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1、第十三章第十三章基因表达的调节基因表达的调节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原核生物基因转录调节原核生物基因转录调节真核生物基因转录调节真核生物基因转录调节第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理一、一、基本基本概念概念基因（基因（gene）一段编码蛋白质多肽链和功能一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的的DNA片段。片段。基因组基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。信息或整套基因。典型的基因表达是储典型的基因表达是储存遗传信息的基因，在一存遗传信息的基因，在一定调节机制控制下，经过定调节机制控制下，经过转录、
2、翻译，产生有生物转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质或活性的蛋白质或成熟的成熟的rRNA和和tRNA的过程。的过程。基因表达基因表达基因表达转录翻译基因表达转录翻译 大肠杆菌基因组（约大肠杆菌基因组（约40004000个基因个基因)，一般情况下只有，一般情况下只有5 510%10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。表达，或者暂时不表达。人的基因组约含有人的基因组约含有1010万个基因，但在一个组织细胞中通万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状
3、态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1 1万个上下，即使蛋万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过也只有不超过20%20%的基因处于表达状态。的基因处于表达状态。生物基因组的遗传信息生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的并不是同时全部都表达出来的二、基因表达的规律二、基因表达的规律 -时间性及空间性时间性及空间性（1 1）时间特异性）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生
4、，称之为基因表达的时间时间特异性特异性。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阶段特异性段特异性。（2 2）空间特异性）空间特异性基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异，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，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性。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，称称之之为为基基因因表表达达的的空间特异性空间特异性。三、基因表达的方式三、基因表达的方式按对按对刺
5、激的反应性，基因表达的方式分为：刺激的反应性，基因表达的方式分为：（1 1）组成性表达）组成性表达某某些些基基因因在在一一个个个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续表达，通常被称为续表达，通常被称为管家基因管家基因。管家基因管家基因无无论论表表达达水水平平高高低低，管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素影影响响，而而是是在在个个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。区区别别于于其其他基因，这类基因表达被视为他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达组成性基因表达。组组成成性性基基因因表表达达只只受受到到启
6、启动动序序列列或或者者启启动动子子与与RNA聚合酶相互作用的影响。聚合酶相互作用的影响。组成性基因表达也是相对的，而不是一成不组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。（2 2）诱导和阻遏表达）诱导和阻遏表达适适应应性性表表达达指指环环境境的的变变化化容容易易使使其其表表达达水水平变动的一类基因表达平变动的一类基因表达。改变基因表达的情况以适应环境，例如与适改变基因表达的情况以适应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不的动
7、物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的同；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物情况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。适应环境生存的必需。是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。激活，从而使基因的表达产物增加。如如:DNA发生损伤时，修复酶的基因被诱导激活。发生损伤时，修复酶的基因被诱导激活。诱导表达诱导表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为基
8、因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因。如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，这这种种基因是基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏阻遏。阻遏阻遏如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。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
9、均需需协协调调一一致致、共共同同表表达达，即即为为协协调调表表达达(coordinateexpression)，这这种种调调节节称称为为协协调调节调调节(coordinateregulation)。1 1、基因表达的多级调控基因表达的多级调控四、基因表达调控的基本原理四、基因表达调控的基本原理基因基因激活激活转录起始转录起始转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰转录水平的基因表达调控最重要转录水平的基因表达调控最重要 2 2、特异特异DNA序列对基因转录激活的调节序列对基因转录激活的调节基因转录激活调节基本要素基因转录激活调
10、节基本要素基基因因表表达达的的调调节节与与基基因因的的结结构构、性性质质，生生物物个个体体或或细细胞胞所所处处的的内内、外外环环境境，以以及及细细胞内所存在的转录胞内所存在的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。原核生物原核生物 操纵子操纵子(operon)(operon)机制机制 编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列共有序列共有序列决定启动序列的转录活性大小决定启动序列的转录活性大小。RNA聚合酶结合并启动转录的聚合酶结合并启动转录的特异特异DNA序列。序列。启动序列启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATA
11、TGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAra BADTTGACATATAAT共有序列共有序列真核生物真核生物 顺式作用元件顺式作用元件可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列 顺式作用元件并非都位于转录起始点的上游顺式作用元件并非都位于转录起始点的上游(5(5端端)启动子启动子 增强子增强子 沉默子沉默子转录起始点转录起始点增强子增强子DNA编码序列编码序列启动子启动子顺式作用元件通常是基因的非编码序列。顺式作用元件通常是基因的非编码序列
12、。不不同同真真核核生生物物的的顺顺式式作作用用元元件件中中也也会会发发现现一一些些共共有有序序列列，如如TATA盒盒、CAAT盒盒等等，这这些些共共有有序序列列是是RNA聚聚合合酶酶或或特特异异转转录录因因子子的结合位点。的结合位点。3 3、调节蛋白对转录起始的调节、调节蛋白对转录起始的调节原核生物基因的调节蛋白原核生物基因的调节蛋白-DNA结合蛋白结合蛋白特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白真核生物基因的调节蛋白真核生物基因的调节蛋白-反式作用因子反式作用因子与与DNA结合的调节蛋白结合的调节蛋白与蛋白质结合的调节蛋白与蛋白质结合的调节蛋白热休克反应热休克反应细菌的细菌的
13、RNA聚合酶聚合酶 70（启动常规基因表达）（启动常规基因表达）被被 32取代，从而启动另一套基因的表达。取代，从而启动另一套基因的表达。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol阻遏阻遏蛋白蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白是由调节基因编码产生的调节是由调节基因编码产生的调节蛋白。专一与操纵基因（操纵序列）结合。蛋白。专一与操纵基因（操纵序列）结合。当当操操纵纵序序列列结结合合有有阻阻遏遏蛋蛋白白时时，会会阻阻碍碍RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，或或是是RNA聚聚合合酶不能沿酶不能沿DNA向前移动向前移动，阻碍转录。，阻碍转录。操纵序列操纵序列 阻遏蛋白的结合位点阻遏
14、蛋白的结合位点 因因阻遏阻遏蛋白结合蛋白结合DNA产生的阻断转录调节产生的阻断转录调节作用称作用称负调节负调节。激激活活蛋蛋白白可可结结合合启启动动序序列列邻邻近近的的DNA序序列列，促促进进RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，增增强强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol激活蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白是由调节基因编码产生的调节蛋白。是由调节基因编码产生的调节蛋白。因激活蛋白结合因激活蛋白结合DNADNA产生的增强转录调节产生的增强转录调节作用称作用称正调节正调节。有有些些基基因因在在没没有有激激活活蛋蛋白白存存在在时时，R
15、NA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol激活蛋白激活蛋白真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白-反式作用因子（转录因子）反式作用因子（转录因子）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，调节其表达。这种调节作用称为调节其表达。这种调节作用称为反式作用反式作用。反式调节反式调节BAaDNAmRNA蛋白质蛋白质AA转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域蛋白质蛋白质结合域蛋白
16、质蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）酸性激活域酸性激活域谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域脯氨酸富含域脯氨酸富含域（1）调节蛋白与）调节蛋白与DNA的结合的结合大部分调节蛋白与大部分调节蛋白与DNA的结合为的结合为特异结合特异结合。调节蛋白中与调节蛋白中与DNA特异结合的结构域中有特征特异结合的结构域中有特征性的亚结构性的亚结构-即即结构模序结构模序。如：。如：螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋（HTH）、）、锌指（锌指（zincfinger）、）、同质异形结构域同质异形结构域等。等。调节蛋白中的一些极性带电荷的氨基酸残基调节蛋白中的一些极性带电荷的氨基酸残基Asn、Gln、Glu、Arg、Ly
17、s与与DNA碱基形成碱基形成氢键氢键。螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（HTH）由两个由两个7-9个氨基个氨基酸残基组成的酸残基组成的 螺旋。螺旋。一个用于识别一个用于识别DNA，结合在结合在DNA分子分子的大沟中。的大沟中。锌指（锌指（zincfinger）见于于TFA和和类固醇激素受体中，由一段富含半固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸的多胱氨酸的多肽链构成。每四个半胱氨酸残基或构成。每四个半胱氨酸残基或His残残基螯合一分子基螯合一分子Zn2+，其余其余约12-13个残基个残基则呈指呈指样突突出，出，刚好能嵌入好能嵌入DNA双螺旋的大沟中而与之相双螺旋的大沟中而与之相结合。合。每个蛋白每个蛋
18、白质分子中可含分子中可含2-9个个锌指指结构。构。常常结合结合DNA的的GC盒，也盒，也有与有与mRNA结合的功能。结合的功能。同质同质异形结构域异形结构域由由6060个氨基酸残基组成，结构与个氨基酸残基组成，结构与HTHHTH相相似似。在真核生物发育，如身体形成期间在真核生物发育，如身体形成期间起作用。起作用。编码这种结构域的编码这种结构域的DNADNA序列，叫做序列，叫做同同质异形盒质异形盒。（2 2）调节蛋白中）调节蛋白中 蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用结构域蛋白质相互作用结构域绝绝大大多多数数调调节节蛋蛋白白质质结结合合DNA前前，需需通通过过蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作作用用，
19、形形成成二二聚聚体体或或多多聚聚体体。（同质或异质）同质或异质）也也有有的的是是在在结结合合DNA前前，需需要要蛋蛋白白质质与与蛋蛋白质之间的解聚过程白质之间的解聚过程二聚体二聚体亮亮氨氨酸酸之之间间相相互互作作用用形形成成二聚体，形成二聚体，形成“拉链拉链”。肽肽链链氨氨基基端端2030个个富富含含碱碱性性氨氨基基酸酸结结构构域域与与DNA结结合。合。亮氨酸拉链亮氨酸拉链(zip)(zip)亮氨酸拉链亮氨酸拉链碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋(HLH)可形成二聚体可形成二聚体由由50个氨基酸残基的个氨基酸残基的保守区组成保守区组成肽环长度可变肽环长度可变碱性螺旋与碱性螺旋与DNA结合结合4、
20、RNA聚合酶聚合酶DNA顺式作用元件、调节蛋白对转录顺式作用元件、调节蛋白对转录激活的调节最终是由激活的调节最终是由RNA聚活酶的活性聚活酶的活性体现的。体现的。启动子的结构、调节蛋白的性质对启动子的结构、调节蛋白的性质对RNA聚活酶活性影响最大。聚活酶活性影响最大。启动序列与启动序列与RNA聚合酶活性聚合酶活性 启动子有强弱只分，原核、真核启动子启动子有强弱只分，原核、真核启动子碱基碱基序列序列影响影响RNA聚合酶与其亲和力，进而影响转聚合酶与其亲和力，进而影响转录启动频率。录启动频率。启动子序列的差别，使细胞中不同的管家启动子序列的差别，使细胞中不同的管家基因在不同的水平表达。基因在不同的
21、水平表达。调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性启启动动序序列列决决定定基基础础转转录录频频率率，一一些些特特异异调调节节蛋蛋白白在在适适当当环环境境信信号号（如如诱诱导导剂剂和和阻阻遏遏剂剂等等）刺刺激激下下在在细细胞胞内内表表达达，然然后后通通过过DNA-蛋蛋白白质质、蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作作用用影影响响RNA聚聚合合酶酶活活性性，使使基础转录频率发生变化，从而引起表达的变化。基础转录频率发生变化，从而引起表达的变化。第第 二二 节节 原核生物基因转录调节原核生物基因转录调节调节的主要环节在转录起始调节的主要环节在转录起始一、原核一、原核生物生物基因转录调节特点基因转
22、录调节特点（1 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只有一种只有一种RNA-pol，但是有很多种但是有很多种因子因子（2 2）操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性 功能相关基因成簇串联通过单个启动子协调表达功能相关基因成簇串联通过单个启动子协调表达（3 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 原核生物主要以这种负调节方式为主原核生物主要以这种负调节方式为主二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（1 1）乳糖操纵子乳糖操纵子(laclac operonoperon)的结构的结构 结构基因结构基因Z Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y：透酶透酶A A：
23、乙酰基转移酶乙酰基转移酶 调控区调控区CAPCAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列Z ZY YA AO OP PDNADNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（2 2）阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节调节基因调节基因mRNA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-半乳糖苷酶半乳糖苷酶CAP降解物基因活化蛋白降解物基因活化蛋白CAP-cAMP复合物复合物CAP+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（3）CA
24、P的的正性调节正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP 调节基因转录翻译阻遏蛋白调节基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基与操纵基因结合，阻止结合在启动子上的因结合，阻止结合在启动子上的RNA-pol前移，前移，结构基因结构基因不被转录不被转录。1 1）无乳糖也无葡萄糖存在时：）无乳糖也无葡萄糖存在时：2 2）当无乳糖，有葡萄糖时：）当无乳糖，有葡萄糖时：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量含量低，低，CAP的正性调节不起作用。的正性调节不起作用。总结：总结：所以：无乳糖
25、时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭OPOP 由于葡萄糖降解物能降低由于葡萄糖降解物能降低cAMP含量，不含量，不与与CAP形成复合物，形成复合物，CAP不能结合到启动子附不能结合到启动子附近，近，RNA聚合酶不能有效转录，使细菌只能利聚合酶不能有效转录，使细菌只能利用葡萄糖。用葡萄糖。3 3）既有乳糖，又有葡萄糖时：）既有乳糖，又有葡萄糖时：O 乳糖与阻遏蛋白结合，乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落。纵基因结合的能力而脱落。细胞内细胞内cAMP含量高，含量高，cAMP与与CAP结合成复合结合成复合物，
26、与物，与DNA结合，并推动结合，并推动RNA-pol向前移动，促进向前移动，促进转录。转录。4 4）有乳糖，无葡萄糖时：）有乳糖，无葡萄糖时：mRNARNA-polO 乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的RNA-pol向前移动，结构基因被转录翻译，合成与向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖。乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖。所以：有乳糖时，没有葡萄糖，操纵子才开放；所以：有乳糖时，没有葡萄糖，操纵子才开放；有葡萄糖存在，操纵子关闭有葡萄
27、糖存在，操纵子关闭（4 4）协调调节协调调节阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用；没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列列结结合合，如如无无CAP存存在在加加强强转录转录，操纵子仍无转录活性。操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源。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，细细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对laclac操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏。分解代谢阻遏。三三、其它其它转录调节转录调节机制机制1 1、阿拉伯糖操纵子
28、的正调节和负调节作用、阿拉伯糖操纵子的正调节和负调节作用阿拉伯糖是另一个可以为代谢提供碳源的五阿拉伯糖是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要araB、araA和和araD3个基因编码个基因编码3个酶：个酶：核酮糖激酶核酮糖激酶，L-阿拉伯糖异构酶阿拉伯糖异构酶和和L-核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸-4-差向异差向异构酶构酶。与。与araBAD相邻的是一个复合的启动子区相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因域和一个调节基因araC，araC产生的产生的AraC蛋蛋白同时显示正、负调节因子的功能白同时显示正、负调节因子的功能。AraC
29、蛋白通过两种异构体（蛋白通过两种异构体（P1和和P2）来）来实现正、负调节因子的双重功能。实现正、负调节因子的双重功能。在没有阿拉伯糖时，在没有阿拉伯糖时，P1形式占优势，可以形式占优势，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，起起阻遏作用。阻遏作用。一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使蛋白结合，使P1离开操纵基因位点，构象平离开操纵基因位点，构象平衡趋向于衡趋向于P2形式。形式。P2是是起诱导作用的形式，起诱导作用的形式，它通过与启动子结合促进它通过与启动子结合促进RNA-pol开始转录，开始转录，发挥正向调节作
30、用发挥正向调节作用。2 2、色氨酸操纵子的转录弱化调节、色氨酸操纵子的转录弱化调节色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成，编码色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成，编码色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成，编码色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成，编码5 5种酶的基因（种酶的基因（种酶的基因（种酶的基因（trpEtrpE、trpDtrpD、trpCtrpC、trpBtrpB、trpAtrpA）紧密连锁在一起，当培养基中有足够的色氨酸紧密连锁在一起，当培养基中有足够的色氨酸紧密连锁在一起，当培养基中有足够的色氨酸紧密连锁在一起，当培养基中有足够的色氨酸时，操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打时，操纵子自动关闭，
31、缺乏色氨酸时操纵子被打时，操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打时，操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开开开开。色氨酸或与其代谢有关的某种物质在色氨酸或与其代谢有关的某种物质在色氨酸或与其代谢有关的某种物质在色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏基阻遏基阻遏基阻遏基因表达因表达因表达因表达过程中起作用。由于过程中起作用。由于过程中起作用。由于过程中起作用。由于trptrp操纵子参与生物操纵子参与生物操纵子参与生物操纵子参与生物合成而不是降解，因此它不受葡萄糖或合成而不是降解，因此它不受葡萄糖或合成而不是降解，因此它不受葡萄糖或合成而不是降解，因此它不受葡萄糖或cAMPcAMP-CAPCAP的
32、调控。的调控。的调控。的调控。RDNAECAOPDBL调节基因调节基因启动子启动子操纵基因操纵基因前导序列前导序列结构基因结构基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白辅阻遏辅阻遏物物（Trp）研究发现，有研究发现，有色氨酸，转录总色氨酸，转录总是在这个区域终是在这个区域终止，这种终止是止，这种终止是被调节的，这个被调节的，这个区域被称为区域被称为衰减衰减子（弱化子）子（弱化子）。阻遏阻遏-操纵机制操纵机制是一级开关，主管转录是否启动，是一级开关，主管转录是否启动，相当于粗调开关。相当于粗调开关。前导序列翻译前导肽前导序列翻译前导肽是二级开关，属细调控，是二级开关，属细调控，指示已经启动的转录是否继续下去。
33、这个细微调指示已经启动的转录是否继续下去。这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率。止的频率。色氨酸操纵子是色氨酸操纵子是翻译翻译与与转录转录相偶联相偶联的基因表达调节机制的基因表达调节机制前导序列由前导序列由前导序列由前导序列由162162个核苷酸组成，分为个核苷酸组成，分为个核苷酸组成，分为个核苷酸组成，分为1 1、2 2、3 3、4 4区域，区域，区域，区域，四个区域根据需要彼此互补结合，形四个区域根据需要彼此互补结合，形四个区域根据需要彼此互
34、补结合，形四个区域根据需要彼此互补结合，形成特殊的二级结构成特殊的二级结构成特殊的二级结构成特殊的二级结构，达到调节基因表达的目的。，达到调节基因表达的目的。，达到调节基因表达的目的。，达到调节基因表达的目的。其中一部分序列其中一部分序列其中一部分序列其中一部分序列编码了一个含编码了一个含编码了一个含编码了一个含1414个氨基酸的前个氨基酸的前个氨基酸的前个氨基酸的前导肽导肽导肽导肽。该多肽内含有两个相邻的色氨酸。正是。该多肽内含有两个相邻的色氨酸。正是。该多肽内含有两个相邻的色氨酸。正是。该多肽内含有两个相邻的色氨酸。正是这这这这两个相连色氨酸的密码子两个相连色氨酸的密码子两个相连色氨酸的密
35、码子两个相连色氨酸的密码子（组氨酸、苯丙氨（组氨酸、苯丙氨（组氨酸、苯丙氨（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控了色氨酸操纵酸操纵子中都有这种现象）调控了色氨酸操纵酸操纵子中都有这种现象）调控了色氨酸操纵酸操纵子中都有这种现象）调控了色氨酸操纵子结构基因的表达。子结构基因的表达。子结构基因的表达。子结构基因的表达。当培养基中当培养基中当培养基中当培养基中TrpTrp浓度很低时，浓度很低时，浓度很低时，浓度很低时，Trp-tRNATrp-tRNA含量减少，含量减少，含量减少，含量减少，这样翻译通过两个相邻这样翻译通过两个相邻这样翻译通过两个相邻这样翻译通过两个相邻TrpTrp密码子的速度就
36、会很慢，密码子的速度就会很慢，密码子的速度就会很慢，密码子的速度就会很慢，当当当当4 4区被转录完成时，核糖体才进行到区被转录完成时，核糖体才进行到区被转录完成时，核糖体才进行到区被转录完成时，核糖体才进行到1 1区（或停留区（或停留区（或停留区（或停留在两个相邻的在两个相邻的在两个相邻的在两个相邻的TrpTrp密码子处），这时的前导区结构密码子处），这时的前导区结构密码子处），这时的前导区结构密码子处），这时的前导区结构是是是是2-32-3配对，不形成配对，不形成配对，不形成配对，不形成3-43-4配对的终止结构，配对的终止结构，配对的终止结构，配对的终止结构，RNA-RNA-polpol继
37、续前进转录继续前进转录继续前进转录继续前进转录，直到将直到将直到将直到将trptrp操纵子中的结构基因全操纵子中的结构基因全操纵子中的结构基因全操纵子中的结构基因全部转录完成。部转录完成。部转录完成。部转录完成。当培养基中当培养基中当培养基中当培养基中TrpTrp浓度较高时，核糖体可顺利通过两浓度较高时，核糖体可顺利通过两浓度较高时，核糖体可顺利通过两浓度较高时，核糖体可顺利通过两个相邻的个相邻的个相邻的个相邻的TrpTrp密码子，在密码子，在密码子，在密码子，在4 4区被转录之前就到达区被转录之前就到达区被转录之前就到达区被转录之前就到达2 2区，区，区，区，使使使使2-32-3区不能配对，
38、区不能配对，区不能配对，区不能配对，3-43-4区自由配对形成茎环终止子区自由配对形成茎环终止子区自由配对形成茎环终止子区自由配对形成茎环终止子结构，转录被终止，结构，转录被终止，结构，转录被终止，结构，转录被终止，trptrp操纵子被关闭。操纵子被关闭。操纵子被关闭。操纵子被关闭。调节基因表达的调节基因表达的调节基因表达的调节基因表达的RNARNA，称为调节称为调节称为调节称为调节RNARNA。反义反义反义反义RNARNA：细菌中的一种调节细菌中的一种调节细菌中的一种调节细菌中的一种调节RNA,RNA,含有与特含有与特含有与特含有与特定定定定mRNAmRNA翻译的起始部位互补的序列，通过与翻
39、译的起始部位互补的序列，通过与翻译的起始部位互补的序列，通过与翻译的起始部位互补的序列，通过与mRNAmRNA的杂交阻断的杂交阻断的杂交阻断的杂交阻断30S30S小亚基对小亚基对小亚基对小亚基对AUGAUG的识别及的识别及的识别及的识别及与与与与SDSD序列的结合，抑制翻译的起始。序列的结合，抑制翻译的起始。序列的结合，抑制翻译的起始。序列的结合，抑制翻译的起始。反义反义反义反义RNARNA的调节作用，称为反义控制。的调节作用，称为反义控制。的调节作用，称为反义控制。的调节作用，称为反义控制。反义反义RNA对翻译的调节作用对翻译的调节作用第第 三三 节节 真核生物基因转录调节真核生物基因转录调
40、节一、真核生物基因组结构特点一、真核生物基因组结构特点1 1、真核基因组结构庞大、真核基因组结构庞大哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNADNA 约约 3 3 10 10 9 9 碱基对碱基对编码基因编码基因 约有约有 40000 40000 个个，占总长的占总长的6%6%rDNArDNA等重复基因等重复基因 约占约占 5%5%10%10%2 2、染色质的独特结构、染色质的独特结构DNA与组蛋白、非组蛋白和少量与组蛋白、非组蛋白和少量RNA等等其它物质相结合，组蛋白可以保护其它物质相结合，组蛋白可以保护DNA免受免受损伤，维持稳定，调节表达。损伤，维持稳定，调节表达。3 3、单顺反子单顺反子即
41、即一一个个编编码码基基因因转转录录生生成成一一个个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。分子，经翻译生成一条多肽链。4 4、重复序列重复序列（正向重复、反向重复）（正向重复、反向重复）单单拷贝序列（一次或数次）拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（10106 6 次）次）中度重复序列（中度重复序列（10103 3 10104 4次）次）多拷贝序列多拷贝序列5 5、基因不连续性基因不连续性断裂基因断裂基因 -是指核苷酸序列或编码产物的结构具有是指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因。一定程度同源性的一组基因。同一家族的基因成员是由同一祖先基因进同一家族的基因成员是由同
42、一祖先基因进化而来。其编码产物常常具有相似的功能。化而来。其编码产物常常具有相似的功能。基因家族中，某些成员并不能表达出有功基因家族中，某些成员并不能表达出有功能的产物，这些基因称为能的产物，这些基因称为假基因假基因，表示为，表示为“”。哺乳动物中普遍存在这一现象。可哺乳动物中普遍存在这一现象。可能由突变产生。能由突变产生。6 6、基因家族、基因家族二、真核生物基因表达调节的特点二、真核生物基因表达调节的特点1 1、组织特异性表达和时相性、组织特异性表达和时相性 真核生物和原核生物的分界线是真核生物真核生物和原核生物的分界线是真核生物染色体由一层核膜所包围，真核生物转录和翻染色体由一层核膜所包
43、围，真核生物转录和翻译在时空上是分隔的；原核生物是紧密偶联的。译在时空上是分隔的；原核生物是紧密偶联的。（1 1）时间特异性）时间特异性/阶段特异性阶段特异性（2 2）空间特异性）空间特异性/细胞特异性细胞特异性/组织特异性组织特异性2 2、活性染色体结构变化、活性染色体结构变化（1 1）对核酸酶敏感）对核酸酶敏感活活化化基基因因常常有有超超敏敏位位点点，位位于于调调节节蛋蛋白结合位点附近。白结合位点附近。（2 2）DNADNA拓扑结构变拓扑结构变化化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在。均以负性超螺旋构象存在。基因活化后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向
44、转录方向（3）DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。化范围与基因表达程度呈反比。CpG岛岛甲基化常发生在某些基因的甲基化常发生在某些基因的5侧翼区侧翼区的的CpG序列序列（4 4）组蛋白变化）组蛋白变化富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低H2A,H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加组蛋白修饰组蛋白修饰H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露4 4、多级调节系统多级调节系统3 3、正正性性调节占主导调节占主导 真核基因基因组大，通过利用各种转录因子真核基因基因组大，通过利用各种转录因子正性激活正性激活R
45、NA聚合酶是真核基因调控的主要机制。聚合酶是真核基因调控的主要机制。特异性强，更精确，更经济特异性强，更精确，更经济 在在转录前、转录、转录后与翻译、转录前、转录、转录后与翻译、mRNAmRNA降降解、翻译后、转运等不同水平分别进行调控。解、翻译后、转运等不同水平分别进行调控。短期调节（可逆）短期调节（可逆）-环境、代谢物对合成的影响。环境、代谢物对合成的影响。长期调节（不可逆）长期调节（不可逆）-发育中的细胞决定和分化。发育中的细胞决定和分化。（1）DNA水平调节（转录前）水平调节（转录前）染色质的丢失染色质的丢失不可逆调节不可逆调节基因扩增基因扩增增加基因拷贝数增加基因拷贝数基因重排基因重
46、排主要调节方式主要调节方式DNA甲基化甲基化甲基化与基因表达呈负相关甲基化与基因表达呈负相关（2）转录水平调节）转录水平调节RNA聚合酶活性调节聚合酶活性调节Britten-Davidson模型模型Britten-Davidson模型模型CDNAS1S2STZ1传感基因传感基因Z2st整合基因整合基因(受体基因受体基因)结构基因结构基因受体序列受体序列mRNA传感蛋白传感蛋白激素激素激活蛋白激活蛋白（3 3）转录后水平调节）转录后水平调节mRNA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mRNA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mRNA运输的控制运输的控制（4）
47、翻译水平的调节）翻译水平的调节翻译起始的调节：阻遏蛋白的调节；起始因翻译起始的调节：阻遏蛋白的调节；起始因子的调节；子的调节；5AUG（不是起始密码子）的调节；不是起始密码子）的调节；5非编码区长度的影响等。非编码区长度的影响等。mRNA稳定性调节稳定性调节小分子小分子RNA的的影响影响三、真核生物基因转录起始的调节三、真核生物基因转录起始的调节1 1、顺式作用元件、顺式作用元件是是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个至少包括一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。典型的启动子：典型的启动子：CAAT盒和（
48、或）盒和（或）GC盒盒TATA盒盒转录起始点转录起始点最简单的启动子：最简单的启动子：TATA盒盒转录起始点转录起始点有的启动子没有有的启动子没有GC盒盒或或TATA盒盒（1 1）启动子）启动子与与结构基因表达相关、能够被转录因子识别和结合的结构基因表达相关、能够被转录因子识别和结合的DNA序列序列.2.2.增强子增强子(enhancer)(enhancer)指指远远离离转转录录起起始始点点、决决定定基基因因的的时时间间、空空间间特特异异性性、增增强强启启动动子子转转录录活活性性的的DNA序序列列，其其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。发挥作用的方式通常与方向、距离无关。在转录起始点在转录起
49、始点5或或3侧均能起作用；侧均能起作用；相对于启动子的任一指向均能起作用；相对于启动子的任一指向均能起作用；发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；对异源性启动子也能发挥作用；对异源性启动子也能发挥作用；通常具有一些短的重复顺序。通常具有一些短的重复顺序。特点特点3.3.沉默子沉默子(silencer)(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。n同一同一DNA序列可被不同蛋白质识别。序列可被不同蛋白质识别。n同一蛋白质因子可与多种不同同一蛋白
50、质因子可与多种不同DNA序列发生联系，序列发生联系，少数是直接结合，多数是蛋白质少数是直接结合，多数是蛋白质-蛋白质相互作用后蛋白质相互作用后再影响再影响DNA。n蛋白质蛋白质-蛋白质或蛋白质或DNA-蛋白质的结合，均导致构象蛋白质的结合，均导致构象上的微细变化，构象变化常是实现调控功能的分子上的微细变化，构象变化常是实现调控功能的分子基础。基础。n反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可变性和可塑性。可变性和可塑性。2 2、反式作用因子反式作用因子 细胞中具有使基因开放或关闭功能的序列特异性细胞中具有使基因开放或关闭功能的序列特异性DNA结合