生物化学课件13.ppt

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1、生物化学课件13 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望13.1基因表达调节的基本概念及原理基因表达调节的基本概念及原理n13.1.1基本概念基本概念n13.1.2基因表达的规律基因表达的规律n13.1.3基因表达的方式基因表达的方式n13.1.4基因表达调节的基本原理基因表达调节的基本原理13.1.1基本概念基本概念n基因（基因（gene）是指一段编码蛋白质多肽）是指一段编码蛋白质多肽链和功能链和功能RNA的的DNA。n基因表达（基因表达（geneexp

2、ression）是指在某）是指在某一基因指导下蛋白质的合成过程。一基因指导下蛋白质的合成过程。n对这个过程的调节即为基因表达调节对这个过程的调节即为基因表达调节（regulationofgeneexpression）。）。13.1.2基因表达的规律基因表达的规律n一种生物含有大量的基因，这些基因在一种生物含有大量的基因，这些基因在生命活动过程中并不都是一齐开放表达，生命活动过程中并不都是一齐开放表达，而是在有些时候，一些基因进行表达，而是在有些时候，一些基因进行表达，另一些基因则关闭。另一些基因则关闭。n基因表达表现为严格的规律性，即时间基因表达表现为严格的规律性，即时间特异性、空间特异性。特

3、异性、空间特异性。按功能需要，某一特定基因的表达严格按照特定按功能需要，某一特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。在的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。在个体生长全过程某种基因产物在个体内按不同组织空个体生长全过程某种基因产物在个体内按不同组织空间顺序地出现，这就是基因表达的空间特异性。间顺序地出现，这就是基因表达的空间特异性。n例如：母牛只有在分娩小牛后才开始泌例如：母牛只有在分娩小牛后才开始泌乳时，乳腺中的各种蛋白质基因也只有乳时，乳腺中的各种蛋白质基因也只有在这时才开始表达产生各种乳蛋白。在这时才开始表达产生各种乳蛋白。n生长发育过程中更为明显，许

4、多基因只生长发育过程中更为明显，许多基因只有在特定的时间和空间才进行表达，其有在特定的时间和空间才进行表达，其余时间或空间这些基因则关闭。余时间或空间这些基因则关闭。13.1.3基因表达的方式基因表达的方式n13.1.3.1组成性表达组成性表达n13.1.3.2诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达13.1.3.1组成性表达组成性表达n有有些些基基因因产产物物在在生生命命全全过过程程都都是是必必需需的的，通通常常把把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的基因称为的基因称为管家基因管家基因（housekeepinggene）。）。n管管家家基基因因很很少少受受环环境

5、境变变化化影影响响，在在个个体体各各个个生生长长阶阶段段的的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，这这类类基基因因的的表表达达方方式式称称为为组组成成性性基基因因表表达达（constitutivegeneexpression）。）。n这这类类基基因因表表达达只只受受启启动动子子序序列列或或启启动动子子与与RNA聚聚合合酶酶相相互互作作用用的的影影响响，而而不不受受其其他他机机制制调调节节。组组成成性性基基因因表达水平的表达水平的“不变不变”是相对的。是相对的。13.1.3.2诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达n有有一一些些基基因因表表达达极极易易受受环环境境变变化化的的影

6、影响响，在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，这这类类基基因因表表达达水水平平可可呈呈现现升高或降低的现象。升高或降低的现象。n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，这这种种表表达达方方式式称称为为诱诱导导表表达达（inductionexpression）。反反之之，有有些些基基因因的的表表 达达 表表 现现 为为 关关 闭闭 或或 下下 降降，称称 为为 阻阻 遏遏 表表 达达（repressionexpression）。n在生物体内，各种代谢途径有条不紊地进行，则是在一在生物体内，各种代谢途径有条不紊地进行，则是在

7、一定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达，称为表达，称为协调表达（协调表达（coordinanceexpression）。13.1.4基因表达调节的基本原理基因表达调节的基本原理n13.1.4.1特异特异DNA序列对基因转录激活序列对基因转录激活的调节的调节n13.1.4.2调节蛋白对转录起始的调节调节蛋白对转录起始的调节n13.1.4.3 影响影响RNARNA聚合酶活性聚合酶活性n对对于于一一个个基基因因编编码码产产物物蛋蛋白白质质来来说说，可可以以在在7 7个个水水平平上上进进行行调调节节：基基因因活活化化、转转录录起起始始、转

8、转录录后后加加工工、mRNAmRNA降降解解、蛋蛋白白质质的的翻翻译译、翻翻译译后后加加工工修修饰饰及及蛋蛋白白质质的降解。的降解。基因的表达最为有效的调控表现在两个层基因的表达最为有效的调控表现在两个层次上：次上：第一：是控制从第一：是控制从DNA模板上转录模板上转录mRNA的的速度。速度。从而免去从从而免去从 mRNA mRNA 合成蛋白所需的各种材料，是合成蛋白所需的各种材料，是十分经济的。这种调控通常称为转录水平（十分经济的。这种调控通常称为转录水平（transcription transcription levellevel）的调控。）的调控。第二：是控制从第二：是控制从mRNA翻译

9、成翻译成多肽链多肽链的速的速度。度。称为称为 翻译水平（翻译水平（translational leveltranslational level）的调控。大多）的调控。大多数生物多采用转录水平的调控，翻译水平调控较少。数生物多采用转录水平的调控，翻译水平调控较少。13.2原核基因转录调节原核基因转录调节n13.2.1原核生物基因转录调节的特点原核生物基因转录调节的特点n13.2.2乳糖操纵子调节机制乳糖操纵子调节机制n13.2.3其他转录调节机制其他转录调节机制13.2.1原核生物基因转录调节的特点原核生物基因转录调节的特点n（1）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。n（2

10、）操纵子模型的普遍性。）操纵子模型的普遍性。n（3）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性。操纵子（操纵子（operon）：）：是指原核生物基因是指原核生物基因组的一个表达调控序列，它包括参与同一代谢途径组的一个表达调控序列，它包括参与同一代谢途径的几个酶的基因，编码在一起形成一个特殊转录单的几个酶的基因，编码在一起形成一个特殊转录单位（结构基因，位（结构基因，structuralgene），及在结构基因前），及在结构基因前面的调节基因（面的调节基因（regulatorygene，R）、操纵基因）、操纵基因（operator，O）和启动基因（）和启动基因（promoter，P）。

11、）。操纵子的作用操纵子的作用:当代谢需要当代谢需要结构基因结构基因表达酶时，操纵子表达酶时，操纵子即开放，结构基因转录生成即开放，结构基因转录生成mRNA并表达为并表达为酶酶参加代谢。如果不需要时，结构基因不被参加代谢。如果不需要时，结构基因不被转录，或以很低的速度进行。这是一个典型转录，或以很低的速度进行。这是一个典型的转录水平的调控模式。的转录水平的调控模式。13.2.2乳糖操纵子调节机制乳糖操纵子调节机制 乳糖操纵子的实验现象乳糖操纵子的实验现象:当大肠杆菌在葡萄糖培当大肠杆菌在葡萄糖培养基中生长时，它不能代谢乳糖。因为缺少所必养基中生长时，它不能代谢乳糖。因为缺少所必需的酶。当生长在没

12、有葡萄糖而只有乳糖的培养需的酶。当生长在没有葡萄糖而只有乳糖的培养基中时，代谢乳糖的酶量增加近基中时，代谢乳糖的酶量增加近1000倍，可代谢倍，可代谢乳糖。乳糖。如果此时在培养基中又加入一些葡萄糖，培如果此时在培养基中又加入一些葡萄糖，培养基中既有乳糖又有葡萄糖，则乳糖的代谢又停养基中既有乳糖又有葡萄糖，则乳糖的代谢又停止，大肠杆菌又转向利用葡萄糖而不利用乳糖。止，大肠杆菌又转向利用葡萄糖而不利用乳糖。只有葡萄糖消耗殆尽，大肠杆菌才能又利用乳糖。只有葡萄糖消耗殆尽，大肠杆菌才能又利用乳糖。（1 1）乳糖）乳糖操纵子操纵子的结构的结构和阻遏和阻遏蛋白的蛋白的负性调负性调节节（2）CAP的正性调节

13、的正性调节n在乳糖操纵子中，其启动子是弱启动子，在乳糖操纵子中，其启动子是弱启动子，RNA聚合酶与之结合的能力很弱，只有聚合酶与之结合的能力很弱，只有降解物基因活化蛋白（降解物基因活化蛋白（catabolitegeneactivatorprotein，CAP）结合到启动子）结合到启动子上游的上游的CAP结合位点，促进结合位点，促进RNA聚合酶聚合酶与启动子结合后，才能有效转录。与启动子结合后，才能有效转录。n但游离的但游离的 CAP是不能与启动子上游的是不能与启动子上游的 CAP结结合位点结合的，在细胞内有足够的合位点结合的，在细胞内有足够的cAMP时，时，CAP首先与首先与 cAMP形成复合

14、物，此复合物才能形成复合物，此复合物才能与启动子结合。因此与启动子结合。因此CAP也称做也称做cAMP受体蛋白。受体蛋白。n葡萄糖的降解产物能降低细胞内葡萄糖的降解产物能降低细胞内cAMP的含量，的含量，因而当向乳糖培养基中加入葡萄糖时，造成因而当向乳糖培养基中加入葡萄糖时，造成cAMP浓度降低，浓度降低，CAP便不能结合在便不能结合在CAP结合位结合位点上。此时即使有乳糖存在，已解除了对操纵基点上。此时即使有乳糖存在，已解除了对操纵基因的阻遏，也不能进行转录，所以仍不能利用乳因的阻遏，也不能进行转录，所以仍不能利用乳糖。糖。n这就是在含葡萄糖的培养基中大肠杆菌不能利用这就是在含葡萄糖的培养基

15、中大肠杆菌不能利用乳糖，只有改用乳糖时才能利用乳糖的调节机理乳糖，只有改用乳糖时才能利用乳糖的调节机理。（3）协调调节协调调节阻阻遏遏蛋蛋白白的的负负性性调调节节与与CAP的的正正性性调调节节两两种种机机制制协协调调合合作作，相相辅辅相相成成、互互相相协协调调、相相互互制约。制约。协调调节后的协调调节后的4种不同的情况：种不同的情况：n（1）葡葡萄萄糖糖存存在在而而乳乳糖糖不不存存在在时时，无无诱诱导导剂剂存存在在，阻阻遏遏蛋蛋白白与与DNA结结合合。而而且且由由于于葡葡萄萄糖糖的的存存在在，CAP也也不不能能发发挥挥正正调调节节作作用用，基基因处于关闭状态。因处于关闭状态。n（2）葡葡萄萄糖

16、糖和和乳乳糖糖都都不不存存在在时时，没没有有葡葡萄萄糖糖存存在在的的情情况况下下，CAP可可以以发发挥挥正正调调节节作作用用。但但由由于于没没有有诱诱导导剂剂，阻阻遏遏蛋蛋白白的的负负调调节节作作用用使使基因仍然处于关闭状态。基因仍然处于关闭状态。n（3）葡葡萄萄糖糖和和乳乳糖糖都都存存在在时时，乳乳糖糖的的存存在在对对基基因因的的转转录录产产生生诱诱导导作作用用。但但由由于于葡葡萄萄糖糖 的的 存存 在在 使使 细细 胞胞 内内 cAMP水水 平平 降降 低低，cAMPCAP复复合合物物不不能能形形成成，CAP不不能能结结合合到到CAP结结合合位位点点上上，转转录录仍仍不不能能启启动动，基因

17、处于关闭状态。基因处于关闭状态。n（4）葡萄糖不存在而乳糖存在时，）葡萄糖不存在而乳糖存在时，CAP可可以发挥正调节作用，阻遏蛋白由于诱导剂以发挥正调节作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调节作用，基因被打开，的存在而失去负调节作用，基因被打开，转录启动转录启动。13.2.3其他转录调节机制其他转录调节机制n（1）阿拉伯糖操纵子）阿拉伯糖操纵子n（2）色氨酸操纵子）色氨酸操纵子（1）阿拉伯糖操纵子）阿拉伯糖操纵子（araoperon）n这这是是一一个个利利用用同同一一调调节节蛋蛋白白的的不不同同结结构构形式，活化或抑制操纵子的调节方式。形式，活化或抑制操纵子的调节方式。n阿阿拉拉伯伯糖糖操操

18、纵纵子子含含有有3个个结结构构基基因因：B、A、D基基因因，分分别别编编码码异异构构酶酶、激激酶酶、表表位位酶酶，催催化化阿阿拉拉伯伯糖糖转转变变为为5-磷磷酸酸木木酮酮糖糖，后后者者进进入入磷磷酸酸戊戊糖糖途途径径。也也包包括括调调节节基基因因（araC）、操操纵纵基基因因（araO）、启启动动子子（araI）。）。n操纵基因被操纵基因被araC的产物所调节，它是一个的产物所调节，它是一个具有具有2种不同功能构象（种不同功能构象（P1和和P2）的蛋白质。）的蛋白质。n无阿拉伯糖存在时，它以无阿拉伯糖存在时，它以P1型存在，型存在，P1型型为阻遏物，为阻遏物，P1与操纵基因结合而阻止操纵与操纵

19、基因结合而阻止操纵子的转录（负性调节）。子的转录（负性调节）。n在有阿拉伯糖存在时，阿拉伯糖可将在有阿拉伯糖存在时，阿拉伯糖可将P1从从操纵基因移开，并使构象间的平衡移向操纵基因移开，并使构象间的平衡移向P2。P2是激活物，能与是激活物，能与CAPcAMP复合物一起复合物一起结合到启动子上，促进结合到启动子上，促进RNA聚合酶开始转聚合酶开始转录（正性调节）。录（正性调节）。（2）色氨酸操纵子）色氨酸操纵子ntrp操纵子的阻遏物是由距操纵子的阻遏物是由距trp操纵子较操纵子较远的远的R基因合成的一个基因合成的一个58KD的蛋白质。的蛋白质。n当机体色氨酸不足时，阻遏物游离存在，当机体色氨酸不足

20、时，阻遏物游离存在，不能与操纵基因结合，结构基因得以转录不能与操纵基因结合，结构基因得以转录和表达，生成色氨酸。和表达，生成色氨酸。n当机体生成的色氨酸过量时，色氨酸与阻当机体生成的色氨酸过量时，色氨酸与阻遏物形成复合物，此复合物可结合操纵基遏物形成复合物，此复合物可结合操纵基因，阻止结构基因的转录。因，阻止结构基因的转录。n反馈阻遏：反馈阻遏：这种以终产物阻止该产物基这种以终产物阻止该产物基因转录的机理称为反馈阻遏。此终产物因转录的机理称为反馈阻遏。此终产物（色氨酸）称为辅阻遏物（色氨酸）称为辅阻遏物（Corepressor）。）。n反馈阻遏的优点：反馈阻遏的优点：造成在色氨酸充足造成在色氨

21、酸充足时，完全阻断转录；在色氨酸水平下降很时，完全阻断转录；在色氨酸水平下降很低时，阻遏消除，转录开放，合成色氨酸。低时，阻遏消除，转录开放，合成色氨酸。这样易于保持细菌细胞中色氨酸水平的衡这样易于保持细菌细胞中色氨酸水平的衡定。定。衰减子：衰减子：n另外，色氨酸操纵子中还存在一个辅助另外，色氨酸操纵子中还存在一个辅助调控结构，可用以终止调控结构，可用以终止和减弱转录，这和减弱转录，这个调控结构称为衰减子（个调控结构称为衰减子（attenuator，a）。n结构基因结构基因 起始密码子前，有长起始密码子前，有长 162 个核苷酸个核苷酸的前导序列（的前导序列（leader Sequence，L

22、）。该前）。该前导序列编码一小段导序列编码一小段 14 肽（前导肽）。在肽（前导肽）。在 14 肽里有肽里有两个色氨酸（两个色氨酸（UGG）密码子）密码子，它们在，它们在调节中起着重要的作用。调节中起着重要的作用。n衰减子起作用的方式：衰减子起作用的方式：前导序列的终止区与一般转录终止点前导序列的终止区与一般转录终止点的特征相同，具有潜在的二重对称结构能的特征相同，具有潜在的二重对称结构能形成茎环，具有成串的形成茎环，具有成串的 U。完整的前导序。完整的前导序列分为列分为1、2、3、4个区域，这个区域，这 4 个区可个区可根据需要彼此互补，形成奇特的二级结构，根据需要彼此互补，形成奇特的二级结

23、构，达到调节基因表达的目的。达到调节基因表达的目的。当色氨酸充足时，完整的前导肽（当色氨酸充足时，完整的前导肽（14肽）可被合成，这时在核糖肽）可被合成，这时在核糖体参与下，前导序列形成终止信号，体参与下，前导序列形成终止信号，RNA聚合酶不能通过，阻止转录聚合酶不能通过，阻止转录进行，减少结构基因的表达。进行，减少结构基因的表达。当色氨酸不足时，由于色氨酸当色氨酸不足时，由于色氨酸-tRNA不能形成，前导肽翻译不能形成，前导肽翻译至至色色氨酸密码子（氨酸密码子（UGG）处即终止，在核糖体参与下，前导序列不能形成）处即终止，在核糖体参与下，前导序列不能形成终止信号，终止信号，RNA聚合酶可以超

24、越衰减子而继续转录，结构基因得到表聚合酶可以超越衰减子而继续转录，结构基因得到表达，产生色氨酸达，产生色氨酸。衰减子调控的意义：衰减子调控的意义：衰减子调控，是一种翻译与转录相偶联衰减子调控，是一种翻译与转录相偶联的调控机制。在这里可以看到核酸分子和蛋的调控机制。在这里可以看到核酸分子和蛋白质分子一样，能以构象的改变起到调节作白质分子一样，能以构象的改变起到调节作用。用。衰减子调节在大肠杆菌的其它氨基酸合衰减子调节在大肠杆菌的其它氨基酸合成操纵子中也普遍存在。成操纵子中也普遍存在。翻译水平调节翻译水平调节反义反义RNAn反义反义 RNA：就是一种与就是一种与mRNA互互补的补的RNA分子，它是

25、分子，它是反义基因或基因反义基因或基因的反义链转录的产物。它与的反义链转录的产物。它与mRNA结合结合后即阻断后即阻断mRNA的翻译，从而调节基因的翻译，从而调节基因的表达。的表达。反义的反义的RNA的应用：的应用：基因治疗基因治疗反义反义RNA调控的特点是高度的特异性，一种调控的特点是高度的特异性，一种反义反义RNA抑制一种抑制一种mRNA。现在根据原理可人工。现在根据原理可人工设计合成反义设计合成反义RNA，抑制靶基因的表达，从而达，抑制靶基因的表达，从而达到治疗疾病的目的，称为基因治疗。到治疗疾病的目的，称为基因治疗。如乙肝病毒、口蹄疫病毒、脊髓灰质炎病毒及如乙肝病毒、口蹄疫病毒、脊髓灰

26、质炎病毒及人的爱滋病病毒（人的爱滋病病毒（HIV）等都是）等都是单链单链RNA病毒，病毒，可利用可利用反义反义RNA抑制其在体内的复制。抑制其在体内的复制。再如可用反义再如可用反义RNA抑制抑制癌蛋白癌蛋白的表达。的表达。13.3真核基因转录调节真核基因转录调节n13.3.1真核基因组结构特点真核基因组结构特点n13.3.2真核基因表达调节的特点真核基因表达调节的特点n13.3.3真核基因转录起始的调节真核基因转录起始的调节13.3.1真核基因组结构特点真核基因组结构特点n13.3.1.1庞大的真核基因组结构庞大的真核基因组结构n13.3.1.2染色质的独特结构染色质的独特结构n13.3.1.

27、3单顺反子单顺反子n13.3.1.4重复序列重复序列n13.3.1.5基因不连续性基因不连续性n13.3.1.6基因家族基因家族n13.3.1.1庞大的真核基因组结构庞大的真核基因组结构 真真核核生生基基因因组组约约占占全全部部DNADNA序序列列的的6。此此外外尚尚有有510的的rRNA等等重重复复基基因因，其其余余8090的的哺哺乳乳类类DNADNA序序列列可能没有直接的遗传学功能。可能没有直接的遗传学功能。n13.3.1.2染色质的独特结构染色质的独特结构 真核生物的真核生物的DNA是由是由DNA与组蛋白、非组与组蛋白、非组蛋白和少量蛋白和少量RNA及其他物质结合而形成的核小及其他物质结

28、合而形成的核小体结构。体结构。组蛋白与组蛋白与DNA结合，可保护结合，可保护DNA免受损伤，免受损伤，维持基因组稳定性，抑制基因的表达，去除组蛋维持基因组稳定性，抑制基因的表达，去除组蛋白则基白则基因转录活性增高。因转录活性增高。组蛋白的许多侧链可以被组蛋白的许多侧链可以被乙酰化、甲基乙酰化、甲基化、化、ADP-核糖化核糖化及磷酸化所修饰及磷酸化所修饰。这种修饰可。这种修饰可以改变组蛋白的电荷性质，改变染色体的基因结以改变组蛋白的电荷性质，改变染色体的基因结构，进而影响构，进而影响DNA的复制和转录的机会。的复制和转录的机会。n13.3.1.3单顺反子单顺反子 即即一一个个编编码码基基因因转转

29、录录生生成成一一个个mRNA分分子子，经经翻翻译译生生成成一一条条多多肽肽链链。有有很很多多真真核核蛋蛋白白质质由由几几条条不不同同的的多多肽肽链链组组成成，因因此此存存在多个基因协调表达的问题。在多个基因协调表达的问题。n13.3.1.4重复序列重复序列重重复复序序列列及及基基因因重重组组均均与与生生物物进进化化有有关关。某某些些重重复复序序列列发发生生在在调调节节区区，如如转转录录终终止止区区、衰衰减减调调节节区区及及某某些些酶酶或或蛋蛋白白因因子子结结合合位位点点，则则可可能能对对DNA复复制制、转转录录调调节节具具有有重要意义重要意义。13.3.1.5基因不连续性基因不连续性n真真核核

30、生生物物的的结结构构基基因因是是不不连连续续的的，编编码码氨氨基基酸酸的的序序列列被被非非编编码码序序列列打打断断，因因而而被被称称为为断断裂裂基基因因（splitgene）。在在编编码码基基因因内内部部尚尚有有一一些些不不为为 蛋蛋 白白 质质 编编 码码 的的 间间 隔隔 序序 列列，称称 为为 内内 含含 子子（intron），被被分分隔隔开开的的编编码码序序列列称称为为外外显显子子（exon）。）。n内内含含子子与与外外显显子子在在转转录录时时被被同同时时转转录录下下来来。内内含含子子在在转转录录后后经经一一定定规规律律的的剪剪接接机机制制从从转转录录产产物物中中去去除除，使使外外显显

31、子子转转录录产产物物连连接接在在一一起起，形形成成熟的成成熟的mRNA。13.3.1.6基因家族基因家族 n基基因因家家族族（genefamily）就就是是指指核核苷苷酸酸序序列列或或编编码码产产物物的的结结构构具具有有一一定定程程度度同同源源性性的的一一组组基基因因。同同一一个个家家族族的的基基因因成成员员是是由由同同一一祖祖先先基基因因进进化化而而来来，同同源源性性最最高高的的可可达达100（即即多多拷拷贝贝基基因因）。同同源源性性也也可可以以很很低低，只只有有一一小小段段序序列列相相同同。在在基基因因家家族族中中的的基基因因，其其编编码码产产物物常常常常具有相似的功能。具有相似的功能。n

32、假基因（假基因（pseudogene），用），用表示。表示。13.3.2真核基因表达调节的特点真核基因表达调节的特点n13.3.2.1组织特异性表达和时相性组织特异性表达和时相性n13.3.2.2活性染色体结构变化活性染色体结构变化n13.3.2.3正性调节占主导正性调节占主导n13.3.2.4多级调节系统多级调节系统13.3.2.1组织特异性表达和时相性组织特异性表达和时相性n时间特异性时间特异性/阶段特异性阶段特异性在在多多细细胞胞生生物物从从受受精精卵卵到到组组织织、器器官官形形成成的的各各个个不不同同发发育育阶阶段段，相相应应基基因因严严格格按按照照一一定定时时间间顺顺序序开开启启或或

33、关关闭闭，这这就就是是基基因因表表 达达 的的 时时 间间 特特 异异 性性（temporalspecificity）。）。同同时时对对于于多多细细胞胞生生物物而而言言，这这种种特特异异性性与与分分化化、发发育育阶阶段段相相一一致致，故故又又称称阶阶段段特异性（特异性（stagespecificity）。）。n空间特异性细胞特异性组织特异性空间特异性细胞特异性组织特异性在在个个体体生生长长全全过过程程，某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，即即某某些些基基因因仅仅特特异异地地在在某某种种细细胞胞中中表表达达，这这就就是是基基因因表表达达的空间特异性（

34、的空间特异性（spatialspecificity）。）。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（cellspecificity）或或组组织织特异性（特异性（tissuespecificity）。）。13.3.2.2活性染色体结构变化活性染色体结构变化当当基基因因被被激激活活时时，可可观观察察到到染染色色体体相相应应区区域发生某些结构和性质变化。域发生某些结构和性质变化。n核酸酶敏感核酸

35、酶敏感nDNA拓扑结构变化拓扑结构变化nDNA碱基修饰变化碱基修饰变化n组蛋白变化组蛋白变化13.3.2.3正性调节占主导正性调节占主导n采用正性调节机制更有效采用正性调节机制更有效n采用负性调节不经济采用负性调节不经济13.3.2.4多级调节系统多级调节系统真真核核生生物物基基因因表表达达的的调调节节可可以以发发生生DNA水水平平（转转录录前前水水平平）、转转录录水水平平、转转录录后后水水平平、翻翻译译水平和翻译后水平。水平和翻译后水平。nDNA水水平平的的调调节节主主要要通通过过下下列列几几种种方式：方式：染色质的丢失染色质的丢失基因扩增基因扩增基因重排基因重排DNA甲基化甲基化转录水平的

36、调节转录水平的调节n真核生物的基因调节主要表现在对基因真核生物的基因调节主要表现在对基因转录活性的控制上。而基因转录活性由转录活性的控制上。而基因转录活性由激活蛋白和阻遏蛋白或其他调节物影响激活蛋白和阻遏蛋白或其他调节物影响基因活性。基因活性。nmRNA前体加工对基因表达调节的影响前体加工对基因表达调节的影响nmRNA的剪接对基因表达调节的影响的剪接对基因表达调节的影响nmRNA运输的控制运输的控制转录后水平的调节转录后水平的调节翻译水平的调节翻译水平的调节n翻译起始的调节翻译起始的调节A.阻遏蛋白的调节作用阻遏蛋白的调节作用B.翻译起始因子的功能调节翻译起始因子的功能调节C.5AUG对翻译的

37、调节作用对翻译的调节作用D.mRNA5端非编码区长度对翻译的影响端非编码区长度对翻译的影响nmRNA稳定性调节稳定性调节n小分子小分子RNA对翻译水平的影响对翻译水平的影响翻译后水平的调节翻译后水平的调节n对对翻翻译译后后水水平平的的调调节节尚尚了了解解很很少少，调调节节方方式式主主要要包包括括肽肽链链合合成成后后的的加加工工，新新生生肽肽链链的的水水解解速速度度，信信号号肽肽的的分分拣拣、运运输输、定位等。定位等。13.3.3真核基因转录起始的调节真核基因转录起始的调节转转录录水水平平的的调调节节是是真真核核生生物物基基因因表表达达调节中最重要的环节。调节中最重要的环节。调调节节作作用用主主

38、要要是是通通过过反反式式作作用用因因子子、顺顺式式作作用用元元件件和和RNA聚聚合合酶酶的的相相互互作作用用来来完完成的。成的。13.3.3.1顺式作用元件顺式作用元件启动子启动子增强子增强子沉默子沉默子某某些些基基因因含含有有负负性性调调节节元元件件-沉沉默默子子（silencersilencer），当当其其结结合合特特异异蛋蛋白白因因子子时时，对对基因转录起阻遏作用。基因转录起阻遏作用。13.3.3.2反式作用因子反式作用因子反式作用因子的主要特点反式作用因子的主要特点n一一般般具具有有3个个功功能能结结构构域域：DNA结结合合域域、蛋蛋白白质质结结合合结结构构域域和和转转录录活活性性域域

39、。这这些些功功能能区区含含有有几十到几百个氨基酸残基。几十到几百个氨基酸残基。n能识别并结合上游调节区中的顺式作用元件。能识别并结合上游调节区中的顺式作用元件。n对对基基因因表表达达有有正正性性和和负负性性调调节节作作用用，即即激激活活和和阻阻遏遏基基因因的的表表达达。具具有有正正性性调调节节作作用用的的反反式式因因子子和和相相应应的的顺顺式式元元件件结结合合后后，可可能能还还要要通通过过与与RNA聚聚合合酶酶或或其其它它反反式式因因子子与与相相应应的的顺顺式式元元件结合后才能产生效应。件结合后才能产生效应。反式作用因子结构域模式反式作用因子结构域模式n DNA DNA结合域结合域 n蛋白质结

40、合域蛋白质结合域n转录活性域转录活性域13.3.3.3转录起始的调节转录起始的调节真真核核基基因因表表达达的的转转录录水水平平调调节节机机制制涉涉及及反反式作用因子的激活、反式作用因子的作用等。式作用因子的激活、反式作用因子的作用等。反式作用因子的活性调节反式作用因子的活性调节反式作用因子的激活通过以下几种方式进行：反式作用因子的激活通过以下几种方式进行：表达式调节表达式调节共价修饰共价修饰配体结合配体结合蛋白质蛋白质蛋白质相互作用蛋白质相互作用反式作用因子与顺式作用元件的结合反式作用因子与顺式作用元件的结合反反式式作作用用因因子子被被激激活活后后，即即可可识识别别并并结结合合上上游游启启动动

41、子子元元件件和和增增强强子子中中的的保保守性序列。守性序列。反式作用因子的作用方式反式作用因子的作用方式成成环环：反反式式作作用用因因子子结结合合于于增增强强子子后后，利利用用DNA的的柔柔曲曲性性，弯弯曲曲成成环环，使使增增强强子子区区域域与与RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点靠靠近近，直直接接接接触触而而发发挥挥作用。作用。扭扭曲曲：通通过过DNA结结合合蛋蛋白白与与变变形形的的DNA（如如左左旋旋DNA）结结合合或或者者结结合合蛋蛋白白使使DNA构构象象改改变（如解旋等）而发挥作用。变（如解旋等）而发挥作用。协协同同：一一种种反反式式作作用用因因子子与与其其顺顺式式作作用用元元件件结结合

42、合，促促进进另另一一种种反反式式作作用用因因子子与与邻邻近近的的顺顺式式作作用用元元件件结结合合，后后者者又又促促进进下下一一个个反反式式作作用用因因子子与与其其顺顺式式作作用用元元件件的的结结合合，直直到到基基因因的的转转录录起始点，进而影响基因的转录。起始点，进而影响基因的转录。反式作用因子的组合式调节作用反式作用因子的组合式调节作用n每每一一种种反反式式作作用用因因子子结结合合顺顺式式作作用用元元件件后后虽虽然然可可发发挥挥促促进进或或抑抑制制作作用用，但但反反式式作作用用因因子子对对基基因因表表达达的的调调节节不不是是由由单单一一因因子子完完成成的的，而而是是几几种种因因子子组组合合，

43、发发挥挥特特定定的的作作用用，称称为为组组合合式式基基因因调调节节（combinatorialgeneregulation）。调控蛋白结构域中与调控蛋白结构域中与DNA接接触的触的结构基元结构基元，主要有，主要有：锌指基元锌指基元和和螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋。锌指基元锌指基元（zincfinger）是：在保守的半胱氨酸和是：在保守的半胱氨酸和组氨酸残基形成的四面体结构中镶着一个锌原子。组氨酸残基形成的四面体结构中镶着一个锌原子。锌指基元由约锌指基元由约 23 个氨基酸组成。在含锌指的蛋白中锌指通常是个氨基酸组成。在含锌指的蛋白中锌指通常是成串的重复排列。锌指间的联接物通常是成串的重复排列。

44、锌指间的联接物通常是7-8 氨基酸。不同蛋白氨基酸。不同蛋白质的锌指数目不同。含有锌指的调控蛋白在与质的锌指数目不同。含有锌指的调控蛋白在与 DNA 结合时，是结合时，是锌指的尖端进入到锌指的尖端进入到 DNA 的大沟或小沟，以识别它特异结合的的大沟或小沟，以识别它特异结合的 DNA 序列并与之结合。迄今仅在真核生物中发现有锌指蛋白，在序列并与之结合。迄今仅在真核生物中发现有锌指蛋白，在原核中尚未发现。原核中尚未发现。螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（helix-turn-helix）基）基元：元：基本组成：基本组成：两个两个-螺旋螺旋之间被之间被-转角转角隔开。本身通常隔开。本身通常不稳定，但

45、它是较大的结合不稳定，但它是较大的结合DNA的结构域的活的结构域的活性部分。其中的一个性部分。其中的一个-螺旋通常含有多个与螺旋通常含有多个与DNA相互作用的氨基酸残基，起识别的作用，相互作用的氨基酸残基，起识别的作用，并且被安置在大沟中。并且被安置在大沟中。含有螺旋含有螺旋-转角转角-螺旋基元的结合蛋白最先在螺旋基元的结合蛋白最先在原核中发现，目前许多真核调控蛋白也含有非常原核中发现，目前许多真核调控蛋白也含有非常相似的基元。相似的基元。调控蛋白与蛋白质结合的结构域调控蛋白与蛋白质结合的结构域调控蛋白除了与调控蛋白除了与DNA结合的结构域外，通结合的结构域外，通常还有与蛋白质结合的结构域，用

46、以和常还有与蛋白质结合的结构域，用以和RNA聚合酶及其它调控蛋白相互作用，也用于相同聚合酶及其它调控蛋白相互作用，也用于相同调控蛋白分子之间的作用，共同调节基因表达。调控蛋白分子之间的作用，共同调节基因表达。这种与蛋白质结合的结构域也含有几种结这种与蛋白质结合的结构域也含有几种结构基元。比较清楚的有构基元。比较清楚的有螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋和和亮氨亮氨酸拉链酸拉链两种。两种。螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋（helix-loop-helix，HLH）：结构：结构：在一个在一个40-50个氨基酸残基的片段中有个氨基酸残基的片段中有两个双亲两个双亲-螺旋，每个螺旋区为螺旋，每个螺旋区为15-16个氨个氨

47、基酸长，其中含有几个保守残基。两个螺旋基酸长，其中含有几个保守残基。两个螺旋间用长短不等的联结区（环）联起来。间用长短不等的联结区（环）联起来。含有含有HLH基元的蛋白质用基元的蛋白质用两个螺旋相应两个螺旋相应面上的疏水基团相互作用的方式形成二聚体面上的疏水基团相互作用的方式形成二聚体发挥作用。发挥作用。亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（leucinezipper）：在蛋白质的在蛋白质的-螺旋一侧集中了许多疏螺旋一侧集中了许多疏水氨基酸，一般约每水氨基酸，一般约每7个氨基酸残基出现个氨基酸残基出现一个亮氨酸。一个亮氨酸。即即亮氨酸都出现在亮氨酸都出现在-螺旋螺旋的疏水一侧，呈的疏水一侧，呈直线排列。当直

48、线排列。当蛋白质蛋白质-蛋白质蛋白质相互作用时相互作用时两个两个-螺旋的亮氨酸残基是肩并肩地排列螺旋的亮氨酸残基是肩并肩地排列起来有如拉链，因而称为亮氨酸拉链。起来有如拉链，因而称为亮氨酸拉链。增强子与转座子：增强子与转座子：真核转录中除调控蛋白外，在真核转录中除调控蛋白外，在DNA上还有一些序列对转录有显著的影响。上还有一些序列对转录有显著的影响。最突出的是增强子（最突出的是增强子（enhancer）。此）。此外，外，基因中还发现有转座子。基因中还发现有转座子。增强子（enhancer）示意图转座子：转座子：另外一类有特定结构的另外一类有特定结构的DNA顺序，这些顺序，这些顺序不断地改变它们在顺序不断地改变它们在细胞基因组内的位置细胞基因组内的位置，或从一个基因组移动到另一个基因组上，它或从一个基因组移动到另一个基因组上，它起着多方面的基因表达调控作用，称为可转起着多方面的基因表达调控作用，称为可转座的遗传因子（座的遗传因子（transposablegeneticelements）或简称转座子）或简称转座子。