生化版13.基因表達(dá)調(diào)節(jié)

1、基因如果存在就一定會表達(dá)嗎？基因表達(dá)調(diào)節(jié) Regulation of Gene Expression 生物體的代謝調(diào)節(jié)盡管有不同的途徑和水平，但最根本的還是基因的表達(dá)調(diào)節(jié)?；虮磉_(dá)即遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程。 生物體在生命周期中，基因組的各個基因表達(dá)隨生長發(fā)育有先后，并隨內(nèi)外環(huán)境的影響和誘導(dǎo)。本章要點一、基因表達(dá)的概念二、基因表達(dá)調(diào)節(jié)的特點：時間性及空間性三、基因表達(dá)的方式四、基因表達(dá)的生物學(xué)意義五、基因表達(dá)調(diào)節(jié)的基本原理（重點）一、基因表達(dá)的概念基因表達(dá)（gene expression）就是指在一定調(diào)節(jié)因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并轉(zhuǎn)錄生成特定的RNA，或由此引起特異性蛋白質(zhì)合

2、成的過程?；虮磉_(dá)產(chǎn)物： RNA 或 蛋白質(zhì) 人類基因組DNA中約含3萬(安全中數(shù)）個基因，但在某一特定時期，只有少數(shù)的基因處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)，其余大多數(shù)基因則處于靜息狀態(tài)。一般來說，在大部分情況下，處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的基因僅占5%。這都是基因表達(dá)調(diào)節(jié)的結(jié)果。通過基因表達(dá)以合成特異性蛋白質(zhì)，從而賦予細(xì)胞以特定的生理功能或形態(tài)，以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的改變。 二、基因表達(dá)調(diào)節(jié)的特點：時間性及空間性 （一）時間特異性：基因表達(dá)調(diào)節(jié)的時間特異性(temporal specificity)是指特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按照特定的時間順序發(fā)生，以適應(yīng)細(xì)胞或個體特定分化、發(fā)育階段的需要。故又稱為階段特異性。 （二）空間特異性

3、：基因表達(dá)調(diào)節(jié)的空間特異性（spatial specificity）是指多細(xì)胞生物個體在某一特定生長發(fā)育階段，同一基因的表達(dá)在不同的細(xì)胞或組織器官不同，從而導(dǎo)致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細(xì)胞或組織器官。故又稱為細(xì)胞特異性或組織特異性。 三、基因表達(dá)的方式 （一）組成型表達(dá)：組成型基因表達(dá)（constitutive gene expression）是指在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)進(jìn)行的基因表達(dá)。其基因表達(dá)產(chǎn)物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為看家基因（housekeeping gene）。 看家基因是維持細(xì)胞最低限度功能所不可少的基因,

4、如編碼組蛋白基因、編碼核糖體蛋白基因、線粒體蛋白基因、糖酵解酶的基因等?？醇一虻奶攸c：必需性、廣泛性、持續(xù)性、穩(wěn)定性（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)：誘導(dǎo)表達(dá)（induction）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。阻遏表達(dá)（repression）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。 四、基因表達(dá)的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖。（二）維持個體發(fā)育與分化。 大腸桿菌在培養(yǎng)基里只有乳糖時才表達(dá)乳糖分解代謝酶類，而有葡萄糖時則不表達(dá)這些酶類。這樣一方面適應(yīng)了環(huán)境的變化，同時也避免了浪費（同時保留

5、兩套利用糖的酶類）。五、基因表達(dá)調(diào)節(jié)的基本原理 （一）基因表達(dá)的多級調(diào)節(jié)：基因表達(dá)調(diào)節(jié)可見于從基因激活到蛋白質(zhì)生物合成的各個階段，因此基因表達(dá)的調(diào)節(jié)可分為轉(zhuǎn)錄前水平、轉(zhuǎn)錄水平（基因激活及轉(zhuǎn)錄起始），轉(zhuǎn)錄后水平（加工及轉(zhuǎn)運），翻譯水平及翻譯后水平。 中心法則（二）基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)基本要素： 基因表達(dá)的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個體或細(xì)胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細(xì)胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白有關(guān)。 1. 特異DNA序列和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)： 原核生物 真核生物原核生物 操縱子(operon) 機(jī)制特異DNA序列編碼序列 啟動序列 操縱序列 其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator) 蛋白質(zhì)因子是RNA聚

6、合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1) 啟動序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列(consensus sequence) 決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力。2 操縱序列（操作子） 阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會

7、阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動 ，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白3) 其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如激活蛋白(activator)可結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性。有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列。真核生物1順式作用元件： 順式作用元件（cis-acting element）又稱分子內(nèi)作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)有關(guān)的特殊順序。 BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點2反式作用因子：反式作用因子（trans-acting factor）又稱

8、為分子間作用因子，指一些與基因表達(dá)調(diào)節(jié)有關(guān)的蛋白質(zhì)因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達(dá)到對特定基因進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。比較：順式作用元件DNA序列 反式作用因子蛋白質(zhì)分子2. DNA - 蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用指的是反式作用因子與順式作用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DNA結(jié)合位點通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)。 大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在與DNA結(jié)合之前，需先通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過識別特定的順式作用元件，而與DNA分子結(jié)合。這種結(jié)合通常是非共價鍵結(jié)合。 3. RNA聚合酶 原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚合酶活性。 通

9、過RNA聚合酶與啟動子的親和力，影響轉(zhuǎn)錄。 調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性 一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號刺激下表達(dá)，然后通過DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性。 重點：原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié) 存在于原核生物中的一種主要的調(diào)節(jié)模式是操縱子（operon）調(diào)節(jié)模式，該模式也見于低等真核生物中。若干結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，其表達(dá)受到同一調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，這種基因的組織形式稱為操縱子（operon） 。 一、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能 典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分。控制區(qū)由各種調(diào)節(jié)序列所組成，而信息區(qū)則由若干結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起構(gòu)成。 * 操縱子=控制區(qū)+信息區(qū)控制區(qū)： （1）啟動子（P

10、romoter）:為cAMP受體蛋白 （CRP）和RNA聚合酶結(jié)合區(qū)。 （2）操作子（0perater）:為調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位 點。信息區(qū):由一個或數(shù)個結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起組成。乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)理 大腸桿菌在含有葡萄糖的培養(yǎng)基里生長時不代謝乳糖；轉(zhuǎn)入只含有乳糖的培養(yǎng)基時，代謝乳糖的酶量增加1000倍，可代謝乳糖。如果此時在培養(yǎng)基里又加入葡萄糖，大腸桿菌停止代謝乳糖轉(zhuǎn)而重新利用葡萄糖，乳糖代謝酶類急劇下降。 由此可見葡萄糖代謝阻遏了乳糖代謝，這一過程是乳糖操縱子調(diào)節(jié)的結(jié)果。原核生物大腸桿菌乳糖操縱子(Lac operon) 的控制區(qū)包括啟動子（其CRP結(jié)合位點位于RNA聚合酶結(jié)合位點上游）和操作子；

11、其信息區(qū)由3個酶基因串聯(lián)組成： 1、-半乳糖苷酶基因（lacZ）； 2、通透酶基因（lacY）； 3、轉(zhuǎn)乙?；富颍╨acA）。調(diào)節(jié)基因（阻遏基因），產(chǎn)生調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白）。有些調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物對操縱子起著正調(diào)節(jié)作用。（一）乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu) 調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列 結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶Y： 通透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)基因及其表達(dá)產(chǎn)物二、乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制負(fù)調(diào)控：阻遏物阻止轉(zhuǎn)錄過程。負(fù)調(diào)控提供了一個保險機(jī)制。正調(diào)控：調(diào)節(jié)蛋白的作用是幫助轉(zhuǎn)錄起始。它和DNA、RNA聚合酶相互作用來幫助起始。1、負(fù)調(diào)節(jié)：阻遏蛋白。該蛋白由調(diào)節(jié)

12、基因（I）最先表達(dá)合成，與操縱子（O）結(jié)合阻止轉(zhuǎn)錄；與乳糖結(jié)合失活。2、正調(diào)節(jié)：CAP（降解物基因活化蛋白）。乳糖操縱子的啟動子是弱啟動子，RNA聚合酶與其結(jié)合的能力很弱，只有活化的CAP(與cAMP結(jié)合）結(jié)合到啟動子上游的CAP位點后，促使RNA聚合酶與啟動子結(jié)合，才能開始有效轉(zhuǎn)錄。3、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)：負(fù)調(diào)節(jié)和正調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)作用。阻遏蛋白的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理該蛋白是由4個相對分子量為37000的亞基聚合而成。亞基與DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)域含有螺旋轉(zhuǎn)角螺旋基序，該結(jié)構(gòu)常見于DNA結(jié)合蛋白。兩個短的螺旋，中間夾一個轉(zhuǎn)角，其中一個螺旋能與DNA相互作用，識別操作子序列并與之結(jié)合，稱為識別螺旋。識別螺旋操作子序列為一段

13、含有28bp旋轉(zhuǎn)對稱的回文結(jié)構(gòu)，阻遏蛋白亞基與其結(jié)合時正好貼在DNA的深溝處，識別螺旋的氨基酸與堿基對之間形成特異的氫鍵。操作子序列在其上游和下游各有一個相似的回文結(jié)構(gòu)，阻遏蛋白4個亞基除與操縱序列回文結(jié)構(gòu)結(jié)合外，還與上游或下游的回文結(jié)構(gòu)結(jié)合，中間DNA形成突環(huán)，由此增加了阻遏蛋白阻止轉(zhuǎn)錄的效果。CAP與cAMPCAP(降解物基因活化蛋白）或CRP（環(huán)腺苷酸受體蛋白），為相對分子量22000亞基的二聚體，其結(jié)合DNA的結(jié)構(gòu)域也有螺旋轉(zhuǎn)角螺旋基序。CAP與cAMP結(jié)合后被活化，當(dāng)該復(fù)合物結(jié)合于DNA時，可使DNA發(fā)生94度彎曲，并促進(jìn)了RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合，二者正好位于彎曲DNA的同一方向

14、，彼此作用得到加強(qiáng)，從而可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄。葡萄糖分解代謝的降解物能抑制腺苷酸環(huán)化酶活性并活化磷酸二酯酶，降低cAMP濃度。CAP與cAMP結(jié)合后活化，可結(jié)合到啟動子上游的CAP位點上，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動子結(jié)合?？烧T導(dǎo)分解代謝操縱子的CAP結(jié)合位點均含有TGTGA序列。（一）乳糖操縱子的誘導(dǎo)：（二）乳糖操縱子的阻遏：習(xí)題 E.Coli細(xì)胞能在不同的碳源上生長，當(dāng)它在以下物質(zhì)存在條件下生長時，lac操縱子的轉(zhuǎn)錄速度如何（按從大到小排序）？ 1.乳糖和葡萄糖； 2.葡萄糖； 3.乳糖。趣聞：乳糖操縱子與諾貝爾獎 1961年，法國科學(xué)家莫諾（JLMonod，1910-1976）與雅可布（FJacob）

15、發(fā)表“蛋白質(zhì)合成中的遺傳調(diào)節(jié)機(jī)制”一文，提出（乳糖）操縱子學(xué)說，開創(chuàng)了基因表達(dá)調(diào)節(jié)的研究。1965年，兩人即榮獲諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎。 但在莫諾和雅可布最早提出的操縱子模型中并沒有啟動子，直接對結(jié)構(gòu)基因起操縱作用的，僅有一個操作子。因此，有人開玩笑說：“半個操縱子就可以得諾貝爾獎”。對某一項成就，人們?nèi)绻f它的一半就可以實現(xiàn)某種重要作用，就表明這項成就的偉大。我國北宋時代的名臣趙普就有“半部論語就可以治天下”的名言，由此也可見操縱子學(xué)說的巨大意義。等待最久的諾貝爾獎美國科學(xué)家魯斯發(fā)現(xiàn)過濾性病毒是引發(fā)癌癥的一種原因，在他公布有關(guān)理論55年后，終于在1966年獲得了諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎，此時他已經(jīng)

16、87歲高齡。還有1996年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎得主維克里，他創(chuàng)建非對稱的信息理論時才剛過而立之年，得獎時已過82歲，并且在宣布獲獎3天后就因心臟病不幸去世。如果他在獲獎宣布前去世，不知評委們該如何處理，因為按評選規(guī)定，諾貝爾獎只能頒給在世的人。 三、色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制 色氨酸操縱子（trp operon）屬于阻遏型操縱子，主要參與調(diào)節(jié)一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)缺乏色氨酸時，此操縱子開放，而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)合成的色氨酸過多時，此操縱子被關(guān)閉。色氨酸的合成分5步完成。每個環(huán)節(jié)需要一種酶，編碼這5種酶的基因緊密連鎖在一起，被轉(zhuǎn)錄在一條多順反子mRNA上，編碼了鄰氨基苯甲酸合酶（ tr

17、pE 和trpG）、鄰氨基苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶（ trpD ）、鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶（ trpF）、吲哚甘油磷酸合酶（ trpC ）和色氨酸合酶（ trpA 和trpB ）。 色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)可分為兩個層次：1、阻遏蛋白的負(fù)調(diào)節(jié)；2、衰減調(diào)節(jié)。（一）阻遏蛋白的負(fù)調(diào)節(jié)色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制與乳糖操縱子類似，但通常情況下，操縱子處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操作子結(jié)合而阻遏轉(zhuǎn)錄。而當(dāng)色氨酸合成過多時，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結(jié)合而形成阻遏蛋白，后者與操作子結(jié)合而使基因轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。 Trp Trp 高時 Trp 低時 mRNA OPtrpR調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 阻遏蛋白負(fù)

18、調(diào)節(jié)色氨酸操縱子（二）衰減調(diào)節(jié)色氨酸操縱子第一個結(jié)構(gòu)基因前存在有一段前導(dǎo)序列,其中有一衰減區(qū)域，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)色氨酸酸濃度很高時，通過與轉(zhuǎn)錄相偶聯(lián)的翻譯過程，形成一個衰減子結(jié)構(gòu)，使RNA聚合酶從DNA上脫落，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄終止。色氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄的mRNA的5端有162個核苷酸的前導(dǎo)序列，該序列可合成一段小肽（前導(dǎo)肽，14肽），它在翻譯水平上控制前導(dǎo)區(qū)轉(zhuǎn)錄的終止。前導(dǎo)RNA鏈有4個區(qū)域彼此互補(bǔ)，可形成特殊的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，實際上是一種位于結(jié)構(gòu)基因上游前導(dǎo)區(qū)的終止子，控制著轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。色氨酸操縱子mRNA前導(dǎo)區(qū)序列前導(dǎo)序列中4個互補(bǔ)區(qū)形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱： 序列1/2序列2/3序列3/4色氨酸操縱子衰減機(jī)制（a）氨

19、基酸缺乏：前導(dǎo)肽不能形成，轉(zhuǎn)錄在終止信號處（RNA形成的特殊莖環(huán)構(gòu)象和寡聚U處）停止。（b）色氨酸缺乏但有其他氨基酸：前導(dǎo)肽翻譯至色氨酸密碼子（UGG）處停止，核糖體占據(jù)區(qū)域1，區(qū)域2和3配對，終止信號不能形成，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行。（c）色氨酸濃度高、其他氨基酸也足夠：前導(dǎo)14肽被正常合成，核糖體占據(jù)1和2位置，終止信號形成，轉(zhuǎn)錄終止。 苯丙氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸和組氨酸的合成操縱子都存在衰減子的調(diào)節(jié)位點，也有前導(dǎo)肽序列，通過重復(fù)的調(diào)節(jié)密碼子，在編碼小肽時，翻譯的同時調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄。衰減機(jī)制示意圖轉(zhuǎn)錄（上）和翻譯（下）相偶聯(lián)，注意觀察前導(dǎo)肽的翻譯程度（是否通過色氨酸密碼子）及核糖體的

20、停留位置。UUUUUUUU調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因 trpROP前導(dǎo)序列 衰減子區(qū)域 UUUU前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu) 第10、11密碼子為trp密碼子 終止密碼子 14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū): 包含序列1 trp 密碼子 UUUUUUUU34UUUU 334核糖體 前導(dǎo)肽 前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時 轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制 125 trp 密碼子 衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNA UUUU 3 RNA聚合酶 終止UUUU342423UUUU核糖體 前導(dǎo)肽 前導(dǎo)mRNA 15 trp 密碼子 結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA RNA聚合酶 2.當(dāng)色氨酸濃度低時 Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄 序列3、4不能形成

21、衰減子結(jié)構(gòu) 衰減調(diào)節(jié)的意義色氨酸操縱子衰減機(jī)制可以保證充分地消耗色氨酸，使其合成維持在滿足需要的水平，防止色氨酸堆積和過多地消耗能量。同時，也使細(xì)菌能夠優(yōu)先將環(huán)境中的色氨酸消耗完，然后開始自身合成。 習(xí)題 E.Coli細(xì)胞生長在以葡萄糖為唯一碳源的介質(zhì)中，突然加入色氨酸，細(xì)胞繼續(xù)生長，每30分鐘分裂一次。定性地描述在下列條件下細(xì)胞內(nèi)色氨酸合成酶的活性如何變化？1.trp mRNA穩(wěn)定；2.trp mRNA快速降解，但色氨酸合成酶穩(wěn)定；3. trp mRNA和色氨酸合成酶都降解，而且比正常條件下快。參考答案：（應(yīng)從基因表達(dá)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)錄、翻譯和酶穩(wěn)定性角度綜合回答）1.盡管存在色氨酸，但色氨酸合成酶

22、活性仍維持高水平（ mRAN穩(wěn)定，雖然轉(zhuǎn)錄抑制但可以繼續(xù)翻譯）；2. 活性維持高水平（ mRAN降解，雖然翻譯抑制，但原有的酶自身穩(wěn)定性高）；3.活性快速下降（既無翻譯產(chǎn)生新酶，原有的酶又快速降解）。小結(jié)：色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)節(jié)與衰減調(diào)節(jié)相同點：都是在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)。區(qū)別：前者控制轉(zhuǎn)錄能否起始（粗調(diào)）；后者控制轉(zhuǎn)錄起始后能否繼續(xù)到RNA聚合酶通過衰減區(qū)形成完整的mRNA（微調(diào)）。結(jié)論：衰減作用是比阻遏蛋白負(fù)調(diào)節(jié)更為精細(xì)的調(diào)節(jié)。三、原核生物轉(zhuǎn)錄的整體調(diào)控模式 調(diào)節(jié)子：由成群的操縱子組成的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過組成調(diào)節(jié)子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對若干操縱子及若干蛋白質(zhì)的合成進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，從而達(dá)到整體調(diào)控的目的

23、。典型的整體調(diào)控模式是SOS反應(yīng)，由一組與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因參與。在正常情況下，這些基因均被LexA阻遏蛋白封閉。當(dāng)有紫外線照射時，細(xì)菌體內(nèi)的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，從而導(dǎo)致與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的基因表達(dá)。 SOS反應(yīng) SOS基因紫外線激活Rec ALex A阻遏蛋白 與DNA 損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因表達(dá)Lex A阻遏蛋白操縱序列DNA水解阻遏蛋白重點：真核基因表達(dá)調(diào)節(jié) 與原核生物一樣，真核生物除組成型基因外，絕大多數(shù)基因的表達(dá)是受調(diào)節(jié)的，但較原核生物復(fù)雜得多。真核生物的基因表達(dá)調(diào)節(jié)：正調(diào)節(jié)為主。 真核生物基因個數(shù)較多，如果采取負(fù)調(diào)節(jié)，則要

24、合成大量阻遏蛋白，不經(jīng)濟(jì)；正調(diào)節(jié)則只要在需要表達(dá)時合成相應(yīng)的激活蛋白就可以了。真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)的五個水平 真核生物基因表達(dá)受發(fā)育階段及環(huán)境因子影響，其調(diào)節(jié)發(fā)生在不同的水平上： 一、轉(zhuǎn)錄前水平的調(diào)節(jié)； 二、轉(zhuǎn)錄水平（主要調(diào)節(jié)方式）； 三、轉(zhuǎn)錄后水平； 四、翻譯水平； 五、翻譯后水平。 一、轉(zhuǎn)錄前水平的調(diào)節(jié)通過改變DNA序列和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從而影響基因表達(dá)的過程屬于轉(zhuǎn)錄前水平的調(diào)節(jié)。例如：染色體DNA的斷裂，某些序列刪除、擴(kuò)增、重排和修飾以及異染色質(zhì)化。異染色質(zhì)（heterochromatin）細(xì)胞間期及早前期時仍處于凝集狀態(tài)的染色質(zhì)。與常染色質(zhì)相比，異染色質(zhì)是轉(zhuǎn)錄不活躍部分，多在晚S期復(fù)制。真核生物

25、可以通過異染色質(zhì)化而關(guān)閉某些基因的表達(dá)。雌性哺乳動物細(xì)胞有兩個X染色體，其中一個高度異染色質(zhì)化而永久性失去活性。在正常女性的細(xì)胞核中有一團(tuán)高度凝聚的染色質(zhì)，這是失活的染色體巴爾小體（Barr body）。兩條X染色體中哪一條失活是隨機(jī)的，生殖細(xì)胞形成時失活的X染色體可得到恢復(fù)。人類巴氏小體（箭頭所指）：女性細(xì)胞中的一個X染色體異染色質(zhì)化 關(guān)閉其攜帶基因的表達(dá)。這樣，雌、雄動物之間雖X染色體的數(shù)量不同，但X染色體上基因產(chǎn)物的劑量是平衡的，這個過程就稱為劑量補(bǔ)償。 二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)真核生物的基因調(diào)節(jié)主要表現(xiàn)在對基因轉(zhuǎn)錄活性的控制上?；虻霓D(zhuǎn)錄活性與基因組DNA和染色質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。（一）染色質(zhì)

26、的活化 染色質(zhì)中與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的結(jié)構(gòu)變化稱為染色質(zhì)改型，其中包括核小體組蛋白核心酶促乙?；兔撘阴；?。組蛋白H3和H4氨基末端結(jié)構(gòu)域多個賴氨酸殘基被乙?；档土藢NA的親和力。在轉(zhuǎn)錄活躍的地區(qū)，缺少或全然沒有核小體。乙?；c去乙?；ǘ﹩幼雍驮鰪?qiáng)子的順式作用元件順式作用元件：就是指DNA上對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的某些特定的調(diào)控序列，其活性僅影響與自身處于“同一”DNA分子的基因。真核生物的啟動子有CAAT盒和GC盒等保守序列，這些順式作用元件可以與反式作用因子結(jié)合，促進(jìn)RNA聚合酶的結(jié)合。增強(qiáng)子增強(qiáng)子是指能使和它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列。增強(qiáng)子是通過啟動子來增加轉(zhuǎn)錄的。1981

27、年Benerji在SV40（猴空泡病毒40 ）DNA中發(fā)現(xiàn)一個序列，它能大大提高SV40 DNA兔血紅蛋白融合基因的表達(dá)水平，這是發(fā)現(xiàn)的第一個增強(qiáng)子。它位于SV40轉(zhuǎn)錄位點上游200bp處，由兩個正向重復(fù)序列組成，每個長72bp。目前發(fā)現(xiàn)的增強(qiáng)子多半是重復(fù)序列，一般長50bp，通常有一個812bp組成的“核心”序列，如SV40增強(qiáng)子的核心序列是5GGTGTGGAAAG3。SV40病毒的基因組是一種環(huán)形雙鏈的DNA，基因組5.2kb，病毒的直徑45nm，病毒成熟部位細(xì)胞核，無被膜，62個核殼粒亞單位，這種大小很適于基因操作。同時它也是第一個完成基因組DNA全序列分析的動物病毒。 增強(qiáng)子通常具有下

28、列性質(zhì)： 1、增強(qiáng)效應(yīng)十分明顯，一般能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加10-200倍。經(jīng)人巨大細(xì)胞病毒增強(qiáng)子增強(qiáng)后的珠蛋白基因表達(dá)頻率比該基因正常轉(zhuǎn)錄高600-1000倍!2、增強(qiáng)效應(yīng)與其位置和取向無關(guān)，不論增強(qiáng)子以什么方向排列（53或35），甚至和基因相距3 kp，或在基因下游，均表現(xiàn)出增強(qiáng)效應(yīng)； 3、大多為重復(fù)序列，一般長約50bp，適合與某些蛋白因子結(jié)合。其內(nèi)部常含有一個核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），是產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)時所必需的；4、 增強(qiáng)效應(yīng)有嚴(yán)密的組織和細(xì)胞特異性，說明只有特定的蛋白質(zhì)（轉(zhuǎn)錄因子）參與才能發(fā)揮其功能；5、 沒有基因?qū)Ｒ恍?，可以在不同的基因組合上表現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng)； 增強(qiáng)子的

29、作用原理：1、增強(qiáng)子為轉(zhuǎn)錄因子提供進(jìn)入啟動子區(qū)的位點。2、增強(qiáng)子能改變?nèi)旧|(zhì)的構(gòu)象。因為增強(qiáng)子區(qū)域容易發(fā)生從B-DNA到Z-DNA的構(gòu)象變化。 沉默子：能夠?qū)蜣D(zhuǎn)錄起阻遏作用的DNA片 段，屬于負(fù)性調(diào)節(jié)元件。絕緣子：存在于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域的邊界，可阻止增強(qiáng)子對區(qū)域外啟動子影響的DNA片段。（三）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的反式作用因子反式作用因子：參與基因表達(dá)調(diào)控的因子, 它們與特異的靶基因的順式元件結(jié)合起作用。反式作用因子有兩個重要的功能結(jié)構(gòu)域:DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域,它們是其發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能的必需結(jié)構(gòu)。同一類序列特異性的反式作用因子由多基因家族所編碼, 它們具有特定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)(如鋅指結(jié)構(gòu)、堿性亮氨

30、酸拉鏈、螺旋-環(huán)-螺旋基序等)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上的同源性。增強(qiáng)子是通過一類稱之為轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)而發(fā)揮其促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的作用。其作用機(jī)制目前公認(rèn)的是環(huán)出模型。在噬菌體Cro蛋白結(jié)合位點和RNA起始點之間插入數(shù)百堿基對的無關(guān)DNA，Cro蛋白結(jié)合仍然對聚合酶有激活作用。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，Cro蛋白與Cro位點結(jié)合后，通過DAN鏈的彎曲成環(huán)與起始點附近的轉(zhuǎn)錄蛋白靠近并結(jié)合。這一機(jī)制同樣適合于SV40以及其它真核基因的啟動子。 對DNA結(jié)合功能域的研究發(fā)現(xiàn)一些帶共性的結(jié)構(gòu)，主要有： (1)HTH和HLH結(jié)構(gòu)： 由兩段-螺旋夾一段-折迭構(gòu)成，-螺旋與-折迭之間通過-轉(zhuǎn)角或成環(huán)連接，即螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)和螺旋-環(huán)-

31、螺旋結(jié)構(gòu)。典型的例子是噬菌體的Cro蛋白，該蛋白含三段-螺旋和三段-折迭，兩亞基通過-折迭而形成二聚體，相當(dāng)于DNA的一個螺距的長度，而每一亞基的一段-螺旋則剛好能嵌入DNA雙螺旋的大溝中與DNA緊密結(jié)合。 (2)鋅指結(jié)構(gòu)：見于TFA和類固醇激素受體中，由一段富含半胱氨酸的多肽鏈構(gòu)成。每四個半胱氨酸殘基或His殘基螯合一分子Zn2+，其余約12-13個殘基則呈指樣突出，剛好能嵌入DNA雙螺旋的大溝中而與之相結(jié)合。(3)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)： 見于真核生物DNA結(jié)合蛋白質(zhì)的C端，與癌基因表達(dá)調(diào)節(jié)有關(guān)。由兩段-螺旋平行排列構(gòu)成，其-螺旋中存在每隔7個殘基規(guī)律性排列的Leu殘基，Leu側(cè)鏈交替排列而呈拉鏈

32、狀。兩條肽鏈呈鉗狀與DNA結(jié)合。 三、轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)1加帽(adding cap)：即在mRNA的5-端加上m7GpppN的結(jié)構(gòu)。此過程發(fā)生在細(xì)胞核內(nèi)，即hnRNA即可進(jìn)行加帽。加工過程首先是在磷酸酶的作用下，將5-端的磷酸基水解，然后再加上鳥苷三磷酸，形成GpppN的結(jié)構(gòu)，再對G進(jìn)行甲基化。 2加尾(adding tail)：這一過程也是細(xì)胞核內(nèi)完成，首先由核酸外切酶切去3-端一些過剩的核苷酸，然后再加入polyA。polyA結(jié)構(gòu)與mRNA的半壽期有關(guān)。 3剪接（splicing)：真核生物中的結(jié)構(gòu)基因基本上都是斷裂基因。結(jié)構(gòu)基因中能夠指導(dǎo)多肽鏈合成的編碼順序被稱為外顯子，而不能指導(dǎo)多肽鏈合

33、成的非編碼順序就被稱為內(nèi)含子。真核生物hnRNA的剪接一般需snRNA參與構(gòu)成的核蛋白體參加，通過形成套索狀結(jié)構(gòu)而將內(nèi)含子切除掉。 外顯 4內(nèi)部甲基化：由甲基化酶催化，對某些堿基進(jìn)行甲基化處理。 四、翻譯水平的調(diào)節(jié) 主要是控制mRNA的穩(wěn)定性和有選擇性的進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。另外還有起始因子和翻譯控制RNA（tsRNA）。翻譯控制RNA（tsRNA）為20-30核苷酸長的寡聚尿苷酸，可與mRNA結(jié)合形成雙鏈，抑制翻譯作用。雙鏈RNA熔解因子則可使之解鏈。五、翻譯后水平調(diào)節(jié)即多肽鏈的加工和成熟過程。要點：原核和真核生物基因組 基因是指DNA分子中的最小功能單位。包括為RNA(tRNA、rRNA)和蛋白質(zhì)編碼的結(jié)構(gòu)基因和無轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的調(diào)節(jié)基因。 基因組是指某一特定生物單倍體所含的全體基因。原核的1個“染色體”DNA分子，就包含了1個基因組；而真核則指一套單