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1、关于基因表达的调控 第1页，讲稿共91张，创作于星期日概 述一、基因（gene)(一)概念 从化学上来说指的是一段DNA或RNA（病毒）顺序，该顺序可以产生或影响某种表型，可以由于突变生成等位基因变异体。从遗传学上来说代表一个遗传单位、1个功能单位，1个交换单位和1个突变单位。基因 是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列（7分P27）第2页，讲稿共91张，创作于星期日 1.表型和基因型 某一机体可以观察的特征，称为表现型（Phenotype，简称表型）。与表型相应的基因组成称为基因型（genetype）。如细菌Leu
2、+、Leu-和Leu+、Leu-。2.等位基因（allele）（1）二倍体细胞有2套基因，一套来自父本，另一套来自母本，每个细胞的全套基因由2套基因组成，每一对基因称做等位基因。（2）由于突变作用引起DNA结构变异，所以某一基因可具有若干种不同的形式，这种同一基因不同的形式互称等位基因。第3页，讲稿共91张，创作于星期日3.遗传基本功能单位 基因是遗传的功能单位，它负责有一定的遗传信息，在特定的条件下表达这种信息，产生特定的生理功能。4.交换单位 基因是结构单位，交换只能发生在基因之间。5.作用单位 基因能产生一种特定的表型，即基因决定蛋白质氨基酸排列顺序。6.突变单位 基因可作为一个整体变为
3、另一个等位基因。（二）分类 基因可以分为结构基因和调节基因。结构基因（structural gene）指能转录成为mRNA、rRNA或tRNA的DNA顺序。第4页，讲稿共91张，创作于星期日二、基因组（genome）1个配子（精子或卵子，1个单倍体细胞，1个病毒所包含的全套基因。（1个哺乳动物体细胞含2套基因组，1个原核细胞、1个病毒颗粒含1套基因组）细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和称为基因组。原核、真核、病毒3大基因组比较。第5页，讲稿共91张，创作于星期日 三、基因表达（gene expression）（里外）（一）概念 基因产生功能的过程，称基因表达，也称编码（code）。
4、DNA RNA protein基因表达的过程是信息分子（DNA或RNA）转变成功能分子（protein）的过程。mRNAtRNArRNAtranslationtranslationreplicationreversetranscription第6页，讲稿共91张，创作于星期日 1.转录 RNA pol合成RNA的过程，产生单链RNA互补于DNA，在某些病毒中则是互补于RNA模板。2.翻译 这是由核糖体实现的protein的合成过程，核糖体和tRNA解释mRNA含有的信息密码。蛋白质是大而复杂的功能分子，每1类生物各有其1套特有的蛋白质，不同的生物体内罕见完全相同的蛋白分子，人的蛋白质分子不下1
5、0万种。第7页，讲稿共91张，创作于星期日四、基因表达的调控 基因表达主要包括（基因）转录和（蛋白质）翻译使信息分子DNA转变成功分子protein的过程，这一过程在体内受到精密的调控，以保证功能的有序性。这一调控称为基因表达的调控，简称基因调控。第8页，讲稿共91张，创作于星期日五、基因表达调控的要点第9页，讲稿共91张，创作于星期日第10页，讲稿共91张，创作于星期日第11页，讲稿共91张，创作于星期日（五）调控物质的化学本质 蛋白质、核酸、小分子化合物。（六）调控模式 原核有操纵子调控模型，已发现100多种。真核有Britten-Davidsen（法）模型尚未为实验所证实。病毒基因表达调
6、控 各种病毒、噬菌体等除部分带有RNA pol或逆转录酶外主要是利用宿主的基因表达调控系统。原核病毒适应原核生物遗传策略，真核病毒适应真核生物遗传策略。第12页，讲稿共91张，创作于星期日（七）基因表达的时间性和空间性 （1）时间特异性：按功能需要，某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。（2）空间特异性：在个体生过程中，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这实际是由细胞在器官的分布决定的，因此又称细胞特异性或组织特异性。第13页，讲稿共91张，创作于星期日（八）基因表达的方式 （1）组成性的基因表达：细胞对不同蛋白质的需要是不一样的，一些
7、基因产物对生命全过程都是必需的，这类基因的表达水平在所有细胞或组织中几乎是不变的，如三羧酸循环这个中心代谢途径的酶类，它们的基因表达就属于这一类，这类基因称为管家基因（house keeping gene）。这类稳定的几乎不用调节的表达方式称为组成性的基因表达或基本性的表达（constitute expression）。（2）诱导和阻遏表达：某些基因表达产物数量随着外界环境信号变化而变化，这类基因称为调节基因。有些基因对环境信号应答时被激活，基因表达增加的过程称为诱导（indution），被诱导才表达的基因称为可诱导基因（inducible genes），反过来有些基因对环境信号应答时被抑制，
8、基因表达产物水平降低，这种基因表达方式称为阻遏，这类基因称作可阻遏基因。例如，当色氨酸供给丰富的情况下，细菌中有关色氨酸合成酶的基因表达就会受到阻遏。第14页，讲稿共91张，创作于星期日六、操纵子 上世纪60年代法国分子生物学家Jacob和Monod在E.coli 一半乳糖苷酶诱导生成研究中，发现了适应酶（adaptive enzyme）基因负调控系统，提出著名乳糖操纵子模型（Lac operon），是基因调控研究的1个里程碑。细菌调控的1个共同特点是 1个启动子作用1组基因，一般地说1个细菌代谢途径所需要的酶是由1组基因所编码的，这样的1组基因就是操纵子。1.操纵子（operon）概念 是发
9、现于细菌体内的1种基因调节单位，由控制区和信息区组成，信息区包括相邻的，功能相关的结构基因，在控制区的调节下转录成mRNA，控制区主要含操纵基因，启动子和CAP结合位点，有些操纵子尚含有衰诚子。第15页，讲稿共91张，创作于星期日2.类型与结构 不同的操纵子结构区（结构基因串）不同，调控区（P-O）也不一样，因而调控的方式也不完全相同，据操纵子对于能调节它们表达的小分子应答的性质可将操纵子分为二大类。第16页，讲稿共91张，创作于星期日第一节 原核生物基因表达的调控 从调控方式来看，原核生物调控最重要的特点是操纵子模式。从调控水平来看，主调在转录水平，翻译水平次之。第17页，讲稿共91张，创作
10、于星期日一、DNA水平的调控DNA序列重排对转录的调控，有称反向倒位。研究得比较清楚的是沙门氏菌鞭毛抗菌素原H1和H2选择性表达，H1表达，H2关闭，反之亦然。机制1.h2基因表达时，同时转录翻译出h1基因的阻遏蛋白。2.h2基因不表达时，阻遏h1的蛋白（rh1）也不表达，h1基因表达H1鞭毛抗原。3.h2-rh1 转录单元是否表达受其上游一段DNA的排列方向所控制。4.105次细胞分裂中发生1次，1个细菌克隆以表达1种鞭毛抗原为主。第18页，讲稿共91张，创作于星期日倒位基因启动子H2阻遏蛋白基因启动子H1OFFOFFOnOnOnmRNAH2蛋白阻遏物蛋白倒位基因启动子H2阻遏蛋白基因OFF
11、OFF启动子H1OnOnmRNA可倒位区第19页，讲稿共91张，创作于星期日 倒位基因DNA序列 位于h2-rh1（鞭毛H2-H1阻遏蛋白）转录单元上游，全长995bp。IRL、IRR 995bp左右末端倒转重复顺序（反向重复顺序、也称回文顺序、（palindiome、invertedrepeat sequence）即在DNA链上正读反读有一样意义的序列）各长14bp。hin hin基因位于995bp序列中，其编码的蛋白产生可催化995bp序列倒位。当启动子Ph2向h2时，h2-rh1转录单元表达H2抗原-h1阻遏蛋白，h1不能表达。当995bp序列倒位后，启动子Ph2倒向另一侧，背离h2，h
12、2-rh1不能表达，h1表达。h1、h2基因并不紧密连锁。第20页，讲稿共91张，创作于星期日二、转录水平的调控转录是基因表达的第一步：RNA pol只有聚合作用，没有校正功能。转录精确性依赖于:1.一个精确起点。2.据碱基互补准确转录DNA序列生成mRNA。3.一个特异性的转录终止部位。转录是基因调控主要水平。影响转录因素较多，研究得也较为清楚，从原核生物来说基因调控的基本要素是：转录起始，终止和mRNA的快速转换。第21页，讲稿共91张，创作于星期日（一）影响转录的因素1.2.启动子和起始因子启动子启动基因转录，起始因子识别启动子。第22页，讲稿共91张，创作于星期日结构功能特点第23页，
13、讲稿共91张，创作于星期日标准（一致）序列因为-10、-35区（众多）启动子同源性极强称之，相应的称之为标准、为70。第24页，讲稿共91张，创作于星期日第25页，讲稿共91张，创作于星期日第26页，讲稿共91张，创作于星期日5.倒位蛋白（inversion protein）是一种位点特异性的重组酶（site-speciFic recombinotion enzyme）（前述、DNA水平调控）。6.RNA pol抑制物-严谨反应（stringent respsnse）细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA pol活性降低，RNA pol活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成减少或停止，这种现象称
14、为严谨反应。其机制是在氨基酸缺乏时，游离核糖体（与空载的tRNA增加，在ATP存在下，产生pppGpp(鸟苷-5磷酸)和ppGpp（鸟甘-4-磷酸）。后者与RNA pol 形成ppGpp-RNA pol 复合物，进而使RNA pol 变构，活性rRNA和tRNA合成 或停止。当培养液中富含氨基酸时，则与上述情况相反，RNA pol 活性，rRNA，tRNA合成）。第27页，讲稿共91张，创作于星期日第28页，讲稿共91张，创作于星期日终止机理DNA模板、RNA pol 和新转录RNA组成三元复合体。9.衰减子（attenuator）又称弱化子，是在可阻遏的操纵子中第一个结构基因之前常有一段能减
15、弱转录作用的顺序称之（“可变动的终止子”）。第29页，讲稿共91张，创作于星期日（二）转录起始的调控下面以操纵子为例说明转录起始的调控1.乳糖操纵子的调控机理（可诱导的操纵子）（1）人们早在上个世纪初就发现了酵母中酶的诱导现象。即分解底物的酶只有底物存在时才出现。酶受底物的诱导，这种可诱导现象在细菌中普遍存在。在培养基中加入适合底物-乳糖或半乳糖后23分钟，一半乳糖苷酶可迅速达到5000个酶分子，增加了1000倍，占细菌蛋白总量的510%。一半乳糖苷酸水解乳糖半乳糖+葡萄糖 2个单糖。若撤消底物，该酶合成迅速停止，就象当初迅速合成一样。从60年代乳糖操纵子模型提出1996年分离得到该操纵子的阻
16、遏蛋白1975年乳糖操纵子的碱基序列已全部测定清楚了。第30页，讲稿共91张，创作于星期日（2）乳糖操纵子（Lactose operon，Lac operon）结构示意图CAPCAMPIPOZYA结构基因区（信息区）RNA pol调控区调控区 I-调节基因P-启动子O-操纵基因（OP有一定的重叠）CAP结合位点结构基因Z-半乳糖苷酶基因（-galactosidase）Y-半乳糖苷透酶（乳糖透酶）（-galotoside porinerase）A-硫代半乳糖转乙酰基酶（trans acetylase）第31页，讲稿共91张，创作于星期日（3）调控机理 乳糖操纵子的转录起始受到CAP和阻遏蛋白的双
17、重调控，即正、负调控。CAP（正控）结合到启动子上游CAP结合位点的一致序列附近后，促进RNA pol与P的结合，才能有效的转录，原因是：Lac p 是弱启动子，与一致序列的差异极大，CAP位点结合cAmp-CAP复合物后，Lac p结合RNA pol 的牢固性增强。所以CAP是Lac operon 的正控因子。启动子p与操纵基因有一定的重叠，妨碍RNA pol与P的结合，结合CAP后，改变了空间结构 促进了RNA pol与P的结合。阻遏蛋白（负控）调节基因I（除Lac operon用I外，其余均用R）产生的阻遏蛋白结合到操纵基因O上，就抑制了结构基因的转录，诱导物（或称效应物）可以去阻遏，实
18、现对基因的转录，这是Lac operon的负控机制。第32页，讲稿共91张，创作于星期日2个CAP分子和RNA pol 在Lac p 一致序列上排列CAPCAP-35RNA pol-10IPOZYADNAmRNA阻遏蛋白效应物（乳糖）ZYA基因产物（酶）第33页，讲稿共91张，创作于星期日抑制激活第34页，讲稿共91张，创作于星期日 结合乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、基因开放与关闭情况如下：葡萄糖（G）乳糖 基因开放 基因关闭 机理简述（学生填充）CAP正控、乳糖去阻遏、基因开放、转录进行 不能诱导去阻遏，CAP即使结合，基因未开放 细菌优先用G，无CAP结合，无诱导去阻遏 CAMP
19、-CAP复合物无，CAP位点空，去阻遏 也无RNA pol结合第35页，讲稿共91张，创作于星期日DNAaraC IO2 ParaC IO1BADPBADCAP位点CAmP CAPmRNAProtein(Arac)mRNABADArac-调节蛋白C的编码基因Parc PBAD-启动子IO1O2-调控元件B-L核酮糖激酶（isomerase）A-L阿拉伯糖异构酶（kinase）D-L核酮糖与磷4表异构酶（opimerase）I-起始部位第36页，讲稿共91张，创作于星期日第37页，讲稿共91张，创作于星期日第38页，讲稿共91张，创作于星期日 结合Ara糖、G存在与否及Ara operon正、负
20、控因素基因开放、关闭情况如下：G Ara糖 基因开放 基因关闭 机理简述（学生填充）或 CAMPCAP位点空，Arac使AraI和O2成环 CAMPCAP结合位点，C释放O2、无Ara糖激活作用 Ara糖+AraCRNA pol与PBAD结合转录（Trp operon调控机理放在转录终止调控作用中讲）第39页，讲稿共91张，创作于星期日第40页，讲稿共91张，创作于星期日第41页，讲稿共91张，创作于星期日RPOalEDCBADNAmRNA阻遏蛋白效应物（trp，辅阻遏物，co-repressor)R-调节基因，编码阻遏蛋白P-启动子O-操纵基因al-表诚子前导序式ED-编码邻氨基苯甲酸合成酶
21、（antlnanilate synthetase）2个单体（260KD）C-编码吲哚甘油磷酸合成酶（indeleglycerol-phosphatr synHietdse）45KDBA-编码Trp合成酶亚基（50KD）和亚基（29KD）第42页，讲稿共91张，创作于星期日第43页，讲稿共91张，创作于星期日空 间 结 构特 点DNARPO aL EBCDA aLmRNAL肽UGGUGG1234位于第60位核苷酸-Trp-Trp-第44页，讲稿共91张，创作于星期日第45页，讲稿共91张，创作于星期日第46页，讲稿共91张，创作于星期日第47页，讲稿共91张，创作于星期日第48页，讲稿共91张，
22、创作于星期日第49页，讲稿共91张，创作于星期日DNAamrCLmRNA前导肽SD1123 SD24红霉素甲基化酶前导肽第50页，讲稿共91张，创作于星期日第51页，讲稿共91张，创作于星期日第52页，讲稿共91张，创作于星期日（三）翻译产物对翻译的调控（蛋白质合成的自体调控）有些mRNA编码的蛋白质（pr.），本身就是pr翻译过程中发挥调节作用的因子，这些因子对自身翻译也起调控制作用。1.核糖体蛋白（1）核糖体是1座合成pr.流动工厂，沿mRNA移动 快速合成pr.核糖体以rRNA为骨架加核糖体pr构成。Ecoli核糖体pr55种，（大亚基34，小亚基21），核糖体是细菌细胞重要成份之一。（
23、2）细菌中50余种核糖体pr.基因分布在不同的操纵子中，合成这些pr.，速率是与细胞增殖适应的，受生长条件营养环境影响。（3）实验证明，这些操纵子转录水平是可调控的，但核糖体pr.合成的控制主要在翻译水平。因为加入额外操纵子于细菌，mRNA核糖体pr.并不增加。（4）每1个operon转录的mRNA编码蛋白中的一种（或2种pr复合体）可以结合到多顺反子上游的1个特定部位，阻止核糖体结合和起始翻译。第53页，讲稿共91张，创作于星期日2.翻译终止子RF2合成的自体调控（1）终止密码和释放因子（终止子）无论原核、真核都有3种终止码：UAG、UGA和UAA 没有1种tRNA与终止码作用，而是由特殊的
24、pr.因子促成终止作用，这类pr.因子称做释放因子，也有称翻译终止子。原核有3种释放因子 RF1 识别UAA、UAG RF2 识别UAA、UGA RF3 能刺激RF、RF2的活性。真核只有1种，即eIF。第54页，讲稿共91张，创作于星期日（2）RF2mRNA的移框窗口及其附近结构 相关知识链接 阅读框（reading-frame）也称读码。mRNA核苷酸序列中，3个核苷酸为1组（称为密码子），由核糖体进行翻译。每个密码子代表Pr.合成中单个氨基酸，阅读框规定了哪3个核苷酸成为1组读作1个密码子，这是由起始密码子AuG决定的。例如AuG CCA AAA uuu ccc可以读成AuG/GCA/A
25、AA/UUU/CCC，而不会读A/UGG/CAA/AAU/UUC/CC。开放阅读框（open reading-frame）没有终止密码子打断的阅读，通常是从DNA（不是RNA）顺序推论出开放阅读框的存在。基因密码阅读的3个特点 每个基因都有特定的阅读框（如组Pr.），阅读必须从第1个密码子开始到最后1个密码子结束。阅读是不停顿的，停顿只能合成肽而不是Pr。（学理发）阅读（mRNA）方向53，合成肽链方向NC，而不能反之。第55页，讲稿共91张，创作于星期日mRNA 5 AUGGGG UAU CUU UGAC UAC GAC 3合成肽链方向 NH2 Gly Tyr Leu Asp-Tyr-Asp
26、-COOH 前面25个氨基酸 后面315个氨基酸(AA)RF2是由340氨基酸组成的Pr.它的密码子并不处于同1个阅读框中，前25个AA处于AUG所在阅读框中，后315AA处于（+1）另1阅读框中。RF2整个阅读框分成2个阅读框，中间多了1个U，U与第26个AA（ASP）密码子的前2个核苷酸构成了RF2识别的终止码UGA，而且是前框（25个AA）同框终止密码子。移框窗口至少含15个核苷酸。RF2mRNA移框窗口及其结构 移框窗口（转换区）至少15个核苷酸才能发生移框23 24 25 26 27 28第56页，讲稿共91张，创作于星期日 RF2合成的自体调控 细胞内RF2供应充足时当核糖体A位到
27、达第25个密码子后面的UGA时RF2就促成了肽链合成终止。RF2 RF2mRNA译至第25个AA 在其后UGA处将不成熟的肽释放。胞内缺乏RF2核糖体向前滑动1个核苷酸（U）即移框作用继续合成第25个AA 直到最后的终止码UAG UAG由另1个释放因子RF1识别并促使RF2肽链的释放。移框作用如此精细的自体调控机制目前仍不清楚，可能与前面25肽的结构有关。第57页，讲稿共91张，创作于星期日（四）反义RNA的调控作用1.反义RNA对E.coli渗透压Pr.（外膜Pr.）的调控作用细菌环境omPRDNAomPRPr.omPCDNA高渗低渗正控变构micFRNA反义RNA（174个核苷酸）ompc
28、mRNA翻译Ompc Pr.结合杂交双链omPR Pr.正控转录DNAomPFomPF DNA转录omPFmRNAmicFmRNA翻译omPFmRNAomPFPr.第58页，讲稿共91张，创作于星期日（1）低渗omPR Pr.omPF 。omPC基因关闭。（2）高渗变构OmPR Pr.Ompc ompc mRNA ompc Pr.micF（3）micF能与ompF mRNA前导序列（L）中的44个核苷酸（包括SDs）及编码区（包括起始码AUG）形成杂合双链，从而抑制了ompF mRNA翻译。（4）2种Pr.（ompF.ompc）随渗透压变化而变化此消彼长，总量不变。（5）反义RNA与mRNA反
29、义，通过互补碱基与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，有称干扰mRNA的互补RNA,简称micRNA（mRNA-interfering complementary RNA）。正控正控转录翻译同时转录第59页，讲稿共91张，创作于星期日2.反义RNA对Tn10转位酶的调控作用（1）Tn10带有terr，转座最大的特点是原位转座不动，仅将1个新的合成复本插到另1个新的位点上上去。（2）Tn10的基本结构ISStructralgene3反义（阻遏）RNA5（RNA-out）5Pin（启动子）35Pin启动转录Tn10转位酶（RNA-in）Pout 启动子（RNA-out）阻遏RNA3535互补T
30、n10转位酶mRNA第60页，讲稿共91张，创作于星期日（3）调控机理 Tn10转位酶由pin控制，反义RNA基因由Pout控制。2启动子转录方向相反，在转录区有35（40）bp重叠，导致2条RNA互补。2启动子交叉转录，产物RNA互补重叠成双股链核糖体不能接触转位酶不能译出无酶无法转位。只有RNA-in摆脱了RNA-out配对才有机会翻译。RNA-out活性较RNA-in大8倍，所以Tn10的份数越多，转座机会就越少。生物学意义 对于细菌来说，Tn是入侵者，除抗生素抗性基因对细菌有利外，过多Tn对细菌是一个况重负担、甚至置细菌于死地（转座引起插入突变等）Tn10用反义RNA约束自己不要过多繁
31、殖以免与宿主同归于尽。第61页，讲稿共91张，创作于星期日第二节 真核生物基因表达的调控 真核生物基因调控远比原核生物复杂，人们对其了解尚处于探索阶段，单细胞真核生物如酵母和原核类似，主要通过及时调整酶系统基因表达以适应环境，获取营养外，而 绝大多数真核生物基因极少数与环境变化有直接或间接的关系，而与真核生物体生长发育，分化等生命现象息息相关。其调控最大特点是遗传程序调控。调控主要水平是转录水平。其次为转录后水平、DNA水平、翻译及翻译后水平等。第62页，讲稿共91张，创作于星期日 一、DNA水平的调控1.基因丢失（染色质的丢失）一些低等生物（线虫，昆虫），甲壳类动物细胞在个体发育过程中丢失掉
32、某些基因去除这些基因活性，通过改变基因数目达到调控目的，只有来分化产生殖细胞的哪能些细胞保留整套染色体。高等动物Rbc在发痛成熟过程也有染色质丢失。这些调控是不可逆的。2.基因扩增（gene amplification）基因扩增是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性大量增加的现象。它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够基因产物一种调节手段。其机制多数人认为是基因反复复制的结果，也有人认为是姐妹染色体不均等交换从而使一些细胞中的某种基因增多。第63页，讲稿共91张，创作于星期日例：非洲爪蟾（chan，癞蛤蟆）卵母细胞rRNA基因（rDNA）是一般体细胞的4000倍（2000000/500），这是
33、由于卵母细胞rRNA的大量扩增，以适应胚胎发育对核糖体的大量需要。氨甲蝶呤，重金属镉汞分别诱导二氢叶酸还原酶，金属硫铁Pr.及其它抗药性基因的扩增。原癌基因拷贝数增加，其表达产物增加使细胞持续分裂导致癌变。第64页，讲稿共91张，创作于星期日3.基因重排（gene rearrangement）基因重排是通过调整有关基因片段的衔接顺序，使之重排成为1个完整的转录单位。典例是免疫球Pr.Ig基因在B淋巴细胞和浆细胞生成过程的重排。Ig有2条相同的重链和轻链，轻链包括恒定区、可变区及2者之间的连接区，每个区由DNA不同片段编码，不同区重排连接是抗体多样性（106）分子基础。4.基因修饰（gene m
34、odification）DNA甲基化 在DNA分子加上某些基团/去掉某些基团改变了DNA的微细结构以达到调控基因表达的目的。其中最重要的是甲基化/去甲基化。第65页，讲稿共91张，创作于星期日 甲基化/去（低）甲基化在真核基因调控中有重要作用。一般认为基因表达与甲基化程度成反比，高则低，低则高。（1）管家基因调控区多低甲基化，不表达基因多高甲基化。（2）激素或致癌物使不表达基因调控区低甲基化重新开放。目前认为甲基化影响基因表达机制有：（1）直接作用改变DNA构型（左、右旋转换）影响DNA特异顺序不能与转录因子结合。（2）间接作用5调控区甲基化后与核内甲基化CG结合Pr结合阻止转录因子与基因形成
35、转录复合物。（3）DNA去甲基化与DNaseI高敏区出现，后者为基因活化的标志。第66页，讲稿共91张，创作于星期日5.染色体结构对基因表达的调控作用 （1）真核染色体的基本结构单位核小体结构保护作用。166168bpDNA以左手方向缠绕（2圈）在组Pr.的八聚体上形成串株样的核小体由非组Pr.参入+少量RNA及其它物质压缩800010000倍形成染色体（chromosome）或染色染（chromatin）。核小体紧密缠绕，使许多酶不能接近DNA。活跃梁色体处于活跃表达状态（视细胞种类不同而异，占115%），表达则失去染色体结构。（2）组Pr.的保护作用 组Pr.（histone）、种类少，共
36、5种，保守，种族的特异性不大，如豌豆与5牛，进化10亿年、H4仅相差2个AA，可见其重要作用（大家都舍不得）。组Pr.保护DNA稳定（骨架8聚体）不受损伤。H1封闭核小体进出口，同时控制基因表达。第67页，讲稿共91张，创作于星期日 凡影响组Pr.正电荷减少的因素，如组Pr.N端中间Ser的磷酸化，中间Arg的磷酸化、都可以使组Pr与DNA的结合能力从而影响转录。（3）非组Pr.（non-histon）目前分离达300600多种，种属、组织特异性高，高迁移组分（high mobility group,HMG）可以与H1、H5竞争性与DNA结合，调控基因表达活性。第68页，讲稿共91张，创作于星
37、期日二、转录水平的调控 转录是真核调控主要水平，主要通过反式作用因子，顺式作用元件与RNA pol相互作用完成。反式作用因子通过顺式作用影响转录起始复合物的形成。TATAbox一致序列（consonsus sequence）位于转录起始点上游2530bp处是T82A97T93A85（AorT）100A83（AorT）83（角标校为核苷酸在一致序列中出现频率。对于许多编码Pr.基因，它对P活性和决定转录起始点很重要）。第69页，讲稿共91张，创作于星期日（一）转录起始复合物的形成1.TFD结合TATAboxPr.-DNA复合物2.RNA pol识别并结合TF D-DNA复合物闭合复合物3.其它转
38、录因子结合RNA pol 开放性复合物反式作用因子的作用主要是促进或抑制上述3步反应。TATA盒 RNA转录起始点 DNATATA因子结合RNA pol结合起始因子结合开放的起始复合物第70页，讲稿共91张，创作于星期日（二）反式作用因子 1.反式作用因子（trans-acting factor）真核细胞内含大量序列特异性的DNA结合Pr.，其中一些Pr.的主要功能是使基因开放或关闭称之。反式作用因子识别特定DNA序列（通常815核苷酸，）与DNA结合后，可以促进（正调控）或抑制（负调控）1个邻近基因的转录。2.反式作用因子的重要特点（3个）（1）一般含3个功能的结构域：DNA识别结合域，转录
39、活性域，结合其它Pr.的结合域。（2）能识别并结合上游调控区中的顺式作用元件（如启动子，增强子）（3）对基因表达有正性或负性调控作用，即激活或阻遏基因的表达。（如正控反式因子+相应顺式元件+RNA pol+或其它顺式元件或反式因子产生效应）顺式作用元件（cis-acting element）是指哪能些对结构基因表达具有调控作用的DNA序列。如启动子增强子，衰减子第71页，讲稿共91张，创作于星期日3.反式作用因子结构域的模式（1）DNA结合域（DNA-binding domain）1)锌指结构（zine finger motif）概念 是指DNA结合域中含有较多的半胱氨酸和组氨酸的区域借肽链弯
40、曲使2个His与2个cys或4个cys与1个Zn络合成的指状结构。功用 具有锌指结构的反式因子都含有几个相同的指结构，如TFA含9个指。其指尖部深入DNA双螺旋深、浅沟中，调控相应基因（5srRNA的调控区45bp）。羧端无指，功能是与RNA pol 或其它转录因子结合。CysHisCysHisZn2+第72页，讲稿共91张，创作于星期日同源结构域（homodomain,HD）许多反式因子的DNA结合域有一段相同的保守序列，是60个左右氨基酸组成的螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HIH）结构的区域称之，简称同源域。其中碱性或疏水AA保守，螺旋区可能进入DNA双螺旋大沟与碱基
41、结合。亮氨酸拉链（leucine zipper）是DNA是结合域中约30个AA组成的核心序列，N端富含碱性AA，形成DNA结合面，另一侧每隔6个AA残基出现1个Leu残基，称为Leu拉链区。两个具有Leu拉链区的反式作用以疏水作用形成Leu拉链。Leu拉链空间构象使反式因子碱性区域处于能与DNA结合的空间位置。NH2NH2碱性区域碱性区域COOHCOOH红分生P149图5-17DNA结合部位结构域第73页，讲稿共91张，创作于星期日（2）转录活化结构域（transcriptional activation domain）反式作用因子的转录活化功能取决于DNA结合域以外的由80100个AA组成的
42、区域，此区即为转录活化结构域。转录因子通常具有1个以上的转录活化区，转录活化结构模型有下述3种。酸性-螺旋结构域（acidic-helix domain）富含Gln结构域（glutamine-tich donain）富含pro结构域（proline-rich domain）第74页，讲稿共91张，创作于星期日（三）转录起始的调控 原核RNA pol（2，识别P）识别单纯DNA。真核RNA pol II只能识别转录起始复合物：“TATA因子（TFIID）+TATA盒”。RNA pol II转录起始因复合物形成过程：TATA因子+TATAboxPr.-DNA复合物供pol II 识别。pol II
43、识别并结合Pr.-DNA复合物 转录起始因子结合pol II 形成开放复合物（转录起始复合物）转录开始。真核生物转录起始调控涉及到反式作用因子激活及其作用。反式作用因子促进或抑制上述，参入调控主要因素有顺式作用元件，反式作用因子和RNA pol。第75页，讲稿共91张，创作于星期日1.反式作用因子的活性调节方式：第76页，讲稿共91张，创作于星期日第77页，讲稿共91张，创作于星期日 2.反式作用因子（Pr.）与顺式作用元件的结合（1）被结合的顺式元件及其性质：启动子（上游）和增强子（上、下游）可结合相同的Pr.（2）不同基因存在同样顺式元件提示数量有限调控基因调控真核基因表达。3.反式作用因
44、子的作用方式 反式作用因子与启动子，增强子，RNA pol有一定距离，如何trans-acting有下述模式。（1）成环靠拢（looping）反式作用因子结合增强子中顺式作用元件使DNA弯曲成环靠近RNA pol 直接接触起作用。（2）扭曲变形（twisting）DNA结合Pr.结合DNA DNA构型改变（如解旋）起作用。（3）滑动选点（sliding）结合DN特异位点滑动互另一特殊序列起作用。（4）Oozing 1反式作用因子结合顺式元件促进别的反式因子结合顺式元件直至转录开始。4.反式作用因子的组合调控几种反式作用因子组合对调节基因发挥特定的作用（正控 促进基因转录，负控 抑制基因转录）称
45、之combinatorial regulation。反式作用因子结合顺式元件主要影响：TATA因子与TATA box结合 RNA pol与Pr.-DNA复合物的形成 影响转录起始复合物形成，一旦形成open complex 即转录开始。第78页，讲稿共91张，创作于星期日三、转录后水平的调控 RNA转录合成后往往需要一系列变化，包括拼接，末端修饰、内部修饰等过程才能成熟为成熟mRNA，tRNA和tRNA，这个过程称转录后加工。（posttranscription processing）。转录后加工修饰是基因表达的必需过程之一，且在基因调控和细胞分化上起着重要作用。转录加工受到基因调控。（一）“
46、戴帽安尾（穿靴）（核内）5加帽和多聚腺苷酸化及其调控意义 1.mRNA caping5加上 GpppmNP帽子，tailing 加上AA（50200bp）尾巴。意义 （1）保护作用保护mRNA免受核酸酶降解，（2）标识作用为翻译提供识别位点（CBP）。但戴帽加尾不是唯一的稳定因素，2个因素至少保证mRNA在转录过程不被降解，可能还有其他参入因素。2.rRNA 不易被降解的机理可能是因为其组成核糖体是在核内组装的。3.tRNA 合成后形成特殊的空间结构（三叶草，倒L），可能抵抗降解，半寿期长。第79页，讲稿共91张，创作于星期日（二）mRNA的选择剪接对基因表达的调控作用 1.剪接（splici
47、ng)-自mRNA前体中切除内含子并将外显子连接起来的过程。（rRNA、tRNA剪体中的插入顺序（interveningsequence）也有称之内含子，也要拼接去除，其机制尚不清楚）。m7Gpppm7GpppintronexonexonAAAAAA第80页，讲稿共91张，创作于星期日2.选择剪接对基因表达的调控作用（实例）（1）Bax基因转录产物的选择剪接 Bax基因编码产物是与细胞凋亡有关的分子，（Bax/Bcl2调亡）Bax编码产生的Pr.有几种（、等），结构略有差异，差异的产生来自mRNA的选择性剪接。Bax 保留全部（6个）外显子共192个密码子译出192AA多肽 Bax 保留全部外
48、显子和第5个内含子（含终止码）共218个密码子。Baz 保留1、3、4、5、6外显子，删除第2个外显子译出151AA多肽。第81页，讲稿共91张，创作于星期日（2）选择剪接产生的IBr NF-B是非广泛存在的方式作用因子可与基因上游启动子元件或增加子内部的 B元件结合而调节基因表达。NF-B与I Br结合时以无活性NF B/I Br复合体（105KD）存在于胞浆 I Br基因表达时通过选择剪接删除其mRNA中的178个或67个密码子阅读框移动产生2种具有新C端Pr.异构体即I Br1和I Br2 2者缺失了1个蛋白激酶A位该位点磷酸化调节I Br活性。剪接产生I Br异构体有可能使NF-B对胞
49、内作出不同响应，尚在研究中。第82页，讲稿共91张，创作于星期日（三）mRNA运输的调控实验证明mRNA运输是受控制的。1.3H-udR显示约20%mRNA 胞浆，核内RNA约在1小时内降解成小片段 2.核孔9nm，但可运输9nm颗粒（如核糖体15nm，在核内组装 入胞作用）用20nm金颗粒（gold sphere）包装小RNA（如tRNA或5sRNA）注射到蛙卵（frogoocyte）可迅速过核孔到胞浆。但注射入浆则不能入核说明mRNA主动运输入胞，但机制不清楚。3.RNA从核胞浆是可以调节的（20%RNA入浆）发现腺病毒编码2种Pr.为可以调节RNA运输的选择性所必需、为研究上述机制带来了
50、希望。第83页，讲稿共91张，创作于星期日四、翻译水平的调控（一）翻译起始的调控 翻译起始GTP.MET-tRNA40S.MET-tRNAi.GTP 40S.MET-tRNAiGTPmRNA 80s.METtRNA.GTPmRNA。在之前各个阶段都可以发生调控作用。1.阻遏Pr.的调控作用 进入胞浆并非所有的mRNA分子立即与核糖体结合翻译成Pr.一些特定的翻译抑制Pr.可结合到mRNA5,抑制翻译。如：铁Pr.（ferritin）mRNA5端非编码区约30个核甘酸序列称为铁反应元件（iron-response element）可折叠成1个茎环（发夹结构）可结合1个铁结合调节蛋白（regula