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1、分子生物学Chapter6基因表达的调控几个重要的观点和概念几个重要的观点和概念p生物个体的各种组织和细胞具有全套相同的基因组，含生物个体的各种组织和细胞具有全套相同的基因组，含有生物体生长、发育、新陈代谢和繁殖所需要的全部遗有生物体生长、发育、新陈代谢和繁殖所需要的全部遗传信息。传信息。p基因组中基因的表达具有时空性：基因组中基因的表达具有时空性：n所有基因并非以同样的强度、时时刻刻地表达所有基因并非以同样的强度、时时刻刻地表达n不同组织和细胞表达的基因种类、数量和强度不同不同组织和细胞表达的基因种类、数量和强度不同 组织组织特异性表达（特异性表达（Tissue-specific expre
2、ssion）n在不同的发育阶段表达的基因种类、数量和强度也不同在不同的发育阶段表达的基因种类、数量和强度也不同 时序性表达（时序性表达（Temporal expression）一、操纵子模型一、操纵子模型p1961，Jacob&Monod:研究大肠杆菌的乳糖利用时研究大肠杆菌的乳糖利用时提出提出乳糖操纵子（乳糖操纵子（Lac operon）模型。模型。PIOPLacILacZLacYLacAPromoter启动子启动子 Control elementPolycistron(多顺反子多顺反子)mRNA-半乳糖苷半乳糖苷酶酶b-galactosidase 透过酶透过酶permease 转乙酰基酶转
3、乙酰基酶transacetylase Structural GeneOperator操纵基因操纵基因 大肠杆菌利用乳糖作为能源的生物学途径大肠杆菌利用乳糖作为能源的生物学途径与操纵子有关的几个名词与操纵子有关的几个名词p一些功能相关的基因紧密连锁在一起受同一操纵序列协一些功能相关的基因紧密连锁在一起受同一操纵序列协调的控制其转录，并生成一个多顺反子。调的控制其转录，并生成一个多顺反子。p操纵基因（操纵基因（Operator）：顺式作用元件，能与调控蛋白）：顺式作用元件，能与调控蛋白结合从而调控基因转录起始效率。结合从而调控基因转录起始效率。p调控基因：如调控基因：如Lac Operon中的中的
4、LacI基因，编码调控蛋基因，编码调控蛋白作为反式作用因子，通过与相应顺式元件结合后调控白作为反式作用因子，通过与相应顺式元件结合后调控基因表达。基因表达。n编码阻遏蛋白，与操纵基因结合对基因表达进行负调控。编码阻遏蛋白，与操纵基因结合对基因表达进行负调控。n编码激活蛋白，与操纵基因或上游控制元件结合对基因表达进编码激活蛋白，与操纵基因或上游控制元件结合对基因表达进行正调控。行正调控。与操纵子有关的几个名词与操纵子有关的几个名词p操纵子是原核生物基因组织和基因表达调控的主要方式。操纵子是原核生物基因组织和基因表达调控的主要方式。p效应物（效应物（Effector）：能与调控蛋白结合，改变调控蛋
5、）：能与调控蛋白结合，改变调控蛋白的空间构象，从而改变基因转录水平的物质，多为内白的空间构象，从而改变基因转录水平的物质，多为内外源因子。外源因子。n诱导物（诱导物（Inducer）：诱导操纵子开放基因表达）：诱导操纵子开放基因表达n辅阻遏物（辅阻遏物（Corepressor）：不直接作为阻遏物，但可以与调）：不直接作为阻遏物，但可以与调控蛋白结合后阻遏操纵子基因表达控蛋白结合后阻遏操纵子基因表达操纵子调控基因表达的操纵子调控基因表达的4种模式种模式注：注：一个特定的操纵子一个特定的操纵子往往组合使用其中往往组合使用其中的多个调控模式。的多个调控模式。二、典型操纵子的基因表达调控模式二、典型操
6、纵子的基因表达调控模式p基因表达的负控制基因表达的负控制n负控诱导模型：乳糖操纵子负控诱导模型：乳糖操纵子n负控阻遏模型：色氨酸操纵子负控阻遏模型：色氨酸操纵子p基因表达的正控制基因表达的正控制n分解代谢产物阻遏启动子的正控制：乳糖操纵子分解代谢产物阻遏启动子的正控制：乳糖操纵子p操纵子基因表达调控的实例：操纵子基因表达调控的实例：n乳糖操纵子乳糖操纵子n组氨酸利用操纵子组氨酸利用操纵子负控诱导模型：乳糖操纵子负控诱导模型：乳糖操纵子E.coli Conclusion:Lac operon is activated through adding lactose(inducer).Relativ
7、e concentrationtimeAdd lactoseRemove lactoseLac mRNA-半乳糖苷半乳糖苷酶酶透过酶透过酶没有葡萄糖的培养基上没有葡萄糖的培养基上适时添加或去除乳糖适时添加或去除乳糖Negative regulation of lac operonPIOPLacILacZLacYLacAConstitutive expressmRNAGene:OFFNo mRNA productsrepressorLac operon#3Negative regulation of lac operonPIOPLacILacZLacYLacAConstitutive expre
8、ssmRNAGene:ONmRNA product-GalactosidasePermease Transacetylase Iso-lactoseRNA polymeraseIso-lactoseLac operon#4几个要点几个要点p无异构乳糖（诱导物）时，基因的表无异构乳糖（诱导物）时，基因的表达被阻遏蛋白阻遏而关闭；达被阻遏蛋白阻遏而关闭；p有异构乳糖（诱导物）时，基因表达有异构乳糖（诱导物）时，基因表达被开放。被开放。异构乳糖的存在是异构乳糖的存在是基因开放的前提基因开放的前提异构乳糖的来源异构乳糖的来源吸收进入细胞吸收进入细胞培养基中的乳糖培养基中的乳糖在胞内：转化为异构乳糖在胞
9、内：转化为异构乳糖透过性酶透过性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶两个矛盾两个矛盾:Question:How the lactose enters into the cell and forms iso-lactose?胞内预存有透过酶以将诱导物运输进入胞内胞内预存有透过酶以将诱导物运输进入胞内 vs.透过酶的诱导合成透过酶的诱导合成真正的诱导物真正的诱导物异构乳糖异构乳糖由乳糖经由乳糖经-半乳糖苷酶催化转化而得半乳糖苷酶催化转化而得vs.-半乳糖苷酶的诱导合成半乳糖苷酶的诱导合成解释：解释：PIOPLacILacZLacYLacA泄露表达（泄露表达（Leaky Expression）：没有乳糖存在时，
10、阻遏蛋白偶然脱落，使没有乳糖存在时，阻遏蛋白偶然脱落，使下游结构基因保持本底表达。所以，细胞内含下游结构基因保持本底表达。所以，细胞内含有极少量的基因表达产物。这些产物足以运送有极少量的基因表达产物。这些产物足以运送少量的外源乳糖进入细胞。少量的外源乳糖进入细胞。当乳糖成为唯一碳源时，当乳糖成为唯一碳源时，起初本底表达的产物使少量的起初本底表达的产物使少量的乳糖进入细胞，并被转化成异乳糖进入细胞，并被转化成异构乳糖，获得真正的诱导物。构乳糖，获得真正的诱导物。异构乳糖诱导下游结构基因高异构乳糖诱导下游结构基因高效表达，使基因产物大量合成；导效表达，使基因产物大量合成；导致运送大量的乳糖进入细胞
11、，一方致运送大量的乳糖进入细胞，一方面分解产能，另一方面转化为异构面分解产能，另一方面转化为异构乳糖维持基因的持续表达。乳糖维持基因的持续表达。Summary:Negative regulation of Lac operonpLactose operon is inducible.乳糖操纵子的基因表达是可诱导乳糖操纵子的基因表达是可诱导的。的。pLacI gene encodes the repressor(acts as the negative regulator)for the Lactose operon.LacI基因编码乳糖操纵基因编码乳糖操纵子的阻遏蛋白。子的阻遏蛋白。pBefo
12、re induced,leaky expression of the Lactose Operon lead to maintenance of the pre-prepare status inside the cell.诱导前，乳糖操纵子的泄露表达维持了胞内的预备诱导前，乳糖操纵子的泄露表达维持了胞内的预备状态。状态。负控阻遏模型：色氨酸操纵子负控阻遏模型：色氨酸操纵子阻遏物阻遏物Trp:辅辅阻遏物阻遏物色氨酸色氨酸tRNA 合成酶合成酶分解代谢产物阻遏启动子的正控制分解代谢产物阻遏启动子的正控制(例：乳糖操纵子例：乳糖操纵子)Growth-Galactosidase050100耗尽葡萄糖
13、耗尽葡萄糖Growth-GalactosidaseabaE.coliE.coliE.coliE.coliMedium No carbon source Glucose onlyGlucose+lactose（a）Lactose only(b)Growth-+-GalactosidaseNoNo耗尽葡萄糖后耗尽葡萄糖后Yes 图例图例上述实验结论：上述实验结论：p大肠杆菌可以利用葡萄糖和乳糖作为碳源。大肠杆菌可以利用葡萄糖和乳糖作为碳源。p在同时存在葡萄糖和乳糖时，大肠杆菌首先利用葡萄糖，在同时存在葡萄糖和乳糖时，大肠杆菌首先利用葡萄糖，乳糖操纵子的基因表达被抑制。乳糖操纵子的基因表达被抑制。p
14、只有在没有了葡萄糖这一优先碳源后，乳糖操纵子被激活只有在没有了葡萄糖这一优先碳源后，乳糖操纵子被激活表达而利用乳糖作为碳源。表达而利用乳糖作为碳源。p可见：可见：n葡萄糖的存在导致乳糖操纵子基因表达的抑制葡萄糖的存在导致乳糖操纵子基因表达的抑制n乳糖的存在是乳糖操纵子激活表达的必须条件；但仅有乳糖乳糖的存在是乳糖操纵子激活表达的必须条件；但仅有乳糖存在不足以激活乳糖操纵子的表达。存在不足以激活乳糖操纵子的表达。解释解释：cAMP-CAP cAMP-CAP 复合物作为正调控因子复合物作为正调控因子激活基因表达激活基因表达PIP OLacILacZLacYLacAcAMPcAMP受体蛋白受体蛋白
15、(CAP)Gene:on and activatedRNA PolymerasecAMP-CAP complexPositive regulation of Lac operonPositive regulation of Lac operon操纵子调控的综合实例操纵子调控的综合实例 1：乳糖操纵子乳糖操纵子p负控制：负控制：LacI基因编码阻遏蛋白；诱导物异构乳糖使阻遏基因编码阻遏蛋白；诱导物异构乳糖使阻遏蛋白构象改变，从而诱导基因表达开放。蛋白构象改变，从而诱导基因表达开放。PIOPLacILacZLacYLacAConstitutive expressmRNAGene:ONmRNA pr
16、oductPermease Transacetylase Iso-lactoseRNA polymeraseIso-lactose-Galactosidasep正控制：正控制：cAMP-CAP复合物作为正调控因子，激活基复合物作为正调控因子，激活基因表达。因表达。PIP OLacILacZLacYLacAcAMPcAMP受体蛋白受体蛋白 (CAP)Gene:on and activatedRNA PolymerasecAMP-CAP complexBinding site of regulation factors（Summary for regulation of Lac operon）-8
17、2+1-7+28-87,-49-48,+5-5,+21正调控因子（cAMP-CAP复合物）RNA polymerase负调控因子（阻遏物）操纵子调控的综合实例操纵子调控的综合实例 2：组氨酸利用操纵子组氨酸利用操纵子p负控制：负控制：C基因编码阻遏蛋白，在没有组氨酸时阻遏转录；当组氨酸基因编码阻遏蛋白，在没有组氨酸时阻遏转录；当组氨酸存在时，组氨酸被降解产生尿苷酸，尿苷酸作为诱导物结合到阻遏蛋存在时，组氨酸被降解产生尿苷酸，尿苷酸作为诱导物结合到阻遏蛋白上并改变其构象，激活转录。白上并改变其构象，激活转录。阻遏蛋白阻遏蛋白尿苷酸尿苷酸组氨酸组氨酸正控制：正控制：pC源不足时源不足时pN源不足时
18、源不足时二、衰减子及其对基因表达的调控二、衰减子及其对基因表达的调控p衰减子的发现衰减子的发现n1968，Imamato Lab发现：在色氨酸操纵子的调控中，发现：在色氨酸操纵子的调控中，当胞内色氨酸少且不足以作为辅阻遏物时，基因表达开放，当胞内色氨酸少且不足以作为辅阻遏物时，基因表达开放，但是转录启动后又大量的转录过程仅进行到第一个结构基但是转录启动后又大量的转录过程仅进行到第一个结构基因前，基因表达提前终止因前，基因表达提前终止 衰减作用（衰减作用（Attenuation）。）。n在色氨酸操纵子中，行使衰减作用的顺式作用元件是前导在色氨酸操纵子中，行使衰减作用的顺式作用元件是前导区（区（L
19、eader）中的衰减子（）中的衰减子（Attenuator）。）。阻遏物阻遏物Trp:辅辅阻遏物阻遏物色氨酸色氨酸tRNA 合成酶合成酶色氨酸操纵子的负调控：色氨酸浓度高时色氨酸操纵子的负调控：色氨酸浓度高时基因表达关闭基因表达关闭 色氨酸浓度色氨酸浓度低低时时基因表达基因表达开放开放 二、衰减子及其对基因表达的调控二、衰减子及其对基因表达的调控p衰减子的发现衰减子的发现n1968，Imamato Lab发现：在色氨酸操纵子的调控中，当发现：在色氨酸操纵子的调控中，当胞内色氨酸少且不足以作为辅阻遏物时，基因表达开放，胞内色氨酸少且不足以作为辅阻遏物时，基因表达开放，但是但是转录启动后有大量的转
20、录过程仅进行到第一个结构基转录启动后有大量的转录过程仅进行到第一个结构基因前，基因表达提前终止因前，基因表达提前终止 衰减作用（衰减作用（Attenuation）。n在色氨酸操纵子中，行使衰减作用的顺式作用元件是前导在色氨酸操纵子中，行使衰减作用的顺式作用元件是前导区（区（Leader）中的衰减子（）中的衰减子（Attenuator）。）。UGA Stop codonPredicted Leader peptideLeader 前导区前导区A27UGU69GATranscriptHigh trp:P OLeader trpEDCBAForm typical transcription term
21、iantorTrp-Trp色氨酸含量高时色氨酸含量高时：核糖体在翻译时快速通过：核糖体在翻译时快速通过“双双密码子密码子”位点，而覆盖了区域位点，而覆盖了区域1和和2，使已转录的，使已转录的mRNA上的区域上的区域3和和4形成不依赖于形成不依赖于因子的转录因子的转录终止子，导致转录终止。终止子，导致转录终止。A27UGU69GATranscriptLow trp:P OLeader trpEDCBANot form typical transcription termiantorTrp-Trp色氨酸含量低时色氨酸含量低时：核糖体在经过：核糖体在经过“双双密码子密码子”位点是速度慢，使区域位点是
22、速度慢，使区域2和和3形成茎环结构，区域形成茎环结构，区域4空闲，转录继空闲，转录继续进行。续进行。色氨酸操纵子基因表达衰减作用的色氨酸操纵子基因表达衰减作用的几个要点几个要点p从色氨酸操纵子的前导区的结构特征：从色氨酸操纵子的前导区的结构特征：n它们的一级结构具有它们的一级结构具有4段可两两配对形成茎环结构的序列；段可两两配对形成茎环结构的序列；n具有一段可编码具有一段可编码14Aa短肽的短肽的ORF；n该短肽的该短肽的ORF的第的第10、11个密码子为连续排列的两个个密码子为连续排列的两个Trp密码密码p利用大肠杆菌的利用大肠杆菌的Trp-AARS的温度突变体研究表明：空载的的温度突变体研
23、究表明：空载的tRNATrp是是衰减作用的直接信号，色氨酸操纵子的基因表达的衰减与引导区的特衰减作用的直接信号，色氨酸操纵子的基因表达的衰减与引导区的特殊结构及其蛋白质合成有关。（见教材殊结构及其蛋白质合成有关。（见教材P227）n色氨酸不是衰减作用的直接信号；色氨酸不是衰减作用的直接信号；n空载的空载的tRNATrp作为直接信号调控了前导肽合成中核糖体的移作为直接信号调控了前导肽合成中核糖体的移动速度，从而控制了操纵子动速度，从而控制了操纵子mRNA合成的长度和效率。合成的长度和效率。p衰减机制发挥作用的前提是基因表达已经开放。衰减机制发挥作用的前提是基因表达已经开放。p衰减机制是原核生物对
24、基因表达进行精细调控的一种方式。衰减机制是原核生物对基因表达进行精细调控的一种方式。操纵子基因表达调控的综合实例操纵子基因表达调控的综合实例3：色氨酸操纵子色氨酸操纵子p负控制：负控制：trpR基因编码非活性阻遏蛋白；当胞内色氨酸过量时，色氨基因编码非活性阻遏蛋白；当胞内色氨酸过量时，色氨酸作为辅阻遏物与非活性的阻遏蛋白结合而阻遏基因表达，减少色氨酸作为辅阻遏物与非活性的阻遏蛋白结合而阻遏基因表达，减少色氨酸的合成。酸的合成。阻遏物阻遏物Trp:辅辅阻遏物阻遏物色氨酸色氨酸tRNA 合成酶合成酶p衰减作用：当胞内色氨酸含量低时，色氨酸操纵子开放表衰减作用：当胞内色氨酸含量低时，色氨酸操纵子开放
25、表达。此时，依据色氨酸浓度变化，通过衰减作用精细的调达。此时，依据色氨酸浓度变化，通过衰减作用精细的调节基因表达。节基因表达。三、严紧控制的应急反应三、严紧控制的应急反应蛋白质合成过程中，结合到核糖体蛋白质合成过程中，结合到核糖体A位上位上的的tRNA是空载的（无氨基酸结合），阻断是空载的（无氨基酸结合），阻断了肽键的形成，造成了肽键的形成，造成GTP的积累。的积累。积累的积累的GTP被用做合成魔斑核苷酸被用做合成魔斑核苷酸GTP+ATPATP-GTP-3-焦磷酸转移酶焦磷酸转移酶ppGpppppGpp +AMP空载空载tRNA魔斑核苷酸作为阻遏物特异性的阻遏魔斑核苷酸作为阻遏物特异性的阻遏r
26、DNA操纵子，关闭操纵子，关闭rRNA的转录，阻的转录，阻止止tRNA的延伸，抑制蛋白质的合成。的延伸，抑制蛋白质的合成。同时活化某些操纵子（如氨基酸操纵子）同时活化某些操纵子（如氨基酸操纵子），合成急需的氨基酸；活化蛋白水解酶，合成急需的氨基酸；活化蛋白水解酶，水解蛋白质以提供氨基酸单体。水解蛋白质以提供氨基酸单体。氨基酸严重缺乏时氨基酸严重缺乏时魔斑魔斑 II魔斑魔斑 I6.2 6.2 真核生物的基因表达调控以真核生物的基因表达调控以正控制为主正控制为主一、基因表达调控的模型一、基因表达调控的模型整合子整合子-感受子正调控模型感受子正调控模型（Integrater-Receptor Mod
27、el of Positive Control）Brittein R.J.&Davidson E.H.,Science,1969,165:345457多整合子系统（多激活子模型）多整合子系统（多激活子模型）多感受子模型多感受子模型Signal transduction&gene expression controlSignal transduction pathwayEnzyme activatedactivatedinhibitedGene ONGene OFFTF be Regulated by hormoneActivated Activation domainDNA binding do
28、mainHormone binding domainNCbinding to HRERegulate expressionHormone6.3 DNA6.3 DNA水平的基因表达调控：水平的基因表达调控：DNADNA重排和转换重排和转换一、沙门氏菌鞭毛的一、沙门氏菌鞭毛的H1-H2抗原相的转变抗原相的转变二、酵母交配型的转变二、酵母交配型的转变三、免疫球蛋白的多样性三、免疫球蛋白的多样性一、沙门氏菌的抗原相的转变一、沙门氏菌的抗原相的转变（Phase variationPhase variation）p许多沙门氏菌具有两个非等位基因控制鞭毛蛋白的合许多沙门氏菌具有两个非等位基因控制鞭毛蛋白的合
29、成并表现两种不同的抗原相：成并表现两种不同的抗原相：n H1型抗原相型抗原相H1 基因基因 n H2型抗原相型抗原相 H2基因基因 p两种抗原相可以发生转变：野生型细菌中有两种抗原相可以发生转变：野生型细菌中有1的机会的机会发生。发生。p H2基因的表达对基因的表达对H1基因具有显性上位的抑制作用。基因具有显性上位的抑制作用。Hin蛋白引起蛋白引起hin片段倒位，使细菌片段倒位，使细菌H1和和H2型抗原相相互转变。型抗原相相互转变。约约1机会出现抗原相的转变。机会出现抗原相的转变。H2-rh1H2-rh1的转录启动子的转录启动子阻遏阻遏H1H1的表达的表达引起倒位引起倒位二、酵母交配型的转换二
30、、酵母交配型的转换基因型单一的基因型单一的酵母群体酵母群体无无性性繁繁殖殖不利环境因素作用而导致不利环境因素作用而导致群体崩溃，物种灭绝！群体崩溃，物种灭绝！酵母主要的繁殖方式酵母主要的繁殖方式:无性繁殖无性繁殖aaaaaaaaaaaaaaaMating type of Yeast酵母交配型酵母交配型a type(MATa基因基因)type(MAT基因基因)交配交配酵母繁殖的另外两种方式酵母繁殖的另外两种方式aaaa不同交配型之间不同交配型之间的交配结合的交配结合减数分裂而减数分裂而生成孢子生成孢子方式一、不同交配型的酵母之间进行交配方式一、不同交配型的酵母之间进行交配二二倍倍体体方式二、同宗
31、接合中的交配型转换方式二、同宗接合中的交配型转换（Mating Type Switching）aaaaaaaaaaaa 的交配型转换的交配型转换 a的交配型转换的交配型转换a无性繁殖无性繁殖无性繁殖无性繁殖方方式式一一Cassette Model（暗箱模型）（暗箱模型）HO/hohomothallismRE-likeSIR(1-4)Silent Information RegulatorNegative controlling 负控制负控制 silent cassette active cassette silent cassetteHMLMATHMRa/athr4leuathr4leuHO内
32、切酶HMLMATHMRMATaHML 结合型基因转换的分子机制结合型基因转换的分子机制HOaaaaaaaHOHOHO三、免疫球蛋白多样性的分子基础三、免疫球蛋白多样性的分子基础人类免疫系统的免疫反应：人类免疫系统的免疫反应：p 细胞免疫：细胞免疫：T细胞调节免疫应答，杀伤抗原等细胞调节免疫应答，杀伤抗原等p 体液免疫：体液免疫：B 细胞产生抗体，而抗体的形成具有十分相细胞产生抗体，而抗体的形成具有十分相似的特征与形成机理似的特征与形成机理(专一性，记忆性，多样性专一性，记忆性，多样性)Ig 的分子结构的分子结构Heavy&Light chains Immunoglobulinwith seve
33、ral discrete domainsL V J CsplicingsplicingL V D J C1 H C2 C3Molecular structure of IgL1LnV1VnD1DnJ1JnC1CnL1LnV1VnD1 J1JnC1CnL1V1D1 J1JnC1CnD1 J1L1V1C1免疫球蛋白重链的重排免疫球蛋白重链的重排DNA 水平的重排水平的重排5 L1-V1-CACAGTG-11 Nt-ACAAAAACC-L2-V2-CACAGTG-11Nt-ACAAAAACC-L3V3 GGTTTTTGT-23Nt-CACTGTG-J139Nt7Nt7Nt9Nt免疫球蛋白的免疫球蛋白
34、的DNA重排的机制重排的机制轻链基因：轻链基因：V 3 LnV2 L29Nt 9Nt11Nt 23Nt7Nt 7NtV1 J L1Any V region of V family recombination with any J region of J familyleads to Ig diversityRecognition signalstemloop excised unexactlyleads to Ig diversityL3VnSomatic recombination免免 疫疫 球球 蛋蛋 白白 轻轻 链链 形形 成成轻链的基因家族中：轻链的基因家族中：V V 基因有基因有30
35、0个拷贝个拷贝J 基因有基因有5个拷贝个拷贝C 为单拷贝为单拷贝重排时可产生：重排时可产生：300*5*1=1500 种组合可能性种组合可能性L（/）300(V)5(J)1500H n 100(V)20(D diversity)4(J)10(C)n 80000 L V-L 多位点连接多位点连接 10 H V-L 多位点连接多位点连接 100Ig的可能种类的数量的可能种类的数量:1500 n 80000 10 100 n 12 1010远远多于抗原的种类（数百万种）远远多于抗原的种类（数百万种）Level 1:Level 2:Thus:免疫球蛋白的多样性免疫球蛋白的多样性6.3 6.3 转录后调
36、控机制转录后调控机制一、真核生物转录后加工一、真核生物转录后加工二、二、RNAi三、反义三、反义RNA一、转录后加工的调控一、转录后加工的调控p略。见略。见“转录后加工转录后加工”一节一节二、二、RNAi（RNA干涉）干涉）p定义：外源或内源性的双链定义：外源或内源性的双链RNA（dsRNA）进入细胞）进入细胞后引起与其同源的后引起与其同源的mRNA特异性降解，抑制相应基因特异性降解，抑制相应基因表达，表现出特定基因缺失表型的现象。表达，表现出特定基因缺失表型的现象。RNAi的基本原理的基本原理RNAi的特征的特征三、反义三、反义RNARNA对基因表达的调控对基因表达的调控反义反义RNARNA
37、：一种小分子一种小分子RNARNA，可以与特定的，可以与特定的RNARNA或或DNADNA区域互补结合，区域互补结合，对复制、转录、翻译等进行调控。对复制、转录、翻译等进行调控。E.coli:OmPc 蛋白蛋白+OmpF 蛋白蛋白=恒量恒量Initiate bidirectional transcriptionPromoter:omPcmicFmicF RNAompFUnable to be translated，no OmpF produced.OmPc 蛋白蛋白OmpF 蛋白蛋白E.coli 在高渗透压下的基因表达调控在高渗透压下的基因表达调控 micF RNA acts as an an
38、tisense RNA that can bind the upstream of the ompF RNA to inhibit translation.（micF RNA micF RNA 作为小分子的反义作为小分子的反义RNARNA，结合在，结合在ompFompF RNA RNA 的的55端而阻遏其译。）端而阻遏其译。）micF-RNAOmpF-mRNASD序列序列Initiation codon反义反义RNA抑制基因表达的作用机制抑制基因表达的作用机制6.4 翻译水平的调控翻译水平的调控1、翻译起始的调控、翻译起始的调控2、翻译终止的调控、翻译终止的调控3、同一操纵子内的基因的产物量的
39、调控同一操纵子内的基因的产物量的调控4、核糖体蛋白质合成的自体调控核糖体蛋白质合成的自体调控 5、翻译中的弱化调控、翻译中的弱化调控1、翻译起始的调控、翻译起始的调控p小亚基与模板小亚基与模板mRNAmRNA的识别和结合是翻译起始中极为重要的一步！的识别和结合是翻译起始中极为重要的一步！pmRNAmRNA上的上的SDSD序列和序列和16sRNA16sRNA互补配对，使模板和核糖体小亚基结合起来。互补配对，使模板和核糖体小亚基结合起来。accuccuua16s rRNA5AGGAmRNA3核糖体小亚基核糖体小亚基5accuccuua SD序列结构影响了序列结构影响了mRNA分子的二级结构，从而影
40、响了其分子的二级结构，从而影响了其与模板的识别和结合。与模板的识别和结合。SD序列与起始密码序列与起始密码AUG之间的距离影响了翻译起始效率。之间的距离影响了翻译起始效率。32、翻译终止的调控、翻译终止的调控-终止密码的解读和通读调节终止密码的解读和通读调节例一、例一、+1+1移码阅读移码阅读-释放因子释放因子RF2RF2的自体调节的自体调节当当RF2充足时：识读充足时：识读UGAC 为终止密码为终止密码 RF2自体终止自体终止RF2翻译翻译 stop 当当RF2不足时：通过不足时：通过移码移码而识读而识读 UGAC为为Asp26 翻译继续，大量合成翻译继续，大量合成RF2 RF2蛋白蛋白RF
41、2 mRNA AUG1 CUU25 UGAC26 UAG340 U insertion：Codon discontinue第第2222、2323位密码子形成类位密码子形成类SDSD序列，成为移码阅读信号序列，成为移码阅读信号UCCUCC A CUA 16s rRNA of RibosomeU A 在在LeuLeu2525AspAsp2626两密码间插入一个两密码间插入一个U U,形成形成15Nt15Nt的移码窗口：的移码窗口：5-AGG-GGG-UAU-CUU-UGA-3保证核糖体在保证核糖体在UGA处仍与处仍与16s rRNA结合；结合；发生发生+1移码识读，翻译继续移码识读，翻译继续 L
42、R22 G23 Y24 L25 D26 Y27-CUUAGGGGGUAUCUUUGAUUAC-类类S.D.序列序列+1特异滑动配对信号特异滑动配对信号例二、例二、反转录病毒反转录病毒 gag-pol基因的基因的-1 移码阅读移码阅读 G C3 signal1 5UCAAAAAAGAUCUAA signal2gag 基因基因pol 基因基因：编码反转录酶：编码反转录酶 G C3 signal1 5UCAAAAAAGAUCUAA signal2gag 基因基因pol 基因基因：编码反转录酶：编码反转录酶S K K I 终止终止 S K K D L gaggag 基因正常翻译时：基因正常翻译时：只有
43、只有gaggag基因产物基因产物反转录病毒进行复制时：反转录病毒进行复制时：gag基因发生基因发生-1移码阅读，而翻译后面的移码阅读，而翻译后面的pol 基因基因5UCAAAAAAGAUCUAA1 frameshift reading3、同一操纵子内不同基因的产物量的调控、同一操纵子内不同基因的产物量的调控p翻译的极性翻译的极性p稀有密码子的使用稀有密码子的使用pmRNA高级结构的影响高级结构的影响p基因重叠的影响基因重叠的影响翻译的极性翻译的极性后续基因的翻译起始的频率比前一个基因低。后续基因的翻译起始的频率比前一个基因低。离启动子越远的基因，其产物量越少。离启动子越远的基因，其产物量越少。
44、Lac：Polycistron mRNA5（-半乳糖苷酶）半乳糖苷酶）2 透过性酶透过性酶 1 转乙酰基酶转乙酰基酶离离mRNA 5mRNA 5端越远，核糖体小亚基与模板的结合能力越低，越容易脱落。端越远，核糖体小亚基与模板的结合能力越低，越容易脱落。Promoter dnaG50rpoD2800rpsU40000引物酶引物酶RNA聚合酶的聚合酶的亚基亚基核糖体的核糖体的S21 蛋白蛋白Ile:一般蛋白一般蛋白 danG rpoDAUUAUCAUA37%62%1%36%32%32%26%74%0%稀有密码子的使用稀有密码子的使用mRNA 二级结构对翻译的调节二级结构对翻译的调节 如：如：RNA
45、 virus R17通过对翻译起点的控制，调节蛋白质的合成量及比例通过对翻译起点的控制，调节蛋白质的合成量及比例+5 3 ApCp RepCp基因：外壳蛋白基因：外壳蛋白Ap基因：侵染附着蛋白基因：侵染附着蛋白Rep基因：复制酶蛋白基因：复制酶蛋白蛋白质蛋白质 Ap:Cp=1:180+5 3 A Rep C Ap 基因的基因的AUG：隐藏在双链区域隐藏在双链区域 Cp 基因的基因的AUG：暴露在单链区域：暴露在单链区域由于第一个基因由于第一个基因ap的起始密码被隐的起始密码被隐藏而无法翻译；第二个基因藏而无法翻译；第二个基因cp的起的起始密码暴露，所以得以翻译。始密码暴露，所以得以翻译。Rep
46、蛋白结合在蛋白结合在+RNA的的3端，开端，开始复制获得始复制获得-RNA；并以新合成的；并以新合成的-RNA为模板合成新的为模板合成新的+RNA 5(-RNA)5 3 5 A Cp蛋白可结合于蛋白可结合于rep的的AUG处而阻遏处而阻遏Rep蛋白的持续合成蛋白的持续合成(180)Cp蛋白可继续合成蛋白可继续合成cp首先被翻译，表达得到首先被翻译，表达得到Cp蛋白（蛋白（）；）；并且随着核糖体向并且随着核糖体向3端延伸而解除端延伸而解除RNA 的二级结构。导致的二级结构。导致rep被翻译，合成被翻译，合成Rep蛋白（蛋白（）。）。3 (-RNA)5 5(+RNA)3(-)5 ap 5(+)在新
47、的在新的+RNA 的合成过程中，的合成过程中，ap得以暴得以暴露而翻译获得露而翻译获得Ap蛋白（蛋白（）。但是暴露）。但是暴露的时间很短，所以合成的蛋白量很少。的时间很短，所以合成的蛋白量很少。新合成的新合成的+RNA 重新形成二级结构而重新形成二级结构而将将ap基因的基因的AUG 隐藏起来。隐藏起来。重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响UGAAUGCouple-translation of trpE and trpD:So:E and D 产物等量合成产物等量合成Stop codonStart codonSD sequence for galK gene gal operon in E.
48、coli galTgalKSo:T=K4、核糖体蛋白质合成的自体调控、核糖体蛋白质合成的自体调控 p核糖体蛋白的合成与核糖体蛋白的合成与rRNA合成严格协调！合成严格协调！p这种调控的特点：这种调控的特点：n核糖体蛋白基因分布在不同的操纵子中；核糖体蛋白基因分布在不同的操纵子中；n这些操纵子中，有一个核糖体蛋白质基因作为自身操纵子的这些操纵子中，有一个核糖体蛋白质基因作为自身操纵子的调节子基因；调节子基因；n调节子基因的产物是调节子，它具有双重功能：一是参与核调节子基因的产物是调节子，它具有双重功能：一是参与核糖体组装，二是与自身操纵子的糖体组装，二是与自身操纵子的mRNA结合结合 而关闭翻译
49、。而关闭翻译。当当rRNA充足时充足时当当rRNA 不足时不足时6.4 真核生物基因表达调控的特殊类型真核生物基因表达调控的特殊类型一、原核生物和真核生物基因结构和表达调控的差异一、原核生物和真核生物基因结构和表达调控的差异二、真核生物二、真核生物DNA水平的调控水平的调控三、翻译水平的调控三、翻译水平的调控一、基因表达调控的差异一、基因表达调控的差异原核生物原核生物 vs 真核生物真核生物1、真核生物基因组的复杂性、真核生物基因组的复杂性p真核生物基因组大得多。真核生物基因组大得多。p真核生物基因组被组装成染色质并包裹在核内，与核外基因组真核生物基因组被组装成染色质并包裹在核内，与核外基因组
50、（mtDNA,ctDNA）构成其基因表达调控的层次性和复杂性。）构成其基因表达调控的层次性和复杂性。p真核生物基因为断裂基因，其表达受到明显的转录后调控。真核生物基因为断裂基因，其表达受到明显的转录后调控。p原核生物以操纵子组装和调控基因及其表达；真核生物的基因分别原核生物以操纵子组装和调控基因及其表达；真核生物的基因分别组装和表达，通过不同基因之间的协调来控制一个生物学过程的进组装和表达，通过不同基因之间的协调来控制一个生物学过程的进行。行。p已知真核生物基因只有少数的序列用于编码蛋白质或功能已知真核生物基因只有少数的序列用于编码蛋白质或功能RNA，其余其余80%以上的序列功能未明。以上的序