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第五章原核基因表达的调控1调控水平 DNA水平：启动子，终止子，SD序列，重排 转录水平：mRNA 转录后水平：mRNA加工，翻译水平2调控机制（转录水平）正控诱导 正控阻遏 负控诱导 负控阻遏 2.1乳糖操纵子 YP0IPOAZP0:调节蛋白基因启动子I:调节蛋白基因P:启动子O:操纵区（与P有重叠）Z:-半乳糖苷酶基因Y:-半乳糖苷透过酶基因A:已酰基转移酶基因（1）I 产生的蛋白质是一种阻遏蛋白，其四聚体可与O区结合，从而阻止了RNA聚合酶与启动子P的结合，Z、Y、A无法转录，表达被抑制2）加入乳糖后，乳糖在-半乳糖苷透过酶作用下进入细胞内，由-半乳糖苷酶作用形成异构乳糖，异构乳糖与调节蛋白结合使之失活，从而暴露启动子P， Z、Y、A大量表达2，3本底水平表达在非诱导状态下有少量的lac mRNA合成（大约每个世代1-5个mRNA分子），这种合成称为本底水平的组成型合成。原因：阻遏物的结合并不是绝对紧密，即使在它与操纵基因紧密结合时，也会偶尔掉下来；这时启动子的障碍被解除，RNA聚合酶开始转录。这种现象以每个细胞周期1-2次的概率发生。2.4葡萄糖对乳糖操纵子的影响葡萄糖代谢物阻遏效应： 葡萄糖与乳糖共存时，与乳糖代谢有关的酶不表达，乳糖不被利用。原因：乳糖操纵子启动子上又有一个CRP结合位点，该位点与cAMP-CRP(代谢物激活蛋白)复合物结合从而激活乳糖操纵子，但在高葡萄糖浓度下，cAMP水平降低，从而减少了cAMP-CRP复合物的水平，乳糖操纵子被抑制，反之被激活cAMP-CRP复合物对于乳糖操纵子的转录是必须的，且与阻遏体系无关，该复合物缺失时，在任何状况下都不会转录。该复合物与启动子取得结合可以使DNA链发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚合酶结构。阻遏物则是一个抗解链蛋白，阻止形成开放结构，从而抑制RNA聚合酶的功能。2.5色氨酸操纵子RPOLEDCBAR:调节蛋白基因 P:启动子 O:操纵区 L:前导区 E:D:C: 色氨酸合成所需部分酶蛋白的基因B: A:2.6色氨酸操纵子的阻遏作用 1)环境缺少色氨酸： 调节蛋白无法与Trp结合，无活性，操纵子正常转录。 2)环境缺少色氨酸： 调节蛋白与Trp结合，被活化，操纵子转录被抑制。2.7弱化作用阻遏作用可使转录降低70倍，但实际色氨酸 高浓度与低浓度下trp操纵子的表达水平相差约600倍。因此色氨酸操纵子得转录还有另一种机制进行调控，这一机制即弱化作用2.8前导序列特征（图见书上）1）含有起始密码子（AUG）和终止密码子（UGA），可翻译形成一个含14个氨基酸的多肽，即前导肽。 2）前导序列含两个相邻的色氨酸密码子，构成前导肽10位与11位上两个色氨酸。 3）区与区，区与区， 区与区可配对形成茎环结构。 4） 区与区配对可形成不依赖因子的终止子。2.9 弱化作用机理1）环境中色氨酸浓度较高时，未受阻遏作用的操纵子将利用色氨酸合成前导肽，核糖体可在区转录前运动到终止密码子UGA处，从而覆盖区，于是区和区配对形成终止子结构，从而终止转录。 2）环境中色氨酸浓度较低时，核糖体在经过两个相邻的色氨酸密码子时发生停顿，从而覆盖区，此时区与区配对，无法形成终止子结构，转录顺利进行。 弱化作用的产生需要色氨酸操纵子转录与翻译在时空上的高度协调，在核糖体到达区时，RNA聚合酶刚好到达终止子处尔发生终止作用，这一协调是通过弱化子前的暂停位点控制的，此位点可使聚合酶发生停顿从而达到时空的一致弱化子（attenutor）：原核生物中一类靠弱化作用而终止转录的特殊终止子。2.3.3弱化与阻遏的协调 1）Trp浓度较高时发生弱化作用，弱化效率高，但弱化需要前导肽合成，而阻遏不需要前导肽合成，而阻遏时不需前导肽合成，因此阻遏更为节省。 2)阻遏蛋白只能作用于转录的起始，但转录开始后，阻遏蛋白无法作用，这是需要终止子作用。 3）缺少Gly时，前导肽也不合成， 区与区配对，区与区配对，Trp合成也终止。3其他操纵子31半乳糖操纵子32阿拉伯糖操纵子4其他水平调控 4.1转录起始的调控 SD序列：原核生物蛋白质基因前导序列中距第一个起始密码子7个bp的一部分或全部连续多聚嘌呤核苷酸序列 SD序列是核糖体结合位点的一部分，可于16SrRNA的3端互补配对，促使核糖体与mRNA结合，一般410个核苷酸为佳，9个最佳。 此外，mRNA的二级结构也翻译起始调控的重要因素。4.2稀有密码子对翻译的影响4.3重叠基因对翻译的影响4.4poly(A)的影响4.5魔斑核苷酸水平对翻译的影响4.6 RF2终止因子翻译的自身调控六章1.真核基因表达调控的特点 1.1 最基础的特点： 在特定的时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定的”，有序的，不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官保持正常的功能。1.2调控更复杂 DNA存在形式更复杂：核小体，包装 基因特点：断裂基因 核膜阻挡：不同步， DNA水平 多水平层次 转录水平 转录后水平 翻译水平1.3分类 可逆性调控：或称瞬时调控，是对环境变化做出的适应性反应，包括某种底物或激素水平升降时或细胞周期不同阶段中酶活性的调节； 不可逆性调控:或称发育调控，是真核生物特有的调控，决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。2DNA水平的调控 1）DNA通过生物合成与分解改变基因数量。如，DNA丢失、DNA扩增 2）DNA结构改变的调空（通过改变DNA结构，影响基因表达活性）如DNA重排交换，DNA甲基化等。3）染色质结构变化2.1基因丢失 22基因扩增 2.3.重排与交换 2.3.2变换2.4 DNA甲基化 3 转录水平 顺式作用元件(cis-actingfelement): 对所在DNA分子上与它相邻近的基因活性有作用的核苷酸片段。（往往与特定的功能基因连锁）主要包括：启动子、终止子、增强子、减弱子应答元件等3.1.1 启动子 启动子（promotoer）:基因中RNA聚合酶识别结合并其始转录的一段DNA核心元件 :TATA盒（富含TA） 上游调控区upE: CAAT盒和GC盒 由RNA聚合酶负责转录的基因的启动子，主要位于被转录基因上游，因此称为基因外启动子或上游启动子。 RNA聚合酶负责rRNA的转录，其启动子中位于40 15的区域决定转录起始位置，160 107的区域决定转录起始频率，也属于基因外启动子。 RNA聚合酶负责5srRNA，tRNA和核内小RNA（snRNA）的转录，其中tRNA及5srRNA的启动子位于被转录基因内部，如tRNA启动子位于+8+72之间（+8 +30和+51 +72），称为基因内启动子或下游启动子。 还有一类混合型启动子：海胆硒代半胱氨酸tRNA（ser）sec基因的启动子跨过+1，一部分位于其基因内和一部分位于基因外，称为混合型启动子。（以硒代替半胱氨酸的硫是硒蛋白或硒酸功能必需） 同样原核生物的启动子也具有决定转录位置（聚合酶牢固结合位点：10区）和决定转录频率（识别位点）的两个区域。 3.1.2 增强子 增强子（enhancer）：真核生物中能增强转录频率的DNA序列。（ 沉默子（减弱子silence）：减弱转录频率） 六大特征： （1）增强效应明显 （2）基因不依赖性（可在不同的基因组合上表现出增强效应，不具有选择性。） （3）位置及方向不依赖性 位置不依赖：是指增强子与靶基因相互作用 时，可以在启动子的上游也可在下游，但与启动子的距离影响作用效果，最远不超过3kb 方向不依赖：是指无论以53还是35方向排列，对附近的启动子都有影响。 （4）序列特殊性 ：往往有一核心序列TGGATATAT，适合与某些蛋白质因子结合。 （5）有组织细胞特异性（一种增强子只在一定类型的细胞中才起作用） （6许多增强子还受外界信号调控：如金属硫蛋白（MT）基因启动区上游所带的增强子，对环境中的Zn2+、Gd2+浓度作出反应。金属硫蛋白携带多个不同的增强子，分别与Zn2+、Gd2+结合，多个增强子共同作用可以大大提高转录效率。 3.1.3 应答元件 3.1.4 PolyA信号 3.1.5终止子 反式作用因子：直接或间接识别并结合在顺式作用元件上参与基因转录调控的蛋白质因子。 3.2.2 反式作用因子的结构域 （1）DNA识别结合域 螺旋转折螺旋（helix-turn-helix， HTH 锌指 亮氨酸拉链 螺旋-环-螺旋（HLHt） 同源域蛋白 功能结构域 原核生物转录调控直接作用于启动子，而真核生物则是与顺式元件相互作用以影响启动子。 反式作用因子多形成蛋白质复合体起作用，蛋白复合体通过调控舱进行调控。 调控舱：一个可以活化或阻遏基因表达的功能集团。 不同的调控作用是由多个调控舱综合作用的结果。 3.3 转录调控 3.3.1转录起始：转录调控的基础是转录起始复合物的形成，如RNA聚合酶II进行的转录的起始：启动子与普遍性转录因子结合后只能进行低水平的基础性转录。起始复合物往往受到活化或阻遏的调控。调控元件被不同的转录调控因子识别结合相互作用。 4 转录后水平调控 即RNA的加工成熟，主要是mRNA的加工成熟 rRNA由45S的前体经过剪切形成18S、28S、5.8SrRNA，之后甲基化（原核碱基甲基化，真核核糖甲基化）。 tRNA在胞质修饰成4.5S的前提，再剪切成成熟的tRNA （4S）。 mRNA先形成核内不均一RNA（hnRNA）,经过剪接，加入5帽子，3 polyA，进行甲基化修饰而成为成熟mRNA。 5 翻译水平调控 第七章 1.基因组学与人类基因组计划 1.1 基因组学 基因组学：研究并解析生物体整个基因组所有遗传信息 1.2 人类基因组 遗传图（连锁图）： 遗传图：用遗传学分析法，把基因或DNA标记，标注出它们所在位置和遗传距离的图谱。 遗传图距通常以基因或DNA片断在染色体在染色体交换过程中的分离频率里摩（cM）表示，该值越大距离越远。 遗传距离是通过 连锁分析获得的。 连锁分析：通过研究同一遗传位点在不同个体中等位基因的不同（多态性）来研究同一染色体上两个位点之间的相互关系。 遗传距离用两个位点之间的交换或重组频率表示，该值不会大于50%。 第一代遗传标记：RFLP RFLP（restriction fragment length polymorphism,限制性片段长度多态性）：DNA序列上的微小变化都可以引起限制性内切酶切点的丢失或产生，导致酶切片断长度的变化； 第二代遗传标记：SSLP SSLP（简短串联重复，short random repeat polymorphism或simple sequence length polymorphism，也缩写为STR或STRP）：指重复单位长度在26个核苷酸之间的微卫星DNA（microsatellite DNA）。 第三代遗传标记：SNP SNP（单核苷酸多态性，single nucleotide polymorphism）：指分散于基因组中的单个碱基的差异，包括单个碱基的缺失和插入以及单个碱基的替换（转换或颠换），其中以转换为主 （2）物理图 物理图：是指以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点，sequence-tagged site，STS）为路标，以碱基对（bp，kb，Mb）作为基本测量单位（图距）的基因组图。 STS实际上是基因组中任何单拷贝的短DNA序列，长度在100500bp之间。 STS必须是一段序列已知的片段 STS必需在染色体上有独一无二的位置 （3）转录图 人类基因转录图又称基因的cDNA片段图，即表达序列标签图（EST，expressed sequence tag）是人类基因组图的雏形。 只要得到了一段cDNA或一个EST，就可用于筛选全长的转录本，并将该基因准确地定位于基因组上。 生产EST的程序为：分离特定组织某阶段或某种生理条件下的总mRNA,合成cDNA并进行序列分析。 （4）序列图 鸟枪法 第一