基因表達的調(diào)控

關(guān)于基因表達的調(diào)控概述一、基因（gene)(一)概念從化學(xué)上來說指的是一段DNA或RNA（病毒）順序，該順序可以產(chǎn)生或影響某種表型，可以由于突變生成等位基因變異體。從遺傳學(xué)上來說代表一個遺傳單位、1個功能單位，1個交換單位和1個突變單位。

基因

是核酸分子中貯存遺傳信息的遺傳單位，是指貯存有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA序列信息及表達這些信息所必需的全部核苷酸序列（7分P27）第2頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

1.表型和基因型某一機體可以觀察的特征，稱為表現(xiàn)型（Phenotype，簡稱表型）。與表型相應(yīng)的基因組成稱為基因型（genetype）。如細菌Leu+、Leu-和Leu+、Leu-。

2.等位基因（allele）（1）二倍體細胞有2套基因，一套來自父本，另一套來自母本，每個細胞的全套基因由2套基因組成，每一對基因稱做等位基因。（2）由于突變作用引起DNA結(jié)構(gòu)變異，所以某一基因可具有若干種不同的形式，這種同一基因不同的形式互稱等位基因。第3頁,共91頁，2024年2月25日，星期天3.遺傳基本功能單位基因是遺傳的功能單位，它負責(zé)有一定的遺傳信息，在特定的條件下表達這種信息，產(chǎn)生特定的生理功能。4.交換單位基因是結(jié)構(gòu)單位，交換只能發(fā)生在基因之間。5.作用單位基因能產(chǎn)生一種特定的表型，即基因決定蛋白質(zhì)氨基酸排列順序。6.突變單位基因可作為一個整體變?yōu)榱硪粋€等位基因。（二）分類

基因可以分為結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因。

結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）指能轉(zhuǎn)錄成為mRNA、rRNA或tRNA的DNA順序。第4頁,共91頁，2024年2月25日，星期天二、基因組（genome）

1個配子（精子或卵子，1個單倍體細胞，1個病毒所包含的全套基因。（1個哺乳動物體細胞含2套基因組，1個原核細胞、1個病毒顆粒含1套基因組）細胞或生物體中，一套完整單倍體的遺傳物質(zhì)的總和稱為基因組。原核、真核、病毒3大基因組比較。第5頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

三、基因表達（geneexpression）（里→外）（一）概念基因產(chǎn)生功能的過程，稱基因表達，也稱編碼（code）。

DNARNAprotein基因表達的過程是信息分子（DNA或RNA）轉(zhuǎn)變成功能分子（protein）的過程。mRNAtRNArRNAtranslationtranslationreplicationreversetranscription第6頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

1.轉(zhuǎn)錄

RNApol合成RNA的過程，產(chǎn)生單鏈RNA互補于DNA，在某些病毒中則是互補于RNA模板。

2.翻譯這是由核糖體實現(xiàn)的protein的合成過程，核糖體和tRNA解釋mRNA含有的信息密碼。

蛋白質(zhì)是大而復(fù)雜的功能分子，每1類生物各有其1套特有的蛋白質(zhì)，不同的生物體內(nèi)罕見完全相同的蛋白分子，人的蛋白質(zhì)分子不下10萬種。第7頁,共91頁，2024年2月25日，星期天四、基因表達的調(diào)控

基因表達主要包括（基因）轉(zhuǎn)錄和（蛋白質(zhì)）翻譯使信息分子DNA轉(zhuǎn)變成功分子protein的過程，這一過程在體內(nèi)受到精密的調(diào)控，以保證功能的有序性。這一調(diào)控稱為基因表達的調(diào)控，簡稱基因調(diào)控。第8頁,共91頁，2024年2月25日，星期天五、基因表達調(diào)控的要點第9頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（五）調(diào)控物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)蛋白質(zhì)、核酸、小分子化合物。（六）調(diào)控模式

原核有操縱子調(diào)控模型，已發(fā)現(xiàn)100多種。真核有Britten-Davidsen（法）模型尚未為實驗所證實。

病毒基因表達調(diào)控各種病毒、噬菌體等除部分帶有RNApol或逆轉(zhuǎn)錄酶外主要是利用宿主的基因表達調(diào)控系統(tǒng)。原核病毒適應(yīng)原核生物遺傳策略，真核病毒適應(yīng)真核生物遺傳策略。第12頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（七）基因表達的時間性和空間性

（1）時間特異性：按功能需要，某一特定基因表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性。

（2）空間特異性：在個體生過程中，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，這實際是由細胞在器官的分布決定的，因此又稱細胞特異性或組織特異性。第13頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（八）基因表達的方式

（1）組成性的基因表達：細胞對不同蛋白質(zhì)的需要是不一樣的，一些基因產(chǎn)物對生命全過程都是必需的，這類基因的表達水平在所有細胞或組織中幾乎是不變的，如三羧酸循環(huán)這個中心代謝途徑的酶類，它們的基因表達就屬于這一類，這類基因稱為管家基因（housekeepinggene）。這類穩(wěn)定的幾乎不用調(diào)節(jié)的表達方式稱為組成性的基因表達或基本性的表達（constituteexpression）。

（2）誘導(dǎo)和阻遏表達：某些基因表達產(chǎn)物數(shù)量隨著外界環(huán)境信號變化而變化，這類基因稱為調(diào)節(jié)基因。有些基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答時被激活，基因表達增加的過程稱為誘導(dǎo)（indution），被誘導(dǎo)才表達的基因稱為可誘導(dǎo)基因（induciblegenes），反過來有些基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答時被抑制，基因表達產(chǎn)物水平降低，這種基因表達方式稱為阻遏，這類基因稱作可阻遏基因。例如，當(dāng)色氨酸供給豐富的情況下，細菌中有關(guān)色氨酸合成酶的基因表達就會受到阻遏。第14頁,共91頁，2024年2月25日，星期天六、操縱子

上世紀60年代法國分子生物學(xué)家Jacob和Monod在E.coliβ一半乳糖苷酶誘導(dǎo)生成研究中，發(fā)現(xiàn)了適應(yīng)酶（adaptiveenzyme）基因負調(diào)控系統(tǒng)，提出著名乳糖操縱子模型（Lacoperon），是基因調(diào)控研究的1個里程碑。

細菌調(diào)控的1個共同特點是1個啟動子作用1組基因，一般地說1個細菌代謝途徑所需要的酶是由1組基因所編碼的，這樣的1組基因就是操縱子。

1.操縱子（operon）概念是發(fā)現(xiàn)于細菌體內(nèi)的1種基因調(diào)節(jié)單位，由控制區(qū)和信息區(qū)組成，信息區(qū)包括相鄰的，功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因，在控制區(qū)的調(diào)節(jié)下轉(zhuǎn)錄成mRNA，控制區(qū)主要含操縱基因，啟動子和CAP結(jié)合位點，有些操縱子尚含有衰誠子。第15頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2.類型與結(jié)構(gòu)不同的操縱子結(jié)構(gòu)區(qū)（結(jié)構(gòu)基因串）不同，調(diào)控區(qū)（P-O）也不一樣，因而調(diào)控的方式也不完全相同，據(jù)操縱子對于能調(diào)節(jié)它們表達的小分子應(yīng)答的性質(zhì)可將操縱子分為二大類。第16頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)原核生物基因表達的調(diào)控

從調(diào)控方式來看，原核生物調(diào)控最重要的特點是操縱子模式。

從調(diào)控水平來看，主調(diào)在轉(zhuǎn)錄水平，翻譯水平次之。第17頁,共91頁，2024年2月25日，星期天一、DNA水平的調(diào)控DNA序列重排對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，有稱反向倒位。研究得比較清楚的是沙門氏菌鞭毛抗菌素原H1和H2選擇性表達，H1表達，H2關(guān)閉，反之亦然。機制1.h2基因表達時，同時轉(zhuǎn)錄翻譯出h1基因的阻遏蛋白。2.h2基因不表達時，阻遏h1的蛋白（rh1）也不表達，h1基因表達H1鞭毛抗原。3.h2-rh1

轉(zhuǎn)錄單元是否表達受其上游一段DNA的排列方向所控制。4.105次細胞分裂中發(fā)生1次，1個細菌克隆以表達1種鞭毛抗原為主。第18頁,共91頁，2024年2月25日，星期天倒位基因啟動子H2阻遏蛋白基因啟動子H1OFFOFFOnOnOnmRNAH2蛋白阻遏物蛋白倒位基因啟動子H2阻遏蛋白基因OFFOFF啟動子H1OnOnmRNA可倒位區(qū)第19頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

倒位基因DNA序列位于h2-rh1（鞭毛H2-H1阻遏蛋白）轉(zhuǎn)錄單元上游，全長995bp。

IRL、IRR995bp左右末端倒轉(zhuǎn)重復(fù)順序（反向重復(fù)順序、也稱回文順序、（palindiome、invertedrepeatsequence）即在DNA鏈上正讀反讀有一樣意義的序列）各長14bp。

hinhin基因位于995bp序列中，其編碼的蛋白產(chǎn)生可催化995bp序列倒位。當(dāng)啟動子Ph2向h2時，h2-rh1轉(zhuǎn)錄單元表達H2抗原-h1阻遏蛋白，h1不能表達。當(dāng)995bp序列倒位后，啟動子Ph2倒向另一側(cè)，背離h2，h2-rh1不能表達，h1表達。

h1、h2基因并不緊密連鎖。第20頁,共91頁，2024年2月25日，星期天二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄是基因表達的第一步：

RNApol只有聚合作用，沒有校正功能。轉(zhuǎn)錄精確性依賴于:1.一個精確起點。

2.據(jù)堿基互補準確轉(zhuǎn)錄DNA序列生成mRNA。

3.一個特異性的轉(zhuǎn)錄終止部位。轉(zhuǎn)錄是基因調(diào)控主要水平。影響轉(zhuǎn)錄因素較多，研究得也較為清楚，從原核生物來說基因調(diào)控的基本要素是：轉(zhuǎn)錄起始，終止和mRNA的快速轉(zhuǎn)換。第21頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（一）影響轉(zhuǎn)錄的因素1.2.啟動子和起始因子啟動子啟動基因轉(zhuǎn)錄，起始因子識別啟動子。第22頁,共91頁，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)功能特點第23頁,共91頁，2024年2月25日，星期天標(biāo)準（一致）序列—因為-10、-35區(qū)（眾多）啟動子同源性極強稱之，相應(yīng)的σ稱之為標(biāo)準σ、為σ70。第24頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第26頁,共91頁，2024年2月25日，星期天5.倒位蛋白（inversionprotein）是一種位點特異性的重組酶（site-speciFicrecombinotionenzyme）（前述、DNA水平調(diào)控）。6.RNApol抑制物-嚴謹反應(yīng)（stringentrespsnse）細菌在缺乏氨基酸的環(huán)境中，RNApol活性降低，RNApol活性降低↓，RNA（rRNA,tRNA）合成減少或停止，這種現(xiàn)象稱為嚴謹反應(yīng)。

其機制是在氨基酸缺乏時，游離核糖體（與空載的tRNA增加，在ATP存在下，產(chǎn)生pppGpp(鳥苷-5磷酸)和ppGpp（鳥甘-4-磷酸）。后者與RNApol形成ppGpp-RNApol復(fù)合物，進而使RNApol變構(gòu)，活性↓rRNA和tRNA合成↓或停止。當(dāng)培養(yǎng)液中富含氨基酸時，則與上述情況相反，RNApol活性↑，rRNA，tRNA合成↑）。第27頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共91頁，2024年2月25日，星期天終止機理DNA模板、RNApol和新轉(zhuǎn)錄RNA組成三元復(fù)合體。9.衰減子（attenuator）又稱弱化子，是在可阻遏的操縱子中第一個結(jié)構(gòu)基因之前常有一段能減弱轉(zhuǎn)錄作用的順序稱之（“可變動的終止子”）。第29頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（二）轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控下面以操縱子為例說明轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控1.乳糖操縱子的調(diào)控機理（可誘導(dǎo)的操縱子）（1）人們早在上個世紀初就發(fā)現(xiàn)了酵母中酶的誘導(dǎo)現(xiàn)象。即分解底物的酶只有底物存在時才出現(xiàn)。酶受底物的誘導(dǎo)，這種可誘導(dǎo)現(xiàn)象在細菌中普遍存在。在培養(yǎng)基中加入適合底物-乳糖或半乳糖后2~3分鐘，β一半乳糖苷酶可迅速達到5000個酶分子，增加了1000倍，占細菌蛋白總量的5~10%。β一半乳糖苷酸水解乳糖→半乳糖+葡萄糖2個單糖。

若撤消底物，該酶合成迅速停止，就象當(dāng)初迅速合成一樣。從60年代乳糖操縱子模型提出→1996年分離得到該操縱子的阻遏蛋白→1975年乳糖操縱子的堿基序列已全部測定清楚了。第30頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（2）乳糖操縱子（Lactoseoperon，Lacoperon）結(jié)構(gòu)示意圖CAPCAMPIPOZYA結(jié)構(gòu)基因區(qū)（信息區(qū)）RNApol調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)I-調(diào)節(jié)基因P-啟動子O-操縱基因（OP有一定的重疊）CAP結(jié)合位點結(jié)構(gòu)基因Z-β半乳糖苷酶基因（β-galactosidase）Y-半乳糖苷透酶（乳糖透酶）（β-galotosideporinerase）A-硫代半乳糖轉(zhuǎn)乙酰基酶（transacetylase）第31頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（3）調(diào)控機理

乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄起始受到CAP和阻遏蛋白的雙重調(diào)控，即正、負調(diào)控。

①CAP（正控）結(jié)合到啟動子上游CAP結(jié)合位點的一致序列附近后，促進RNApol與P的結(jié)合，才能有效的轉(zhuǎn)錄，原因是：

Lacp是弱啟動子，與一致序列的差異極大，CAP位點結(jié)合cAmp-CAP復(fù)合物后，Lacp結(jié)合RNApol的牢固性增強。所以CAP是Lacoperon的正控因子。

啟動子p與操縱基因有一定的重疊，妨礙RNApol與P的結(jié)合，結(jié)合CAP后，改變了空間結(jié)構(gòu)促進了RNApol與P的結(jié)合。

②阻遏蛋白（負控）調(diào)節(jié)基因I（除Lacoperon用I外，其余均用R）產(chǎn)生的阻遏蛋白結(jié)合到操縱基因O上，就抑制了結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)物（或稱效應(yīng)物）可以去阻遏，實現(xiàn)對基因的轉(zhuǎn)錄，這是Lacoperon的負控機制。①②第32頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2個CAP分子和RNApol在Lacp一致序列上排列CAPCAP-35RNApol-10IPOZYADNAmRNA阻遏蛋白效應(yīng)物（乳糖）ZYA基因產(chǎn)物（酶）第33頁,共91頁，2024年2月25日，星期天抑制激活第34頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

結(jié)合乳糖、G存在與否及與操縱子正、負控因素、基因開放與關(guān)閉情況如下：葡萄糖（G）乳糖基因開放基因關(guān)閉機理簡述（學(xué)生填充）

×√√CAP正控、乳糖去阻遏、基因開放、轉(zhuǎn)錄進行

××√不能誘導(dǎo)去阻遏，CAP即使結(jié)合，基因未開放√×√細菌優(yōu)先用G，無CAP結(jié)合，無誘導(dǎo)去阻遏√√√CAMP-CAP復(fù)合物無，CAP位點空，去阻遏也無RNApol結(jié)合①②③④第35頁,共91頁，2024年2月25日，星期天DNAaraCIO2ParaCIO1BADPBADCAP位點CAmPCAPmRNAProtein(Arac)mRNABADArac-調(diào)節(jié)蛋白C的編碼基因ParcPBAD-啟動子IO1O2-調(diào)控元件B-L核酮糖激酶（isomerase）A-L阿拉伯糖異構(gòu)酶（kinase）D-L核酮糖與磷4表異構(gòu)酶（opimerase）I-起始部位第36頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第37頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

結(jié)合Ara糖、G存在與否及Araoperon正、負控因素基因開放、關(guān)閉情況如下：

GAra糖基因開放基因關(guān)閉機理簡述（學(xué)生填充）√×或√√CAMP↓CAP位點空，Arac使AraI和O2成環(huán)

××√CAMP↑CAP結(jié)合位點，C釋放O2、無Ara糖激活作用

×√√Ara糖+AraC→RNApol與PBAD結(jié)合→轉(zhuǎn)錄↑（Trpoperon調(diào)控機理放在轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控作用中講）①②③第39頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第40頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共91頁，2024年2月25日，星期天RPOalEDCBADNAmRNA阻遏蛋白效應(yīng)物（trp，輔阻遏物，co-repressor)R-調(diào)節(jié)基因，編碼阻遏蛋白P-啟動子O-操縱基因al-表誠子前導(dǎo)序式ED-編碼鄰氨基苯甲酸合成酶（antlnanilatesynthetase）2個單體（2×60KD）C-編碼吲哚甘油磷酸合成酶（indeleglycerol-phosphatrsynHietdse）45KDBA-編碼Trp合成酶β亞基（50KD）和α亞基（29KD）第42頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共91頁，2024年2月25日，星期天空間結(jié)構(gòu)特點DNARPOaLEBCDAaLmRNAL肽UGGUGG1234位于第60位核苷酸---Trp-Trp---第44頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第47頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第48頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共91頁，2024年2月25日，星期天DNAamrCLmRNA前導(dǎo)肽SD1123SD24紅霉素甲基化酶前導(dǎo)肽第50頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（三）翻譯產(chǎn)物對翻譯的調(diào)控（蛋白質(zhì)合成的自體調(diào)控）有些mRNA編碼的蛋白質(zhì)（pr.），本身就是pr翻譯過程中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的因子，這些因子對自身翻譯也起調(diào)控制作用。

1.核糖體蛋白

（1）核糖體是1座合成pr.流動工廠，沿mRNA移動快速合成pr.核糖體以rRNA為骨架加核糖體pr構(gòu)成。Ecoli核糖體pr55種，（大亞基34，小亞基21），核糖體是細菌細胞重要成份之一。

（2）細菌中50余種核糖體pr.基因分布在不同的操縱子中，合成這些pr.，速率是與細胞增殖適應(yīng)的，受生長條件營養(yǎng)環(huán)境影響。

（3）實驗證明，這些操縱子轉(zhuǎn)錄水平是可調(diào)控的，但核糖體pr.合成的控制主要在翻譯水平。因為加入額外操縱子于細菌，mRNA↑核糖體pr.并不增加。

（4）每1個operon轉(zhuǎn)錄的mRNA編碼蛋白中的一種（或2種pr復(fù)合體）可以結(jié)合到多順反子上游的1個特定部位，阻止核糖體結(jié)合和起始翻譯。第53頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2.翻譯終止子RF2合成的自體調(diào)控（1）終止密碼和釋放因子（終止子）無論原核、真核都有3種終止碼：UAG、UGA和UAA

沒有1種tRNA與終止碼作用，而是由特殊的pr.因子促成終止作用，這類pr.因子稱做釋放因子，也有稱翻譯終止子。

原核有3種釋放因子

RF1

識別UAA、UAGRF2識別UAA、UGARF3

能刺激RF、RF2的活性。

真核只有1種，即eIF。第54頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（2）RF2mRNA的移框窗口及其附近結(jié)構(gòu)相關(guān)知識鏈接閱讀框（reading-frame）——也稱讀碼。mRNA核苷酸序列中，3個核苷酸為1組（稱為密碼子），由核糖體進行翻譯。每個密碼子代表Pr.合成中單個氨基酸，閱讀框規(guī)定了哪3個核苷酸成為1組讀作1個密碼子，這是由起始密碼子AuG決定的。例如AuGCCAAAAuuuccc可以讀成AuG/GCA/AAA/UUU/CCC，而不會讀A/UGG/CAA/AAU/UUC/CC。

開放閱讀框（openreading-frame）——沒有終止密碼子打斷的閱讀，通常是從DNA（不是RNA）順序推論出開放閱讀框的存在。

基因密碼閱讀的3個特點

①每個基因都有特定的閱讀框（如組Pr.），閱讀必須從第1個密碼子開始到最后1個密碼子結(jié)束。

②閱讀是不停頓的，停頓只能合成肽而不是Pr。（學(xué)理發(fā)）

③閱讀（mRNA）方向5’→3’，合成肽鏈方向N—C，而不能反之。第55頁,共91頁，2024年2月25日，星期天mRNA5’···AUG···GGGUAUCUUUGACUACGAC···3’合成肽鏈方向NH2–Gly–Tyr–Leu–Asp--Tyr--Asp---COOH

前面25個氨基酸后面315個氨基酸(AA)

①RF2是由340氨基酸組成的Pr.它的密碼子并不處于同1個閱讀框中，前25個AA處于AUG所在閱讀框中，后315AA處于（+1）另1閱讀框中。

RF2整個閱讀框分成2個閱讀框，中間多了1個U，U與第26個AA（ASP）密碼子的前2個核苷酸構(gòu)成了RF2識別的終止碼UGA，而且是前框（25個AA）同框終止密碼子。

②移框窗口至少含15個核苷酸。RF2mRNA移框窗口及其結(jié)構(gòu)移框窗口（轉(zhuǎn)換區(qū)）——至少15個核苷酸才能發(fā)生移框232425262728第56頁,共91頁，2024年2月25日，星期天RF2合成的自體調(diào)控細胞內(nèi)RF2供應(yīng)充足時↑→當(dāng)核糖體A位到達第25個密碼子后面的UGA時→RF2就促成了肽鏈合成終止。

RF2↑→RF2mRNA譯至第25個AA→在其后UGA處將不成熟的肽釋放。

胞內(nèi)缺乏RF2↓→核糖體向前滑動1個核苷酸（U）→即移框作用→繼續(xù)合成第25個AA→直到最后的終止碼UAG→UAG由另1個釋放因子RF1識別并促使RF2肽鏈的釋放。

移框作用如此精細的自體調(diào)控機制目前仍不清楚，可能與前面25肽的結(jié)構(gòu)有關(guān)。第57頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（四）反義RNA的調(diào)控作用1.反義RNA對E.coli滲透壓Pr.（外膜Pr.）的調(diào)控作用細菌環(huán)境omPRDNAomPRPr.omPCDNA高滲低滲正控變構(gòu)micFRNA反義RNA（174個核苷酸）ompcmRNA翻譯OmpcPr.結(jié)合雜交雙鏈omPRPr.正控轉(zhuǎn)錄DNAomPFomPFDNA轉(zhuǎn)錄omPFmRNAmicFmRNA翻譯omPFmRNAomPFPr.第58頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（1）低滲→omPRPr.omPF。omPC基因關(guān)閉。（2）高滲—變構(gòu)OmPRPr.OmpcompcmRNAompcPr.micF（3）micF能與ompFmRNA前導(dǎo)序列（L）中的44個核苷酸（包括SDs）及編碼區(qū)（包括起始碼AUG）形成雜合雙鏈，從而抑制了ompFmRNA翻譯。（4）2種Pr.（ompF.ompc）隨滲透壓變化而變化此消彼長，總量不變。（5）反義RNA—與mRNA反義，通過互補堿基與特定的mRNA結(jié)合，抑制mRNA的翻譯，有稱干擾mRNA的互補RNA,簡稱micRNA（mRNA-interferingcomplementaryRNA）。正控正控轉(zhuǎn)錄翻譯同時轉(zhuǎn)錄第59頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2.反義RNA對Tn10轉(zhuǎn)位酶的調(diào)控作用（1）Tn10帶有terr，轉(zhuǎn)座最大的特點是原位轉(zhuǎn)座不動，僅將1個新的合成復(fù)本插到另1個新的位點上上去。（2）Tn10的基本結(jié)構(gòu)ISStructralgene3’反義（阻遏）RNA5’（RNA-out）5’Pin（啟動子）3’5’Pin啟動轉(zhuǎn)錄Tn10轉(zhuǎn)位酶（RNA-in）Pout啟動子（RNA-out）阻遏RNA3’5’3’5’互補Tn10轉(zhuǎn)位酶mRNA第60頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（3）調(diào)控機理

①Tn10轉(zhuǎn)位酶由pin控制，反義RNA基因由Pout控制。2啟動子轉(zhuǎn)錄方向相反，在轉(zhuǎn)錄區(qū)有35（40）bp重疊，導(dǎo)致2條RNA互補。

②2啟動子交叉轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)物RNA互補重疊成雙股鏈→核糖體不能接觸—轉(zhuǎn)位酶不能譯出→無酶無法轉(zhuǎn)位。

③只有RNA-in擺脫了RNA-out配對才有機會翻譯。RNA-out活性較RNA-in大8倍，所以Tn10的份數(shù)越多，轉(zhuǎn)座機會就越少。

④生物學(xué)意義對于細菌來說，Tn是入侵者，除抗生素抗性基因?qū)毦欣?，過多Tn對細菌是一個況重負擔(dān)、甚至置細菌于死地（轉(zhuǎn)座引起插入突變等）Tn10用反義RNA約束自己不要過多繁殖以免與宿主同歸于盡。第61頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)真核生物基因表達的調(diào)控真核生物基因調(diào)控遠比原核生物復(fù)雜，人們對其了解尚處于探索階段，單細胞真核生物如酵母和原核類似，主要通過及時調(diào)整酶系統(tǒng)基因表達以適應(yīng)環(huán)境，獲取營養(yǎng)外，而——

絕大多數(shù)真核生物基因極少數(shù)與環(huán)境變化有直接或間接的關(guān)系，而與真核生物體生長發(fā)育，分化等生命現(xiàn)象息息相關(guān)。其調(diào)控最大特點是遺傳程序調(diào)控。

調(diào)控主要水平是轉(zhuǎn)錄水平。其次為轉(zhuǎn)錄后水平、DNA水平、翻譯及翻譯后水平等。第62頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

一、DNA水平的調(diào)控1.基因丟失（染色質(zhì)的丟失）一些低等生物（線蟲，昆蟲），甲殼類動物細胞在個體發(fā)育過程中丟失掉某些基因去除這些基因活性，通過改變基因數(shù)目達到調(diào)控目的，只有來分化產(chǎn)生殖細胞的哪能些細胞保留整套染色體。高等動物Rbc在發(fā)痛成熟過程也有染色質(zhì)丟失。這些調(diào)控是不可逆的。2.基因擴增（geneamplification）

基因擴增——是指細胞內(nèi)某些特定基因的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象。它是細胞在短期內(nèi)為滿足某種需要而產(chǎn)生足夠基因產(chǎn)物一種調(diào)節(jié)手段。其機制多數(shù)人認為是基因反復(fù)復(fù)制的結(jié)果，也有人認為是姐妹染色體不均等交換從而使一些細胞中的某種基因增多。第63頁,共91頁，2024年2月25日，星期天例：①非洲爪蟾（chan，癩蛤?。┞涯讣毎鹯RNA基因（rDNA）是一般體細胞的4000倍（2000000/500），這是由于卵母細胞rRNA的大量擴增，以適應(yīng)胚胎發(fā)育對核糖體的大量需要。②氨甲蝶呤，重金屬鎘汞分別誘導(dǎo)二氫葉酸還原酶，金屬硫鐵Pr.及其它抗藥性基因的擴增。③原癌基因拷貝數(shù)增加，其表達產(chǎn)物增加使細胞持續(xù)分裂導(dǎo)致癌變。第64頁,共91頁，2024年2月25日，星期天3.基因重排（generearrangement）基因重排——是通過調(diào)整有關(guān)基因片段的銜接順序，使之重排成為1個完整的轉(zhuǎn)錄單位。典例是免疫球Pr.Ig基因在B淋巴細胞和漿細胞生成過程的重排。

Ig有2條相同的重鏈和輕鏈，輕鏈包括恒定區(qū)、可變區(qū)及2者之間的連接區(qū)，每個區(qū)由DNA不同片段編碼，不同區(qū)重排連接是抗體多樣性（106）分子基礎(chǔ)。4.基因修飾（genemodification）——DNA甲基化在DNA分子加上某些基團/去掉某些基團→改變了DNA的微細結(jié)構(gòu)→以達到調(diào)控基因表達的目的。其中最重要的是甲基化/去甲基化。第65頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

甲基化/去（低）甲基化在真核基因調(diào)控中有重要作用。一般認為基因表達與甲基化程度成反比，高則低，低則高。（1）管家基因調(diào)控區(qū)多低甲基化，不表達基因多高甲基化。（2）激素或致癌物使不表達基因調(diào)控區(qū)低甲基化重新開放。目前認為甲基化影響基因表達機制有：（1）直接作用→改變DNA構(gòu)型（左、右旋轉(zhuǎn)換）→影響DNA特異順序不能與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。（2）間接作用—5’調(diào)控區(qū)甲基化后與核內(nèi)甲基化CG結(jié)合Pr結(jié)合阻止轉(zhuǎn)錄因子與基因形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。（3）DNA去甲基化與DNaseI高敏區(qū)出現(xiàn)，后者為基因活化的標(biāo)志。第66頁,共91頁，2024年2月25日，星期天5.

染色體結(jié)構(gòu)對基因表達的調(diào)控作用（1）真核染色體的基本結(jié)構(gòu)單位核小體結(jié)構(gòu)保護作用。

166—168bpDNA以左手方向纏繞（2圈）→在組Pr.的八聚體上形成串株樣的核小體→由非組Pr.參入+少量RNA及其它物質(zhì)→壓縮8000~10000倍形成染色體（chromosome）或染色染（chromatin）。核小體緊密纏繞，使許多酶不能接近DNA?；钴S梁色體處于活躍表達狀態(tài)（視細胞種類不同而異，占1~15%），表達則失去染色體結(jié)構(gòu)。（2）組Pr.的保護作用組Pr.（histone）、種類少，共5種，保守，種族的特異性不大，如豌豆與5牛，進化10億年、H4僅相差2個AA，可見其重要作用（大家都舍不得）。組Pr.保護DNA穩(wěn)定（骨架8聚體）不受損傷。H1封閉核小體進出口，同時控制基因表達。第67頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

凡影響組Pr.正電荷減少的因素，如組Pr.N端中間Ser的磷酸化，中間Arg的磷酸化、都可以使組Pr與DNA的結(jié)合能力↓→從而影響轉(zhuǎn)錄。（3）非組Pr.（non-histon）目前分離達300~600多種，種屬、組織特異性高，高遷移組分（highmobilitygroup,HMG）可以與H1、H5競爭性與DNA結(jié)合，調(diào)控基因表達活性。第68頁,共91頁，2024年2月25日，星期天二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄是真核調(diào)控主要水平，主要通過反式作用因子，順式作用元件與RNApol相互作用完成。反式作用因子通過順式作用影響轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成。

TATAbox一致序列（consonsussequence）位于轉(zhuǎn)錄起始點上游25~30bp處是T82A97T93A85（AorT）100A83（AorT）83（角標(biāo)校為核苷酸在一致序列中出現(xiàn)頻率。對于許多編碼Pr.基因，它對P活性和決定轉(zhuǎn)錄起始點很重要）。第69頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（一）轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成1.TFⅡD結(jié)合TATAbox→Pr.-DNA復(fù)合物2.RNApol識別并結(jié)合TFⅡD-DNA復(fù)合物→閉合復(fù)合物3.其它轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合RNApol→開放性復(fù)合物反式作用因子的作用主要是→促進或抑制上述3步反應(yīng)。TATA盒RNA轉(zhuǎn)錄起始點DNATATA因子結(jié)合RNApol結(jié)合起始因子結(jié)合開放的起始復(fù)合物第70頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（二）反式作用因子

1.反式作用因子（trans-actingfactor）真核細胞內(nèi)含大量序列特異性的DNA結(jié)合Pr.，其中一些Pr.的主要功能是使基因開放或關(guān)閉稱之。反式作用因子識別特定DNA序列（通常8~15核苷酸，）與DNA結(jié)合后，可以促進（正調(diào)控）或抑制（負調(diào)控）1個鄰近基因的轉(zhuǎn)錄。2.反式作用因子的重要特點（3個）（1）一般含3個功能的結(jié)構(gòu)域：

DNA識別結(jié)合域，轉(zhuǎn)錄活性域，結(jié)合其它Pr.的結(jié)合域。（2）能識別并結(jié)合上游調(diào)控區(qū)中的順式作用元件（如啟動子，增強子）（3）對基因表達有正性或負性調(diào)控作用，即激活或阻遏基因的表達。（如正控反式因子+相應(yīng)順式元件+RNApol+或其它順式元件或反式因子→產(chǎn)生效應(yīng)）順式作用元件（cis-actingelement）是指哪能些對結(jié)構(gòu)基因表達具有調(diào)控作用的DNA序列。如啟動子增強子，衰減子第71頁,共91頁，2024年2月25日，星期天3.反式作用因子結(jié)構(gòu)域的模式（1）DNA結(jié)合域（DNA-bindingdomain）1)鋅指結(jié)構(gòu)（zinefingermotif）①概念是指DNA結(jié)合域中含有較多的半胱氨酸和組氨酸的區(qū)域借肽鏈彎曲使2個His與2個cys或4個cys與1個Zn絡(luò)合成的指狀結(jié)構(gòu)。②功用具有鋅指結(jié)構(gòu)的反式因子都含有幾個相同的指結(jié)構(gòu)，如TFⅢA含9個指。其指尖部深入DNA雙螺旋深、淺溝中，調(diào)控相應(yīng)基因（5srRNA的調(diào)控區(qū)45bp）。羧端無指，功能是與RNApolⅢ或其它轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。CysHisCysHisZn2+第72頁,共91頁，2024年2月25日，星期天②同源結(jié)構(gòu)域（homodomain,HD）許多反式因子的DNA結(jié)合域有一段相同的保守序列，是60個左右氨基酸組成的螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HIH）結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱之，簡稱同源域。其中堿性或疏水AA保守，螺旋區(qū)可能進入→DNA雙螺旋大溝→與堿基結(jié)合。③亮氨酸拉鏈（leucinezipper）是DNA是結(jié)合域中約30個AA組成的核心序列，N端富含堿性AA，形成DNA結(jié)合面，另一側(cè)每隔6個AA殘基出現(xiàn)1個Leu殘基，稱為Leu拉鏈區(qū)。兩個具有Leu拉鏈區(qū)的反式作用以疏水作用形成Leu拉鏈。Leu拉鏈空間構(gòu)象使反式因子堿性區(qū)域處于能與DNA結(jié)合的空間位置。NH2NH2堿性區(qū)域堿性區(qū)域COOHCOOH紅分生P149圖5-17DNA結(jié)合部位結(jié)構(gòu)域第73頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（2）轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域（transcriptionalactivationdomain）反式作用因子的轉(zhuǎn)錄活化功能取決于DNA結(jié)合域以外的由80~100個AA組成的區(qū)域，此區(qū)即為轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域。轉(zhuǎn)錄因子通常具有1個以上的轉(zhuǎn)錄活化區(qū)，轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)模型有下述3種。①酸性α-螺旋結(jié)構(gòu)域（acidicα-helixdomain）②富含Gln結(jié)構(gòu)域（glutamine-tichdonain）③富含pro結(jié)構(gòu)域（proline-richdomain）第74頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（三）轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控原核RNApol（α2ββσ，σ識別P）識別單純DNA。真核RNApolII只能識別轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物：“TATA因子（TFIID）+TATA盒”。

RNApolII轉(zhuǎn)錄起始因復(fù)合物形成過程：①TATA因子+TATAbox→Pr.-DNA復(fù)合物→供polII識別。②polII識別并結(jié)合Pr.-DNA復(fù)合物③轉(zhuǎn)錄起始因子結(jié)合polII→形成開放復(fù)合物（轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物）→轉(zhuǎn)錄開始。真核生物轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控涉及到反式作用因子激活及其作用。反式作用因子促進或抑制上述①②③，參入調(diào)控主要因素有順式作用元件，反式作用因子和RNApol。第75頁,共91頁，2024年2月25日，星期天1.反式作用因子的活性調(diào)節(jié)方式：第76頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第77頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

2.反式作用因子（Pr.）與順式作用元件的結(jié)合（1）被結(jié)合的順式元件及其性質(zhì)：啟動子（上游）和增強子（上、下游）→可結(jié)合相同的Pr.

（2）不同基因存在同樣順式元件→提示數(shù)量有限調(diào)控基因調(diào)控真核基因表達。3.反式作用因子的作用方式反式作用因子與啟動子，增強子，RNApol有一定距離，如何trans-acting有下述模式。（1）成環(huán)靠攏（looping）反式作用因子結(jié)合增強子中順式作用元件→使DNA彎曲成環(huán)→靠近RNApol→直接接觸起作用。（2）扭曲變形（twisting）

DNA結(jié)合Pr.結(jié)合DNA→DNA構(gòu)型改變（如解旋）→起作用。（3）滑動選點（sliding）結(jié)合DN特異位點→滑動互另一特殊序列→起作用。（4）Oozing1反式作用因子結(jié)合順式元件→促進別的反式因子結(jié)合順式元件→直至轉(zhuǎn)錄開始。4.反式作用因子的組合調(diào)控—幾種反式作用因子組合對調(diào)節(jié)基因發(fā)揮特定的作用（正控促進基因轉(zhuǎn)錄，負控抑制基因轉(zhuǎn)錄）稱之combinatorialregulation。反式作用因子結(jié)合順式元件主要影響：①TATA因子與TATAbox結(jié)合②RNA

pol與Pr.-DNA復(fù)合物的形成③影響轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物形成，一旦形成opencomplex即轉(zhuǎn)錄開始。第78頁,共91頁，2024年2月25日，星期天三、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控

RNA轉(zhuǎn)錄合成后往往需要一系列變化，包括拼接，末端修飾、內(nèi)部修飾等過程→才能成熟為成熟mRNA，tRNA和tRNA，這個過程稱轉(zhuǎn)錄后加工。（posttranscriptionprocessing）。轉(zhuǎn)錄后加工修飾是基因表達的必需過程之一，且在基因調(diào)控和細胞分化上起著重要作用。轉(zhuǎn)錄加工受到基因調(diào)控。（一）“戴帽安尾（穿靴）（核內(nèi)）——5加帽和多聚腺苷酸化及其調(diào)控意義

1.mRNAcaping→5’加上GpppmNP帽子，tailing→加上AA···（50~200bp）尾巴。意義（1）保護作用——保護mRNA免受核酸酶降解，（2）標(biāo)識作用——為翻譯提供識別位點（CBP）。但戴帽加尾不是唯一的穩(wěn)定因素，2個因素至少保證mRNA在轉(zhuǎn)錄過程不被降解，可能還有其他參入因素。

2.rRNA不易被降解的機理可能是因為其組成核糖體是在核內(nèi)組裝的。

3.tRNA合成后形成特殊的空間結(jié)構(gòu)（三葉草，倒L），可能抵抗降解，半壽期長。第79頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（二）mRNA的選擇剪接對基因表達的調(diào)控作用

1.剪接（splicing)-自mRNA前體中切除內(nèi)含子并將外顯子連接起來的過程。（rRNA、tRNA剪體中的插入順序（interveningsequence）也有稱之內(nèi)含子，也要拼接去除，其機制尚不清楚）。m7Gpppm7GpppintronexonexonAAA···AAA···第80頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2.選擇剪接對基因表達的調(diào)控作用（實例）（1）Bax基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的選擇剪接

Bax基因編碼產(chǎn)物是與細胞凋亡有關(guān)的分子，（Bax/Bcl2↑調(diào)亡↑）

Bax編碼產(chǎn)生的Pr.有幾種（α、β、γ等），結(jié)構(gòu)略有差異，差異的產(chǎn)生來自mRNA的選擇性剪接。①Baxα→保留全部（6個）外顯子→共192個密碼子→譯出192AA多肽②Baxβ→保留全部外顯子和第5個內(nèi)含子（含終止碼）→共218個密碼子。③Bazγ→保留1、3、4、5、6外顯子，刪除第2個外顯子→譯出151AA多肽。第81頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（2）選擇剪接產(chǎn)生的IκBr①NF-κB是非廣泛存在的方式作用因子→可與基因上游啟動子元件或增加子內(nèi)部的κB元件結(jié)合而→調(diào)節(jié)基因表達。②NF-κB與IκBr結(jié)合時→以無活性NFκB/IκBr復(fù)合體（105KD）→存在于胞漿③IκBr基因表達時→通過選擇剪接→刪除其mRNA中的178個或67個密碼子→閱讀框移動→產(chǎn)生2種具有新C端Pr.異構(gòu)體→即IκBr1和IκBr2→2者缺失了1個蛋白激酶A位→該位點磷酸化調(diào)節(jié)IκBr活性。④剪接產(chǎn)生IκBr異構(gòu)體→有可能使NF-κB對胞內(nèi)作出不同響應(yīng)，尚在研究中。第82頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（三）mRNA運輸?shù)恼{(diào)控——實驗證明→mRNA運輸是受控制的。

1.3H-udR顯示約20%mRNA→胞漿，核內(nèi)RNA約在1小時內(nèi)降解成→小片段

2.核孔9nm，但可運輸>9nm顆粒（如核糖體15nm，在核內(nèi)組裝→入胞作用）

用20nm金顆粒（goldsphere）包裝小RNA（如tRNA或5sRNA）→注射到蛙卵（frogoocyte）→可迅速過核孔到→胞漿。但注射入漿→則不能入核說明mRNA主動運輸入胞，但機制不清楚。

3.RNA從核→胞漿是可以調(diào)節(jié)的（20%RNA入漿）發(fā)現(xiàn)腺病毒編碼2種Pr.為可以調(diào)節(jié)RNA運輸?shù)倪x擇性所必需、為研究上述機制帶來了希望。第83頁,共91頁，2024年2月25日，星期天四、翻譯水平的調(diào)控（一）翻譯起始的調(diào)控翻譯起始①GTP.MET-tRNA→②40S.MET-tRNAi.GTP→③40S.MET-tRNAiGTPmRNA→④80s.MET—tRNA.GTPmRNA。在④之前各個階段都可以發(fā)生調(diào)控作用。

1.阻遏Pr.的調(diào)控作用進入胞漿并非所有的mRNA分子→立即與核糖體結(jié)合→翻譯成Pr.

一些特定的翻譯抑制Pr.→可結(jié)合到mRNA5’,抑制翻譯。如：鐵Pr.（ferritin）mRNA5’端非編碼區(qū)約30個核甘酸序列稱為鐵反應(yīng)元件（iron-responseelement）→可折疊成1個莖環(huán)（發(fā)夾結(jié)構(gòu)）→可結(jié)合1個鐵結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白（regulatoryiron-bindingpro）。至：

（1）無鐵結(jié)合可運→鐵結(jié)合Pr.結(jié)合mRNA→抑制翻譯。（2）有鐵→不抑制，快譯運輸工具。第84頁,共91頁，2024年2月25日，星期天5’翻譯3’AUGC蛋白質(zhì)NStopcodon5’3’AUGStopcodon帽