分子生物學(xué)-基因表達(dá)調(diào)控課件

1

基因表達(dá)的調(diào)控

GeneRegulation

WeiWu,Professor，Dept.ofBiochemistry,CMU

2基因

gene

基因是遺傳信息的功能單位?；虮磉_(dá)就是將基因所攜帶的遺傳信息釋放出來指導(dǎo)生物體性狀表達(dá)的過程?；虮磉_(dá)的過程是十分復(fù)雜的，具有不同的形式和精確的調(diào)控。3基因概念的進(jìn)一步發(fā)展

結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）：編碼多肽鏈或RNA分子的基因調(diào)控基因（regulatorgene）：參與調(diào)控結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因，

包括控制結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始和產(chǎn)物合成速率的基因，能影響其他基因活性的一類基因。4

重疊基因（overlappinggene）：同一個DNA序列可以參與編碼兩個以上的RNA或多肽鏈。不連續(xù)基因（splitgene）：在真核生物中，一個基因的編碼序列（exon）是不連續(xù)的，被若干個非編碼序列（intron）分割，這類結(jié)構(gòu)斷裂的基因稱為不連續(xù)基因，又稱斷裂基因（interruptedgene）。5跳躍基因（jumpinggene）：可以在基因組內(nèi)移動位置的基因。

假基因（pseudogene）：不產(chǎn)生有功能產(chǎn)物的基因。6一個基因→一個mRNA→一條多肽鏈仍然顯得太簡單?；虿粌H可以作為mRNA轉(zhuǎn)錄的模板，也可以作為rRNA和tRNA轉(zhuǎn)錄的模板。有些基因只對其它基因的作用進(jìn)行調(diào)控。多肽鏈的合成與停止更主要的是受制于基因作用的調(diào)控系統(tǒng)。

7Genome891011基因表達(dá)（geneexpression）是指基因組中結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等過程，合成蛋白質(zhì)，進(jìn)而發(fā)揮其特定的生物學(xué)功能的全過程。12DNA13RNA的合成

4種NTP、DNA模板、RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄單位：結(jié)構(gòu)基因、啟動子、終止子按堿基配對原則,沿5’---3’方向真核生物有三型RNA聚合酶分為起始階段、延長階級和終止階段轉(zhuǎn)錄后的產(chǎn)物經(jīng)加工成為成熟的RNA14蛋白質(zhì)的合成合成體系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖體、某些酶與蛋白質(zhì)因子、ATP、GTP、MgmRNA編碼區(qū)的三個相鄰核苷酸組成密碼子tRNA起接合器作用，核糖體是合成場所和裝配機核糖體循環(huán)：起始、肽鏈延長和終止翻譯后加工：折疊、共價修飾、水解和亞單位的聚合15基因表達(dá)及其調(diào)控的特點看家基因（housekeepinggene）在一個生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。組成性基因表達(dá)（constitutivegeneexpression）看家基因的表達(dá)方式，較少受環(huán)境影響，在個體各生長階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)或變化很小。16誘導(dǎo)表達(dá)（inductionexpression）有一些基因表達(dá)極易受環(huán)境影響，在特定環(huán)境信號刺激下，基因的表達(dá)開放或增強。阻遏表達(dá)（repressionexpression）在特定環(huán)境信號刺激下，基因的表達(dá)關(guān)閉或減弱。17時間特異性（temporalspecificity）在多細(xì)胞生物，從受精卵到組織、器官形成的各個發(fā)育階段，相應(yīng)的基因嚴(yán)格按照一定的時間順序開啟或關(guān)閉?？臻g特異性（spatialspecificity）在個體生長全過程，某基因產(chǎn)物在不同組織空間順序出現(xiàn)。18協(xié)調(diào)表達(dá)（coordinatedexpression）功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。又稱協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（coordinatedregulation）19基因表達(dá)的調(diào)控（generegulation）是指各種細(xì)胞中相同的遺傳信息，有規(guī)律的選擇性、程序性、適度的表達(dá)以適應(yīng)機體生長、發(fā)育、繁殖以及環(huán)境變化的需要，發(fā)揮其生理功能的調(diào)節(jié)和控制。20基因表達(dá)調(diào)控的生理意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖維持個體發(fā)育與分化21GeneRegulation-------overexpression--tumor22基因表達(dá)調(diào)控的基本原理基因表達(dá)的多級調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本因素特異DNA序列調(diào)節(jié)蛋白DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用RNA聚合酶23Transcription5’GATCTGACTGACATAGACATAGAT3’

coding(=non-template)strand3’CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA5’

templatestrand

5’GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU3’mRNA

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基因表達(dá)的調(diào)控

ProkaryoticexpressionEukaryoticExpression25

原核生物基因表達(dá)的調(diào)控26一轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

（一）影響轉(zhuǎn)錄的因素啟動子σ因子阻遏蛋白正調(diào)控蛋白倒位蛋白RNA聚合酶抑制物衰減子27操縱子（operon）調(diào)控區(qū)信息區(qū)啟動子操縱基因28啟動子決定轉(zhuǎn)錄方向及模板鏈：E.coli的啟動子長約40-60bp，至少包括三個功能區(qū)。起始部位（initiationsite）＋1結(jié)合部位（bindingsite）-10bp，RNA聚合酶與之結(jié)合識別部位（recognitionsite）-35bp，σ因子與之結(jié)合29σ因子不同的因子σ可以競爭性的結(jié)合RNA聚合酶,環(huán)境變化可由到產(chǎn)生特定的σ因子，從而打開一套特定的基因。阻遏蛋白（repressor）與DNA結(jié)合后都是抑制轉(zhuǎn)錄，這種基因表達(dá)調(diào)控的方式稱為負(fù)調(diào)控。30正調(diào)控蛋白與DNA結(jié)合后促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，這種基因表達(dá)調(diào)控的方式稱為正調(diào)控。CAP蛋白(catabolicgeneactivatorprotein，CAP)分解代謝物基因活化蛋白ntrC蛋白是大腸桿菌氮代謝基因激活蛋白，其自身活性可通過ntrB使其磷酸化（有活性）和去磷酸化（無活性）而被調(diào)節(jié)31consensusTATA(Pribnow)boxE.coliPromoters

32倒位蛋白（inversionprotein）是一種位點特異的重組酶。沙門菌H1和H2鞭毛蛋白分別由兩個基因編碼，在一個細(xì)菌克隆中以表達(dá)一種鞭毛抗原為主。衰減子（attenuator）又稱弱化子，位于操縱子中第一個結(jié)構(gòu)基因之前，是一段能減弱轉(zhuǎn)錄作用的序列。33RNA聚合酶抑制物細(xì)菌在缺乏氨基酸的環(huán)境中，RNA聚合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成減少或停止這種現(xiàn)象稱為嚴(yán)謹(jǐn)反應(yīng)（stringentresponse）34Positivevs.NegativeRegulation

35AllostericEffectorsBindingcanalsoberequiredforbindingofrepressor(e.g.Trp)orcanblockanactivator.36（二）轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機制乳糖操縱子調(diào)控的機制阿拉伯糖操縱子的調(diào)控機制色氨酸操縱子的調(diào)控機制371.乳糖操縱子（lacoperon）結(jié)構(gòu)特點三個結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A，分別編碼β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)、透酶(permease)和半乳糖苷乙酰化酶(galactosideacetylase)其上游還有一個啟動子（P）和一個操縱基因（O）啟動子上游還有一個CAP蛋白結(jié)合位點38RegulationofGeneExpressionIPTGalsoinducesSplitslactoselactosetransport??（異丙基硫代半乳糖苷）半乳糖39１.阻遏蛋白基因I有自己的啟動子PI，編碼阻遏蛋白I。I與操縱基因（O)結(jié)合后，使O關(guān)閉。半乳糖和IPTG能結(jié)合Ｉ，使其構(gòu)象發(fā)生改變，因而去阻遏，加速轉(zhuǎn)錄。２.在啟動子Ｐ上有一個代謝物基因激活蛋白（CAP）。

CAP是二聚體，分子內(nèi)有DNA結(jié)合區(qū)和cAMP結(jié)合位點。但無葡萄糖時，cAMP濃度增高，與CAP結(jié)合，刺激轉(zhuǎn)錄；當(dāng)有葡萄糖時，cAMP濃度降低，轉(zhuǎn)錄下降。乳糖操縱子學(xué)說4041cAMPAMPACAdenylatecyclaseandCAPmediateglucoserepressionofLacAdenylatecyclase(AC)isanenzymethatsynthesizescyclicAMP(cAMP)fromATPHighglucose

adenylatecyclaseisinhibited(indirectly,viaacatabolicproduct)

ThereforecAMPlevelsareLOWAbsenceofglucoseadenylatecyclaseisNOTrepressed

ThereforecAMPlevelsareHIGHcAMPformsacomplexwiththeCAPprotein,whichallowsittothenbindtotheCAPsiteupstreamoftheLacoperon.BindingoftheCAPproteinisrequiredtoallowRNApolymerasetobindtothelacpromoterandturnontranscription.IntheabsenceofCAPbinding,thereisno(orverylittle)transcriptionofthelactoseoperon,eveninthepresenceoflactose.glucose42CAPBindingBendsDNAvThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding43CAPmediatesglucoserepressionofLacPromotestranscription44調(diào)控機制I基因編碼產(chǎn)生阻遏蛋白，阻遏蛋白為四聚體，在沒有乳糖的條件下，阻遏基因與操縱基因結(jié)合。當(dāng)有乳糖存在時，經(jīng)透酶作用進(jìn)入細(xì)胞，在β-半乳糖苷酶催化下轉(zhuǎn)變成半乳糖，后者作為誘導(dǎo)劑（inducer）與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白與操縱基因解聚，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。45Lactose

Glucose-+--+-++LacICAP-cAMPFourStatesoftheLacOperon462.阿拉伯糖操縱子（araoperon）結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)基因B、A、D，分別編碼異構(gòu)酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸木酮糖調(diào)控區(qū)由啟動子（P）、起始區(qū)（I）和操縱基因（O）構(gòu)成47CAP48調(diào)控機制C基因是調(diào)節(jié)基因，編碼調(diào)控蛋白AraC，AraC蛋白單獨存在時，結(jié)合到araO1和araO2，表現(xiàn)出負(fù)調(diào)控；阿拉伯糖使AraC蛋白變構(gòu)，結(jié)合到araI上，表現(xiàn)正調(diào)控。在ara操縱子基因表達(dá)調(diào)控中，CAP蛋白的調(diào)控作用不顯著。49TheArabinoseOperon

ThislooppreventsRNAtranscription(NOTtrueforallloops)NoArabinosepresent,operonOFFArabinosepresent,Glucoseabsent,operonON50調(diào)控作用有葡萄糖，有或無阿拉伯糖：關(guān)閉無葡萄糖，無阿拉伯糖：關(guān)閉無葡萄糖，有阿拉伯糖：開放513.色氨酸操縱子（trpoperon）結(jié)構(gòu)特點E.coli的色氨酸操縱子有五個結(jié)構(gòu)基因E、D、C、B、A基因編碼三種酶，用于合成色氨酸，上游調(diào)控區(qū)由啟動子（P）和操縱基因（O）組成R基因編碼阻遏蛋白5253GenomicOrganizationoftheTrpOperon

54調(diào)控機制阻遏型操縱子及衰減機制。衰減子位于結(jié)構(gòu)基因E和操縱基因O之間的L基因中。L基因的部分轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物編碼14個氨基酸，其中含兩個相鄰的色氨酸密碼子，這兩個相鄰的色氨酸密碼子及原核生物中轉(zhuǎn)錄和翻譯的偶聯(lián)是產(chǎn)生衰減的基礎(chǔ)。調(diào)控作用將環(huán)境中的色氨酸消耗完，然后開始自身合成。55ControlofGeneExpressionintheTrpOperonTheenzymecatalyzingthefirststepinthepathwayisinhibitedbyTrp(feedbackcontrol).InthepresenceofTrp,arepressorproteinbindstoanoperatorupstreamoftheTrpoperonandshutsofftranscriptionAttenuation.Thereisa160basepairregionintheTrpmRNAthatcausestranscriptiontoterminateprematurelyifTrpispresent.56TrranscriptionalControl57AttenuationControl58二翻譯水平的調(diào)控SD序列（Shine-Dalgarnosequence）原核細(xì)胞多順反子mRNA上的一段序列，位于起始密碼子上游SD序列與起始密碼子的距離、蛋白質(zhì)對SD序列的作用，影響翻譯的起始mRNA二級結(jié)構(gòu)隱蔽SD序列的作用59mRNA的穩(wěn)定性mRNA的降解速度是翻譯調(diào)控的一個重要因素mRNA的穩(wěn)定與其序列和結(jié)構(gòu)（即一級結(jié)構(gòu)與次級結(jié)構(gòu)）有關(guān)60翻譯產(chǎn)物對自身翻譯的影響核糖體蛋白50種蛋白質(zhì)分布于不同操縱子各自編碼一種可結(jié)合于mRNA多順反子上游特定部位的蛋白質(zhì)，阻止核蛋白體結(jié)合翻譯終止因子RF2調(diào)節(jié)自身的翻譯前25個密碼子與后315個密碼子間的UGAC在無RF2時框移61小分子RNA的調(diào)控作用調(diào)整基因表達(dá)產(chǎn)物的類型mRNA干擾性互補RNA（mRNAinterferingcomplementaryRNA，micRNA）低水平表達(dá)基因的調(diào)控小分子RNA阻遏物在翻譯水平嚴(yán)格控制低水平基因表達(dá)62首醫(yī)頌

五十年前涼水河畔輕舟一葉菜戶營邊一片菜園建校之端露宿風(fēng)餐崢嶸創(chuàng)業(yè)天翻地覆地覆天翻今日校園春鳥啾啾夏蟬囀囀秋草芊芊冬雪綿綿大學(xué)首醫(yī)莘莘學(xué)人英才濟濟攀峰登原科學(xué)發(fā)展教書育人大德大醫(yī)大醫(yī)大愛桃李芬芳花香滿天教育教學(xué)創(chuàng)新拓展三尺講臺一米前線冠上加冠科研攻尖教授挑燈博士夜戰(zhàn)論文篇篇巨著卷卷民主辦學(xué)開放理念勤勉治學(xué)無私奉獻(xiàn)捷報頻傳黨引方向一帆引航帆帆向前反腐倡廉學(xué)術(shù)規(guī)范喜看今朝北有安貞南有天壇宣武同仁美名盛傳老兵百萬新生萬千醫(yī)學(xué)資源世界領(lǐng)先國際斐然轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)步步爭先力爭前沿病魔來犯患者無患小醫(yī)醫(yī)病大醫(yī)醫(yī)人小師治學(xué)大師治心大醫(yī)精誠醫(yī)患同心醫(yī)者流汗患者心疼患者病痛醫(yī)者心酸首醫(yī)校友榮光燦燦海內(nèi)海外鴻圖大展蜚聲天邊江山可移日月可撼青山常在藍(lán)圖不變夢幻家園故國今朝大河悠悠小河潺潺風(fēng)清月明天和日暖來日中華大江濤濤碧水條條人文醫(yī)學(xué)盛世空前日月無壽人生有限青春璨璨聞雞舞劍跋涉險灘來日首醫(yī)一枝獨秀枝枝葉繁統(tǒng)領(lǐng)風(fēng)騷塞北江南

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真核生物基因表達(dá)的調(diào)控6465一、真核細(xì)胞基因表達(dá)的特點①真核基因組比原核基因組大得多②原核基因組的大部分序列都為編碼基因，而哺乳類基因組中只有10%的序列編碼蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重復(fù)序列功能至今還不清楚，可能參與調(diào)控③真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)的，轉(zhuǎn)錄后需要剪接去除內(nèi)含子，這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的層次66④原核生物的基因編碼序列在操縱子中，多順反子mRNA使得幾個功能相關(guān)的基因自然協(xié)調(diào)控制；而真核生物則是一個結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子（monocistron），許多功能相關(guān)的蛋白、即使是一種蛋白的不同亞基也將涉及到多個基因的協(xié)調(diào)表達(dá)67⑤真核生物DNA在細(xì)胞核內(nèi)與多種蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成染色質(zhì)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)直接影響著基因表達(dá)；⑥真核生物的遺傳信息不僅存在于核DNA上，還存在線粒體DNA上，核內(nèi)基因與線粒體基因的表達(dá)調(diào)控既相互獨立而又需要協(xié)調(diào)。

68圖18-5真核生物基因表達(dá)的多層次復(fù)雜調(diào)控69二、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與真核基因表達(dá)密切相關(guān)活性染色質(zhì)(activechromatin)具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)超敏位點（hypersensitivesite)當(dāng)染色質(zhì)活化后，常出現(xiàn)一些對核酸酶（如DNaseI）高度敏感的位點（一）轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)對核酸酶極為敏感70(二)轉(zhuǎn)錄活化染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變

組蛋白結(jié)構(gòu)及其化學(xué)修飾（a）組蛋白與DNA組成的核小體；（b）組蛋白的氨基端伸出核小體，形成組蛋白尾巴；（c）四種組蛋白組成的八聚體71組蛋白修飾對于基因表達(dá)影響的機制也包括兩種相互包容的理論。即：組蛋白的修飾直接影響染色質(zhì)或核小體的結(jié)構(gòu)，以及化學(xué)修飾征集了其他調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，為其他功能分子與組蛋白結(jié)合搭建了一個平臺。這些理論構(gòu)成了“組蛋白密碼”的假說。72組蛋白氨基酸殘基位點修飾類型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色質(zhì)濃縮H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙?；せ頗3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙?；乐筁ys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙?；b配H4Lys-12乙?；b配H4Lys-16乙?；诵◇w裝配H4Lys-16乙?；疐lyX激活組蛋白修飾對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的影響73（三）

CpG島甲基化水平降低CpG島（CpGisland)：甲基化胞嘧啶在基因組中并不是均勻分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整個基因組中，人們將這些GC含量可達(dá)60%，長度為300-3000bp的區(qū)段表觀遺傳（epigeneticinheritance)：染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的影響可以遺傳給子代細(xì)胞，其機制是細(xì)胞內(nèi)存在著具有維持甲基化作用的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，可以在DNA復(fù)制后，依照親本DNA鏈的甲基化位置催化子鏈DNA在相同位置上發(fā)生甲基化74三、基因組中的順式作用元件是轉(zhuǎn)錄起始的關(guān)鍵調(diào)節(jié)部位順式作用元件指可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列75圖18-7 順式作用元件

A、B分別代表同一基因中的兩段特異DNA序列。B序列通過一定機制影響A序列，并通過A序列控制該基因的轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率。A、B序列就是調(diào)節(jié)這個基因轉(zhuǎn)錄活性的順式作用元件76（一）真核生物啟動子結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)遠(yuǎn)較原核生物復(fù)雜真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒77CCAAT盒GC盒TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點酵母真核基因啟動子的典型結(jié)構(gòu)78（二）增強子是能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件增強子的功能及其作用特征如下：與被調(diào)控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件。是組織特異性轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合部位不僅能夠在基因的上游或下游起作用，而且還可以遠(yuǎn)距離實施調(diào)節(jié)作用作用與序列的方向性無關(guān)需要有啟動子才能發(fā)揮作用79（三）沉默子能夠抑制基因的轉(zhuǎn)錄沉默子是一類基因表達(dá)的負(fù)性調(diào)控元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用80四、轉(zhuǎn)錄因子是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵分子真核基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白又稱轉(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)因子由其編碼基因表達(dá)后，進(jìn)入細(xì)胞核，通過識別、結(jié)合特異的順式作用元件而增強或降低相應(yīng)基因的表達(dá)。轉(zhuǎn)錄因子也被稱為反式作用蛋白或反式作用因子。81真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達(dá)，稱順式作用。由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達(dá)。這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用。

反式作用因子(trans-actingfactor)

82圖18-8反式與順式作用蛋白83通用轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）通用轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子84特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)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(dá)。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子85轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域86最常見的DNA結(jié)合域：鋅指模體(zincfinger)常結(jié)合GC盒C=半胱氨酸；H=組氨酸；F=苯丙氨酸；L=亮氨酸；Y=酪氨酸；Zn=鋅離子圖18-9鋅指結(jié)構(gòu)87堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basichelix-loop-helix,bHLH)（a）獨立的堿性螺旋-環(huán)-螺旋模體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bLHL模體二聚體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個-螺旋的堿性區(qū)分別嵌入DNA雙螺旋的大溝內(nèi)常結(jié)合CAAT盒88常結(jié)合CAAT盒3.堿性亮氨酸拉鏈(basicleucinezipper,Bzip)（a）堿性亮氨酸拉鏈模體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bZIP模體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個-螺旋上的亮氨酸殘基彼此接近，形成了類似拉鏈的結(jié)構(gòu)，而富含堿性氨基酸殘基的區(qū)域與DNA骨架上的磷酸基團結(jié)合89五、轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的動態(tài)構(gòu)成是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要方式（一）啟動序列/啟動子與RNA聚合酶活性（二）調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性啟動序列或啟動子的核苷酸序列會影響其與RNA聚合酶的親和力，而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄起始的頻率真核RNA聚合酶II不能單獨識別、結(jié)合啟動子，而是先由基本轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶II形成一個功能性的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物。90圖18-12轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成

真核RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。PolⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPDNATATAEBPTBP91六、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要影響真核mRNA的結(jié)構(gòu)與功能（一）mRNA穩(wěn)定性的影響真核生物基因表達(dá)5-端的帽子結(jié)構(gòu)可以增加mRNA的穩(wěn)定性3-端的poly(A)尾結(jié)構(gòu)防止mRNA降解RNA無論是在核內(nèi)進(jìn)行加工、由胞核運至胞漿，還是在胞漿內(nèi)停留（至降解），都是通過與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白顆粒(ribonucleoprotein,RNP)進(jìn)行的。92與原核基因表達(dá)調(diào)節(jié)一樣，某些小分子RNA也可調(diào)節(jié)真核基因表達(dá)。這些RNA都是非編碼RNA（noncodingRNA,ncRNA）。如：具有催化活性的RNA（核酶）、細(xì)胞核小分子RNA（snRNA）以及核仁小分子RNA（snoRNA）目前人們廣泛關(guān)注的非編碼RNA有miRNA和siRNA。小分子RNA對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)十分復(fù)雜，（二）一些非編碼小分子RNA可引起轉(zhuǎn)錄后基因沉默93（三）mRNA前體的選擇性剪接可以調(diào)節(jié)真核生物基因表達(dá)真核生物基因所轉(zhuǎn)錄出的mRNA前體含有交替連接的內(nèi)含子和外顯子。通常狀態(tài)下，mRNA前體經(jīng)過剔除內(nèi)含子序列后成為一個成熟的mRNA，并被翻譯成為一條相應(yīng)的多肽鏈。但是，參與拼接的外顯子可以不按照其在基因組內(nèi)的線性分布次序拼接，內(nèi)含子也可以不完全被切除，由此產(chǎn)生了選擇性剪接94七、真核基因表達(dá)在翻譯以及翻譯后仍可受到調(diào)控（一）對翻譯起始因子活性的調(diào)節(jié)主要通過磷酸化修飾進(jìn)行蛋白質(zhì)合成速率的快速變化在很大程度上取決于起始水平，通過磷酸化調(diào)節(jié)翻譯起始因子（eukaryoticinitiationfactor,eIF）的活性對起始階段有重要的控制作用。1．翻譯起始因子eIF-2α的磷酸化抑制翻譯起始952．eIF-4E及eIF-4E結(jié)合蛋白的磷酸化激活翻譯起始帽結(jié)合蛋白eIF-4E與mRNA帽結(jié)構(gòu)的結(jié)合是翻譯起始的限速步驟，磷酸化修飾及與抑制物蛋白的結(jié)合均可調(diào)節(jié)eIF-4E的活性。磷酸化的eIF-4E與帽結(jié)構(gòu)的結(jié)合力是非磷酸化的eIF-4E的4倍，因而可提高翻譯的效率。96（二）RNA結(jié)合蛋白參與了對翻譯起始的調(diào)節(jié)RNA結(jié)合蛋白（RNAbindingprotein,RBP），是指那些能夠與RNA特異序列結(jié)合的蛋白質(zhì)?；虮磉_(dá)的許多調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)都有RBP的參與，如前述轉(zhuǎn)錄終止、RNA剪接、RNA轉(zhuǎn)運、RNA胞漿內(nèi)穩(wěn)定性控制以及翻譯起始等。97（三）對翻譯產(chǎn)物水平及活性的調(diào)節(jié)可以快速調(diào)控基因表達(dá)新合成蛋白質(zhì)的半衰期長短是決定蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的重要影響因素。因此，通過對新生肽鏈的水解和運輸，可以控制蛋白質(zhì)的濃度在特定的部位或亞細(xì)胞器保持在合適的水平。許多蛋白質(zhì)需要在合成后經(jīng)過特定的修飾才具有功能活性。通過對蛋白質(zhì)的可逆的磷酸化、甲基化、?；揎?，可以達(dá)到調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能的作用，是基因表達(dá)的快速調(diào)節(jié)方式。98是一大家族小分子非編碼單鏈RNA，長度約20-25個堿基，由一段具有發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)，長度為70~90個堿基的單鏈RNA前體(pre-miRNA)經(jīng)Dicer酶剪切后形成。這些成熟的miRNA與其他蛋白質(zhì)一起組成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體（RNA-inducedsilencingcomplex,RISC），通過與其靶mRNA分子的3'端非翻譯區(qū)域（3'UTR）互補匹配，再以目前尚不清楚的機制抑制該mRNA分子的翻譯。

（四）小分子RNA對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)十分復(fù)雜1．微小RNA(microRNA,miRNA)99其長度一般為20~25個堿基；在不同生物體中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明顯的表達(dá)階段特異性和組織特異性；miRNA基因以單拷貝、多拷貝或基因簇等多種形式存在于基因組中，大多位于基因間隔區(qū)。miRNA的特點：100是細(xì)胞內(nèi)一類雙鏈RNA(double-strandedRNA，dsRNA)在特定情況下通過一定酶切機制，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟ㄩL度(21－23個堿基)和特定序列的小片段RNA。雙鏈siRNA參與RISC組成，與特異的靶mRNA完全互補結(jié)合，導(dǎo)致靶mRNA降解，阻斷翻譯過程。由siRNA介導(dǎo)的基因表達(dá)抑制作用被稱為RNA干涉(RNAinterference，RNAi)。2．小干擾RNA(smallinterferingRNA,siRNA)101

>30bp雙鏈RNA（dsRNA）水解生成21-23nt

siRNA

5’3’3’5’

RISC形成

識別特異序列并使其降解RNA干擾作用機制102siRNAmiRNA前體內(nèi)源或外源長雙鏈RNA誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)源發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)構(gòu)雙鏈分子單鏈分子功能降解mRNA阻遏其翻譯靶mRNA結(jié)合需完全互補不需完全互補生物學(xué)效應(yīng)抑制轉(zhuǎn)座子活性和病毒感染發(fā)育過程的調(diào)節(jié)siRNA和miRNA的差異比較103（五）長鏈非編碼RNA在基因表達(dá)調(diào)控中的作用不容忽視長鏈非編碼RNA（lncRNA）是一類轉(zhuǎn)錄本長度超過200個核苷酸的RNA分子，不直接參與基因編碼和蛋白質(zhì)合成，但是可在表觀遺傳水平、轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因的表達(dá)。104真核生物和原核生物的比較

在真核生物中，不同組織的細(xì)胞在功能上是高度分化的在動物胰臟細(xì)胞中不會產(chǎn)生視網(wǎng)膜色素，而在視網(wǎng)膜細(xì)胞中也會不產(chǎn)生胰島素。真核細(xì)胞具有選擇性激活和抑制基因表達(dá)的機制。105真核生物和原核生物的比較

真核生物細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄和翻譯在時間和空間上是分開的

轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核中翻譯在細(xì)胞質(zhì)中106DNA水平的調(diào)控染色質(zhì)丟失低等生物及動物紅細(xì)胞，不可逆