生物化学与分子生物学：第18章基因表达调控.ppt

目录目录1第十八章第十八章基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene Expression目录目录2Ø除了某些以除了某些以RNA为基因组的为基因组的RNA病毒外，基因病毒外，基因通常是指染色体或基因组的一段通常是指染色体或基因组的一段DNA序列Ø基因包括基因包括编码序列编码序列（外显子）、（外显子）、调控序列调控序列和和间间隔序列隔序列（内含子）（内含子）基因（基因（genegene）：）：编码蛋白质或编码蛋白质或RNA等具有特等具有特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位定功能产物的、负载遗传信息的基本单位目录目录3基因组（基因组（genome）：）：一个生物体内所有遗传一个生物体内所有遗传信息的总和信息的总和原核生物原核生物：单个的环状染色体所含的全部基因单个的环状染色体所含的全部基因真核生物真核生物：一个生物体的染色体所含的全部：一个生物体的染色体所含的全部DNA ，，又称又称染色体基因组染色体基因组线粒体基因组线粒体基因组 叶绿体基因组叶绿体基因组属属核核外外遗遗传传物物质质，，由由一一个个亲亲本本（（卵卵细细胞胞））的的细细胞质所提供胞质所提供目录目录人类基因组包含人类基因组包含了细胞了细胞核染色体核染色体DNA（常染色体和（常染色体和性染色体）及性染色体）及线粒线粒体体DNA所携带的所所携带的所有遗传物质。

有遗传物质 目录目录5第一节第一节基因表达与基因表达调控的基因表达与基因表达调控的基本概念与特点基本概念与特点Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and it’s Regulation目录目录6一、基因表达是基因转录和翻译的过程一、基因表达是基因转录和翻译的过程是基因是基因转录及翻译转录及翻译的过程，也是基因所的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码序列，对于蛋白质编码基因，基因，mRNA继而翻译成多肽链，并装配加继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物工成最终的蛋白质产物 Ø基因表达基因表达(gene expression)Ø基因表达是受调控的基因表达是受调控的目录目录7二、基因表达具有时间特异性和空间特异性二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间顺序发生顺序发生Ø按功能需要，某一特定基因的表达严格按一按功能需要，某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。

Ø多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段阶段特异性特异性(stage specificity)目录目录8（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特定生长发育阶段，同一基因在不同的定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同组织器官表达不同 Ø在在个个体体生生长长、、发发育育过过程程中中，，一一种种基基因因产产物物在在个个体体的的不不同同组组织织或或器器官官表表达达，，即即在在个个体体的的不不同同空空间间出出现现，，这就是基因表达的这就是基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)Ø基基因因表表达达伴伴随随时时间间或或阶阶段段顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种空空间间分分布布差差异异，，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布所所决决定定的的，，因因此此基基因因表表达达的的空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞特特异异性性(cell specificity)或组织特异性或组织特异性(tissue specificity)目录目录9三、基因表达的方式存在多样性三、基因表达的方式存在多样性Ø基因表达调控（基因表达调控（regulation of gene expression））就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。

达，什么时候表达，表达多少等 目录目录10按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：Ø基本（或组成性）表达基本（或组成性）表达Ø诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达目录目录11（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达Ø某某些些基基因因在在一一个个生生物物个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表表达达，，不不易易受受环环境境条条件件的的影影响响，，通通常常被被称称为为管管家家基基因因(housekeeping gene)Ø管管家家基基因因的的表表达达水水平平受受环环境境因因素素影影响响较较小小，，而而是是在在生生物物体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数、、或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，，或或变变化化很很小小这这类类基基因因表表达达被被视视为为基基本本（（或或组组成性）基因表达成性）基因表达(constitutive gene expression)基本的基因表达水平并非绝对基本的基因表达水平并非绝对“一成不变一成不变”，， 所谓所谓“不变不变”是相对的是相对的 目录目录12（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏和阻遏Ø在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，，相相应应的的基基因因被被激激活活，，基基因因表表达达产产物物增增加加，，即即这这种种基基因因表表达达是是可可诱诱导导的。

的Ø可可诱诱导导基基因因(inducible gene)在在一一定定的的环环境境中中表达增强的过程，称为表达增强的过程，称为诱导诱导(induction) DNA损伤损伤 →修复酶基因激活修复酶基因激活目录目录13Ø如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答时时被被抑抑制制，，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因(repressible gene)可可阻阻遏遏基基因因 表表 达达 产产 物物 水水 平平 降降 低低 的的 过过 程程 称称 为为 阻阻 遏遏(repression)色氨酸色氨酸 —色氨酸合成酶系表达被抑制色氨酸合成酶系表达被抑制目录目录14Ø在在一一定定机机制制控控制制下下，，功功能能上上相相关关的的一一组组基基因因，，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，，均均需需协协调调一一致致、、共共同同表表达达，，即即为为协协同同表表达达(coordinate expression)，， 这这 种种 调调 节节 称称 为为 协协 同同 调调 节节(coordinate regulation)三）生物体内不同基因的表达受到协调调节（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节目录目录15四、基因表达调控受顺式作用元件四、基因表达调控受顺式作用元件和反式作用因子共同调节和反式作用因子共同调节Ø一一般般说说来来，，调调节节序序列列与与被被调调控控的的编编码码序序列列位位于于同同一一条条DNADNA链链上上，，称称为为顺顺式式作作用用元元件件( (cis -acting element) )。

目录目录17转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒增强子增强子n典典型型的的真真核核生生物物顺顺式式作作用用元元件件(cis-acting element)AATAAA切离加尾切离加尾转录终止点转录终止点修饰点修饰点外显子外显子翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 目录目录真核生物的特异真核生物的特异DNA序列序列顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element) ——位于编码基因两侧，可影响位于编码基因两侧，可影响自身自身基因基因表达活性的表达活性的DNA序列序列RNA聚合酶聚合酶ⅡⅡBADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点mRNARNA聚合酶聚合酶ⅡⅡBADNA转录起始点转录起始点mRNA目录目录19Ø调调节节序序列列远远离离被被调调控控的的编编码码序序列列，，实实际际上上是是其其他他分分子子的的编编码码基基因因，，只只能能通通过过其其表表达达产产物物来来发发挥挥作作用用，，这这些些蛋蛋白白质质分分子子称称为为反反式式作作用用因子因子( (trans-acting factor) )目录目录20五、基因表达调控呈现多层次和复杂性五、基因表达调控呈现多层次和复杂性Ø首先，遗传信息以基因的形式贮存于首先，遗传信息以基因的形式贮存于DNADNA中。

中Ø其其次次，，遗遗传传信信息息经经转转录录由由DNADNA传传向向RNARNA过过程程中中的许多环节的许多环节 (最重要、最复杂最重要、最复杂) )Ø最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工目录目录21基因表达调控的多层次和复杂性基因表达调控的多层次和复杂性基因激活基因激活转录水平转录水平转录后加工转录后加工翻译水平翻译水平翻译后加工翻译后加工mRNA降解降解基因表达基因表达可调控的环节可调控的环节蛋白质降解蛋白质降解目录目录22六、基因表达调控为生物体生长、发育的基六、基因表达调控为生物体生长、发育的基础础（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生长和增殖长和增殖•久居高原地区的居民平均久居高原地区的居民平均 Hb 浓度浓度升高升高目录目录23（二）生物体调节基因表达以维持细胞（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。

些差异是调节细胞表型的关键 目录目录24第二节第二节 原核基因表达调控原核基因表达调控Regulation of Gene Expression in Prokaryote 目录目录25原核生物基因组结构特点原核生物基因组结构特点① ① 基因组中基因组中很少有重复序列很少有重复序列；；② ② 编编码码蛋蛋白白质质的的结结构构基基因因为为连连续续编编码码，，且且多多为为单单拷拷贝贝基因，但编码基因，但编码rRNA的基因仍然是多拷贝基因；的基因仍然是多拷贝基因；③ ③ 结结构构基基因因在在基基因因组组中中所所占占的的比比例例（（约约占占50%50%））远远远远大于真核基因组；大于真核基因组；④ ④ 许多结构基因在基因组中以许多结构基因在基因组中以操纵子操纵子为单位排列为单位排列原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子分子 目录目录26——调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始原核基因转录调节特点原核基因转录调节特点σ因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性目录目录27•在转录起始阶段，在转录起始阶段，σ亚基（又称亚基（又称σ因子）识别因子）识别特异启动序列；不同的特异启动序列；不同的σ因子因子决定特异基因的决定特异基因的转录激活，也决定不同转录激活，也决定不同RNA（（mRNA、、rRNA和和tRNA）基因的转录）基因的转录。

目录目录29原核生物大多数基因表达调控是通过原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制操纵子机制实现的一、一、操纵子是原核基因转录调控的基本操纵子是原核基因转录调控的基本单位单位 蛋白质因子蛋白质因子特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动子启动子 操纵元件操纵元件 其他调节基因其他调节基因(promoter)(operator)目录目录30操纵子定义：操纵子定义：原核生物基因组中，几个功能原核生物基因组中，几个功能相关的相关的结构基因结构基因及其上游的及其上游的调控区域调控区域，称为，称为一个操纵子一个操纵子( (Operon) )组成：组成：结构基因结构基因----2----2个以上的编码序列个以上的编码序列 启动序列启动序列----RNA----RNA聚合酶辨认、结合聚合酶辨认、结合 操纵元件操纵元件--------（（Operator) ) 调节序列调节序列---- ---- 与其他调节蛋白结合与其他调节蛋白结合目录目录31操纵子结构（操纵子结构（Operon））启动序列启动序列 操纵序列操纵序列结构基因结构基因1 结构基因结构基因2 结构基因结构基因3（（ 信信 息息 区区 ））（（ 调调 控控 区区 ））Promoter OperatorStructural geneRNA聚合酶聚合酶多顺反子多顺反子mRNA识别识别结合结合结合结合阻遏蛋白阻遏蛋白其它序列其它序列 其它其它调节蛋白调节蛋白目录目录32操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性Ø多顺反子多顺反子(polycistron)：：一条一条mRNA分子携带了几个多分子携带了几个多肽链的编码信息。

肽链的编码信息目录目录33E.Coli乳糖操纵子的结构基因乳糖操纵子的结构基因目录目录34操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性Ø多顺反子多顺反子(polycistron)：：一条一条mRNA分子携带了分子携带了几个几个多多肽链的编码信息肽链的编码信息Ø启动子启动子是是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件决定基因表达效率的关键元件Ø各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游点上游-10及及-35区域存在一些相似序列，称为区域存在一些相似序列，称为共有序列共有序列Ø E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域是区域是TATAAT，在，在-35区域为区域为TTGACAØ 共有序列决定启动序列的转录活性大小共有序列决定启动序列的转录活性大小 目录目录35图图18-1 518-1 5种种E.coliE.coli启动序列的共有序列启动序列的共有序列Pribnow盒盒目录目录 操纵序列操纵序列 操操纵纵序序列列（（operator））是是指指能能被被阻阻遏遏蛋蛋白白特特异异性性结结合合的的一一段段DNA序序列列，，常常与与启启动动序序列列邻邻近近或或与与启启动动序序列列重重叠叠，，当当阻阻遏遏蛋蛋白白结结合合在在操操纵纵序列上，会影响其下游基因的转录。

序列上，会影响其下游基因的转录操操纵纵序序列列是是原原核核阻阻遏遏蛋蛋白白的的结结合合位位点点，，介介导导负负性调节目录目录　　以乳糖操纵子中的操纵序列为例，其操纵序列（o）位于启动序列（p）与被调控的基因之间，部分序列与启动序列重叠 目录目录 调节序列调节序列 调调节节序序列列中中存存在在某某些些特特异异的的DNA序序列列，，可可结结合合激激活活蛋蛋白白，，结结合合后后RNA聚聚合合酶酶活活性性增增强强，，使转录激活，介导正性调节使转录激活，介导正性调节目录目录39调调节节基基因因（（regulatory gene））编编码码能能够够与与操操纵纵序序列列结结合合的的调调控控蛋蛋白白，，可可以以分分为为三三类类：：特特异异因因子、阻遏蛋白和激活蛋白子、阻遏蛋白和激活蛋白 调控蛋白的作用分别是调控蛋白的作用分别是 ①① 特异因子特异因子决定决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力，如特异性识别和结合能力，如σ因子；因子；目录目录40②② 阻遏蛋白阻遏蛋白可以识别、结合特异可以识别、结合特异DNA序列序列──操纵序列，抑操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（negative regulation）。

阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物）阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在；中普遍存在；③③ 激活蛋白激活蛋白可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列，提高序列，提高RNA聚聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转聚合酶的转录活性，是一种正调控（录活性，是一种正调控（positive regulation），如），如CAP结合蛋白结合蛋白 目录目录41基因表达有正调控和负调控基因表达有正调控和负调控调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：阻遏蛋白阻遏蛋白----负调控因素负调控因素 激活蛋白激活蛋白----正调控因素正调控因素 目录目录42 大肠杆菌可以利用大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和葡萄糖和乳糖乳糖时，细菌时，细菌优先优先利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，但经过短时间的停止生长，但经过短时间的适应适应，就能完全利用乳糖，，就能完全利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。

细菌继续呈指数式繁殖增长二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控目录目录43•大肠杆菌能够利用乳大肠杆菌能够利用乳糖作为它的唯一碳源，糖作为它的唯一碳源，就必须使得：就必须使得：1.乳糖能进入细胞乳糖能进入细胞2. 将乳糖水解为将乳糖水解为 半乳糖和葡萄糖半乳糖和葡萄糖•β半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶乙酰基转移酶是大肠是大肠杆菌杆菌DNA上乳糖操纵上乳糖操纵子的子的3个结构基因，经个结构基因，经转录和翻译而成转录和翻译而成目录目录44（（一一））乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 结构基因结构基因Z：： β-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：： 透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列编码阻遏蛋白编码阻遏蛋白CAP: catabolite activation protein目录目录45图图18-2 lac 18-2 lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节目录目录46mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（（二二））乳糖操纵子受阻遏蛋白和乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节的双重调节阻遏基因阻遏基因1.1.阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节 有有乳糖存在时：乳糖存在时： Lac operon 被诱导表达。

被诱导表达 阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，偶有阻遏蛋白与阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，偶有阻遏蛋白与O序列解序列解聚、因此每个细胞中可能有寥寥数分子聚、因此每个细胞中可能有寥寥数分子β-半乳糖苷酶、透酶半乳糖苷酶、透酶生成乳糖可经过这数分子的透酶催化进入细胞，再经过生成乳糖可经过这数分子的透酶催化进入细胞，再经过β-半乳糖苷酶催化转变为半乳糖，半乳糖作为一种诱导剂半乳糖苷酶催化转变为半乳糖，半乳糖作为一种诱导剂（（inducer)与阻遏蛋白结合，使之构象改变，导致阻遏蛋白与阻遏蛋白结合，使之构象改变，导致阻遏蛋白与与O序列解离，而发生转录序列解离，而发生转录半乳糖半乳糖乳糖乳糖阻遏蛋白阻遏蛋白结合半乳糖后，阻结合半乳糖后，阻遏蛋白构象改变遏蛋白构象改变目录目录48mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶半乳糖苷酶图图18-4 18-4 laclac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节目录目录49n半乳糖的类似物半乳糖的类似物异丙基硫代半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（（IPTG）因与半乳糖结构类似，是一种作）因与半乳糖结构类似，是一种作用极强的诱导剂。

常被实验室采用用极强的诱导剂常被实验室采用β半乳糖半乳糖目录目录50+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时2. CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP目录目录513. 3. 协同同调节Ø当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，，CAP对对该该系系统统不不能能发挥作用发挥作用Ø如如无无CAP存存在在，，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列结合，操纵子仍无转录活性列结合，操纵子仍无转录活性Ø单单纯纯乳乳糖糖存存在在时时，，细细菌菌利利用用乳乳糖糖作作碳碳源源；；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，，细细菌菌首首先先利利用用葡葡萄萄糖糖葡葡萄萄糖糖对对 lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用称用称分解代谢阻遏分解代谢阻遏(catabolic repression) 两者相辅相成，缺一不可两者相辅相成，缺一不可目录目录52mRNA无乳糖时无乳糖时高乳糖时高乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOOFLASH目录目录54Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子三、三、色氨酸操纵子通过转录衰减的方式色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达阻遏基因表达色氨酸操纵子的作用阻遏原理色氨酸操纵子的作用阻遏原理目录目录55四、原核基因表达在转录终止阶段四、原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制有不同的调控机制（（一一）不依）不依赖RhoRho因子的因子的转录终止止Ø两段富含两段富含GC的反向重复序列，中间间隔的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；若干核苷酸；Ø下游含一系列下游含一系列T序列。

序列 终止子结构特点：终止子结构特点：目录目录56近终止区的转录产物形成发夹近终止区的转录产物形成发夹(hairpin)结构结构是非依赖是非依赖ρ因子终止的普遍现象因子终止的普遍现象 目录目录57（二）依（二）依赖RhoRho因子的因子的转录终止止常见于噬菌体中，结构特点不清楚常见于噬菌体中，结构特点不清楚 目录目录58五、原核基因表达在翻译水平的多个环五、原核基因表达在翻译水平的多个环节受到精细调节节受到精细调节 （一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性达调控的有效性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色氨氨酸酸操操纵纵子子（（trp operon））除除了了产产物物阻阻遏遏负负调控外，还有调控外，还有转录衰减（转录衰减（attenuation））调控方式调控方式 目录目录单林娜 制作59调控基因调控基因 结构基因结构基因 催化分支酸转变为色氨酸催化分支酸转变为色氨酸 的酶的酶色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构trpRtrpRPLeaderLeader前导序列前导序列目录目录单林娜 制作60目录目录61UUUU……UUUU……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 第第1010、、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/21/2> >序列序列2/3>2/3>序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUU……目录目录62UUUU……34UUUU 3’34核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1.1.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’ RNARNA聚合酶聚合酶 终止终止目录目录63UUUU……342423UUUU……核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15’ trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNARNA聚合酶聚合酶 2.2.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相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 目录目录64图图18-4 18-4 色氨酸操纵子的结构及其关闭机制色氨酸操纵子的结构及其关闭机制目录目录65•衰减衰减和和抗终止抗终止现象最早在现象最早在E.coli Trp操纵子中发操纵子中发现，其结构和机制异常精细。

衰减可以使得转录现，其结构和机制异常精细衰减可以使得转录提前结束，抗终止使得转录继续进行下去提前结束，抗终止使得转录继续进行下去•阻遏和衰减虽然都在转录水平上进行，但两者的阻遏和衰减虽然都在转录水平上进行，但两者的机制完全不同：前者控制转录的起始，后者决定机制完全不同：前者控制转录的起始，后者决定转录起始后是否进行下去衰减作用比阻遏作用转录起始后是否进行下去衰减作用比阻遏作用是更为精细的调节是更为精细的调节目录目录66衰减子更衰减子更灵敏灵敏只要只要Trp一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白结一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白结合合O序列，也可以使大量的序列，也可以使大量的mRNA转录提前终转录提前终止反之，当止反之，当Trp减少时，即使失去了诱导阻减少时，即使失去了诱导阻遏蛋白的阻遏作用，但只要还可以维持前导肽遏蛋白的阻遏作用，但只要还可以维持前导肽的合成，仍继续阻止转录这样可以保证尽可的合成，仍继续阻止转录这样可以保证尽可能充分的消耗能充分的消耗Trp，使其合成维持在满足需要，使其合成维持在满足需要的水平，防止的水平，防止Trp堆积和过多的消耗能量堆积和过多的消耗能量目录目录67（二）大分子结合于启动序列或启动序列周围（二）大分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节进行自我调节 Ø调节蛋白结合调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核糖体识别靶位点，阻止核糖体识别翻译起始区，从而阻断翻译。

翻译起始区，从而阻断翻译Ø调节蛋白一般作用于自身调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的，抑制自身的合成，称合成，称自我控制自我控制(autogenous control)蛋白质结合：蛋白质结合：目录目录68如：核糖体蛋白是自身翻译的抑制蛋白如：核糖体蛋白是自身翻译的抑制蛋白•组成核糖体的蛋白质有组成核糖体的蛋白质有50种之多，这些蛋种之多，这些蛋白质必需以相同的速度合成出来，且它们必白质必需以相同的速度合成出来，且它们必需严格保持与需严格保持与rRNA相应的水平相应的水平•当有过量核糖体蛋白游离存在时即会引起它当有过量核糖体蛋白游离存在时即会引起它自身以及有关蛋白质合成的阻遏自身以及有关蛋白质合成的阻遏目录目录69核糖体蛋白质核糖体蛋白质rRNAmRNA？？•核糖体蛋白质既可以和核糖体蛋白质既可以和rRNA结合，又可以和编码自身的结合，又可以和编码自身的mRNA结合但是它对前者的结合力要比后者大很多但是它对前者的结合力要比后者大很多•正常情况下，核糖体蛋白质与正常情况下，核糖体蛋白质与rRNA结合，当它表达过量结合，当它表达过量时，时，““多余的多余的””核糖体蛋白就会和核糖体蛋白就会和mRNA结合，阻遏自结合，阻遏自身的翻译。

身的翻译机制：机制：目录目录70Ø如如SD序列与序列与16S rRNA的互补程度，以及的互补程度，以及SD序列到起始密码子之间的距离都强烈序列到起始密码子之间的距离都强烈影响翻译的效率影响翻译的效率 核酸分子结合：核酸分子结合：目录目录71（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的的结合实现对翻译起始的调控结合实现对翻译起始的调控Ø编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或RNA）直接或间接地结合来决定翻译起始直接或间接地结合来决定翻译起始Ø调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖体的结合糖体的结合目录目录72nS8：组成核糖体小亚基的一个蛋白，可以与：组成核糖体小亚基的一个蛋白，可以与16S rRNA的茎环结构结合的茎环结构结合nL5：组成核糖体大亚基的一个蛋白，其：组成核糖体大亚基的一个蛋白，其mRNA的的5‘末端能形成与末端能形成与16S rRNA类似的茎环结构类似的茎环结构n当当16S rRNA充足充足时，可以与所有的时，可以与所有的S8蛋白结合，蛋白结合，不影响不影响L5蛋白合成；蛋白合成；n当当16S rRNA不足不足时，多余的时，多余的S8与与L5 mRNA结合，结合，阻遏阻遏L5蛋白的合成。

蛋白的合成目录目录73（四）反义（四）反义RNA结合结合mRNA翻译起始部位的翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节互补序列对翻译进行调节Ø可调节基因表达的可调节基因表达的RNA称为调节称为调节RNAØ细细菌菌中中含含有有与与特特定定mRNA翻翻译译起起始始部部位位互互补补的的RNA，，通通过过与与mRNA杂杂交交阻阻断断30S小小亚亚基基对对起起始始密密码码子子的的识识别别及及与与SD序序列列的的结结合合，，抑抑制制翻翻译译起起始始这这种种调调节节称称为为反反义义控控制制(antisense control)目录目录74（五）（五）mRNA密码子的编码频率影响翻译速度密码子的编码频率影响翻译速度Ø当基因中的密码子是常用密码子时，当基因中的密码子是常用密码子时，mRNA的的翻译速度快，反之，翻译速度快，反之，mRNA的翻译速度慢的翻译速度慢目录目录75第三节第三节 真核基因表达调控真核基因表达调控Regulation of Gene Expression in Eukaryote目录目录76一、真核细胞基因表达的特点一、真核细胞基因表达的特点①① 真核基因组比原核基因组真核基因组比原核基因组大大得多；得多；②② 原原核核基基因因组组的的大大部部分分序序列列都都为为编编码码基基因因，，而而哺哺乳乳类类基基因因组组中中只只有有10%的的序序列列编编码码蛋蛋白白质质、、rRNA、、tRNA等等，，其其余余90%的的序序列列，，包包括括大大量量的的重重复复序列功能至今还不清楚，可能参与调控；序列功能至今还不清楚，可能参与调控；③③ 真真核核生生物物编编码码蛋蛋白白质质的的基基因因是是不不连连续续的的，，转转录录后后需需要要剪剪接接去去除除内内含含子子，，这这就就增增加加了了基基因因表表达达调调控的层次控的层次 ；；目录目录77 ④④ 原原核核生生物物的的基基因因编编码码序序列列在在操操纵纵子子中中，，多多顺顺反反子子mRNA使使得得几几个个功功能能相相关关的的基基因因自自然然协协调调控控制制；；而而真真核核生生物物则则是是一一个个结结构构基基因因转转录录生生成成一一条条 mRNA，， 即即 mRNA是是 单单 顺顺 反反 子子（（monocistron）），，许许多多功功能能相相关关的的蛋蛋白白、、即即使使是是一一种种蛋蛋白白的的不不同同亚亚基基也也将将涉涉及及到到多多个个基基因因的协调表达；的协调表达；目录目录78⑤⑤ 真真核核生生物物DNA在在细细胞胞核核内内与与多多种种蛋蛋白白质质结结合合构构成成染染色色质质，，这这种种复复杂杂的的结结构构直直接接影影响响着着基基因因表表达；达；⑥⑥ 真真核核生生物物的的遗遗传传信信息息不不仅仅存存在在于于核核DNA上上，，还还存存在线粒粒体体DNA上上，，核核内内基基因因与与线线粒粒体体基基因因的的表达调控既相互独立而又需要协调。

表达调控既相互独立而又需要协调 目录目录79图图18-5 18-5 真核生物基因表达的多层次复杂调控真核生物基因表达的多层次复杂调控目录目录80二、染色二、染色质结构与真核基因表达密切相关构与真核基因表达密切相关Ø活性染色质活性染色质 (active chromatin)具有转录活性的染色质具有转录活性的染色质Ø超敏位点（超敏位点（hypersensitive site)当染色质活化后，常出现一些对核酸酶当染色质活化后，常出现一些对核酸酶（如（如DNase I）高度敏感的位点高度敏感的位点一）（一）转录活化的染色活化的染色质对核酸核酸酶酶极极为敏感敏感 目录目录81(二二) 转录活化染色质的组蛋白发生改变转录活化染色质的组蛋白发生改变 组蛋白结构及其化学修饰组蛋白结构及其化学修饰（（a a）组蛋白与）组蛋白与DNADNA组成的核小体；（组成的核小体；（b b）组蛋白的氨基端伸出核小）组蛋白的氨基端伸出核小体，形成组蛋白尾巴；（体，形成组蛋白尾巴；（c c）四种组蛋白组成的八聚体）四种组蛋白组成的八聚体目录目录82转录活跃区域的染色质中的组蛋白转录活跃区域的染色质中的组蛋白的特点：的特点：n富含富含Lys的的H1组蛋白降低组蛋白降低；；nH2A-H2B 组蛋白二聚体不稳定性增加组蛋白二聚体不稳定性增加，使其容易从核小，使其容易从核小体核心中被置换出来；体核心中被置换出来；n核心组蛋白核心组蛋白H3、、H4可发生乙酰化、磷酸化及泛素化可发生乙酰化、磷酸化及泛素化修饰修饰。

以上特点使得核小体结构变得以上特点使得核小体结构变得松弛不稳定松弛不稳定，降低核小体对，降低核小体对DNA的亲和力，的亲和力，易于基因转录易于基因转录目录目录83组蛋白乙蛋白乙酰化／去乙化／去乙酰化化 组蛋白的乙酰化是一可逆的动态过程，而其稳组蛋白的乙酰化是一可逆的动态过程，而其稳定状态的维持则是多种定状态的维持则是多种组蛋白乙酰基转移酶组蛋白乙酰基转移酶（（HATs））和和去乙酰基酶（去乙酰基酶（HDACs））共同作用共同作用的结果这种可逆的乙酰化修饰作用可使染色的结果这种可逆的乙酰化修饰作用可使染色质结构发生动态的改变，并对基因的转录产生质结构发生动态的改变，并对基因的转录产生相应的影响相应的影响 目录目录84赖氨酸赖氨酸引入乙酰基引入乙酰基 乙酰基转移酶乙酰基转移酶去乙酰化酶去乙酰化酶目录目录85 组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因转录活性变化可能的机制：转录活性变化可能的机制： 组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白组蛋白携带正电荷量减少携带正电荷量减少，降低其与带负电荷的，降低其与带负电荷的DNADNA链链的亲和性，导致局部的亲和性，导致局部DNADNA与组蛋白八聚体解开缠与组蛋白八聚体解开缠绕，从而促使参与转录调控的各种蛋白因子与绕，从而促使参与转录调控的各种蛋白因子与DNADNA特异序列结合，进而发挥转录调控作用。

特异序列结合，进而发挥转录调控作用目录目录86组蛋白甲基化组蛋白甲基化n通常不改变组蛋白尾巴上的电荷；通常不改变组蛋白尾巴上的电荷；n增加其碱性度和疏水性；增强组蛋白与增加其碱性度和疏水性；增强组蛋白与DNADNA的亲和力的亲和力目录目录87组蛋白蛋白氨基酸残基位点氨基酸残基位点修修饰类型型功功 能能H3Lys-4甲基化甲基化激活激活H3Lys-9甲基化甲基化染色染色质浓缩H3Lys-9甲基化甲基化DNA甲基化所必需甲基化所必需H3Lys-9乙乙酰化化激活激活H3Ser-10磷酸化磷酸化激活激活H3Lys-14乙乙酰化化防止防止Lys-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乙乙酰化化装配装配H4Lys-12乙乙酰化化装配装配H4Lys-16乙乙酰化化核小体装配核小体装配H4Lys-16乙乙酰化化Fly X激活激活组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响 目录目录88Ø组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论即：组蛋白的修饰直两种相互包容的理论。

即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，以及化学修接影响染色质或核小体的结构，以及化学修饰募集其他调控基因转录的蛋白质，为其他饰募集其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台这功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台这些理论构成了些理论构成了“组蛋白密码组蛋白密码”的假说目录目录89（（三三）） CpG岛甲基化水平降低甲基化水平降低ØCpG岛岛（（CpG island) ：：甲甲基基化化胞胞嘧嘧啶啶在在基基因因组组中中并并不不是是均均匀匀分分布布，，有有些些成成簇簇的的非非甲甲基基化化CG存存在在于于整整个个基基因因组组中中，，人人们们将将这这些些GC含含量量可可达达60%，，长长度度为为300-3000bp的的区区段段称称为为CpG岛岛Ø转录活跃状态的染色质中，转录活跃状态的染色质中，CpG岛的甲基化程度岛的甲基化程度降低降低目录目录909090 DNA甲甲基基化化(DNA methylation)是是真真核核生生物物在在染染色色质水水平平调控控基基因因转录的的重重要要机机制制主主要要是是由由DNA甲甲基基转转移移酶酶所所催催化化的的基基因因组DNA上上的的胞胞嘧啶第第5位位碳碳原原子子和和甲甲基基间的的共共价价结合合，，胞胞嘧啶由由此此被被修修饰为5甲基胞甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，，5mC)。

DNMT1SAMSAM胞嘧啶胞嘧啶5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反应胞嘧啶甲基化反应 9090S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸目录目录91Ø表表观观遗遗传传（（epigenetic inheritance) ：：染染色色质质结结构构对对基基因因表表达达的的影影响响可可以以遗遗传传给给子子代代细细胞胞，，其其机机制制是是细细胞胞内内存存在在着着具具有有维维持持甲甲基基化化作作用用的的DNA甲甲基基转转移移酶酶，，可可以以在在DNA复复制制后后，，依依照照亲亲本本DNA链链的的甲甲基基化化位位置置催催化化子子链链DNA在在相相同同位位置置上上发发生生甲甲基化Ø表表观观遗遗传传对对基基因因表表达达的的调调控控不不仅仅体体现现在在DNA甲甲基基化化上上，，组组蛋蛋白白乙乙酰酰化化、、甲甲基基化化和和非非编编码码小小RNA的的调控都属于表观遗传调控的范畴调控都属于表观遗传调控的范畴目录目录92三、基因组中的顺式作用元件是转录起三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位始的关键调节部位Ø同原核生物一样，同原核生物一样，转录起始转录起始是真核生物表达调是真核生物表达调控的关键控的关键。

Ø顺式作用元件顺式作用元件 指可影响自身基因表达活性的指可影响自身基因表达活性的DNADNA序列目录目录93图图18-718-7顺式作用元件顺式作用元件A A、、B B分别代表同一基因中的两段特异分别代表同一基因中的两段特异DNADNA序列B B序列通过一定机制影响序列通过一定机制影响A A序列，并通过序列，并通过A A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率序列控制该基因的转录起始的准确性及频率A A、、B B序列序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件目录目录94（一）真核生物启（一）真核生物启动子子结构和构和调节远较原核原核生物复生物复杂真真核核基基因因启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点周周围围的的一一组组转转录录控控制制组组件件，，至至少少包包括括一一个个转录起始点转录起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒目录目录95最典型的功能组件是最典型的功能组件是TATA盒：盒： 位于转录起始点上游位于转录起始点上游-25 ~ -30bp,控制转控制转录起始的准确性及频率，是录起始的准确性及频率，是TFⅡD的结合的结合位点。

位点以及以及GC盒：盒： －－30 ~ －－110bp区域区域GGGCGG; CAAT盒：盒：－－30 ~ －－110bp区区域域GCCAAT，，另外，还有不含另外，还有不含TATA盒的启动子盒的启动子目录目录96CCAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒转录起始点转录起始点高等真核生物高等真核生物上游激活序上游激活序列（列（UAS））TATA盒盒转录起始点转录起始点酵母酵母真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构目录目录97常见启动子元件结合的转录因子常见启动子元件结合的转录因子目录目录98（二）增（二）增强强子是能子是能够提高提高转录效率的效率的顺式式调控元件控元件增强子的功能及其作用特征如下：增强子的功能及其作用特征如下：Ø与被调控基因位于同一条与被调控基因位于同一条DNA链上，属于链上，属于顺顺式作用元件；式作用元件；Ø是组织特异性转录因子的是组织特异性转录因子的结合部位；结合部位；Ø不仅能够在基因的不仅能够在基因的上游上游或或下游下游起作用，而且起作用，而且还可以还可以远距离远距离实施调节作用；实施调节作用；Ø作用与序列的作用与序列的方向性无关；方向性无关；Ø需要有启动子需要有启动子才能发挥作用。

才能发挥作用目录目录99例如：例如：Beta珠蛋白基因的增强子是由串联重复的珠蛋白基因的增强子是由串联重复的两个两个72bp长的相同序列组成，位于转录起点上游长的相同序列组成，位于转录起点上游-1400bp或下游或下游3300bp处，均可增强转录效率处，均可增强转录效率（活性）（活性）200倍增强子在转录起始点的上下游倍增强子在转录起始点的上下游一定范围内增强转录效率作用可以是一定范围内增强转录效率作用可以是5’～～3’，，也可以是也可以是3’～～5’方向目录目录100（三）沉默子能（三）沉默子能够抑制基因的抑制基因的转录Ø沉沉默默子子是是一一类类基基因因表表达达的的负负性性调调控控元元件件，，当当其其结结合合特特异异蛋蛋白白因因子子时时，，对对基基因因转转录录起起阻阻遏遏作用目录目录101四、转录因子是转录调控的关键分子四、转录因子是转录调控的关键分子Ø真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或转录因子转录因子（（transcription factor, TF）Ø绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达后，进入细胞核，通过识别、结合特异的顺式后，进入细胞核，通过识别、结合特异的顺式作用元件而增强或降低相应基因的表达。

作用元件而增强或降低相应基因的表达Ø转录因子也被称为反式作用蛋白或转录因子也被称为反式作用蛋白或反式作用因反式作用因子子目录目录102真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白Ø还还有有蛋蛋白白质质因因子子可可特特异异识识别别、、结结合合自自身身基基因因的的调调节节序序列列，，调调节节自自身身基基因因的的表表达达，，称称顺式作用顺式作用Ø由由某某一一基基因因表表达达产产生生的的蛋蛋白白质质因因子子，，通通过过与与另另一一基基因因的的特特异异的的顺顺式式作作用用元元件件相相互互作作用用，，调调节节其其表表达达这这种种调调节节作作用用称称为为反式作用反式作用 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) 目录目录103图图18-8 18-8 反式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白目录目录104Ø（一）通用转录因子（一）通用转录因子(general transcription factors)是是RNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组 蛋蛋 白白 因因 子子 ，， 决决 定定 三三 种种 RNA(mRNA、、tRNA及及rRNA)转录的类别。

转录的类别1.转录调节因子分类转录调节因子分类（按功能特性）（按功能特性）通用转录因子通用转录因子特异转录因子特异转录因子目录目录105nTFⅡD------------三种聚合酶都有三种聚合酶都有nTFⅡA、、 TFⅡB、、 TFⅡE、、 TFⅡF、、 TFⅡH--------------RNApolⅡnTFⅢA、、TFⅢB、、TFⅢC-------------- RNApolⅢ目录目录106*（二）（二） 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，，决决定定该该基基因因的的时间、空间特异性表达时间、空间特异性表达转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子增强子结合蛋白增强子结合蛋白沉默子结合蛋白沉默子结合蛋白有的通过有的通过蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用而而发挥抑制作用发挥抑制作用目录目录107（三）转录因子作用的结构特点（三）转录因子作用的结构特点DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域最常见）（二聚化结构域最常见） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域目录目录1081. DNA结合结构域结合结构域 ——常见的有：常见的有：n锌指结构锌指结构（Zinc finger ）n碱性螺旋－环－螺旋碱性螺旋－环－螺旋（basic helix-loop-helix --bHLH）n碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链（basic leucine zipper – bZIP )目录目录109最常见的最常见的DNA结合域：结合域：1.锌指模体锌指模体(zinc finger)由由1个个α螺旋（有螺旋（有2个个His或或Cys）和）和2个反个反向平行的向平行的β折叠（各折叠（各有有1个个Cys）组成。

组成常结合常结合GC盒C=半胱氨酸；半胱氨酸；H=组氨酸；组氨酸；F=苯苯丙氨酸；丙氨酸；L=亮氨酸；亮氨酸；Y=酪氨酸；酪氨酸；Zn=锌离子锌离子图图18-9锌指结构锌指结构目录目录110一个蛋白质分子可有一个蛋白质分子可有2——9个锌指重复单位，锌指以个锌指重复单位，锌指以指部伸入指部伸入DNA的双螺旋的大沟，接触的双螺旋的大沟，接触5个核苷酸个核苷酸目录目录1122. 2.碱性螺旋碱性螺旋- -环环- -螺旋螺旋（（basic helix-loop-helix, bHLH)（（a）独立的碱性螺旋）独立的碱性螺旋-环环-螺旋模体结构示意图；（螺旋模体结构示意图；（b））bHLH模体二聚体与模体二聚体与DNA结结合的示意图两个合的示意图两个 -螺旋的碱性区分别嵌入螺旋的碱性区分别嵌入DNA双螺旋的大沟内双螺旋的大沟内由由2个个α螺旋和一个短螺旋和一个短肽环组成常结合肽环组成常结合CAAT盒盒目录目录114N端富含端富含碱性氨基酸碱性氨基酸，，C端每隔端每隔6个氨基酸出个氨基酸出现一个现一个Leu，，C端形端形成成α螺旋时螺旋时Leu都出现都出现在在α螺旋的同一侧螺旋的同一侧。

常结合常结合CAAT盒盒3. 3.碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链( (basic leucine zipper, bZIP) （（a）碱性亮氨酸拉链二聚体结构示意图；（）碱性亮氨酸拉链二聚体结构示意图；（b））bZIP模体与模体与DNA结合的示意图结合的示意图两个两个 -螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨基酸残基的区域与基酸残基的区域与DNA骨架上的磷酸基团结合骨架上的磷酸基团结合目录目录115碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链 两组平行两组平行走向的带亮氨酸走向的带亮氨酸的的α－螺旋形成－螺旋形成对称的二聚体，对称的二聚体，每条链上的亮氨每条链上的亮氨酸有规律的每隔酸有规律的每隔6个个aa就出现一就出现一次（两圈，每圈次（两圈，每圈3.6aa）其侧链）其侧链上的上的R－基团的－基团的分支，刚好互相分支，刚好互相交错排列，形成交错排列，形成拉链状结构拉链状结构α螺旋螺旋Leu側链位于側链位于α螺旋的疏水螺旋的疏水面面,呈拉链状排列呈拉链状排列（（basic leucine zipper – bZIP )目录目录1172. 转录因子的因子的转录激活激活结构域构域 n酸性激活结构域酸性激活结构域：一段富含：一段富含酸性氨基酸酸性氨基酸的保守序的保守序列，常形成带负电的列，常形成带负电的β-折叠，通过与折叠，通过与TFII-D的相的相互作用协助转录起始复合物的组装。

互作用协助转录起始复合物的组装n谷氨酰胺富含结构域谷氨酰胺富含结构域：：N-端谷氨酰胺端谷氨酰胺含量高，含量高，与与GC box结合后发挥转录激活作用结合后发挥转录激活作用n脯氨酸富含结构域脯氨酸富含结构域：：C末端富含末端富含Pro，通过与，通过与CAAT box结合激活转录结合激活转录 目录目录118（四）（四） 二聚化是常见的蛋白质二聚化是常见的蛋白质- -蛋白质蛋白质相互作用方式相互作用方式 与与bZIP bZIP 和和 bHLHbHLH结构有关结构有关目录目录119五、转录起始复合物的动态构成是五、转录起始复合物的动态构成是转录调控的主要方式转录调控的主要方式（一）启动子与（一）启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性启启动动序序列列或或启启动动子子的的核核苷苷酸酸序序列列会会影影响响其其与与RNA聚聚合合酶酶的的亲亲和和力力，，而而亲亲和和力力大大小小则则直直接接影影响响转录起始的频率转录起始的频率目录目录转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒增强子增强子AATAAA剪接加尾剪接加尾转录终止点转录终止点修饰点修饰点外显子外显子翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：：ATTTGCAT八聚体八聚体+1结构基因结构基因启动子启动子上游启动子元件上游启动子元件目录目录121（二）调节蛋白与（二）调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性真真核核RNA聚聚合合酶酶II不不能能单单独独识识别别、、结结合合启启动动子子，，而而是是先先由由基基本本转转录录因因子子与与RNA聚聚合合酶酶II形形成成一个功能性的转录前起始复合物。

一个功能性的转录前起始复合物目录目录123先有先有TFⅡD组成组成成分成分TBP(TATA结合蛋白）结合蛋白）识别识别TATA盒或启动盒或启动元件元件（（initiator Inr ）） 并有并有TAF（（TBP相关相关因子）因子）参与形成参与形成TFⅡD－启动子－启动子复合物，继而在复合物，继而在TFⅡA----F等参等参与下形成转录前与下形成转录前起始复合物起始复合物PIC目录目录124polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPTBP相关因子相关因子EBPTATA DNA结合了增强子的结合了增强子的转录激活因子转录激活因子与转录前起始与转录前起始复合物中的复合物中的TFⅡD接近或通过接近或通过TAF与与TFⅡD联联系形成稳定的转录起始复合物系形成稳定的转录起始复合物 ，才能启动转，才能启动转录目录目录125六、转录后调控主要影响真核六、转录后调控主要影响真核mRNA的结构与功能的结构与功能（一）（一）mRNA稳定性的影响真核生物基因表达稳定性的影响真核生物基因表达1.5 -端的帽子结构可以增加端的帽子结构可以增加mRNA的稳定性的稳定性 避免被避免被5’-核酸外切酶降解；与相应的帽子结核酸外切酶降解；与相应的帽子结合蛋白结合提高翻译效率；参与合蛋白结合提高翻译效率；参与mRNA的转的转运。

运2.3 -端的端的poly(A)尾结构防止尾结构防止mRNA降解降解 防止防止3’-核酸外切酶的降解；参与翻译起始；核酸外切酶的降解；参与翻译起始；3’-UTR参与参与mRNA胞质定位胞质定位目录目录126mRNA运输、胞浆内稳定性的调节：运输、胞浆内稳定性的调节： 　　所有　　所有RNA分子中，分子中，mRNA寿命最短寿命最短mRNA稳定性是由合成速率和降解速率共同决稳定性是由合成速率和降解速率共同决定的RNA无无论论是是在在核核内内进进行行加加工工、、由由胞胞核核运运至至胞胞浆浆，，还还是是在在胞胞浆浆内内停停留留（（至至降降解解）），，都都是是通通过过与与蛋蛋白白质质结结合合形形成成核蛋白颗粒核蛋白颗粒(ribonucleoprotein, RNP)进行的 目录目录127n转铁蛋白受体转铁蛋白受体(TfR)介导含铁的铁蛋白从细介导含铁的铁蛋白从细胞外进入细胞内胞外进入细胞内 其其mRNA的降解速率受的降解速率受胞浆内某些蛋白质成分的调节胞浆内某些蛋白质成分的调节　　　　当细胞内铁足量时：当细胞内铁足量时：TfR mRNA降解速度降解速度加快　　　　细胞内铁不足时（如缺铁性贫血）：细胞内铁不足时（如缺铁性贫血）：TfR mRNA稳定性增加，受体蛋白合成增加。

稳定性增加，受体蛋白合成增加例：目录目录128nTfR的的 3′UTR区存在一些特殊的序列，称为区存在一些特殊的序列，称为铁应答元件（铁应答元件（iron response element，，IRE）由富含）由富含A-U配对的茎配对的茎-环结构组成环结构组成nIRE是是IRE结合蛋白（结合蛋白（IRE-BP））的特异性识的特异性识别区域，别区域， IRE-BP受细胞内铁浓度的影响受细胞内铁浓度的影响缺铁缺铁铁足量铁足量目录目录129Ø与与原原核核基基因因表表达达调调节节一一样样，，某某些些小小分分子子RNA也也可可调调节节真真核核基因表达基因表达Ø这这些些RNA都都是是非非编编码码RNA（（noncoding RNA, ncRNA））如如：：具具有有催催化化活活性性的的RNA（（核核酶酶））、、细细胞胞核核小小分分子子RNA （（snRNA）以及核仁小分子）以及核仁小分子RNA（（snoRNA））Ø目前人们广泛关注的非编码目前人们广泛关注的非编码RNA有有miRNA和和siRNAØ小分子小分子RNA对基因表达的调节十分复杂，对基因表达的调节十分复杂， （二）一些非编码小分子（二）一些非编码小分子RNA可引起转录后可引起转录后基因沉默基因沉默目录目录130（三）（三）mRNA前体的选择性剪接可以调节真前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达核生物基因表达Ø真真核核生生物物基基因因所所转转录录出出的的mRNA前前体体含含有有交交替替连连接接的的内内含含子子和和外外显显子子。

通通常常状状态态下下，，mRNA前前体体经经过过剔剔除除内内含含子子序序列列后后成成为为一一个个成成熟熟的的mRNA，，并并被被翻翻译译成成为为一一条条相相应应的的多多肽肽链链但但是是，，参参与与拼拼接接的的外外显显子子可可以以不不按按照照其其在在基基因因组组内内的的线线性性分分布布次次序序拼拼接接，，内内含含子子也也可可以以不不完完全全被切除，由此产生了被切除，由此产生了选择性剪接选择性剪接目录目录大鼠降钙素基因的选择性剪切大鼠降钙素基因的选择性剪切降钙素降钙素,维持钙浓度稳定维持钙浓度稳定降钙素降钙素-基因相关肽基因相关肽,舒舒张血管张血管,降低血压降低血压目录目录132七、真核基因表达在翻译以及翻译后七、真核基因表达在翻译以及翻译后仍可受到调控仍可受到调控（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行酸化修饰进行蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（（eukaryotic initiation factor, eIF）的活性对起）的活性对起始阶段有重要的控制作用。

始阶段有重要的控制作用1 1．翻译起始因子．翻译起始因子eIF-2α的磷酸化抑制翻译起始的磷酸化抑制翻译起始 目录目录133　　　　如如eIF-2α亚基的磷酸化可阻遏亚基的磷酸化可阻遏eIF的的正常运行，从而抑制蛋白质合成的起始正常运行，从而抑制蛋白质合成的起始ATPADP如：血红素可以抑制如：血红素可以抑制PKA活化，防止或减少活化，防止或减少eIF-2的失活，的失活，促进蛋白的合成促进蛋白的合成细胞抗病毒的机制：细胞抗病毒的机制：dsRNA激活蛋白激酶，使激活蛋白激酶，使eIF-2磷酸磷酸化，抑制蛋白合成化，抑制蛋白合成目录目录1342．．eIF-4E及及eIF-4E结合蛋白的磷酸化激活翻译起结合蛋白的磷酸化激活翻译起始始 Ø帽结合蛋白帽结合蛋白eIF-4E与与mRNA帽结构的结合是翻译帽结构的结合是翻译起始的限速步骤，磷酸化修饰及与抑制物蛋白的起始的限速步骤，磷酸化修饰及与抑制物蛋白的结合均可调节结合均可调节eIF-4E的活性Ø磷酸化的磷酸化的eIF-4E与帽结构的结合力是非磷酸化与帽结构的结合力是非磷酸化 的的eIF-4E的的4倍，因而可提高翻译的效率倍，因而可提高翻译的效率。

目录目录135（二）（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节结合蛋白参与了对翻译起始的调节ØRNA结合蛋白（结合蛋白（RNA binding protein, RBP）），，是指那些能够与是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质特异序列结合的蛋白质Ø基因表达的许多调节环节都有基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如的参与，如前述转录终止、前述转录终止、RNA剪接、剪接、RNA转运、转运、RNA胞胞浆内稳定性控制以及翻译起始等浆内稳定性控制以及翻译起始等 目录目录136如前述的如前述的IRE-BP，可调节，可调节TfR mRNA 的的降解除此之外，除此之外， 与铁代谢有关的另外两个蛋与铁代谢有关的另外两个蛋白质：白质：铁蛋白和铁蛋白和ALA合酶合酶（合成血红素的关（合成血红素的关键酶）的键酶）的表达都受它调节而此时是对表达都受它调节而此时是对翻译翻译起始的调节起始的调节目录目录137缺铁缺铁铁足量铁足量目录目录138nTfR的的 3′UTR区存在一些特殊的序列，称为区存在一些特殊的序列，称为铁应答元件（铁应答元件（iron response element，，IRE）由富含）。

由富含A-U配对的茎配对的茎-环结构组成环结构组成nIRE是是IRE结合蛋白（结合蛋白（IRE-BP））的特异性识的特异性识别区域，别区域， IRE-BP受细胞内铁浓度的影响受细胞内铁浓度的影响缺铁缺铁铁足量铁足量目录目录139Fe↓TfR mRNA不降解不降解铁蛋白翻译铁蛋白翻译↓ALA翻译翻译↓IRE-BP↑细胞对铁的利用下降细胞对铁的利用下降目录目录140（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达调控基因表达Ø新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素学功能的重要影响因素因此，通过对新生肽因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平定的部位或亚细胞器保持在合适的水平Ø许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性有功能活性通过对蛋白质的可逆的磷酸化、通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。

能的作用，是基因表达的快速调节方式 目录目录141是是一一大大家家族族小小分分子子非非编编码码单单链链RNA，，长长度度约约20-25个个碱碱基基，，由由一一段段具具有有发发夹夹环环结结构构，，长长度度为为70~90个个碱碱基基的的单单链链RNA 前体前体(pre-miRNA)经经Dicer酶剪切后形成酶剪切后形成这这些些成成熟熟的的miRNA 与与其其他他蛋蛋白白质质一一起起组组成成RNA诱诱导导的的沉沉默默复复合合体体（（RNA-induced silencing complex, RISC）），，通通过过与与其其靶靶mRNA 分分子子的的3' 端端非非翻翻译译区区域域（（3' UTR））互互补补匹匹配配，，再再以以目目前前尚尚不不清清楚楚的的机机制制抑抑制制该该mRNA 分分子子的的翻译翻译 （四）小分子（四）小分子RNA对基因表达的调节十分复杂对基因表达的调节十分复杂1．微小．微小RNA (microRNA, miRNA)目录目录142Micro RNA70-90nt20-25nt目录目录143Ø其长度一般为其长度一般为20~25个碱基；个碱基；Ø在不同生物体中普遍存在；在不同生物体中普遍存在；Ø其序列在不同生物中具有一定的保守性；其序列在不同生物中具有一定的保守性；Ø具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；ØmiRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。

形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区 nmiRNA的特点：的特点：目录目录144Ø是是细细胞胞内内一一类类双双链链RNA(double-stranded RNA，，dsRNA)在在特特定定情情况况下下通通过过一一定定酶酶切切机机制制，，转转变变为为具具有有特特定定长长度度(21－－23个个碱碱基基)和和特特定定序序列列的的小小片片段段RNAØ可以外源引入可以外源引入Ø双双链链siRNA参参与与RISC组组成成，，与与特特异异的的靶靶mRNA完完全互补全互补结合，导致结合，导致靶靶mRNA降解降解，阻断翻译过程阻断翻译过程Ø由由siRNA介介导导的的基基因因表表达达抑抑制制作作用用被被称称为为RNA干干扰扰(RNA interference，，RNAi)2．小干扰．小干扰RNA (small interfering RNA, siRNA) > 30bp 双链双链RNA（（dsRNA））水解生成水解生成21-23nt siRNA 5’3’3’5’ RISC形成形成 识别特异序列识别特异序列并使其降解并使其降解RNA干扰干扰作用机制作用机制目录目录146siRNA与与miRNA目录目录147nRNAi技术和技术和miRNA作为作为一种有效的基因沉默方法，一种有效的基因沉默方法，现在是分子生物学领域的现在是分子生物学领域的一个研究热点。

近些年，一个研究热点近些年，有关两者的研究论文呈现有关两者的研究论文呈现井喷式的增长，具有非常井喷式的增长，具有非常广阔的前景广阔的前景目录目录148siRNAmiRNA前体前体内源或外源长双链内源或外源长双链RNA诱导诱导产生产生内源发夹环结构的转录产物内源发夹环结构的转录产物结构结构双链分子双链分子单链分子单链分子功能功能降解降解mRNA阻遏其翻译阻遏其翻译靶靶mRNA 结合结合需完全互补需完全互补不需完全互补不需完全互补生物学效应生物学效应抑制转座子活性和病毒感染抑制转座子活性和病毒感染发育过程的调节发育过程的调节siRNA 和和miRNA的差异比较的差异比较目录目录149（五）长链非编码（五）长链非编码RNA在基因表达调控在基因表达调控中的作用不容忽视中的作用不容忽视Ø长链非编码长链非编码RNA（（lncRNA）是一类转录本长）是一类转录本长度超过度超过200个核苷酸的个核苷酸的RNA分子，不直接参与分子，不直接参与基因编码和蛋白质合成，但是可在表观遗传水基因编码和蛋白质合成，但是可在表观遗传水平、转录水平和转录后水平调控基因的表达平、转录水平和转录后水平调控基因的表达。