第五章生物的调控

1、第五章生物的调控生物的复杂的调节控制过程是在长期进化发展和自然选择过程中逐步建立起来的。低等的单细胞生物体内就已经存在着酶和细胞水平的调控过程，如酶的反馈变构调节，酶自身合成的诱导和阻断，以及酶在细胞内的定向输送等。细胞水平的调节在遗传信息的流向的各个层次都可能发生。酶和细胞水平的调节是最基本的调节方式，为一切生物所共有。单细胞生物只含有细胞水平和酶水平的调控，植物除此之外还有激素水平的调控，动物细胞在进化上处于最高地位，还产生了神经水平的调节。多细胞生物的进化，形成了一个由生物大分子、细胞器、细胞、组织、器官组成的多层次的统一整体，在各个层次之间，彼此间的相互协调，对于完成细胞分裂、分化及生

2、长发育都极为重要，因而，在这些生物中，出现了更高一级的调节控制如激素水平调节、神经水平调控，但它们仍然是以酶和细胞水平调控作为基础。生物调控的重要性：例子1细胞全能性植物细胞的全能性(totipotancy)指植物的每一个细胞具有该植物的全部遗传信息和离体细胞在一定培养条件下具有发育成完整植株的潜在能力。在一个完整的植株上，某部分的体细胞只表现一定的形态，行使一定的功能，这是由于它受到具体器官或组织所在环境的束缚，但其遗传潜力并没有丧失。一旦脱离原来的器官或组织影响，如处于离体状态时在一定的培养条件下，就可能表现出全能性，并发育成完整植株。动物细胞也具有全能性，克隆羊“多莉”。2肿瘤的分子生物

3、学研究肿瘤细胞之所以成为恶性细胞，其关键的生物学特征就是增殖与分化调控的失常，它们能持续地生长和分裂。在高等生物体内，体细胞的生长分化是有限度的，它们受到了严密的控制，主要通过增殖因子(Proliferative factor, RF)、抑制因子(Inhibiting factor, IF)和分化因子(Differentiating factor，DF)的相互作用，彼此制约而维持一定的平衡，协调着细胞的分裂与成熟，使细胞生长分化处在一个网络系统的整体调控之下。增殖因子是一类对细胞生长必不可少的物质。包括常见的多肽类生长因子，如上皮细胞生长因子EGF、神经生长因子NGF、某些激素、小分子生长因子

4、如环核苷酸、Ca2+。癌基因(Oncogenes)最早发现于逆转录病毒，在动物的正常细胞中也存在与病毒癌基因相似的DNA序列称为原癌基因(Proto-oncogenes)，它们具有正常功能，但又易受各种因素的影响，通过不同的途径被激活，导致细胞癌变。在正常情况下，原癌基因是一大类与细胞分裂调控有关的基因群，涉及细胞信号传递，系统的各个层次，其产物包括生长因子、生长因子受体、信号传递物、蛋白激酶及转录激活因子等。他们的正常生理功能是调节细胞增殖活动，与细胞的生长分化密切相关，因而在细胞的发育中具有不可替代的重要作用。抑癌基因(Tumer-suppressor gene，Antioncogenes

5、)则是一类可阻止细胞分裂，抑制细胞生长并能潜在抑制癌变作用的基因，包括编码抑制细胞生长物质的结构基因、调控基因表达的调控序列及某些与基因组稳定性有关的基因等。抑癌基因的主要生理功能就是参与组织；细胞的分化过程。原癌基因与抑癌基因都是控制细胞生长分化的基因，是细胞生长分化一般调控途径的：组成成分。它们通过所编码蛋白的相互作用而构成了细胞生长正负调节的两个方面，如果：所原癌基因是正常细胞增殖调控的正信号，促进细胞进入增殖周期，阻止其发生分化，那么抑癌基因就是细胞增殖调控的负信号，促进其发生分化成熟。细胞癌变就是体细胞中本已关闭的与细胞增殖活动相关的基因群中某些基因又被重新打开，或是功能分化基因群中

6、某些基因被不适当地关闭所造成的后果。3“后基因组时代”的生物学20世纪生物学最宏伟的计划是人类基因组的作图与测序(Mapping and Sequencing the Human genome)，该计划总的目标是以美国为主，通过国际合作，在15年内完成人基因组23条染色体上基因的作图和DNA全长(3X109bases)的测序。从1989年计划实施以来，进展迅速。1994年，全套遗传连续图; 1996年，高密度遗传图。1995年春，在美国冷泉港等地召开的一系列人类基因组会议上，许多科学家乐观地预测2001年就可能提前完成全部测序任务。人类基因组计划已经于几年前完成，但是它给人类社会带来的变化并没

7、有如过去想象的那么大，很是令人失望。在完成人类基因组DNA测序以后，更艰巨的任务是蛋白质基因纽及其基因的功能，人和生物是由细胞组成的多层次的复杂系统，其生长、发育和各种功能活动都是系统的行为，只能通过对系统的分，析研究才能了解，因此，除需要进一步寻找在生物学上重要的个别基因并研究其结构和功能外，更重要地应了解整个基因组及其产物，如何协同调节细胞和生物体的功能活动。这就需要了解在一定分化时期或功能状态的细胞是全套基因表达谱(Gene Expression pattern )及全部基因产物谱蛋白质谱。光了解基因并不能完全了解生物，如人类疾病，例如镰刀形贫血症。艾滋病作为“超级癌症”，已有传染全球之

8、势。它的病因明确、发病过程基本清楚、病原体的基因细微结构都已探明，但是找不到有效的治疗和预防办法。第一节 基因表达的调控一、转录前水平的调控(一)染色体的丢失某些低等真核生物，如原生动物、线虫、昆虫和甲壳类如剑水虱(Cyclops)在个体发育过程中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分染色体，从而使染色质减少约一半，只有将来产生生殖细胞的那些细胞一直保留整套染色体。马蛔虫受精卵细胞内只有一对染色体(2n=2)。这对染色体上排列着许多着丝点，在由受精卵发育为成体的早期阶段只有其中一个着丝点行使功能，保证了正常有丝分裂的进行，当个体发育到一定阶段后，在将采分化产生体细胞的细胞中这对染色体破碎，形成许多小

9、的染色体，其中有的小染色体含有着丝点。它们在以后的细胞分裂中都将保持下去，而有些小染色体不含着丝点，它们因而不能在细胞分裂中正常分配而丢失，而在将来形成生殖细胞的细胞中，不存在染色体破碎现象。原生动物四膜虫（Tetrahymena）含有一个大核和一个小核，大核由小核发育而采。大核为营养核，可进行转录，小核为生殖核，无转录活性。在发育过程中，有多处染色质断裂，并删除约10的基因组DNA，有些部位DNA切除后两端又重新连接。在删除这些序列之前基因并不表现转录活性，删除之后即成为表达型的基因，因此推测这些被删除序列的存在可能抑制了基因正常功能的表达。哺乳类的红细胞，它在成长过程中整个核都丢失了。(二

10、)异染色体质化凝缩状态的染色质称为异染色质，为非活跃转录区哈真核生物可以通过异染色质化而关闭某些基因的表达。例如：雌性哺乳动物细胞有两个X染色体，其中一个高度异染色质化而永久性地失去活性。(三)基因扩增基因扩增指细胞内某些特定基因的拷贝数大量增加的现象，它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调控手段。某些脊椎动物和昆虫的卵母细胞，为储备大量核糖体以供卵细胞受精或发育的需要，通常都要专一性地增加rRNA的基因rDNA。例如非洲爪蟾体细胞中rDNA拷贝数，约有500个，而在卵母细胞中的拷贝数约2,000,000个，增加了4000倍。这些rDNA约占了整个卵母细胞DNA的75，可以

11、形成1000个以上的核仁，可以用来转录合成卵裂期所需的1012个核糖体所需的rRNA。一般认为在扩增中基因组上的一个rDNA重复单位(包括转录区和间隔区)被切除下来且两头连成环，然后再以这个环状rDNA为模板，进行滚环复制。扩增后，新形成的rDNA并不是以一条长链rDNA串联重复的形式出现，而是以一个个及环状DNA小分子的形式出此现。这些小分子含有的rDNA拷贝数多少不等，绝大多数有两个以上的拷贝。扩增一般在卵细胞成熟时停止。所合成的rDNA开始逐渐降解，当受精卵经过儿轮分裂产生数百个细胞后，这类染色体外rDNA便完全消失。原生动物纤毛虫的大核在发育过程中也要扩增rDNA，这些rDNA以微染色

12、体 (mini-chromosome)的形式大量存在于大核内。昆虫在需要大量合成和分泌卵壳蛋白(chorion)时，其基因也先行专一性的扩增。在癌细胞中常可检查出有癌基因的扩增。(四)染色体DNA序列的重排1啤酒酵母结合型互变(mating-type interconversion)单倍体酵母有和a两种结合型，分别由MAT和MATa控制。这两个位点互为等位。一个特定的单倍体细胞或是a结合型或是结合型。两个不同结合型的细胞可以结合，而相同的结合型不能结合。对不同结合型的识别是由于分泌激素的不同，MAT细胞产生因子，MATa细胞产生a因子。型可以转变为a型，a型也可以转变为型。解释结合型互变的模型

13、叫做匣子模型 (cassette model)。2高等动物和人体淋巴细胞抗体基因的重排抗体(免疫球蛋白)包括两条轻链(L链)和两条重链(H链)所组成，它们分别由三个独立的基因族(gene family)所编码，其中两个编码轻链(和)，一个编码重链。小鼠的、和重链分别位于第6，16和12号染色体上。决定轻链的基因族上分别有L、V、J、C四类基因片段。L代表前导片段(1eader segment)，V代表可变片段(variable segment)，J代表连接片段 joining)。决定重链的基因族上共有L、V、D、J、C五类基因片段，其中D代表多样性片段(diversity segment)。在

14、J和C片段之间还有增强子(enhancer)。小鼠的重链和链基因族共有V片段约200个，的V片段片段约9个。J片段和D片段各有5个和12个。人体的抗体基因族结构大体相似，但分布于不同的染色体上。当淋巴细胞受到抗原的刺激而分化成为浆细胞时，首先发生重链基因族的重排，即由一个V片段与一个D片段连接，然后与一个J片段连接，形成V-D-J可变区，当可变区链重排连接到恒定区增强子附近时即可开始表达。恒定区存在、3、1、2b、2a、和八个片段。最初转录的是链，经过恒定区基因重排，依此可以转录其后的各个片段。轻链需经过V-J连接才能表达。如果链重排不成功，则由链进行V-J连接而顶替链。这种重排是通过拼接机制

15、而实现的。(五)染色质DNA的修饰(DNA甲基化和去甲基化)DNA的碱基可被甲基化，主要形成5-甲基胞嘧啶(m5C)和少量6-甲基腺嘌岭(m6A)。绝大多数甲基化发生在CG核苷酸对，而且通常两个C都发生甲基化。生物体内有两类甲基化酶，一类为保持性(maintenance)的甲基转移酶，可在甲基化的母链(模板链)指导下使对应部位的发生甲基化，另一类为从头合成(de novo)的甲基转移酶，它不需要母链的指导。去甲基化的途径可能有两种，或是由去甲基酶去除，或是在DNA复制时由于某种原因甲基化酶未能在半甲基化处催化甲基化，从而在以后的DNA复制中产生完全去甲基化的 DNA分子。采用5-氮胞苷(5-a

16、zacydine)可以人为地造成去甲基。5-氮胞苷可以在DNA中取代胞苷，它没有游离的5-H，因而不能接受甲基。用5-氮胞苷处理细胞，可以改变基因的表达和细胞分化的状态。比如，使非肌肉细胞的前体分化成肌肉细胞、诱导整合在染色体中的原病毒表达、激活哺乳动物雌性动物失活的X染色体上某些基因的表达。后一发现似乎表明X染色体似乎表明X染色体的失活与DNA甲基化状态有关。基因的转录活性与基因组DNA和染色质的空间结构状态有关。DNA与染色质蛋白质和少量RNA结合，产生超螺旋化和折叠，并被高度凝缩。例如人细胞含有5.74X109bp，总长约2米，压缩在46个配对的染色体中，总长只有200微米，压缩比达10

17、no在比较疏松的区域即所谓常染色质上，能活跃地进行转录，而在高度凝缩的异染色质上则很少出现RNA的合成。因此真核生物基因的活化可分为两个步骤：首先由某些调节分子结合在基因的特异部位并改变染色质结构，此时其疏松化，然后才能由激活蛋白和阻遏蛋白或其他调节物进一步影响基因活性。近年来，对DNA甲基化与去甲基化作为基因表达调节的控制环节这一概念已经得到了愈来愈多的实验的支持。在生物发育和分化过程中，DNA甲基化能关闭某些基因的表达，去甲基化能诱导基因的重新活化。研究表明，DNA甲基化作用能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性以及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制着基因的表达。二、转录水平的

18、调控(一)原核生物的操纵子模型1.乳糖操纵子乳糖操纵子是一个诱导系统，它控制的是分解代谢，底物小分子的存在诱导操纵子打开，合成一系列酶系，催化乳糖的分解。大肠杆菌乳糖操纵子(lactose operon)包括3个结构基因：Z、Y和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录时，RNA聚合酶首先与启动区(promoter,P)结合，通过操纵区(operator,O)向右转录。转录从O区的中间开始，按ZYA方向进行，每次转录出来的一条mRNA上都带有这3个基因。转录的调控是启动区和操纵区进行的。Z编码-半乳糖苷酶；Y编码-半乳糖苷透过酶；A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。-半乳糖苷酶是一种-半乳糖苷键的专一

19、性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。 Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。 这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P），不能单独起动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。诱导物通过与阻遏物结合，改变

20、它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，lac启动子表达受阻，没有-半乳糖苷酶活性；当葡萄糖消耗完以后，细胞内cAMP浓度增加，-半乳糖苷酶活性被诱导，一度停止生长的细胞又恢复分裂。如果将细菌放在缺乏碳源的培养基中，细胞内cAMP浓度就很高；若在含葡萄糖的培养基中培养，细菌中的cAMP浓度就会很低；如果将细菌置于甘油或乳糖等不进行糖酵解的碳源培养基中，细菌中cAMP的浓度也会很高。研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑制(Catabolite repre

21、ssion)现象的实质是该代谢物降低了细胞中cAMP的含量。事实上，cAMP-CAP复合物是lac体系的positive regulator，它们不能代替lacI和lacO的功能(negative regulator)。cAMP-CAP在原核生物中对多种操纵子都有类似的转录激活作用。具体的作用机理的细节有所不同，根据启动子的不同分为三类。第一类其结合位点位点在启动子上游几十bp，其激活转录需要其它的因子，如乳糖操纵子。第二类CAP结合位点与启动子重叠，似乎取代了通常的-35区，只需要CAP就可以激活转录，如半乳糖操纵子。第三类CAP的结合位点在转录的起始点上游约100bp，它们没有共同的模型，

22、需要其它各不相同的因子激活转录，如araBAD promoter。 2.阿拉伯糖操纵子细菌中有一个阿拉伯糖操纵子(arabinose operon)，在葡萄糖馈乏时，它能利用阿拉伯糖(arabinose)作为能源。ara操纵子分散在大肠杆菌染色体图1分、6分和45分三处。它含有编码阿拉伯糖分解代谢酶系的基因araBAD，阿拉伯糖C基因编码一种C蛋白,它能激活阿拉伯糖BAD操纵子的转录，此操纵子由araB,araA及araD基因组成阿拉伯糖是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：araB、araA和araD，分别编码3个酶：araB基因编码核酮糖激酶(ribu

23、lokinase)，araA编码L-阿拉伯糖异构酶(L-arabinose isomerase)，araD编码L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶(L-ribulose-5phosphate-4epimerase)。与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC，这个AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。AraBAD和araC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上，araBAD基因簇从启动子PBAD开始向左进行转录，而araC基因则是从Pc向右转录。ara纵子还含两个操纵基因araO1和araO2。araO2对于BAD有效阻遏是必不可少的，ar

24、aO1则控制着araC的转录。此外还需要另外一个正调节因子CAP-cAMP结合到靠近PC启动子的CAP位点，协同激活araBAD的转录。ara操纵子的调控：AraC蛋白在ara操纵子不同基因的表达显现出完全不同的调节效应。当阿拉伯糖不存在时，AraC表现为对araBAD和araC的阻遏作用。按照别构动力学观点，这种形式的AraC处于阻遏构象状态，所以称为Crcp。当阿拉伯糖存在时，AraC与阿拉伯糖结合后处于诱导构象状态，表现为对araBAD的诱导作用。这种结合了阿拉伯糖的AraC蛋白称为Cind。Cind还可对araC的转录产生阻遏作用。顺式突变株的鉴定和序列分析表明，在ara调控区存在两种

25、不同构象和功能上不同C蛋白(Crcp和Cind)的结合位点，即araOl和araO2。araOl位于-110-140处，araO2位于-280附近(-265-294)，araO2对于araBAD有效阻遏作用是必不可少的。Crep(或Cind)与araOl结合时，由于araO1和araPC相互重叠，因此Crep (或Cind)的结合妨碍了RNA聚合酶结合，导致araC的表达受到阻遏；而Cind结合到araI位点(即inducer，-78-40)时，对araBAD的转录起激活作用。此过程除了Cind作为正调节因子起作用外，还因为araI与上游CAP-cAMP位点(-107-78)紧密相连，下游又与

26、RNA聚合酶结合的部位邻近，所以一旦另一个正调节因子结合上去便可与Cind协同激活araBAD和araC的转录。Cind和CAP-AMP对araBAD和araC的转录起激活作用在于它们促进RNA聚合酶与启动子PCBAD结合并迅速形成开放性的启动子复合物。当araC表达过量时，Cind结合于araO1，导致araC表达受阻。随AraC减少(或无) Cind也减少(或耗尽)，最后araBAD被关闭。从代谢角度分析：当葡萄糖丰富而阿拉伯糖不存在时，由于葡萄糖效应，即它抑制腺苷酸环化酶合成cAMP，此时CAP-cAMP缺乏，C蛋白二聚体处于Crep构象与araO2结合后引起DNA(210bp)形成环（

27、90bp），于是启动子PBAD向araO2靠近，然后C蛋白再与PBAD上的某些蛋白(CAP，RNA聚合酶)相互作用对araBAD的转录进行有效地阻遏。在葡萄糖不存在而阿拉伯糖可被利用的条件下，不出现葡萄糖效应，此时CAP-cAMP丰富并结合于CAP位点，同时由于C蛋白结合了阿拉伯糖后形成Cind构象，此时DNA环被打开，它被结合到araI位点上，由此C蛋白变成活化剂蛋白(activator)，它与CAP-cAMP协同作用而诱导araBAD的转录。阿拉伯糖和葡萄糖都丰富的条件下和阿拉伯糖和葡萄糖都不存在时，这两种情况都仍然被阻遏，但其机理不明。图示：(a)当AraC蛋白耗尽时，araC基因从其自

28、己的启动子进行转录；(b)当阿拉伯糖浓度低和葡萄糖浓度高时，AraC蛋白与araI和araO2结合，导致这些位点形成DNA环，操纵子在此状态下被阻遏。AraC还与araO1，结合，进而阻遏AraC合成；(c)当有阿拉伯糖和葡萄糖浓度低时，AraC蛋白结合阿拉伯糖，并改变构象成为一个激活剂。DNA环打开，AraC蛋白与CAP-cAMP协同作用，于是促进转录。从以上可以看到，ara操纵子存在着复杂的调控系统。AraC蛋白有否结合信号分子形成两种不同的构象分子Cind和Crep，然后分别结合于不同的调节序列(araI和araO2)，对操纵子转录进行正调控和负调控。AraC蛋白以Crep与araO1，

29、结合阻遏自身基因的转录，并控制着自身的合成，此即自身调控。一些远距离启动子的操纵基因的调节序列可以通过DNA成环作用介导特异调节蛋白质-蛋白质的相互作用，对ara操纵子转录进行调控。这种由DNA成环所介导的基因表达调控方式为真核基因表达提供了典范，同时也促进了增强子和高等真核生物基因表达的研究。3.色氨酸操纵子色氨酸操纵子控制的是合成代谢，最终的产物是色氨酸，只有在培养基中缺乏Trp时操纵子才能打开，而加入Trp 时将促进trp操纵子的关闭，也就是最终产物色氨酸或某种物质对转录将起到阻遏的作用。4.群体意识：激活剂在squid（鱿鱼）体内生活的Vibrio fischeri（弧菌）会发光，但是

30、离开鱿鱼后不再发光。如何进行调控的？Each bacterium is continuously secreting a unique small molecule called VAI (Vibrio fischeri autoinducer) that can diffuse readily through the cell membrane. Thus, there is a declining concentration of the small molecule in a growing circumference around the bacterium. When there a

31、re many bacteria around, the local concentration of the small molecule will be very high.The genes for making luciferase are contained in the lux operon. A DNA binding site (luxO) near the lux promoter (luxP) binds a protein called luxR. This protein somehow calls RNA polymerase over when it is boun

32、d to the DNA, thus increasing transcription of the DNA and making more polymerase. Thus, luxR is a transcriptional activator of the lux operon.It is important to note that LuxI is the gene that encodes for the enzyme that synthesizes VAI. When a bacterium undergoes the transition from not making luc

33、iferase to making luciferase, it needs to have the autoinducer around in order to promote binding of LuxR to the operator.(二)翻译过程对转录的调节一衰减作用(弱化作用)色氨酸mRNA的5端有162核苷酸的前导序列，当RNA的合成启动后除非缺乏色氨酸，否则大部分mRNA仅合成140核苷酸即停止。前导肽能编码一小段14肽，其终止区具有潜在的茎环构象和成串的U，表现出转录终止位点的特征。前导RNA链有4个区域彼此互补，可形成奇特的二级结构，有些情况下出现终止子结构。转录与翻译偶

34、联是原核生物的特征。阻遏作用与弱化作用的协调：细菌中为什么需要弱化子系统呢?一种可能是阻遏物从无活性到有活性的转变速度极低，需要有一个能更快地作出反应的系统，以保持培养基中适当的色氨酸水平。也有可能弱化子系统主要是对外源色氨酸浓度作出反应。例如，外源色氨酸浓度很低的信号虽然可以引起色氨酸操纵子的去阻遏作用，但是这个信号还不足以很快引发内源色氨酸的合成。于是；在这种环境下，弱化子就通过抗终止的方法采增加色氨酸基因表达，从而提高内源色氨酸的浓度。最重要的是防止色氨酸的浓度变化过大。反之，为什么还要有阻遏系统？阻遏物的作用目前认为是当有大量外源色氨酸存在时阻止非必需的先导mRNA的合成，它使这个合成

35、系统更加经济。细菌中的许多氨基酸的合成采用弱化子系统如his操纵子控制细胞内的浓度。(三)真核生物转录的调节1转录因子顺式作用成分与反式作用成分真核生物基因的表达的调节控制比原核生物远为复杂，在多层次、受多种因子协同作用，调控的主要部位在基因的转录水平。目前的研究正集中在基因转录的顺式作用元件 (cis-acting elements)和反式作用因子(trans-acting factors)。顺式作用元件：转录其始点上游30bp处的TATA序列上游几百bp的CCAAT序列或GGGCGG序列(GC box)在基因上或下游远端或内含子内增强子(enhancer)序列负调控序列抑制子(silenc

36、er)其它特异调控序列以上各种特异的核苷酸序列都是反式作用因子蛋白质的靶位点反式作用因子：通用转录因子：结合在TATA附近的：TFA、TFB、TFD、TFE转录调控因子：结合在上游特异核苷酸序列上的因子如SPI、CTF、AP-1、CKEB还有些蛋白质因子，它们自身并不与DNA相结合，却能激活基因的转录，可能在两种不同的调控因子中起桥梁作用。在基因转录起始过程中涉及很多蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的复杂反应，不同基因的表达受不同组合的蛋白质的协同调节作用。转录因子的功能域(domain)反式作用的蛋白质因子一般都具有不同的功能区域，这些功能区含有几十到几百个氨基酸残基。有的功能区是结合特异

37、DNA序列必需的，有的功能区是激活基因转录必需的，不同的功能区有自己的特征结构。a转录因子DNA结合区(略) b转录因子激活基因转录的功能区(略)转录因子的作用规律a一种蛋白质因子可以结合多个顺式作用元件真核生物的调控因子比较复杂和灵活。有些调控因子可以与序列相似性很小几个DNA位点，以同样的亲和性相作用。如酵母的HAP-1可以与CYCl的UAS和CYC7的UAS相结合，这两个接合位点在核苷酸序列上不具有任何同源性。b一种顺式作用元件可以作为多种蛋白质因子的作用靶区ATGCAAAT可结合Oct-1、Oct-2、OBPl00、NF-A1、NF-A2等多种因子。CCAAT box C/EBP、CT

38、F/NFI、CP1、CP2等TGACTCA AP-1、fos、jun等识别同一序列的多种蛋白质因子的存在能增加它们单独或协同调节基因转录的精确性和灵活性。对那些如细胞生长、发育和分化过程中起重要作用的调节控制非常重要。c有些蛋白质因子经物理或化学诱导后才具有活性HSTF在酵母细胞中能结合在热休克蛋白基因上游调控序列经热诱导，发生磷酸化作用，才具有激活基因转录的活性。酵母GAI4的激活转录功能区在有葡萄糖条件下被另一负调控因子GAL80结合覆盖，失去激活转录的功能；经半乳糖诱导，GAI4和GAL80的结合解离，GALA的酸性激活区才促进基因的转录。这是酵母半乳糖代谢酶基因在有葡萄糖条件下表达受阻

39、遏，在有半乳糖时被诱导的原因。d磷酸化作用对一些蛋白质因子的功能作用是很重要的B淋巴细胞的NF-XB由细胞质转移到细胞核、CREF结合DNA的活性、Oct-2和HSTF激活基因转录的功能都必须磷酸化。SP1：从Hela细胞中分离纯化，凝胶电泳时不均一，MW95-105kd，过去认为是糖基化程度不同，新近发现是磷酸化不同造成的。在它的N端激活基因转录的功能区内有多个磷酸化位点，磷酸化程度不同造成迁移率的不同。SPl的磷酸化只有在它结合在GCbox上才能进行，而且催化这一反应的蛋白激酶也只有结合在DNA上才具有活性。e蛋白质因子与特异DNA序列相互作用涉及蛋白质因子之间的反应一些蛋白质因子必须以二

40、聚体或异源二聚体形式才能与DNA结合，如通用转录因子和 RNA聚合酶与TATA box作用。转录因子的进化整个真核生物界，转录的调控机制是非常保守的。一种生物的转录因子可在另一种生物细胞中其激活基因转录的作用。如GAL4，在哺乳动物细胞内，当基因上游有其结合位点，激活下游的基因的表达。脊椎动物的转录调控因子fos、myc及雌激素受体也能在酵母中行使功能。TATA box通用转录因子在生物中可以互换。玉米花色素苷合成途径的转录有两类调节基因BR和C1P在起作用。对B和C1调节蛋白进行功能分析，将其中一个调节蛋白基因序列同酵母的GAL4激活因子的DNA结合域结合。两种融合蛋白在酵母中的表达后由于B

41、蛋白C1蛋白的相互作用使受GAI4调控的报告基因得以表达。同源异型突变与同源异型基因a指发育过程中躯体的一部分发育成另外一部分，最早在果蝇中发现，说明不同蛋白质或者几种调节蛋白质的不同组合可以控制细胞的发育。现已证明，有两类8个同源异形基因控制胚胎最早期的空间方位，这些基因从果蝇到人类都是基本相同的。这些基因都含有180个核苷酸的序列，称homeobox，高度保守，编码蛋白质羧基末端的60个氨基酸。这些同源异型基因编码的都是区域特异性的转录因子。动物的发育过程开始由少数几个主基因(master gene)控制胚胎分化的方向性，然后由不同的器官特异性基因决定器官的发生。基因与基因间存在明显的等级

42、关系。b植物中的同源异型基因植物中最早克隆的同源盒基因(带有同源盒的基因)是玉米的Knotted-1(Kn-1)基因。玉米有一种改变叶发育状况的显性突变，沿侧脉细胞分化不正常而持续分裂产生结，叶舌发生移位并与正常位置相垂直。序列分析表明Kn-1基因可形成helix-turn-helix，氨基酸序列与同源域有约35的相同。植物同源盒基因除编码同源域外，还有Leu-拉链和酸性激活区，称为HD-Zip结构。尽管动物中已发现上百个有同源域的蛋白，但从未发现HD-Zip中结构。这种结构可能对高等植物有特别的意义。基因表达的时序控制(略)三、RNA加工水平的调控RNA加工的几个名词：剪切(cleavage

43、)修剪(trimming)剪接(splicing)修饰(modification)“戴帽”(capping)“接尾”(tailng)编辑(editing)(一)切除多余序列1基因间序列的除去2内元的除去在高等真核生物中，大多数基因含有多个内含子。通常情况下，它们是依次序准确的逐一切除的。但是，在不同的细胞形态和不同发育阶段，一些mRNA前体可通过可变剪接 (alternative splicing)调控基因的表达，以适应生理的需求。可变剪切的结果，一个单基因转录得到的mRNA前体，可以产生多个蛋白质，即蛋白质同源体(isoform)。如原肌球蛋白基因可得到至少10种不同蛋白产物，而肌钙蛋白基因

44、则能产生64个蛋白质同源体，也可能有没有功能的蛋白质生成，还可能遇到过早出现终止密码子。影响可变剪切的因素很多，总的说来可区别为二大类，一是mRNA前体内部的结构起作用，二是反式因子产生影响。不同细胞中SV40早期mRNA编码抗原T或抗原t的相对量以及果蝇的性别主要是由可变剪接决定的。(二)碱基修饰差不多所有RNA都是含有不同数量的修饰成分，尤以tRNA和snRNA为最多。迄今 RNA中的修饰成分发现已近百种，但对其功能的认识还不多。所有修饰过程都是在特异的酶催化下进行的，酶的专一性很强，不仅有碱基或糖基专一性，同时还有序列以及三维结构专一性。(三)RNA编辑1986年Benne等人从锥体虫中

45、发现的一种新的RNA加工方式。当时发现锥体虫线粒体细胞色素C氧化酶亚基II(CoII)基因与酵母或人的相应基因相比，在编码蛋白的170位氨基酸附近有一移码突变。比较锥体虫CoII基因与其转录物的序列，发现转录序列在相应上述移码突变位点附近有四个不被基因DNA所编码的额外的尿苷酸，这四个尿苷酸正好校正 基因的移码突变。48 480 490 500 510 mRNA： UUA GGU AUA AAA GUA GAU UGU AUA CCU GGU AGG UGU AAU蛋白序列 ： L G I K V D C I P G R C N DNA： TTA GGT ATA AAA GTA GA* * G

46、* A* A CCT GGT AGG TGT AAT核酸序号以mRNA起始密码AUG的A开始编号。下划线标出与人及酵母相应蛋白相同的氨基酸。编辑的生物学意义：1校正移码突变：CoII2控制转译：产生起始密码(MURF2)、除去起始密码(锥体虫C.fasciculate的MURF-3)、产生终止密码（T.brucel 的CoIII）3扩充遗传信息T.burceil的Cyb基因在其固有起始密码上游构造新的起始密码，从而扩展了21个核苷酸的转译序列。另外两种锥体虫C.fasclculata和L.tarentolae的CoIII基因也用这种方法增加了18个密码子。T.brucel的CoIII最突出，在

47、158个位点插入394个U，在9个位点删去捣个U，实际增加376个U，增加数占成熟的CoW转录物编码区总长度的55。5和3非编码区和PolyA区编辑意义不明，估计还有其它生物学意义。RNA编辑是对中心法则的重要补充。RNA编辑与以前所有的RNA加工不同，最终的mRNA的遗传信息并不来自它的原始基因。那么，编辑的遗传信息来自何方? 编辑是如何进行的?从理论上推测，RNA编辑过程包括许多种酶活性：位点专一的内切酶活力、切除多余 U的活力、PolyU聚合酶的活力及RNA连接酶活力。估计是在一个较大核蛋白体上进行，称为编辑体(editosome)。由于一直找不到成熟mRNA互补的基因或全长的模板RNA

48、链。Simpson等人开始寻找可以作为RNA编辑模板的小的RNA分子。他们在L.tarentolae中找到了七个小于80核苷酸长度的RNA.这些RNA可以作为该锥体虫内Cyb、MUKF-2、MUKF-3和Co转录编辑的模板，他们把这类RNA成为guide RNA。在寻找RNA编辑的中间产物时，发现有RNA的3端已被编辑而5端尚未被编辑的中间产物，从未发现有5端被编辑而3端尚未被编辑的中间产物。故认为编辑从RNA的3端向5端进行。根据以上结果，Breme等提出RNA编辑模式。但是与Tburcei的CoIII编辑有关的gRNA还没有被发现，相反Volloch等发现放线菌素D可抑制未被编辑的CoII

49、I的RNA合成，但并不抑制被编辑的CoW的RNA合成。这现象可能说明存在另一种编辑的机制。RNA编辑可能在病毒及植物、哺乳动物中存在，如哺乳动物Apolipoprotein-B，植物线粒体mRNA的C被取代(类似U的碱基)。(四)反义RNA1983年，Mizuno，Simon等人差不多同时发现了反义RNA对于基因表达的调控作用。在这以前，人们普遍认为基因的调控只有通过蛋白质的相互作用而实现，而反义RNA的调控则是核酸与核酸的相互作用。反义RNA通过互补的碱基与特定的mRNA结合，结合位点通常是mRNA的S-D序列，起始密码子AUG和部分N端的密码子，从而抑制mRNA的翻译。这类RNA称为干扰m

50、RNA的互补RNA，micRNA(mRNA-interfering complementary RNA)。反义RNA的作用机理：基本原理是通过碱基配对与mRNA结合，形成二聚体阻断其表达功能。反义RNA在胞质内与mRNA形成RNA：RNA二聚体，使其不能与核糖体结合；反义RNA在核内与新生mRNA结合，二聚体不能运输出核；反义RNA二聚体易被酶降解。(五)RNA干涉(RNA interference)与基因沉默RNA干涉是1998年首次在线虫(C.elegans)中发现并证明的转录后水平的基因沉默机制，利用双链RNA的介导可以特异性地降解相应的mRNA，阻断相应基因的表达，随后发现这种现象广范

51、存在于从真菌到植物、从无脊椎动物到哺乳动物的各种生物中。1发现(略)2分子机理(略)3RNAi的特征RNAi是转录后水平的基因沉默机制；RNAi具有很高的特异性能够非常特异地降解与之相应的单个内源基因的mRNA；RNAi是转录后水平的基因沉默机制；RNAi具有很高的特异性能够非常特异地降解与之相应的单个内源基因的mRNA；RNAi抑制基因的表达具有很高的效率，远远少于内源mRNA的数量的双链RNA能完全抑制相应基因的表达。这表明很可能存在干涉效应分子的扩增机制；RNAi抑制基因表达的效应可以在不同细胞间长距离传递和维持，在线虫中干涉效应甚至可以传到后带中去，这说明RNAi干涉机制中可能存在维持

52、mRNA降解序列特异性的信号小分子。4RNAi的意义及应用前景生物的watchdog：抵抗病毒入侵，抑制转座子活动，防止自私基因序列的过度增殖，对生物体的发育和基因的调控可能也有重要作用。产生抗病毒的植物和动物；研究新基因的功能；人类疾病的基因治疗。（六）RNA Folding结构复杂的RNA形成高级结构不是自发的。（七）mRNA的降解1影响mRNA稳定的因素5端帽子结构5非编码区（5UTR）开放阅读框的降解序列3非编码区（3UTR）polyA和PABPHuman PABP MW 72000KD，形成2527核苷酸结合区。2mRNA的降解方式(1) 脱腺苷酸依赖型降解真核细胞中最主要的降解方式

53、，其降解过程如下：polyA核酸水解酶水解polyA尾巴， polyA缩短。 polyA能结合一种称为polyA结合蛋白(PABP)的特异蛋白，只有当polyA缩短至1015个残基时，PABP便不能与之结合，脱帽过程被启动。脱帽时由脱帽酶Dcp1切除mRNA5端鸟苷酸形成的帽子结构。脱帽后的mRNA 很容易被5 3核酸外切酶识别水解，另外真核生物的mRNA也可以在脱腺苷酸后以35方向被降解，但这种作用很小。为什么polyA的尾巴可以引发这一过程呢？在持续翻译过程中，polyA的尾巴会通过Pab1p和转录起始因子eIF-4F的亚基eIF-4G与帽子结构作用，形成 闭合环状的形式。这种构象可以保护

54、5的帽子结构不被Dcp1p切掉，同时核糖体也可在环状的mRNA上启动持续的翻译。当polyA尾巴移走后，这种 环状构象被破坏，5端就因失去保护而被脱帽继而暴露出来，外切酶就将 mRNA降解了。脱polyA尾巴的调节：Poly(A)核酸酶的活性受Ccr4和Caf1的正调节。(2) 核酸内切酶降解mRNA直接降解，核酸内切酶活性受到调节。如哺乳动物的RNaseL通常不具活性，但其与2，5磷酸二酯键相连的寡腺苷酸结合时才具有活性，而后者在双链RNA存在时才产生。3.无义密码介导mRNA的降解：nonsense-mediated mRNA decay ：NMD(1) 广泛地存在于所有检测了的真核生物体

55、内；不依赖于3端的PolyA的水解而直接进行5脱帽和53的水解。发生无义突变和移码突变的mRNA和从核内逃逸的未经剪接还有内含子的mRNA。由于包含了使翻译提前终止的无义密码子的转录产物被迅速降解，这就阻止了不完全并可能具有潜在危害的蛋白的表达，这正是生物体除去影响细胞功能的错误的基因产物，保护自身机体的正常运作的一种途径。(2) 降解过程：当mRNA转运进入细胞质后，立即同核糖体结合并开始翻译，如果存在无义突变密码子则会使翻译提前终止。随着翻译的终止，一组由核糖体部分组分和相关因子组成的物质会继续向下游移动与一段下游元件（DSE）相遇，形成一个异常的核蛋白结构，引起mRNA的5端水解一个或二

56、个核苷酸残基，完成脱帽反应，脱帽后的mRNA则迅速被5核酸酶水解。所需的酶和蛋白质：Upf1p/Isf2p/Sal2p/Nam7p, Upf2/Nmd2p/Sua1p/Ifs1p, Upfs/Sua6p,Xrn1p,Dcp1等；这三个因子的基因突变会使包含无义突变的mRNA的稳定性发生变化，但不影响野生型的mRNA的衰变速率。近来的研究显示，这三种因子在NMD中可能相互作用形成复合物，称为监视复合物( surveillance complex ) 在其它的真核生物中也找到了Upf同源的蛋白质。在哺乳动物细胞中，现在也找到了UPF1的同源基因RENT1和HUPF1，这些基因的相应蛋白同Upf1p

57、相似，都具有一个半胱氨酸的丰富区和一个ATP螺旋酶结构域，只是在长度及末端序列上有所不同。mRNA编码区3端附近的一个下游元件（downstream element, DSE)是无义mRNA降解必需的。酿酒酵母75以上的基因至少含有一个拷贝的DSE序列。缺乏DSE的无义mRNA并不被NMD降解。DSE与PTC的距离要求在200bp以内。如何确定谁是错误的终止密码子？无义密码子与最靠近3端的两个外显子之间的相对位置决定了无义mRNA是否被降解： 大于5055个核苷酸，降解； 小于50个核苷酸则不被降解。(3) NMD途径的模型模型一在核内转录及随后发生的RNA与蛋白结合而被包装成为 RNP，称为核内RNP。这些RNP被从核中转运到细胞质中。转运过程中，蛋白质的表达机器就可与RNP相互作用，接着核糖体开始翻译 mRNA。在从核到质的转运过程中，RNP会有一个重新形成 ( remodeling ) 的过程，变为细胞质的RNP。用于翻译