第二章基因表达调控

1、任课教师：易发平任课教师：易发平第二章第二章 基因表达调控基因表达调控易发平易发平 博士，副教授，硕士生导师。博士，副教授，硕士生导师。 生化、组胚、病生党支部支部书记生化、组胚、病生党支部支部书记 2001年年7月到重庆医科大学工作，月到重庆医科大学工作，2003年晋升讲师，年晋升讲师， 2008年晋升副教授，年晋升副教授，2009被评为硕士生导师。被评为硕士生导师。 2003.92006.7 攻读临床检验诊断学博士学位攻读临床检验诊断学博士学位 2005年到日本九州大学进行蛋白质组学研究年到日本九州大学进行蛋白质组学研究 联系方式：联系方式：e-mail: tel: 68485096 （o

2、）个人简介个人简介基础医学院生物化学与分子生物学教研室基础医学院生物化学与分子生物学教研室parti parti 相关知识相关知识一、什么是基因？什么是基因？二、二、rna聚合酶和启动子聚合酶和启动子三、基因组（三、基因组（genome）和基因组结构）和基因组结构四、遗传信息的表达四、遗传信息的表达第一节第一节原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控一、转录水平的调控一、转录水平的调控 （一）影响转录的因素（一）影响转录的因素二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控（二）转录的调控机制（二）转录的调控机制（一）（一）sd序列对翻译的影响序列对翻译的影响 （二）（二）mrna的稳定性的稳定性 （

3、三）翻译产物对翻译的调控（三）翻译产物对翻译的调控 （四）小分子（四）小分子rna的调控作用的调控作用partiipartii 基因表达调控基因表达调控不讲不讲一、一、dnadna水平的调控水平的调控 二、转录水平的调控二、转录水平的调控 三、转录后水平的调控三、转录后水平的调控四、翻译水平的调控四、翻译水平的调控五、翻译后水平的调控五、翻译后水平的调控六、组织特异性表达和时相性六、组织特异性表达和时相性第二节第二节真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控基因（基因（genegene）是是dnadna分子中的某一特定的核苷酸序列，经过分子中的某一特定的核苷酸序列，经过复制可以传递给后代，经

4、过转录和翻译可以产生维持正常复制可以传递给后代，经过转录和翻译可以产生维持正常生命活动的生物大分子（生命活动的生物大分子（rnarna和蛋白质）。基因具有可遗传和蛋白质）。基因具有可遗传性、可表达性、可移动性（转座单元、跳跃基因）、不连性、可表达性、可移动性（转座单元、跳跃基因）、不连续性（内含子续性（内含子intronintron、断裂基因）和重叠性（重叠基因）、断裂基因）和重叠性（重叠基因）的特征。的特征。一、什么是基因？一、什么是基因？parti相关知识相关知识非编码序列非编码序列5533调控序列调控序列非编码序列非编码序列内含子内含子编码序列编码序列1 1、原核基因的结构特征、原核基因

5、的结构特征原核基因组常以操纵子（原核基因组常以操纵子（operonoperon）的形式作为表达和调控）的形式作为表达和调控的基本单元，它包括功能上彼此相关的结构基因和调控部位，的基本单元，它包括功能上彼此相关的结构基因和调控部位，受调节基因产物的调节，转录产物为单个多顺反子。受调节基因产物的调节，转录产物为单个多顺反子。 大肠杆菌乳糖操纵子结构大肠杆菌乳糖操纵子结构lacilacyplacolaczlaca启动子启动子阻遏蛋阻遏蛋白基因白基因结构基因结构基因操纵基因操纵基因操纵子：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联操纵子：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协

6、同单位（排列组成的一个基因表达的协同单位（dna序列）。序列）。stuctureoflactoseoperon大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所分大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所分隔，以不连续的方式排列在隔，以不连续的方式排列在dna上，因此这类基因也叫上，因此这类基因也叫断断裂基因（裂基因（splitgene）。隔断基因的线性表达而在剪接过程中隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列被除去的核酸序列称内含子（称内含子（intron），在断裂基因及其初在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟级转录产物上出现，并表达为成熟rna的核酸序列的核酸序列叫外显叫

7、外显子（子（exon）。）。2、真核基因的结构特征、真核基因的结构特征mrnadnahnrnasplicingproteinei5-utr3-utraug.cdsorforf:本质是三联密码不同本质是三联密码不同的阅读方式。即同一的阅读方式。即同一cds可以得到不同的蛋白。可以得到不同的蛋白。鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnrna首、尾修饰首、尾修饰hnrna剪接剪接成熟的成熟的mrna鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录、录、转转录录后后修修饰饰1、原核生物的、原核生物的rna聚合酶和启动子聚合酶和启动子（2）原核启动子（）原核启动子（promoter）启动子启动子是基因是基因5端上游

8、的一段启动基因转录的核苷酸端上游的一段启动基因转录的核苷酸序列，是序列，是rnapol和其他转录因子结合的部位。和其他转录因子结合的部位。（1）原核）原核rna聚合酶（聚合酶（rnapolymerase）亚基亚基基因基因 数目数目 组成组成 功能功能 ropa 2 核心酶核心酶 结合启动子，连接结合启动子，连接 和和 ropb 1 核心酶核心酶 结合碱基，合成结合碱基，合成rnaropc 1 核心酶核心酶 结合启动子结合启动子-10区（区（tata box）ropd 1 全酶全酶 结合启动子结合启动子-35区，其始转录区，其始转录二、二、rna聚合酶和启动子聚合酶和启动子原核基因的启动子定位在

9、转录起始位点（原核基因的启动子定位在转录起始位点（initiationsite，is）上游）上游5-10bp处，由处，由-35区和区和-10区组成，从启动子到终止区组成，从启动子到终止子（子（terminator）为一个转录单位。）为一个转录单位。-10区的碱基序列较保守，由区的碱基序列较保守，由t和和a组成，大肠杆菌的组成，大肠杆菌的-10区为区为tataat，故称，故称tatabox或或pribnowbox。-35区的碱基序列以区的碱基序列以ttg最为保守，大肠杆菌的最为保守，大肠杆菌的-35区区为为ttgaca， 因子识别并结合因子识别并结合-35区，区，rna聚合酶的特聚合酶的特异性由

10、异性由 因子决定，而启动子的强弱则由因子决定，而启动子的强弱则由-35区和区和 因子的特因子的特异性和亲和力异性和亲和力决定。决定。从从is到到-10区之间的区之间的5-10bp间隔称间隔称5-leader序列。序列。大肠杆菌基因启动子图示大肠杆菌基因启动子图示-35-10is5-leader+1上游上游下游下游5启动子启动子与原核生物的与原核生物的rnapol不同，真核不同，真核rnapol不能单独与启不能单独与启动子结合，必需要有转录因子的参与。动子结合，必需要有转录因子的参与。（2）真核基因的）真核基因的型启动子型启动子（promoter）真核基因的真核基因的tata为为，并且距离较远。

11、并且距离较远。（1）三种真核）三种真核rna聚合酶（聚合酶（rnapolymerase） 酶酶 定位定位 转录产物转录产物 对对 -amaniting的敏感性的敏感性rna pol irna pol iirna pol iii 核仁核仁 rrna（18s，28s，5.8s） 核质核质 hnrna（mrna），）， snrna + 核质核质 trna，5srrna，某些，某些snrna 有种属特异性有种属特异性2、真核生物的、真核生物的rna聚合酶和启动子聚合酶和启动子没有没有-区。区。在上游还有、和在上游还有、和（八聚体）等结构，并与盒一起组成（八聚体）等结构，并与盒一起组成型型基因的启动子基

12、因的启动子。必须明确，并不是所有的。必须明确，并不是所有的型基因都具备这型基因都具备这种调控元件，有的基因就没有盒（如的早期种调控元件，有的基因就没有盒（如的早期基因）。基因）。由于由于型启动子无型启动子无-35区，也没有区，也没有 因子，因此，因子，因此，rnapol与与启动子的结启动子的结合至少与合至少与4种转录因子（种转录因子（tf ad）有关。）有关。元件名称元件名称共同序列共同序列结合的蛋白因子结合的蛋白因子名名称称分子量分子量结合结合dna长度长度tataboxtataaaatbp30,00010bpgc boxgggcggsp-1105,00020bpcaat boxggccaa

13、tctctf/nf160,00022bpoctameratttgcatoct-176,00010bpoct-253,00020bpkbgggactttccnfkb44,00010bpatfgtgacgtaft?20bp哺乳类哺乳类rna聚合酶聚合酶启动子中的元件序列启动子中的元件序列启动子中的元件可以分为两种：启动子中的元件可以分为两种：核心启动子元件核心启动子元件(core promoter element)指指rna聚合酶起始转录所必需的最小的聚合酶起始转录所必需的最小的dna序列，包括转录序列，包括转录起始点及其上游起始点及其上游25/30bp处的处的tata盒。核心元件盒。核心元件单独

14、起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。的转录。上游启动子元件上游启动子元件(upstream promoter element)包括通常位于包括通常位于70bp附近的附近的caat盒盒和和gc盒、以及距转录起始点更远的上游元件。盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件，其位置也不相同，这使得不同的基因表达件，其位置也不相同，这使得不同的基因表达分别有不同的调控。分别有不同的调控。基

15、因组基因组（genomegenome）：细胞或生物体中，一套完整单倍体的）：细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和。如人类基因组包含遗传物质的总和。如人类基因组包含2222条染色体和条染色体和x x、y y两两条性染色体上的全部遗传物质（核基因组）以及胞浆线粒条性染色体上的全部遗传物质（核基因组）以及胞浆线粒体上的遗传物质（线粒体基因组）。体上的遗传物质（线粒体基因组）。基因组结构基因组结构：主要指不同的基因功能区域在核酸分子中的：主要指不同的基因功能区域在核酸分子中的分布和排列情况，基因组的功能是贮存和表达遗传信息。分布和排列情况，基因组的功能是贮存和表达遗传信息。三、基因组（三、基

16、因组（genomegenome）和基因组结构）和基因组结构四、遗传信息的表达四、遗传信息的表达 各种生物基因中，绝大部分基因贮存的遗传信息都是蛋各种生物基因中，绝大部分基因贮存的遗传信息都是蛋白质的一级结构信息，部分基因贮存的是白质的一级结构信息，部分基因贮存的是trnatrna、rrnarrna等等rnarna的一级结构信息。除少数的一级结构信息。除少数rnarna病毒可将遗传信息直接从病毒可将遗传信息直接从rnarna输出以外，大部分生物（包括逆转录病毒）的遗传信息都输出以外，大部分生物（包括逆转录病毒）的遗传信息都是从是从dnadna分子中输出的。遗传信息的表达，就是贮存于分子中输出的。

17、遗传信息的表达，就是贮存于dnadna中的信息转变成具体的中的信息转变成具体的rnarna分子或蛋白质分子。通过这些生分子或蛋白质分子。通过这些生物大分子的功能活动使生物体表现出各种各样的生理功能物大分子的功能活动使生物体表现出各种各样的生理功能及千差万别的生物性状。及千差万别的生物性状。 dna dna可以作为模板直接指导可以作为模板直接指导rnarna分子的生物合成，这一分子的生物合成，这一过程称为过程称为转录转录。dnadna不能作为直接模板将其携带的信息转不能作为直接模板将其携带的信息转移到蛋白质分子中，需要先通过转录过程将遗传信息传递移到蛋白质分子中，需要先通过转录过程将遗传信息传递

18、到到rnarna分子中，再通过翻译过程将分子中，再通过翻译过程将rnarna分子上的核苷酸序列分子上的核苷酸序列信息转变为蛋白质分子中的氨基酸序列。对于编码蛋白质信息转变为蛋白质分子中的氨基酸序列。对于编码蛋白质的基因来说，其遗传信息的表达包括的基因来说，其遗传信息的表达包括转录和翻译转录和翻译两个阶段。两个阶段。转录模板转录模板 dna分子上转录出分子上转录出rna的区段，称为结构基因的区段，称为结构基因(structuralgene)。dna双链中按碱基配对规律能指引转录生成双链中按碱基配对规律能指引转录生成rna的的一股单链，称为模板链一股单链，称为模板链(templatestrand)

19、，也称作，也称作有意义链或有意义链或watson链。相对的另一股单链是编码链链。相对的另一股单链是编码链(codingstrand)，也称为反义链或，也称为反义链或crick链。链。5gcagtacatgtc33cgtgatgtacag55gcaguacauguc3nalavalhisvalc编码链编码链模板链模板链mrna蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向不对称转录不对称转录(asymmetrictranscription) 在在dna分子双链上某一区段，一股链用分子双链

20、上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录作模板指引转录，另一股链不转录； 模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。mrna是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者 遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的转录生成的mrna可编码几种功能相关的蛋白质，可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子为多顺反子(polycistron) 。 真核真核mrna只编码一种蛋白质，为单顺反子只编码一种蛋白质，为单顺反子(singl

21、ecistron) 。原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列ppp5 3 蛋白质蛋白质pppmg-5 3 蛋白质蛋白质part iipart ii基因表达的调控基因表达的调控 在同一机体的各种细胞内含有相同的遗传信息，即相同的结构基因，在同一机体的各种细胞内含有相同的遗传信息，即相同的结构基因，它们在各种细胞中并非同时表达，而是根据机体生长、发育、繁殖的它们在各种细胞中并非同时表达，而是根据机体生长、发育、繁殖的需要，随着环境的变化，有规律的选择性、程序

22、性、适度地表达，以需要，随着环境的变化，有规律的选择性、程序性、适度地表达，以适应环境，发挥其生理功能。这就是所谓的适应环境，发挥其生理功能。这就是所谓的调控调控，即，即基因表达的调节基因表达的调节和控制和控制（regulation and controlregulation and control）。基因表达调控在机体适应环境、）。基因表达调控在机体适应环境、维持自身的生长和增殖及维持个体发育与分化等方面均具有重要的生维持自身的生长和增殖及维持个体发育与分化等方面均具有重要的生物学意义。物学意义。 整个基因表达的过程分为几个阶段，即基因活化、转录、转录整个基因表达的过程分为几个阶段，即基因活

23、化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工等。在上述各个环节中均存在着基因表达后加工、翻译、翻译后加工等。在上述各个环节中均存在着基因表达调控的控制点。调控的控制点。基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件。基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件。管家基因管家基因（housekeeping gene）-在一个生在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。此类基因只受启动子序列或启动子与此类基因只受启动子序列或启动子与rna聚合聚合酶相互作用的影响，不受其他机制的调节。酶相互作用的影响，不受其他机制的调节。原核生物和真核生物在基因表达调控的细节上尽管差原核生

24、物和真核生物在基因表达调控的细节上尽管差异很大，但两者的调控模式却具有惊人的相似性和可比性，异很大，但两者的调控模式却具有惊人的相似性和可比性，除此之外，原核生物和真核生物的基因表达调控元件也具除此之外，原核生物和真核生物的基因表达调控元件也具有统一性。然而，不管是原核生物还是真核生物，有统一性。然而，不管是原核生物还是真核生物，转录环转录环节是最主要的调控位点节是最主要的调控位点。基因调控元件按其属性可分为核。基因调控元件按其属性可分为核酸和蛋白质两大类，所有基因表达调控模式的酸和蛋白质两大类，所有基因表达调控模式的实质无非是实质无非是两者之间的相互作用，包括核酸分子内或分子间的相互作两者之

25、间的相互作用，包括核酸分子内或分子间的相互作用、用、核酸分子与蛋白分子之间的相互作用核酸分子与蛋白分子之间的相互作用以及蛋白分子内以及蛋白分子内或分子间的相互作用。其中第二种作用尤为重要。或分子间的相互作用。其中第二种作用尤为重要。第一节第一节原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控一、转录水平的调控一、转录水平的调控 （一）影响转录的因素（一）影响转录的因素二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控（二）转录的调控机制（二）转录的调控机制（一）（一）sd序列对翻译的影响序列对翻译的影响 （二）（二）mrna的稳定性的稳定性 （三）翻译产物对翻译的调控（三）翻译产物对翻译的调控 （四）小分子（四

26、）小分子rna的调控作用的调控作用不讲不讲原核生物原核生物mrna结构的特点：结构的特点：（1）原核生物）原核生物mrna往往是往往是多顺反子多顺反子的，即每分子的，即每分子mrna带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核糖体识别、结合部位。在糖体识别、结合部位。在55端端和和3 3端端也有非编码区。也有非编码区。（2）mrna5 5端端无帽子结构无帽子结构，3端端一般一般无多聚无多聚a尾巴尾巴。（3）mrna一般一般没有修饰碱基没有修饰碱基，即这类，

27、即这类mrna的分子链的分子链完全不被修饰。完全不被修饰。原核生物基因多以操纵子（原核生物基因多以操纵子（operon）的形式存在。操）的形式存在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同与操纵基因两部分。启动子是同rna聚合酶结合并启动转聚合酶结合并启动转录的特异性录的特异性dna序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。原核生物基因表达调控的环节，主要在转录水平，其次是原核生物基因表达调控的环节，主要在转录水平，其次是翻译水平。翻译水平。 一、转录水平的调控一、转录水平的

28、调控1、启动子、启动子2、因子因子 3、阻遏蛋白、阻遏蛋白 4、正调控蛋白、正调控蛋白 5、倒位蛋白（、倒位蛋白（inversion protein） （一）影响转录的因素（一）影响转录的因素6、rna聚合酶抑制物聚合酶抑制物 7、衰减子、衰减子 不讲不讲（1）启动子决定转录方向及模板链）启动子决定转录方向及模板链1、启动子、启动子基因转录时，基因转录时，因子识别并结合因子识别并结合-35区，而区，而rna聚合酶结合于聚合酶结合于-10区，全酶区，全酶结合结合dna后覆盖的区域是后覆盖的区域是-40+20。开始合成。开始合成rna后，后，rna聚合酶是沿聚合酶是沿着信息链的着信息链的5 35

29、3方向移动，只能以信息链的互补链为模板合成方向移动，只能以信息链的互补链为模板合成rnarna。 5tagtgattgacatgatagaagcactctactatattctcaataggtccacg3-35-10+13atcactaactgtactatcttcgtgagatgatataagagttatccaggtgc5agguccacgrna 3转转 录录5 rna聚合酶因子因子+1，不是从起始密码子，不是从起始密码子aug开始。开始。（2）启动子决定转录效率）启动子决定转录效率 在在e e. .colicoli启动子中，在启动子中，在-35-35和和-10-10的两个序列称为一致性序列的两

30、个序列称为一致性序列（consensus sequencesconsensus sequences）。两个序列中各碱基的出现频率为：）。两个序列中各碱基的出现频率为：-35-35：t t8282g g7878a a6565c c5454a a9595；-10-10：t t8080a a9595t t4545a a6060t t9696。一般说来，强启动子的一般说来，强启动子的序列与上述序列最接近，弱启动子（基因表达较少量的序列与上述序列最接近，弱启动子（基因表达较少量的mrnamrna）则与）则与上述序列相差较大上述序列相差较大，这种调控作用与，这种调控作用与因子的作用有关。识别因子的作用有关

31、。识别e e. .colicoli启动子中一致性序列的启动子中一致性序列的因子主要是因子主要是7070亚单位。启动子序亚单位。启动子序列与上述序列越接近，列与上述序列越接近，7070与之结合的能力越强。与之结合的能力越强。 因子与因子与rna聚合酶紧密结合聚合酶紧密结合，转录启动后，大约合，转录启动后，大约合成至成至8个核苷酸时，个核苷酸时，因子解离，因子解离，游离的游离的因子本身并不直因子本身并不直接结合特定的接结合特定的dna。不同的不同的因子可以竞争结合因子可以竞争结合rna聚合聚合酶。环境变化可诱导产生特定的酶。环境变化可诱导产生特定的因子，从而打开一套特因子，从而打开一套特定的基因。

32、定的基因。 2、因子因子sigma32控制热休克蛋白基因的表达控制热休克蛋白基因的表达rpoh基因基因温度温度突然升高突然升高低温或稳定低温或稳定生长状态生长状态阻阻遏遏解解除除32减少减少32浓度大浓度大大增加大增加70-rna聚合酶聚合酶7032-rna聚合酶聚合酶竞争结合竞争结合hsp转录转录hsp阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作负调控作用用的蛋白质。阻遏蛋白的蛋白质。阻遏蛋白在一定的条件下与在一定的条件下与dna结合结合。在。在e.coli中，主要有诱导（中，主要有诱导（induction）和阻遏（）和阻遏（repression）两种

33、类型。在这两种类型中，阻遏蛋白都可以与特定的信两种类型。在这两种类型中，阻遏蛋白都可以与特定的信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与dna结合，或者与结合，或者与dna解离。解离。 3、阻遏蛋白（、阻遏蛋白（repressor）4、正调控蛋白、正调控蛋白与负调控相反，当调控蛋白结合于特异与负调控相反，当调控蛋白结合于特异dna序列后促进基因的转录，序列后促进基因的转录，这种基因表达调控的方式称为这种基因表达调控的方式称为正调控正调控。e.coli中的一些弱启动子，本身结中的一些弱启动子，本身结合合rna聚合酶的作用很弱聚合酶的作用

34、很弱,对于这些启动子来说对于这些启动子来说,正调控作用是很重要的正调控作用是很重要的cap蛋白蛋白（分解代谢物基因活化蛋白（分解代谢物基因活化蛋白 catabolitegeneactivatorprotein）：这种蛋白可将葡萄糖饥饿信号传递给许多操纵子，使细菌在）：这种蛋白可将葡萄糖饥饿信号传递给许多操纵子，使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可以利用其他碳源。缺乏葡萄糖的环境中可以利用其他碳源。cap结合结合dna由由camp控制。控制。葡萄糖葡萄糖campcampcampcapcapdna乳糖代谢乳糖代谢操纵子操纵子campcap转录转录capdnacappotttaca -35区tatgtt -

35、10区cap位点5-attaatgtgagttagctcactcattagg-3r基因cap的的正性正性调节（调节（positive control of cap）-35-100capcamporna聚合酶结合无葡萄糖:有葡萄糖:campcamp(促进转录)(不促进转录)乳糖操纵子调控的机制乳糖操纵子调控的机制 （二）转录的调控机制（二）转录的调控机制 在含有葡萄糖和半乳糖的培养基中，在含有葡萄糖和半乳糖的培养基中，e.coli和某些肠道菌优先和某些肠道菌优先利用葡萄糖生长，当葡萄糖耗尽后，细菌暂时停止生长，开始合利用葡萄糖生长，当葡萄糖耗尽后，细菌暂时停止生长，开始合成与半乳糖利用有关的酶，

36、然后细胞又恢复生长，这就是成与半乳糖利用有关的酶，然后细胞又恢复生长，这就是细胞二细胞二度生长现象度生长现象。这种分解代谢产物阻遏有时也称为。这种分解代谢产物阻遏有时也称为葡萄糖效应葡萄糖效应。 在葡萄糖不存在、乳糖存在时，在葡萄糖不存在、乳糖存在时，cap发挥正调控作用，阻遏蛋发挥正调控作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。其他几种情况，基因都处于关闭状态。其他几种情况，基因都处于关闭状态。ipozya（6759）（728） general organization of the lac operon

37、of wild-type e. coli.order of controlling elements and genes:laci:promoter-laci-terminatoroperon:promoter-operator-lacz-lacy-laca-terminator-84+1-7+28aug：+39+41-67-59半乳糖苷半乳糖苷通透酶通透酶硫半乳糖苷硫半乳糖苷乙酰基转移酶乙酰基转移酶campcap-camp-葡萄糖葡萄糖+乳糖乳糖-乳糖乳糖mrna-半乳糖苷乙酰转移酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷酶翻译转录无活性的阻遏蛋白诱导物阻遏蛋白阻遏物蛋白亚基有诱导物时lacalacyla

38、czopi基因capcampcap-camprna聚合酶阻遏蛋白阻遏物蛋白亚基无诱导物时lacalacylaczopi基因capcap结合位点结合位点启动子启动子操纵基因操纵基因结构基因结构基因+葡萄糖葡萄糖+乳糖乳糖+葡萄糖葡萄糖-乳糖乳糖-葡萄糖葡萄糖-乳糖乳糖-葡萄糖葡萄糖+乳糖乳糖开放开放关闭关闭关闭关闭关闭关闭转录转录mrna阻遏物阻遏物rna聚合酶聚合酶乳糖操纵子中的乳糖操纵子中的p是一个弱启动子。是一个弱启动子。乳糖操纵子的实际应用乳糖操纵子的实际应用lacz 基因作为转录和翻译融合体中的报告基因得基因作为转录和翻译融合体中的报告基因得到广泛应用，从细菌到果蝇甚至人类细胞。该基因

39、的到广泛应用，从细菌到果蝇甚至人类细胞。该基因的产物产物-半乳糖苷酶可以将半乳糖苷酶可以将x-gal分解产生显示出蓝色分解产生显示出蓝色的反应的反应，利用这一特性可在基因克隆中进行蓝白菌落，利用这一特性可在基因克隆中进行蓝白菌落筛选。含有筛选。含有重组重组dna的菌落为无色的菌落为无色，而含，而含非重组非重组dna的菌落为蓝色。的菌落为蓝色。第二节第二节真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控真核生物比原核生物基因表达的调控复杂得多。单细胞真核生物，如真核生物比原核生物基因表达的调控复杂得多。单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同，主要通过及时调酵母基因表达的调控

40、和原核生物表达的调控基本相同，主要通过及时调整酶系统基因的表达来适应环境变化。而多细胞真核生物的机体只有少整酶系统基因的表达来适应环境变化。而多细胞真核生物的机体只有少数基因的表达调控与外界环境变化直接有关，绝大多数的基因表达与生数基因的表达调控与外界环境变化直接有关，绝大多数的基因表达与生物体的发育、分化等生命现象密切相连。真核细胞是有核的细胞，其转物体的发育、分化等生命现象密切相连。真核细胞是有核的细胞，其转录主要在核内，翻译则在细胞质中有规律地进行，而翻译产物的分布、录主要在核内，翻译则在细胞质中有规律地进行，而翻译产物的分布、定位及功能活性调节也都是可控制的环节。定位及功能活性调节也都

41、是可控制的环节。真核生物基因表达的调控可真核生物基因表达的调控可以发生以发生dna水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平。水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平。真真核核生生物物基基因因表表达达在在不不同同水水平平上上进进行行调调节节真核生物真核生物mrna结构的特点：结构的特点：（1）5 5末端有帽子结构。末端有帽子结构。（2）3端绝大多数均带有多聚腺苷酸尾巴，其长度端绝大多数均带有多聚腺苷酸尾巴，其长度 为为20203030个腺苷酸。个腺苷酸。（3）分子中可能有修饰碱基，主要有甲基化。）分子中可能有修饰碱基，主要有甲基化。（4）分子中有编码区与非编码区。）分子中有编码区

42、与非编码区。一、一、dnadna水平的调控水平的调控 二、转录水平的调控二、转录水平的调控 三、转录后水平的调控三、转录后水平的调控四、翻译水平的调控四、翻译水平的调控五、翻译后水平的调控五、翻译后水平的调控六、组织特异性表达和时相性六、组织特异性表达和时相性 真核生物基因表达在真核生物基因表达在dnadna水平的调控主要通过一列几种方式：水平的调控主要通过一列几种方式：1 1、染色质的丢失、染色质的丢失 一些低等生物（如线虫等）的细胞发育过程中一些低等生物（如线虫等）的细胞发育过程中发现染色质丢失现象及高等动物红细胞在发育成熟过程中也有染色发现染色质丢失现象及高等动物红细胞在发育成熟过程中也

43、有染色质的丢失，都是一些不可逆的调控。质的丢失，都是一些不可逆的调控。2 2、基因扩增（、基因扩增（gene amplificationgene amplification） 细胞在发育分化或环境改细胞在发育分化或环境改变时，对某种基因产物的需要量剧增，而单纯靠调节其表达活性不变时，对某种基因产物的需要量剧增，而单纯靠调节其表达活性不足以满足需要，只有增加这种基因的拷贝数（即基因的扩增或基因足以满足需要，只有增加这种基因的拷贝数（即基因的扩增或基因放大）来满足需要。这是调控基因表达活性的一种有效方式。放大）来满足需要。这是调控基因表达活性的一种有效方式。非洲爪蟾卵母细胞非洲爪蟾卵母细胞rrna

44、基因卵裂时，扩增基因卵裂时，扩增4000倍，达倍，达1012个核糖个核糖体。体。一、一、dna水平的调控水平的调控3 3、基因重排（、基因重排（gene rearrangementgene rearrangement） 基因重排是指基因基因重排是指基因片段改变原来存在顺序，通过调整有关基因片段的衔接顺片段改变原来存在顺序，通过调整有关基因片段的衔接顺序，再重排成为一个完整的转录单位。基因重排是序，再重排成为一个完整的转录单位。基因重排是dnadna水水平调控的重要方式之一。平调控的重要方式之一。如免疫球蛋白基因可变区的重排，多样性如免疫球蛋白基因可变区的重排，多样性4、dna甲基化甲基化(dn

45、a methylation)：甲基化甲基化(methylated)(methylated)程度高，基因表达降低；程度高，基因表达降低；去甲基化去甲基化(undermethylated)(undermethylated)：基因表达增加：基因表达增加5、染色质结构对基因表达的调控作用、染色质结构对基因表达的调控作用组蛋白与组蛋白与dna结合，可保护结合，可保护dna免受损伤，维持基因组稳定性，抑制免受损伤，维持基因组稳定性，抑制基因的表达。去除组蛋白则基因转录活性增高。这种组基因的表达。去除组蛋白则基因转录活性增高。这种组蛋白与蛋白与dna结合与解离是真核基因表达调控的重要机制结合与解离是真核基因

46、表达调控的重要机制之一。之一。转录水平的调控是真核生物基因表达调控中重要的环节。转录水平的调控是真核生物基因表达调控中重要的环节。调控作用主要是通过反式作用因子、顺式作用元件和调控作用主要是通过反式作用因子、顺式作用元件和rna聚合酶的相互作用来完成的。调控作用主要是反式作用因子聚合酶的相互作用来完成的。调控作用主要是反式作用因子结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成。了解真核结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成。了解真核生物基因表达在转录水平的调控，主要是了解反式作用因子生物基因表达在转录水平的调控，主要是了解反式作用因子的特点以及反式作用因子对转录起始的调控。的特点以及反式作用因

47、子对转录起始的调控。二、转录水平的调控二、转录水平的调控顺式作用元件顺式作用元件：指那些与结构基因表达调控相关、指那些与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的dna序序列。包括：启动子、上游启动子元件、增强子、列。包括：启动子、上游启动子元件、增强子、终止子、沉默子、隔离子、加尾信号和一些反应终止子、沉默子、隔离子、加尾信号和一些反应元件等。元件等。增强子增强子 是一种能够提高转录效率的顺式调控元件，最早是在是一种能够提高转录效率的顺式调控元件，最早是在sv40病毒中发现的长约病毒中发现的长约200bp的一段的一段dna，可使旁侧的基因转

48、，可使旁侧的基因转录提高录提高100倍，其后在多种真核生物，甚至在原核生物中都倍，其后在多种真核生物，甚至在原核生物中都发现了增强子。增强子通常占发现了增强子。增强子通常占100200bp长度，也和启动长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为子一样由若干组件构成，基本核心组件常为812bp，可以，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。增强子的作用有以下特点：单拷贝或多拷贝串连形式存在。增强子的作用有以下特点： 增强子提高同一条增强子提高同一条dna链上基因转录效率，链上基因转录效率，可可以远距离作用，通常可距离以远距离作用，通常可距离14kb、个别情况、个别情况下离开所调控的基因下离开所

49、调控的基因30kb仍能发挥作用，而且仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。在基因的上游或下游都能起作用。 增强子作用与其序列的正反方向无关增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子，将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒就不能起方向倒置依然能起作用。而将启动子倒就不能起作用，可见增强子与启动子是很不相同的。作用，可见增强子与启动子是很不相同的。 增强子要有启动子才能发挥作用增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，没有启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。专一性，

50、同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。例如当含有增强子的病毒基因组整合入宿主细胞基因例如当含有增强子的病毒基因组整合入宿主细胞基因组时，能够增强整合区附近宿主某些基因的转录；当组时，能够增强整合区附近宿主某些基因的转录；当增强子随某些染色体段落移位时，也能提高移到的新增强子随某些染色体段落移位时，也能提高移到的新位置周围基因的转录。使某些癌基因转录表达增强，位置周围基因的转录。使某些癌基因转录表达增强，可能是肿瘤发生的因素之一。可能是肿瘤发生的因素之一。 增强子的作用机理虽然还不明确增强子的作用机理虽然还不明确，但与其他顺，但与其他顺式调控元件一样，式调控元件一样，必须与特定的蛋白质因子结必

51、须与特定的蛋白质因子结合合后才能发挥增强转录的作用。增强子一般具后才能发挥增强转录的作用。增强子一般具有组织或细胞特异性，许多增强子只在某些细有组织或细胞特异性，许多增强子只在某些细胞或组织中表现活性，是由这些细胞或组织中胞或组织中表现活性，是由这些细胞或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定的。具有的特异性蛋白质因子所决定的。 无论是原核生物还是真核生物，在转录起始复合物形成过程中，无论是原核生物还是真核生物，在转录起始复合物形成过程中，rna聚合酶（聚合酶（rnapol）与启动子的结合都是关键的一步。）与启动子的结合都是关键的一步。真核生物的真核生物的rnapol、，识别不同的启动子，需要不同

52、的，识别不同的启动子，需要不同的转录因子（转录因子（transcriptionfactor,tf）：）：tf、tf、tf。每一类。每一类又依发现先后命名为又依发现先后命名为a、b，如，如tfa、tfb等。等。真核生物的转录起始复合物的形成过程有三步：真核生物的转录起始复合物的形成过程有三步：tfd结合结合tata盒；盒；rnapol识别并结合识别并结合tfd-dna复合物，形成的是闭合复合物，形成的是闭合的复合物，的复合物，dna双链没有打开，尚不能启动转录；双链没有打开，尚不能启动转录；其它转录因子与其它转录因子与rnapol结合，转录起始部位的结合，转录起始部位的dna解链，形成转录起始复

53、合物，或解链，形成转录起始复合物，或称开放的复合物（称开放的复合物（opencomplex），开始转录。），开始转录。在转录调控过程中，反式作用因子的作用主要是促进或抑制在转录调控过程中，反式作用因子的作用主要是促进或抑制tfd与与tata盒结合、盒结合、rnapol与与tfd-dna复合物结合以及转录复合物结合以及转录起始复合物的形成。起始复合物的形成。（一）转录起始复合物的形成（一）转录起始复合物的形成1、反式作用因子（、反式作用因子（trans-actingfactor）真核细胞内含有大量的序列特异性的真核细胞内含有大量的序列特异性的dna结合蛋白，其中一些蛋白的结合蛋白，其中一些蛋白的

54、主要功能是使基因开放或关闭，称为反式作用因子，简称反式因子主要功能是使基因开放或关闭，称为反式作用因子，简称反式因子，这是，这是一类细胞核内蛋白因子。在结构上含有与一类细胞核内蛋白因子。在结构上含有与dna结合的结构域，是结合特结合的结构域，是结合特异的异的dna序列所必需的。序列所必需的。反式作用因子在细胞中的数量很小，大约每反式作用因子在细胞中的数量很小，大约每3000个核小体中有一个分个核小体中有一个分子，或每个哺乳类细胞中有子，或每个哺乳类细胞中有104个左右。这些蛋白质识别特定的个左右。这些蛋白质识别特定的dna序列序列（通常（通常815个核苷酸），与个核苷酸），与dna结合后，可以

55、促进（正调控）或抑制（结合后，可以促进（正调控）或抑制（负调控）一个邻近基因的转录。在多细胞有机体中，不同的细胞类型具有负调控）一个邻近基因的转录。在多细胞有机体中，不同的细胞类型具有不同的反式作用因子群体，引起每一细胞类型表达不同的成套基因。不同的反式作用因子群体，引起每一细胞类型表达不同的成套基因。（二）反式作用因子（二）反式作用因子一般具有三个功能结构域：一般具有三个功能结构域：dna识别结合域，转录活性识别结合域，转录活性域，结合其它蛋白的结合域。这些功能区含有几十到几域，结合其它蛋白的结合域。这些功能区含有几十到几百个氨基酸残基。百个氨基酸残基。能识别并结合上游调控区中的顺式作用元件。能识别并结合上游调控区中的顺式作用元件。对基因表达有正性和负性调控作用，即激活和阻遏基因对基因表达有正性和负性调控作用，即激活和阻遏基因的表达。具有正性调节作用的反式因子和相应的顺式元的表达。具有正性调节作用的反式因子和相应的顺式元件结合后，可能还要通过与件结合后，可能还要通过与rna聚合酶或其它反式因子聚合酶或其它反式因子与相应的顺式元件结合后才能产生效应。与相应的顺式元件结合后才能产生效应。2、反式作用因子的主要特点、反式作用因子的主要特点mrna通过外显子选择、内含子选择、互斥外显子、内部剪接位点通过外显子选择