基因的表达及调控

1、基因的表达及调控1基因(gene)：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。一个基因不仅仅包括编码蛋白 质肽链或RNA的核酸序列，还包括保证转录所必需的调控序列及位于编码区5端上游的 非编码序列，内含子和位于编码区3端下游的非编码序列。2基因组(genome)：泛指一个细胞或病毒的全部遗传信息。在真核生物体中，基因组是指一 套完整单倍体DNA和线粒体DNA的全部序列，既包括编码序列，也包括非编码序列。3基因表达(gene expression)：是指原核生物和真核生物基因组中特定的结构基因所携带的遗 传信息，经过转

2、录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能的各种蛋白质，表现 出特定的生物学效应的全过程。4基因表达的调控：在同一机体的各种细胞中虽然含有相同的遗传信息即相同的结构基因， 但并非它们都在所有细胞中同时表达，而必须根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞 及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因，这就是基因表达的调控。5管家基因：有些基因产物对生命全过程都是必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎 所有细胞中持续表达，通常称为管家基因。管家基因的表达水平受环境因素影响很小，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。这类基因表 达称为基本(或组成性)

3、基因表达。6转录：以DNA 一条链为模板，以四种NTP为原料，在RNA聚合酶作用下，按照碱基互 补原则(A-U,T-A,G-C)合成RNA链的过程。7不对称转录：转录时因为DNA分子双链一股链用作模板指引转录，另一股链不转录。模板链并非总是在同一条链上。故称为不对称转录。8诱导：可诱导基因在一定环境中表达增强的过程称为诱导。阻遏：可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。9基因表达的时间特异性：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生， 称为基因表达的时间特异性(temporal specificity)0又称阶段特异性。10基因表达的空间特异性：在个体生长全过程，某种基因产物在

4、个体不同组织器官表达存 在差异，称为基因表达的空间特异tt(spatial specificity)。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(cell or tissue specificity) o一、原核生物基因的表达及调控1顺反子(Cistron)：由结构基因转录生成的RNA序列亦称为顺反子。2多顺反子(polycistron):原核生物具有操纵子结构，几个结构基因转录在一条mRNA链上， 因而转录物为多顺反子。每个顺反子分别翻译出各自的蛋白质。3单顺反子(monocistron):真核生物的一个结构基因与相应

5、的调控区组成一个表达单位， 转录物为一个单顺反子。从一条mRNA只能翻译出一条多肽链。4操纵子(operon):原核生物的结构基因与调控序列以操纵子的形式存在。数个功能上相关 联的结构基因串联在一起，构成信息区，连同其上游的调控区(包括启动子和操纵序列) 和下游的转录终止信号所构成的基因表达单位，所转录的RNA为多顺反子。5 SD序列：又称核蛋白体结合位点(RBS)。在起始密码AUG上游813个碱基处有一段富 含嘌吟的序列，其一致序列(consensus sequence)为AGGAGG，称为SD序列(Shine-Dalgarno sequence)o此处能与核糖体30S亚基中16S rRNA

6、 3端富含嘧啶的序列 互补配对结合，与蛋白质合成过程中起始复合物生成有关。原核生物基因表达1 RNA聚合酶全酶结合启动子并起始转录原核生物聚合酶组成：由四种亚基组成a、20、0、。五聚体的蛋白质。其中a、20、0亚基 称为核心酶。因子辨认起始点。a决定哪些基因被转录。0起催化作用。0起结合DNA 模板（开链）作用。RNA聚合酶的核心酶在RNA链延伸过程中催化RNA合成p因子依赖和非依赖两种机制介导的转录终止依赖p因子的转录终止：p因子是由相同亚基组成的六聚体，它是原核生物转录终止因子。 可结合转录产物RNA 3端的多聚C特殊序列，还有ATP酶和解螺旋酶活性。p因子与转 录产物RNA 3端的多聚

7、C结合后，p因子和RNA聚合酶都发生构象改变，从而使RNA 聚合酶停顿，解螺旋酶活性使DNA和RNA杂化双链拆离，转录产物从转录复合物中释 放。非依赖p因子的转录终止：RNA链延长至终止区时，转录出的碱基序列随即形成茎一环 结构。这种二级结构是阻止转录继续向下游推进的关键。其机制有两方面：茎环结构在 RNA分子形成可能改变RNA聚合酶的构象。由于酶构象的改变导致酶一模板结合方式的 改变，可使酶不再向下游移动，于是转录停顿。转录复合物（酶-DNA-RNA）上有局 部的RNA/DNA杂化双链。RNA分子和DNA分子都要形成自己的双链，杂化链形成的 机会不大，本来不稳定的杂化链更不稳定，转录复合物趋

8、于解体。接着一串寡聚U是使 RNA链从模板脱落的促进因素，因为所有的碱基配对中以U和A的配对最不稳定。非依赖p因子的终止子结构特点：一个反向重复序列，使RNA末端形成一个发夹结构;在信息链上有一连串的T，因而RNA末端发夹结构之后紧接着出现一串U。4原核生物的tRNA和rRNA需要进行转录后加工5翻译起始是核糖体与mRNA结合及定位的过程开放阅读框（ORF）：从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序 歹U，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架。即蛋白质编码 区。5端上游和3端下游的核苷酸序列没有编码功能，称为非翻译区或非编码区。起始因子（initi

9、ation factor,IF）：参与起始复合物的形成，原核生物有3种起始因子。IF-1.能促进IF-2、IF-3的活化。IF-2,促进fMet-tRNAfMet与30S小亚基结合的作用，并具有GTP酶活性。IF-3.使30S小亚基从不具活性的核糖体释放，辅助mRNA与小亚基结合，并阻止大小 亚基重新聚合。原核生物翻译起始复合物形成：核糖体大小亚基分离。IF-1,IF-3与小亚基结合，促进大小亚基分离。mRNA在小亚基定位结合。在各种原核mRNA起始AUG密码子上游813个碱基处存 在一段特定的核苷酸序列，富含嘌吟碱基如AGGAGG，称为SD序列。与原核小亚基 16S rRNA的3端的序列互补

10、。通过与SD序列碱基配对使mRNA与小亚基结合使起始 密码子定位于翻译起始部位。SD序列又称核蛋白体结合位点（RBS）。起始氨基酰-tRNA的结合。起始fMet-tRNAfMet和GTP及IF-2形成三元复合物，识别结 合游离的核糖体小亚基的mRNA起始密码子AUG。核糖体大亚基结合。上述结合mRNA、fMet-tRNAfMet的小亚基再与核糖体大亚基结合， 同时IF-2结合的GTP水解释能，促使3种IF释放，形成由完整核糖体、mRNA、起始 氨基酰-tRNA组成的翻译起始复合物。此时，结合起始密码AUG的fMet-tRNAfMet占据 P位，而A位空留，对应mRNA上AUG后的下一组三联体密

11、码，准备相应氨基酰-tRNA 的进入。6氨基酸活化转运和核糖体循环贯穿肽链合成的基本过程氨基酸以氨基酰-tRNA的形式被活化与转运延长因子是辅助核糖体合成肽链的必要条件大肠杆菌延长因子有三种：EF-Tu：协助氨基酰-tRNA进入核糖体。与氨基酰-tRNA以及GTP结合形成EF-Tu-GTP- 氨基酰-tRNA,将氨基酰-tRNA转运到核糖体的A位。EF-Ts促进EF-Tu-GTP的再生。EF-Tu-GTP在参加一轮核糖体循环后转变为 EF-Tu-GDP，EF-Ts使EF-Tu-GDP再转变成EF-Tu-GTP，后者可再被利用。EF-G促进肽酰-tRNA移位。促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移

12、到P位，促进tRNA的 释放。核糖体循环是肽链延长过程进位。核糖体A位上mRNA密码子所对应的氨基酰-tRNA在延长因子EF-Tu协助下进 入核糖体A位称为进位。转肽。在肽酰转移酶的催化下，P位上的tRNA所携带的肽酰基的羧基与A位上的氨基 酸的必氨基形成肽键，此过程称为转肽反应。移位。转肽后，占据P位的是失去氨基酰基的tRNA，A位是肽酰-tRNA。延长因子EF-G 可促使A位的肽酰-tRNA移位，进入P位，同时使P位的tRNA释放。A位空留并对 应下一组三联体密码子。7终止密码子和终止因子决定翻译的终止终止因子：又称释放因子(release factor, RF)。其功能是识别mRNA上的

13、终止密码子，终 止肽链的合成并释放出肽链。原核生物中释放因子是RF-1, RF-2, RF-3。RF-1识别密码子 UAA及UAG，RF-2能识别UAA及UGA。RF-3结合GTP，并能促进RF-1, RF-2与核糖 体结合。肽链终止过程：肽链延长到mRNA终止密码子在核糖体A位出现，终止密码子不能被任 何氨基酰-tRNA识别进位。RF-1, RF-2进入A位，识别结合终止密码子。RF-1或RF-2任 一释放因子结合终止密码子后都可触发核糖体构象改变，诱导核糖体的肽酰转移酶的两个 活性(催化肽酰-tRNA之间酯键的水解和肽酰基与下一个氨基酸之间肽键的形成)只发挥 其水解酶活性。水解P位的tRN

14、A与肽链之间的酯键，将合成的肽链释放。随后mRNA 与核糖体分离，tRNA脱落。核糖体在IF-3和IF-1的作用下，解离成大小亚基。8多聚核糖体保证蛋白质合成的快速进行原核生物基因表达的特点1只有一种RNA聚合酶。RNA聚合酶用来识别原核细胞的启动子，催化所有RNA的合成。2原核生物的基因表达以操纵子为基本单位。3转录和翻译是偶联进行的：原核生物染色体DNA是裸露的环形DNA，转录成mRNA后， 直接在胞浆中与核糖体结合翻译成蛋白质。4 mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列-SD序列5原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。通常有两种方式：一 种是起始调控，即启动子调控；另

15、一种是终止调控，即衰减子调控。原核生物基因表达的调控1原核生物转录水平的调控是主要调控环节：启动子。启动子决定转录的效率和方向。a因子。阻遏蛋白具有负调控作用。阻遏蛋白(repressor)：是一类在转录水平对基因表达产生 负调控作用的蛋白质。结合于特异的DNA序列后抑制基因的转录。正调控蛋白促进基因的转录。结合于特异的DNA序列后促进基因的转录。倒位蛋白通过DNA重组倒位而调节基因表达。倒位蛋白是一种位点特异性的重组酶。RNA聚合酶抑制物可与RNA结合并抑制转录。衰减子(attenuator):细菌中mRNA转录和翻译是偶联在一起的。这一特点使细菌中的 一些操纵子的特殊序列可以在转录过程中控

16、制转录水平。这些特殊序列称为衰减子。2转录起始的调控6因子与转录起始的调控：6因子确保RNA聚合酶与DNA特异启动区稳定结合，而不是与其它位点结合。例如:大肠杆菌RNA聚合酶由5个亚基构成，核心酶能以DNA为模板合成RNA，但必 须依靠6因子协助才能在正确位置起始转录。机理：6因子含有识别启动区的结构域。6因子独立存在时，N端部分抑制了 C端的DNA结合活性，与DNA不能结合。当6因子与核心酶组成全酶时，空间构象改变，N端对C端抑制作用消失，可与DNA 发生特异结合。转录起始完成后6因子脱落，核心酶不再停留在启动区部位，向下游滑动完成转录。原核生物启动子的序列具有较强的保守性细菌启动区特异序列

17、有4个保守特征：a.起始点：第一个被转录的核苷酸(+1)90%以上为嘌吟核苷酸。b .“T0”序列：在转录起始点上游-10 bp，一致序列为TATAAT“一35”序列：在起始点上游-35 bp，一致序列为TTGACAo“一35”和“一10”序列的间距：距离长短对RNA聚合酶结合具有重要影响。共有序列(consensus sequence)决定启动序列的转录活性大小。3乳糖操纵子乳糖操纵子的结构：含有Z、Y、A三个结构基因，分别编码0-半乳糖苷酶、透酶和乙 酰基转移酶。此外，含有一个操纵基因O, 一个启动序列P，一个CAP结合位点和一个 基因Io I基因编码一种阻遏蛋白，与操纵基因O结合。启动序

18、列P、操纵序列O和CAP 结合位点组成乳糖操纵子的调控区。阻遏蛋白的负性调控作用：当有乳糖存在时，乳糖经透酶作用进入细胞，通过0-半乳糖苷酶催化变为半乳糖。真 正的诱导剂是半乳糖而不是乳糖。半乳糖可与阻遏蛋白结合，导致阻遏蛋白与操纵序 列O解离，启动基因转录。当没有乳糖存在时，没有诱导剂与阻遏蛋白结合，阻遏蛋白与操纵序列O结合，发挥 负性调控作用，基因不转录。(3)CAP的正性调控作用：当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP和CAP结合紧密，此时CAP结合在CAP 结合位点，刺激RNA转录活性。当有葡萄糖存在及cAMP浓度较低时，cAMP和CAP结合受阻，因此lac操纵子表达 下降。协调调

19、节：当葡萄糖存在，乳糖存在时：尽管乳糖作为诱导剂和阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵序列O解离。但由于cAMP浓度较低，cAMP和CAP结合受阻，基因处于关闭状 态。当葡萄糖存在，乳糖不存在时：此时无诱导剂存在，阻遏蛋白与DNA结合。而且于葡萄糖的存在，CAP也不能发挥正性调控作用，基因处于关闭状态。当葡萄糖和乳糖都不存在时：CAP可以发挥正性调控作用，但由于没有诱导剂，阻遏蛋白的负调控作用使基因仍处于关闭状态。当葡萄糖不存在，乳糖存在时：此时CAP可以发挥正性调控作用，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。4转录终止的调控：色氨酸（trp）操纵子调控机制当细胞内色氨酸

20、增多时，结构基因转录受到抑制。衰减子转录物有4段特殊序列。片段 1和2, 2和3, 3和4能配对形成发夹结构，形成发夹能力的强弱依次为片段1/2片段 2/3片段3/4。片段3/4所形成的发夹结构之后紧接着寡尿嘧啶，是不依赖p因子的转录 终止信号。这4个片段形成何种发卡结构，是由L基因转录物的翻译过程所控制的。L基因的部分 转录产物（含片段1）编码14个氨基酸，其中含有两个相邻的色氨酸密码子。这两个相 邻的色氨酸密码子以及原核生物中转录与翻译的偶联是产生衰减作用的基础。当细胞内有色氨酸存在时，形成色氨酰-tRNA，核糖体编译可通过片段1并通过片段2。 因遇到翻译终止密码，核糖体在到达片段3之前就

21、从mRNA脱落。在这种情况下，片段 1/2和片段2/3都不能形成发夹结构，只有片段3/4形成发夹结构，即形成转录终止信号， 从而导致RNA聚合酶作用停止。当细胞内没有色氨酸存在时，色氨酰-tRNA缺乏，核糖体停留在两个相邻的色氨酸密码 子的位置上，片段1/2不能形成发夹结构，片段2/3之间形成发夹结构，则片段3/4之间 就不能形成转录终止信号，后面的基因得以转录。5原核生物翻译水平的调控（1）SD序列是影响翻译的重要因素：不同的SD序列；与起始密码子之间的距离；mRNA的 二级结构可以隐蔽SD序列。mRNA的稳定性是调控翻译的方式之一。翻译产物也可以对相应mRNA的翻译进行调控。小分子RNA可

22、以抑制特定mRNA的翻译。二、真核生物基因的表达及调控1顺式作用元件（cis-acting element）：真核生物基因中的调控序列被称为顺式作用元件，包括： 启动子和上游启动子元件，增强子，反应元件，Poly（A）加尾信号。2增强子（enhancer）：是一段短的DNA序列，其中含有多个作用元件，可以特异性与转录 因子结合，增强基因的转录活性。增强子可以位于基因的任何位置，增强子的功能与其位 置和方向无关。3反应元件：一些信息分子的受体被细胞外信息分子激活后，能与特异的DNA序列结合， 调控真核生物基因的表达。这些特异的DNA序列实际上也是顺式元件，由于能介导基因 对细胞外的某种信号产生反

23、应，被称为反应元件。4核内不均一 RNA（hnRNA）：真核生物转录生成的mRNA前体即为hnRNA。这类mRNA 前体必须经过一系列的加工处理才能变成成熟的mRNA。加工过程的主要环节包括：5 端加帽；翅端加尾内含子的切除和外显子的连接；分子内部的甲基化修饰；核苷 酸序列的编辑作用。真核生物基因的表达1三种RNA聚合酶及相关启动子以不同方式起始转录转录起始前复合物（PIC）：是真核生物转录因子之间先互相辨认结合，然后以复合体的 形式与RNA聚合酶一同结合于转录起始前的DNA区域而成。RNA聚合酶I启动含有I类启动子的基因转录。含有I类启动子的基因主要是rRNA的 基因。I类启动子包括核心元件

24、和上游调控元件。RNA聚合酶II启动含有II类启动子的基因转录。含有II类启动子的基因主要是编码蛋白 质的基因和编码snRNA （U6 snRNA除外）。11类启动子由TATA盒和上游启动子元件组 成。转录起始复合物形成的步骤：TFIID结合TATA盒；RNA-pol识别并结合 TFIID-DNA复合物。其他转录因子与RNA-pol结合，转录起始部位的DNA解链，形 成转录起始复合物。rna聚合酶m启动含有m类启动子的基因转录。含有m类启动子的基因主要包括t rna、 5S rRNA、U6 snRNA、7SL RNA、7SK RNA。tRNA基因的启动子包括A盒和B盒两部 分。2转录延伸过程中

25、需要克服核小体障碍3三种RNA聚合酶以不同的方式终止转录4初级转录产物经过加工后转变为成熟RNA mRNA甲基化鸟苷酸以5磷酸基团连接mRNA 5端形成帽子结构多聚腺苷酸的加入形成mRNA 3尾：真核生物mRNA转录终止后，紧接着发生加尾修饰。 过程如下:在结构基因最后一个外显子的3端，常有一个共同序列AATAAA。此序列后接 着相当多的GT序列。这些序列称为转录终止的修饰点。转录越过修饰点后，mRNA在修 饰点被切断，随即加入poly A尾及帽子结构。下游的RNA虽然继续转录，但很快被RNA 酶降解。因此有理由相信，帽子结构是保护RNA免受降解的，因为修饰点以后的转录产 物无帽子结构。mRN

26、A前体经剪接除去内含子序列内含子通常以GU开始，以AG结束，整个分子中含有3个保守序列：a内含子5端起始序列：由GUAAGU组成，称为5端剪接点；b内含子3端末尾序列：由（Py） nNPyAG组成，Py指嘧啶，n大约为10，N为任意碱 基，称为3端剪接点；c在3端上游1840个核苷酸处有一个保守的A，称为分支点。mRNA分子中的少数碱基可被甲基化RNA编辑是RNA加工的一种特殊方式RNA编辑：通过对mRNA的加工，使遗传信息在mRNA水平上发生改变。tRNA的转录后加工：tRNA前体的剪接。先由核酸内切酶催化进行剪切反应，再由连接酶将外显子连接起来。加上3端CCA-OH。化学修饰。包括：甲基化

27、反应，使某些嘌吟变成甲基嘌吟。还原反应，使某些尿嘧啶还原成双氢尿嘧啶（DHU）。转位反应，尿嘧啶核苷转变为假尿嘧啶核（O）o脱氨反应，某些腺苷酸脱氨成为次黄嘌吟核苷酸（I）。（3）rRNA的转录后加工rRNA前体的剪接。在哺乳动物基因组中，28S、18S和5.8S rRNA基因串联在一起形成 一个重复单位，在基因组中重复几百次。每个重复单位之间的间隔DNA序列称为非转 录间隔序列；而一个重复单位内的三个基因之间的间隔序列则是与基因一起转录的，称 为转录的间隔序列，这些序列在转录后加工过程中被切除。化学修饰：主要是甲基化反应。5真核生物RNA需要从细胞核内转运到细胞质6真核生物与原核生物的翻译起

28、始阶段差异很大翻译起始阶段首先形成起始复合物前体：40S -Met-tRNA.Met- eIF-2 -GTP。只有形成此种 复合物，40S亚基才能与mRNA结合。起始复合物前体在起始因子协助下与mRNA结合形成起始复合物(40S亚基-mRNA-Met- tRNAMet)。真核生物mRNA中没有SD序列。140S亚基-Met- tRNAMet复合物沿mRNA扫描140S亚基-Met- tRNAMet复合物识别起始密码子。三联密码子AUG本身并不足以使核糖体 1停止移动，只有当其上下游具有合适的序列时，AUG才能作为起始密码子被正确识别。在eIF-5作用下，eIF-2、eIF-3从核糖体40S亚基

29、解离，60S核糖体亚基与40S-mRNA-Met- tRNAMet复合物形成80S起始复合体，各种起始因子从核糖体解离。17延长阶段和终止阶段与原核生物的翻译过程相同8肽链在翻译结束后需要进行加工真核生物基因表达的特点1基因表达的时间性和空间性2转录和翻译分开进行：真核生物DNA大多与蛋白质结合形成染色体，并由核膜包绕形成 细胞核。在核中转录生成mRNA，穿过核膜至胞质指导蛋白质合成；转录和翻译不是同 步进行的，受多层次调控。3初级转录产物要经过转录后加工修饰：初级转录产物-核不均一性RNA(heterogeneous nuclear RNA， hnRNA)，即mRNA前体分子要经过戴帽(m7

30、GpppN)、加polyA尾、切除 插入的内含子和拼接外显子等过程，才能形成成熟的mRNA分子。4不存在操纵子结构：真核生物基因转录产物为单顺反子(monocistron)，一条mRNA只翻 译一种蛋白质。5部分基因多拷贝：某些基因以多拷贝形式存在，如组蛋白和tRNA等，这样既可满足细胞 的需要，也是表达调控的一种有效方式。真核生物基因表达的调控1真核生物基因表达在DNA水平的调控：染色质丢失。基因扩增。基因重排。基因的甲基化修饰DNA上特定的CpG序列处的胞嘧啶可发生甲基化修饰。一般认为， 基因的甲基化程度与基因的表达呈反比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降低。染色质结构可影响基因表达。真

31、核生物的染色质由DNA与组蛋白、非组蛋白和少量其 他物质结合而形成，核小体为其基本结构单位。2真核基因转录是由激活的反式作用因子调控转录起始复合物的形成是转录的可调控环节：在转录调控过程中，反式作用因子主要是促 进或抑制TATA因子与TATA盒结合、RNA聚合酶与TATA因子-DNA复合物结合以及转 录起始复合物的形成。反式作用因子是真核细胞内重要的基因表达调控蛋白反式作用因子：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 主要功能是使基因开放或关闭，称为反式作用因子，也称为基因特异性转录因子。反式作用因子三个基本特征a 一般具有三个功能结构域：DNA结合域、转录活性域和结合其他蛋白的结合域。b能识别并结合基因调控区中的顺式作用元件。c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。反式作用因子DNA结合域不同的结构模式：a锌指结构(zinc finger)：是指在结合DNA结构域中含有较多的半胱氨酸(Cys)和组氨 酸(His)的区域，借肽链的弯曲使2个Cys和2个His或4个Cys与一个锌离子络合成的指状结构。b同源结构域（homeodomain, HD）：许多反式作用因子结合DNA的结构域中有一段相 同的保守序列，是60个左右氨基酸组成的螺旋-回折-螺旋结构的区域，称为同源结构 域。c亮氨酸拉链：有些反式