第七、八章原核生物、真核生物基因的表达调控

第第 七七 章章 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控(Control of Gene Expression)第一节第一节 概概 述述w一、基因表达的概念一、基因表达的概念(gene(gene expressionexpression)：w 是指原核生物和真核生物基因组是指原核生物和真核生物基因组中特定的结构基因所携带的遗传信息，中特定的结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能的各种蛋白质。具有特定的生物学功能的各种蛋白质。表现出特定的生物学效应的全表现出特定的生物学效应的全过程。二、基因表达调控的概念二、基因表达调控的概念 机体的各种细胞中含有相同的遗传信机体的各种细胞中含有相同的遗传信息息(相同的结构基因相同的结构基因)，但并非在所有细，但并非在所有细胞中同时表达，而必须根据机体的不同胞中同时表达，而必须根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因，这就是基因表达的调控。量的特定基因，这就是基因表达的调控。2三、基因表达调控的目的三、基因表达调控的目的适应环境、维持生长和增殖；适应环境、维持生长和增殖；维持个体发育与分化。维持个体发育与分化。四、基因表达的调控水平:3v 基因组基因组v 转录转录v 转录后转录后v 翻译翻译v 翻译后翻译后第二节第二节 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控(Control of Prokaryotic Gene Exepression)原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控主要主要是是转录水平的调控转录水平的调控(control of transcription)(control of transcription)其次是翻译水平的调控其次是翻译水平的调控(control of(control of translation)translation)原核生物原核生物转录水平的调控单位：转录水平的调控单位：操纵子操纵子(operon(operon)一、操纵子模型的提出一、操纵子模型的提出 莫洛莫洛(Monod)(Monod)和雅各布和雅各布(Jacob)(Jacob)获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖Discovery of OperonDiscovery of Operon 19401940年，年，MonodMonod发现：细菌在含葡萄发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生产生“二次生长曲线二次生长曲线”。即细菌在含葡萄糖的培养基中生长良好，即细菌在含葡萄糖的培养基中生长良好，在只含乳糖的培养基中开始时生长不好，在只含乳糖的培养基中开始时生长不好，后来生长好。在含葡萄糖的培养基中生长后来生长好。在含葡萄糖的培养基中生长时，每个细胞只有几个时，每个细胞只有几个-半乳糖苷酶，但半乳糖苷酶，但若转移到若转移到乳糖的培养基中，几分钟后，每乳糖的培养基中，几分钟后，每个细胞内可产生个细胞内可产生30003000个个-半乳糖苷酶分子。半乳糖苷酶分子。19511951年，年，MonodMonod与与JacobJacob合作，发现两对基因：合作，发现两对基因：Z Z基因：与合成基因：与合成-半乳糖苷酶有关；半乳糖苷酶有关；I I基因：决定细胞对诱导物的反应。基因：决定细胞对诱导物的反应。I I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。阻遏物。结构基因旁有开关基因（即操纵基因），阻结构基因旁有开关基因（即操纵基因），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。表达。这类基因被称为可诱导基因，这类酶称为可这类基因被称为可诱导基因，这类酶称为可诱导酶，这个生化过程称为酶的诱导合成。诱导酶，这个生化过程称为酶的诱导合成。操纵子结构操纵子结构 操纵子操纵子(operon(operon):):结构基因结构基因(structural gene)(structural gene)、启动子启动子(promoter,(promoter,P P)和操纵基因和操纵基因(operator,(operator,O O)。阻遏物基因阻遏物基因(inhibitor,(inhibitor,i i),),产生阻遏物。产生阻遏物。(repressor)(repressor)。I结合阻遏物RNA酶结合产生阻遏蛋白操纵基因启动子阻遏物基因结构基因AYZOP二、原核生物基因转录水平调控二、原核生物基因转录水平调控（一）（一）转录水平调控类型转录水平调控类型：1 1、负转录调控：调节基因的产物是负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白，阻遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏负控诱导和负控阻遏作用。作用。在在负控诱导系统中，负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物结合阻遏蛋白不与效应物结合时，结构基因不转录；在时，结构基因不转录；在负控阻遏系统中，负控阻遏系统中，阻阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。阻遏蛋白作用的部位是操纵区。遏蛋白作用的部位是操纵区。2、正、正转录调控：调节基因的产物是转录调控：调节基因的产物是激激活蛋白，起着促进结构基因转录的作用。活蛋白，起着促进结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为根据其作用特征又可分为正控诱导和正正控诱导和正控阻遏作用。控阻遏作用。在在正控诱导系统中，正控诱导系统中，效应物分子的存在，效应物分子的存在，使激活蛋白处于活性状态；在使激活蛋白处于活性状态；在正控阻遏正控阻遏系统中，系统中，效应物分子的存在，使激活蛋效应物分子的存在，使激活蛋白处于非活性状态。白处于非活性状态。lac（二）（二）负转录调控负转录调控1 1、laclac操纵操纵子子 （1）阻遏蛋白的）阻遏蛋白的负性负性调节调节酶合成的诱导：酶合成的诱导：无乳糖无乳糖(no lactose):lac(no lactose):lac操纵子处于操纵子处于阻遏状态阻遏状态(repression)(repression)，即这类基因平时都是处于关闭状，即这类基因平时都是处于关闭状态；态；有乳糖有乳糖(presence of lactose)(presence of lactose)：laclac操纵子即可操纵子即可被被诱导诱导(derepression(derepression,induction),induction)，即这类基因，即这类基因由平时的关闭状态转变为工作状态由平时的关闭状态转变为工作状态。诱导剂诱导剂(inducer):(inducer):别乳糖、别乳糖、IPTGIPTG（异丙（异丙基硫代半乳糖苷）和巯甲基半乳糖苷。基硫代半乳糖苷）和巯甲基半乳糖苷。IPTG(异丙基硫代半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷)极强的诱导剂极强的诱导剂乳糖操纵子乳糖操纵子(laclac operon operon)的调控方式的调控方式mRNA-半乳糖苷乙酰转移酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷酶翻译转录无活性的阻遏蛋白诱导物阻遏蛋白阻遏物蛋白亚基有诱导物时lac ALac YLac ZOPi基因CAPcAMPCAP-cAMPRNA聚合酶阻遏蛋白 阻遏物蛋白亚基无诱导物时lac ALac YLac ZOPi基因 20 -10 +1 +10 +20 +30 .5ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA 33TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT 5 laclac操纵区序列是一个以操纵区序列是一个以+11+11位位GCGC碱基对为中心的反向重复序列碱基对为中心的反向重复序列。操纵基因在操纵子的位置是从操纵基因在操纵子的位置是从-7-7至至+28+28，启动子所，启动子所占的区域是从占的区域是从-20-20至至+20+20，两者有部分重叠。这也说明，两者有部分重叠。这也说明，阻遏蛋白和阻遏蛋白和RNARNA聚合酶与聚合酶与DNADNA的结合是相互排斥的。的结合是相互排斥的。与与laclac阻遏蛋白结合的操纵基因区域具有反向重阻遏蛋白结合的操纵基因区域具有反向重复序列复序列,这种反向重复序列是能与蛋白质特异结合的这种反向重复序列是能与蛋白质特异结合的DNADNA的特征性结构。的特征性结构。（2 2）CAPCAP的的正性正性调节调节（PositivePositive Control of Control of CAPCAP）CAP(cataboliteCAP(catabolite activator protein)activator protein)：分解代谢产：分解代谢产物激活物蛋白或物激活物蛋白或分解代谢基因激活蛋白，分解代谢基因激活蛋白，现称为现称为cAMPcAMP受体蛋白，是同二聚体。受体蛋白，是同二聚体。当它特异地结合在启动子上时，能促进当它特异地结合在启动子上时，能促进RNARNA聚合酶与聚合酶与启动子结合，促进转录。但游离的启动子结合，促进转录。但游离的CAPCAP是不能与启动是不能与启动子结合，必须在细胞内有足够的子结合，必须在细胞内有足够的CAPCAP时，时，CAPCAP首先与首先与cAMPcAMP形成复合物，此复合物才能与启动子结合。葡萄形成复合物，此复合物才能与启动子结合。葡萄糖的降解产物能降低细胞内糖的降解产物能降低细胞内cAMPcAMP的含量，因而当向乳的含量，因而当向乳糖培养基中加入葡萄糖时，造成糖培养基中加入葡萄糖时，造成cAMPcAMP浓度降低，浓度降低，CAPCAP便不能结合在启动子上，此时，即使有乳糖存在，已便不能结合在启动子上，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。解除了对操纵基因的阻遏，也不能进行转录。CAPPOTTTACA -35区TATGTT -10区CAP位点5-ATTAAT GTGAGTTAGCTCACTCATTAGG-3R基因-35-100CAPcAMPORNA聚合酶结合无葡萄糖:有葡萄糖:cAMPcAMP(促进转录)(不促进转录)乳糖操纵子的降解物阻遏RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基基 因因 表表达达CAP基因基因结构基因结构基因TCGP(CAP)OCAP结结合部位合部位 RNA聚合酶聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖葡萄糖分解代分解代谢产物谢产物腺苷酸腺苷酸环化酶环化酶磷酸二磷酸二酯酶酯酶ATPcAMP5-AMP抑制抑制激活激活葡萄糖降解物与葡萄糖降解物与cAMP的关系的关系cAMP CGPCGP：降解物基因活化蛋白（：降解物基因活化蛋白（catabolic catabolic gene activation proteingene activation protein）CAPCAP：环腺苷酸受体蛋白（：环腺苷酸受体蛋白（cyciliccycilic AMP AMP receptor protein receptor protein）降低降低cAMP浓度浓度使使CAP呈失活状态呈失活状态 协调调节协调调节(coordinate regulation)(coordinate regulation)负性调节与正性调节协调合作负性调节与正性调节协调合作*阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAP不发挥作用不发挥作用*如没有如没有CAPCAP加强转录，即使阻遏蛋白从加强转录，即使阻遏蛋白从P P上解上解聚仍无转录活性聚仍无转录活性 葡萄糖葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖葡萄糖葡萄糖可降低葡萄糖可降低cAMPcAMP浓度，阻碍其与浓度，阻碍其与CAPCAP结结合从而抑制转录合从而抑制转录 结论结论：laclac操纵子强的诱导作用既需要乳糖操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖。又需缺乏葡萄糖。（二）转录起始的转录起始的正正调控调控 1、阿拉伯糖操纵子：是利用同一蛋白的不同结构形、阿拉伯糖操纵子：是利用同一蛋白的不同结构形式活化和抑制操纵子的调控方式，是正调控的典型式活化和抑制操纵子的调控方式，是正调控的典型例子。例子。阿拉伯糖操纵子的基因结构图阿拉伯糖操纵子的基因结构图 注注:操纵子由结构基因操纵子由结构基因B B、A A、D D以及调控元件以及调控元件I I1 1、I I2 2、O O1 1、O O2 2和和启动子构成。启动子构成。AraCAraC基因编码调节蛋白基因编码调节蛋白AraCAraC。21阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子(The ara Operon)结构基因为：结构基因为：B B、A A、D D，分别编码异构酶、，分别编码异构酶、激酶、表位酶激酶、表位酶 功能：催化阿拉伯糖转变为功能：催化阿拉伯糖转变为5-5-磷酸木酮磷酸木酮糖，进入磷酸戊糖途径。糖，进入磷酸戊糖途径。特点：调节基因为特点：调节基因为C C基因，编码调控蛋白基因，编码调控蛋白C C蛋白。蛋白。AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图对阿拉伯糖操纵子的调节图当有阿拉伯糖时，当有阿拉伯糖时，AraAra C C蛋白二聚体与阿拉伯糖形成复合物蛋白二聚体与阿拉伯糖形成复合物,使使AraAra C C形状改形状改变，变，I I1 1和和I I2 2由一个由一个AraAra C C二聚体占据，从而激发二聚体占据，从而激发B B、A A、D D基因转录。此时，可基因转录。此时，可有一过性高水平的有一过性高水平的araara C mRNA C mRNA形成，维持到形成，维持到O O1 1-O-O2 2环结构形成。环结构形成。23 AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图对阿拉伯糖操纵子的调节图 不存在阿拉伯糖时，不存在阿拉伯糖时，AraAra C C二聚体与二聚体与O O1 1、O O2 2及及I I1 1结合，结合，与与O O2 2和和I I1 1结合的结合的AraAra C C二聚体间相互作用使二聚体间相互作用使DNADNA弯曲形弯曲形成环结构（相当于成环结构（相当于190bp190bp）。由于）。由于I I2 2 不被占据，不被占据，B B、A A、D D基因不发生转录，但有低水平的基因不发生转录，但有低水平的araara C C基因转录。基因转录。22ara（三）转录终止的调控三）转录终止的调控 原核生物的转录终止调控方式分两大类：原核生物的转录终止调控方式分两大类：A.A.依赖依赖因子的终止调控；因子的终止调控；B.B.不依赖不依赖因子的终止调控。因子的终止调控。此外，此外，核糖体也参与转录终止。核糖体也参与转录终止。例例:色氨酸操色氨酸操纵子的调控模式，色氨酸操纵子表达的调控有纵子的调控模式，色氨酸操纵子表达的调控有两种方式，一种通过阻遏蛋白的负调控，另一两种方式，一种通过阻遏蛋白的负调控，另一种是通过衰减子作用种是通过衰减子作用。29色氨酸操纵子色氨酸操纵子(The trp Operon)trptrp操纵子操纵子阻遏型操纵子阻遏型操纵子 1 1、衰减机制、衰减机制(attenuation)(attenuation)调节调节在在trp mRNA 5trp mRNA 5端端trpEtrpE基因的起始密码前有一个基因的起始密码前有一个长长162bp162bp的的mRNAmRNA片段，被称为前导区。其中片段，被称为前导区。其中123-150123-150位碱基序列具有终止转录的作用，位碱基序列具有终止转录的作用，故故将这个区域称为弱化子或衰减子将这个区域称为弱化子或衰减子。即结构基因。即结构基因与与 O O 之间有一衰减子区域之间有一衰减子区域 (a)(a)衰减子：有衰减子：有4 4段特殊的序列，可形成不依赖段特殊的序列，可形成不依赖因子的转录终止信号因子的转录终止信号茎环结构，有典型的终茎环结构，有典型的终止子特点。止子特点。2 2、前导肽、前导肽前导区可编码一段前导肽。前导区可编码一段前导肽。前导序列在第前导序列在第1010和第和第1111为上有相邻的两个为上有相邻的两个色氨酸密码色氨酸密码子。所以这个子。所以这个前导肽前导肽(leader peptide,L)(leader peptide,L)的翻译必的翻译必定定对对tRNAtRNATrpTrp的浓度敏感。的浓度敏感。当培养基中的色氨酸浓度很低时，当培养基中的色氨酸浓度很低时，tRNAtRNATrpTrp也很少，也很少，这样翻译通过这样翻译通过两个相邻的两个相邻的色氨酸密码子的速度就会色氨酸密码子的速度就会很慢很慢，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1 1区，区，这时的前导区结构是这时的前导区结构是2-32-3配对，不形成配对，不形成3-43-4配对的终配对的终止结构，所以转录可继续进行，直到止结构，所以转录可继续进行，直到将将trptrp操纵子操纵子中的结构基因全部转录。中的结构基因全部转录。当培养基中的色氨酸浓度高时，当培养基中的色氨酸浓度高时，tRNAtRNATrpTrp很多，很多，这样翻译通过这样翻译通过两个相邻的两个相邻的色氨酸密码子的速色氨酸密码子的速度就会很快度就会很快，在，在4 4区被转录之前，核糖体就达区被转录之前，核糖体就达到到2 2区，这时的前导区结构区，这时的前导区结构2-32-3不能配对，不能配对，3-43-4可以自由配对形成茎环状的终止结构，所以可以自由配对形成茎环状的终止结构，所以转录停止，转录停止，RNARNA聚合酶脱落，转录终止，聚合酶脱落，转录终止，trptrp操纵子中的结构基因被关闭而不再合成操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨色氨酸酸。原核生物基因表达特点原核生物基因表达特点转录与翻译偶联。转录与翻译偶联。色氨酸操纵子的转录衰减作用色氨酸操纵子的转录衰减作用 色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGAUGA，合，合成完整的引导肽。成完整的引导肽。UGAUGA位于位于1 1区和区和2 2区之间，核蛋白体占据区之间，核蛋白体占据2 2区，使区，使3 3区不能与区不能与2 2区互区互补而与补而与4 4区互补，形成终止子发夹结构，区互补，形成终止子发夹结构，RNA RNA 聚合酶停止在衰减子部位。聚合酶停止在衰减子部位。色氨酸缺乏时，核蛋白体因原料缺乏终止在色氨酸缺乏时，核蛋白体因原料缺乏终止在1 1区区TrpTrp密码子部位，密码子部位，2 2区无法与区无法与1 1区配对且在区配对且在4 4区被转录出来之前与区被转录出来之前与3 3区互补，区互补，4 4区处于单链状态，不能形成终止发区处于单链状态，不能形成终止发夹，夹，RNA RNA 聚合酶通过衰减子而继续转录。聚合酶通过衰减子而继续转录。33大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制Trp密码子密码子111232233444核糖体核糖体核糖体核糖体转录继续转录继续转录终止转录终止C.C.高浓度色氨酸使核高浓度色氨酸使核糖体到达糖体到达2 2部位，部位，3 3与与4 4 碱基配对，转录碱基配对，转录终止。终止。A.游离游离mRNAmRNA中中1 1与与2 2以以及及3 3与与4 4碱基配对。碱基配对。B.B.低浓度色氨酸使核低浓度色氨酸使核糖体停留在糖体停留在1 1部位，部位，转录得以完成。转录得以完成。小小 结结：色氨酸增多时，色氨酸增多时，即使不足以诱导阻遏蛋白结合即使不足以诱导阻遏蛋白结合操纵基因，也足可以使大量的操纵基因，也足可以使大量的mRNAmRNA提前终止。提前终止。色氨酸减少时，色氨酸减少时，即使失去了诱导阻遏蛋白的阻即使失去了诱导阻遏蛋白的阻遏作用，但只要还能维持前导肽的合成，仍可继续遏作用，但只要还能维持前导肽的合成，仍可继续阻止转录。阻止转录。这种机制可以保证充分地消耗色氨酸，使其合这种机制可以保证充分地消耗色氨酸，使其合成维持在满足需要的水平，防止色氨酸堆积和过多成维持在满足需要的水平，防止色氨酸堆积和过多地消耗能量。同时，也使细菌能够优先将环境中的地消耗能量。同时，也使细菌能够优先将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。色氨酸消耗完，然后开始自身合成。34三、翻译水平的调控三、翻译水平的调控 1 1、翻译起始的调控：翻译起始的调控：SDSD序列对翻译的影响：序列对翻译的影响：遗传信息翻译起始于遗传信息翻译起始于mRNAmRNA上的核糖体结合位点（上的核糖体结合位点（RBSRBS）。）。所谓所谓RBSRBS是指是指mRNAmRNA起始密码起始密码AUGAUG前的一段非翻译区。在前的一段非翻译区。在RBSRBS中有中有SDSD序列序列(Shine-Dalgarno(Shine-Dalgarno sequence)sequence)，长度一，长度一般为般为5 5个核苷酸个核苷酸(9-(9-1212bpbp)，富含，富含A A、G G嘌呤核苷酸，该序嘌呤核苷酸，该序列与列与核糖体核糖体16srRNA16srRNA的的3 3 端互补配对促使核糖体结合端互补配对促使核糖体结合到到mRNAmRNA上，有利于翻译的起始。上，有利于翻译的起始。5-5-AGGAAGGAPuPuUUUPuPuPuPuUUUPuPuAUGAUG-3-32.反义RNA的调控作用（1 1）反义）反义RNARNA的概念：的概念：反义反义RNARNA，又称，又称mRNAmRNA干扰性互补干扰性互补RNARNA（mRNA mRNA interfering complementary RNA,micRNAinterfering complementary RNA,micRNA）。）。指能与特定指能与特定mRNAmRNA互补结合的互补结合的RNARNA片段，反义片段，反义RNARNA由反义基因转录而来。天然的具有功能的反由反义基因转录而来。天然的具有功能的反义义RNARNA分子一般在分子一般在200200个碱基以下。个碱基以下。36（2）反义RNA的作用方式：反义反义RNARNA与与mRNA 5mRNA 5 端非翻译区包括端非翻译区包括SDSD序列相序列相结合。反义结合。反义RNARNA与与SDSD序列结合后，阻止序列结合后，阻止mRNAmRNA与与核糖体小亚基结合，直接抑制翻译。核糖体小亚基结合，直接抑制翻译。反义反义RNARNA与与mRNA 5mRNA 5 端编码区起始密码子端编码区起始密码子AUGAUG结结合，抑制合，抑制mRNAmRNA翻译起始。翻译起始。反义反义RNARNA与与mRNAmRNA的非编码区互补结合，使的非编码区互补结合，使mRNAmRNA构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制了制了mRNAmRNA的翻译。的翻译。37 反义反义RNARNA调控调控Tn10Tn10转位酶基因的表达示意图转位酶基因的表达示意图Tn10Tn10转位酶基因由转位酶基因由P PININ启动子控制，反义启动子控制，反义RNARNA的基因由的基因由P POUTOUT启动子控制。启动子控制。两个启动子方向相反，转录区有两个启动子方向相反，转录区有3535个碱基重叠，互补区覆盖了个碱基重叠，互补区覆盖了Tn10Tn10转转位酶位酶mRNAmRNA的翻译起始区，其活性的翻译起始区，其活性P POUTOUT比比P PININ更强。其结果是转位酶的表达更强。其结果是转位酶的表达效率非常低，转位作用也极少发生。因而细菌效率非常低，转位作用也极少发生。因而细菌DNADNA发生突变的机会愈少，发生突变的机会愈少，使细菌愈易于存活。使细菌愈易于存活。38Tn10micRNA393 3、RNA RNA 干扰干扰 (RNA interference,RNAi(RNA interference,RNAi)将与将与mRNAmRNA编码区某段序列相对应的正义编码区某段序列相对应的正义RNA RNA 和反义和反义RNA RNA 组成的双链组成的双链RNA(double-stranded RNA(double-stranded RNA,dsRNARNA,dsRNA)导入细胞，使导入细胞，使mRNAmRNA发生特异性的降发生特异性的降解，导致其相应的基因沉默解，导致其相应的基因沉默(表达受抑制表达受抑制)。这。这种转录后基因沉默（种转录后基因沉默（post-transcriptional post-transcriptional gene silencing,PTGS)gene silencing,PTGS)被称为被称为RNAiRNAi.40 dsRNAdsRNA 导入细胞后，首先被核酸酶解降成导入细胞后，首先被核酸酶解降成21-2321-23个个核苷酸核苷酸 (nt(nt)小片段小片段,称称(short interfering RNA(short interfering RNA，siRNAsiRNA).).dsRNA dsRNA降解成小片段的原因可能为：降解成小片段的原因可能为：a.a.增加细胞内小片段体积克分子浓度，使其有效地扩增加细胞内小片段体积克分子浓度，使其有效地扩散。散。b.b.dsRNAdsRNA 降解成降解成21-23 nt21-23 nt 可为同源搜索机制提供最可为同源搜索机制提供最佳特佳特 异性。异性。c.c.能与核酸酶有效形成复合体。能与核酸酶有效形成复合体。4.RNA4.RNA的稳定性与调控的关系的稳定性与调控的关系 细菌细菌mRNAmRNA通常是不稳定的。通常是不稳定的。mRNAmRNA的降解速的降解速度是翻译调控的另一个重要机制。蛋白质合成度是翻译调控的另一个重要机制。蛋白质合成速率的快速改变，与许多细菌速率的快速改变，与许多细菌mRNAmRNA降解速度很降解速度很快有很大关系。快有很大关系。E.coliE.coli的许多的许多mRNAmRNA在在3737时的时的平均寿命大约为平均寿命大约为2min2min，细菌可以通过转录水平，细菌可以通过转录水平的调控而对环境变化作出快速反应。的调控而对环境变化作出快速反应。44 5.5.蛋白质合成中的自身调控蛋白质合成中的自身调控 大肠杆菌核糖体蛋白有大肠杆菌核糖体蛋白有5050余种，它们既可与余种，它们既可与 rRNArRNA 组装成核糖体，也可与自身组装成核糖体，也可与自身 mRNA mRNA 翻译起翻译起始区结合，对前者的亲和力大于后者。始区结合，对前者的亲和力大于后者。5050种核糖种核糖体蛋白的基因分布在几个不同的操纵子中，而核体蛋白的基因分布在几个不同的操纵子中，而核糖体蛋白合成的控制主要是翻译水平。糖体蛋白合成的控制主要是翻译水平。456、稀有密码对翻译的影响、稀有密码对翻译的影响 含有高频率稀有密码（如含有高频率稀有密码（如dnaGdnaG蛋白基因所蛋白基因所含的含的AUAAUA）的基因，由于细胞内对应于稀）的基因，由于细胞内对应于稀有密码子的有密码子的tRNAtRNA较少，所以其翻译过程容较少，所以其翻译过程容易受阻，影响蛋白质合成的总量。易受阻，影响蛋白质合成的总量。7、重叠基因对翻译的影响、重叠基因对翻译的影响 病毒、线粒体和细菌染色体病毒、线粒体和细菌染色体DNADNA上都有上都有重叠基因。如重叠基因。如trpEtrpE基因的终止密码和基因的终止密码和trpDtrpD基因的起始密码子共用一个核苷酸，由于基因的起始密码子共用一个核苷酸，由于trpEtrpE基因的终止密码和基因的终止密码和trpDtrpD基因的起始密基因的起始密码重叠，码重叠，trpEtrpE翻译终止时，核糖体立即处翻译终止时，核糖体立即处在在trpDtrpD起始翻译的环境中，这种重叠的密起始翻译的环境中，这种重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译，即偶联翻译可能是保证两个基因产翻译，即偶联翻译可能是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段物在数量上相等的重要手段。8、poly（A）对翻译的影响）对翻译的影响 细胞中蛋白质合成旺盛时，细胞中蛋白质合成旺盛时，mRNAmRNA链上链上核核糖体数量就多，糖体数量就多，mRNAmRNA链上的链上的polypoly（A A）也较长；当某些也较长；当某些mRNAmRNA链不再翻译时，链不再翻译时，核核糖体就被释放出来，其糖体就被释放出来，其polypoly（A A）也）也相应缩短。相应缩短。poly（A）（）（30个左右个左右A）9、魔斑核苷酸水平对翻译的影响、魔斑核苷酸水平对翻译的影响 缺乏氨基酸时缺乏氨基酸时relrel (严紧型严紧型)菌株能合成鸟苷四磷酸菌株能合成鸟苷四磷酸（ppGppppGpp）和鸟苷五磷酸（）和鸟苷五磷酸（pppGpp pppGpp），），relrel (松散型松散型)菌株则不能合成这些鸟苷酸。菌株则不能合成这些鸟苷酸。鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸在层析谱上可检出斑点，这些鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸在层析谱上可检出斑点，这些斑点称为魔斑斑点称为魔斑。ppGppppGpp的主要作用可能是影响的主要作用可能是影响RNARNA聚合酶聚合酶与启动子结合的专一性。与启动子结合的专一性。有人将鸟苷四磷酸（有人将鸟苷四磷酸（ppGppppGpp）称为警报素，当细胞缺乏）称为警报素，当细胞缺乏氨基酸时产生（氨基酸时产生（ppGppppGpp），可在很大范围内做出如抑制），可在很大范围内做出如抑制核糖体和其他大分子合成等应急反应，活化某些氨基酸核糖体和其他大分子合成等应急反应，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸转运无关的系统，活操纵子的转录表达，抑制与氨基酸转运无关的系统，活化蛋白水解酶等。化蛋白水解酶等。第八章第八章 真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控 单细胞真核生物单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同。和原核生物表达的调控基本相同。多细胞真核生物多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基，遗传信息从细胞核的基因组因组DNADNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。次的调控。一、真核生物基因表达的特点一、真核生物基因表达的特点 （1 1）细胞具有全能性）细胞具有全能性 所谓全能性是指同一种生物所谓全能性是指同一种生物的所有细胞都含有相同的基因组的所有细胞都含有相同的基因组DNADNA，即基因的数目和，即基因的数目和种类是一样的，尽管细胞的类型不同，分化程度也不种类是一样的，尽管细胞的类型不同，分化程度也不一样，但他们都有发育成完整个体的潜能。一样，但他们都有发育成完整个体的潜能。（2 2）基因表达的时间性和空间性）基因表达的时间性和空间性 所谓所谓时间性时间性是指是指在个体发育的不同阶段，基因表达的种类和数量是不在个体发育的不同阶段，基因表达的种类和数量是不同的；所谓同的；所谓空间性空间性指在不同组织和器官中，基因表达指在不同组织和器官中，基因表达的种类和数量是不同的。的种类和数量是不同的。47（3 3）转录和翻译分开进行：）转录和翻译分开进行：真核生物真核生物DNADNA在核中转录在核中转录生成生成 mRNAmRNA，穿过核膜至胞质指导蛋白质合成；转录，穿过核膜至胞质指导蛋白质合成；转录和翻译不是同步进行的，受多层次调控。和翻译不是同步进行的，受多层次调控。（4 4）初级转录产物要经过转录后加工修饰：）初级转录产物要经过转录后加工修饰：初级初级转录产物转录产物核不均一性核不均一性RNARNA（heterogeneous heterogeneous nuclear RNA,hnRNAnuclear RNA,hnRNA），即），即mRNAmRNA前体分子要经过戴前体分子要经过戴帽帽(m(m7 7GpppN)GpppN)、加、加PolyAPolyA尾、切除插入的内含子和拼接尾、切除插入的内含子和拼接外显子等过程，才能形成成熟的外显子等过程，才能形成成熟的mRNAmRNA分子。分子。48 （5 5）不存在超基因式操纵子结构：）不存在超基因式操纵子结构：真核生物基因真核生物基因转录产物为单顺反子，一条转录产物为单顺反子，一条 mRNAmRNA只翻译一种蛋白质。只翻译一种蛋白质。功能相关的基因大多数分散在不同的染色体上，即功能相关的基因大多数分散在不同的染色体上，即使空间位置很近，也是分别进行转录的。使空间位置很近，也是分别进行转录的。（6 6）部分基因多拷贝：）部分基因多拷贝：某些基因以多拷贝形式存某些基因以多拷贝形式存在，如组蛋白和在，如组蛋白和 tRNAtRNA等，这样既可满足细胞的需要，等，这样既可满足细胞的需要，也是表达调控的一种有效方式。也是表达调控的一种有效方式。49 1、DNADNA水平（既基因组水平）调控；水平（既基因组水平）调控；2 2、转录水平转录水平调控；调控；3 3、转录后水平调控：、转录后水平调控：4 4、翻译水平调控：、翻译水平调控：5 5、翻译后水平调控。、翻译后水平调控。五个层次阐述真核生物基因表达的五个层次阐述真核生物基因表达的调控及机制。调控及机制。二、真核生物基因表达调控的水平二、真核生物基因表达调控的水平52多层次调控多层次调控失活失活三、真核生物基因表达的调控机制三、真核生物基因表达的调控机制（一）基因组（一）基因组DNADNA水平的调控：水平的调控：1.1.染色质的丢失：染色质的丢失：不可逆的调控。不可逆的调控。如如一些低等生物（如线虫）一些低等生物（如线虫）体细胞发育过程中发生染色质丢失。体细胞发育过程中发生染色质丢失。54线虫线虫 胚胎期：胚胎期：10901090个细胞个细胞 成成 虫：虫：959959个细胞个细胞 131131个细胞在发育过程中发生凋亡。个细胞在发育过程中发生凋亡。2.2.基因扩增（基因扩增（gene amplificationgene amplification）基因扩增是指某些基因的拷贝数大量增加的现象。它使基因扩增是指某些基因的拷贝数大量增加的现象。它使细胞在短期内产生大量的基因产物一满足生长发育的需细胞在短期内产生大量的基因产物一满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。要，是基因活性调控的一种方式。当细胞对某种基因产当细胞对某种基因产物需要量剧增，单纯靠调节其表达活性不足满足需要，物需要量剧增，单纯靠调节其表达活性不足满足需要，只有增加这种基因的拷贝数。只有增加这种基因的拷贝数。例如：非洲爪蟾卵母细胞例如：非洲爪蟾卵母细胞rRNArRNA基因卵裂时，扩增基因卵裂时，扩增40004000倍倍.然而，不适当的基因扩增可导致某些疾病的发生，如基然而，不适当的基因扩增可导致某些疾病的发生，如基因扩增是癌基因活化的一种主要方式，某些原癌基因拷因扩增是癌基因活化的一种主要方式，某些原癌基因拷贝数异常增加，使细胞持续分裂而致癌变。贝数异常增加，使细胞持续分裂而致癌变。55 3.3.基因重排（基因重排（gene rearrangementgene rearrangement）：）：将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。或从而启动转录，这种方式被称为基因重排。或指某些基因指某些基因片段改变原来存在顺序而重新排列组合，成为一个完整的片段改变原来存在顺序而重新排列组合，成为一个完整的转录单位。转录单位。基因重排基因重排是是DNADNA水平调控的重要方式之一。水平调控的重要方式之一。如免疫球蛋白基因许多片段发生重排，为免疫球蛋白如免疫球蛋白基因许多片段发生重排，为免疫球蛋白分子的多样性奠定了基础；许多肿瘤或细胞系都有特定的分子的多样性奠定了基础；许多肿瘤或细胞系都有特定的染色体改变为表标志染色体，如慢性白血病中染色体第染色体改变为表标志染色体，如慢性白血病中染色体第9 9号和第号和第2222号易位，形成号易位，形成BCR-ABLBCR-ABL融合基因。融合基因。564 4.基因的甲基化修饰：基因的甲基化修饰：是指是指DNADNA上特定的上特定的CpGCpG序列处的胞嘧啶可发生甲基化序列处的胞嘧啶可发生甲基化修饰（修饰（5mC5mC）。）。甲基化程度与基因的表达一般呈反比关系。甲基化程度与基因的表达一般呈反比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降低。去甲基化，又可使甲基化程度愈高，基因的表达则降低。去甲基化，又可使基因的表达增加。基因的表达增加。DNADNA甲基化导致某些区域甲基化导致某些区域DNADNA构象变化，构象变化，从而影响了蛋白质与从而影响了蛋白质与DNADNA的相互作用，抑制了转录因子与的相互作用，抑制了转录因子与启动区启动区DNADNA的结合效率。的结合效率。意义：调控真核生物基因的表达，维护染色体的完整意义：调控真核生物基因的表达，维护染色体的完整性，调节性，调节DNADNA重组的某些环节重组的某些环节。5859 在所有组织发育过程都表达的基因在所有组织发育过程都表达的基因(如看家基因如看家基因)多呈低甲基化，组织中不表达的基因多呈高甲基化。多呈低甲基化，组织中不表达的基因多呈高甲基化。如果在基因启动子区域的如果在基因启动子区域的CpGCpG岛发生过度甲基化，岛发生过度甲基化，那么该基因就可能失活。那么该基因就可能失活。DNADNA甲基化状态的改变与细胞癌变：大量的肿瘤细甲基化状态的改变与细胞癌变：大量的肿瘤细胞中抑癌基因的失活与启动子区域过度甲基化有关；胞中抑癌基因的失活与启动子区域过度甲基化有关；癌基因癌基因DNADNA甲基化水平越低，其表达水平愈高，肿瘤甲基化水平越低，其表达水平愈高，肿瘤的生物学特性愈复杂。的生物学特性愈复杂。5.5.染色质结构对基因表达的调控作用染色质结构对基因表达的调控作用 常染色质中疏松状态的活性染色质是基因转常染色质中疏松状态的活性染色质是基因转录前在染色质水平上独特的调控机制。录前在染色质水平上独特的调控机制。60q 组蛋白与组蛋白与DNADNA结合与解离是真核基因表达调控的结合与解离是真核基因表达调控的重要机制之一。组蛋白可保护重要机制之一。组蛋白可保护DNADNA免受损伤，维持免受损伤，维持基因组稳定性，抑制基因表达。去除组蛋白基因转基因组稳定性，抑制基因表达。去除组蛋白基因转录活性增高。录活性增高。q 非组蛋白主要作为调节基因表达的反式作用因子。非组蛋白主要作为调节基因表达的反式作用因子。常染色质常染色质:结构松散，结构松散，基因表达；基因表达；异染色质异染色质:结构紧密，结构紧密，基因不表达。基因不表达。有基因表达活性的染有基因表达活性的染色质色质DNADNA对对DNaseDNase更敏更敏感，即感，即DnaseDnase的的敏感敏感性性可作为该基因的转录可作为该基因的转录活性的标志活性的标志。（二）转录水平的调控（二）转录水平的调控 真核生物基因调控主要也是在转录水平上真核生物基因调控主要也是在转录水平上进行的。而且转录水平调控主要通过进行的。而且转录水平调控主要通过反式作用反式作用因子与顺式作用元件和因子与顺式作用元件和RNARNA聚合酶（聚合酶（RNA RNA polymerase,RNA polpolymerase,RNA pol）的相互作用完成。的相互作用完成。611.1.顺式作用元件顺式作用元件(cis(cis-acting element)-acting element)指某些能影响基因表达但不编码新的指某些能影响基因表达但不编码新的蛋白质和蛋白质和RNARNA的的DNADNA序列，序列，按照功能分为启按照功能分为启动子、增强子、终止子、沉默子和衰减子动子、增强子、终止子、沉默子和衰减子等。等。影响影响自身基因自身基因表达活性的表达活性的DNADNA序列；非编码序列；非编码序列。序列。62 （1 1）启动子）启动子(promoter)(promoter)真核基因启动子是在基因转录起始位真核基因启动子是在基因转录起始位点点(+1)(+1)及其及其55上游近端大约上游近端大约100-200bp100-200bp以内以内的一组具有独立功能的的一组具有独立功能的DNADNA序列。序列。每个元件每个元件长度约为长度约为7-20bp7-20bp，是决定，是决定RNARNA聚合酶聚合酶转录转录起始点和转录频率的关键元件。起始点和转录频率的关键元件。63 真核真核类基因的顺式作用元件图类基因的顺式作用元件图 核心启动子核心启动子(core promoter)(core promoter)指足以使指足以使RNARNA聚合酶聚合酶转录转录正常起始所必需的、最少的正常起始所必需的、最少的DNADNA序列。序列。包括包括“转录起始位点转录起始位点”即即相当于相当于mRNAmRNA的的CAPCAP位点及其上游位点及其上游-25-25-30bp-30bp处的富含处的富含TATA的典型元的典型元件件“TATA”TATA”盒即盒即HognessHogness盒。核心序列为盒。核心序列为TATAAAATATAAAA，功能为确定功能为确定转录起始位点并产生基础水平的转录。转录起始位点并产生基础水平的转录。上游启动子元件上游启动子元件(upstream promoter element,UPE)(upstream promoter element,UPE)包包括通常位于括通常位于-70bp-70bp附近的附近的CAATCAAT盒盒(CCAAT)(CCAAT)和和GCGC盒盒(GGGCGG)(GGGCGG)等，等，功功能是调节转录起始的频率，提高转录效率。能是调节转录起始的频率，提高转录效率。64(2)(2)增强子增强子(enhancer)(enhancer)指位于启动子上游或下游并通过启指位于启动子上游或下游并通过启动子增强邻近基因转录效率的动子增强邻近基因转录效率的DNADNA顺序，顺序，增强子本身不具备启动子活性。增强子本身不具备启动子活性。6566增强子具有如下特性：增强子具有如下特性：增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加增加10-20010-200倍，有的可以增加上千倍；倍，有的可以增加上千倍；增强效应与其位置和取向无关：增强效应与其位置和取向无关：位置可在基位置可在基因因55上游、基因内或其上游、基因内或其 33下游序列中；可远下游序列中；可远离转录起始位点；即在离转录起始位点；即在DNADNA双链中没有双链中没有55与与33固定的方向性，即增强子从固定的方向性，即增强子从5353或是由或是由3535均可对启动子发挥作用，均表现出均可对启动子发挥作用，均表现出增强增强效应。效应。增强子大多为重复序列：一般长约增强子大多为重复序列：一般长约5050个个bpbp，其，其内常含有一个核心序列内常含有一个核心序列（G G）TGGA/TA/TA/TTGGA/TA/TA/T（G G），该序列是产生增强效应所必需的。），该序列是产生增强效应所必需的。对同源和异源基因同样有效，对各种基因启动对同源和异源基因同样有效，对各种基因启动子均有作用；但具有严密的组织或细胞特异性；子均有作用；但具有严密的组织或细胞特异性；活性与其在活性与其在DNADNA双螺旋结构中的空间向性有关双螺旋结构中的空间向性有关 许多许多增强子还受到外部信号的调节，如金属增强子还受到外部信号的调节，如金属硫蛋白基因启动区上游所带的增强子，就可以对硫蛋白基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。环境中的锌、镉浓度做出反应。感染真核细胞的病毒感染真核细胞的病毒DNADNA，大多具有可被寄主，大多具有可被寄主细胞蛋白质激活的增强子。细胞蛋白质激活的增强子。小鼠乳腺瘤病毒（小鼠乳腺瘤病毒（MMTVMMTV）的）的DNADNA，具有糖皮质，具有糖皮质激素基因的增强子。在能被类固醇激活的细激素基因的增强子。在能被类固醇激活的细胞（如乳腺上皮细胞）中，胞（如乳腺上皮细胞）中，MMTVMMTV病毒能旺盛病毒能旺盛生长。生长。病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异的增强子。特异的增强子。(3)(3)沉默子（沉默子（silencersilencer）或衰减子（或衰减子（dehancerdehancer）指在真核基因内能抑制基因转录的指在真核基因内能抑制基因转录的DNADNA序列序列,与反式作用因子相互结合而起作用。不受距离和与反式作用因子相互结合而起作用。不受距离和方向的限制，并可对异源基因的表达起作用。方向的限制，并可对异源基因的表达起作用。67（4 4）终止子）终止子 指在模板指在模板DNADNA分子的分子的55端转录终止信号。端转录终止信号。通常具有通常具有po1yApo1yA尾的基因终止信号为尾的基因终止信号为G GT T簇，簇，例如在例如在SV40SV40中的中的AGGTTTTTTAGGTTTTTT序列为终止转录序列为终止转录调控元件。调控元件。672.反式作用因子(trans-acting factor)（1 1）指能直接或间指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件接地识别或结合在各顺式作用元件8-12bp8-12bp核心核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质，也称序列特异性质，也称序列特异性DNADNA结合蛋白结合蛋白(sequence(sequence specific DNA binding proteinspecific DNA binding protein，SDBP)SDBP)，这这是一类细胞核内蛋白质因子。在结构上含有与是一类细胞核内蛋白质因子。在结构上含有与DNADNA结合的结构域。结合的结构域。68 概念：概念：为为DNADNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）。近基因开放（正调控）或关闭（负调控）。通用转录因子通用转录因子结合在结合在TATATATA盒上的蛋白质因盒上的蛋白质因子。子。TFATFA、TFBTFB、TFDTFD、TFETFE等等 转录调控因子转录调控因子结合在结合在UPEUPE上的蛋白质因子。上的蛋白质因子。（2）反式作用因子类型：根据作用方式分为三类：通用转录因子。通用转录因子。普遍存在的转录因子。如普遍存在的转录因子。如TATA TATA boxbox结合因子结合因子TFTFD D、GC boxGC box结合因子结合因子SP1 SP1 等。等。组织特异性转录因子。组织特异性转录因子。与基因表达的组织特异性与基因表达的组织特异性有很大关系。如有很大关系。如IgIg基因在淋巴细胞中特异性表达是基因在淋巴细胞中特异性表达是由淋巴细胞中特异性转录因子由淋巴细胞中特异性转录因子Oct-2Oct-2决定的。决定的。诱导性反式作用因子。诱导性反式作用因子。活性能被特异的诱导因子活性能被特异的诱导因子所诱导。诱导活性的可以是新蛋白的合成。如类固所诱导。诱导活性的可以是新蛋白的合成。如类固醇激素受体等。醇激素受体等。69转录因子(transcription factor，TF)是是RNARNA合成起始所必需的因子。合成起始所必需的因子。TFTF不依赖不依赖RNARNA聚合酶而独立地结合聚合酶而独立地结合DNADNA，并且在转录过程，并且在转录过程中促使许多中促使许多RNARNA聚合酶分子与启动子结合。聚合酶分子与启动子结合。真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶、，识别不同的，识别不同的启动子，需要不同的启动子，需要不同的TFTF，即，即TFTF、TFTF和和TFTF。每。每一类又依发现先后命名为一类又依发现先后命名为A A、B B。其中，。其中，由由RNARNA聚聚合酶合酶转录的基因称为二类基因。此类基因种类多，转录的基因称为二类基因。此类基因种类多，与细胞生长、分化直接相关，与细胞生长、分化直接相关，其表达调控最为复杂。其表达调控最为复杂。70 转录因子参与转录