第十三章基因表達調(diào)控

1、第十三章第十三章 基因表達調(diào)控基因表達調(diào)控Regulation of Gene ExpressionDepartment of Biochemistry and Molecular Biology, CMU基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義l適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖l維持個體發(fā)育與分化維持個體發(fā)育與分化 Franois Jacob Jacques Monod (1920 ) (1910 1976) 榮獲榮獲1965年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎第一節(jié)第一節(jié) 基因表達調(diào)控的基本概念和原基因表達調(diào)控的基本概念和原理理Basic Principles

2、& Mechanism of Gene Expression Control基因組基因組 &基因表達基因表達 （gene expression）l*基因組：基因組： 一個細胞或生物所攜帶的整套遺傳信一個細胞或生物所攜帶的整套遺傳信息或全部基因。息或全部基因。l人類基因組含約人類基因組含約 2萬萬2.5萬個基因。萬個基因。l*基因表達基因表達 ：在一定調(diào)節(jié)機制控制下，基因經(jīng)歷在一定調(diào)節(jié)機制控制下，基因經(jīng)歷基因激活、轉(zhuǎn)錄及翻譯等過程，產(chǎn)生具有特異基因激活、轉(zhuǎn)錄及翻譯等過程，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子，賦予細胞或個體一生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子，賦予細胞或個體一定的功能或形態(tài)表型。定的功能或形態(tài)

3、表型。l基因表達就是基因基因表達就是基因轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄和和翻譯翻譯的過程。的過程。一、原核生物和真核生物享有共同的基因表達調(diào)一、原核生物和真核生物享有共同的基因表達調(diào)控基本規(guī)律控基本規(guī)律 l（一）基因表達具有時空特異性（一）基因表達具有時空特異性 l（二）誘導(dǎo)表達和阻遏表達是基因表達調(diào)控的（二）誘導(dǎo)表達和阻遏表達是基因表達調(diào)控的普遍方式普遍方式 l（三）（三）DNA/蛋白質(zhì)的相互作用是基因表達調(diào)控蛋白質(zhì)的相互作用是基因表達調(diào)控的分子基礎(chǔ)的分子基礎(chǔ) 1、時空特異性、時空特異性l按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的序發(fā)生

4、，稱之為基因表達的時間特異性時間特異性(temporal specificity)。多細胞生物基因表達表現(xiàn)為與生長、分。多細胞生物基因表達表現(xiàn)為與生長、分化和發(fā)育階段一致的時間性，因此又稱化和發(fā)育階段一致的時間性，因此又稱階段特異性階段特異性(stage specificity)。l在個體生長、發(fā)育全過程，一種基因產(chǎn)物在個體的不同在個體生長、發(fā)育全過程，一種基因產(chǎn)物在個體的不同組織或器官表達，即在個體的不同空間出現(xiàn)，稱之為基組織或器官表達，即在個體的不同空間出現(xiàn)，稱之為基因表達的因表達的空間特異性空間特異性(spatial specificity)?；虮磉_伴。基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這

5、種分布差異，實際上是由細胞隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織細胞或組織特異性特異性(cell or tissue specificity)。l有些基因產(chǎn)物對生命全過程都是必需的或必不有些基因產(chǎn)物對生命全過程都是必需的或必不可少的。這類基因在一個生物個體的幾乎所有可少的。這類基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常稱為細胞中持續(xù)表達，通常稱為管家基因管家基因（housekeeping gene）。）。l我們將這類基因表達稱為我們將這類基因表達稱為基本（或組成性）基本（或組成性）基基因表達（

6、因表達（constitutive gene expression）。）。2、誘導(dǎo)表達和阻遏表達、誘導(dǎo)表達和阻遏表達l在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因。可因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘誘導(dǎo)導(dǎo)(induction)。l如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物水平降低的過可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物水平降低的過程稱為程稱為阻遏阻遏(repres

7、sion)。l在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，即為協(xié)調(diào)表達即為協(xié)調(diào)表達(coordinate expression)，這種調(diào)，這種調(diào)節(jié)稱為節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinate regulation)。3、順式、順式/反式的調(diào)節(jié)方式反式的調(diào)節(jié)方式4、DNA/蛋白質(zhì)的相互作用蛋白質(zhì)的相互作用 lDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)形成的大溝和小溝，特別是雙螺旋結(jié)構(gòu)形成的大溝和小溝，特別是大大溝溝，是調(diào)節(jié)蛋白與特定的，是調(diào)節(jié)蛋白與特定的DNA序列相互作用的序列相互作用的結(jié)構(gòu)

8、基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。l調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白通常具有特殊的通常具有特殊的結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域或或模序模序結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，通過通過DNA-蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用，蛋白質(zhì)的相互作用，調(diào)節(jié)特異基因的表達。調(diào)節(jié)特異基因的表達。 調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白l特異因子特異因子：決定：決定RNA-pol對一個或一套對一個或一套 啟動序啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力。列的特異性識別和結(jié)合能力。l阻遏蛋白阻遏蛋白：識別和結(jié)合特異的：識別和結(jié)合特異的DNA序列序列操縱操縱序列，阻遏基因轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負性調(diào)節(jié)。序列，阻遏基因轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負性調(diào)節(jié)。l激活蛋白激活蛋白(activator)：可結(jié)合啟動序列鄰近的：可結(jié)合啟動序列鄰近的

9、DNA序列，促進序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，聚合酶與啟動序列的結(jié)合，增強增強RNA聚合酶活性。有些基因在沒有激活蛋聚合酶活性。有些基因在沒有激活蛋白存在時，白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列。動序列。DNA-蛋白質(zhì)相互作用蛋白質(zhì)相互作用l指的是蛋白質(zhì)因子與指的是蛋白質(zhì)因子與DNA元件之間的特異識別元件之間的特異識別及結(jié)合。通常是非共價結(jié)合，被識別的及結(jié)合。通常是非共價結(jié)合，被識別的DNA結(jié)結(jié)合位點通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)。合位點通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用蛋白質(zhì)相互作用l絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白

10、質(zhì)結(jié)合DNA前，需通過蛋白前，需通過蛋白質(zhì)質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體(dimer)或多或多聚體聚體(polymer)。l還有一些調(diào)節(jié)蛋白不能直接結(jié)合還有一些調(diào)節(jié)蛋白不能直接結(jié)合DNA，而是通，而是通過蛋白質(zhì)過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用間接結(jié)合蛋白質(zhì)相互作用間接結(jié)合DNA，調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，常見于真核生物。基因轉(zhuǎn)錄，常見于真核生物。二、轉(zhuǎn)錄起始是基因表達調(diào)控的基本控制點二、轉(zhuǎn)錄起始是基因表達調(diào)控的基本控制點 第二節(jié)第二節(jié) 原核生物的基因表達調(diào)控原核生物的基因表達調(diào)控 Gene Expression Control in Prokaryotes一、原核生物轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)特

11、點一、原核生物轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)特點1.因子決定因子決定RNA聚合酶識別特異性；聚合酶識別特異性；2.操縱子模型的普遍性；操縱子模型的普遍性；3.阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性。阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性。因子識別轉(zhuǎn)錄啟動子是轉(zhuǎn)錄起始的第一步因子識別轉(zhuǎn)錄啟動子是轉(zhuǎn)錄起始的第一步 因子因子基因基因功用功用-35順序順序間隔距間隔距離離-10順序順序70rpoD正常正常狀態(tài)狀態(tài)TTGACA10-18bpTATAAT32rpoH熱休熱休克克CNCTTGAA13-15bpCCCCATNT54rpoN氮的氮的利用利用CTGGNA6bpTTCGA操縱子操縱子l操縱子操縱子(operon)：通常由通常由2個以上的編碼

12、序列與個以上的編碼序列與啟動序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列在基因啟動序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)，組成一個基因表達調(diào)控單位。組中成簇串聯(lián)，組成一個基因表達調(diào)控單位。操縱子的基本結(jié)構(gòu)操縱子的基本結(jié)構(gòu) l結(jié)構(gòu)基因編碼原核生物代謝所需要的某些酶。結(jié)構(gòu)基因編碼原核生物代謝所需要的某些酶。調(diào)控序列由啟動子（調(diào)控序列由啟動子（promoter，P）和操縱序）和操縱序列（列（operator，O）組成，位于結(jié)構(gòu)基因的上）組成，位于結(jié)構(gòu)基因的上游。游。l阻遏蛋白基因編碼的阻遏蛋白（阻遏蛋白基因編碼的阻遏蛋白（repressor）能）能夠結(jié)合和封閉操縱序列。阻遏蛋白受小分子化夠結(jié)合和封閉操縱

13、序列。阻遏蛋白受小分子化合物，如代謝產(chǎn)物或底物的影響而發(fā)生變構(gòu)，合物，如代謝產(chǎn)物或底物的影響而發(fā)生變構(gòu)，進而調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。進而調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。 啟動子啟動子 l啟動子啟動子（promoter），又稱啟動序列是），又稱啟動序列是RNA聚聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。序列。l這個序列包括了一個這個序列包括了一個TTGACA序列（位于轉(zhuǎn)錄序列（位于轉(zhuǎn)錄起始點上游的起始點上游的35區(qū)區(qū)）和一個）和一個TATAAT序列序列（位于轉(zhuǎn)錄起始點上游的（位于轉(zhuǎn)錄起始點上游的10區(qū)區(qū)）。這個）。這個10區(qū)又稱為區(qū)又稱為Pribnow盒（盒（Pribnow box）。 TT

14、GACAN17TTAACTN7AN16TATGATN7AN17TATGTTN6ATTGATAN16TATAATN7ACTGACGN16TACTGTN6ATTTACATTTACAtrptRNATyrlacrec Aara BAD區(qū)區(qū)3510轉(zhuǎn)錄起始TTGACATATAAT決定轉(zhuǎn)錄活性啟動子的共有序列啟動子的共有序列操縱序列和阻遏蛋白操縱序列和阻遏蛋白 l操縱序列長約操縱序列長約26bp，位于啟動子和結(jié)構(gòu)基因之，位于啟動子和結(jié)構(gòu)基因之間，并與它們在序列上有部分重疊。間，并與它們在序列上有部分重疊。l阻遏蛋白基因編碼的阻遏蛋白（阻遏蛋白基因編碼的阻遏蛋白（repressor）能）能夠結(jié)合和封閉操縱序

15、列。阻遏蛋白受小分子化夠結(jié)合和封閉操縱序列。阻遏蛋白受小分子化合物，如代謝產(chǎn)物或底物的影響而發(fā)生變構(gòu)，合物，如代謝產(chǎn)物或底物的影響而發(fā)生變構(gòu)，進而調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。進而調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。 啟動序列啟動序列編碼序列編碼序列操縱序列操縱序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白二、乳糖操縱子二、乳糖操縱子(lac operon)lJacob和和Monod研究的突破點是乳糖阻遏蛋白研究的突破點是乳糖阻遏蛋白基因基因lacI的發(fā)現(xiàn)和的發(fā)現(xiàn)和lacI基因突變基因突變E.Coli菌株菌株lacI的成功培育。的成功培育。lacI菌株無論有無乳糖都表達結(jié)菌株無論有無乳糖都表達結(jié)構(gòu)基因，表現(xiàn)為組成性表達。而用噬菌體將野構(gòu)基

16、因，表現(xiàn)為組成性表達。而用噬菌體將野生型生型lac基因（基因（lacI）轉(zhuǎn)導(dǎo)入）轉(zhuǎn)導(dǎo)入lacI菌株，則可菌株，則可逆轉(zhuǎn)這種組成性表達。逆轉(zhuǎn)這種組成性表達。 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu) （一）阻遏蛋白介導(dǎo)的負性調(diào)節(jié)（一）阻遏蛋白介導(dǎo)的負性調(diào)節(jié) 別乳糖能使阻遏蛋白發(fā)生變構(gòu)開放別乳糖能使阻遏蛋白發(fā)生變構(gòu)開放lacO 誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)劑l -半乳糖苷酶催化乳糖生成葡萄糖和半乳糖，半乳糖苷酶催化乳糖生成葡萄糖和半乳糖，少部分葡萄糖和半乳糖經(jīng)少部分葡萄糖和半乳糖經(jīng) -半乳糖苷酶催化可半乳糖苷酶催化可生成別乳糖。生成別乳糖。別乳糖別乳糖是真正的天然誘導(dǎo)物。是真正的天然誘導(dǎo)物。 l在基因工程和其它分子生物學(xué)實

17、驗中，人們常在基因工程和其它分子生物學(xué)實驗中，人們常用異丙基硫代半乳糖（用異丙基硫代半乳糖（isopropylthio-galactoside，IPTG）來誘導(dǎo)乳糖操縱元的開）來誘導(dǎo)乳糖操縱元的開放，因為別乳糖可被放，因為別乳糖可被-半乳糖苷酶水解重新生半乳糖苷酶水解重新生成葡萄糖和半乳糖，而成葡萄糖和半乳糖，而IPTG不受不受 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶的作用，因此它是比別乳糖更強的誘導(dǎo)物。的作用，因此它是比別乳糖更強的誘導(dǎo)物。 （二）（二）cAMP-CAP系統(tǒng)介導(dǎo)的正性調(diào)節(jié)系統(tǒng)介導(dǎo)的正性調(diào)節(jié)（三）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)保證原核生物優(yōu)先利用葡萄糖（三）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)保證原核生物優(yōu)先利用葡萄糖 三、轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控三、

18、轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控（一）不依賴（一）不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止（二）依賴（二）依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止 在大腸桿菌中還存在過早終止，這種終止的調(diào)在大腸桿菌中還存在過早終止，這種終止的調(diào)節(jié)方式有衰減（節(jié)方式有衰減（attenuation）和抗終止兩種。）和抗終止兩種。四、翻譯水平的調(diào)節(jié)四、翻譯水平的調(diào)節(jié)l（一）蛋白質(zhì)分子結(jié)合于啟動序列或啟動序列（一）蛋白質(zhì)分子結(jié)合于啟動序列或啟動序列周圍進行自我調(diào)節(jié)周圍進行自我調(diào)節(jié)l調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合mRNA靶位點，阻止核糖體識別靶位點，阻止核糖體識別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。l調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身調(diào)節(jié)蛋

19、白一般作用于自身mRNA，抑制自身的，抑制自身的合成，稱自我控制合成，稱自我控制(autogenous control)。（二）反義（二）反義RNA結(jié)合結(jié)合mRNA翻譯起始部位的互補翻譯起始部位的互補序列對翻譯進行調(diào)節(jié)序列對翻譯進行調(diào)節(jié)l可調(diào)節(jié)基因表達的可調(diào)節(jié)基因表達的RNA稱為調(diào)節(jié)稱為調(diào)節(jié)RNA。l細菌中含有與特定細菌中含有與特定mRNA翻譯起始部位互補的翻譯起始部位互補的RNA，通過與，通過與mRNA雜交阻斷雜交阻斷30S小亞基對起小亞基對起始密碼子的識別及與始密碼子的識別及與SD序列的結(jié)合，抑制翻譯序列的結(jié)合，抑制翻譯起始。這種調(diào)節(jié)稱為反義控制起始。這種調(diào)節(jié)稱為反義控制(antisens

20、e control)。干擾干擾RNA（interfering RNA, iRNA）l干擾干擾RNA也是天然短鏈也是天然短鏈RNA。90年代基因工程年代基因工程技術(shù)實驗發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)入外源基因有時不但不能表技術(shù)實驗發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)入外源基因有時不但不能表達，反而抑制宿主菌某些基因表達。當(dāng)時稱這達，反而抑制宿主菌某些基因表達。當(dāng)時稱這種現(xiàn)象為共阻遏（種現(xiàn)象為共阻遏（co-repression）。）。l由由iRNA引發(fā)的內(nèi)源基因抑制稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉引發(fā)的內(nèi)源基因抑制稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默（默（post transcriptional gene silencing, PTGS）。）。l利用利用RNA干擾（干擾（RNA

21、interfering, RNAi）技術(shù)）技術(shù)原理，可以封閉或剔除靶基因。原理，可以封閉或剔除靶基因。第三節(jié)第三節(jié) 真核生物的基因表達調(diào)控真核生物的基因表達調(diào)控 Gene Expression Control in Eukaryotes一、真核生物基因組的特點一、真核生物基因組的特點1.真核基因組結(jié)構(gòu)龐大。真核基因組結(jié)構(gòu)龐大。2.真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。3.真核基因組含有大量的重復(fù)序列。真核基因組含有大量的重復(fù)序列。4.真核基因中存在非編碼序列和間隔區(qū)，具有不真核基因中存在非編碼序列和間隔區(qū)，具有不連續(xù)性。連續(xù)性。二、真核基因表達調(diào)控的特點二、真核基因表達調(diào)控的

22、特點1.真核細胞內(nèi)含有多種真核細胞內(nèi)含有多種RNA聚合酶。聚合酶。2.處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。3.在真核基因表達調(diào)控中以正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)。在真核基因表達調(diào)控中以正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)。4.在真核細胞中轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行。在真核細胞中轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行。5.轉(zhuǎn)錄后修飾、加工更為復(fù)雜。轉(zhuǎn)錄后修飾、加工更為復(fù)雜。處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化1.對核酸酶敏感對核酸酶敏感當(dāng)染色質(zhì)活化后，常出現(xiàn)一些對核酸酶（如當(dāng)染色質(zhì)活化后，常出現(xiàn)一些對核酸酶（如DNase I）高度敏感的位點，稱之超敏位點（高度敏感的位點，稱之超敏位

23、點（hypersensitive site）。）。常位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近，常位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近，是缺乏或沒是缺乏或沒有核小體結(jié)合的有核小體結(jié)合的“裸露裸露”DNA鏈。鏈。 2.DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化拓撲結(jié)構(gòu)變化RNA-pol正超螺旋正超螺旋負超螺旋負超螺旋轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向3.DNA堿基的甲基化修飾變化堿基的甲基化修飾變化真核真核DNA約有約有5%的胞嘧啶被甲基化，這種甲基化最的胞嘧啶被甲基化，這種甲基化最常發(fā)生在某些基因的常發(fā)生在某些基因的5側(cè)翼區(qū)的側(cè)翼區(qū)的CpG序列（又稱序列（又稱CpG島）。島）。甲基化范圍與基因表達程度常呈甲基化范圍與基因表達程度常呈反比反比關(guān)系關(guān)系4.組蛋白變化組

24、蛋白變化富含富含Lys組蛋白水平降低，即組蛋白水平降低，即H1組蛋白減少；組蛋白減少； H2AH2B二聚體不穩(wěn)定性增加；二聚體不穩(wěn)定性增加；組蛋白組蛋白H3、H4發(fā)生乙酰化、甲基化或磷酸化修飾，使發(fā)生乙?；?、甲基化或磷酸化修飾，使核小體結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定或松弛。核小體結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定或松弛。三、真核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控三、真核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控l特點：特點：lRNA聚合酶聚合酶與基因的啟動序列與基因的啟動序列/啟動子相結(jié)合。啟動子相結(jié)合。l特異特異DNA序列序列決定基因的轉(zhuǎn)錄活性；決定基因的轉(zhuǎn)錄活性；l轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白可以增強或抑制轉(zhuǎn)錄活性；可以增強或抑制轉(zhuǎn)錄活性；l轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白通過與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

25、蛋白通過與DNA或蛋白質(zhì)相互作用對或蛋白質(zhì)相互作用對轉(zhuǎn)錄起始進行調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)錄起始進行調(diào)節(jié)；（一）參與調(diào)節(jié)的基本元素（一）參與調(diào)節(jié)的基本元素lRNA聚合酶聚合酶l順式作用元件順式作用元件 (cis-acting element)：是指可影：是指可影響自身基因表達活性的特異響自身基因表達活性的特異DNA序列。序列。l反式作用因子反式作用因子 (trans-acting factor)：能夠通過：能夠通過與特異的順式作用元件的識別、結(jié)合而反式調(diào)與特異的順式作用元件的識別、結(jié)合而反式調(diào)節(jié)基因表達的蛋白質(zhì)稱為節(jié)基因表達的蛋白質(zhì)稱為反式作用因子。反式作用因子。l有些真核調(diào)節(jié)蛋白可特異識別、結(jié)合自身基因有些真

26、核調(diào)節(jié)蛋白可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的開啟或關(guān)閉，稱的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的開啟或關(guān)閉，稱為為順式作用蛋白順式作用蛋白。l中介子中介子（mediator）：在反式作用因子和）：在反式作用因子和RNA聚合酶之間的蛋白質(zhì)復(fù)合體，與某些反式作用聚合酶之間的蛋白質(zhì)復(fù)合體，與某些反式作用因子相互主要，同時促進因子相互主要，同時促進THH對對RNA聚合酶聚合酶羧基端結(jié)構(gòu)域的磷酸化。羧基端結(jié)構(gòu)域的磷酸化。1、RNA聚合酶聚合酶l原核啟動序列原核啟動序列/真核啟動子與真核啟動子與RNA聚合酶活性。聚合酶活性。l啟動序列啟動序列/啟動子是由轉(zhuǎn)錄起始點、啟動子是由轉(zhuǎn)錄起始點、RNA聚合酶聚

27、合酶結(jié)合位點及控制轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)組件組成。結(jié)合位點及控制轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)組件組成。l啟動序列影響其與啟動序列影響其與RNA聚合酶的親和力，因而聚合酶的親和力，因而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄起動的頻率。親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄起動的頻率。l真核生物真核生物RNA聚合酶與啟動子的親和力極低或聚合酶與啟動子的親和力極低或無親和力。無親和力。調(diào)節(jié)蛋白與調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性聚合酶活性l 一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號刺激下在細一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號刺激下在細胞內(nèi)表達，隨后通過胞內(nèi)表達，隨后通過DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋蛋白質(zhì)相互作用影響白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性，從而改變聚合酶活性

28、，從而改變基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率。基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率。2、順式作用元件、順式作用元件 l順式作用元件包括：順式作用元件包括：啟動子，增強子，沉默子。啟動子，增強子，沉默子。l不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列共有序列 ，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，這些共有盒等，這些共有序列是序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。l是非編碼序列是非編碼序列l(wèi)并非都位于轉(zhuǎn)錄起始點上游并非都位于轉(zhuǎn)錄起始點上游（1）啟動子）啟動子l啟動子（啟動子（promoter）：）：真核基因啟動子是真核基因啟動子是RNA聚合酶聚合酶結(jié)合位點結(jié)合位

29、點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄起始點錄起始點以及一個以上的以及一個以上的功能組件功能組件。真核啟動子的功能組件真核啟動子的功能組件TATA盒盒: TATAAAA 位于位于25 30bp TFD 結(jié)合位點。結(jié)合位點。 控制轉(zhuǎn)錄起始的準確性及頻率。控制轉(zhuǎn)錄起始的準確性及頻率。GC盒盒: GGGCGG CAAT盒盒: GCCAAT 位于位于30 110bp區(qū)域。區(qū)域。 與相應(yīng)蛋白因子結(jié)合，影響轉(zhuǎn)錄效率。與相應(yīng)蛋白因子結(jié)合，影響轉(zhuǎn)錄效率。（2）增強子）增強子l增強子增強子(enhancer)指遠離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基指遠離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的時間、空間

30、特異性、增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性因的時間、空間特異性、增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的的DNA序列，發(fā)揮作用的方式通常與方向、序列，發(fā)揮作用的方式通常與方向、 距距離無關(guān)。離無關(guān)。增強子作用特點增強子作用特點（1）增強子即能在基因的上游也可以在下游起作）增強子即能在基因的上游也可以在下游起作用，用，（2）可以遠距離地實施作用，）可以遠距離地實施作用，130kb。 （3）增強子作用無方向性，倒置后仍然有活性。）增強子作用無方向性，倒置后仍然有活性。（4）增強子要有啟動子才能發(fā)揮作用。）增強子要有啟動子才能發(fā)揮作用。（5）增強子是通過相應(yīng)的蛋白因子發(fā)揮作用的。）增強子是通過相應(yīng)的蛋白因子發(fā)揮作用的。（6）增強子對啟

31、動子沒有嚴格的專一性，同一增）增強子對啟動子沒有嚴格的專一性，同一增強子可以影響不同類型啟動子的轉(zhuǎn)錄。但增強強子可以影響不同類型啟動子的轉(zhuǎn)錄。但增強子一般具有組織或細胞特異性。許多增強子只子一般具有組織或細胞特異性。許多增強子只在某些細胞或組織中表現(xiàn)活性。在某些細胞或組織中表現(xiàn)活性。 （3）沉默子）沉默子l沉默子（沉默子（silencer）是一類負性調(diào)控元件，對）是一類負性調(diào)控元件，對基因的轉(zhuǎn)錄起阻遏作用?；虻霓D(zhuǎn)錄起阻遏作用。l沉默子通過與特異的相關(guān)蛋白之間的相互作用沉默子通過與特異的相關(guān)蛋白之間的相互作用而發(fā)揮作用。而發(fā)揮作用。 3、反式作用因子、反式作用因子l參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的反式作用因子又

32、稱為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的反式作用因子又稱為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，簡稱因子，簡稱轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子（transcription factors，TF）。）。 （1）轉(zhuǎn)錄因子的分類）轉(zhuǎn)錄因子的分類l轉(zhuǎn)錄因子按功能特性的不同可分為：轉(zhuǎn)錄因子按功能特性的不同可分為：l基本轉(zhuǎn)錄因子基本轉(zhuǎn)錄因子，指，指RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一類蛋白因子，在真核細胞中具有普遍性，需的一類蛋白因子，在真核細胞中具有普遍性，決定轉(zhuǎn)錄的類別；決定轉(zhuǎn)錄的類別；l特異轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子，指通過直接或間接的作用，激，指通過直接或間接的作用，激活或抑制個別基因轉(zhuǎn)錄的蛋白因子，決定該基活或抑制個別基因轉(zhuǎn)錄的蛋白因子，

33、決定該基因表達的時間和空間特異性。因表達的時間和空間特異性。 特異轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子(special transcription factors)l為個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時間、為個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。空間特異性表達。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄激活因子:增強子結(jié)合蛋白增強子結(jié)合蛋白(EBP)轉(zhuǎn)錄抑制因子轉(zhuǎn)錄抑制因子:沉默子結(jié)合蛋白沉默子結(jié)合蛋白（2）轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)）轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）（二聚化結(jié)構(gòu)域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含

34、域常見的常見的DNA結(jié)合域結(jié)合域l鋅指鋅指(zinc finger)l亮氨酸拉鏈（亮氨酸拉鏈（leucine zipper）l螺旋螺旋-環(huán)環(huán)-螺旋螺旋(helix-loop-helix)鋅指鋅指l常結(jié)合常結(jié)合GC盒盒亮氨酸拉鏈亮氨酸拉鏈l由兩個由兩個 -螺旋肽鏈單體，部分相互結(jié)合形成的螺旋肽鏈單體，部分相互結(jié)合形成的二聚體結(jié)構(gòu)；二聚體結(jié)構(gòu)；l每個每個 -螺旋單體中靠近螺旋單體中靠近C-端有一段約端有一段約30個氨基個氨基酸組成的序列，螺旋每旋轉(zhuǎn)兩周酸組成的序列，螺旋每旋轉(zhuǎn)兩周(約約7個氨基酸個氨基酸殘基殘基)，就在同一側(cè)面有規(guī)律地出現(xiàn)一個疏水性，就在同一側(cè)面有規(guī)律地出現(xiàn)一個疏水性亮氨酸殘基；亮

35、氨酸殘基；l在單體地在單體地N-端，有一段富含堿性氨基酸的親水端，有一段富含堿性氨基酸的親水區(qū)，是區(qū)，是DNA結(jié)合區(qū)域結(jié)合區(qū)域 l兩個結(jié)構(gòu)相同或相似的單體并列，依賴側(cè)面多兩個結(jié)構(gòu)相同或相似的單體并列，依賴側(cè)面多個亮氨酸的分子間的疏水作用在個亮氨酸的分子間的疏水作用在C-端形成一個端形成一個短的卷曲結(jié)構(gòu)，形似拉鏈。短的卷曲結(jié)構(gòu)，形似拉鏈。N-端未結(jié)合部分相端未結(jié)合部分相互分開，形成一個倒互分開，形成一個倒Y字結(jié)構(gòu)。字結(jié)構(gòu)。Y字結(jié)構(gòu)分開的字結(jié)構(gòu)分開的兩臂親水區(qū)騎跨在兩臂親水區(qū)騎跨在DNA雙螺旋的大溝上。雙螺旋的大溝上。螺旋螺旋-環(huán)環(huán)-螺旋螺旋(helix-loop-helix)（二）（二）RNA

36、pol 和和pol 的轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)啟動子啟動子位置位置轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子作用轉(zhuǎn)錄因子作用RNA聚聚合酶合酶I核心元件核心元件 4520 上游結(jié)合因上游結(jié)合因子子1（UBF1）與核心元件及上游控制元與核心元件及上游控制元件特異結(jié)合件特異結(jié)合上游控制元上游控制元件（件（UCE） 156107 選擇性因子選擇性因子1（SL1）在在UBF1后與兩個元件無后與兩個元件無序列特異性結(jié)合序列特異性結(jié)合RNA聚聚合酶合酶IIIA盒盒 5083 TFIIIA在在5SrRNA起始時需要，起始時需要，與內(nèi)部控制區(qū)結(jié)合與內(nèi)部控制區(qū)結(jié)合B盒盒5083 TFIIIB與與TFIIIC相互作用，結(jié)合相互作

37、用，結(jié)合到到A盒的上游盒的上游C盒盒5083 TFIIIC與與A盒、盒、B盒結(jié)合盒結(jié)合（三）（三）RNA-pol 轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)lTFD辨認并結(jié)合辨認并結(jié)合TATA盒盒；l在在TFAF等基等基本轉(zhuǎn)錄因子的參與本轉(zhuǎn)錄因子的參與下，下，RNA聚合酶聚合酶與與TFD聚合，形聚合，形成前起始復(fù)合物成前起始復(fù)合物（PIC）。）。轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物lPIC不穩(wěn)定，在迂回折疊的不穩(wěn)定，在迂回折疊的DNA構(gòu)象種，結(jié)合構(gòu)象種，結(jié)合了了增強子增強子的轉(zhuǎn)錄激活因子（的轉(zhuǎn)錄激活因子（EBP）與）與PIC中中TBP通過通過TAF聯(lián)系，形成穩(wěn)定的聯(lián)系，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。Pol

38、TFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是復(fù)雜的、多樣的真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是復(fù)雜的、多樣的l不同的不同的DNA元件組合可產(chǎn)生多種類型的轉(zhuǎn)錄調(diào)元件組合可產(chǎn)生多種類型的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)方式；節(jié)方式；l多種轉(zhuǎn)錄因子又可結(jié)合相同或不同的多種轉(zhuǎn)錄因子又可結(jié)合相同或不同的DNA元件。元件。l轉(zhuǎn)錄因子與轉(zhuǎn)錄因子與DNA元件結(jié)合后，對轉(zhuǎn)錄激活過程元件結(jié)合后，對轉(zhuǎn)錄激活過程所產(chǎn)生的效果各異，有正性調(diào)節(jié)或負性調(diào)節(jié)之所產(chǎn)生的效果各異，有正性調(diào)節(jié)或負性調(diào)節(jié)之分。分。四、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)四、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)lhnRNA 加工成熟的調(diào)節(jié)加工成熟的調(diào)節(jié)lmRNA 運輸、胞漿內(nèi)穩(wěn)定性

39、的調(diào)節(jié)運輸、胞漿內(nèi)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)lmRNA的穩(wěn)定性由合成速率和降解速率共同決的穩(wěn)定性由合成速率和降解速率共同決定。定。lRNAi （RNA干涉）：通過降解特異干涉）：通過降解特異mRNA，在轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)生的一種基因表達調(diào)節(jié)機制。在轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)生的一種基因表達調(diào)節(jié)機制。五、翻譯水平的調(diào)節(jié)五、翻譯水平的調(diào)節(jié)l翻譯起始因子（翻譯起始因子（eIF)活性的調(diào)節(jié)活性的調(diào)節(jié)lRNA結(jié)合蛋白對翻譯起始的調(diào)節(jié)結(jié)合蛋白對翻譯起始的調(diào)節(jié)六、小分子六、小分子RNA對基因表達的調(diào)節(jié)對基因表達的調(diào)節(jié)l微小微小RNA (microRNA, miRNA)l小干擾小干擾RNA (small interfering RNA, siRNA)1、微小、微小RNAl是一大家族小分子非編碼單鏈是一大家族小分子非編碼單鏈RNA，長度約，長度約2025個堿基，由一段具有發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)，長度個堿基，由一段具有發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)，長度為為7090個堿基的單鏈個堿基的單鏈RNA 前體前體(pre-miRNA)經(jīng)經(jīng)Dicer酶剪切后形成。酶剪切后形成。 miRNA的特點：的特點：l其長度一般為其長度一般為2025個堿基；個堿基；l在不同生物體中普遍存在；在不同生物體中普遍存在；l其序列