分子生物学-表达调控

1、 基因表达调控基因表达调控 (Regulation of gene expression ) 蒋小英蒋小英 遗传学与分子生物学系遗传学与分子生物学系 西西 安安 交交 通通 大大 学学 医医 学学 院院 基因基因 是核酸分子中贮存遗传信息的遗是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存传单位，是指贮存有功能有功能的的蛋白质多肽链蛋白质多肽链或或RNARNA序列信息及表达这些信息所必需的序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。全部核苷酸序列。基因的概念基因的概念基因表达的概念基因表达的概念基因所贮存的遗传信息通过基因所贮存的遗传信息通过转录转录及及翻译翻译产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过

2、产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程程. .表达产物表达产物: :l蛋白质或肽蛋白质或肽 lRNARNA 基因表达基因表达（gene expressiongene expression）（）（里里外外）DNA RNA protein mRNAtRNArRNAncRNAtranscriptiontranslationreplicationreversetranscription基因表达是基因表达是基因产生功能的过程基因产生功能的过程，是信息，是信息分子（分子（DNADNA或或RNARNA）转变成功能分子）转变成功能分子（proteinprotein或或RNARNA）的过程。）的过程。1.1.转录

3、转录 RNA pol合成合成RNA的过程，产生单的过程，产生单链链RNA互补于互补于DNA，在某些病毒中则是互补，在某些病毒中则是互补于于RNA模板。模板。2.2.翻译翻译 这是由核糖体实现的这是由核糖体实现的protein的合成的合成过程，核糖体和过程，核糖体和tRNA解释解释mRNA含有的信息含有的信息密码。密码。 RNA RNA 的合成的合成4 4种种NTPNTP、DNADNA模板、模板、RNARNA聚合酶聚合酶转录单位：结构基因、启始子、终止子转录单位：结构基因、启始子、终止子按碱基配对原则按碱基配对原则, , 沿沿5 5-3-3方向方向真核生物有三型真核生物有三型RNARNA聚合酶聚

4、合酶分为起始阶段、延长阶级和终止阶段分为起始阶段、延长阶级和终止阶段转录后的产物经加工成为成熟的转录后的产物经加工成为成熟的RNARNA 转录的过程转录的过程 1. . 起始起始原核细胞原核细胞RNARNA聚合酶与启动子相互作用聚合酶与启动子相互作用真核细胞真核细胞RNARNA聚合酶、反式作用因子与顺式聚合酶、反式作用因子与顺式元件相互作用元件相互作用拼板理论拼板理论 2. .延伸延伸核心酶催化核心酶催化 磷酸化的磷酸化的RNARNA聚合酶催聚合酶催化，核小体解聚化，核小体解聚原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞3. . 终止终止原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞结合富含结合富含C C的的RNARN

5、A区段，发挥区段，发挥ATPATP酶及解螺旋酶活性酶及解螺旋酶活性 依赖依赖因子因子不依赖不依赖因子因子RNA 3 RNA 3 端形成茎环结构端形成茎环结构转录后加工转录后加工原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞1. . 原核细胞和真核细胞的差异原核细胞和真核细胞的差异2. . 真核生物真核生物mRNAmRNA的转录后加工的转录后加工 55端加帽端加帽 33端加尾端加尾 剪接（剪接（splicingsplicing） RNARNA编辑编辑 （RNA editingRNA editing）3. 真核生物成熟真核生物成熟mRNAmRNA的运输的运输成熟成熟mRNAmRNA蛋白质蛋白质细胞核细胞核细胞质

6、细胞质蛋白质的合成蛋白质的合成合成体系：氨基酸、合成体系：氨基酸、mRNAmRNA、tRNAtRNA、核糖体、某、核糖体、某些酶与蛋白质因子、些酶与蛋白质因子、ATPATP、GTPGTP、MgMgmRNAmRNA编码区的三个相邻核苷酸组成密码子编码区的三个相邻核苷酸组成密码子tRNAtRNA起接合器作用，核糖体是合成场所和装配起接合器作用，核糖体是合成场所和装配机机核糖体循环：起始、肽链延长和终止核糖体循环：起始、肽链延长和终止翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚单位翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚单位的聚合的聚合1. 翻译的基本过程翻译的基本过程 起始起始 形成翻译起始复合物形成翻译起始

7、复合物 延长延长 指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位 终止终止 原核细胞原核细胞 RFRF1 1, RF, RF2 2识别终止密码，识别终止密码，RFRF3 3激活转激活转 肽酶释放肽链肽酶释放肽链 真核细胞真核细胞 eRFeRF同时具有上述功能同时具有上述功能2.肽链翻译后的加工修饰肽链翻译后的加工修饰一级结构修饰一级结构修饰: : 甲基化，乙酰化，糖基化甲基化，乙酰化，糖基化空间结构修饰空间结构修饰: Alzheimer: Alzheimer3.蛋白质的分拣与转运蛋白质的分拣与转运第一节第一节 基因表达的基本规律基因表达的基本规律原核生物原核生物: :

8、无细胞核无细胞核, ,转录和翻译发生在同转录和翻译发生在同一空间一空间, ,并以偶联的方式进行并以偶联的方式进行. .真核生物真核生物: :有细胞核有细胞核, ,转录和翻译在不同空转录和翻译在不同空间进行间进行, ,有时间上的先后顺序有时间上的先后顺序. . 1 1 组成性表达组成性表达l某些基因的表达是根据细胞的一般要求保持某些基因的表达是根据细胞的一般要求保持恒定水平恒定水平，较少受环境因素影响。这些基因被称为管家基因较少受环境因素影响。这些基因被称为管家基因. .如细胞骨架蛋白、核蛋白体蛋白等如细胞骨架蛋白、核蛋白体蛋白等 管家基因管家基因（housekeeping genehousek

9、eeping gene） 在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。 2 可控型表达可控型表达l这类基因的表达是应细胞需要，或者说易受环这类基因的表达是应细胞需要，或者说易受环境的影响。在特定环境中使基因表达增强的过境的影响。在特定环境中使基因表达增强的过程称为诱导程称为诱导(induction)(induction)，使基因表达减弱的过，使基因表达减弱的过程称为阻遏程称为阻遏(repression).(repression).基因表达的基本规律基因表达的基本规律( (一一) )基因表达的时空特异性基因表达的时空特异性l同一生物体各种细胞含有完

10、全相同的基因组同一生物体各种细胞含有完全相同的基因组, ,在细在细胞内并非同时表达胞内并非同时表达, ,而是根据生长而是根据生长, ,分化和发育等分化和发育等功能的需要功能的需要, ,随环境和时间的变化随环境和时间的变化, ,按照一定顺序按照一定顺序先后表达先后表达, ,这叫做基因表达的这叫做基因表达的时间特异性时间特异性。l基因在不同的组织或器官中的表达水平不同或表基因在不同的组织或器官中的表达水平不同或表达基因的种类不同的现象叫做基因表达的达基因的种类不同的现象叫做基因表达的空间特空间特异性。异性。( (二二) )诱导表达和阻遏表达诱导表达和阻遏表达-调控的普遍形式调控的普遍形式l管家基因

11、和组成性表达管家基因和组成性表达: :在细胞中持续表达在细胞中持续表达, ,几乎几乎不受内外环境的影响不受内外环境的影响.-.-生命全过程必需生命全过程必需. .l诱导和阻遏诱导和阻遏: :调控的方式调控的方式. .在特定信号的刺激下在特定信号的刺激下, ,基因表达开放或上调的现象叫做诱导基因表达开放或上调的现象叫做诱导, ,反之表现反之表现为关闭或抑制的现象叫做阴遏为关闭或抑制的现象叫做阴遏.-.-对环境的适应对环境的适应. .( (三三) )基因表达受顺式作用元件和反式作用因子的调节基因表达受顺式作用元件和反式作用因子的调节l顺式作用元件顺式作用元件: :与被调控序列在同一与被调控序列在同

12、一DNADNA链上链上l反式作用因子反式作用因子: :本质为蛋白质本质为蛋白质( (转录因子转录因子) )( (四四) )基因表达调控的分子基础基因表达调控的分子基础-生物大分子相互作用生物大分子相互作用( (五五) )多层次调控多层次调控基因表达的调控基因表达的调控（gene expression regulation ）是指各种细胞中相同的遗传信息，是指各种细胞中相同的遗传信息，有规律有规律的的选择性、程序性、适度的表达选择性、程序性、适度的表达以适应机以适应机体生长、发育、繁殖以及环境变化的需要，体生长、发育、繁殖以及环境变化的需要，发挥其生理功能的调节和控制。发挥其生理功能的调节和控制

13、。基因表达调控的生理意义基因表达调控的生理意义适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化维持个体发育与分化 基因表达调控的要点基因表达调控的要点( (一一) )调控的调控的细胞学基础细胞学基础原核生物原核生物真核生物真核生物prokaryote prokaryote 无真核无真核结构的单细胞生物。结构的单细胞生物。包括细菌、蓝绿藻等。包括细菌、蓝绿藻等。其其DNADNA、proteinprotein、组、组成成1 1个相当致密的类个相当致密的类核，但核，但无核膜无核膜与胞质与胞质分开。因为无核膜，分开。因为无核膜，基因受环境影响大。基因受环境影响大。 eukaryote

14、 eukaryote单或多细胞生单或多细胞生物，物，有核膜有核膜将染色体等有关将染色体等有关物质包围在内与胞质分开，物质包围在内与胞质分开，细胞有有丝分裂和减数分裂细胞有有丝分裂和减数分裂2 2种形式，具有这些特征的种形式，具有这些特征的生物称真核生物。其细胞称生物称真核生物。其细胞称为真核细胞。为真核细胞。（二）调控最大特点（二）调控最大特点 原核生物原核生物 真核生物真核生物 调控直接受环境及营养状况调控直接受环境及营养状况的影响。的影响。调控是为了适应环境获调控是为了适应环境获取营养达到生存即分裂繁殖的最取营养达到生存即分裂繁殖的最优化优化（原核既无充足的能源贮备，（原核既无充足的能源贮

15、备，又无高等植物制造有机物的本又无高等植物制造有机物的本领）。所以领）。所以调控体现调控体现1 1个个“快快”字，字，快速适应环境，获取营养，合成快速适应环境，获取营养，合成必需蛋白质、降解不必要成分。必需蛋白质、降解不必要成分。这是长期进化，获得的适应应变这是长期进化，获得的适应应变能力。（适应环境获取营养、解能力。（适应环境获取营养、解决决“温饱温饱”问题。）问题。）遗传程序调控遗传程序调控、按、按“既定方针既定方针办办”如动物如动物1 1个受精卵，按遗传个受精卵，按遗传程序开开关关基因，发育成成程序开开关关基因，发育成成熟个体，该遗传程序是构成胚熟个体，该遗传程序是构成胚胎发育和组织分化

16、的基础。仅胎发育和组织分化的基础。仅极少基因间接或直接受环境因极少基因间接或直接受环境因素的影响。素的影响。这一特点使真核在这一特点使真核在千变万化的环境下，主要组织千变万化的环境下，主要组织或器官仍能维持正常功能或器官仍能维持正常功能（“处世不惊处世不惊”）。）。（三）（三）调控主要水平调控主要水平 真原核调控的真原核调控的主要水平（主调）都在转录水平主要水平（主调）都在转录水平。 微调微调 DNADNA水平水平 转录后水平转录后水平 翻译水平翻译水平 翻译后水平翻译后水平（四）调控的基本方式（四）调控的基本方式 真原核调控的基本方式都是通过真原核调控的基本方式都是通过1.1.蛋白质蛋白质2

17、.2.核酸和核酸和3.3.小分子化合物间的识别和相互作用。小分子化合物间的识别和相互作用。 （五）调控物质的化学本质（五）调控物质的化学本质 蛋白质、核酸、小分子化合物。蛋白质、核酸、小分子化合物。（六）调控模式（六）调控模式原核有操纵子调控模型原核有操纵子调控模型，已发现已发现100100多种。多种。 真核真核Britten-DavidsenBritten-Davidsen（法）模型尚未实验所证实。（法）模型尚未实验所证实。病毒基因表达调控病毒基因表达调控 各种病毒、噬菌体等除部分带有各种病毒、噬菌体等除部分带有RNA polRNA pol或逆转录或逆转录酶外主要是利用宿主的基因表达调控系统

18、。酶外主要是利用宿主的基因表达调控系统。第二节第二节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控原核生物基因表达的特点原核生物基因表达的特点l转录与翻译紧密偶联转录与翻译紧密偶联l多顺反子多顺反子mRNAmRNAl操纵子是主要调节机制操纵子是主要调节机制l负性调节为主负性调节为主( (阻遏蛋白的作用阻遏蛋白的作用) )l转录起始是调节的关键点转录起始是调节的关键点从调控方式来看从调控方式来看，原核生物调控最重，原核生物调控最重要的特点是操纵子模式。要的特点是操纵子模式。 从调控水平来看从调控水平来看，主调在转录水平，主调在转录水平，翻译水平次之。翻译水平次之。原核基因表达调控原核基因表达调控 操

19、纵子（操纵子（operonoperon）概念）概念 细菌体内的基因调节单位，由控制区和信息区组成。信细菌体内的基因调节单位，由控制区和信息区组成。信息区包括功能相关的一组结构基因；控制区含操纵基息区包括功能相关的一组结构基因；控制区含操纵基因，启动子和因，启动子和CAPCAP结合位点，有些含衰减子结合位点，有些含衰减子。 结构基因结构基因: :多个多个(2-6)(2-6)调控序列：调控序列： 启动序列启动序列(promoter (promoter 启动子启动子):1):1个个 操纵序列操纵序列(operator (operator 操纵基因操纵基因):): 其它调节序列其它调节序列 在染色体上

20、成簇串联排列在染色体上成簇串联排列 操纵子操纵子 ： 调控序列调控序列 结构基因结构基因 一一 转录水平的调控转录水平的调控 （一）转录起始的负调控（一）转录起始的负调控如乳糖操纵子如乳糖操纵子结构基因：结构基因： Z -Z -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 Y Y 通透酶通透酶 A A 转乙酰基酶转乙酰基酶 调控序列调控序列 操纵序列操纵序列(O)(O) 启动序列启动序列(P)(P) 其它调节序列其它调节序列(I)(I)（二）转录起始的负调控（二）转录起始的负调控如乳糖操纵子如乳糖操纵子l结构结构操纵序列操纵序列(O)(O)启动序列启动序列(P)(P)其它调节序列其它调节序列(I)(I)编码序列编码序

21、列(Z ,Y ,A)(Z ,Y ,A)Z -Z -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y 透酶透酶A A 转乙酰基酶转乙酰基酶promoter半乳糖苷酶透酶乙酰基转移酶19601960年年: :法国科学家法国科学家Jacob- MonodJacob- Monod提出乳糖提出乳糖操纵子概念操纵子概念大肠杆菌大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源可以利用许多糖作为碳源, ,但但优先优先利用葡萄糖利用葡萄糖. .当环境中当环境中葡萄糖缺乏时葡萄糖缺乏时, ,开始开始利用乳糖或其它糖利用乳糖或其它糖. .乳糖操纵子调控机制乳糖操纵子调控机制 I I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体。基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四

22、聚体。在在没有乳糖没有乳糖的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。当当有乳糖有乳糖存在时，经透酶作用进入细胞，在存在时，经透酶作用进入细胞，在- -半乳糖半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（inducerinducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构基因转录。基因转录。阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节无乳糖时无乳糖时,lac,lac操纵子处于阻遏状态操纵子处于阻遏状态: : lpI pI 转录转录阻遏蛋白阻遏蛋白I I+OI I+O Z Y A Z Y

23、 A编码序列不转录编码序列不转录有乳糖时有乳糖时, ,经透酶催化并进入细胞经透酶催化并进入细胞, -, -半乳半乳糖苷酶催化生成为半乳糖糖苷酶催化生成为半乳糖 半乳糖半乳糖+ +阻遏蛋白阻遏蛋白 构象改变构象改变 阻遏蛋白与阻遏蛋白与O O序列分离序列分离 Z Y AZ Y A转录转录诱导剂诱导剂: :异丙基硫代半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)(IPTG)（二）转录起始的正调控（二）转录起始的正调控正调控蛋白正调控蛋白 与与DNADNA结合后促进转录，这种结合后促进转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。基因表达调控的方式称为正调控。lCAPCAP蛋白蛋白CAPCAP蛋白蛋白(catab

24、olic gene activator protein，CAP) 分解代谢物基因活化蛋白分解代谢物基因活化蛋白, ,可将葡萄糖饥饿信号可将葡萄糖饥饿信号传给许多操纵子传给许多操纵子使细菌在缺乏葡萄糖的环境中使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可利用其它的碳源。可利用其它的碳源。转录起始的正调控转录起始的正调控CAP mediates glucose repression of LacPromotes transcription乳糖操纵子中的乳糖操纵子中的1 1组基因组基因有有2道开关道开关: : CAP CAP结合到结合到CAPCAP位点发挥正控作用，位点发挥正控作用， 乳糖诱导去阻遏，乳糖诱导去阻遏，

25、只有只有2 2道开关同时打开时，基因才能转录。道开关同时打开时，基因才能转录。乳糖操纵子的转录起始乳糖操纵子的转录起始受到受到CAP和阻遏蛋和阻遏蛋白的双重调控，即正、负调控。白的双重调控，即正、负调控。 细菌优先利用葡萄（细菌优先利用葡萄（G G）- -葡萄糖效应葡萄糖效应 乳糖、乳糖、G G同时存在，细菌优先利用葡萄糖，在同时存在，细菌优先利用葡萄糖，在G G耗尽耗尽之前，之前，Lac operonLac operon也不会表达。也不会表达。 Lactose Glucose- +- -+ -+ +LacICAP-cAMPFour States of the Lac Operon二二 转录终

26、止的调控转录终止的调控依赖依赖因子或者依赖转录产物因子或者依赖转录产物33端发夹端发夹结构。结构。色氨酸操纵子：转录衰减色氨酸操纵子：转录衰减（attenuationattenuation） 衰减是转录衰减是转录- -翻译的偶联调控翻译的偶联调控。 色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trptrp operon operon） E.coliE.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因的色氨酸操纵子有五个结构基因E E、D D、C C、B B、A A基因编码三种酶，用于基因编码三种酶，用于合成色氨酸合成色氨酸。上游调控区由启动子（上游调控区由启动子（P P）和操纵基因（）和操纵基因（O O）组成组成R R基

27、因编码阻遏蛋白基因编码阻遏蛋白Genomic Organization of the Trp Operon ED-编码邻氨基苯甲酸合成酶编码邻氨基苯甲酸合成酶（antlnanilate synthetase）;C-编码吲哚甘油磷酸合成酶编码吲哚甘油磷酸合成酶（indeleglycerol-phosphatr synHietdse）;BA-编码编码Trp合成酶合成酶亚基和亚基和亚基亚基 色氨酸衰减子色氨酸衰减子10 11UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 终止密码子终止密码子 1

28、4aa前导肽编码区前导肽编码区:第第10、11密码子为密码子为trp密码子密码子 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/2序列序列2/3序列序列3/4 trp 密码子密码子 UUUU色氨酸操纵子调控机制色氨酸操纵子调控机制衰减子位于结构基因衰减子位于结构基因E E和操纵基因和操纵基因O O之间的之间的L L基因中。基因中。L L基因的部分转录产物编码基因的部分转录产物编码1414个氨基酸，其中个氨基酸，其中两个两个相邻的色氨酸密码子相邻的色氨酸密码子及原核生物中及原核生物中转录和翻译的转录和翻译的偶联偶联是产生衰减的基础。是产生衰减的基础。 将环境中的色氨酸消耗完，然后开始

29、自身合成。将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。阻遏（物）是阻遏（物）是Trp operonTrp operon的第一控制系统的第一控制系统. .衰减子（衰减子（L L）是）是Trp operonTrp operon的第二控制系统。的第二控制系统。色氨酸操纵子调控机制色氨酸操纵子调控机制UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA聚合酶聚合酶 终止终止作用机制作用机制 胞内胞内Trp

30、Trp形成形成Trp-tRNATrp-tRNA，核糖体很，核糖体很快通过片段快通过片段1 1，并封闭片段，并封闭片段2 2（“堵车堵车”），），片段片段1.2,2.31.2,2.3形成不了发夹结构，片段形成不了发夹结构，片段3.43.4形形成发夹结构成发夹结构形成一个不依赖形成一个不依赖因子终止结因子终止结构构衰减子，衰减子，使前方使前方RNA pol RNA pol 脱落，转录终脱落，转录终止。止。UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA聚合酶聚合酶 当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系

31、相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3、4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 前导前导mRNA 胞内胞内TrpTrp没有没有Trp-tRNATrp-tRNA供给；核糖体翻译停在供给；核糖体翻译停在片段片段1 1中中2 2个个TrpTrp密码子前（等料），密码子前（等料），片段片段2 2、3 3形形成发夹结构，成发夹结构，3 3、4 4形成不了发夹结构形成不了发夹结构不能形成不能形成终止信号，终止信号，RNARNA转录继续进行、转录继续进行、EDCBAEDCBA得以转录。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转录衰减实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联。偶联。作用机制作用

32、机制色氨酸操纵子色氨酸操纵子l当有色氨酸时，衰减子形成的二级结构当有色氨酸时，衰减子形成的二级结构不利于不利于RNA聚合酶结合与转录，产生前聚合酶结合与转录，产生前导导RNA。l当无色氨酸时，其形成的二级结构有利当无色氨酸时，其形成的二级结构有利于于RNA聚合酶的结合与转录。产生全长聚合酶的结合与转录。产生全长RNA，催化色氨酸生成。，催化色氨酸生成。衰减子与阻遏蛋白作用一致性衰减子与阻遏蛋白作用一致性 当当TrpTrp但不足以诱导阻遏蛋白但不足以诱导阻遏蛋白衰减子也能使衰减子也能使mRNAmRNA合成终止在合成终止在EDCBAEDCBA结构基因前，反之，当结构基因前，反之，当Trp Trp

33、失去了阻遏作用，只要能使前导肽继续合成，转失去了阻遏作用，只要能使前导肽继续合成，转录继续进行。录继续进行。 这是对这是对TrpTrp浓度的一种更为精细、敏感调节浓度的一种更为精细、敏感调节。 这样一个操纵子的这样一个操纵子的1 1组基因就有组基因就有2 2道开头，道开头，只有只有2 2道道门都关了，才能阻遏结构基因转录。门都关了，才能阻遏结构基因转录。三三 翻译调控翻译调控 作用作用:对转录水平调控的补充对转录水平调控的补充（一）稀有密码子对翻译的影响（一）稀有密码子对翻译的影响（二）翻译阻遏（二）翻译阻遏 SD序列序列（三）（三）mRNA稳定性对翻译的影响稳定性对翻译的影响l原核细胞位于起

34、始密码子上游原核细胞位于起始密码子上游8-13bp.8-13bp.lSDSD序列与起始密码子的距离、蛋白质对序列与起始密码子的距离、蛋白质对SDSD序列序列的作用，影响翻译的起始的作用，影响翻译的起始第三节第三节 真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控调控水平调控水平: 多层次多层次lDNA水平水平 l转录水平转录水平 l转录后水平转录后水平 l翻译水平翻译水平 l翻译后水平的调控翻译后水平的调控一一 转录前的调控：转录前的调控：DNADNA水平的调控水平的调控染色质丢失染色质丢失基因扩增基因扩增基因重排基因重排DNADNA甲基化甲基化染色质结构改变染色质结构改变一一 转录前的调控转录前

35、的调控（一）染色体结构对转录的影响（一）染色体结构对转录的影响 转录活化与非活化染色质在结构上有很大不同。转录活化与非活化染色质在结构上有很大不同。l转录活化区：转录活化区：DNA结构呈松散状，结构呈松散状，RNA聚合酶与聚合酶与其它蛋白质与其它蛋白质与DNA结合，此区对结合，此区对DNA酶酶敏感敏感，常位于转录基因的常位于转录基因的5侧侧1000bp内。内。 组蛋白的共价修饰：组蛋白的共价修饰： 核小体的核心组蛋白（核小体的核心组蛋白（H2AH2A，H2BH2B，H3H3，H4H4）的）的甲基甲基化，磷酸化，乙酰化及泛素化化，磷酸化，乙酰化及泛素化。乙酰化乙酰化 组蛋白乙酰化组蛋白乙酰化降低

36、核小体蛋白对降低核小体蛋白对DNADNA的亲合力的亲合力 DNADNA结构呈松散状结构呈松散状转录发生转录发生 组蛋白乙酰化酶组蛋白乙酰化酶（histone acetyl transferase, histone acetyl transferase, HATHAT） 组蛋白去乙酰化酶组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase , (histone deacetylase , HDACHDAC) )（二）（二）DNA甲基化在真核基因调控中有重要作用甲基化在真核基因调控中有重要作用 l常发生在胞嘧啶上，如常发生在胞嘧啶上，如CpGCpG岛岛l管家基因管家基因CpGCpG岛多低甲基化

37、，不表达基因多高甲基化。岛多低甲基化，不表达基因多高甲基化。l激素或致癌物使不表达基因调控区低甲基化重新开放。激素或致癌物使不表达基因调控区低甲基化重新开放。lDNADNA去甲基化与去甲基化与DNaseIDNaseI高敏区高敏区出现，为基因活化的标志。出现，为基因活化的标志。DNADNA甲基化与基因的表达成反比关系甲基化与基因的表达成反比关系 高甲基化则低表达，低甲基化则高表达。高甲基化则低表达，低甲基化则高表达。 表观遗传学表观遗传学（epigeneticsepigenetics）：）： 是研究遗传修饰影响基因表达和表型的机制、遗传是研究遗传修饰影响基因表达和表型的机制、遗传方式与发育、疾病

38、发生的关系，以及开发应用技术的一方式与发育、疾病发生的关系，以及开发应用技术的一门分支学科。门分支学科。 指指不改变基因序列不改变基因序列而而影响基因表达影响基因表达和表型的遗传修饰。和表型的遗传修饰。 包括：包括：DNA methylation DNA methylation histone modification histone modification genomic imprinting genomic imprinting 表观遗传的特点：表观遗传的特点：可遗传性；可遗传性；可引起基因沉默，但其作用机制与由基因突可引起基因沉默，但其作用机制与由基因突变引起基因沉默不同，具有一定的可

39、逆性；变引起基因沉默不同，具有一定的可逆性；表观遗传可以影响遗传学过程；表观遗传可以影响遗传学过程；目前已知目前已知DNADNA甲基化甲基化和和组蛋白修饰组蛋白修饰是细胞中是细胞中最重要的表观遗传修饰。二者可以协作共同最重要的表观遗传修饰。二者可以协作共同调节基因转录。调节基因转录。 DNADNA甲基化位点主要是甲基化位点主要是5 5-CpG-3-CpG-3中胞嘧啶中胞嘧啶C5C5。 CpGCpG在基因组中分布不均匀，主要存在于重复在基因组中分布不均匀，主要存在于重复序列与序列与 CpGCpG岛中。岛中。 CpGCpG岛主要存在于岛主要存在于管家基因（管家基因（housekeeping hou

40、sekeeping genegene）和组织）和组织特异性表达基因的启动子特异性表达基因的启动子区。区。DNADNA甲基化造成基因沉默甲基化造成基因沉默CGCG岛与疾病岛与疾病 典型的典型的DNADNA甲基化常发生在甲基化常发生在5 5-CG-3-CG-3即即“CpGCpG” island-island-在人类基因组中存在成族的在人类基因组中存在成族的“CGIsCGIs”. . CGIs CGIs常位于一些基因常位于一些基因启动子区启动子区, ,如在如在肿瘤细胞肿瘤细胞中中, ,由于一些由于一些抑癌基因抑癌基因启动子区启动子区CGIsCGIs的的甲基化甲基化, ,导致这导致这些基因些基因不表达

41、不表达. . DNADNA甲基化与疾病甲基化与疾病 DNADNA甲基化与环境密切相关。甲基化与环境密切相关。缺少甲基来源缺少甲基来源或保持或保持甲基化转移酶活性必要营养素（如甲基化转移酶活性必要营养素（如叶酸和维生素叶酸和维生素）的饮）的饮食，会使食，会使基因组范围甲基化水平降低基因组范围甲基化水平降低，改变基因表达图，改变基因表达图谱，激活某些谱，激活某些有害基因过表达有害基因过表达，引起基因组不稳定性，引起基因组不稳定性，进而影响表型。衰老作为环境因素的过程，可看到，随进而影响表型。衰老作为环境因素的过程，可看到，随着增龄过程，着增龄过程，基因组水平的甲基化作用呈衰减状态基因组水平的甲基化

42、作用呈衰减状态，但，但某些与生长分化相关的基因某些与生长分化相关的基因CpGCpG岛甲基化作用呈进行性增岛甲基化作用呈进行性增长。长。 DNADNA甲基化的检测甲基化的检测 分两类分两类 特异位点特异位点的甲基化检测的甲基化检测 甲基化特异性甲基化特异性PCR(MS-PCR)PCR(MS-PCR) 亚硫酸氢盐处理亚硫酸氢盐处理 + + 测序测序 限制性内切酶分析限制性内切酶分析(COBRA)(COBRA) 熔解曲线分析熔解曲线分析 焦磷酸测序焦磷酸测序 新的序列分析技术，快速地检测甲基化新的序列分析技术，快速地检测甲基化 全基因组全基因组的甲基化分析的甲基化分析 芯片芯片 测序甲基化特异性甲基

43、化特异性PCRPCR分析（分析（MS-PCRMS-PCR） 先用化学试剂（先用化学试剂（NaHSO3NaHSO3) )处理模板处理模板DNADNA（5050避光水浴避光水浴16h16h ）, ,将所有将所有未甲基化的胞嘧啶（未甲基化的胞嘧啶（C)C)转变成尿嘧啶转变成尿嘧啶(U)(U)，在，在PCRPCR扩增时，扩增时，U U与引物中与引物中A A配对；而配对；而CpGCpG岛上岛上甲基化的甲基化的C C不受影不受影响响，在扩增时仍与，在扩增时仍与G G配对。配对。 设计设计一对甲基化特异性引物一对甲基化特异性引物（引物中（引物中G G结合模板中结合模板中C);C);和和非甲非甲基化特异性引物

44、基化特异性引物（引物中（引物中A A结合模板中结合模板中U),U),通过通过PCRPCR扩增就可扩增就可检测出甲基化修饰的检测出甲基化修饰的DNADNA序列序列 亚硫酸氢钠联合限制性内切酶分析亚硫酸氢钠联合限制性内切酶分析 (COBRA)(COBRA) 亚硫酸氢盐处理亚硫酸氢盐处理DNADNA 后后PCRPCR扩增扩增, ,限制性内切酶限制性内切酶(BstUI)(BstUI)消化。若消化。若识别序列识别序列(CGCG)(CGCG)中的中的C C发生完全甲基化发生完全甲基化(5mCG5mCG)(5mCG5mCG)，则，则PCRPCR扩增后保留为扩增后保留为CGCGCGCG，BstU IBstU

45、I能够识能够识别并进行切割别并进行切割; ;若待测序列中，若待测序列中，C C未发生甲基化，则未发生甲基化，则PCRPCR后转变为后转变为TGTGTGTG，BstUIBstUI识别位点丢失，不能进行切割。识别位点丢失，不能进行切割。酶切产物再经电泳分离。酶切产物再经电泳分离。 甲基化敏感性高分辨率熔解曲线分析甲基化敏感性高分辨率熔解曲线分析 亚硫酸氢盐处理后，甲基化与未甲基化亚硫酸氢盐处理后，甲基化与未甲基化DNADNA存在存在序列序列差异，可通过熔解曲线差异，可通过熔解曲线分析来发现，因为分析来发现，因为甲基化甲基化DNADNA含有含有更多的更多的GCGC，相对更难熔解，相对更难熔解。根据熔

46、解温度及峰型的变化。根据熔解温度及峰型的变化，可轻易区分完全甲基化、完全非甲基化或杂合甲基化，可轻易区分完全甲基化、完全非甲基化或杂合甲基化。高分辨率熔解。高分辨率熔解(HRM)(HRM)技术可检出极微小的差别。技术可检出极微小的差别。染色质丢失染色质丢失 低等生物及动物红细胞，不可逆低等生物及动物红细胞，不可逆基因扩增：是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一基因扩增：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。是细胞在短期内为满足需要而性大量增加的现象。是细胞在短期内为满足需要而产生足够基因产物的调节手段。产生足够基因产物的调节手段。基因重排基因重排 基因片段改变原衔接顺序，重排为完整的

47、转录单位基因片段改变原衔接顺序，重排为完整的转录单位基因扩增基因扩增例：例：非洲爪蟾非洲爪蟾（chan，癞蛤蟆）卵母细胞，癞蛤蟆）卵母细胞rRNA基因基因（rDNA）是一般体细胞的）是一般体细胞的4000倍倍（2000000/500），这是由于卵母细胞），这是由于卵母细胞rRNA的大量的大量扩增，以适应胚胎发育对核糖体的大量需要。扩增，以适应胚胎发育对核糖体的大量需要。氨甲蝶呤，重金属镉汞氨甲蝶呤，重金属镉汞分别诱导二氢叶酸还原酶，金分别诱导二氢叶酸还原酶，金属硫铁属硫铁Pr.及其它抗药性基因的扩增。及其它抗药性基因的扩增。原癌基因拷贝数增加，原癌基因拷贝数增加，其表达产物增加使细胞持续分其表

48、达产物增加使细胞持续分裂导致癌变。裂导致癌变。 基因重排基因重排是通过调整有关基因片段的衔接顺序，是通过调整有关基因片段的衔接顺序，使之重排成为使之重排成为1个完整的转录单位。个完整的转录单位。 典例是免疫球典例是免疫球Pr.Ig基因在基因在B淋巴细胞和浆细胞生成过淋巴细胞和浆细胞生成过程的重排程的重排。 Ig有有2条相同的重链和轻链，轻链包括恒定区、条相同的重链和轻链，轻链包括恒定区、可变区可变区及及2者之间的连接区，每个区由者之间的连接区，每个区由DNA不同片段编码，不同不同片段编码，不同区重排连接是抗体多样性（区重排连接是抗体多样性（106）分子基础。）分子基础。 二二 转录水平的调控转

49、录水平的调控原核生物：启动子在缺少转录因子情况下就具有原核生物：启动子在缺少转录因子情况下就具有天然活性天然活性 真核生物：强力启动子在缺少调节蛋白的情况下往往真核生物：强力启动子在缺少调节蛋白的情况下往往没有活性没有活性正性调节是主要形式。正性调节是主要形式。基本共同点：转录起始的调节是关键点基本共同点：转录起始的调节是关键点转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成: : 真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶识别的不是单纯的聚合酶识别的不是单纯的DNADNA序序列，而是由列，而是由一个通用转录因子一个通用转录因子（transcription transcription factor,TFf

50、actor,TF）与与DNADNA形成的蛋白质形成的蛋白质-DNA-DNA复合物复合物。lTFIIDTFIID结合结合TATATATA盒盒lRNARNA聚合酶结合聚合酶结合TFDTFD，形成闭合的复合物，形成闭合的复合物l其它其它TFTF与与RNARNA聚合酶形成开放的复合物聚合酶形成开放的复合物顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件和反式作用因子 （一）顺式作用元件（一）顺式作用元件 l增强子：增强真核细胞某些基因启动子功能的增强子：增强真核细胞某些基因启动子功能的顺式作用元件。顺式作用元件。l增强子特点：增强子特点：顺向序列和反向序列均有作用；顺向序列和反向序列均有作用；上游和下游均有作用

51、或内含子中均有作用；上游和下游均有作用或内含子中均有作用；无基因特异性。无基因特异性。（二）反式作用因子（二）反式作用因子真核细胞内序列特异的真核细胞内序列特异的DNADNA（8-15bp8-15bp）结合蛋白）结合蛋白可以使基因开放（正调控）或关闭（负调控）可以使基因开放（正调控）或关闭（负调控）三个功能结构域：三个功能结构域：DNADNA结合域，转录活性域，结合其它结合域，转录活性域，结合其它蛋白结构域蛋白结构域反式作用因子也叫转录因子：反式作用因子也叫转录因子： 基础转录因子基础转录因子： 特异转录因子特异转录因子： 转录起始的调控转录起始的调控反式作用因子的活性调节反式作用因子的活性调

52、节l表达式调节表达式调节 合成后即有活性，不能积累合成后即有活性，不能积累l共价修饰共价修饰 磷酸化、去磷酸化，糖基化磷酸化、去磷酸化，糖基化l配体结合配体结合 激素受体激素受体l蛋白质与蛋白质相互作用蛋白质与蛋白质相互作用 复合物的解离复合物的解离与形成与形成 串联亲和纯化串联亲和纯化 Tandem AffinityPurification， TAP 在酵母细胞内分析蛋白质之间相互作用的技术。在酵母细胞内分析蛋白质之间相互作用的技术。 酵母双杂交酵母双杂交 (yeast two hybrid) 酵母转录因子酵母转录因子GAL4 nDNA结合结合域域（BD）：）：N端端1-147氨基酸氨基酸,

53、可识别可识别并结合酵母半乳糖苷酶的上游激活序列并结合酵母半乳糖苷酶的上游激活序列(UAS) 。n转录激活转录激活域域（AD）：）：C端端786-881氨基酸氨基酸,通过通过同转录机制的其它成分之间的结合以启动上游激同转录机制的其它成分之间的结合以启动上游激活序列（活序列（UAS）下游的基因转录。）下游的基因转录。同时用上述两种载体转化改造后的酵母，这种改造同时用上述两种载体转化改造后的酵母，这种改造后的酵母细胞的基因组中不能产生后的酵母细胞的基因组中不能产生GAL4。缺陷型宿主菌株缺陷型宿主菌株n常见的有常见的有SF562和和HF7c.n 特点：无表达特点：无表达GAL4转录激活因子的能力转录激活因子的能力1985年，年，Geoge P. Smith用丝状噬体所用丝状噬体所创。创。将该噬体的将该噬体的 g