第一章 基因表達調(diào)控1

醫(yī)學分子生物學

MedicalMolecularBiology從整體水平到分子水平示意圖分子水平細胞水平整體水平生命科學的發(fā)展過程：生命科學的研究內(nèi)容：生命物質(zhì)的結構與功能，生物與生物之間及生物與環(huán)境之間相互關系。

生命科學的前沿領域：分子生物學、分子遺傳學、細胞生物學、發(fā)育生物學和神經(jīng)生物學，而分子生物學是生命科學的核心前沿。

生命科學是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的一門綜合性學科。

分子生物學——從分子水平研究生命現(xiàn)象及其規(guī)律的一門新興學科。它是生命科學中發(fā)展最快并且與其他學科廣泛交叉和滲透的前沿領域。

由于分子生物學以其嶄新的觀點和技術對其他學科的全面滲透，推動了細胞生物學、遺傳學、發(fā)育生物學和神經(jīng)生物學向分子水平的方向發(fā)展，使這些學科已不再是原來的經(jīng)典學科，而成為生命科學的前沿。

分子生物學技術：

例如：DNA及RNA的印跡轉移、核酸分子雜交、基因克隆、基因體外擴增、DNA測序等，形成了獨特的重組DNA技術及其相關技術。由生物化學、生物物理學、細胞生物學、遺傳學、應用微生物學及免疫學等各專業(yè)技術的滲透、綜合而成，并在此基礎上發(fā)明和創(chuàng)造了一系列新的技術。分子克隆(molecularcloning)

重組DNA(recombinantDNA)技術是近代分子生物學技術的核心。

基因操作(genemanipulation)

基因克隆(genecloning)基因工程(geneengineering)分子醫(yī)學（molecularmedicine）：由于分子生物學滲透進入生物學和醫(yī)學的每一分支領域，全面推動了生命科學和醫(yī)學的各個方面的發(fā)展，如疾病的發(fā)病機理研究、疾病的診斷和治療，使醫(yī)學進入了一個嶄新的時代。

遺傳性狀改變或治療疾病可能從某一生物體的基因組中分離出某一特定功能基因，導入到另一種生物的基因組。

基因工程和蛋白質(zhì)工程外源DNA與載體在體外進行連接，或在基因水平上進行有目的的定向誘變。生物技術進入了分子水平，基因（或DNA）也進入了社會生產(chǎn)和人們生活的方方面面。按照自己的意愿和社會需求改造基因，制備各種具有生物活性的大分子。

DNA、RNA和蛋白質(zhì)成為人類治病、防病的一類新型的生物制品或藥物。生物技術在農(nóng)業(yè)上用于快速育種，改良品種，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量、質(zhì)量以及抗病蟲害，抗干旱等能力。分子生物學的主要研究內(nèi)容生物大分子的結構、功能，生物大分子之間的相互作用及其與疾病發(fā)生、發(fā)展的關系。第一章基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpression第一節(jié)

概述BasicConceptionsandCharacters一、基因表達是基因轉錄和翻譯的過程是基因轉錄及翻譯的過程，也是基因所攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過程，包括基因轉錄成互補的RNA序列，對于蛋白質(zhì)編碼基因，mRNA繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加工成最終的蛋白質(zhì)產(chǎn)物?；虮磉_(geneexpression)基因表達是受調(diào)控的。二、基因表達具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性是指基因表達按一定的時間順序發(fā)生按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按一定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。

多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。（二）空間特異性是指多細胞生物個體在特定生長發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達不同在個體生長、發(fā)育過程中，一種基因產(chǎn)物在個體的不同組織或器官表達，即在個體的不同空間出現(xiàn)，這就是基因表達的空間特異性(spatialspecificity)?；虮磉_伴隨時間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實際上是由細胞在器官的分布所決定的，因此基因表達的空間特異性又稱細胞特異性(cellspecificity)或組織特異性(tissuespecificity)。三、基因表達的方式存在多樣性基因表達調(diào)控（regulationofgeneexpression）就是指細胞或生物體在接受內(nèi)外環(huán)境信號刺激時或適應環(huán)境變化的過程中在基因表達水平上做出應答的分子機制，即位于基因組內(nèi)的基因如何被表達成為有功能的蛋白質(zhì)（或RNA），在什么組織表達，什么時候表達，表達多少等。

按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：組成性表達誘導或阻遏表達（一）有些基因幾乎在所有細胞中持續(xù)表達某些基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，不易受環(huán)境條件的影響，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。管家基因的表達水平受環(huán)境因素影響較小，而是在生物體各個生長階段的大多數(shù)、或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。這類基因表達被視為組成性基因表達(constitutivegeneexpression)?；镜幕虮磉_水平并非絕對“一成不變”，所謂“不變”是相對的。（二）有些基因的表達受到環(huán)境變化的誘導和阻遏在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，即這種基因表達是可誘導的?？烧T導基因(induciblegene)在一定的環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(induction)。

如果基因對環(huán)境信號應答時被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegene)?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，即為協(xié)同表達(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)同調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。（三）生物體內(nèi)不同基因的表達受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)四、基因表達調(diào)控受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)一般說來，調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，稱為順式作用元件(cis-actingelement)。調(diào)節(jié)序列遠離被調(diào)控的編碼序列，實際上是其他分子的編碼基因，只能通過其表達產(chǎn)物來發(fā)揮作用，這些蛋白質(zhì)分子稱為反式作用因子(trans-actingfactor)。五、基因表達調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復雜性首先，遺傳信息以基因的形式貯存于DNA中。其次，遺傳信息經(jīng)轉錄由DNA傳向RNA過程中的許多環(huán)節(jié)。(最重要、最復雜)最后，蛋白質(zhì)生物合成即翻譯與翻譯后加工。六、基因表達調(diào)控為生物體生長、發(fā)育的基礎（一）生物體調(diào)節(jié)基因表達以適應環(huán)境、維持生長和增殖生物體所處的內(nèi)、外環(huán)境是在不斷變化的。通過一定的程序調(diào)控基因的表達，可使生物體表達出合適的蛋白質(zhì)分子，以便更好地適應環(huán)境，維持其生長和增殖。（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達以維持細胞分化與個體發(fā)育在多細胞個體生長、發(fā)育的不同階段，或同一生長發(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，這些差異是調(diào)節(jié)細胞表型的關鍵。第二節(jié)

原核生物基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpressioninProkaryote原核生物基因組結構特點①基因組中很少有重復序列；②編碼蛋白質(zhì)的結構基因為連續(xù)編碼，且多為單拷貝基因，但編碼rRNA的基因仍然是多拷貝基因；③結構基因在基因組中所占的比例（約占50%）遠遠大于真核基因組；④許多結構基因在基因組中以操縱子為單位排列原核生物基因組是具有超螺旋結構的閉合環(huán)狀DNA分子原核生物大多數(shù)基因表達調(diào)控是通過操縱子機制實現(xiàn)一、操縱子是原核基因轉錄調(diào)控的基本單位

蛋白質(zhì)因子特異DNA序列編碼序列

啟動子

操縱元件

其他調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)操縱子模型的普遍性多順反子(polycistron)：mRNA分子攜帶了幾個多肽鏈的編碼信息。啟動子是RNA聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是決定基因表達效率的關鍵元件。各種原核基因啟動序列特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉錄起始點上游-10及-35區(qū)域存在一些相似序列，稱為共有序列。

E.coli及一些細菌啟動序列的共有序列在-10區(qū)域是TATAAT，在-35區(qū)域為TTGACA共有序列決定啟動序列的轉錄活性大小。基因表達有正調(diào)控和負調(diào)控調(diào)節(jié)原核生物基因表達的效應蛋白可分：阻遏蛋白----負調(diào)控因素激活蛋白----正調(diào)控因素調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）編碼能夠與操縱序列結合的調(diào)控蛋白，可以分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白。調(diào)控蛋白的作用分別是①特異因子決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力；②阻遏蛋白可以識別、結合特異DNA序列──操縱序列，抑制基因轉錄，所以阻遏蛋白介導負調(diào)節(jié)（negativeregulation）。阻遏蛋白介導的負性調(diào)節(jié)機制在原核生物中普遍存在；③激活蛋白可結合啟動序列鄰近的DNA序列，提高RNA聚合酶與啟動序列的結合能力，從而增強RNA聚合酶的轉錄活性，是一種正調(diào)控（positiveregulation）。二、乳糖操縱子是典型的誘導型調(diào)控（一）乳糖操縱子(lac

operon)的結構

調(diào)控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D移酶ZYAOPDNAlac

操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)阻遏基因1.阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶

lac

操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時2.CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3.協(xié)同調(diào)節(jié)當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

mRNA低半乳糖時高半乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)三、色氨酸操縱子通過轉錄衰減的方式阻遏基因表達色氨酸操縱子的作用原理Trp

Trp

高時Trp

低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶操縱子關閉四、原核基因表達在轉錄終止階段有不同的調(diào)控機制（一）不依賴Rho因子的轉錄終止（二）依賴Rho因子的轉錄終止常見于噬菌體中，結構特點不清楚。兩段富含GC的反向重復序列，中間間隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。終止子結構特點：五、原核基因表達在翻譯水平的多個環(huán)節(jié)受到精細調(diào)節(jié)（一）轉錄與翻譯的偶聯(lián)調(diào)節(jié)提高了基因表達調(diào)控的有效性衰減是轉錄-翻譯的偶聯(lián)調(diào)控色氨酸操縱子（trp

operon）除了產(chǎn)物阻遏負調(diào)控外，還有轉錄衰減（attenuation）調(diào)控方式。

色氨酸操縱子的結構及其關閉機制（二）蛋白質(zhì)分子結合于啟動序列或啟動序列周圍進行自我調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)蛋白結合mRNA靶位點，阻止核蛋白體識別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，稱自我控制(autogenouscontrol)。（三）翻譯阻遏利用蛋白質(zhì)與自身mRNA的結合實現(xiàn)對翻譯起始的調(diào)控編碼區(qū)的起始點可與調(diào)節(jié)分子（蛋白質(zhì)或RNA）直接