列，它們是真核RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。順式作用元件并非都位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游(5端)。根據(jù)順式作用元件在基因中的位置、轉(zhuǎn)錄激活作用的性質(zhì)及發(fā)揮作用的方式，可將真核基因的這些功能元件分為啟動(dòng)子、增強(qiáng)子及沉默子(silencer)等。(2)調(diào)節(jié)蛋白：原核生物基因調(diào)節(jié)蛋白(regulationprotein)都是一些DNA吉合蛋白，分為三類(lèi)：特異因子(specificfactor)、阻遏蛋白(repressor)和激活蛋白(activator)。1)特異因子：決定RNAm合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)

12、序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。2)阻遏蛋白：可結(jié)合特異DNA序列一一一操縱序列，阻遏基因轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白介導(dǎo)的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制在原核生物普遍存在3)激活蛋白：可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DN際列，促進(jìn)RNAm合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性。 分解(代謝)物基因激活蛋白(CAP就是一種激活蛋白。 某些基因在沒(méi)有激活蛋白存在時(shí)，RNA聚合酶很少或全然不能結(jié)合啟動(dòng)序列。真核基因調(diào)節(jié)蛋白又稱(chēng)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor,TF)。絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由某一基因表達(dá)后，通過(guò)與特異的順式作用元件相互作用(DNA-蛋白質(zhì)相作用)反式激活另一基因的轉(zhuǎn)錄，故稱(chēng)反式作用蛋白或反式作

13、用因子(trans-actingfactor)。(3)DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用：DNA蛋白質(zhì)相互作用指反式調(diào)節(jié)因子與順式作用元件之間的特異識(shí)別及結(jié)合。這種結(jié)合通常是非共價(jià)結(jié)合，形成DNA毒白質(zhì)復(fù)合物。絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合DNA前需通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(protein-proteininteraction)形成二聚體(dimer)或多聚體。兩分子單體通過(guò)一定結(jié)構(gòu)域結(jié)合成二聚體，是調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合DNA寸最常見(jiàn)的形式。二聚體有同種分子間形成的同二聚體(homodimer)和異種分子間形成的雜二聚體(heterodimer)。雜二聚體比同二聚體具有更強(qiáng)的DNA結(jié)合能力；有時(shí)，有些調(diào)節(jié)

14、蛋白經(jīng)二聚活化后會(huì)喪失結(jié)合DNA的能力。另有一些調(diào)節(jié)蛋白不能直接結(jié)合DNA而是通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用間接結(jié)合DNA調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，這在真核生物很常見(jiàn)。不同的真核細(xì)胞中所含的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子種類(lèi)及濃度不同，所以同一基因在不同細(xì)胞中的表達(dá)狀態(tài)不同。(4)RNA聚合酶：DNA元件、調(diào)節(jié)蛋白對(duì)轉(zhuǎn)錄激活的調(diào)節(jié)最終是由RNA聚合酶活性體現(xiàn)的。啟動(dòng)序列/啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)蛋白的性質(zhì)對(duì)RNAm合酶活性影響很大。1)啟動(dòng)序列/啟動(dòng)子與RNAm合酶活性：原核啟動(dòng)序列或真核啟動(dòng)子是由轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)、RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)及控制轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)元件組成。啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子核甘酸序列會(huì)影響與RNA聚合酶的親和力，而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)

15、錄啟動(dòng)的頻率。如果一個(gè)啟動(dòng)序列的共有序列被置換為非共有序列，或非公有序列被置換為共有序列，則會(huì)得到使轉(zhuǎn)錄活性降低或增加兩種截然不同的結(jié)果。真核RNA聚合酶單獨(dú)存在時(shí)與啟動(dòng)子的親和力低或無(wú)親和力，必須與基因轉(zhuǎn)錄子形成復(fù)合物才能與啟動(dòng)子結(jié)合。真核RNA聚合酶的活性不僅與啟動(dòng)子序列有關(guān)，也與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子相關(guān)。2)調(diào)節(jié)蛋白與RN咪合酶活性：許多基因與管家基因不同，它們的基因產(chǎn)物濃度隨環(huán)境信號(hào)而變化。 因?yàn)檫@些基因激活所需要的一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號(hào)刺激下在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)， 隨后這些調(diào)節(jié)蛋白通過(guò)DNA毒白質(zhì)相互作用、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNAm合酶活性，使基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率發(fā)生變化，出現(xiàn)表達(dá)水平變化。

16、誘導(dǎo)劑、阻遏劑等小分子信號(hào)所引真核生物基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的序列比原核復(fù)雜。絕大多數(shù)真核基因調(diào)控(genecontrol)起的基因表達(dá)都是通過(guò)使調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)分子構(gòu)象改變，直接(DNA-蛋白質(zhì)相互作用)或間接(蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用）調(diào)節(jié)RN咪合酶轉(zhuǎn)錄起動(dòng)過(guò)程。原核特異因子 b 決定RN咪合酶識(shí)別啟動(dòng)序列的特異性。例如，當(dāng)細(xì)胞發(fā)生熱應(yīng)激時(shí)，全酶中通常的（T70被（T32所取代，這時(shí)RNA聚合酶就會(huì)改變其對(duì)常規(guī)啟動(dòng)序列的識(shí)別、而結(jié)合另一套啟動(dòng)序列，啟動(dòng)一套基因表達(dá)。這就是所謂的熱休克反應(yīng)（heatshockresponse）。（四）基因表達(dá)調(diào)控基本原理及真核與真核基因表達(dá)調(diào)控的區(qū)別1.原核基因表達(dá)調(diào)控（

17、1）原核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)：原核特異記憶的表達(dá)也受多級(jí)調(diào)控，調(diào)控的關(guān)鍵機(jī)制主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄起始。概括原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)有以下特點(diǎn)。1）b 因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性：原核生物細(xì)胞僅含有一種RNA聚合酶，核心酶參與轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)，全酶參與轉(zhuǎn)錄起始。在轉(zhuǎn)錄起始階段，（T亞基（又稱(chēng)（T因子）識(shí)別特異啟動(dòng)序列；不同的 b 因子決定特異基因的轉(zhuǎn)錄激活，決定mRNArRNA和tRNA基因的轉(zhuǎn)錄。2）操縱子（元）模型的普遍性：除個(gè)別基因外，原核生物絕大數(shù)基因按功能相關(guān)性成簇地串聯(lián)、密集于染色體上，共同組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位一一操縱子（元），如乳糖（lac）操縱子、阿拉伯糖（ara）操縱子（元）及色氨酸（trp）操縱子（元

18、）等。一個(gè)操縱子（元）只含一個(gè)啟動(dòng)序列及數(shù)個(gè)可轉(zhuǎn)錄的編碼基因。通常編碼基因?yàn)?6個(gè)，多的可達(dá)20個(gè)以上，在同一啟動(dòng)序列控制下可轉(zhuǎn)錄出多順?lè)醋觤RNA原核基因的協(xié)調(diào)表達(dá)就是通過(guò)調(diào)控單個(gè)啟動(dòng)基因的活性來(lái)完成。3）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性：在很多原核操縱子（元）系統(tǒng)，特異的組遏蛋白是控制原核啟動(dòng)序列活性的重要因素。當(dāng)阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合或解聚時(shí)，就會(huì)發(fā)生特異基因的阻遏與去阻遏。原核基因的調(diào)控普遍涉及特異阻遏蛋白參與得開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制。（2）乳糖操縱子（元）調(diào)節(jié)機(jī)制1）乳糖操縱子（元）的結(jié)構(gòu)：Ecoli的乳糖操縱子（lacoperon）含Z、Y及A三個(gè)結(jié)構(gòu)基因，分別編碼3-半乳糖甘酶、透酶和乙酰基轉(zhuǎn)移

19、酶，此外還有一個(gè)操縱序列O（operator,O）、一個(gè)啟動(dòng)序列P（promoter,P）及一個(gè)調(diào)節(jié)基因I。I基因編碼一種阻遏蛋白，后者與。序列結(jié)合，使操縱子（元）受阻遏而處于關(guān)閉狀態(tài)。在啟動(dòng)序列P上游還有一分解代謝物基因激活蛋白（catabolitegeneactivatorprotein,CAP）結(jié)合位點(diǎn)。由P序列，O序列和CAP吉合位點(diǎn)共同構(gòu)成lac操縱子的調(diào)控區(qū)，三個(gè)酶的編碼基因即由同一調(diào)控區(qū)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)基因產(chǎn)物的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)。2）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)：在沒(méi)有乳糖存在時(shí)，lac操縱子（元）處于阻遏狀態(tài)。此時(shí)，I序列表達(dá)的lac阻遏蛋白與。序列結(jié)合，阻遏RNA聚合酶與P序列結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄起動(dòng)。當(dāng)

20、有乳糖存在時(shí)，lac操縱子（元）即可被誘導(dǎo)。在這個(gè)操縱子（元）體系中，誘導(dǎo)劑并非乳糖本身。乳糖經(jīng)3-半乳糖甘酶催化，轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘?，它是真正的誘導(dǎo)劑。異丙基硫代半乳糖（isopropylthio-galactoside,IPTG）時(shí)一種強(qiáng)誘導(dǎo)劑，不被細(xì)菌代謝，十分穩(wěn)定，被實(shí)驗(yàn)室廣泛應(yīng)用。3）CAP的正性調(diào)節(jié)：分解代謝物基因激活蛋白CAP是同二聚體，在其分子內(nèi)有DNA吉合區(qū)及cAMP吉合位點(diǎn)。當(dāng)沒(méi)有葡萄糖及cAM瞰度高時(shí)，cAM*CAP吉合，這時(shí)CA*lac啟動(dòng)序列附近的CAP位點(diǎn)結(jié)合，刺激RNA轉(zhuǎn)錄活性，使之提高50倍；當(dāng)有葡萄糖存在時(shí)，cAMP度降低，cAMP與CAP結(jié)合受阻，因此lac操縱子

21、表達(dá)下降。由此可見(jiàn)，對(duì)lac操縱子（元）來(lái)說(shuō)CA幅正性調(diào)節(jié)因素，lac阻遏蛋白是負(fù)性調(diào)節(jié)因素。兩種調(diào)節(jié)機(jī)制根據(jù)存在的碳源性質(zhì)及水平協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)lac操縱子的表達(dá)。4）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)：lac阻遏蛋白負(fù)性調(diào)節(jié)與CAP正性調(diào)節(jié)兩種機(jī)制協(xié)調(diào)合作，當(dāng)lac阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；但是如果沒(méi)有CAP存在來(lái)加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，即使阻遏蛋白從操縱序列上解聚仍幾無(wú)轉(zhuǎn)錄活性?？梢?jiàn)，兩種機(jī)制相輔相成、相互協(xié)調(diào)、相互制約。Lac操縱子（元）負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制可以解釋為：?jiǎn)渭內(nèi)樘谴嬖跁r(shí)細(xì)菌是如何利用乳糖作碳源的。因細(xì)菌生長(zhǎng)環(huán)境是復(fù)雜的，倘若有葡萄糖或葡萄糖/半乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖才是最節(jié)能的。這時(shí)，葡萄

22、糖通過(guò)降低cAMP濃度，阻礙cAMP與CAP結(jié)合而抑制lac操縱子轉(zhuǎn)錄，使細(xì)菌只能利用葡萄糖。葡萄糖對(duì)lac操縱子的阻遏作用稱(chēng)分解代謝阻遏（catabolecrepession）。Lac操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖存在又需要缺乏葡萄糖。（3）其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制：原核基因通過(guò)操縱子（元）機(jī)制調(diào)節(jié)是主要的，此外尚有其他特異調(diào)節(jié)機(jī)制，如轉(zhuǎn)錄衰減、基因重組、SO阪應(yīng)等。2.真核基因表達(dá)調(diào)控（1）真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大：哺乳類(lèi)動(dòng)物基因組DNA由233X109bp（堿基對(duì)）的核甘酸組成。其中表達(dá)的基因約占全部基因組的6%2）單順?lè)醋樱号c原核不同，真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是單順?lè)醋樱╩onocist

23、ron）,即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRN吩子、經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。有很多真核蛋白質(zhì)由幾條不同的多肽鏈組成，因此存在多個(gè)基因協(xié)調(diào)表達(dá)的問(wèn)題。3）重復(fù)序列：在真核DNA中重復(fù)出現(xiàn)的核甘酸序列較原核更普通。根據(jù)重復(fù)序列出現(xiàn)的頻率可將重復(fù)序列區(qū)分為高度重復(fù)序列（106次）、中度重復(fù)序列（103104次）及單拷貝序列。4）基因不連續(xù)性：真核結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)存在有不被轉(zhuǎn)錄的非編碼序列，往往是基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)。在編碼基因內(nèi)部尚有一些不為蛋白質(zhì)編碼的間隔序，稱(chēng)內(nèi)含子（intron）;編碼序列稱(chēng)外顯子（exon）,因此真核基因是不連續(xù)的。（2）真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)：同原核一樣，轉(zhuǎn)錄起始仍是真核基因表達(dá)調(diào)控的最基

24、本環(huán)節(jié)，而且某些機(jī)制是一樣的。但在下述方面與原核存在明顯差別：1）活性染色體結(jié)構(gòu)變化：當(dāng)基因被激活時(shí)，可觀察到染色體相應(yīng)區(qū)域發(fā)生某些結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化，如活化基因?qū)怂崦父叨让舾校划?dāng)基因活化時(shí)，轉(zhuǎn)錄區(qū)DNA由拓?fù)浣Y(jié)卞變化；DNA堿基修飾（如甲基化）變化及組蛋白變化。2）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)：真核RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子的親和力極小或根本沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的親和力，必須依賴(lài)一種或多種激活蛋白的作用。盡管已發(fā)現(xiàn)某些基因含有負(fù)性順式作用元件存在，很多真核調(diào)節(jié)一種既可作為激活蛋白又可作為阻遏蛋白發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，但負(fù)性調(diào)節(jié)元件并不普遍存在。真核基因組廣泛存在正性調(diào)節(jié)機(jī)制。在正性調(diào)節(jié)中，大多數(shù)基因不結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白即沒(méi)有活性；只有細(xì)

25、胞表達(dá)一組激活蛋白時(shí)，相關(guān)靶基因方可被激活。3）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行：真核細(xì)胞由細(xì)胞核及胞漿等區(qū)間分布，轉(zhuǎn)錄與翻譯在不同細(xì)胞部位進(jìn)行。4）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工：真核基因轉(zhuǎn)錄后剪切及修飾等過(guò)程比原核復(fù)雜。（3）真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)1）順式作用元件：按功能特性，真核基因順式作用元件分為啟動(dòng)子、增強(qiáng)子及沉默子。a.啟動(dòng)子：是原核操縱子（元）中啟動(dòng)序列的同義語(yǔ)。真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)及其周?chē)囊唤M轉(zhuǎn)錄控制組件（module）,每一組件含720bp的DNA列。啟動(dòng)子包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（initiationsite）以及一個(gè)以上的機(jī)能組件。在這些機(jī)能組件中最具典型意義的就是TATA盒，它位于轉(zhuǎn)

26、錄起始點(diǎn)上游-25-30bp,控制轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率。TATA盒是基本轉(zhuǎn)錄因子TFHD結(jié)合位點(diǎn)。 除TATA盒外，G%和CAA怖也是很多基因常見(jiàn)的， 它們通常位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-30-110bp區(qū)域。此外，還發(fā)現(xiàn)很多其他類(lèi)型的機(jī)能組件。由TATA盒及轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)即可構(gòu)成最簡(jiǎn)單的啟動(dòng)子。b.增強(qiáng)子：是遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列， 它的作用方式通常與方向、 距離無(wú)關(guān)。 增強(qiáng)子也是由若干機(jī)能組件組成， 有些機(jī)能組件既可在增強(qiáng)子、也可在啟動(dòng)子中出現(xiàn)。這些機(jī)能組件是特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合DNA的核心序列。如果沒(méi)有增強(qiáng)子，啟動(dòng)子通常不能表現(xiàn)活性；沒(méi)有啟動(dòng)子時(shí)

27、，增強(qiáng)子也無(wú)法發(fā)揮作用。對(duì)結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系而無(wú)法區(qū)分的啟動(dòng)子、增強(qiáng)子樣結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱(chēng)啟動(dòng)子。通常具有獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄活性和決定基因時(shí)間、空間特異性表達(dá)能力的啟動(dòng)子，就是這類(lèi)定義的啟動(dòng)子。c.沉默子：某些基因含有負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。2)反式作用因子：除少數(shù)順式作用蛋白，大多數(shù)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子以反式作用調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。這些調(diào)節(jié)蛋白又稱(chēng)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄因子(TF)。按功能特性可將其分兩類(lèi)：a.基本轉(zhuǎn)錄因子：是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA專(zhuān)錄的類(lèi)別，又稱(chēng)基本轉(zhuǎn)錄因子。對(duì)RNA三種聚合酶來(lái)說(shuō)，除個(gè)別基本轉(zhuǎn)錄因子是通用的，如TFnD;多數(shù)因子是不同RN

28、AM合酶所特有的。例如TFnDTFIIA、TFIIRIFnE、nF及IFnH為RN咪合酶催n化所以mRNA專(zhuān)錄所必需。b.特異轉(zhuǎn)錄因子：為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)，故稱(chēng)特異轉(zhuǎn)錄因子。此類(lèi)特異因子有的起轉(zhuǎn)錄激活作用，有的起轉(zhuǎn)錄抑制作用。轉(zhuǎn)錄激活因子通常是一些增強(qiáng)子結(jié)合蛋白；多數(shù)轉(zhuǎn)錄抑制因子(transcriptioninhibitor)是沉默子結(jié)合蛋白，但也有抑制因子以不依賴(lài)DNA的方式起作用，而是通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用、“中和”轉(zhuǎn)錄激活因子或TFIID,降低它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)的有效濃度， 抑制基因轉(zhuǎn)錄。 因?yàn)樵诓煌慕M織或細(xì)胞中各種特異轉(zhuǎn)錄因子分布不同，所以基因表達(dá)狀

29、態(tài)、方式不同。3)mRNA專(zhuān)錄激活及其調(diào)節(jié)： 真核RNAm合酶n不能單獨(dú)識(shí)別、 結(jié)合啟動(dòng)子， 而是先由基本轉(zhuǎn)錄因子TFnD組成成分TBP(TATAbindingprotein,TBP)識(shí)別TATA盒或啟動(dòng)元件(Inr)， 并有TAF參與結(jié)合， 形成TFnD-啟動(dòng)子復(fù)合物； 繼而在TFnAF等參與下，RNA聚合酶n與TFnDTFnB聚合， 形成一個(gè)功能性的前起始復(fù)合物PIC。在幾種基本轉(zhuǎn)錄因子中，TFnD是惟一具有位點(diǎn)特異的DNA結(jié)合能力的因子，在上述有序的組裝過(guò)程起關(guān)鍵性指導(dǎo)作用。這樣形成的前起始復(fù)合物尚不穩(wěn)定，還需要其他因子如TBP相關(guān)因子(TAF)與TFnD聯(lián)系，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。

30、此時(shí)，RNA聚合酶H才能真正啟動(dòng)mRNA專(zhuān)錄。TBP相關(guān)因子也是細(xì)胞特異的，與轉(zhuǎn)錄激活因子共同決定組織特異性轉(zhuǎn)錄。【記憶方法】本章的概念和定義較多，應(yīng)在理解的基礎(chǔ)上加以記憶。例如：表達(dá)的時(shí)間特異性、表達(dá)的空間特異性、順式作用元件、反式作用因子等?；虮磉_(dá)調(diào)控原理分為兩個(gè)系統(tǒng)：原核與真核。原核系統(tǒng)應(yīng)掌握其表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)，熟記乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)制。調(diào)節(jié)機(jī)制包括阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)，CAP的正性調(diào)節(jié)和協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)。真核系統(tǒng)要清楚真核基因結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)，它以正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)，在轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)中，有各種順式作用元件及不同的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。三、典型試題分析A型題1.基因表達(dá)調(diào)控的基本控制點(diǎn)是(1

31、996年生化試題)A.基因結(jié)構(gòu)活化B.轉(zhuǎn)錄起始C.轉(zhuǎn)錄后加工D.蛋白質(zhì)翻譯及翻譯后加工E.mRNW細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞漿【答案】B【評(píng)析】本題考點(diǎn)：基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)。特異基因的表達(dá)受多級(jí)調(diào)控，它包括復(fù)制水平、轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄后加工和蛋白質(zhì)翻譯及翻譯后加工等調(diào)節(jié)。但調(diào)控基因表達(dá)開(kāi)、關(guān)的關(guān)鍵機(jī)制主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄起始。2 .分解代謝物基因激活蛋白(CAP)對(duì)乳糖操縱子表達(dá)的影響是A.正性調(diào)控B.負(fù)性調(diào)控C.正/負(fù)性調(diào)控D.無(wú)調(diào)控作用E.可有可無(wú)【答案】A【評(píng)析】本題考點(diǎn)：乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控機(jī)制。乳糖操縱子的調(diào)節(jié)包括：阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)，分解代謝基因激活蛋白（CAP）的正性調(diào)節(jié)與協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)三種形式。CAP的正

32、性調(diào)節(jié)是在沒(méi)有葡萄糖及cAMP濃度較高時(shí)，cAMP與CAP結(jié)合，此時(shí)CAP吉合在lac啟動(dòng)序列的CA暇點(diǎn)，刺激RNA轉(zhuǎn)錄活性，使其提高50倍；當(dāng)有葡萄糖存在時(shí)，cAM限度降低，cAM*CAP吉合受阻，因此lac操縱子表達(dá)下降。3.反式作用因子確切的定義是（1999年生化試題）A.通過(guò)DNA蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用控制任意基因轉(zhuǎn)錄的某一基因編碼蛋白質(zhì)B.通過(guò)DNA蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用控制另一基因轉(zhuǎn)錄的某一基因編碼蛋白質(zhì)C.具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能的蛋白質(zhì)因子D.具有翻譯調(diào)節(jié)功能的蛋白質(zhì)因子E.具有基因表達(dá)調(diào)控功能的核因子【答案】B【評(píng)析】本題考點(diǎn)：反式作用因子的概念。絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

33、因子由某一基因表達(dá)后，通過(guò)與特異的順式作用元件相互作用（DNA蛋白質(zhì)相互作用）反式激活另一基因的轉(zhuǎn)錄，故稱(chēng)反式作用蛋白或反式作用因子。4.真核基因處于活化狀態(tài)時(shí)對(duì)DNaseI的敏感性表現(xiàn)為（1999年生化試題）A.高度敏感性B.中度敏感性C.低度敏感性D.不敏感E.不一定【答案】A【評(píng)析】本題考點(diǎn)：活性染色體結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)。真核基因轉(zhuǎn)錄特點(diǎn)有三個(gè)方面，染色體轉(zhuǎn)錄區(qū)的多樣性結(jié)構(gòu)變化是其中之一。活化基因一個(gè)明顯特性是對(duì)核酸酶高度敏感。另外還有DNAfe撲結(jié)構(gòu)白變化，DNA堿基修飾變化及組蛋白的變化。5.阻遏蛋白識(shí)別操縱子中的（2000年生化試題）A.啟動(dòng)基因B.結(jié)構(gòu)基因C.操縱基因D.內(nèi)含子E.外顯

34、子【答案】C【評(píng)析】本題考點(diǎn)：操縱子的結(jié)構(gòu)。Eooli的乳糖操縱子含Z、丫、及A三個(gè)結(jié)構(gòu)基因，此外還有一個(gè)操縱序列O;一個(gè)啟動(dòng)序列P及一個(gè)調(diào)節(jié)序列IoI基因編碼一種阻遏蛋白，它與O序列結(jié)合，使乳糖操縱子受阻遏而處于關(guān)閉狀態(tài)。6.原核生物基因表達(dá)調(diào)控的乳糖操縱子系統(tǒng)屬于（2000年生化試題）A.復(fù)制水平調(diào)節(jié)B.轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)C.逆轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)D.翻譯水平調(diào)節(jié)E.翻譯后水平調(diào)節(jié)【答案】B【評(píng)析】本題考點(diǎn)：原核生物基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)。原則上講，原核特異基因的表達(dá)也受多級(jí)調(diào)控，但調(diào)控基因表達(dá)開(kāi)、關(guān)的關(guān)鍵機(jī)制主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄起始。7.直接識(shí)別并結(jié)合真核基因TATA盒的是（2001年生化試題）A.TFAB.TF

35、BC.TFDD.TFFE.TFH【答案】C【評(píng)析】本題考點(diǎn)：真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的反式調(diào)節(jié)因子。反式作用因子又稱(chēng)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，按功能可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基本轉(zhuǎn)錄因子，是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子必需的蛋白因子，在基本轉(zhuǎn)錄因子中，只有TFIID具有識(shí)別特異序列DNA的功能。另一類(lèi)是特異轉(zhuǎn)錄因子，為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必須的。8.某基因在胚胎期表達(dá)、出生后不表達(dá)，是為（2003年生化試題）A.空間特異性表達(dá)B.時(shí)間特異性表達(dá)C.器官特異性表達(dá)D.組織特異性表達(dá)E.細(xì)胞特異性表達(dá)【答案】B【評(píng)析】本題考點(diǎn)：基因表達(dá)的時(shí)間與空間的概念。按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，這就是基因表達(dá)的時(shí)間特異性

36、。在多細(xì)胞生物從受精卵到組織、器官形成的各個(gè)不同發(fā)育階段，相應(yīng)基因嚴(yán)格按一定時(shí)間順序開(kāi)啟或關(guān)閉，表現(xiàn)為與分化、發(fā)育階段一致的時(shí)間性。因此多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱(chēng)階段特異性。X型題1.下面關(guān)于啟動(dòng)子的描述正確的是（1990年生化試題）A.作為模板轉(zhuǎn)錄成RNAB.是DNAdq專(zhuān)一堿基順序C.具有多聚U尾巴和回文結(jié)構(gòu)D.作為轉(zhuǎn)錄酶的結(jié)合位點(diǎn)【答案】BD【評(píng)析】本題考點(diǎn)：順式作用元件的作用。真核基因順式作用元件有啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和沉默子。啟動(dòng)子是RNAm合酶結(jié)合位點(diǎn)周?chē)霓D(zhuǎn)錄調(diào)控組件。啟動(dòng)子包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及一個(gè)以上的機(jī)能組件。機(jī)能組件中包括TATA盒，它控制轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率。除T

37、ATA盒外，G%和CAAT盒也是很多基因常見(jiàn)的。2.真核基因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是（1999年生化試題）A.基因不連續(xù)性B.單順?lè)醋覥.含重復(fù)序列D.一個(gè)啟動(dòng)序列后接幾個(gè)編碼基因【答案】ABC【評(píng)析】本題考點(diǎn)：真核基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。真核基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括：基因組結(jié)構(gòu)龐大，基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順?lè)醋樱婧嘶蚪M中普遍含重復(fù)序列， 真核結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)及編碼基因內(nèi)部， 尚有不被轉(zhuǎn)錄的非編碼序列， 因此真核基因具有基因不連續(xù)性。四、復(fù)習(xí)自測(cè)試題（一）名詞解釋1 .基因組（genome）2 .基因表達(dá)（geneexpression）（二）選擇題A型題I類(lèi)題：1.關(guān)于“基因表達(dá)”的概念敘述錯(cuò)誤的是A.其過(guò)程總是經(jīng)歷基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程B.某些基因表達(dá)經(jīng)歷基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程C.某些基因表達(dá)產(chǎn)物是蛋白質(zhì)分子D.某些基因表達(dá)產(chǎn)物不是蛋白質(zhì)分子E.某些基因表達(dá)產(chǎn)物是RNA分子2.從侵入細(xì)菌到溶菌不同感染階段噬菌體DNA的表達(dá)表現(xiàn)為A.細(xì)胞特異性B.組織特異性C.空間特異性D.階段特異性E.器官特異性n類(lèi)題1.當(dāng)培養(yǎng)基內(nèi)色氨酸濃度較大時(shí)，色氨酸操縱子處于A.誘導(dǎo)表達(dá)B.阻遏表達(dá)C.基本表達(dá)D.組成表達(dá)E.協(xié)調(diào)表達(dá)2.如果一種化學(xué)修飾可促進(jìn)蛋白質(zhì)降解，這種化學(xué)機(jī)制A.抑制這種蛋白質(zhì)基因的表達(dá)B.刺激這種蛋白基因的表達(dá)C.調(diào)節(jié)這種蛋白基因的表