生物化學(xué)與分子生物學(xué)：第18章 基因表達(dá)調(diào)控

1、目錄目錄 1 第十八章第十八章 基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控 Regulation of Gene Expression 目錄目錄 2 除了某些以除了某些以RNA為基因組的為基因組的RNA病毒外，基因病毒外，基因 通常是指染色體或基因組的一段通常是指染色體或基因組的一段DNA序列。序列。 基因包括基因包括編碼序列編碼序列（外顯子）、（外顯子）、調(diào)控序列調(diào)控序列和和間間 隔序列隔序列（內(nèi)含子）（內(nèi)含子）。 基因（基因（genegene）：）：編碼蛋白質(zhì)或編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特等具有特 定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息的基本單位。定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息的基本單位。 目錄目錄 3 基因組（基因組（ge

2、nome）：）：一個(gè)生物體內(nèi)所有遺傳一個(gè)生物體內(nèi)所有遺傳 信息的總和。信息的總和。 原核生物原核生物：?jiǎn)蝹€(gè)的環(huán)狀染色體所含的全部基因。：?jiǎn)蝹€(gè)的環(huán)狀染色體所含的全部基因。 真核生物真核生物：一個(gè)生物體的染色體所含的全部：一個(gè)生物體的染色體所含的全部DNA ， 又稱又稱染色體基因組。染色體基因組。 線粒體基因組線粒體基因組 葉綠體基因組葉綠體基因組 屬核外遺傳物質(zhì)，由一個(gè)親本（卵細(xì)胞）的細(xì)屬核外遺傳物質(zhì)，由一個(gè)親本（卵細(xì)胞）的細(xì) 胞質(zhì)所提供胞質(zhì)所提供 目錄目錄 人類基因組包含人類基因組包含 了細(xì)胞了細(xì)胞核染色體核染色體 DNA（常染色體和（常染色體和 性染色體）及性染色體）及線粒線粒 體體DNA所

3、攜帶的所所攜帶的所 有遺傳物質(zhì)。有遺傳物質(zhì)。 目錄目錄 5 第一節(jié)第一節(jié) 基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控的基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控的 基本概念與特點(diǎn)基本概念與特點(diǎn) Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and its Regulation 目錄目錄 6 一、基因表達(dá)是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程一、基因表達(dá)是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程 是基因是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程，也是基因所的過(guò)程，也是基因所 攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過(guò)程，包括基攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過(guò)程，包括基 因轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的因轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的RNA序列，對(duì)于蛋白質(zhì)編碼序列，對(duì)于蛋白質(zhì)編

4、碼 基因，基因，mRNA繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加 工成最終的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。工成最終的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。 基因表達(dá)基因表達(dá)(gene expression) 基因表達(dá)是受調(diào)控的。基因表達(dá)是受調(diào)控的。 目錄目錄 7 二、基因表達(dá)具有時(shí)間特異性和空間特異性二、基因表達(dá)具有時(shí)間特異性和空間特異性 （一）時(shí)間特異性是指基因表達(dá)按一定的時(shí)間（一）時(shí)間特異性是指基因表達(dá)按一定的時(shí)間 順序發(fā)生順序發(fā)生 按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按一按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按一 定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間時(shí)間 特異性特異性(temporal s

5、pecificity)。 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段階段 特異性特異性(stage specificity)。 目錄目錄 8 （二）空間特異性是指多細(xì)胞生物個(gè)體在特（二）空間特異性是指多細(xì)胞生物個(gè)體在特 定生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基因在不同的定生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基因在不同的 組織器官表達(dá)不同組織器官表達(dá)不同 在個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育過(guò)程中，一種基因產(chǎn)物在個(gè)體的在個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育過(guò)程中，一種基因產(chǎn)物在個(gè)體的 不同組織或器官表達(dá)，即在個(gè)體的不同空間出現(xiàn)，不同組織或器官表達(dá)，即在個(gè)體的不同空間出現(xiàn)， 這就是基因表達(dá)的這就是基因表達(dá)的空間特異性空間特異性(spatial

6、specificity)。 基因表達(dá)伴隨時(shí)間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間基因表達(dá)伴隨時(shí)間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間 分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布所決定的，分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布所決定的， 因此基因表達(dá)的空間特異性又稱因此基因表達(dá)的空間特異性又稱細(xì)胞特異性細(xì)胞特異性(cell specificity)或組織特異性或組織特異性(tissue specificity)。 目錄目錄 9 三、基因表達(dá)的方式存在多樣性三、基因表達(dá)的方式存在多樣性 基因表達(dá)調(diào)控（基因表達(dá)調(diào)控（regulation of gene expression） 就是指細(xì)胞或生物體在接受內(nèi)外環(huán)境信號(hào)刺激就是指

7、細(xì)胞或生物體在接受內(nèi)外環(huán)境信號(hào)刺激 時(shí)或適應(yīng)環(huán)境變化的過(guò)程中在基因表達(dá)水平上做出時(shí)或適應(yīng)環(huán)境變化的過(guò)程中在基因表達(dá)水平上做出 應(yīng)答的分子機(jī)制，即位于基因組內(nèi)的基因如何被表應(yīng)答的分子機(jī)制，即位于基因組內(nèi)的基因如何被表 達(dá)成為有功能的蛋白質(zhì)（或達(dá)成為有功能的蛋白質(zhì)（或RNA），在什么組織表），在什么組織表 達(dá)，什么時(shí)候表達(dá)，表達(dá)多少等。達(dá)，什么時(shí)候表達(dá)，表達(dá)多少等。 目錄目錄 10 按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為： 基本（或組成性）表達(dá)基本（或組成性）表達(dá) 誘導(dǎo)或阻遏表達(dá)誘導(dǎo)或阻遏表達(dá) 目錄目錄 11 （一）有些基因幾乎在所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)（一）有些基因

8、幾乎在所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá) 某些基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表某些基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表 達(dá)，不易受環(huán)境條件的影響，通常被稱為達(dá)，不易受環(huán)境條件的影響，通常被稱為管家基因管家基因 (housekeeping gene)。 管家基因管家基因的的表達(dá)水平受環(huán)境因素影響較小，而是在表達(dá)水平受環(huán)境因素影響較小，而是在 生物體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)、或幾乎全部組織中生物體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)、或幾乎全部組織中 持續(xù)表達(dá)，或變化很小。這類基因表達(dá)被視為持續(xù)表達(dá)，或變化很小。這類基因表達(dá)被視為基本基本 （或組成性）基因表達(dá)（或組成性）基因表達(dá)(constitutive gene ex

9、pression)。 基本的基因表達(dá)水平并非絕對(duì)基本的基因表達(dá)水平并非絕對(duì)“一成不變一成不變”， 所謂所謂 “不變不變”是相對(duì)的。是相對(duì)的。 目錄目錄 12 （二）有些基因的表達(dá)受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)（二）有些基因的表達(dá)受到環(huán)境變化的誘導(dǎo) 和阻遏和阻遏 在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活， 基因表達(dá)產(chǎn)物增加，即這種基因表達(dá)是基因表達(dá)產(chǎn)物增加，即這種基因表達(dá)是可誘可誘 導(dǎo)導(dǎo)的。的。 可誘導(dǎo)基因可誘導(dǎo)基因(inducible gene)在一定的環(huán)境中在一定的環(huán)境中 表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程，稱為表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程，稱為誘導(dǎo)誘導(dǎo)(induction)。 DNA損傷損傷 修復(fù)

10、酶基因激活修復(fù)酶基因激活 目錄目錄 13 如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基 因是因是可阻遏基因可阻遏基因(repressible gene)?？勺瓒艋??？勺瓒艋?因 表 達(dá) 產(chǎn) 物 水 平 降 低 的 過(guò) 程 稱 為因 表 達(dá) 產(chǎn) 物 水 平 降 低 的 過(guò) 程 稱 為 阻 遏阻 遏 (repression)。 色氨酸色氨酸 色氨酸合成酶系表達(dá)被抑制色氨酸合成酶系表達(dá)被抑制 目錄目錄 14 在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基 因，無(wú)論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一因，無(wú)論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一 致、共同表達(dá)，

11、即為致、共同表達(dá)，即為協(xié)同表達(dá)協(xié)同表達(dá)(coordinate expression)，這種調(diào)節(jié)稱為，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)同調(diào)節(jié)協(xié)同調(diào)節(jié) (coordinate regulation)。 （三）生物體內(nèi)不同基因的表達(dá)受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（三）生物體內(nèi)不同基因的表達(dá)受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié) 目錄目錄 15 四、基因表達(dá)調(diào)控受順式作用元件四、基因表達(dá)調(diào)控受順式作用元件 和反式作用因子共同調(diào)節(jié)和反式作用因子共同調(diào)節(jié) 一般說(shuō)來(lái)，調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位一般說(shuō)來(lái)，調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位 于同一條于同一條DNADNA鏈上，稱為鏈上，稱為順式作用元件順式作用元件( (cis -acting element) )。 目錄目錄

12、16 啟動(dòng)子啟動(dòng)子 上游調(diào)控元件上游調(diào)控元件 增強(qiáng)子增強(qiáng)子 加尾信號(hào)加尾信號(hào) 細(xì)胞信號(hào)反應(yīng)元件細(xì)胞信號(hào)反應(yīng)元件 順式作用元件順式作用元件 目錄目錄 17 轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增強(qiáng)子增強(qiáng)子 n典型的真核生物順式作用元件典型的真核生物順式作用元件 (cis-acting element) AATAAA 切離加尾切離加尾 轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn) 修飾點(diǎn)修飾點(diǎn) 外顯子外顯子翻譯起始點(diǎn)翻譯起始點(diǎn) 內(nèi)內(nèi) 含含 子子 OCT-1 目錄目錄 真核生物的特異真核生物的特異DNA序列序列 順式作用元件順式作用元件(cis-acting element) 位于編碼基因兩側(cè)，可影

13、響位于編碼基因兩側(cè)，可影響自身自身基因基因 表達(dá)活性的表達(dá)活性的DNA序列序列 RNA聚合酶聚合酶 BA DNA 編碼序列編碼序列 轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) mRNA RNA聚合酶聚合酶 BA DNA 轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) mRNA 目錄目錄 19 調(diào)節(jié)序列遠(yuǎn)離被調(diào)控的編碼序列，實(shí)際上是調(diào)節(jié)序列遠(yuǎn)離被調(diào)控的編碼序列，實(shí)際上是 其他分子的編碼基因，只能通過(guò)其表達(dá)產(chǎn)物其他分子的編碼基因，只能通過(guò)其表達(dá)產(chǎn)物 來(lái)發(fā)揮作用，這些蛋白質(zhì)分子稱為來(lái)發(fā)揮作用，這些蛋白質(zhì)分子稱為反式作用反式作用 因子因子( (trans-acting factor) )。 目錄目錄 20 五、基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性五、基因

14、表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性 首先，遺傳信息以基因的形式貯存于首先，遺傳信息以基因的形式貯存于DNADNA中。中。 其次，遺傳信息經(jīng)轉(zhuǎn)錄由其次，遺傳信息經(jīng)轉(zhuǎn)錄由DNADNA傳向傳向RNARNA過(guò)程過(guò)程 中的許多環(huán)節(jié)。中的許多環(huán)節(jié)。( (最重要、最復(fù)雜最重要、最復(fù)雜) ) 最后，蛋白質(zhì)生物合成即翻譯與翻譯后加工。最后，蛋白質(zhì)生物合成即翻譯與翻譯后加工。 目錄目錄 21 基因表達(dá)調(diào)控的多層次和復(fù)雜性基因表達(dá)調(diào)控的多層次和復(fù)雜性 基因激活基因激活 轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄水平 轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄后加工 翻譯水平翻譯水平 翻譯后加工翻譯后加工 mRNA降解降解 基因表達(dá)基因表達(dá) 可調(diào)控的環(huán)節(jié)可調(diào)控的環(huán)節(jié) 蛋白質(zhì)降解蛋白

15、質(zhì)降解 目錄目錄 22 六、基因表達(dá)調(diào)控為生物體生長(zhǎng)、發(fā)育的六、基因表達(dá)調(diào)控為生物體生長(zhǎng)、發(fā)育的 基礎(chǔ)基礎(chǔ) （一）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以適應(yīng)環(huán)境、維持生（一）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以適應(yīng)環(huán)境、維持生 長(zhǎng)和增殖長(zhǎng)和增殖 久居高原地區(qū)的居民平均久居高原地區(qū)的居民平均 Hb 濃度濃度 升高升高 目錄目錄 23 （二）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以維持細(xì)胞（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以維持細(xì)胞 分化與個(gè)體發(fā)育分化與個(gè)體發(fā)育 在多細(xì)胞個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育的不同階段，在多細(xì)胞個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育的不同階段， 或同一生長(zhǎng)發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白或同一生長(zhǎng)發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白 質(zhì)分子分布、種類和含量存在很大差異，這質(zhì)分子分布、種

16、類和含量存在很大差異，這 些差異是調(diào)節(jié)細(xì)胞表型的關(guān)鍵。些差異是調(diào)節(jié)細(xì)胞表型的關(guān)鍵。 目錄目錄 24 第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控原核基因表達(dá)調(diào)控 Regulation of Gene Expression in Prokaryote 目錄目錄 25 原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 基因組中基因組中很少有重復(fù)序列很少有重復(fù)序列； 編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因?yàn)榫幋a蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因?yàn)檫B續(xù)編碼連續(xù)編碼，且，且多為單拷多為單拷 貝貝基因，但編碼基因，但編碼rRNA的基因仍然是多拷貝基因；的基因仍然是多拷貝基因； 結(jié)構(gòu)基因在基因組中所占的比例（約占結(jié)構(gòu)基因在基因組中所占的比例（約占50%50%）

17、遠(yuǎn)遠(yuǎn)）遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于真核基因組；大于真核基因組； 許多結(jié)構(gòu)基因在基因組中以許多結(jié)構(gòu)基因在基因組中以操縱子操縱子為單位排列。為單位排列。 原核生物基因組是具有超螺旋結(jié)構(gòu)的閉合環(huán)狀原核生物基因組是具有超螺旋結(jié)構(gòu)的閉合環(huán)狀DNA分子分子 目錄目錄 26 調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始 原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn) 因子決定因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性聚合酶識(shí)別特異性 目錄目錄 27 在轉(zhuǎn)錄起始階段，在轉(zhuǎn)錄起始階段，亞基（又稱亞基（又稱因子）識(shí)別因子）識(shí)別 特異啟動(dòng)序列；不同的特異啟動(dòng)序列；不同的因子因子決定特異基因的決定特異基因的 轉(zhuǎn)錄激活，也決定不同轉(zhuǎn)錄激活，也決定不同

18、RNA（mRNA、rRNA 和和tRNA）基因的轉(zhuǎn)錄）基因的轉(zhuǎn)錄。 目錄目錄 28 噬菌體噬菌體SPO1感染宿主細(xì)胞的過(guò)程中，不同的感染宿主細(xì)胞的過(guò)程中，不同的因子因子 在不同階段順序表達(dá)，指導(dǎo)宿主在不同階段順序表達(dá)，指導(dǎo)宿主RNA聚合酶啟動(dòng)相聚合酶啟動(dòng)相 應(yīng)的基因轉(zhuǎn)錄。應(yīng)的基因轉(zhuǎn)錄。 目錄目錄 29 原核生物大多數(shù)基因表達(dá)調(diào)控是通過(guò)原核生物大多數(shù)基因表達(dá)調(diào)控是通過(guò)操縱子機(jī)制操縱子機(jī)制 實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的。 一、一、操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本 單位單位 蛋白質(zhì)因子蛋白質(zhì)因子 特異特異DNA序列序列 編碼序列編碼序列 啟動(dòng)子啟動(dòng)子 操縱元件操縱元件 其他調(diào)節(jié)基因其他

19、調(diào)節(jié)基因 (promoter) (operator) 目錄目錄 30 操縱子定義：操縱子定義：原核生物基因組中，幾個(gè)功能原核生物基因組中，幾個(gè)功能 相關(guān)的相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因及其上游的及其上游的調(diào)控區(qū)域調(diào)控區(qū)域，稱為，稱為 一個(gè)操縱子一個(gè)操縱子( (Operon) )。 組成：組成：結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因-2-2個(gè)以上的編碼序列個(gè)以上的編碼序列 啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列-RNA-RNA聚合酶辨認(rèn)、結(jié)合聚合酶辨認(rèn)、結(jié)合 操縱元件操縱元件-（Operator) ) 調(diào)節(jié)序列調(diào)節(jié)序列- - 與其他調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合與其他調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合 目錄目錄 31 操縱子結(jié)構(gòu)（操縱子結(jié)構(gòu)（Operon） 啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列 操縱序列操

20、縱序列結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因1 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因2 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因3 （信息區(qū)）（信息區(qū)）（ 調(diào)調(diào) 控控 區(qū)區(qū) ） Promoter Operator Structural gene RNA聚合酶聚合酶 多順?lè)醋佣囗樂(lè)醋觤RNA 識(shí)別識(shí)別 結(jié)合結(jié)合 結(jié)合結(jié)合 阻遏蛋白阻遏蛋白 其它序列其它序列 其它其它 調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白 目錄目錄 32 操縱子模型的普遍性操縱子模型的普遍性 多順?lè)醋佣囗樂(lè)醋?polycistron)：一條一條mRNA分子攜帶了幾個(gè)多分子攜帶了幾個(gè)多 肽鏈的編碼信息。肽鏈的編碼信息。 目錄目錄 33 E.Coli乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)基因乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)基因 目錄目錄 34 操縱子模型的

21、普遍性操縱子模型的普遍性 多順?lè)醋佣囗樂(lè)醋?polycistron)：一條一條mRNA分子攜帶了分子攜帶了幾個(gè)幾個(gè)多多 肽鏈的編碼信息。肽鏈的編碼信息。 啟動(dòng)子啟動(dòng)子是是RNA聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是 決定基因表達(dá)效率的關(guān)鍵元件。決定基因表達(dá)效率的關(guān)鍵元件。 各種原核基因啟動(dòng)序列特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始各種原核基因啟動(dòng)序列特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始 點(diǎn)上游點(diǎn)上游-10及及-35區(qū)域存在一些相似序列，稱為區(qū)域存在一些相似序列，稱為共有序列共有序列。 E.coli及一些細(xì)菌啟動(dòng)序列的共有序列在及一些細(xì)菌啟動(dòng)序列的共有序列在-10區(qū)域是區(qū)域是 TATAA

22、T，在，在-35區(qū)域?yàn)閰^(qū)域?yàn)門TGACA 共有序列決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。共有序列決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。 目錄目錄 35 圖圖18-1 518-1 5種種E.coliE.coli啟動(dòng)序列的共有序列啟動(dòng)序列的共有序列 Pribnow盒盒 目錄目錄 操縱序列操縱序列 操縱序列（操縱序列（operator）是指能被）是指能被阻遏蛋白阻遏蛋白 特異性結(jié)合的一段特異性結(jié)合的一段DNA序列序列，常與啟動(dòng)序列鄰，常與啟動(dòng)序列鄰 近或與啟動(dòng)序列重疊，當(dāng)阻遏蛋白結(jié)合在操縱近或與啟動(dòng)序列重疊，當(dāng)阻遏蛋白結(jié)合在操縱 序列上，會(huì)影響其下游基因的轉(zhuǎn)錄。序列上，會(huì)影響其下游基因的轉(zhuǎn)錄。 操縱序列是原核阻遏蛋白的

23、結(jié)合位點(diǎn)，介導(dǎo)負(fù)操縱序列是原核阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，介導(dǎo)負(fù) 性調(diào)節(jié)。性調(diào)節(jié)。 目錄目錄 以乳糖操縱子中的操縱序列為例，其操縱 序列（o）位于啟動(dòng)序列（p）與被調(diào)控的基因 之間，部分序列與啟動(dòng)序列重疊。 目錄目錄 調(diào)節(jié)序列調(diào)節(jié)序列 調(diào)節(jié)序列中存在某些特異的調(diào)節(jié)序列中存在某些特異的DNA序列，可序列，可 結(jié)合激活蛋白，結(jié)合后結(jié)合激活蛋白，結(jié)合后RNA聚合酶活性增強(qiáng)，聚合酶活性增強(qiáng)， 使轉(zhuǎn)錄激活，介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)。使轉(zhuǎn)錄激活，介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)。 目錄目錄 39 調(diào)節(jié)基因（調(diào)節(jié)基因（regulatory gene）編碼能夠與操縱）編碼能夠與操縱 序列結(jié)合的調(diào)控蛋白，可以分為三類：特異因子、序列結(jié)合的調(diào)控蛋白，可

24、以分為三類：特異因子、 阻遏蛋白和激活蛋白。阻遏蛋白和激活蛋白。 調(diào)控蛋白的作用分別是調(diào)控蛋白的作用分別是 特異因子特異因子決定決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的 特異性識(shí)別和結(jié)合能力，如特異性識(shí)別和結(jié)合能力，如因子；因子； 目錄目錄 40 阻遏蛋白阻遏蛋白可以識(shí)別、結(jié)合特異可以識(shí)別、結(jié)合特異DNA序列序列操縱序列，操縱序列， 抑制基因轉(zhuǎn)錄，所以阻遏蛋白介導(dǎo)負(fù)調(diào)節(jié)（抑制基因轉(zhuǎn)錄，所以阻遏蛋白介導(dǎo)負(fù)調(diào)節(jié)（negative regulation）。阻遏蛋白介導(dǎo)的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制在原核生物）。阻遏蛋白介導(dǎo)的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制在原核生物 中普遍存在；中普遍存在； 激活蛋白激活蛋白

25、可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNA序列，提高序列，提高RNA聚聚 合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合能力，從而增強(qiáng)合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合能力，從而增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)聚合酶的轉(zhuǎn) 錄活性，是一種正調(diào)控（錄活性，是一種正調(diào)控（positive regulation），如），如CAP 結(jié)合蛋白。結(jié)合蛋白。 目錄目錄 41 基因表達(dá)有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控基因表達(dá)有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控 調(diào)節(jié)原核生物基因表達(dá)的效應(yīng)蛋白可分：調(diào)節(jié)原核生物基因表達(dá)的效應(yīng)蛋白可分： 阻遏蛋白阻遏蛋白-負(fù)調(diào)控因素負(fù)調(diào)控因素 激活蛋白激活蛋白-正調(diào)控因素正調(diào)控因素 目錄目錄 42 大腸桿菌可以利用大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯葡萄糖

26、、乳糖、麥芽糖、阿拉伯 糖糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和葡萄糖和 乳糖乳糖時(shí)，細(xì)菌時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先優(yōu)先利用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌利用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌 停止生長(zhǎng)，但經(jīng)過(guò)短時(shí)間的停止生長(zhǎng)，但經(jīng)過(guò)短時(shí)間的適應(yīng)適應(yīng)，就能完全利用乳糖，就能完全利用乳糖， 細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長(zhǎng)。細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長(zhǎng)。 二、乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)型調(diào)控二、乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)型調(diào)控 目錄目錄 43 大腸桿菌能夠利用乳大腸桿菌能夠利用乳 糖作為它的唯一碳源，糖作為它的唯一碳源， 就必須使得：就必須使得： 1.乳糖能進(jìn)入細(xì)胞乳糖能進(jìn)入細(xì)胞 2. 將乳糖水解

27、為將乳糖水解為 半乳糖和葡萄糖半乳糖和葡萄糖 半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷酶、透酶和 乙酰基轉(zhuǎn)移酶乙?；D(zhuǎn)移酶是大腸是大腸 桿菌桿菌DNA上乳糖操縱上乳糖操縱 子的子的3個(gè)結(jié)構(gòu)基因，經(jīng)個(gè)結(jié)構(gòu)基因，經(jīng) 轉(zhuǎn)錄和翻譯而成。轉(zhuǎn)錄和翻譯而成。 目錄目錄 44 （一一）乳糖操縱子乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 Y： 透酶透酶 A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶：乙酰基轉(zhuǎn)移酶 ZYAOP DNA I 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū) CAP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn) 啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列 操縱序列操縱序列 編碼阻遏蛋白編碼阻遏蛋白 CAP: catabolite activation protei

28、n 目錄目錄 45 圖圖18-2 lac 18-2 lac 操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié) 目錄目錄 46 mRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白 I DNA ZYAOP pol 沒(méi)有乳糖存在時(shí)沒(méi)有乳糖存在時(shí) （二二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)的雙重調(diào)節(jié) 阻遏基因阻遏基因 1.1.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié) 有有乳糖存在時(shí)：乳糖存在時(shí)： Lac operon 被誘導(dǎo)表達(dá)。被誘導(dǎo)表達(dá)。 阻遏蛋白的阻遏作用并非絕對(duì)，偶有阻遏蛋白與阻遏蛋白的阻遏作用并非絕對(duì)，偶有阻遏蛋白與O序列解序列解 聚、因此每個(gè)細(xì)胞中可能有寥寥數(shù)分子聚、因此每個(gè)細(xì)胞中可能有

29、寥寥數(shù)分子-半乳糖苷酶、透酶半乳糖苷酶、透酶 生成。乳糖可經(jīng)過(guò)這數(shù)分子的透酶催化進(jìn)入細(xì)胞，再經(jīng)過(guò)生成。乳糖可經(jīng)過(guò)這數(shù)分子的透酶催化進(jìn)入細(xì)胞，再經(jīng)過(guò)- 半乳糖苷酶催化轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘牵肴樘亲鳛橐环N誘導(dǎo)劑（半乳糖苷酶催化轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘?，半乳糖作為一種誘導(dǎo)劑（ inducer)與阻遏蛋白結(jié)合，使之構(gòu)象改變，導(dǎo)致阻遏蛋白與與阻遏蛋白結(jié)合，使之構(gòu)象改變，導(dǎo)致阻遏蛋白與 O序列解離，而發(fā)生轉(zhuǎn)錄。序列解離，而發(fā)生轉(zhuǎn)錄。 半乳糖半乳糖 乳糖乳糖 阻遏蛋白阻遏蛋白 結(jié)合半乳糖后，阻結(jié)合半乳糖后，阻 遏蛋白構(gòu)象改變遏蛋白構(gòu)象改變 目錄目錄 48 mRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白 有乳糖存在時(shí)有乳糖存在時(shí) I DNA ZYA

30、OP pol 啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄 mRNA 乳糖乳糖半乳糖半乳糖 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 圖圖18-4 18-4 laclac 操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié) 目錄目錄 49 n半乳糖的類似物半乳糖的類似物異丙基硫代半乳糖苷異丙基硫代半乳糖苷（ IPTG）因與半乳糖結(jié)構(gòu)類似，是一種作用）因與半乳糖結(jié)構(gòu)類似，是一種作用 極強(qiáng)的誘導(dǎo)劑。常被實(shí)驗(yàn)室采用。極強(qiáng)的誘導(dǎo)劑。常被實(shí)驗(yàn)室采用。 半乳糖半乳糖 目錄目錄 50 + + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 無(wú)葡萄糖，無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)濃度高時(shí) 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)濃度低時(shí) 2. CAP的正性調(diào)節(jié)的正性調(diào)節(jié)

31、ZYAOP DNA CAP CAP CAPCAP CAP CAP 目錄目錄 51 3. 3. 協(xié)同調(diào)節(jié)協(xié)同調(diào)節(jié) 當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能對(duì)該系統(tǒng)不能 發(fā)揮作用。發(fā)揮作用。 如無(wú)如無(wú)CAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序 列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。 單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若 有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首 先利用葡萄糖。葡萄糖對(duì)先利用葡萄糖。葡萄糖對(duì) lac 操縱子的阻遏作操縱子的阻遏作 用稱用稱分解代

32、謝阻遏分解代謝阻遏(catabolic repression)。 兩者相輔相成，缺一不可兩者相輔相成，缺一不可 目錄目錄 52 mRNA 無(wú)乳糖時(shí)無(wú)乳糖時(shí)高乳糖時(shí)高乳糖時(shí) 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP濃度高濃度高 葡萄糖高葡萄糖高 cAMP濃度低濃度低 RNA-pol OO OO FLASH 目錄目錄 53 圖圖18-318-3CAPCAP、阻遏蛋白、阻遏蛋白、cAMPcAMP和誘導(dǎo)劑對(duì)和誘導(dǎo)劑對(duì)laclac操縱子的調(diào)節(jié)操縱子的調(diào)節(jié) 目錄目錄 54 Trp Trp 高時(shí)高時(shí) Trp 低時(shí)低時(shí) mRNA OP trpR 調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 RNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 色氨酸

33、操縱子色氨酸操縱子 三、三、色氨酸操縱子通過(guò)轉(zhuǎn)錄衰減的方式色氨酸操縱子通過(guò)轉(zhuǎn)錄衰減的方式 阻遏基因表達(dá)阻遏基因表達(dá) 色氨酸操縱子的作用阻遏原理色氨酸操縱子的作用阻遏原理 目錄目錄 55 四、原核基因表達(dá)在轉(zhuǎn)錄終止階段四、原核基因表達(dá)在轉(zhuǎn)錄終止階段 有不同的調(diào)控機(jī)制有不同的調(diào)控機(jī)制 （一一）不依賴）不依賴RhoRho因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止 兩段富含兩段富含GC的反向重復(fù)序列，中間間隔的反向重復(fù)序列，中間間隔 若干核苷酸；若干核苷酸； 下游含一系列下游含一系列T序列。序列。 終止子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：終止子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 目錄目錄 56 近終止區(qū)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物形成發(fā)夾近終止區(qū)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物形成發(fā)夾(hairpin

34、)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 是非依賴是非依賴因子終止的普遍現(xiàn)象。因子終止的普遍現(xiàn)象。 目錄目錄 57 （二）依賴（二）依賴RhoRho因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止 常見于噬菌體中，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不清楚。常見于噬菌體中，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不清楚。 目錄目錄 58 五、原核基因表達(dá)在翻譯水平的多個(gè)環(huán)五、原核基因表達(dá)在翻譯水平的多個(gè)環(huán) 節(jié)受到精細(xì)調(diào)節(jié)節(jié)受到精細(xì)調(diào)節(jié) （一）轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)調(diào)節(jié)提高了基因表（一）轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)調(diào)節(jié)提高了基因表 達(dá)調(diào)控的有效性達(dá)調(diào)控的有效性 衰減是轉(zhuǎn)錄衰減是轉(zhuǎn)錄- -翻譯的偶聯(lián)調(diào)控翻譯的偶聯(lián)調(diào)控 色氨酸操縱子（色氨酸操縱子（trp operon）除了產(chǎn)物阻遏除了產(chǎn)物阻遏 負(fù)調(diào)控外，還有負(fù)調(diào)控外，還有轉(zhuǎn)

35、錄衰減（轉(zhuǎn)錄衰減（attenuation）調(diào)控方調(diào)控方 式。式。 目錄目錄 單林娜 制作 59 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 催化分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼岽呋种徂D(zhuǎn)變?yōu)樯彼?的酶的酶 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu) trpR trpR P 目錄目錄 單林娜 制作 60 目錄目錄 61 UUUU UUUU 調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 trpROP 前導(dǎo)序列前導(dǎo)序列 衰減子區(qū)域衰減子區(qū)域 UUUU 前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA 1234 衰減子結(jié)構(gòu)衰減子結(jié)構(gòu) 第第1010、1111密碼子為密碼子為trptrp密碼子密碼子 終止密碼子終止密碼子 14aa14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū)前導(dǎo)肽編碼區(qū): 包含序列包含序列1 1 形

36、成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱： 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密碼子密碼子 UUUU 目錄目錄 62 UUUU 34 UUUU 3 3 4 核糖體核糖體 前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽 前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA 1.1.當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)當(dāng)色氨酸濃度高時(shí) 轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制 12 5 trp 密碼子密碼子 衰減子結(jié)構(gòu)衰減子結(jié)構(gòu) 就是終止子就是終止子 可使轉(zhuǎn)錄可使轉(zhuǎn)錄 前導(dǎo)前導(dǎo)DNA UUUU 3 RNARNA聚合酶聚合酶 終止終止 目錄目錄 63 UUUU 3424 23 UUUU 核糖體核糖體 前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽 前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA 1 5 trp 密碼子密碼子 結(jié)構(gòu)

37、基因結(jié)構(gòu)基因 前導(dǎo)前導(dǎo)DNA RNARNA聚合酶聚合酶 2.2.當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)當(dāng)色氨酸濃度低時(shí) Trp合成酶系相關(guān)合成酶系相關(guān) 結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰減子結(jié)構(gòu)形成衰減子結(jié)構(gòu) 目錄目錄 64 圖圖18-4 18-4 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)及其關(guān)閉機(jī)制色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)及其關(guān)閉機(jī)制 目錄目錄 65 衰減衰減和和抗終止抗終止現(xiàn)象最早在現(xiàn)象最早在E.coli Trp操縱子中發(fā)操縱子中發(fā) 現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)和機(jī)制異常精細(xì)。衰減可以使得轉(zhuǎn)錄現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)和機(jī)制異常精細(xì)。衰減可以使得轉(zhuǎn)錄 提前結(jié)束，抗終止使得轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行下去。提前結(jié)束，抗終止使得轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行下去。 阻遏和衰減雖

38、然都在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行，但兩者的阻遏和衰減雖然都在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行，但兩者的 機(jī)制完全不同：前者控制轉(zhuǎn)錄的起始，后者決定機(jī)制完全不同：前者控制轉(zhuǎn)錄的起始，后者決定 轉(zhuǎn)錄起始后是否進(jìn)行下去。衰減作用比阻遏作用轉(zhuǎn)錄起始后是否進(jìn)行下去。衰減作用比阻遏作用 是更為精細(xì)的調(diào)節(jié)。是更為精細(xì)的調(diào)節(jié)。 目錄目錄 66 衰減子更衰減子更靈敏靈敏 只要只要Trp一增多，即使不足以誘導(dǎo)阻遏蛋白結(jié)一增多，即使不足以誘導(dǎo)阻遏蛋白結(jié) 合合O序列，也可以使大量的序列，也可以使大量的mRNA轉(zhuǎn)錄提前終轉(zhuǎn)錄提前終 止。反之，當(dāng)止。反之，當(dāng)Trp減少時(shí)，即使失去了誘導(dǎo)阻減少時(shí)，即使失去了誘導(dǎo)阻 遏蛋白的阻遏作用，但只要還可以維持前導(dǎo)

39、肽遏蛋白的阻遏作用，但只要還可以維持前導(dǎo)肽 的合成，仍繼續(xù)阻止轉(zhuǎn)錄。這樣可以保證盡可的合成，仍繼續(xù)阻止轉(zhuǎn)錄。這樣可以保證盡可 能充分的消耗能充分的消耗Trp，使其合成維持在滿足需要，使其合成維持在滿足需要 的水平，防止的水平，防止Trp堆積和過(guò)多的消耗能量。堆積和過(guò)多的消耗能量。 目錄目錄 67 （二）大分子結(jié)合于啟動(dòng)序列或啟動(dòng)序列周圍（二）大分子結(jié)合于啟動(dòng)序列或啟動(dòng)序列周圍 進(jìn)行自我調(diào)節(jié)進(jìn)行自我調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合mRNA靶位點(diǎn)，阻止核糖體識(shí)別靶位點(diǎn)，阻止核糖體識(shí)別 翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。 調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身

40、的，抑制自身的 合成，稱合成，稱自我控制自我控制(autogenous control)。 蛋白質(zhì)結(jié)合：蛋白質(zhì)結(jié)合： 目錄目錄 68 如：核糖體蛋白是自身翻譯的抑制蛋白如：核糖體蛋白是自身翻譯的抑制蛋白 組成核糖體的蛋白質(zhì)有組成核糖體的蛋白質(zhì)有50種之多，這些蛋種之多，這些蛋 白質(zhì)必需以相同的速度合成出來(lái)，且它們白質(zhì)必需以相同的速度合成出來(lái)，且它們 必需嚴(yán)格保持與必需嚴(yán)格保持與rRNA相應(yīng)的水平。相應(yīng)的水平。 當(dāng)有過(guò)量核糖體蛋白游離存在時(shí)即會(huì)引起當(dāng)有過(guò)量核糖體蛋白游離存在時(shí)即會(huì)引起 它自身以及有關(guān)蛋白質(zhì)合成的阻遏。它自身以及有關(guān)蛋白質(zhì)合成的阻遏。 目錄目錄 69 核糖體蛋白質(zhì)核糖體蛋白質(zhì) rR

41、NAmRNA ？ 核糖體蛋白質(zhì)既可以和核糖體蛋白質(zhì)既可以和rRNA結(jié)合，又可以和編碼自身的結(jié)合，又可以和編碼自身的 mRNA結(jié)合。但是它對(duì)前者的結(jié)合力要比后者大很多。結(jié)合。但是它對(duì)前者的結(jié)合力要比后者大很多。 正常情況下，核糖體蛋白質(zhì)與正常情況下，核糖體蛋白質(zhì)與rRNA結(jié)合，當(dāng)它表達(dá)過(guò)量結(jié)合，當(dāng)它表達(dá)過(guò)量 時(shí)，時(shí)，“多余的多余的”核糖體蛋白就會(huì)和核糖體蛋白就會(huì)和mRNA結(jié)合，阻遏自結(jié)合，阻遏自 身的翻譯。身的翻譯。 機(jī)制：機(jī)制： 目錄目錄 70 如如SD序列與序列與16S rRNA的互補(bǔ)程度，以及的互補(bǔ)程度，以及 SD序列到起始密碼子之間的距離都強(qiáng)烈序列到起始密碼子之間的距離都強(qiáng)烈 影響翻譯的

42、效率。影響翻譯的效率。 核酸分子結(jié)合：核酸分子結(jié)合： 目錄目錄 71 （三）翻譯阻遏利用蛋白質(zhì)與自身（三）翻譯阻遏利用蛋白質(zhì)與自身mRNA的的 結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)翻譯起始的調(diào)控結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)翻譯起始的調(diào)控 編碼區(qū)的起始點(diǎn)可與調(diào)節(jié)分子（蛋白質(zhì)或編碼區(qū)的起始點(diǎn)可與調(diào)節(jié)分子（蛋白質(zhì)或RNA） 直接或間接地結(jié)合來(lái)決定翻譯起始。直接或間接地結(jié)合來(lái)決定翻譯起始。 調(diào)節(jié)蛋白可以結(jié)合到起始密碼子上，阻斷與核調(diào)節(jié)蛋白可以結(jié)合到起始密碼子上，阻斷與核 糖體的結(jié)合。糖體的結(jié)合。 目錄目錄 72 nS8：組成核糖體小亞基的一個(gè)蛋白，可以與：組成核糖體小亞基的一個(gè)蛋白，可以與16S rRNA的莖環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)合。的莖環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)合。 nL5

43、：組成核糖體大亞基的一個(gè)蛋白，其：組成核糖體大亞基的一個(gè)蛋白，其mRNA的的5 末端能形成與末端能形成與16S rRNA類似的莖環(huán)結(jié)構(gòu)。類似的莖環(huán)結(jié)構(gòu)。 n當(dāng)當(dāng)16S rRNA充足充足時(shí)，可以與所有的時(shí)，可以與所有的S8蛋白結(jié)合，蛋白結(jié)合， 不影響不影響L5蛋白合成；蛋白合成； n當(dāng)當(dāng)16S rRNA不足不足時(shí)，多余的時(shí)，多余的S8與與L5 mRNA結(jié)合，結(jié)合， 阻遏阻遏L5蛋白的合成。蛋白的合成。 目錄目錄 73 （四）反義（四）反義RNA結(jié)合結(jié)合mRNA翻譯起始部位的翻譯起始部位的 互補(bǔ)序列對(duì)翻譯進(jìn)行調(diào)節(jié)互補(bǔ)序列對(duì)翻譯進(jìn)行調(diào)節(jié) 可調(diào)節(jié)基因表達(dá)的可調(diào)節(jié)基因表達(dá)的RNA稱為調(diào)節(jié)稱為調(diào)節(jié)RNA。

44、 細(xì)菌中含有與特定細(xì)菌中含有與特定mRNA翻譯起始部位互補(bǔ)翻譯起始部位互補(bǔ) 的的RNA，通過(guò)與，通過(guò)與mRNA雜交阻斷雜交阻斷30S小亞基對(duì)小亞基對(duì) 起始密碼子的識(shí)別及與起始密碼子的識(shí)別及與SD序列的結(jié)合，抑制序列的結(jié)合，抑制 翻譯起始。這種調(diào)節(jié)稱為翻譯起始。這種調(diào)節(jié)稱為反義控制反義控制(antisense control)。 目錄目錄 74 （五）（五）mRNA密碼子的編碼頻率影響翻譯速度密碼子的編碼頻率影響翻譯速度 當(dāng)基因中的密碼子是常用密碼子時(shí)，當(dāng)基因中的密碼子是常用密碼子時(shí)，mRNA 的翻譯速度快，反之，的翻譯速度快，反之，mRNA的翻譯速度慢。的翻譯速度慢。 目錄目錄 75 第三節(jié)第

45、三節(jié) 真核基因表達(dá)調(diào)控真核基因表達(dá)調(diào)控 Regulation of Gene Expression in Eukaryote 目錄目錄 76 一、真核細(xì)胞基因表達(dá)的特點(diǎn)一、真核細(xì)胞基因表達(dá)的特點(diǎn) 真核基因組比原核基因組真核基因組比原核基因組大大得多；得多； 原核基因組的大部分序列都為編碼基因，而哺乳原核基因組的大部分序列都為編碼基因，而哺乳 類基因組中只有類基因組中只有10%的序列編碼的序列編碼蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)、rRNA 、tRNA等，其余等，其余90%的序列，包括大量的重復(fù)的序列，包括大量的重復(fù) 序列功能至今還不清楚，可能參與調(diào)控；序列功能至今還不清楚，可能參與調(diào)控； 真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因

46、是真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)的不連續(xù)的，轉(zhuǎn)錄后，轉(zhuǎn)錄后 需要剪接去除內(nèi)含子，這就增加了基因表達(dá)調(diào)需要剪接去除內(nèi)含子，這就增加了基因表達(dá)調(diào) 控的層次控的層次 ； 目錄目錄 77 原核生物的基因編碼序列在操縱子中，原核生物的基因編碼序列在操縱子中，多順?lè)炊囗樂(lè)?子子mRNA使得幾個(gè)功能相關(guān)的基因自然協(xié)調(diào)控使得幾個(gè)功能相關(guān)的基因自然協(xié)調(diào)控 制；而真核生物則是一個(gè)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一制；而真核生物則是一個(gè)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一 條條mRNA，即，即mRNA是是單順?lè)醋訂雾樂(lè)醋樱╩onocistron ），許多功能相關(guān)的蛋白、即使是一種蛋白的），許多功能相關(guān)的蛋白、即使是一種蛋白的 不同亞基也將涉及到多

47、個(gè)基因的協(xié)調(diào)表達(dá)；不同亞基也將涉及到多個(gè)基因的協(xié)調(diào)表達(dá)； 目錄目錄 78 真核生物真核生物DNA在細(xì)胞核內(nèi)與多種蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)在細(xì)胞核內(nèi)與多種蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu) 成成染色質(zhì)染色質(zhì)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)直接影響著基因表，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)直接影響著基因表 達(dá)；達(dá)； 真核生物的遺傳信息不僅存在于真核生物的遺傳信息不僅存在于核核DNA上，還上，還 存在存在線粒體線粒體DNA上，核內(nèi)基因與線粒體基因的上，核內(nèi)基因與線粒體基因的 表達(dá)調(diào)控既相互獨(dú)立而又需要協(xié)調(diào)。表達(dá)調(diào)控既相互獨(dú)立而又需要協(xié)調(diào)。 目錄目錄 79圖圖18-5 18-5 真核生物基因表達(dá)的多層次復(fù)雜調(diào)控真核生物基因表達(dá)的多層次復(fù)雜調(diào)控 目錄目錄 80 二、染色

48、質(zhì)結(jié)構(gòu)與真核基因表達(dá)密切相關(guān)二、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與真核基因表達(dá)密切相關(guān) 活性染色質(zhì)活性染色質(zhì) (active chromatin) 具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)。具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)。 超敏位點(diǎn)（超敏位點(diǎn)（hypersensitive site) 當(dāng)染色質(zhì)活化后，常出現(xiàn)一些對(duì)核酸酶當(dāng)染色質(zhì)活化后，常出現(xiàn)一些對(duì)核酸酶 （如（如DNase I）高度敏感的位點(diǎn)。）高度敏感的位點(diǎn)。 （一）轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)對(duì)核酸酶極為敏感（一）轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)對(duì)核酸酶極為敏感 目錄目錄 81 (二二) 轉(zhuǎn)錄活化染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變轉(zhuǎn)錄活化染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變 組蛋白結(jié)構(gòu)及其化學(xué)修飾組蛋白結(jié)構(gòu)及其化學(xué)修飾 （a a）組蛋白與）組蛋

49、白與DNADNA組成的核小體；（組成的核小體；（b b）組蛋白的氨基端伸出核）組蛋白的氨基端伸出核 小體，形成組蛋白尾巴；（小體，形成組蛋白尾巴；（c c）四種組蛋白組成的八聚體）四種組蛋白組成的八聚體 目錄目錄 82 轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域的染色質(zhì)中的組蛋白轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域的染色質(zhì)中的組蛋白 的特點(diǎn)：的特點(diǎn)： n富含富含Lys的的H1組蛋白降低組蛋白降低； nH2A-H2B 組蛋白二聚體不穩(wěn)定性增加組蛋白二聚體不穩(wěn)定性增加，使其容易從核小，使其容易從核小 體核心中被置換出來(lái)；體核心中被置換出來(lái)； n核心組蛋白核心組蛋白H3、H4可發(fā)生乙?；?、磷酸化及泛素化可發(fā)生乙酰化、磷酸化及泛素化修飾修飾 。 以上特點(diǎn)

50、使得核小體結(jié)構(gòu)變得以上特點(diǎn)使得核小體結(jié)構(gòu)變得松弛不穩(wěn)定松弛不穩(wěn)定，降低核小體對(duì)，降低核小體對(duì) DNA的親和力，的親和力，易于基因轉(zhuǎn)錄易于基因轉(zhuǎn)錄。 目錄目錄 83 組蛋白乙酰化去乙?；M蛋白乙?；ヒ阴；?組蛋白的乙酰化是一可逆的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而其穩(wěn)組蛋白的乙?；且豢赡娴膭?dòng)態(tài)過(guò)程，而其穩(wěn) 定狀態(tài)的維持則是多種定狀態(tài)的維持則是多種組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（ HATs）和和去乙酰基酶（去乙?；福℉DACs）共同作用的共同作用的 結(jié)果。這種可逆的乙酰化修飾作用可使染色質(zhì)結(jié)果。這種可逆的乙?；揎椬饔每墒谷旧|(zhì) 結(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)的改變，并對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生相結(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)的改變，并對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)

51、生相 應(yīng)的影響。應(yīng)的影響。 目錄目錄 84 賴氨酸賴氨酸 引入乙?；胍阴；?乙?；D(zhuǎn)移酶乙?；D(zhuǎn)移酶 去乙酰化酶去乙?；?目錄目錄 85 組蛋白乙?；鹑旧|(zhì)結(jié)構(gòu)改變及基因組蛋白乙?；鹑旧|(zhì)結(jié)構(gòu)改變及基因 轉(zhuǎn)錄活性變化可能的機(jī)制：轉(zhuǎn)錄活性變化可能的機(jī)制： 組蛋白尾部賴氨酸殘基的乙酰化能夠使組蛋白尾部賴氨酸殘基的乙?；軌蚴菇M蛋白組蛋白 攜帶正電荷量減少攜帶正電荷量減少，降低其與帶負(fù)電荷的，降低其與帶負(fù)電荷的DNADNA 鏈的親和性，導(dǎo)致局部鏈的親和性，導(dǎo)致局部DNADNA與組蛋白八聚體解與組蛋白八聚體解 開纏繞，從而促使參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的各種蛋白因開纏繞，從而促使參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的各種蛋白

52、因 子與子與DNADNA特異序列結(jié)合，進(jìn)而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作特異序列結(jié)合，進(jìn)而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作 用。用。 目錄目錄 86 組蛋白甲基化組蛋白甲基化 n通常不改變組蛋白尾巴上的電荷；通常不改變組蛋白尾巴上的電荷； n增加其堿性度和疏水性；增強(qiáng)組蛋白與增加其堿性度和疏水性；增強(qiáng)組蛋白與 DNADNA的親和力。的親和力。 目錄目錄 87 組蛋白組蛋白氨基酸殘基位點(diǎn)氨基酸殘基位點(diǎn)修飾類型修飾類型功功 能能 H3Lys-4甲基化甲基化激活激活 H3Lys-9甲基化甲基化染色質(zhì)濃縮染色質(zhì)濃縮 H3Lys-9甲基化甲基化DNA甲基化所必需甲基化所必需 H3Lys-9乙?；阴；せ罴せ?H3Ser-10磷酸化磷酸

53、化激活激活 H3Lys-14乙?；阴；乐狗乐筁ys-9的甲基化的甲基化 H3Lys-79甲基化甲基化端粒沉默端粒沉默 H4Arg-3甲基化甲基化 H4Lys-5乙?；阴；b配裝配 H4Lys-12乙?；阴；b配裝配 H4Lys-16乙酰化乙?；诵◇w裝配核小體裝配 H4Lys-16乙?；阴；疐ly X激活激活 組蛋白修飾對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的影響組蛋白修飾對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的影響 目錄目錄 88 組蛋白修飾對(duì)于基因表達(dá)影響的機(jī)制也包括組蛋白修飾對(duì)于基因表達(dá)影響的機(jī)制也包括 兩種相互包容的理論。即：組蛋白的修飾直兩種相互包容的理論。即：組蛋白的修飾直 接影響染色質(zhì)或核小體的結(jié)構(gòu)，以及化學(xué)

54、修接影響染色質(zhì)或核小體的結(jié)構(gòu)，以及化學(xué)修 飾募集其他調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，為其他飾募集其他調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，為其他 功能分子與組蛋白結(jié)合搭建了一個(gè)平臺(tái)。這功能分子與組蛋白結(jié)合搭建了一個(gè)平臺(tái)。這 些理論構(gòu)成了些理論構(gòu)成了“組蛋白密碼組蛋白密碼”的假說(shuō)。的假說(shuō)。 目錄目錄 89 （三三） CpG島甲基化水平降低島甲基化水平降低 CpG島（島（CpG island) ：甲基化胞嘧啶在基因組中并不是：甲基化胞嘧啶在基因組中并不是 均勻分布，有些成簇的非甲基化均勻分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整個(gè)基因組中，存在于整個(gè)基因組中， 人們將這些人們將這些GC含量可達(dá)含量可達(dá)60%，長(zhǎng)度為，長(zhǎng)度為300

55、-3000bp的區(qū)段稱的區(qū)段稱 為為CpG島島。 轉(zhuǎn)錄活躍狀態(tài)的染色質(zhì)中，轉(zhuǎn)錄活躍狀態(tài)的染色質(zhì)中，CpG島的甲基化程度島的甲基化程度降低降低。 目錄目錄 90 DNA甲基化甲基化(DNA methylation)是真核生物在是真核生物在 染色質(zhì)水平調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的重要機(jī)制。主要是染色質(zhì)水平調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的重要機(jī)制。主要是由由 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶甲基轉(zhuǎn)移酶所催化的所催化的基因組基因組DNA上的上的胞嘧啶胞嘧啶 第第5位碳原子位碳原子和甲基間的共價(jià)結(jié)合，胞嘧啶由此和甲基間的共價(jià)結(jié)合，胞嘧啶由此 被修飾為被修飾為5甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC) 。 DNMT1 胞嘧啶胞嘧

56、啶5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶 胞嘧啶甲基化反應(yīng)胞嘧啶甲基化反應(yīng) S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 目錄目錄 91 表觀遺傳（表觀遺傳（epigenetic inheritance) ：染色質(zhì)結(jié)：染色質(zhì)結(jié) 構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的影響可以遺傳給子代細(xì)胞，其機(jī)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的影響可以遺傳給子代細(xì)胞，其機(jī) 制是細(xì)胞內(nèi)存在著具有維持甲基化作用的制是細(xì)胞內(nèi)存在著具有維持甲基化作用的DNA甲甲 基轉(zhuǎn)移酶，可以在基轉(zhuǎn)移酶，可以在DNA復(fù)制后，依照親本復(fù)制后，依照親本DNA鏈鏈 的甲基化位置催化子鏈的甲基化位置催化子鏈DNA在相同位置上發(fā)生甲在相同位置上發(fā)生甲 基化?；?表觀遺傳對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控不僅體現(xiàn)在表觀遺傳對(duì)基因表達(dá)

57、的調(diào)控不僅體現(xiàn)在DNA甲基甲基 化上，組蛋白乙?；?、甲基化和非編碼小化上，組蛋白乙酰化、甲基化和非編碼小RNA的的 調(diào)控都屬于表觀遺傳調(diào)控的范疇。調(diào)控都屬于表觀遺傳調(diào)控的范疇。 目錄目錄 92 三、基因組中的順式作用元件是轉(zhuǎn)錄起三、基因組中的順式作用元件是轉(zhuǎn)錄起 始的關(guān)鍵調(diào)節(jié)部位始的關(guān)鍵調(diào)節(jié)部位 同原核生物一樣，同原核生物一樣，轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始是真核生物表達(dá)調(diào)是真核生物表達(dá)調(diào) 控的關(guān)鍵。控的關(guān)鍵。 順式作用元件順式作用元件 指可影響自身基因表達(dá)活性的指可影響自身基因表達(dá)活性的DNADNA序列。序列。 目錄目錄 93 圖圖18-718-7順式作用元件順式作用元件 A A、B B分別代表同一基因中

58、的兩段特異分別代表同一基因中的兩段特異DNADNA序列。序列。B B序列通過(guò)一定機(jī)制影序列通過(guò)一定機(jī)制影 響響A A序列，并通過(guò)序列，并通過(guò)A A序列控制該基因的轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率。序列控制該基因的轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率。A A、B B 序列就是調(diào)節(jié)這個(gè)基因轉(zhuǎn)錄活性的順式作用元件序列就是調(diào)節(jié)這個(gè)基因轉(zhuǎn)錄活性的順式作用元件 目錄目錄 94 （一）真核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)遠(yuǎn)較原核（一）真核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)遠(yuǎn)較原核 生物復(fù)雜生物復(fù)雜 真核基因啟動(dòng)子是真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位聚合酶結(jié)合位 點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一 個(gè)個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始

59、點(diǎn)以及一個(gè)以上的以及一個(gè)以上的功能組件功能組件。 TATA盒盒 GC盒盒 CAAT盒盒 目錄目錄 95 最典型的功能組件是最典型的功能組件是TATA盒：盒： 位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-25 -30bp,控制轉(zhuǎn)控制轉(zhuǎn) 錄起始的準(zhǔn)確性及頻率，是錄起始的準(zhǔn)確性及頻率，是TFD的結(jié)的結(jié) 合位點(diǎn)。合位點(diǎn)。 以及以及GC盒：盒： 30 110bp區(qū)域區(qū)域GGGCGG; CAAT盒：盒：30 110bp區(qū)域區(qū)域GCCAAT， 另外，還有不含另外，還有不含TATA盒的啟動(dòng)子。盒的啟動(dòng)子。 目錄目錄 96 CCAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒 轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) 高等真核生物高等真核生物 上游激活序

60、上游激活序 列（列（UAS） TATA盒盒 轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) 酵母酵母 真核基因啟動(dòng)子的典型結(jié)構(gòu)真核基因啟動(dòng)子的典型結(jié)構(gòu) 目錄目錄 97 常見啟動(dòng)子元件結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子常見啟動(dòng)子元件結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子 目錄目錄 98 （二）增強(qiáng)子是能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式（二）增強(qiáng)子是能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式 調(diào)控元件調(diào)控元件 增強(qiáng)子的功能及其作用特征如下：增強(qiáng)子的功能及其作用特征如下： 與被調(diào)控基因位于同一條與被調(diào)控基因位于同一條DNA鏈上，屬于鏈上，屬于 順式作用元件；順式作用元件； 是組織特異性轉(zhuǎn)錄因子的是組織特異性轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合部位；結(jié)合部位； 不僅能夠在基因的不僅能夠在基因的上游上游或或下游下游起作用，而