分子生物学3课件

1、戴五星Regulation control of Gene Expression 同济医学院生物化学与分子生物学系第 一 节SectionGeneral Narration概 述一、基因表达的概念本节介绍4方面内容:三、基因表达的方式四、基因表达的多级调控二、基因表达的特性 基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。对某些基因而言,基因的表达只有转录的过程。* 基因表达（gene expresion）基因表达是受调控的 一 、基因表达的概念基因表达调控（gene expression regulation and control） 指通过生物体内的调控系统来调节和控制体内蛋

2、白质的含量与活性，使之在特定的时间、特定的空间、并以一定的强度出现，以适应机体生长、发育和繁殖的需要。二、基因表达的特性（一） 时间特异性 在单细胞生物，按功能需要，某一特定基因的表达随时间、环境而变化，严格按特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。 在多细胞生物，从受精卵到组织器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现与发育阶段一致的时间性。因此，在多细胞生物，基因表达的时间特异性又称阶段特异性。（二） 空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性。 在个体生长全过程，某种基因

3、产物在个体按不同组织空间顺序出现，这种按一定空间顺序出现的基因表达称空间特异性。三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一） 组成性表达 无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性表达。 某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达, 通常被称为管家基因。( housekeeping gene )（二） 诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导（ inductio

4、n ）。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏（ repression ）。 在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、相互配合、共同表达，即为协调表达 （coordinate expression）这种调节称为协调调节（coordinate regulation）（三）协调表达四、基因表达的多级调控 基因激活转录起始 转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰（一）DNA水平的调控 包括基因扩增（拷贝数增多）、基因重排、基因结构的活化等。真核基因组DNA与组蛋白组成核小体，核小体串联为染色

5、质，染色质再密集为染色体,RNApol分子量500kD，核小体分子量仅260kD，核小体绕在4对组蛋白所组成的八聚体核心外两周，DNA还要围绕核小体盘旋两周。 DNA必须部分暴露才能使RNApol有效的结合，转录起始前基因必须进入活性状态才能起始转录。（二）转录水平的调控 转录水平的调控是基因表达调控中最重要的环节，转录的起始是基本的控制点。转录起始调控在很多基因表达中普遍发生，这是因为：在所有生物合成途径中，第一步反应通常是最有效的调节环节，控制反应途径的第一步反应通常可减少不必要的生物合成，节约原料，合理用能；在功能方面相互依赖的数个蛋白质编码基因串联为复合基因（如Lac操纵子），此时通过

6、转录起始阶段调节这些基因产物的表达是最有效的。（三）转录后水平的调控 指转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、加工过程。包括转录提前终止、mRNA前体的加工、剪接、RNA编辑等。对大多数基因来说，基因转录水平的调控是最重要的。但对某些基因来说，转录后水平的调控在决定细胞的表型多样化和蛋白质结构与功能上也是十分关键的。如肌钙蛋白有20种同源蛋白，这种变异是由于转录后变位剪接造成的。（四）翻译水平的调控 通过特异的蛋白质阻断某些mRNA翻译起始，是一种特异性调节。翻译的起始调控是翻译水平调控的主要阶段。（五）翻译后水平的调控 蛋白质合成后，使其活化并发挥生物学功能的调节过程，多数蛋白质的肽链合成后

7、，需经一定的加工和修饰，才能成为具有特定空间构象和生物学活性的蛋白质。加工包括肽链的折叠、二硫键配对，前体激活及肽链中一些残基侧链的修饰等，这些使蛋白质活化并发挥生物学功能的调节过程称为翻译后水平的调控。第 二 节 原核基因表达调节Regulation of gene expression in prokaryotesSection 一、转录水平的调控（一）影响原核基因转录的因素1、启动子 启动子是DNA链上能与RNApol结合并能有效起始RNA转录的DNA序列。它是基因表达不可缺少的调控序列，没有启动子，基因就不能转录。 启动子决定转录的方向及模板链5 TTGACA TATATT AGGTC

8、CACG 3-35-10+1 3 AACTGT ATATAA TCCAGGTGC 5AGGUCCACG 启动子决定转录的效率RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecA araBAD TTGACA TATAAT共有序列是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。启动序列2、因子 因子控制RNApol与DNA结合因子的作用是确保RNApol与特异的启动子而不是与其他位点结合 核心酶 core e

9、nzyme全酶 holoenzyme 因子对转录起始的调节 因子使得RNApol选择特定的启动区起始转录。一旦一种因子被另一种因子代替，即引起原来一套基因的关闭和新的一套基因转录的开始。如环境温度升高或其它应激变化引起32与核心酶结合，RNApol全酶结合Hsp基因的启动区，起始Hsp基因转录，而原先许多基因的转录关闭。3.正调控蛋白和阻遏蛋白 操纵元件又称操纵基因,是阻遏蛋白识别与结合的一小段DNA序列。 阻遏蛋白指一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白。它主要通过改变启动子的可获得性而控制基因转录。操纵元件与阻遏蛋白 阻遏（repression）:有活性的阻遏蛋白与操纵序列结合时，阻

10、止RNApol与启动子结合而抑制转录的作用去阻遏（derepression）:一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA脱落下来的作用。辅阻遏:一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白活化，抑制转录。 诱导去阻遏如E.coli lac ，当阻遏蛋白与操纵序列结合时，则抑制转录。有乳糖或乳糖类似物(IPTG)存在时，阻遏蛋白与乳糖结合而变构，变构的阻遏蛋白不能与操纵序列结合，引起结构基因转录。 辅阻遏 如E.coli Trp，无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵序列结合，RNApol与启动子结合启动基因转录。有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后与操纵序列结合，阻止RNApo

11、l与启动子结合而抑制转录。正调控蛋白和正调控蛋白结合位点正调控蛋白： 一类与DNA结合后，促进基因转录的调控蛋白。它主要通过改变启动子的起始效率而控制基因的转录。分解代谢基因激活蛋白（catabolite gene activator protein,CAP） CAP与CAP位点结合后，才能促使RNApol与启动子结合，启动基因转录，这样一个操纵子中的一组基因要转录必需具备两个条件才能转录。阻遏蛋白与操纵基因解离CAP与CAP结合位点结合 乳糖操纵子的结构调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白（nitr

12、ogen metabolism gene activator protein,ntrC）ntrCntrCpntrB激酶ntrB磷酸酶 当谷氨酰胺丰富时，ntrB以磷酸酶活性为主，当谷氨酰胺缺乏时，ntrB以激酶活性为主。谷氨酰胺合成酶基因启动子上游有两个ntrC结合位点，既可与磷酸化的ntrC结合，又可与去磷酸化的ntrC结合。去磷酸化的ntrC与位点结合后没有调控活性，磷酸化的ntrC与DNA结合位点结合后，通过DNA的柔曲性，回折到启动子处，直接与RNApol接触，提高RNApol的解链能力，形成开放性的起始复合物。4、倒位蛋白(inversion protein) 是一种位点特异性的重组

13、酶。可使DNA的某一段序列发生倒位。倒位蛋白可使启动子的方向发生倒位，而控制基因转录。5、转录终止子与因子转录终止子(teminater)定义：指基因的3末端或者操纵子的3的一段具有终止转录功能的核苷酸序列。分类：依赖因子的转录终止子 不依赖因子的转录终止子序列特征相同点：终止点之前有一段反向重复序列，两重复序列之间有间隔序列，终止子被转录出来的RNA可形成发夹结构。不同点：不依赖因子的转录终止子反向重复序列中有较多G-C碱基对，反向重复序列下游有6-8A-T碱基对；依赖因子的转录终止子反向重复序列中G-C含量较少，反向重复序列下游没有固定特征。不依赖因子（E.coli,Trp） 终止子依赖因

14、子（TR1）的终止子发夹结构的作用：阻碍RNA链从三元复合物进一步向外释放，造成转录作用高度搁置。回文序列下游A/U序列的作用：dA和rU之间氢键力和碱基堆积力很弱，造成RNA和DNA杂交部分很容易拆开，三元复合物解体，RNApol与RNA解离，转录终止。 因子因子具有两种活性：促进转录终止；具有NTP酶活性，后一种活性是实现前一种活性必不可少的。ATP6、衰减子(attenuator) 是一个受翻译控制的转录终止子结构。是一段能减弱转录作用的序列。由于翻译作用的影响，衰减子下游的基因或者继续被转录，或者在衰减子处实现转录的终止。7、RNApol抑制物 当ppGpp与RNApol结合时，即改变

15、RNApol的构象，活性降低，而影响基因转录。（二）原核基因转录的调节机制Regulation mechanism of transcription in prokaryotic genes原核结构基因转录调控机制受操纵子控制The Operon is the popular regulation mechanism in regulation of prokaryotic gene expression.乳糖操纵子调控模式（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构 调控区CAP结合位点启动序列操纵序列 结构基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNARegulator

16、y mechanism of Lac operonmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节阻遏基因1.阻遏蛋白负性调节（ Negative regulation of repressor ）When lactose is absentmRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶When lactose is presentgalactosidaserepressorlactoseallolactose 当G、Lac、Ara同时存在，细菌优先利用G。原因是G的代谢产物可抑制AC，激活PDE，使

17、cAMP水平降低。ATPcAMP5AMPACPDE cAMP，CAP+cAMPcAMP-CAP与操纵子上CAP结合位点结合，促进RNApol与启动子结合，引起有效转录。CAP+ + + + 转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时2.CAP的正性调节(Positive regulation of CAP)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPWhen glucose is absent, cAMP becomes higher. When glucose is present, cAMP is lower.3.协调调节(Coordinate regulation) 当阻

18、遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用； 如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。 葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。 阿拉伯糖操纵子调控的机制阿拉伯糖操纵子的结构 阿拉伯操纵子转录调节机制依据G、Ara和AraC蛋白的有无可有以下几种组合：无AraC，有AraAra只有与AraC蛋白形成复合物才具有转录的正调控作用，此时无AraC蛋白，Ara不能起正调控作用，结构基因不能转录，但此时AraC基因可表达Ar

19、aC蛋白。 有AraC蛋白，有G，有或无Ara 结构基因不能转录，因G代谢产物使cAMP，CAP不能活化，不能与CAP位点结合，AraC同时与AraI和AraO2结合，将两个位点拉在一起，使DNA形成一个环，这是一种阻遏型的构象。这时，AraC蛋白起着阻遏蛋白的作用，无论是否有Ara，AraC都不能与Ara糖结合而启动转录，基因处于关闭状态。 有AraC，无G，有Ara 无G, cAMP, CAP活化，阻遏状态解除。有Ara，AraC与Ara结合，激活RNApol，结合于BAD基因的启动子，启动BAD基因转录。 Lac和Ara操纵子的调控是一种复合调控，既有负调控因素的参与，又有正调控因素的参

20、与，既要解除阻遏状态又要有激活因子存在。 在Lac操纵子，由乳糖诱导阻遏蛋白脱离操纵基因解除阻遏，由CAP蛋白促进RNApol结合启动子而起始转录。 在Ara操纵子，解除阻遏的作用由CAP蛋白完成，激活RNApol由AraC完成，但AraC只有与Ara结合才能激活RNApol 色氨酸操纵子的调控模式色氨酸操纵子的结构 阻遏蛋白的调控作用 无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵序列结合，对转录无抑制作用，有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸结合变构，与操纵序列结合，抑制转录。色氨酸操纵子的调控机制阻遏蛋白的调控作用trptrp 高时trp 低时mRNAOPI调节区结构基因前导肽衰减子 色氨酸 操纵子 衰减子的调

21、控作用 L基因的3端有一个衰减子序列。前导序列转录的mRNA具有如下特性及功能： 1）内含4段特殊的短序列，序列与，与，与能互补配对形成发夹结构，强弱依次为：/。当/形成发夹结构，/形成发夹结构时，紧接着是不依赖因子的转录终止信号，使转录终止。当/不形成发夹结构，/就形成发夹结构，/就不能形成发夹结构，E、D、C、B、A基因转录。 2）序列是一个开放阅读框：转录后立即翻译成14氨基酸的短肽称作前导肽，前导肽第10，11位是两个连续的色氨酸。 当色氨酸缺乏时，无Trp-tRNA供给，翻译序列时核糖体只好停留在Trp密码子前，序列/不能形成发夹，/则形成发夹，/则不能形成发夹，RNA持续转录。 当

22、Trp浓度高时，核糖体很快翻译序列并封闭序列，/形成发夹结构，出现连续U、RNApol解离，转录终止。衰减子结构 (attenuator)核糖体新生肽链mRNADNA1234UUUU 3 1、当色氨酸浓度高时 trp 密码子转录衰减机制:512345核糖体2、当色氨酸浓度低时二、翻译水平的调控 （一）反义RNA对翻译的调控作用 OmpR基因的产物，OmpR蛋白在不同的渗透压具有不同的构象。渗透压低时，与OmpF基因的调控区结合，对OmpF基因的表达起正调控作用，OmpF;渗透压高时，变构，与OmpC基因调控区结合,对OmpC基因的表达起正调控作用，OmpC 。两种蛋白随渗透压的变化而变化，但两

23、种蛋白总量不变。 OmpC基因转录时，OmpC基因上游有一段DNA序列，以相反方向转录产生一个174个核苷酸的小分子RNA，这个RNA能与OmpF mRNA的前导序列中的44个核苷酸（包括SD序列及编码区）形成杂合双链，抑制OmpF mRNA的翻译。 （二）mRNA寿命对翻译的调控作用不同的mRNA有不同的降解速度1、降解mRNA的外切酶主要是3外切核酸酶 mRNA 分子末端的二级结构能阻止3外切酶进攻，凡降解终止子发夹结构的突变都造成mRNA稳定性降低，终止子除转录终止功能外，还决定mRNA的稳定性。 2、降解mRNA的内切酶主要是RNase 发挥作用需要一定的二级结构特征，如RNase对整

24、合酶基因（int）的mRNA降解时就需要转录终止子序列所形成的发夹结构上又增添一个发夹结构，这个附加的发夹结构恰好构成了RNase的识别位点和切割位点。 （三）翻译产物对翻译的调控作用 控制自身mRNA的可翻译性，大多是控制翻译的起始。 1、RF2合成的自体调控 利用释放肽链的职能提前终止其mRNA的翻译。 RF2由340aa组成，前25aa和后315aa处于不同阅读框,两编码区之间多一个U，这个U与第26位氨基酸（ASP）的密码子GAC的前两个核苷酸构成了RF2所能识别的终止密码子UGA。 当RF2充足时，RF2促成肽链合成的提前终止。当RF2缺乏时，核糖体向前滑动一个核苷酸，继续合成第26

25、个aa，直至基因的最后一个终止密码子UAG，UAG由RF1识别并促成RF2的释放。 RF2合成的自体调控 利用释放肽链的职能提前终止其mRNA的翻译。 mRNA GGG UAU CUU UGAC UAC GAC23 24 25 26 27 28RF2 2、核糖体蛋白质合成的自体调控 E.coli基因的表达机构中约有70余种蛋白质，核糖体蛋白质50多种，绝大多数种类的蛋白质在每个核糖体只有一个。 这些蛋白的编码基因均为单拷贝，它们混合编组构成若干个操纵子，每个操纵子转录出一种多顺反子mRNA,以同样的速率翻译出几种蛋白质。其中有一种蛋白质可以结合到多顺反子上游的一个特定部位，阻止核糖体结合和起始

26、翻译。这种蛋白质称调控蛋白，是直接与rRNA相结合的蛋白质，结合能力各mRNA。 当核糖体蛋白较少时，调控蛋白优先与rRNA结合。 当核糖体蛋白较多时，多余的调控蛋白就与mRNA结合，核糖体就不能与mRNA结合，从而降低了有关基因产物的合成。 （四）SD序列对翻译的影响1、SD序列的定义：SD序列是位于mRNA起始密码子AUG上游由3-9碱基组成的一段核苷酸序列，它是核糖体结合的位点。 2、SD序列的顺序及位置对翻译的影响 SD序列的存在与否是mRNA在细胞中翻译的决定因素，缺少SD序列，不能作为模板合成蛋白质。 SD序列的位置是影响翻译效率的重要因素 表达IL-2时，Lac启动子的SD序列距

27、AUG为7个核苷酸时，IL-2表达效率最高，间隔8个核苷酸，表达水平降低500倍 2、隐蔽SD序列对翻译的影响 如SD序列处于mRNA的二级结构中，核糖体不能与之结合，只有打破这种结构，核糖体才能结合。 如红霉素甲基化酶mRNA的结构类似于色氨酸操纵子转录下来的mRNA，含有前导mRNA（内含4个特殊短序列，即/、/、/可互补配对形成发夹结构） 无红霉素时，可合成前导肽，核糖体释放，序列/、/形成发夹结构，红霉素甲基化酶编码区的核糖体结合位点位于序列和形成的茎环结构中，不能与核糖体结合，因此不能合成红霉素甲基化酶。 有红霉素时，红霉素与核糖体结合，抑制核糖体移动，阻止序列/形成发夹结构，序列/

28、形成发夹结构，红霉素甲基化酶mRNA的SD序列暴露，与核糖体结合，翻译出红霉素甲基化酶。第三节 真核基因表达调控 真核基因的表达调控系统与原核的区别：1、真核基因数目多，哺乳动物有数万10万，而E.coli仅有40002、大量重复序列，可能对基因的表达带来影响3、真核DNA与组蛋白组成核小体结构，并有许多非组蛋白结合。组蛋白、非组蛋白和核小体的组织状态及核小体的超螺旋结构影响基因的活性。 4、真核基因有内含子，转录的mRNA都要经拼接加工，细胞可通过对mRNA前体的加工与否进行调节。5、真核mRNA寿命长，脊椎动物mRNA平均半寿期大约为3小时。 家蚕丝心蛋白mRNA平均半寿期为几天6、调控范

29、围大：DNA水平转录水平转录后水平 翻译水平翻译后水平等多层次的调控。 难以直接鉴定基因产物和基因控制的生化过程；难以直接选择出影响调节基因的突变体；难以直接通过改变外界环境条件来研究分析基因表达变化；难以直接进行基因操作等。 真核基因表达调控所面临的困难：一、DNA水平的调控1、染色质的丢失 例如线虫细胞在发育过程中有染色质丢失，动物红细胞在发育过程中有染色质丢失。染色质丢失是不可逆的调控。2、基因扩增 例如肿瘤细胞中癌基因大量扩增，DNA合成时组蛋白基因扩增。3、基因重排 基因重排是指某些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序，再重排成为一个完整的转录单位，例如免疫球蛋白

30、在B淋巴细胞分化和浆细胞生成过程中的重排。 4、DNA甲基化（基因修饰） 基因的甲基化与基因的表达呈反比关系。 DNA 甲基化是哺乳类动物遗传外修饰的重要调控方式,也是脊椎动物DNA 唯一的自然化学修饰方式。所谓DNA 甲基化是指由DNA 甲基转移酶介导,在胞嘧啶(C) 5 位碳原子上加入一甲基基团,使之变成5-甲基胞嘧啶(5-mC) 的化学反应。这种反应主要发生在CpG二核苷酸的胞嘧啶上。哺乳类动物基因组中约5 %10 %是CpG,其中70 %80 %是mCpG。CpG二核苷酸的聚集称CpG岛(CpG island) 带正电荷的组蛋白与DNA 中带负电荷的磷酸基结合,于是组蛋白遮蔽了DNA

31、分子,降低了DNA 的模板活性。组蛋白的修饰作用可明显解除染色体的抑制作用。已证明高乙酰化组蛋白特异地聚集于活性染色质功能区,低乙酰化组蛋白聚集于无转录活性的非功能区,这一结果表明组蛋白乙酰化可激活转录。此外,核小体组蛋白乙酰水平升高,可使DNA组蛋白抑制性结构破裂,有利于基本转录因子与转录起始部位结合。组蛋白的乙酰化使RNA聚合酶有关的转录因子与DNA模板结合5.组蛋白对基因的封闭作用 6、染色质结构对基因表达的调控作用 真核生物的染色体或染色质是由DNA与组蛋白、非组蛋白和少量RNA及其它物质结合而形成，具有核小体结构。 组蛋白N末端丝氨酸磷酸化，使其带正电荷减少，与DNA结合能力降低，组

32、蛋白中丝氨酸和精氨酸的乙酰化，同样使组蛋白带正电荷减少，与DNA结合能力减弱，从而有利于转录。 特定的非组蛋白可以与组蛋白竞争性地与DNA结合，解除组蛋白对基因表达的抑制作用。目前已知的许多结合于DNA的非组蛋白为反式作用因子。 转录活性高的基因都位于结构松散的常染色质中，而不具有转录活性的基因都位于结构紧密的异染色质中。二、转录水平的调控 主要通过反式作用因子，顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来完成的。 （一）基因转录水平的顺式作用元件 顺式作用元件（cis-acting elements）:指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因，同时，这种

33、DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。按功能分启动子、增强子和沉默子。 1、启动子（promoter） 与基因表达启动相关的顺式作用元件，位于基因转录起始点上游。根据启动子中TATA盒的有无分典型的启动子和不典型的启动子。 典型的启动子： 含TATAbox，有时一个基因的启动子上有两个TATAbox，它们可分别或有侧重地对不同诱导物作出应答，在某些情况下，也参与组织特异性的选择，如-淀粉酶基因在唾液腺和肝脏两种组织分别选择了相距2.8kb，转录效率不同的两个转录起始点，保证唾液中酶的活性远高于肝脏。 不典型的启动子： 不含TATAbox，通常含GC序列，如管家基因的启动子。含这

34、类启动子的结构基因转录起始往往是不规则的，并且只有基础水平的表达。 2、增强子(enhancer) 使基因转录速率显著提高的一类顺式元件。作用特点：无序列方向性；无基因特异性；在基因上游或下游均可发挥作用；可远距离作用。3、沉默子(silencer)使基因转录降低或使基因关闭的一类顺式作用元件。 沉默子的DNA序列被调控蛋白结合后阻断了转录起始复合物的形成或活化，使基因表达活性关闭。 （二）基因转录调节的反式作用因子1、反式作用因子的定义 Trans-acting factor：是能直接或间接地识别或结合在各顺式元件的核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组序列特异性的DNA结合蛋白。 2、反

35、式作用因子的特点具有三个功能域：DNA识别结合域；转录活化域（转录调控域）；结合其他蛋白结构域（自身活化域） 其中有DNA结合结构域（DNA binding domain，简称为DB）和转录激活结构域（activation domain，简称为AD），它们是转录激活因子发挥功能所必需的。前者可识别DNA上的特异序列，并使转录激活结构域定位于所调节的基因的上游，转录激活结构域可同转录复合体的其他成分作用，启动它所调节的基因的转录。 具有识别启动子和增强子的功能对调节有正向和负向两个方面 3、反式作用因子结构域的模式DNA结合域中由2个Cys和2个His或4个Cys与一个锌离子借配位键结合成的指状

36、结构。如TF-A有9个重复的指结构，类固醇激素受体家族有2个指结构。DNA结合域锌指结构(Zinc finger motif):最常见的DNA结合域：锌指（zinc finger）C CysH His常结合GC盒123表示锌离子 碱性-螺旋结构 如CTF是结合CCAAT盒的一种转录因子，其DNA结合域具有-螺旋，并富含碱性氨基酸。-螺旋常结合CAAT盒 反式作用因子中由约60个左右氨基酸的相同保守序列组成的螺旋-转折-螺旋的区域。 这类反式作用因子的DNA结合域至少有两个-螺旋，两螺旋之间由几个氨基酸残基形成的“转折”。同源结构域(Homodamain) 螺旋-环-螺旋 能与免疫球蛋白链基因增

37、强子结合的反式因子E12和E47羧基端100200aa可形成两个两性-螺旋，两螺旋之间为非螺旋的环， -螺旋氨基端有碱性区，这个碱性区对结合DNA是必须的， -螺旋对形成二聚体是必须的。 亮氨酸拉链(Leucine zipper) 两个具有亮氨酸拉链区的反式作用因子以疏水力相互作用形成的形同拉链的区域。 如：C/EBP家族蛋白质，既能与CCAAT盒结合，又能与病毒增强子结合，因此而得名。羧基端35aa能形成-螺旋，每隔6个氨基酸有规律出现一个亮氨酸，导致亮氨酸出现在螺旋的同一方向，这类蛋白以二聚体形式与DNA结合，两分子-螺旋的亮氨酸一侧是形成二聚体的基础。 亮氨酸拉链并不直接结合DNA，肽链

38、氨基端2030个富含碱性氨基酸的结构域与DNA结合，若不形成二聚体，这个碱性区对DNA的亲和力显著降低，因而DNA结合域以碱性区和亮氨酸拉链结构的整体作为基础，即bzip 转录活化域(transcriptional activation domain) 位于DNA结合域以外由80100个aa组成的具有转录活化功能的区域。 带负电荷的-螺旋结构 含较多酸性氨基酸能形成亲脂的-螺旋，称酸性-螺旋结构。如糖皮质激素受体的转录活化域，Jun转录因子的转录活化域等。 作用：对转录起始的特异诱导活性相对较低。可与TF-D复合物中某个通用因子或RNApol结合而发挥作用。 富含谷氨酰胺结构 如SP1是与启动

39、子GC box结合的一种转录因子，除有结合DNA的锌指结构外，SP1共有4个参与转录活化的区域，其中最强的转录活化域之一很少有极性aa，却富含谷氨酰胺，达该区aa总数的25%左右。Oct1/2，Jun,AP2,SRF均含此区域。 富含脯氨酸结构 如CTF-NF1转录因子的羧基端很难形成-螺旋，原因是此区域富含脯氨酸，占该区aa的2030%，在Oct2，Jun，AP1，SRF等哺乳动物因子中也有富含脯氨酸的结构 结合其他因子或调控蛋白的调节结构域 如糖皮质激素受体是一种反式作用因子，它有与糖皮质激素结合的区域，这个区域称调节结构域。 指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非

40、共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。 绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。(三) 转录调节蛋白通过与DNA或与 蛋白质相互作用对转录起始进行调节 Interaction of DNA-protein & protein-proteinDNA-proteininteractionProtein-proteininteractionDNA-proteininteraction（四）转录起始的调控机制解除组蛋白对基因的封闭作用; 顺式作用元件、反式作用因子与RNA聚合酶的相互作用。带正电荷的组蛋白

41、与DNA 中带负电荷的磷酸基结合,于是组蛋白遮蔽了DNA 分子,降低了DNA 的模板活性。组蛋白的修饰作用可明显解除染色体的抑制作用。已证明高乙酰化组蛋白特异地聚集于活性染色质功能区,低乙酰化组蛋白聚集于无转录活性的非功能区,这一结果表明组蛋白乙酰化可激活转录。此外,核小体组蛋白乙酰水平升高,可使DNA组蛋白抑制性结构破裂,有利于基本转录因子与转录起始部位结合 。解除组蛋白对基因的封闭作用 蛋白质与DNA 结合时主要是DNA 结构发生变化,DNA 柔性加强了蛋白质DNA 的相互作用,识别螺旋沿DNA 大沟,在大沟一侧接触到碱基,接触碱基数目一般不超过5bp 。识别螺旋的氨基酸残基分为3 类:(

42、1) 与DNA 碱基接触的残基,大多是极性的;(2) 与主链磷酸基因接触的残基,大多是碱性的; (3) 与DNA其余部分接触的残基,往往以疏水残基背向DNA。顺式作用元件与反应作用因子的相互作用 1、反式作用因子的活性调节表达式调节 这类反式作用因子合成出来就有活性，需要时就合成，不需要时就降解失活。 如STAT家族(Signal transducers and activators of transcription)。这类家族的蛋白既参与细胞跨膜信息向细胞核内传递，也参与基因转录调节。它是一组细胞质蛋白，经磷酸化和多聚化修饰后，进入核内直接与靶基因的调控元件结合并活化靶基因。 共价修饰 这类

43、反式因子合成出来没有活性，需要修饰才具有活性，如是磷蛋白则通过磷酸化与去磷酸化调节其活性；如是糖蛋白，则通过糖基化与去糖基化调节其活性。 配体结合 许多激素受体是反式作用因子，本身对基因转录无调节作用，由激素激活后具有表达调控作用。 如糖皮质激素受体，无激素诱导时，则与阻遏蛋白HSP90结合。有糖皮质激素时，则与其结合，构象改变，受体与HSP90解离，并形成二聚体，与HRE结合，再在其他转录因子作用下，与结合在TATA box上的RNApol相互作用，启动基因的转录。 蛋白质与蛋白质的相互作用 有些反式作用因子单独不能发挥作用，需与另一种蛋白结合成复合物才能发挥作用，如C-myc蛋白单独结合D

44、NA的能力很低，与max蛋白结合成二聚体就可调节基因表达。 2、反式作用因子与顺式元件结合 反式作用因子激活后，可识别上游启动子元件和增强子中的特定序列，并与之结合，调节基因表达。 反式作用因子有激活基因表达的反式作用因子和阻遏表达的反式作用因子，值得一提的是：有些反式因子先激活，再与DNA结合，少数反式作用因子先与DNA结合，再被激活。 3、反式作用因子的作用方式成环假说 位于不同DNA结合位点上的两个蛋白质通过两个结合位点之间DNA弯曲成环，而彼此靠近，直接接触而发挥作用。如一个反式因子与增强子结合，RNApol与启动子结合，通过DNA柔曲性，弯曲成环使两个蛋白质靠近，为它们的相互作用提供

45、条件。 滑动假说 一种反式因子结合DNA的特定序列后，沿着DNA滑动到另一个特定序列并与那里的蛋白质发生相互作用促进转录的起始。扭曲假说 反式因子与DNA结合时，DNA发生变形，这种构型的改变可使DNA解旋，有利转录的起始。 接力假说 一个反式因子与DNA特定序列结合，促进另一种蛋白质结合于相邻的DNA序列，由此再促进别的蛋白质的结合，最后一直伸展到转录起始位点，对转录产生调控作用。在短距离内，这种机制是可能的，但远距离无法采用这种机制。 4、反式作用因子的组合式调控 几种反式作用因子通过组合共同完成基因的表达调控。如有A、B、C三种反式因子结合A基因的调控区，其中A、C两种因子起正调控，B因

46、子起负调控，其综合效应则是激活转录，又如有A、B、D三种因子结合B基因的调控区，其中A起正调控，B、D起负调控，其综合效应则抑制B基因的转录。 5、中介因子在转录起始调节中的作用 许多核受体与通用转录因子之间并不直接相互作用,而是通过中介因子在核受体与通用转录因子之间发挥作用。如CBP在CREB(cAMP response element binding protein)与通用转录因子(TFB)之间发挥作用。CC结构基因CREBCREB细胞核PiPiCREBPiCREBPiDNA蛋白质 6、转录起始复合物的形成 在转录起始复合物的形成过程中，RNApol与启动子结合都是关键的一步。细菌的RNA

47、pol识别的是一段DNA序列，真核生物RNApol识别的不是单纯的DNA，是由转录因子与DNA形成的蛋白质-DNA复合物，真核生物有3种RNApol，分别识别不同的启动子，转录不同的产物，需不同的转录因子。三、转录后水平的调控 （一）5端加帽和3端加多聚腺苷酸化的调控意义加帽和Poly(A)尾不是mRNA稳定的唯一因素，但是十分重要的因素。这两个因素至少保证mRNA在转录过程中不被降解。核糖体在核内组装，rRNA受到蛋白质的保护而不被降解。tRNA在合成后，形成特殊的空间结构可抵抗降解。mRNA如果没有5帽和3poly(A)尾，在合成过程中就会被迅速降解。 （二）mRNA的选择性剪接对基因表达

48、的调控作用1、mRNA的选择剪接 真核细胞的剪接过程中，参加拼接的外显子可以不按其在基因组的线性分布次序拼接，内含子也可以不被切除而保留，即一个外显子或内含子是否出现在成熟的mRNA中是可选择的，这种剪接方式称为选择剪接(alternative splicing)。外显子选择(optional exon)内含子选择(optional intron)互斥外显子（mutually exclusive exon）内部剪接位点(internal splice site) (三) mRNA运输的控制mRNA的运输是受到控制的。 成熟的mRNA大约只有20%的mRNA进入胞浆，留在核内的RNA约在1小时内降解成小片段。 mRNA通过核膜的运输是一个主动运输过程，核膜上的核孔是大约9-nm的通道，但可以运输大于9nm的颗粒，如核糖体（15nm）。核糖体均在核内组装，再运输到胞浆。RNA从核运输至胞浆的运输的调控机理目前还不清楚。四、翻译水平的调控 （一）翻译起始的调控1、5