分子生物學(xué)第5章

第五章基因表達(dá)調(diào)控第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本原理在不同時期和不同條件下，基因表達(dá)的開啟或關(guān)閉以及基因活性的增加或減弱等是受到嚴(yán)格調(diào)節(jié)控制的，這種控制即基因表達(dá)調(diào)控調(diào)控可以發(fā)生在基因表達(dá)的任何階段。

一、基因表達(dá)調(diào)控的基本方式基因根據(jù)表達(dá)及表達(dá)調(diào)控特點分2類1、管家基因（housekeepinggene）：其表達(dá)產(chǎn)物在整個生命過程中都是必需的，因此在一個生物體的各中細(xì)胞內(nèi)持續(xù)表達(dá)。受環(huán)境因素影響較小，表達(dá)方式屬于組成性表達(dá)2、奢侈基因（luxurygene）：僅在特定組織中有高表達(dá)，表達(dá)產(chǎn)物具有特殊功能。易受環(huán)境因素影響，即受到調(diào)控，表達(dá)方式屬于條件性表達(dá)奢侈基因?qū)Νh(huán)境信號的應(yīng)答方式，分2類：①可誘導(dǎo)基因：受環(huán)境信號刺激時啟動表達(dá)或表達(dá)增強，屬于誘導(dǎo)表達(dá)（induceexpression）②可阻遏基因：受環(huán)境信號刺激時終止表達(dá)或表達(dá)減弱，屬于阻遏表達(dá)（repressexpression），相應(yīng)的環(huán)境信號稱為阻遏物（repressor）二、基因表達(dá)調(diào)控的特異性1、時間特異性在生命同一生長發(fā)育階段，不同基因的表達(dá)水平不同；而同一基因在生命的不同生長發(fā)育階段的表達(dá)水平也不同單細(xì)胞生物，特定基因的表達(dá)隨時間、環(huán)境而變化；多細(xì)胞生物，從受精卵到組織器官形成的各個不同發(fā)育階段，相應(yīng)基因嚴(yán)格按一定時間順序開啟或關(guān)閉，基因表達(dá)的時間特異性與分化階段、發(fā)育階段一致，所以又稱階段特異性。2、空間特異性

在同一生長發(fā)育階段，不同基因在同一組織器官的表達(dá)水平不同；而同一基因在不同組織器官的表達(dá)水平也不同。基因表達(dá)的空間特異性是細(xì)胞分化所形成的組織器官中體現(xiàn)，所以也成為細(xì)胞或組織特異性許多基因(特別是奢侈基因)的表達(dá)水平受代謝條件和環(huán)境因素影響例如:大腸桿菌乳糖操縱子在有乳糖而缺乏葡萄糖時高水平表達(dá)大腸桿菌DNA聚合酶IV和V的編碼基因只在SOS應(yīng)答后期表達(dá)長期饑餓時人體表達(dá)糖異生途徑關(guān)鍵酶受到病原體感染時人體表達(dá)細(xì)胞因子、免疫球蛋白3、條件特異性

三、基因表達(dá)調(diào)控的生理意義

根本目的：適應(yīng)環(huán)境細(xì)胞生長、分裂、分化、凋亡個體生存、生長、發(fā)育、繁殖、衰老1·適應(yīng)性調(diào)控適應(yīng)環(huán)境單細(xì)胞生物：維持細(xì)胞生長和細(xì)胞分裂高等生物：調(diào)節(jié)代謝，例如:經(jīng)常飲酒者體內(nèi)醇氧化酶活性提高2·程序性調(diào)控生長發(fā)育的不同階段；不同組織器官高等哺乳動物細(xì)胞的分化和各種組織器官的發(fā)育都是由相應(yīng)的基因控制的，一旦某種基因發(fā)生突變或表達(dá)異常，就會導(dǎo)致相應(yīng)組織器官的發(fā)育異常四、基因表達(dá)調(diào)控的多環(huán)節(jié)性系統(tǒng)、復(fù)雜、精巧的基因表達(dá)調(diào)控機制信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為基礎(chǔ)

RNA的轉(zhuǎn)錄合成——蛋白質(zhì)的翻譯后修飾，各個環(huán)節(jié)

基因激活轉(zhuǎn)錄起始

轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾五、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本要素

主要是控制轉(zhuǎn)錄起始，基本要素：RNA聚合酶、調(diào)控序列和調(diào)節(jié)蛋白1、調(diào)控序列①順式作用元件(cis-actingelement):是基因序列的一部分，絕大多數(shù)與結(jié)構(gòu)基因(轉(zhuǎn)錄區(qū))在同一染色體DNA上，位于結(jié)構(gòu)基因上游、下游或內(nèi)部，通過與RNA聚合酶、調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合調(diào)控基因表達(dá)。包括啟動子、終止子、原核生物的操縱基因和衰減子、真核生的增強子和沉默子等②反式作用元件(trans-actingelement):屬于調(diào)節(jié)基因，與靶基因在同一或不同染色體DNA上，通過編碼產(chǎn)物調(diào)控基因表達(dá)，其編碼產(chǎn)物稱為反式作用因子(trans-actingfactor)。包括蛋白質(zhì)(即調(diào)節(jié)蛋白)和RNA(例如微RNA)等。2、調(diào)節(jié)蛋白屬于反式作用因子，通過與順式作用元件結(jié)合調(diào)控基因表達(dá)分兩種情況:①正調(diào)節(jié)蛋白促進基因表達(dá)，稱為正調(diào)控;②負(fù)調(diào)節(jié)蛋白阻遏基因表達(dá)，稱為負(fù)調(diào)控。原核生物：正調(diào)控和負(fù)調(diào)控真核生物：正調(diào)控為主

第二節(jié)原核生物基因表達(dá)調(diào)控單細(xì)胞生物沒有能量儲備系統(tǒng)對環(huán)境（生存和營養(yǎng)）的高度適應(yīng)能力生長繁殖最優(yōu)化操縱子結(jié)構(gòu)一、原核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點

1·以操縱子為單位進行轉(zhuǎn)錄

操縱子(operon)：是原核細(xì)胞DNA上的一段區(qū)域，由若干功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因和控制這些基因表達(dá)的元件組成的一個完整的連續(xù)的功能單位。2·基因轉(zhuǎn)錄的特異性由σ因子決定

不同的σ因子與核心酶結(jié)合，可以轉(zhuǎn)錄不同的基因環(huán)境變化可以誘導(dǎo)表達(dá)特定的σ因子，啟動轉(zhuǎn)錄特定的基因3·轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián)沒有核膜包被4·基因表達(dá)既有正調(diào)控，又有負(fù)調(diào)控除了σ因子之外5·存在衰減子調(diào)控機制

6·基因表達(dá)存在應(yīng)急應(yīng)答調(diào)控機制當(dāng)遇到諸如氨基酸缺乏等緊急情況時，會產(chǎn)生應(yīng)急應(yīng)答，包括各種RNA、蛋白質(zhì)、糖和脂肪在內(nèi)的幾乎所有合成代謝都停止二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

(一)調(diào)控因素

原核生物基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是由RNA聚合酶、調(diào)控序列和調(diào)節(jié)蛋白決定的1·調(diào)控序列啟動子和終止子，操縱基因和分解代謝物基因激活蛋白結(jié)合（CAP）位點(1)操縱基因(operator):位于啟動子和結(jié)構(gòu)基因之間，相鄰、重疊或包含于啟動子內(nèi)，是阻遏蛋白的結(jié)合位點(2)CAP位點:位于啟動子上游，CAP的結(jié)合位點操縱基因

——阻遏蛋白的結(jié)合位點

當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙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2·調(diào)節(jié)蛋白DNA結(jié)合蛋白，與調(diào)控序列結(jié)合影響轉(zhuǎn)錄(1)分類:①特異因子：σ因子——啟動子②阻遏蛋白：操縱基因（負(fù)調(diào)控）③激活蛋白：CAP位點（正調(diào)控）(2)作用模式：環(huán)境信號（誘導(dǎo)物和阻遏物）影響環(huán)境信號與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，改變調(diào)節(jié)蛋白構(gòu)象，影響調(diào)節(jié)蛋白與調(diào)控序列的結(jié)合，調(diào)控基因表達(dá)。四種模式:可誘導(dǎo)基因：誘導(dǎo)物活化鈍化阻遏蛋白激活蛋白基因表達(dá)（+）可阻遏基因：阻遏物鈍化活化阻遏蛋白激活蛋白基因表達(dá)（-）

(二)乳糖操縱子

葡萄糖是大腸桿菌的主要能源葡萄糖效應(yīng)或分解代謝物阻遏：當(dāng)可以得到葡萄糖和乳糖時，大腸桿菌會先利用葡萄糖。當(dāng)葡萄糖全部耗盡之后，大腸桿菌停止生長。經(jīng)過短時間的適應(yīng)，大腸桿菌就會利用乳糖的現(xiàn)象。Jacob和Monod(1965年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者)通過研究于1960年提出了乳糖操縱子模型闡述原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制的經(jīng)典模型

1、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)調(diào)控序列CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA2·乳糖操縱子的阻遏調(diào)控上游調(diào)節(jié)基因lacI，組成性表達(dá)阻遏蛋白LacI在沒有乳糖時會與lacO結(jié)合，阻擋RNA聚合酶沿著DNA模板鏈移動，即阻遏轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄啟動效率極低在有乳糖時，乳糖被微量存在的幾個β-半乳糖苷酶分子催化水解，同時生成少量副產(chǎn)物別乳糖（誘導(dǎo)物）與LacI結(jié)合使之變構(gòu)，不再與lacO結(jié)合，因而不再阻遏RNA聚合酶移動，轉(zhuǎn)錄啟動效率可以提高1000倍mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時

阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶3·乳糖操縱子的激活調(diào)控野生型lacP為弱啟動子，需要激活蛋白CAP的激活調(diào)控CAP含兩個結(jié)構(gòu)域:①N端結(jié)構(gòu)域:cAMP結(jié)合域②C端結(jié)構(gòu)域:DNA結(jié)合域，與CAP位點結(jié)合

CAP須先與cAMP形成復(fù)合物——CAP位點——CAP的激活受cAMP濃度控制。cAMP的濃度與葡萄糖的濃度呈負(fù)相關(guān)①當(dāng)葡萄糖缺乏時，cAMP濃度高，CAP·cAMP復(fù)合物濃度高，與CAP位點的結(jié)合效應(yīng)強，通過與RNA聚合酶α亞基作用促進其與啟動子的結(jié)合，可以將轉(zhuǎn)錄啟動效率提高50倍;②當(dāng)葡萄糖充足時，與上相反++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時

CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP4·乳糖操縱子的雙重調(diào)控LacI和CAP的雙重調(diào)控

存在乳糖而解除LacI的阻遏調(diào)控

缺乏葡萄糖而啟動CAP的激活調(diào)控意義：經(jīng)濟高效表達(dá)

結(jié)合乳糖、G存在與否及與操縱子正、負(fù)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(xì)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

(三)色氨酸操縱子

編碼一組催化分支酸合成色氨酸的酶類，受阻遏調(diào)控和衰減調(diào)控雙重負(fù)調(diào)控1、結(jié)構(gòu)：trp操縱子是由一個控制區(qū)和五個結(jié)構(gòu)基因組成；五個結(jié)構(gòu)基因編碼色氨酸生物合成需要的5種蛋白的多順反子mRNA?？刂茀^(qū)由啟動子trpP、操縱基因trpO和前導(dǎo)序列trpL構(gòu)成；●

E.coli

trp

synthetase

operon(C.Yanofsky

stanfordUniv.)Negative-repressibleoperon70-foldlowerthanfullyde-repressedRPOleadingseq.EDCBAtrp+2、阻遏調(diào)控

操縱子上游存在調(diào)節(jié)基因trpR，編碼同二聚體阻遏蛋白TrpR(1)當(dāng)色氨酸缺乏時，游離的阻遏蛋白TrpR不能與操縱基因trpO結(jié)合，RNA聚合酶可以有效地轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因，最終提高色氨酸的合成速度(2)當(dāng)色氨酸充足時，色氨酸作為阻遏物與阻遏蛋白TrpR結(jié)合，使之變構(gòu)成為活性TrpR

，與操縱基因trpO結(jié)合，阻遏RNA聚合酶與啟動子trpP結(jié)合。己經(jīng)轉(zhuǎn)錄的mRNA也很快降解，最終降低色氨酸的合成速度3、衰減調(diào)控作用于轉(zhuǎn)錄延長環(huán)節(jié)trpL位于trpE與trp0之間，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物長162nt，分為四個區(qū)段，分別用序列1、2、3、4表示序列1編碼一個被稱為前導(dǎo)肽的十四肽，其中第10、11號氨基酸是兩個色氨酸序列2、3存在互補序列，可形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)序列3、4也存在互補序列，可形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，該莖環(huán)結(jié)構(gòu)之后有一段連續(xù)的U序列，是一個不依賴ρ因子的終止子結(jié)構(gòu)，稱為衰減子(attenuator，也稱為弱化子)前導(dǎo)序列：在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前一個長162nt的mRNA片段。第10和第11位上有相鄰的兩個色氨酸密碼子轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)是衰減調(diào)控的基礎(chǔ)

色氨酰tRNA濃度的變化是衰減調(diào)控的信號(1)當(dāng)色氨酸缺乏時，色氨酰tRNA供給不足，合成前導(dǎo)肽的核糖體停滯于序列1的色氨酸密碼子位點，序列2、3形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，使序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)，下游的結(jié)構(gòu)基因可以被有效轉(zhuǎn)錄(2)當(dāng)色氨酸充足時，色氨酰tRNA供給充足，核糖體迅速翻譯序列1合成前導(dǎo)肽，并對序列2形成約束，使序列2、3不能形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)而序列3、4形成轉(zhuǎn)錄終止子結(jié)構(gòu)衰減子，使下游正在轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因的RNA聚合酶脫落，終止轉(zhuǎn)錄衰減子結(jié)構(gòu)

(attenuator)核糖體新生肽鏈mRNADNA1234UUUU3’

當(dāng)色氨酸濃度高時

trp

密碼子轉(zhuǎn)錄衰減機制:5’12345’核糖體當(dāng)色氨酸濃度低時

高Trp時：Trp-tRNATrp

存在

核糖體通過片段1(2個Trp密碼子)

封閉片段2

片段3，4形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

類似于不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止序列

RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),產(chǎn)生前導(dǎo)肽

低Trp時：Trp-tRNATrp

沒有供應(yīng)核糖體翻譯停止在片段1

（2個Trp密碼子）

片段2，3

形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄不終止

RNA聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄4、阻遏調(diào)控和衰減調(diào)控相輔相成阻遏調(diào)控衰減調(diào)控作用位點轉(zhuǎn)錄起始環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)錄延長環(huán)節(jié)調(diào)控信號色氨酸濃度變化氨酰tRNA濃度變化意義有效、經(jīng)濟細(xì)微、迅速

(四)阿拉伯糖操縱子

阿拉伯糖是大腸桿菌的營養(yǎng)物之一代謝時先由三種酶轉(zhuǎn)化成5-磷酸木酮糖，再通過磷酸戊糖途徑代謝編碼三種酶的結(jié)構(gòu)基因叢集成阿拉伯糖操縱子1·結(jié)構(gòu)基因3個：araA、araB和araD，簡寫araBADaraB

：L-核酮糖激酶araA：L-阿拉伯糖異構(gòu)酶araD：L-核酮糖-5-磷酸4-差向異構(gòu)酶

araBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄是分別在兩條鏈上以相反的方向進行的。2·調(diào)控序列2個啟動子①araPC

（P1）

：也是araBAD的CAP位點②araPBAD（P2）其它調(diào)控序列：調(diào)節(jié)蛋白AraC的結(jié)合位點①araO1：調(diào)節(jié)araC

轉(zhuǎn)錄②araO2：調(diào)節(jié)araBAD轉(zhuǎn)錄③araI1④araI23·調(diào)節(jié)蛋白AraC的正、負(fù)調(diào)控作用AraC與調(diào)控序列有三種不同的結(jié)合方式，產(chǎn)生不同的調(diào)控效應(yīng):①當(dāng)阿拉伯糖缺乏時，AraC與O2，I1結(jié)合，成環(huán)而阻遏轉(zhuǎn)錄araBAD，產(chǎn)生負(fù)調(diào)控效應(yīng)②當(dāng)阿拉伯糖充足時，AraC與阿拉伯糖結(jié)合成AraC·Ara而變構(gòu)，與I1、I2結(jié)合，解除araBAD轉(zhuǎn)錄阻遏，產(chǎn)生證調(diào)控效應(yīng)③AraC自調(diào)控，通過與O1結(jié)合，阻遏araC轉(zhuǎn)錄，防止AraC積累。4·激活蛋白CAP的正調(diào)控作用CAP·cAMP與Pc結(jié)合，AraC·Ara促進araBAD表達(dá)，產(chǎn)生正調(diào)控效應(yīng)阿拉伯糖與cAMP必須同時存在才能啟動轉(zhuǎn)錄cAMP水平與葡萄糖呈負(fù)相關(guān)阿拉伯糖(+),葡萄糖(-)三、翻譯水平的調(diào)控

mRNA穩(wěn)定性SD序列翻譯阻遏反義RNA核糖開關(guān)閱讀框移位1、mRNA穩(wěn)定性細(xì)菌增殖周期是20-30分鐘（代謝速度快），需要快速合成或降解mRNA以適應(yīng)環(huán)境變化細(xì)菌不同mRNA的半衰期不同，多數(shù)為2-3分鐘降解mRNA的酶主要是3’核酸外切酶3'端存在莖環(huán)結(jié)構(gòu)，則可以抵抗3'核酸外切酶的降解，從而提高mRNA的穩(wěn)定性2、SD序列mRNA的翻譯效率受控于SD序列:①與共有序列的差異:不同mRNA的SD序列與共有序列的差異不同，與核糖體的親和力就不同②與起始密碼子的距離:不同mRNA的SD序列與起始密碼子的距離不同，翻譯效率不同（4-10為佳，9最佳）3·翻譯阻遏細(xì)菌每個操縱子編碼的核糖體蛋白中都有一種屬于該操縱子的翻譯阻遏蛋白，可以與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的多順反子mRNA結(jié)合而阻遏其翻譯，這種在翻譯水平上的阻遏調(diào)控稱為翻譯阻遏(translationalrepression）與翻譯阻遏蛋白結(jié)合的位點靠近一個開放閱讀框(通常是第一個)的起始密碼子，并且阻遏該mRNA所有開放閱讀框的翻譯

某種r蛋白合成過快時，r蛋白可與其模板mRNA上的SD序列結(jié)合，而使其不能與核糖體結(jié)合，導(dǎo)致mRNA的降解而使這種r蛋白合成速度降低。4·反義RNA反義RNA(asRNA)：一類小分子單鏈RNA，與細(xì)胞內(nèi)其他功能RNA序列互補，參與基因表達(dá)調(diào)控在原核(真核)細(xì)胞內(nèi)廣泛存在，染色體、質(zhì)粒、噬菌體、轉(zhuǎn)座子等都含反義RNA編碼序列作用機制：阻遏復(fù)制（RNA引物）、轉(zhuǎn)錄、磚錄后加工及mRNA的轉(zhuǎn)運和翻譯，促進mRNA降解翻譯環(huán)節(jié)：反義RNA與靶mRNA的SD序列或開放閱讀框結(jié)合，阻遏翻譯;或結(jié)合之后使mRNA被RNaseIII降解5·核糖開關(guān)定義：細(xì)菌mRNA中有一種保守序列，它主要位于5‘-UTR，可以與特定小分子結(jié)合而改變mRNA構(gòu)象，從而影響翻譯效率以及mRNA壽命，這種序列稱為核糖開關(guān)(riboswitch)。調(diào)控效應(yīng):①使不依賴p因子的終止子形成莖環(huán)②通過折疊影響mRNA前體剪接③通過折疊掩蓋RBS④核糖開關(guān)型核酶催化降解mRNA6·閱讀框移位大腸桿菌RF-2基因的第26號密碼子是UGA，僅被RF-2識別、結(jié)合并終止翻譯RF-2在低水平時不與此UGA有效結(jié)合，核糖體會向下游移動一個堿基C，讀UGAC為GAC即編碼天冬氨酸，翻譯按新的閱讀框繼續(xù)進行，合成RF-2一種產(chǎn)物負(fù)反饋抑制

第三節(jié)真核生物的基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控的顯著特征：在特定時間、特定條件下激活特定細(xì)胞內(nèi)的特定基因，即具有時間特異性、空間特異性和條件特異性，從而實現(xiàn)預(yù)定的有序分化發(fā)育過程涉及：

DNA和染色體水平轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后加工水平翻譯水平和翻譯后修飾水平轉(zhuǎn)錄水平是最主要的調(diào)控環(huán)節(jié)一、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點1·調(diào)控環(huán)節(jié)更多例如mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工。2·既有瞬時調(diào)控，又有發(fā)育調(diào)控

瞬時調(diào)控（可逆性調(diào)控）：相當(dāng)于原核細(xì)胞對環(huán)境變化做出的反應(yīng)發(fā)育調(diào)控（不可逆性調(diào)控）：是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的精髓，決定真核細(xì)胞生長和分化的全過程3·染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化影響轉(zhuǎn)錄效率

DNA與蛋白質(zhì)的解離，以暴露特定DNA序列4·轉(zhuǎn)錄調(diào)控以正調(diào)控為主

RNA聚合酶對啟動子的親和力小，需要多種調(diào)節(jié)蛋白協(xié)助結(jié)合5·調(diào)控序列多并且可以遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄區(qū)

6個增強子/一個mRNA基因，與轉(zhuǎn)錄起始位點可以相距30kb6·調(diào)節(jié)蛋白種類繁多，調(diào)節(jié)機制復(fù)雜不都是DNA結(jié)合蛋白，與RNA聚合酶裝配成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物7.轉(zhuǎn)錄后加工更復(fù)雜真核生物的mRNA8·轉(zhuǎn)錄和翻譯存在時空隔離信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及mRNA轉(zhuǎn)運途徑調(diào)控基因表達(dá)9·翻譯及翻譯后修飾更復(fù)雜影響翻譯的除了有更多的蛋白因子之外，還有小分子非編碼RNA；翻譯后修飾內(nèi)容豐富，涉及各種修飾因子，修飾場所遍布細(xì)胞內(nèi)各個部位二、染色質(zhì)和DNA水平的調(diào)控

1、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變

DNA的結(jié)構(gòu)(特別是壓縮程度)決定其轉(zhuǎn)錄效率異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密，沒有轉(zhuǎn)錄區(qū)常染色質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，包含轉(zhuǎn)錄區(qū)（“開放型活性染色質(zhì)”）

組蛋白可以被看成是調(diào)控真核生物基因轉(zhuǎn)錄的阻遏蛋白轉(zhuǎn)錄區(qū)組蛋白少化學(xué)修飾（甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化等）導(dǎo)致組蛋白正電荷減少，構(gòu)象改變，與DNA的親和力降低，便染色質(zhì)疏松，易于解離2·DNA甲基化CpG島：特定CpG序列的胞嘧啶被甲基化，形成5-甲基胞嘧啶少量腺嘌呤被甲基化——N6-甲基腺嘌呤甲基化改變DNA構(gòu)象，導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變DNA甲基化程度與基因表達(dá)呈負(fù)相關(guān)（即甲基化程度高的基因轉(zhuǎn)錄效率低）基因沉默（去甲基化導(dǎo)致基因激活）可能與衰老有關(guān)

DNA甲基化與X染色體失活5-甲基胞嘧啶（5-mC)N6-甲基腺嘌呤(N6-mA)7-甲基鳥嘌呤(7-mG)DNA甲基化3·基因重排可以使一個基因更換調(diào)控序列

例如：將一個基因從遠(yuǎn)離啟動子的地方移到距它很近的位點從而啟動轉(zhuǎn)錄通過基因重排調(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)

免疫球蛋白的肽鏈主要由可變區(qū)(v區(qū))、恒定區(qū)(c區(qū))。編碼產(chǎn)生免疫球蛋白的細(xì)胞發(fā)育分化時通過染色體內(nèi)DNA重組把幾個相隔較遠(yuǎn)的基因片段連接在一起，產(chǎn)生具有表達(dá)活性的免疫球蛋白基因。小鼠重鏈基因在發(fā)育中通過V、D、J、C基因片段的重組產(chǎn)生了DNA的重排4·基因擴增為適應(yīng)生長環(huán)境而在短時間內(nèi)大量表達(dá)特定基因產(chǎn)物的一種有效方式基因擴增產(chǎn)物以兩種形式存在:

①在染色體：串聯(lián)重復(fù)序列，成為一個均染區(qū)(HSR)

②染色體之外：極微染色體結(jié)構(gòu)普遍存在:

①某些類型的正常細(xì)胞在其生長分化過程中需要大量相關(guān)蛋白，常常通過基因擴增促進基因表達(dá)（DNA合成時組蛋白基因擴增）

②基因擴增賦予腫瘤細(xì)胞抗藥性（甲氨蝶呤抑制腫瘤細(xì)胞內(nèi)二氫葉酸還原酶(DHFR)的活性，使dTMP合成減少，從而殺死細(xì)胞;然而，在甲氨蝶呤培養(yǎng)基中培養(yǎng)一段時間之后，DHFR基因擴增，拷貝數(shù)可以增加200-250倍，從而抵抗更高濃度甲氨蝶嶺的殺傷作用）

③基因擴增是原癌基因的激活方式之一5·染色質(zhì)丟失一些低等真核生物在細(xì)胞發(fā)育過程中丟失染色質(zhì)或染色質(zhì)片段（某些基因在這些片段丟失之前并不表達(dá)，丟失之后才表達(dá)）高等生物也有染色質(zhì)丟失（紅細(xì)胞在成熟過程中丟失整個細(xì)胞核）染色質(zhì)丟失屬于不可逆性調(diào)控6·基因組印記(genomicimprinting)基因組印記：是指來源于親本的等位基因進行不對稱修飾后導(dǎo)致的單等位基因表達(dá)的現(xiàn)象這種在生物進化中形成的、有規(guī)律而又受控的基因沉默是基因表達(dá)調(diào)控的一種重要方式三、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

(一)調(diào)控序列對基因的轉(zhuǎn)錄啟動及轉(zhuǎn)錄效率起重要調(diào)控作用的DNA序列包括

啟動子：啟動轉(zhuǎn)錄所必需的

增強子：介導(dǎo)正調(diào)控作用，促進轉(zhuǎn)錄（使基因轉(zhuǎn)錄速率顯著提高的一類順式元件）

沉默子：介導(dǎo)負(fù)調(diào)控作用，阻遏轉(zhuǎn)錄（使基因轉(zhuǎn)錄降低或使基因關(guān)閉的一類順式作用元件）(二)調(diào)節(jié)蛋白

1·調(diào)節(jié)蛋白分類

(1)通用轉(zhuǎn)錄因子：與啟動子特異結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄各種基因所必需的(2)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子（轉(zhuǎn)錄激活/阻遏因子)

：通過與增強子或沉默子結(jié)合來調(diào)控轉(zhuǎn)錄(3)共調(diào)節(jié)因子(共激活/阻遏因子)：不直接與DNA結(jié)合

蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用改變通用轉(zhuǎn)錄因子或調(diào)節(jié)因子的構(gòu)象合成和作用受細(xì)胞類型和發(fā)育階段的控制對細(xì)胞外信號產(chǎn)生應(yīng)答2·調(diào)節(jié)蛋白結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域（DBD）轉(zhuǎn)錄激活域二聚化域(l)DNA結(jié)合域（與DNA調(diào)控序列結(jié)合）①鋅指（zincfinger）：常結(jié)合GC盒由一個含有大約30個氨基酸的環(huán)和一個與環(huán)上的4個Cys或2個Cys和2個His配位的Zn構(gòu)成，形成的結(jié)構(gòu)像手指狀

由于結(jié)合在大溝中的α螺旋幾乎聯(lián)成一線，這類蛋白質(zhì)與DNA的結(jié)合很牢固，特異性很高。②螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（HTH）屬于DNA結(jié)合基序，全長約20個氨基酸，由各含7-9個氨基酸的兩個α螺旋通過一個β轉(zhuǎn)角連接，其位于C端的α螺旋直接與DNA雙螺旋的大溝特異結(jié)合，稱為識別螺旋(Recognitionhelix)HTH在原核生物DNA結(jié)合蛋白(例如LacI、CAP、TrpR)中也存在*Helix-turn-helix（螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋）

常結(jié)合CAAT盒③發(fā)育同源域同源異型基因(homeoticgene)：編碼產(chǎn)物屬于DNA結(jié)合蛋白，在胚胎發(fā)育中的表達(dá)水平對于組織器官的形成具有重要的調(diào)控作用同源框(homeobox)：保守序列，長約180bp，編碼長約60個氨基酸肽段發(fā)育同源域(home-odomain)發(fā)育同源域：屬于DNA結(jié)合域，通過一個HTH基序與DNA結(jié)合，在結(jié)構(gòu)上及與DNA的作用方式上極為保守(2)轉(zhuǎn)錄激活域(TAD)與其他轉(zhuǎn)錄因子(特別是共激活因子)相互作用的部位，稱為轉(zhuǎn)錄激活域TAD主要存在于真核生物轉(zhuǎn)錄激活因子中①酸性激活域(AAD)激活作用是由氨基酸的酸性而不是由序列決定的酵母轉(zhuǎn)錄激活因子GaI4pN端：含類鋅指的DNA結(jié)合域C端：轉(zhuǎn)錄激活域，富含酸性氨基酸其激活作用：形成具有卷曲螺旋結(jié)構(gòu)的同二聚體，然后才與增強子UAS

②富含谷氨酰胺域（GD）Spl是高等真核生物許多基因的轉(zhuǎn)錄激活因子SplDBD：三個鋅指與GC框結(jié)合Spl有兩個TAD(GD):其25%的氨基酸為谷氨酰胺其他許多轉(zhuǎn)錄激活因子也有富含GD轉(zhuǎn)錄因子SP1（GC盒）

、連續(xù)的3個鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu)③富含脯氨酸域（PD）轉(zhuǎn)錄激活因子CTF1與CAAT框結(jié)合CTFlDBD：富含堿性氨基酸TAD：20%的氨基酸為脯氨酸(3)二聚化域真核生物的許多調(diào)節(jié)蛋白常先形成二聚體，再通過含鋅指的DNA結(jié)合域與DNA結(jié)合某些結(jié)構(gòu)域是形成二聚體所必需的，稱為二聚化域①亮氨酸拉鏈（LZ）含規(guī)則排列的亮氨酸（被六個其他氨基酸隔開），在形成α螺旋時，亮氨酸恰好沿著螺旋一側(cè)排列，形成疏水側(cè)面（兩性α螺旋）兩個兩性α螺旋的亮氨酸一側(cè)平行排列，以疏水作用相互結(jié)合成二聚體，像拉鏈一樣鉸在一起，所以稱為亮氨酸拉鏈(LZ)含LZ的調(diào)節(jié)蛋白通常含DNA結(jié)合域，該結(jié)合域富含賴氨酸/精氨酸，可以與DNA主鏈帶負(fù)電荷的磷酸基結(jié)合這類蛋白質(zhì)的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域?qū)嶋H是以堿性區(qū)和亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域整體作為基礎(chǔ)的。②堿性螺旋-環(huán)-螺旋(HLH)由一個堿性短序列和一個螺旋-環(huán)-螺旋構(gòu)成螺旋-環(huán)-螺旋長約50個氨基酸，由兩段兩性α螺旋通過一段長度不一的環(huán)連接構(gòu)成兩個HLH通過一端的亮氨酸相互結(jié)合，形成二聚體堿性短序列富含堿性氨基酸，位于螺旋-環(huán)-螺旋的另一端，與LZ一端的堿性序列類似，直接與靶基因啟動子結(jié)合存在于多細(xì)胞真核生物的部分調(diào)節(jié)蛋白，在發(fā)育過程中參與基因表達(dá)調(diào)控*堿性螺旋--環(huán)--螺旋（basichelix-loop-helix）3·調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)

四、轉(zhuǎn)錄后加工水平的調(diào)控

1·加帽和加尾：不同帽子結(jié)構(gòu)的甲基化程度不同2·轉(zhuǎn)運約20%的mRNA進入細(xì)胞漿，留在細(xì)胞核內(nèi)50%在1小時內(nèi)被降解轉(zhuǎn)運受到調(diào)控:①mRNA的出核過程是一個主動轉(zhuǎn)運過程②mRNA與特定蛋白質(zhì)裝配成信使核糖蛋白(mRNP)才能轉(zhuǎn)運選擇性剪接、編輯等轉(zhuǎn)錄后加工事件五、翻譯水平的調(diào)控

重要：①轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后加工時間太長(達(dá)數(shù)小時)，可以通過調(diào)控已有mRNA的翻譯效率來滿足急需

②有些基因的翻譯調(diào)控屬于微調(diào)

③一些無核細(xì)胞對已有mRNA的翻譯進行調(diào)控主要表現(xiàn)在控制mRNA穩(wěn)定性、翻譯因子活性和選擇性翻譯mRNA的5'非翻譯區(qū)和3'非翻譯區(qū)是主要調(diào)節(jié)位點

1、mRNA穩(wěn)定性(影響其壽命，從而影響翻譯效率)mRNA的二級結(jié)構(gòu)、帽子的種類、poly(A)尾的長度、mRNP的結(jié)構(gòu)等有關(guān)2、5‘UTR長度影響翻譯起始的效率不到I2nt時，小亞基會出現(xiàn)掃描失誤而不能裝配17-80nt時，體外翻譯效率與其長度成正比。3、上游開放閱讀框有些mRNA的5’非翻譯區(qū)內(nèi)有一個或數(shù)個AUG，稱為5’AUG，它們引導(dǎo)一種特殊的閱讀框，稱為上游開放閱讀框(uORF)uORF與編碼區(qū)ORF不一致，很小，翻譯產(chǎn)物為無活性短肽uORF對翻譯起始起負(fù)調(diào)控作用，使翻譯維持在較低水平uORF多存在于原癌基因中，它們的缺失可以導(dǎo)致原癌基因激活4·翻譯阻遏蛋白

較長UTR，含IR，可以形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)(翻譯阻遏蛋白與之結(jié)合干擾核糖體復(fù)合體的裝配，阻遏翻譯起始)阻遏作用受到變構(gòu)調(diào)節(jié)，例如Fe2+對鐵蛋白合成的調(diào)控機制：鐵蛋白mRNA的5‘UTR含鐵應(yīng)答元件IRE,可以結(jié)合鐵應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(IBP)，從而抑制鐵蛋白的合成。Fe2+與IB