第六章基因表达的调控

1、第六章第六章 基因表达的调控基因表达的调控 本章，我们讨论4个问题： 1.什么是基因表达的调控？ 2.原核生物基因表达调控是如何进行的？ 3.真核生物基因表达调控是如何进行的？ 4.基因表达调控与医学研究 概 述 一、基因（gene) (一)概念 从化学上来说指的是一段DNA或RNA（病毒）顺序， 该顺序可以产生或影响某种表型，可以由于突变生成等位基因 变异体。 从遗传学上来说代表一个遗传单位、1个功能单位，1个交 换单位和1个突变单位。 基因 是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存 有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需 的全部核苷酸序列（7分P27） 1.表型和基因

2、型 某一机体可以观察的特征，称为表 现型（Phenotype，简称表型）。与表型相应的基因组成 称为基因型（genetype）。如细菌Leu+、Leu-和Leu+、Leu-。 2.等位基因（allele） （1）二倍体细胞有2套基因， 一套来自父本，另一套来自母本，每个细胞的全套基因由 2套基因组成，每一对基因称做等位基因。（2）由于突变 作用引起DNA结构变异，所以某一基因可具有若干种不同 的形式，这种同一基因不同的形式互称等位基因。 3.遗传基本功能单位 基因是遗传的功能单位，它负责有 一定的遗传信息，在特定的条件下表达这种信息，产生特 定的生理功能。 4.交换单位 基因是结构单位，交换只

3、能发生在基因之间。 5.作用单位 基因能产生一种特定的表型，即基因决定蛋白 质氨基酸排列顺序。 6.突变单位 基因可作为一个整体变为另一个等位基因。 （二）分类 基因可以分为结构基因和调节基因。 结构基因（structural gene） 指能转录成为mRNA、 rRNA或tRNA的DNA顺序。 二、基因组（genome） 1个配子（精子或卵子，1个单倍体细胞，1个病毒所 包含的全套基因。（1个哺乳动物体细胞含2套基因组，1 个原核细胞、1个病毒颗粒含1套基因组） 细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总 和称为基因组。 原核、真核、病毒3大基因组比较。 三、基因表达（gene expre

4、ssion）（里外） （一）概念 基因产生功能的过程，称基因表达，也称 编码（code）。 DNA RNA protein 基因表达的过程是信息分子（DNA或RNA）转变成功能 分子（protein）的过程。 mRNA tRNA rRNA translationtranslation replication reverse transcription 1.转录 RNA pol合成RNA的过程，产生单链RNA互 补于DNA，在某些病毒中则是互补于RNA模板。 2.翻译 这是由核糖体实现的protein的合成过程， 核糖体和tRNA解释mRNA含有的信息密码。 蛋白质是大而复杂的功能分子，每1类生

5、物各有其1 套特有的蛋白质，不同的生物体内罕见完全相同的蛋白 分子，人的蛋白质分子不下10万种。 四、基因表达的调控 基因表达主要包括（基因）转录和（蛋白质）翻译 使信息分子DNA转变成功分子protein的过程，这一过程 在体内受到精密的调控，以保证功能的有序性。这一调 控称为基因表达的调控，简称基因调控。 五、基因表达调控的要点 (一)调控的 细胞学基础 原核生物真核生物 prokaryote 无真核结 构的单细胞生物。包 括细菌、蓝绿藻等。 其DNA、protein、组 成1个相当致密的类 核，但无核膜与胞质 分开。因为无核膜， 基因受环境影响大。 eukaryote单或多细胞生物， 有

6、核膜将染色体等有关物质 包围在内与胞质分开，细胞 有有丝分裂和减数分裂2种 形式，具有这些特征的生物 称真核生物。其细胞称为真 核细胞。 （二）调控最大特点 调控直接受环境及营养状况的 影响。调控是为了适应环境获取 营养达到生存即分裂繁殖的最优 化（原核既无充足的能源贮备， 又无高等植物制造有机物的本 领）。所以调控体现1个“快”字， 快速适应环境，获取营养，合成 必需蛋白质、降解不必要成分。 这是长期进化，获得的适应应变 能力。（适应环境获取营养、解 决“温饱”问题。） 遗传程序调控、按“既定方针办” 如动物1个受精卵，按遗传程序 开开关关基因，发育成成熟个体， 该遗传程序是构成胚胎发育和组

7、 织分化的基础。仅极少基因间接 或直接受环境因素的影响。这一 特点使真核在千变万化的环境下， 主要组织或器官仍能维持正常功 能（“处世不惊”）。 （三）调控主要水平 真原核调控的主要水平（主调）都在转录水平。因为： 1.任何连锁反应控制第一步是最经济和最有效的（既不需要， 何必转录）。 2.RNA pol 没有纠错功能（DNA pol 有） 微调 DNA水平 转录后水平 原核调控余步不大，因其转录翻译同一个compt进行。 翻译水平 是原核次要调控水平。 翻译后水平 （四）调控的基本方式 真原核调控的基本方式都是通过调控因子：1.蛋白质 （主）2.核酸 和 3.小分子化合物之间的识别和相互作用

8、对 基因表达实现正控制或负控制（也称正调控和负调控）。 （五）调控物质的化学本质 蛋白质、核酸、小分子化合物。 （六）调控模式 原核有操纵子调控模型，已发现100多种。真核有Britten- Davidsen（法）模型尚未为实验所证实。 病毒基因表达调控 各种病毒、噬菌体等除部分带有RNA pol或逆转录酶外主 要是利用宿主的基因表达调控系统。原核病毒适应原核生物遗 传策略，真核病毒适应真核生物遗传策略。 （七）基因表达的时间性和空间性 （1）时间特异性：按功能需要，某一特定基因表达严格 按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性 又称阶段特异性。 （2）空间特异性：在个体生过程中，

9、某种基因产物在个 体按不同组织空间顺序出现，这实际是由细胞在器官的分布 决定的，因此又称细胞特异性或组织特异性。 （八）基因表达的方式 （1）组成性的基因表达：细胞对不同蛋白质的需要是不一样的， 一些基因产物对生命全过程都是必需的，这类基因的表达水平在所有 细胞或组织中几乎是不变的，如三羧酸循环这个中心代谢途径的酶类， 它们的基因表达就属于这一类，这类基因称为管家基因（house keeping gene）。这类稳定的几乎不用调节的表达方式称为组成性的基 因表达或基本性的表达（constitute expression）。 （2）诱导和阻遏表达：某些基因表达产物数量随着外界环境信号 变化而变化

10、，这类基因称为调节基因。有些基因对环境信号应答时被 激活，基因表达增加的过程称为诱导（indution），被诱导才表达的基 因称为可诱导基因（inducible genes），反过来有些基因对环境信号应 答时被抑制，基因表达产物水平降低，这种基因表达方式称为阻遏， 这类基因称作可阻遏基因。例如，当色氨酸供给丰富的情况下，细菌 中有关色氨酸合成酶的基因表达就会受到阻遏。 六、操纵子 上世纪60年代法国分子生物学家Jacob和Monod在E.coli 一半 乳糖苷酶诱导生成研究中，发现了适应酶（adaptive enzyme）基 因负调控系统，提出著名乳糖操纵子模型（Lac operon），是基因

11、 调控研究的1个里程碑。 细菌调控的1个共同特点是 1个启动子作用1组基因，一般 地说1个细菌代谢途径所需要的酶是由1组基因所编码的，这样的1 组基因就是操纵子。 1.操纵子（operon）概念 是发现于细菌体内的1种基因调节 单位，由控制区和信息区组成，信息区包括相邻的，功能相关的 结构基因，在控制区的调节下转录成mRNA，控制区主要含操纵 基因，启动子和CAP结合位点，有些操纵子尚含有衰诚子。 2.类型与结构 不同的操纵子结构区（结构基因串）不同，调控区（P-O）也 不一样，因而调控的方式也不完全相同，据操纵子对于能调节它 们表达的小分子应答的性质可将操纵子分为二大类。 （1）可诱导的操纵

12、子(inciduble operon)加入调节小分子开启基 因转录活性，这种作用及其过 程称诱导(induction)产生诱导作 用的小分子称诱导物(inducer)。 诱导物一般为操纵子编码的酶 蛋白分解的底物。如：乳糖操 纵子（乳糖）。 （2）可阻遇的操纵子(repressible operon)加入调节小分子，关闭基 因转录活性这种作用及过程称阻 遏(repression)，产生阻遏的小分 子物质称辅阻遏物(corepressor)。 辅阻遏物一般为操纵子编码的酶 合成的物质（产物）如：色氨酸 操纵子（色氨酸）。 第一节 原核生物基因表达的调控 从调控方式来看，原核生物调控最重要的特点

13、是操纵子模式。 从调控水平来看，主调在转录水平，翻译水平 次之。 一、DNA水平的调控 DNA序列重排对转录的调控，有称反向倒位。 研究得比较清楚的是沙门氏菌鞭毛抗菌素原H1和H2选择性表 达，H1表达，H2关闭，反之亦然。 机制 1.h2基因表达时，同时转录翻译出h1基因的阻遏蛋白。 2.h2基因不表达时，阻遏h1的蛋白（rh1）也不表达，h1基因表达 H1鞭毛抗原。 3.h2-rh1 转录单元是否表达受其上游一段DNA的排列方向所控制。 4.105次细胞分裂中发生1次，1个细菌克隆以表达1种鞭毛抗原为 主。 倒位基因启动子H2阻遏蛋白基因启动子H1 OFFOFF OnOnOn mRNA H

14、2蛋白阻遏物蛋白 倒位基因启动子H2阻遏蛋白基因 OFFOFF 启动子H1 OnOn mRNA 可倒位区 倒位基因DNA序列 位于h2-rh1（鞭毛H2-H1阻遏蛋白）转 录单元上游，全长995bp。 IRL、IRR 995bp左右末端倒转重复顺序（反向重复顺序、 也称回文顺序、（palindiome、invertedrepeat sequence）即在 DNA链上正读反读有一样意义的序列）各长14bp。 hin hin基因位于995bp序列中，其编码的蛋白产生可催化 995bp序列倒位。当启动子Ph2向h2时，h2-rh1转录单元表达H2抗 原-h1阻遏蛋白，h1不能表达。当995bp序列倒

15、位后，启动子Ph2倒 向另一侧，背离h2，h2-rh1不能表达，h1表达。 h1、h2基因并不紧密连锁。 二、转录水平的调控 转录是基因表达的第一步： RNA pol只有聚合作用，没有校正功能。转录精确性依赖于: 1.一个精确起点。 2.据碱基互补准确转录DNA序列生成mRNA。 3.一个特异性的转录终止部位。 转录是基因调控主要水平。 影响转录因素较多，研究得也较为清楚，从原核生物来 说基因调控的基本要素是：转录起始，终止和mRNA的快速 转换。 （一）影响转录的因素 1.2.启动子和起始因子 启动子启动基因转录，起始因子识别启动子。 概念 1.启动子（promoter） 2.起始因子（si

16、gma） 促进DNA转录的DNA顺序，是 DNA分子上可与RNA pol结合并使 之转录的部位。又称启动基因，但 启动子本身不被转录。 因子，有称起始因子，是RNA pol组成的亚基之一（2）,重要 功能是识别启动子。 种类 有强弱之分。 强促转录效率高，弱次之。 不同基因种有不同的因子，都可 识别特征序列一致的启动子， 因 子的更换对细菌的时序调控非常重 要。 如E.coli启动子全长约4060bp， 3个功能部位，2个重要功能： （1）起始部位 转录合成的第一个 互补碱基对，用+1表示，左为上游， 右为下游，用负、正表示，没有O的 位置。 （2）结合部位 RNA pol 与启动子结 合位置

17、，位于-10bp，富含AT，同源 性强，又称TATAbox或pribnow盒。 （3）识别部位 位于-35区，RNApol 识别启动子部位，保守性极强。 （1）主要功能是识别P（特别是其 R位点），与P的选择、转录方向及 哪能一条DNA链转录有关。和2 构成全酶，参入RNA pol与P的结合， （2）通常情况下，E.coli没有因子 更换，当环境升温（4250时， 32（KD）大量增加， 32是一种特 殊的亚基，负责热休克蛋白基因的 识别。 32的由rpoh（旧称hipR）基 因编码。 结构功能特点 （4）决定转录方向及那一条DNA链 作模板（以信息链的互补链作模板， 转录mRNA与信息链一致

18、）。 （5）决定转录效率、与标准序列越一 致越强。强P与标准序列一致，弱次之。 热休克反应（heat shock response） 由于E.coil环境温度升高导致某些基 因迅速表达的这种现象称之. 32作 用机制及这类基因表达调控机制是 研究一热门,但机制并非太清楚。 标准（一致）序列因为-10、-35区（众多）启动子同源性极强称之，相 应的称之为标准、为70。 3.阻遏蛋白 概念 是一类由调节基因编码，在转录 水平对基因表达产生负调控作用（关 闭基因表达活性）的蛋白质。有称阴 性调节蛋白（negative-actingprorein） 或阻遏物（repressor）。这种基因表 达调控方

19、式称负调控。 功能 （1）与操纵基因（O）结合（P与O 重迭或P与O附近的DNA重迭）阻止 RNA pol结合该基因或O，从而抑制 mRNA的合成（不改变RNA pol 与其 它的P结合）。 （2）阻遏蛋白能够被小分子诱导,该 小分子称效应物（effector）。 4.正调控蛋白 与负控反之，使关闭基因开放 的一类调节蛋白。有称阳性调节蛋 白（positive prate）或激活因子 （activator）。这种类型基因表达调 控方式称正调控。 现介绍2种正控蛋白。 （1）CAP蛋白* 这种蛋白可将葡萄 糖饥饿信号传给许多操纵子使细 菌在缺乏葡萄糖的环境中可利用其 它的碳源。 （2）ntrc蛋

20、白* ntrc磷酸化有活性 可发挥调节功能启动转录。 据效应物与阻遏蛋白结合是否 使基因开放转录，可分成2类： （1）诱导物（inducer）诱导物与阻 遏蛋白结合，解除阻遏作用。例： 乳糖操纵子，乳糖诱导作用。 （2）协同阻遏物（corepressor）协 同阻遏蛋白（阻遏蛋白与O结合）封 闭基因不转录。如色氨酸操纵子， 色氨酸。 *（1）CAP-障解物基因激活蛋白 （catabolic gene activator protein） *（2）Ntrc-Ecoli氨代谢（nitrogen metabolism）基因激活蛋白，该蛋白 磷酸化有活性。其磷酸化又受ntrB的 调节。 5.倒位蛋白（

21、inversion protein）是一种位点特异性的重组酶 （site-speciFic recombinotion enzyme）（前述、DNA水平调控）。 6.RNA pol抑制物-严谨反应（stringent respsnse） 细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA pol活性降低，RNA pol活性 降低，RNA（rRNA,tRNA）合成减少或停止，这种现象称为严谨反 应。 其机制是在氨基酸缺乏时，游离核糖体（与空载的tRNA增加， 在ATP存在下，产生pppGpp(鸟苷-5磷酸)和ppGpp（鸟甘-4-磷酸）。 后者与RNA pol 形成ppGpp-RNA pol 复合物，进而使RNA

22、 pol 变构， 活性rRNA和tRNA合成 或停止。当培养液中富含氨基酸时，则与 上述情况相反，RNA pol 活性，rRNA，tRNA合成 ）。 7.终止子（teminator） 概念 在基因3端或操纵子3末端有一段特 殊的核苷酸序列，它有终止转录的功能 ，称其为转录终止子，简称终止子。分2 类：（1）不依因子的终止子（强）（2 ）依赖因子的终止子（弱） 共同特征 在转录终止点之前都有回文顺序。 （1）回文顺序有2个重复部分，每个7- 20bp，由几个不重复的节段隔开。 （2）回文顺序对称轴一般距转录终止点 1624bp。 不同点 （1）回文顺序富含G,C （1）GC含量少 （2）回文顺序

23、下游常有（2）下游无固 68个ATbp。（不依赖 定的特征。 因子终止子） （依赖因子终 止子） 8.rho()因子 是协助转录终止的一种蛋白 质，具有6个相同的亚基。 终止子依赖因子机理是： （1） 因子促进转录终止子的活 性。 （2） 因子利用NTPase水解NTP 能量在“浅齿轮”地方追上RNA pol，并与后者都从核酸上游离出 来。 RNA pol转录回文顺序（发夹结构） 与RNA特定的空间结构嵌合，阻碍 了RNA链从三无复合体进一步释放 ，RNADNA杂交体解离，局部解开 ，DNA恢复双螺旋RNA pol 从模板释 放（深齿轮）。 由于GC含量低，尽管转录出回文结 构，但只能暂缓延迟

24、RNA pol的转录， 若无因子就会继续转录下去，这叫 通该（read through），有因子就会 协助转录的终止，机理参左（“浅 齿轮”） 终止机理 DNA模板、RNA pol 和新转录RNA组成三元复合体。 9.衰减子（attenuator） 又称弱化子，是在可阻遏的操纵子中第一个结构基因之前常 有一段能减弱转录作用的顺序称之（“可变动的终止子”）。 （二）转录起始的调控 下面以操纵子为例说明转录起始的调控 1.乳糖操纵子的调控机理（可诱导的操纵子） （1）人们早在上个世纪初就发现了酵母中酶的诱导现象。即分解底物 的酶只有底物存在时才出现。酶受底物的诱导，这种可诱导现象在细菌 中普遍存在

25、。 在培养基中加入适合底物-乳糖或半乳糖后23分钟，一半乳糖苷酶 可迅速达到5000个酶分子，增加了1000倍，占细菌蛋白总量的510%。 一半乳糖苷酸水解乳糖半乳糖+葡萄糖 2个单糖。 若撤消底物，该酶合成迅速停止，就象当初迅速合成一样。从60年 代乳糖操纵子模型提出1996年分离得到该操纵子的阻遏蛋白1975年 乳糖操纵子的碱基序列已全部测定清楚了。 （2）乳糖操纵子（Lactose operon ，Lac operon）结构示 意图 CAPCAMP IPOZYA 结构基因区（信息区） RNA pol 调控区 调控区 I-调节基因 P-启动子 O-操纵基因 （OP有一定的重叠） CAP结合

26、位点 结构基因 Z-半乳糖苷酶基因 （ -galactosidase） Y-半乳糖苷透酶（乳糖透酶） （ -galotoside porinerase） A-硫代半乳糖转乙酰基酶 （trans acetylase） （3）调控机理 乳糖操纵子的转录起始受到CAP和阻遏蛋白的双重调控，即正、负调 控。 CAP（正控） 结合到启动子上游CAP结合位点的一致序列附近后， 促进RNA pol与P的结合，才能有效的转录，原因是： Lac p 是弱启动子，与一致序列的差异极大，CAP位点结合cAmp- CAP复合物后，Lac p结合RNA pol 的牢固性增强。所以CAP是Lac operon 的正控因子

27、。 启动子p与操纵基因有一定的重叠，妨碍RNA pol与P的结合，结合 CAP后，改变了空间结构 促进了RNA pol与P的结合。 阻遏蛋白（负控） 调节基因I（除Lac operon用I外，其余均用R）产生的阻遏蛋白结 合到操纵基因O上，就抑制了结构基因的转录，诱导物（或称效应物） 可以去阻遏，实现对基因的转录，这是Lac operon的负控机制。 CAP结合到CAP位点发挥正控作用，乳糖诱导去阻遏，这样1个操纵子 中的1组基因就有2道开关，只有2道开关同时打开时，基因才能转录。 2个CAP分子和RNA pol 在Lac p 一致 序列上排列 CAP CAP -35 RNA pol -10

28、IPOZYA DNA mRNA 阻遏蛋白 效应物（乳糖）ZYA基因产物（酶） 细菌优先到利用葡萄（G）-葡萄糖效应 如果细菌生长环境中，乳糖、G同时存在，尽管有诱导物乳糖存在，但 细菌优先利用葡萄糖，不予理睬乳糖，在G耗尽之前，Lac operon也不会表 达。也就是说G阻碍了Lac operon的表达。这种G效应在半乳糖、阿拉伯糖 操纵子中也存在。 G效应的原因是 G降解代谢产物 腺苷环化酶 磷酸二酯酶结果使胞 内cAmp 当G耗尽，cAmp开始集累，cAmp和CAP结合使CAP变构才能结 合到CAP结合位点上，促进RNA pol与P结合。 CAP在胞内合成是相对稳定的。CAMP-CAP含量

29、与腺苷环化酶、膜 结构、生理状况及G代谢途径中许多酶，与呼吸链酶系统大多数酶都有一 定关系，该酶均表现对G效应敏感。 抑制激活 结合乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、基因开放与 关闭情况如下： 葡萄糖（G） 乳糖 基因开放 基因关闭 机理简述（学生填充） CAP正控、乳糖去阻遏、基因开放、转录进行 不能诱导去阻遏，CAP即使结合，基因未开放 细菌优先用G，无CAP结合，无诱导去阻遏 CAMP-CAP复合物无，CAP位点空，去阻遏 也无RNA pol结合 2、阿拉伯糖操纵子调控机理（具有正负调控双重功能调节蛋白，可略讲） （1）概述 阿拉伯操纵子（Ara operon）的转录起始是由CAP

30、、Arac蛋白Ara糖 是1个可作碳源的5碳糖，和乳糖一样，Ecoli以Ara糖为能源生长时，能产生 该糖代谢途径的3种酶催化Ara糖转换成5磷酸木酮糖糖酵解途径（磷酸 戊糖途径）。 （2）Ara operon的结构 DNA araC IO2 ParaC IO1 BAD PBAD CAP位点 CAmP CAP mRNA Protein (Arac) mRNA BAD Arac-调节蛋白C的编码基因 Parc PBAD-启动子 IO1O2-调控元件 B-L核酮糖激酶（isomerase） A-L阿拉伯糖异构酶（kinase） D-L核酮糖与磷4表异构酶（opimerase） I-起始部位 （3）

31、调控机理 调控要素 从结构图可以看出，arac和araBAD的转录方向相反，有各自的启动子。 AraC有2种形式（亚基聚合数不同？）：Cind和Crep 有Ara糖存在AraCind+Ara糖（结合）表现为诱导araBAD转录作用和 阻遏araC的阻遏作用。 无Ara糖存在AraCrep 表现为对araBAD和araC阻遏作用 Ara operon 与Lac operon一样存在“G效应”，所以cAmp-CAP复合 物是 araC和araBAD表达必需的。 所以，Ara operon的正控因子Cind和CAMP-CAP，负控因子为Crep， Ara糖可视作诱导因子。 阻遏机理 无Ara糖时，认

32、为AraCrep二聚体同时结合araO2、I，将二者拉在 一起形成DNA环状结构，有效阻遏了araBAD的转录。 激活机理 有Ara糖时，Ara糖+AraC去阻遏，同时cAMP-CAP结合CAP 位点促进araBAD和arac的转录。当araC表达过多时Cind结 合O1，阻碍了C的表达。 若有足够的araBAD酶产出，则Cind减少或消失，这样BAD基因 关闭。 结合Ara糖、G存在与否及Ara operon正、负控因素基因开放、 关闭情况如下： G Ara糖 基因开放 基因关闭 机理简述（学生填充） 或 CAMPCAP位点空，Arac使AraI和O2成环 CAMPCAP结合位点，C释放O2

33、、无Ara糖激活作用 Ara糖+AraCRNA pol与PBAD结合转录 （Trp operon调控机理放在转录终止调控作用中讲） （三）转录终止的调控 1.转录终止可能发生的3种情况 终止部位意 义 (1)操纵子结构基因之前 RNA pol到达operon之前，DNA转录就 提前终止，这是以1个“否决”形式构成合 成mRNA的第二次调节。 (2)在1个operon结构基因之 间 使距离更近DNA的启动子，较距离远的 P转录更多的mRNA，这将产生个“极性” 作用，随着与P距离增加，RNA合成减少。 (3)在2个操纵子之间 如果RNA pol被允许继续转录从1个 operon到另1个opero

34、n，那么第2个operon将接 受转录起始的调节，起始将终止。 据认为上述可能机制之1种在各种细菌或噬菌体中至少起 到某种作用。 2.转录终止的“2+1”种链终止基本形式 转录终止比起始了解得更少，现已清楚有几个因子参加链终止，有2 种基本形式： （1）依赖因子的链终止子。 （2）不依赖因子的链终止子。 （3）衰减子是变动的终止子链终止的第3种形式 衰减子（attenutor,A）又称弱化子，在可阻遏的操纵子中第 1个结构基因之前有一段减弱转录作用的顺序称之。 A使转录在结构基因之前就遭到否决，是合成mRNA的第二次调节， 符合终止发生3种情况中的第1种。 从链终止的形式来说，是可变动的终止子

35、，因为有衰减子的结构基 础，是否形成终止RNA pol的转录作用，有赖于操纵子的调节机制，决 定是否否决已启动转录的RNA pol继续转录结构基因。下面以 Trp operon为例说明这一机制。 色氨酸操纵子(trp operoon)可阻遏系统 1.Trp operon结构示意图 RPOal EDCBA DNA mRNA 阻遏蛋白 效应物 （trp，辅 阻遏物， co- repressor) R-调节基因，编码阻遏蛋白 P-启动子 O-操纵基因 al-表诚子前导序式 ED-编码邻氨基苯甲酸合成酶（antlnanilate synthetase） 2个单体（260KD） C-编码吲哚甘油磷酸合成

36、酶（indeleglycerol-phosphatr synHietdse）45KD BA-编码Trp合成酶亚基（50KD）和亚基（29KD） 2.调控机理 （1）辅阻遏物Trp激活无辅基的阻遏蛋白与操纵基因O结合。 （2）阻遏（物）是Trp operon的第一控制系统 阻遏发生在转录起始水平，Trp合成酶系统及酶合成都受Trp抑制。 是Trp对已有的酶的反馈抑制作用（fecdback inhibition） 是Trp为辅阻遏物激活无辅基阻遏蛋白（R的产物）从而结 合到O上，阻止操纵子的转录，R编码12.5KD亚基阻遏蛋白，以4聚体 形式存在，每个细胞约有20个4聚体，单独4聚体不能与O结合，

37、只有结 合了Trp的有活性4聚体才能与O结合。 Ptrp有正常-10、-35序列，但-10完全位于有完美的反向重复顺序 的TrpO之内，故结合了阻遏蛋白后，完全排斥了RNA pol的结合。 （3）衰减子（A）是Trp operon的第二控制系统。 第二控制系统实验证据提示：Trp operon酶本底只有1/70，Lac operon 为1/1000，说明Trp operon的阻遏要比Lac operon低得多，但仍可以满足细 菌适应生存的需要，说明Trp存在第二控制系统。 衰减子前导肽（aL）及其空间结构特点 aL离E基因上游约3060bp 有4个GC特征的片段，其后是8 个U，是不依赖因子的

38、终止子， 终止作用有赖于前面片段发夹结 构形成情况。当Trp，片段3,4形 成发夹结构，转录终止。 有2个串联UGG（Trp密码子） 全长多顺反子6700bp。 空 间 结 构特 点 DNARPO aL EBCDA aLmRNA L肽 UGGUGG 1 234 位于第60位核苷酸 -Trp-Trp- aL“可变动终止子”作用机制 作用机制基本条件 第一，空间结构 2个串联的UGG 4个片段，12，2.3，3.4GC 配对形成发夹（荃环）结构强弱依次是1.22.33.4， 3，4后是不依 赖因子的终止信号8个U。 第二，原核转录翻译同一个compt进行，在aL转录中，RNA pol转 录至aL+

39、90有一次延宕（喘了一口气），给了核糖体追赶的机会。 aL基因转录不久就开始翻译。 作用机制 胞内Trp形成Trp-tRNA，核糖体很快通过片段1，并封闭片段2 （“堵车”），片段1.2,2.3形成不了发夹结构，片段3.4形成发夹结 构形成一个不依赖因子终止结构衰减子，使前方RNA pol 脱落， 转录终止。 胞内Trp没有Trp-tRNA供给；核糖体翻译停在片段1中2个Trp密 码子前（等料）片段2、3形成发夹结构，3、4形成不了发夹结构 不能形成终止信号，RNA转录继续进行、EDCBA得以转录。转录衰 减实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联。 aL与阻遏蛋白作用一致性（转录衰减是原核特有

40、的一种基因调控 机制，代述生物学意义） 当Trp但不足以诱导阻遏蛋白衰减子也能使mRNA合成终止在 EDCBA结构基因前，反之，当Trp 即使失去了阻遏作用，只要能使 前导肽继续合成，仍阻遏转录。 这是对Trp浓度的一种更为精细、敏感调节，其生物学意义不是 很清楚。也许这就是生物学的意义。这样一个操纵子的1组基因就有 2道开头，只有2道门都关了，才能阻遏结构基因转录。 三、翻译水平的调控 转录是原（真）核基因调控的重要水平，由于原核生物没有核膜，转 录翻译同时同一个compt,进行，所以转录后调控余步不大。翻译是原核生 物基因表达调控的另一个重要层次。 （一）SD序列对翻译的影响 1.SD序列

41、（SD Sequence,SDs）概念 原核生物mRNA起始密码子AuG上游310bp处有1个RbS称为SD序列。 （1）种类不同基因有不同的SDs，其一致序列为AGGAGG，从而 控制单位时间起始复合物形成的数目，最后控制翻译产物的数量。 （2）位置mRNA起始密码子AuG上游413bp处，与AuG间隔 413bp。 （3）碱基特点富含A，与核糖体小亚基16SRNA端富含U序列互补， 被其识别与结合，mRNA转录不久，即被之结合、翻译。 （4）多顺反子编码多个蛋白质，每1个编码区前都有1个AuG和SD 序列，多个核糖体与SDs结合将蛋白质分别译出来。 2.SD序列对翻译水平的影响 （1）SD

42、s与AuG距离长短的影响 据认为此距离是影响翻译效率主 要因素。例，重组IL-2，Plac的SDs距AuG 7个核苷酸，IL-2表达最高， 距8个核苷酸，IL-2表达降低500倍。 （2）SDs组成与一致序列差异的影响 Plac3种酶翻译合成比例为 1:0.5:0.2，这种现象反映 SDs与一致序列差异导致核糖体结合速率 有块有慢 密码子对应tRNA太少，等待运输周转。 3.mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用 SDs存在mRNA的二级结构发夹（茎环）中，受到了隐蔽核糖体无法 靠近与之结合，只有打开二级结构，暴露位点、方可结合。 例:红霉素抗性菌有1个质粒omrc 该质粒可以编码使23srRNA

43、甲基化 酶(红霉素甲基化酶(erythromycin methylase)使23srRNA2057-2060位 GAAG的A甲基化，阻止红霉素结合。（红霉素通过该位点结合于核糖 体）,抑制蛋白质合成。红霉素甲基化酶可使核糖对红霉素产生抗性。 （1）amrc翻译起始区有一个反向重复顺序，其上游先导肽也有一个反向 重复顺序，类似Trp operon的前导肽，能形成转录衰减子发夹结构，称为 翻译弱化子。 （2）红霉素甲基化酶基因、mRNA与前导肽对应空间结构 前导肽 mRNA1.2,2.3,3.4,4.3 片段可以互补形成发夹结构 SD1前导肽核糖体结合位 点 SD2红霉素甲基化酶核糖 体结合位点

44、DNA amrCL mRNA前 导肽 SD11 23 SD24 红霉素甲基化酶 前导肽 红霉素 前导肽4个片形成二级 结构情况 甲基化霉生 成情况 23srRNA甲基化与 红霉素抗性 无 前导肽正常翻译，正常 释出片段1、2，3、4形 成发夹结构隐匿SD2 核糖体元法 靠近不能译 出红霉素甲 基化酶 无23srRNA甲基化无 红霉素抗性 有 红霉素结合核糖体使之 滞留于前导肽，片段 1.2，2.3、成发夹，3.4 不能成发夹，暴露SD2 核糖体结合， 译出红霉素 甲基化酶 23srRNA甲基化，抗 红霉素 当23srRNA全部甲基化后核糖体不再结合红霉素顺利译 出先导肽隐匿SD2 核糖体无法靠

45、近不再译出甲基化酶。甲 基化酶可能有本底水平，当有红霉素时，可使甲基化酶大量表达。 （二）mRNA的稳定性 1.细菌基因调控3要素转录起始、终止和mRNA的快速转换 mRNA快速转换即旧mRNA快速降解，新mRNA快速合成，这是细 菌快速适应环境在mRNA的具体体现。 2.mRNA降解速度的影响因素（一级结构和空间结构） 不同mRNA降解速度不同，降解作用不是随机的，长不一定比短的不稳。 （1）生理状况、环境因素均影响mRNA的降解，但最重要的是： （2）mRNA的一级结构和二级结构降解mRNA的内切酶主要是： RNase（识别特殊发夹结构），该酶降解片段才再被其它核酸酶降解 （如3外切核酸酶

46、，RNase）。目前所知，mRNA 终止子（尤是不依赖 因子终止子）或类似的发夹结构都可以不同程度阻碍RNase对mRNA的降 解。 （3）原核mRNA半寿期多为23min，降解NTP用于新的mRNA合成。决 定mRNA寿命的许多因素都影响到基因表达。 （三）翻译产物对翻译的调控（蛋白质合成的自体调控） 有些mRNA编码的蛋白质（pr.），本身就是pr翻译过程中发挥调节 作用的因子，这些因子对自身翻译也起调控制作用。 1.核糖体蛋白 （1）核糖体是1座合成pr.流动工厂，沿mRNA移动 快速合成pr.核糖 体以rRNA为骨架加核糖体pr构成。Ecoli核糖体pr55种，（大亚基34， 小亚基2

47、1），核糖体是细菌细胞重要成份之一。 （2）细菌中50余种核糖体pr.基因分布在不同的操纵子中，合成这 些pr.，速率是与细胞增殖适应的，受生长条件营养环境影响。 （3）实验证明，这些操纵子转录水平是可调控的，但核糖体pr.合 成的控制主要在翻译水平。因为加入额外操纵子于细菌，mRNA核 糖体pr.并不增加。 （4）每1个operon转录的mRNA编码蛋白中的一种（或2种pr复合体） 可以结合到多顺反子上游的1个特定部位，阻止核糖体结合和起始翻 译。 2.翻译终止子RF2合成的自体调控 （1）终止密码和释放因子（终止子） 无论原核、真核都有3种终止码：UAG、UGA和UAA 没有1种tRNA与

48、终止码作用，而是由特殊的pr.因子促成终止作 用，这类pr.因子称做释放因子，也有称翻译终止子。 原核有3种释放因子 RF1 识别UAA、UAG RF2 识别UAA、UGA RF3 能刺激RF、RF2的活性。 真核只有1种，即eIF。 （2）RF2mRNA的移框窗口及其附近结构 相关知识链接 阅读框（reading-frame）也称读码。mRNA核苷酸序列中，3 个核苷酸为1组（称为密码子），由核糖体进行翻译。每个密码子代表 Pr.合成中单个氨基酸，阅读框规定了哪3个核苷酸成为1组读作1个密码 子，这是由起始密码子AuG决定的。例如AuG CCA AAA uuu ccc可以读 成AuG/GCA

49、/AAA/UUU/CCC，而不会读A/UGG/CAA/AAU/UUC/CC。 开放阅读框（open reading-frame）没有终止密码子打断的阅 读，通常是从DNA（不是RNA）顺序推论出开放阅读框的存在。 基因密码阅读的3个特点 每个基因都有特定的阅读框（如组Pr.），阅读必须从第1个密码 子开始到最后1个密码子结束。 阅读是不停顿的，停顿只能合成肽而不是Pr。（学理发） 阅读（mRNA）方向53，合成肽链方向NC，而不能反之。 mRNA 5 AUGGGG UAU CUU UGAC UAC GAC 3 合成肽链方向 NH2 Gly Tyr Leu Asp -Tyr - Asp-COOH

50、 前面25个氨基酸 后面315个氨基酸(AA) RF2是由340氨基酸组成的Pr.它的密码子并不处于同1个阅读 框中，前25个AA处于AUG所在阅读框中，后315AA处于（+1）另1 阅读框中。 RF2整个阅读框分成2个阅读框，中间多了1个U，U与第26个 AA（ASP）密码子的前2个核苷酸构成了RF2识别的终止码UGA， 而且是前框（25个AA）同框终止密码子。 移框窗口至少含15个核苷酸。 RF2mRNA移框窗口及其结构 移框窗口（转换区）至少15个核苷酸才能发生移框 23 24 25 26 27 28 RF2合成的自体调控 细胞内RF2供应充足时当核糖体A位到达第25个密码子后面 的UG

51、A时RF2就促成了肽链合成终止。 RF2 RF2mRNA译至第25个AA 在其后UGA处将不成熟 的肽释放。 胞内缺乏RF2核糖体向前滑动1个核苷酸（U） 即移框作 用继续合成第25个AA 直到最后的终止码UAG UAG由另1个 释放因子RF1识别并促使RF2肽链的释放。 移框作用如此精细的自体调控机制目前仍不清楚，可能与前 面25肽的结构有关。 （四）反义RNA的调控作用 1.反义RNA对E.coli渗透压Pr.（外膜Pr.）的调控作用 细菌环境 omPRDNA omPRPr. omPCDNA 高渗低渗 正控 变构 micFRNA 反义RNA （174个核苷酸） ompcmRNA 翻译 Om

52、pc Pr.结合杂交双链 omPR Pr. 正控 转录 DNAomPF omPF DNA 转录 omPFmRNA micFmRNA 翻译 omPFmRNA omPFPr. （1）低渗omPR Pr. omPF 。 omPC基因关闭。 （2）高渗变构OmPR Pr. Ompc ompc mRNA ompc Pr. micF （3）micF能与ompF mRNA前导序列（L）中的44个核苷酸（包括SDs） 及编码区（包括起始码AUG）形成杂合双链，从而抑制了ompF mRNA 翻译。 （4）2种Pr.（ompF.ompc）随渗透压变化而变化此消彼长，总量不变。 （5）反义RNA与mRNA反义，通过

53、互补碱基与特定的mRNA结合，抑 制mRNA的翻译，有称干扰mRNA的互补RNA,简称micRNA（mRNA- interfering complementary RNA）。 正控 正控转录 翻译 同时转录 2.反义RNA对Tn10转位酶的调控作用 （1）Tn10带有terr，转座最大的特点是原位转座不动，仅将1个新 的合成复本插到另1个新的位点上上去。 （2）Tn10的基本结构 ISStructral gene 3 反义（阻遏）RNA 5（RNA-out） 5 Pin（启动子） 3 5 Pin启动转录 Tn10转位酶 （RNA-in） Pout 启动子 （RNA-out）阻遏RNA 35 3

54、5 互补Tn10转位酶mRNA （3）调控机理 Tn10转位酶由pin控制，反义RNA基因由Pout控制。2启动子 转录方向相反，在转录区有35（40）bp重叠，导致2条RNA互补。 2启动子交叉转录，产物RNA互补重叠成双股链核糖体不 能接触转位酶不能译出无酶无法转位。 只有RNA-in摆脱了RNA-out配对才有机会翻译。RNA-out活 性较RNA-in大8倍，所以Tn10的份数越多，转座机会就越少。 生物学意义 对于细菌来说，Tn是入侵者，除抗生素抗性基 因对细菌有利外，过多Tn对细菌是一个况重负担、甚至置细菌于死 地（转座引起插入突变等）Tn10用反义RNA约束自己不要过多繁殖 以免

55、与宿主同归于尽。 第二节 真核生物基因表达的调控 真核生物基因调控远比原核生物复杂，人们对其了解尚处于探 索阶段，单细胞真核生物如酵母和原核类似，主要通过及时调整 酶系统基因表达以适应环境，获取营养外，而 绝大多数真核生物基因极少数与环境变化有直接或间接的关系， 而与真核生物体生长发育，分化等生命现象息息相关。 其调控最大特点是遗传程序调控。 调控主要水平是转录水平。其次为转录后水平、DNA水平、翻 译及翻译后水平等。 一、DNA水平的调控 1.基因丢失（染色质的丢失） 一些低等生物（线虫，昆虫），甲壳类动物细胞在个体发育 过程中丢失掉某些基因去除这些基因活性，通过改变基因数目达 到调控目的，

56、只有来分化产生殖细胞的哪能些细胞保留整套染色 体。 高等动物Rbc在发痛成熟过程也有染色质丢失。 这些调控是不可逆的。 2.基因扩增（gene amplification） 基因扩增是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性大量增 加的现象。它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够基因产 物一种调节手段。 其机制多数人认为是基因反复复制的结果，也有人认为是姐妹 染色体不均等交换从而使一些细胞中的某种基因增多。 例： 非洲爪蟾（chan，癞蛤蟆）卵母细胞rRNA基因（rDNA）是 一般体细胞的4000倍（2000000/500），这是由于卵母细胞 rRNA的大量扩增，以适应胚胎发育对核糖体的大量需要。

57、 氨甲蝶呤，重金属镉汞分别诱导二氢叶酸还原酶，金属硫铁 Pr.及其它抗药性基因的扩增。 原癌基因拷贝数增加，其表达产物增加使细胞持续分裂导致 癌变。 3.基因重排（gene rearrangement） 基因重排是通过调整有关基因片段的衔接顺序，使之重排 成为1个完整的转录单位。 典例是免疫球Pr.Ig基因在B淋巴细胞和浆细胞生成过程的重排。 Ig有2条相同的重链和轻链，轻链包括恒定区、可变区及2者之 间的连接区，每个区由DNA不同片段编码，不同区重排连接是抗 体多样性（106）分子基础。 4.基因修饰（gene modification）DNA甲基化 在DNA分子加上某些基团/去掉某些基团改

58、变了DNA的微细结 构以达到调控基因表达的目的。其中最重要的是甲基化/去甲基 化。 甲基化/去（低）甲基化在真核基因调控中有重要作用。一般 认为基因表达与甲基化程度成反比，高则低，低则高。 （1）管家基因调控区多低甲基化，不表达基因多高甲基化。 （2）激素或致癌物使不表达基因调控区低甲基化重新开放。 目前认为甲基化影响基因表达机制有： （1）直接作用改变DNA构型（左、右旋转换） 影响DNA特 异顺序不能与转录因子结合。 （2）间接作用5调控区甲基化后与核内甲基化CG结合Pr结合阻 止转录因子与基因形成转录复合物。 （3）DNA去甲基化与DNaseI高敏区出现，后者为基因活化的标志。 5. 染

59、色体结构对基因表达的调控作用 （1）真核染色体的基本结构单位核小体结构保护作用。 166168bpDNA以左手方向缠绕（2圈）在组Pr.的八聚体上形 成串株样的核小体由非组Pr.参入+少量RNA及其它物质压缩 800010000倍形成染色体（chromosome）或染色染（chromatin）。 核小体紧密缠绕，使许多酶不能接近DNA。活跃梁色体处于活 跃表达状态（视细胞种类不同而异，占115%），表达则失去染色 体结构。 （2）组Pr.的保护作用 组Pr.（histone）、种类少，共5种，保守，种族的特异性不大， 如豌豆与5牛，进化10亿年、H4仅相差2个AA，可见其重要作用 （大家都舍不

60、得）。组Pr.保护DNA稳定（骨架8聚体）不受损伤。 H1封闭核小体进出口，同时控制基因表达。 凡影响组Pr.正电荷减少的因素，如组Pr.N端中间Ser的磷酸化， 中间Arg的磷酸化、都可以使组Pr与DNA的结合能力从而影响 转录。 （3）非组Pr.（non-histon） 目前分离达300600多种，种属、组织特异性高，高迁移组分 （high mobility group,HMG）可以与H1、H5竞争性与DNA结合，调 控基因表达活性。 二、转录水平的调控 转录是真核调控主要水平，主要通过反式作用因子，顺式作用元 件与RNA pol相互作用完成。反式作用因子通过顺式作用影响转录起 始复合物的