生物基因表達(dá)的調(diào)控

原核生物基因表達(dá)的調(diào)控9.1基因表達(dá)調(diào)控的基本概念9.1.1基因表達(dá)的概念基因表達(dá)(geneexpression):是指儲(chǔ)存遺傳信息的基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯合成特定蛋白質(zhì)，進(jìn)而發(fā)揮其生物功能的整個(gè)過(guò)程。也即基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程。對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為調(diào)控(generegulation)。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過(guò)程也屬于基因表達(dá)。9.1.2基因表達(dá)的方式(一)組成性表達(dá)(constitutiveexpression)概念：又稱組成性基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)是指在個(gè)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(duì)生命過(guò)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管家基因(housekeepinggene)。特點(diǎn)不易受環(huán)境變化影響,表達(dá)產(chǎn)物是整個(gè)生命過(guò)程中都持續(xù)需要的，是細(xì)胞存活所必須的。表達(dá)水平較恒定。意義維持生命(二)適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression)概念：指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因表達(dá)。包括：誘導(dǎo)一隨環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因(induciblegene)；阻遏--相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)0特點(diǎn)易受環(huán)境變化影響意義適應(yīng)環(huán)境9.1.3基因表達(dá)的時(shí)間性和空間性1、時(shí)間特異性(temporalspecificity)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，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異^stage、攝蠱:/)。.162、空間特異性（spatialspecificity）是指多細(xì)胞生物個(gè)體在某一特定生長(zhǎng)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（cellortissuespecificity）09.1.4基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖（原核、真核）維持個(gè)體發(fā)育與分化（真核）9.1.5基因表達(dá)調(diào)控的基本原理（一） 基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控可見(jiàn)于從基因激活到蛋白質(zhì)生物合成的各個(gè)階段，因此基因表達(dá)的調(diào)控可分為轉(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(yùn)）翻譯水平翻譯后水平但以轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控最重要。（二） 基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素順式作用元件（cis-actingelement）：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)控有關(guān)的特殊順序。在原核生物中，大多數(shù)基因表達(dá)通過(guò)操縱子模型進(jìn)行調(diào)控，其順式作用元件主要由啟動(dòng)基因、操縱基因和調(diào)節(jié)基因組成。在真核生物中，與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的順式作用元件主要有啟動(dòng)子（promoter）.增強(qiáng)子（enhancer）和沉默子（silencer）反式作用因子（trans-actingfactor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達(dá)調(diào)控有關(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(duì)特定基因進(jìn)行調(diào)控的目的。原核生物中的反式作用因子主要分為特異因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常稱為轉(zhuǎn)錄因子。順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在與DNA結(jié)合之前，需先通過(guò)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(guò)識(shí)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(jià)鍵結(jié)合0

9.2原核基因調(diào)控機(jī)制9.2.1原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)1、 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（transcriptionalregulation1、 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（transcriptionalregulation）2、 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptionalregulation）mRNA加工成熟水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控9.2.2操縱子學(xué)說(shuō)1、 操縱子模型的提出1961年，Monod和Jacob提出，獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)2、 操縱子的定義操縱元模型的一般結(jié)構(gòu)操縱元控制區(qū) 信息區(qū)啟動(dòng)操縱調(diào)節(jié)基因 基因__基因__結(jié)構(gòu)基因 RIIPIOIST[IST2IT啟動(dòng)子操縱子 終止子操縱子是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。9.2.3原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)1、 根據(jù)操縱子對(duì)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應(yīng)答，可分為：正轉(zhuǎn)錄調(diào)控：在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開(kāi)啟，這樣的調(diào)控成為正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控：在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控稱為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。2、 根據(jù)操縱子對(duì)某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應(yīng)答，可分為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類:可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)（P238）：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來(lái)關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子誘導(dǎo)物：如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來(lái)分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物?？勺瓒粽{(diào)節(jié)（P238）:基因平時(shí)是開(kāi)啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過(guò)程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。即在某些物質(zhì)的阻遏下使基因關(guān)閉。例：色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因酶合成的阻遏操縱子模型3、 在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor）,起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏：在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。負(fù)控誘導(dǎo)在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。負(fù)控阻遏4、 在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白（activator）。根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)和正控阻遏在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。正控誘導(dǎo)在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；正控誘導(dǎo)正控阻遏在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。正控阻遏9.2.4轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式1、。因子的更換在E.coli中，當(dāng)細(xì)胞從基本的轉(zhuǎn)錄機(jī)制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達(dá)時(shí)，需要不同的因子指導(dǎo)RNA聚合酶與各種啟動(dòng)子結(jié)合。大腸桿菌中的各種。因子比較溫度較高，誘導(dǎo)產(chǎn)生各種熱休克蛋白由o32參與構(gòu)成的RNA聚合酶與熱休克應(yīng)答基因啟動(dòng)子結(jié)合，誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的熱休克蛋白,適應(yīng)環(huán)境需要枯草芽抱桿菌芽抱形成有序的。因子的替換,RNA聚合酶識(shí)別不同基因的啟動(dòng)子，使芽抱形成有關(guān)的基因有序地表達(dá)2、 降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)3、 弱化子對(duì)基因活性的影響9.3乳糖操縱子（lacoperon）9.3.1乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)1） 結(jié)構(gòu)基因：分解乳糖的三種酶，使乳糖分解，產(chǎn)生能量。2） 操縱基因3） 啟動(dòng)子4） CAP5） i基因：上游，產(chǎn)生阻遏物。結(jié)構(gòu)基因Z編碼0-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼0-半乳糖苷透過(guò)酶：使外界的0-半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。A編碼0-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙酰基轉(zhuǎn)到0-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。9.3.2酶的誘導(dǎo)i@lac體系受調(diào)控的證據(jù)義務(wù)誘導(dǎo)物（gratuitousinducer）:如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為義務(wù)誘導(dǎo)物，如IPTG（異丙基-0-D-硫代半乳糖苷）。9.3.3乳糖操縱子調(diào)控模型主要內(nèi)容：Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順?lè)醋拥膍RNA分子所編碼這個(gè)mRNA分子的啟動(dòng)子緊接著O（operater，操縱基因）區(qū)，而位于I與O之間的啟動(dòng)子區(qū)（P），不能單獨(dú)起動(dòng)合成0-半乳糖苷酶和透過(guò)酶的生理過(guò)程。操縱基因（operater）是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。⑤誘導(dǎo)物通過(guò)與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱基因區(qū)沒(méi)有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的合成。（一） 阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)：（分解代謝）一一可誘導(dǎo)調(diào)控1） 無(wú)乳糖存在時(shí)，阻遏物可以結(jié)合在操縱基因上一一阻止轉(zhuǎn)錄過(guò)程一一基因關(guān)閉2） 有乳糖存在時(shí)，乳糖與阻遏物結(jié)合一一阻遏物變構(gòu)一一阻遏物不能結(jié)合操縱基因一一轉(zhuǎn)錄進(jìn)行一一基因開(kāi)放可誘導(dǎo)調(diào)控的操縱子，其基因表達(dá)產(chǎn)物都是利用某種營(yíng)養(yǎng)物的酶體系（分解代謝）有營(yíng)養(yǎng)物一一相應(yīng)基因開(kāi)放無(wú)營(yíng)養(yǎng)物一一細(xì)胞就沒(méi)必要產(chǎn)生相應(yīng)的酶（二） CAP的正性調(diào)節(jié)調(diào)控機(jī)理：代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP）細(xì)菌中有一種能與cAMP特異結(jié)合的環(huán)腺甘酸受體蛋白（cAMPreceptorprotein,CRP）當(dāng)CRP未與cAMP結(jié)合時(shí)它是沒(méi)有活性的；當(dāng)cAMP濃度升高時(shí)，CRP與cAMP結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，稱為代謝物激活蛋白（CataboliteActivatorProtein,CAP）,能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合。在lac操縱元的啟動(dòng)子Plac上游端有一段與Plac部分重疊的序列，能與CAP特異結(jié)合，稱為CAP結(jié)合位點(diǎn)（CAPbindingsite）。CAP與這段序列結(jié)合時(shí)，可增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。相反，當(dāng)有葡萄糖可供分解利用時(shí)，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，lac操縱元的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降。CRP+cAMP一一復(fù)合物CAP一一結(jié)合在CAP的結(jié)合位點(diǎn)上一一促進(jìn)RNApol向前移動(dòng)2、 CAP正調(diào)控的意義葡萄糖、乳糖同時(shí)存在時(shí)，葡萄糖先利用1） 有葡萄糖存在時(shí)，cAMP；一一cAMP+CRP形成復(fù)合物I，不能結(jié)合CAP位點(diǎn)上，一一＞正調(diào)控作用；一一乳糖操縱子不能表達(dá)。（雖然有乳糖存在，乳糖操縱子不開(kāi)放基因）2） 無(wú)葡萄糖存在時(shí)，cAMPf—一CAPf一一正調(diào)控作用一一基因表達(dá)。可見(jiàn)，對(duì)lac操縱子來(lái)說(shuō)CAP是正性調(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)。（三） 協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用如無(wú)CAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。cAMP—CAP復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對(duì)lac操縱子的阻遏作用稱為分解代謝阻遏(catabolicrepression)。9.3.4影響因子1、 lac操縱子的本底水平表達(dá)有兩個(gè)矛盾是操縱子理論所不能解釋的：誘導(dǎo)物需要穿過(guò)細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過(guò)酶，后者的合成有需要誘導(dǎo)。解釋：一些誘導(dǎo)物可以在透過(guò)酶不存在時(shí)進(jìn)入細(xì)胞？一些透過(guò)酶可以在沒(méi)有誘導(dǎo)物的情況下合成？寸真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在0-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有0-半乳糖甘酶的預(yù)先存在。解釋：本底水平的組成型合成：非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成。2、 大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)培養(yǎng)基：甘油按照l(shuí)ac操縱子本底水平的表達(dá)，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有幾個(gè)分子的0-半乳糖苷酶和0-半乳糖苷透過(guò)酶；培養(yǎng)基：加入乳糖誘導(dǎo)物的加入和去除對(duì)lacmRNA的影響3、 阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動(dòng)子控制下組成型合成的，每個(gè)細(xì)胞中有5-10個(gè)阻遏物分子。當(dāng)I基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來(lái)克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。4、 葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會(huì)誘導(dǎo)lac操縱子表達(dá)分解乳糖所需的三種酶。iaia代謝物阻遏效應(yīng)5、cAMP與代謝物激活蛋白(P239)細(xì)菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)：當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解供給能量時(shí)，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當(dāng)環(huán)境中無(wú)葡萄糖可供利用時(shí)，cAMP含量就升高。大腸桿菌中：無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高；有葡萄糖，cAMP濃度低CAP的正調(diào)控9.4色氨酸操縱子(trpoperon)色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分。一般的環(huán)境難以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過(guò)許多步驟合成色氨酸。但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時(shí)，細(xì)菌就會(huì)充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做到這點(diǎn)是因?yàn)橛猩彼岵倏v元(trpoperon)的調(diào)控。9.4.1色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：trpR和trpABCDE不連鎖；操縱基因在啟動(dòng)子內(nèi)有衰減子(attenuator)/弱化子啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被前導(dǎo)序列(Leader)所隔開(kāi)trp操縱子的阻遏系統(tǒng)低Trp時(shí)：阻遏物不結(jié)合操縱基因；高Trp時(shí)：阻遏物+Trp結(jié)合操縱基因trp操縱子的阻遏系統(tǒng)trp操縱子的弱化機(jī)制衰減子(attenuator)/弱化子前導(dǎo)序列（leadersequence）現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)觀察表明：當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度，但還沒(méi)有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時(shí)，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。機(jī)制：仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)這種調(diào)控現(xiàn)象與色氨酸操縱元特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。1、 弱化子：DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過(guò)早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）。研究引起終止的mRNA堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過(guò)自我配對(duì)可以形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。2、 前導(dǎo)序列：在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前一個(gè)長(zhǎng)162bp的mRNA片段。3、 弱化機(jī)制（P244）a）如果當(dāng)其他氨基酸短缺（注意：短開(kāi)放讀框編碼的14肽中多數(shù)氨基酸能由環(huán)境充分供應(yīng)的機(jī)會(huì)是不多的）或所有的氨基酸都不足時(shí)，核糖體翻譯移動(dòng)的速度就更慢，甚至不能占據(jù)1的序列，結(jié)果有利于1和2、3和4發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成，于是RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄，等于告訴細(xì)菌：整個(gè)氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白質(zhì)，不如不合成以節(jié)省能量。b） Lowtryptophanlevels '當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)，生成的tRNAtrp就少，核糖體在序列1的trp密碼子處暫停，序列2和3之間形成配對(duì)結(jié)構(gòu)，阻止了衰減，因?yàn)樾蛄?不再與序列4之間形成衰減結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶得以沿DNA前進(jìn)，繼續(xù)去轉(zhuǎn)錄其后trpE等基因，trp操縱元就處于開(kāi)放狀態(tài)。c） Hightryptophanlevels當(dāng)色氨酸濃度增高時(shí)，tRNAtrp濃度隨之升高，核糖體快速翻譯序列1（前導(dǎo)肽閱讀框），占據(jù)到2的機(jī)會(huì)增加，1和2生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)減少，3和4形成類似終止子的衰減子結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)增多，導(dǎo)致RNA聚合酶終止轉(zhuǎn)錄。細(xì)菌通過(guò)弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒苁罐D(zhuǎn)錄不起始，對(duì)于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過(guò)弱化作用使之中途停下來(lái)。阻遏作用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號(hào)則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少，它通過(guò)前導(dǎo)肽的翻譯來(lái)控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用。在trp操縱元中，對(duì)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控起到粗調(diào)的作用，而衰減子起到細(xì)調(diào)的作用。細(xì)菌其他氨基酸合成系統(tǒng)的許多操縱元（如組氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸等操縱元）中也有類似的衰減子存在。9.5其他操縱子半乳糖操縱子(galactoseoperon)異構(gòu)酶(galE)乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galT)半乳糖激酶(galk)。gal操縱子的結(jié)構(gòu)gal操縱子的特點(diǎn)：它有兩個(gè)啟動(dòng)子，其mRNA可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)錄；它有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。阿拉伯糖操縱子(arabinoseoperon)araB基因、araA基因和araD,形成一個(gè)基因簇，簡(jiǎn)寫為araBAD三個(gè)基因的表達(dá)受到ara操縱子中araC基因產(chǎn)物AraC蛋白的調(diào)控。ara操縱子的調(diào)控有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，araC表達(dá)受到AraC的自身調(diào)控。第二，AraC既是ara操縱子的正調(diào)節(jié)蛋白(需cAMP-CRP的共同參與，起始轉(zhuǎn)錄)，又是其負(fù)調(diào)節(jié)蛋白。這種雙重核是生過(guò)物0^蛋白^的表種達(dá)的來(lái)實(shí)調(diào)的(Pi和Pr)。10.1真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類一、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)原核生物的調(diào)控系統(tǒng)就是要在一個(gè)特定的環(huán)境中為細(xì)胞創(chuàng)造高速生長(zhǎng)的條件，或使細(xì)胞在受到損傷時(shí)，盡快得到修復(fù)，所以，原核生物基因表達(dá)的開(kāi)關(guān)經(jīng)常是通過(guò)控制轉(zhuǎn)錄的起始來(lái)調(diào)節(jié)的。真核基因表達(dá)調(diào)控的最顯著特征是能在特定時(shí)間和特定的細(xì)胞中激活特定的基因，從而實(shí)現(xiàn)”預(yù)定”的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育過(guò)程，并使生物的組織和器官在一定的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持正常功能。真核生物基因表達(dá)調(diào)控與原核的共同點(diǎn)：基因表達(dá)都有轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，且以轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控為最重要；在結(jié)構(gòu)基因上游和下游、甚至內(nèi)部存在多種調(diào)控成分，并依靠特異蛋白因子與這些調(diào)控成分的結(jié)合與否調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。真核生物基因表達(dá)調(diào)控與原核的不同點(diǎn)：1、真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)更多：轉(zhuǎn)錄與翻譯間隔進(jìn)行，具有多種原核生物沒(méi)有的調(diào)控機(jī)制；個(gè)體發(fā)育復(fù)雜，具有調(diào)控基因特異性表達(dá)的機(jī)制。2、 真核生物活性染色體結(jié)構(gòu)的變化對(duì)基因表達(dá)具有調(diào)控作用：DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、DNA堿基修飾變化、組蛋白變化；3、 正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)，且一個(gè)真核基因通常有多個(gè)調(diào)控序列，需要有多個(gè)激活物。二、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的種類根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：一是瞬時(shí)調(diào)控或稱為可逆性調(diào)控，它相當(dāng)于原核細(xì)胞對(duì)環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)。瞬時(shí)調(diào)控包括某種底物或激素水平的升降，及細(xì)胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié)。二是發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控，是真核基因調(diào)控的精髓部分，它決定了真核細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、發(fā)育的全部進(jìn)程。根據(jù)基因調(diào)控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可分為：DNA水平調(diào)控Replicationalregulation-轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控transcriptionalregulation轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控posttranscriptionalregulation-翻譯水平調(diào)控translationalregulation蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控regulationofproteinmaturation10.2真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控一、 基因丟失二、 基因擴(kuò)增三、 基因重排四、 DNA的甲基化與基因調(diào)控五、 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控一、基因丟失丟失一段DNA或整條染色體的現(xiàn)象。在細(xì)胞分化過(guò)程中，可以通過(guò)丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動(dòng)物、線蟲(chóng)、昆蟲(chóng)和甲殼類動(dòng)物在個(gè)體發(fā)育中，許多體細(xì)胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來(lái)分化產(chǎn)生生殖細(xì)胞的那些細(xì)胞一直保留著整套的染色體。-目前，在高等真核生物（包括動(dòng)物、植物）中尚未發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象。圖馬蛔蟲(chóng)受精卵的早期分裂馬蛔蟲(chóng)2n=2,但染色體上有多個(gè)著絲粒。第一次卵裂是橫裂，產(chǎn)生上下2個(gè)子細(xì)胞。第二次卵裂時(shí)，一個(gè)子細(xì)胞仍進(jìn)行橫裂，保持完整的基因組，而另一個(gè)子細(xì)胞卻進(jìn)行縱向分裂，

丟失部分染色體。圖小麥癭蚊的染色體丟棄癭蚊卵跟果蠅相似(始核分裂胞質(zhì)不分裂)，其卵的后端含有一種特殊的細(xì)胞質(zhì)極細(xì)胞質(zhì)核f保持了全部40條染色體一生殖細(xì)胞其他細(xì)胞質(zhì)區(qū)域核f丟失32條、留8條f體細(xì)胞二、 基因擴(kuò)增基因擴(kuò)增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性增大的現(xiàn)象，它使得細(xì)胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿足生長(zhǎng)發(fā)育的需要，是基因活性調(diào)控的一種方式。如非洲爪蟾卵母細(xì)胞中rDNA的基因擴(kuò)增是因發(fā)育需要而出現(xiàn)的基因擴(kuò)增現(xiàn)象。發(fā)育或系統(tǒng)發(fā)生中的倍性增加在植物中普遍存在基因組拷貝數(shù)增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的現(xiàn)象?；蚪M拷貝數(shù)增加使可供遺傳重組的物質(zhì)增多，這可能構(gòu)成了加速基因進(jìn)化、基因組重組和最終物種形成的一種方式。三、 基因重排將一個(gè)基因從遠(yuǎn)離啟動(dòng)子的地方移到距它很近的位點(diǎn)從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，這種方式被稱為基因重排。通過(guò)基因重排調(diào)節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。在人類基因組中，所有抗體的重鏈和輕鏈都不是由固定的完整基因編碼的，而是由不同基因片段經(jīng)重排后形成的完整基因編碼的。完整的重鏈基因由VH、D、J和C四個(gè)基因片斷組合而成。完整的輕鏈基因由VL、J和C3個(gè)片段組合而成。人類基因組中抗體基因片斷產(chǎn)生免疫球蛋白分子多樣性的遺傳控制重鏈和輕鏈的不同組合，K、入、H；□□□□□n在重鏈中，V、D□□□□□nK輕鏈中V和C的組合；入輕鏈中V、J和C的組合；基因片段之間的連接點(diǎn)也可以在幾個(gè)bp的范圍內(nèi)移動(dòng)。因此，可以從約300個(gè)抗體基因片段中產(chǎn)生109數(shù)量級(jí)的免疫球蛋白分子。四、 DNA的甲基化與基因調(diào)控1、DNA的甲基化胞嘧啶被甲基化修飾形成5-甲基胞嘧啶(mC)幾乎所有的mC與其3’的鳥(niǎo)嘌吟以5’mCpG3’的形式存在。-當(dāng)兩條鏈上的胞嘧啶都被甲基化時(shí)稱為完全甲基化。-一般在復(fù)制剛完成時(shí)，子鏈上的C呈非甲基化狀態(tài)，稱為半甲基化。在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中-CpG二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA上，CpG島甲基化位點(diǎn)的檢測(cè)特殊的限制性內(nèi)切酶——同裂酶Hpall識(shí)別并切割未甲基化的CCGG(CICGG)MspI識(shí)別無(wú)論是否甲基化的CCGG(CICGG或CICmGG)真核生物細(xì)胞內(nèi)存在兩種甲基化酶活性：構(gòu)建性甲基轉(zhuǎn)移酶：作用于非甲基化位點(diǎn)，對(duì)發(fā)育早期DNA甲基化位點(diǎn)的確定起重要作用。維持性甲基轉(zhuǎn)移酶：作用于半甲基化位點(diǎn)，使子代細(xì)胞具備親代的甲基化狀態(tài)。在一些不表達(dá)的基因中，啟動(dòng)區(qū)的甲基化程度很高，而處于活化狀態(tài)的基因則甲基化程度較低。親本印記(imprinting)印記:來(lái)源于父母本的一對(duì)等位基因表達(dá)不同。如源于父本的IGF-II(胰島素樣生長(zhǎng)因子II)基因可表達(dá)，而源于母本的則不能表達(dá)。這是由于卵母細(xì)胞中的IGF-II已被甲基化，而精子中的IGF-II未被甲基化，所以這一對(duì)等位基因在合子中表現(xiàn)不同。目前在人類和鼠身上已辨明了20種印跡基因。大多數(shù)人類的印跡基因集中在三個(gè)簇中。在每個(gè)基因簇上都存在著特異的印記盒(imprintingbox)，能順式調(diào)節(jié)印跡基因的親本特異性表達(dá)，這些位點(diǎn)表現(xiàn)出親本特異性的甲基化作用和去甲基化作用。3、 DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理DNA甲基化導(dǎo)致某些區(qū)域DNA構(gòu)象變化，從而影響了蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，抑制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)區(qū)DNA的結(jié)合效率。五、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控(一)活性染色質(zhì)按功能狀態(tài)的不同可將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì):活性染色質(zhì)是指具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)；非活性染色質(zhì)是指沒(méi)有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)。真核細(xì)胞中基因轉(zhuǎn)錄的模板是染色質(zhì)而不是裸露的DNA,因此染色質(zhì)呈疏松或緊密結(jié)構(gòu)，即是否處于活化狀態(tài)是決定RNA聚合酶能否有效行使轉(zhuǎn)錄功能的關(guān)鍵?；钚匀旧|(zhì)的主要特點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上：活性染色質(zhì)上具有DNaseI超敏感位點(diǎn)活性染色質(zhì)上具有基因座控制區(qū)活性染色質(zhì)上具有核基質(zhì)結(jié)合區(qū)（MAR序列）活性染色質(zhì)上具有DNaseI超敏感位點(diǎn)。每個(gè)活躍表達(dá)的基因都有一個(gè)或幾個(gè)超敏感位點(diǎn)，大部分位于基因5'端啟動(dòng)子區(qū)域。活性染色質(zhì)上具有核基質(zhì)結(jié)合區(qū)（matrixattachmentregion,MAR）。MAR一般位于DNA放射環(huán)或活性轉(zhuǎn)錄基因的兩端。在外源基因兩端接上MAR，可增加基因表達(dá)水平10倍以上，說(shuō)明MAR在基因表達(dá)調(diào)控中有作用。是一種新的基因調(diào)控元件。（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化1、 對(duì)核酸酶敏感活化基因常有超敏位點(diǎn)，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)附近。2、 DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在；基因活化后3、 DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達(dá)程度呈反比。4、 組蛋白變化富含Lys組蛋白水平降低H2A,H2B二聚體不穩(wěn)定性增加組蛋白修飾：高乙酰化H3組蛋白巰基暴露10.3真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控一、真核生物與原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的差異真核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程涉及復(fù)雜的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化;原核生物調(diào)節(jié)元件種類少，真核很多；原核生物有操縱子結(jié)構(gòu)，真核不組成操縱子；4.大多數(shù)真核生物啟動(dòng)子以正調(diào)控為主，原核生物以負(fù)調(diào)控為主。“基因”的分子生物學(xué)定義：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。二、 真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控順式作用元件(cis-actingelement)定義：影響自身基因表達(dá)活性的非編碼DNA序列。例：?jiǎn)?dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子等1、 啟動(dòng)子：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識(shí)別、結(jié)合并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄起始的序列。2、 增強(qiáng)子指能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列。SV40的轉(zhuǎn)錄單元上發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游約200bp處有兩段長(zhǎng)72bp的正向重復(fù)序列。增強(qiáng)子特點(diǎn)：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倍增強(qiáng)效應(yīng)與其位置和取向無(wú)關(guān)，不論增強(qiáng)子以什么方向排列(5'-3'或3'-5')，甚至和靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表現(xiàn)出增強(qiáng)效應(yīng)；大多為重復(fù)序列，一般長(zhǎng)約50bp，適合與某些蛋白因子結(jié)合。其內(nèi)部常含有一個(gè)核心序列：(G)TGGA/TA/TA/T(G)，該序列是產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)時(shí)所必需的；增強(qiáng)效應(yīng)有嚴(yán)密的組織和細(xì)胞特異性，說(shuō)明增強(qiáng)子只有與特定的蛋白質(zhì)(轉(zhuǎn)錄因子)相互作用才能發(fā)揮其功能；沒(méi)有基因?qū)Ｒ恍裕梢栽诓煌幕蚪M合上表現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng)；許多增強(qiáng)子還受外部信號(hào)的調(diào)控，如金屬硫蛋白的基因啟動(dòng)區(qū)上游所帶的增強(qiáng)子，就可以對(duì)環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應(yīng)。3、 沉默子某些基因含有負(fù)性調(diào)節(jié)元件一一沉默子，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。三、 反式作用因子(轉(zhuǎn)錄因子，transcriptionfactor)(一)定義能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各類順式作用元件上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)也稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionalfactor，TF)。如：TFIID(TATA)、CTF(CAAT)、SP1(GGGCGG)、HSF(熱激蛋白啟動(dòng)區(qū))反式作用因子° 識(shí)別/結(jié)合順式作用元件中的靶序列啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄例：轉(zhuǎn)錄因子TFIID識(shí)別結(jié)合TATAbox

轉(zhuǎn)錄因子SP1 識(shí)別結(jié)合GCbox轉(zhuǎn)錄因子CTF1識(shí)別結(jié)合CCAATbox（二）反式作用因子的類型基本轉(zhuǎn)錄因子（通用轉(zhuǎn)錄因子）又稱TATA盒結(jié)合蛋白，如TFI、TFII和TFIII等。與RNApolII相關(guān)的基本轉(zhuǎn)錄因子基本轉(zhuǎn)錄因子（通用轉(zhuǎn)錄因子）組織或細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子EF1因子Isl-I因子MyoDI因子NF-KB因子DF3因子紅細(xì)胞胰島8細(xì)胞骨骼肌細(xì)胞B淋巴細(xì)胞紅細(xì)胞胰島8細(xì)胞骨骼肌細(xì)胞B淋巴細(xì)胞乳腺癌細(xì)胞CEA陽(yáng)性的腫瘤細(xì)胞3.可誘導(dǎo)（inducible）的轉(zhuǎn)錄因子熱休克轉(zhuǎn)錄因子（HSTF）cAMP效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREBF）血清應(yīng)激因子（SRF）CD28反應(yīng)元件結(jié)合蛋白激活蛋白2（AP-2）（三）轉(zhuǎn)錄因子上的幾種重要結(jié)構(gòu)域反式因子有兩個(gè)必需的結(jié)構(gòu)域1、DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域-螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋（Helix-turn-helix,鋅指結(jié)構(gòu)（zincfinger）堿性-亮氨酸拉鏈（basic-leucine高溫環(huán)境cAMP血清中的生長(zhǎng)因子抗原感染與炎癥反應(yīng)zipper)堿性-螺旋-環(huán)-螺旋（basic-helix/loop/helix,bHLH）螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix