第9章 基因表达的调控 (Controlling of the Gene Expression)

第一节 基因表达调控的概述（空间密码） 第二节 乳糖操纵元（Lac Operon） 第三节 Trp Operon及弱化作用机理 第四节 基因转录的时序调控 第五节 Prok.翻译水平的调控 第六节 DNA序列重排对基因转录的调控 第七节 Euk.基因表达调控的特异性

第一节 基因表达调控的概述（空间密码）

以及环境对个体表型的影响都是基因表达的结果 原核生物对环境的适应，相关的应答 真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育 以及环境对个体表型的影响都是基因表达的结果 基因表达调控(gene regulation or gene control):任何影响基因转录过程和翻译过程的开启、关闭和这两个过程速率的较为直接的因素及其作用 原核生物对环境的适应，相关的应答 真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育以及环境对个体表型的影响都是基因表达的结果 涉及：RNA转录的开/关，数量，选择性加工 蛋白质翻译速率，数量，加工与 降解和分泌…

Prok.和Euk.的调控极其相似 共同的起源与共同的分子基础 调控机制：核酸分子间的互作 核酸与蛋白质分子间的互作 蛋白分子间的互作 调控层次：转录水平上的调控 mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控 翻译后水平的调控

灵活，又是最为重要，复杂的调控 a、在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点 b、精细调节基因表达的水平, 以保证生物体对环境的适应 ● 转录水平上的调控是最为经济, 灵活，又是最为重要，复杂的调控 a、在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点 b、精细调节基因表达的水平, 以保证生物体对环境的适应 c、 cis factor & trans factor 间严格而又灵活的互作 d、 保证RNA polymerase 的进行式转录（不中断，准确终止）

I类；DNA seq. RNA seq. (codon) aa seq. protein 表型 (central dogma) ● 生物遗传信息的概念 C > c 10%; 结构基因的编码序列 triplet codon 90%; 重复，间隔，调节序列… 基因选择性表达指令 重要的遗传信息 Genome DNA 遗传信息的两大类别 I类；DNA seq. RNA seq. (codon) aa seq. protein 表型 (central dogma) II类；特定DNA seq. + 特定蛋白质/ 核酸结合 基因表达的指令 gene on / off

I 类 II类 内在信息 内, 外(信号分子) 结合信息 ORF only Helix , Nt seq…. 表达 specifical binding aa base DNA RNA protein 遗传信息存在于模版链 三维空间结构/ DNA序列 的一级结构上 (IR, Box, paracodon…) 三联体密码 空间，调控密码(钥匙与锁) 简并 简并 cis 1 trans 2 cis 2 trans 1 cis 1 trans 3 cis 3 摇摆 同工受体

组成型表达（constitutive expression） ● 遗传信息表达的方式（Euk.） 组成型表达（constitutive expression） Housekeeping gene 诱导型表达 （inducible expression by signaling molecular） Luxury gene Epistasis effect 顺、反因子间互作方式的基因表达调控

♫ 顺式作用元件（cis-acting element）:能够影响同一条或相连DNA序列活性的特定DNA片段。例如，启动子 ♫ 反式作用因子（trans-acting factor）:一种基因的蛋白质产物，能够影响位于基因组另一条染色体上的（或基因组别处的）另一个基因的表达活性。例如，RNA polymerase

★ 正调控系统: 没有调节蛋白存在时，结构基因是关闭 的，而加入有活性的调节蛋白后,结构基 因的表达活性被开启 无辅基诱导物或激活物 ★ 负控制系统: 没有调节蛋白存在时，结构基因是开启的， 加入这种有活性的调节蛋白后，结构基因表 达活性被关闭 阻遏蛋白 ★ 所谓“关闭”指表达水平很低 本底水平的基因表达(1～2个mRNA分子／细胞周期) “开启”也常有程度的差异

二、基因表达调控的分子机制 in major groove 1、调控蛋白质的对称性与其识别序列的对称性 调控蛋白都是同种分子的多聚体－－二聚体、四聚体 二倍旋转对称 in major groove 通过单体和多聚体 间的平衡迅速作用 与特异识别位点之 间提高调控作用的 特异性（反向重复 序列） 识别螺旋嵌入DNA大沟中 非特异性结合， 结合部位附近的正电区,与PO43-产生静电作用 特异性结合，aa与DNA结合的界面形成大量氢键 特异和非特异结合力

2、调控蛋白的DNA结合结构域的主要花式 调控蛋白上存在与DNA和其它蛋白质相互作用的位点 主要有：α螺旋-转角-α螺旋（HTH） Cys-Cys锌指 Cys-His锌指 * 两个α螺旋被一个β转角隔开 * 一个螺旋起识别结合DNA的作用 ★ α螺旋-转角-α螺旋

3个—helix,H1与H2平行 H2与H3形成HTH motif H3位于大沟中，与DNA特异结合 N末端位于小沟中，与DNA接触 homeotic loci 目前已知具有同源结构域的真核生物蛋白质近百种，其中都存在HTH结构 180bp, 60aa 从酵母到人类都存在homeobox, DNA序列高度保守 参与调控 3个—helix,H1与H2平行 H2与H3形成HTH motif H3位于大沟中，与DNA特异结合

CⅠ蛋白N端有五个螺旋2和3与DNA相互作用

a、Cys-His(C2/H2)锌指 ★ 锌指结构 概念:与DNA结合的蛋白质中一小组保守AA与一个Zn2+结 ★ 锌指结构 概念:与DNA结合的蛋白质中一小组保守AA与一个Zn2+结 合起来形成蛋白质中一个相对独立的结构域 按结合的AA不同有两种类型 经典的锌指蛋白、 类固醇受体（激素） a、Cys-His(C2/H2)锌指 经典的锌指蛋白 F-----Phe L---Leu Y-----Tyr 中部芳香族氨基酸保守， 加上Zn＋＋和Cys和His之间的配位结构形成疏水核

锌指可以串联重复排列，两指间7-8aa 不同锌指蛋白中锌指数目多少不等 TFⅢA 有9个锌指、通用转录因子SP1有三个

经典锌指的三维结构：一个β－折叠和一个α－螺旋

锌指上的α－螺旋负责与DNA作用 Zn指可以形成α－螺旋插入到大沟中，而另一面为β－折叠 Berg 等认为，锌指的三维结构可能包括一个—折叠和—螺旋

b、Cys-Cys(C2/C2)锌指 类固醇受体 Zn＋＋与4个Cys残基 形成配位键

糖皮质激素受体 ZYJ272 Glucocorticoid－－[生化]糖(肾上腺)皮质激素 estrogen－－[生化]雌激素

The DNA-binding domain of Cys2-Cys2 zinc finger proteins (Figure 1 The DNA-binding domain of Cys2-Cys2 zinc finger proteins (Figure 1. Glucocorticoid receptor) is composed of two irregular antiparallel beta-sheets and an alpha-helix, followed by an extended loop.

图 6-B-2.  类 固 醇 受 体 增 强 转 录 的 机 转 。当 受 体 与 配 体 结 合 之 后 ， 会 再 吸 引 乙 醯 转 移 酶 来 到 转 录 区 促 进 转 录 。

鉴定的较清楚的 蛋白质与蛋白质相互作用的结构基元有 3、调控蛋白与蛋白质结合的方式 螺旋-环-螺旋（HLH） Leu拉链 （1） HLH 结构特点：长40～50个AA残基中含有两个既亲水有亲 酯的α螺旋,被不同长度的连接区隔开(环) 此类蛋白借助两个螺旋对应面上疏水基团的相互作用形成 二聚体(同种或不同种亚基)

HLH基元附近有个高度碱性的区段为结合DAN所必须 bHLH MyoD基因家族成员以肌肉特异性基因转录激活物的形式发挥作用[1]，它们具有bHLH结构域，与肌肉特异性基因调控区常见的顺式作用元件E-box结合。当然，需要提及的是，除了bHLH结构域外，转录机制的激活还需要位于NH2－和COOH－末端的非保守性的反式激活结构域的参与[2]。MyoD基因编码核DNA结合蛋白（nuclear DNA-bingding protein），能够与肌肉特异性基因结合并将其激活[3]，例如，MyoD蛋白可以与鸡肌肉乙酰胆碱受体的一个亚基基因相结合从而启动这个基因[4]；MyoD基因也可以自身激活，也就是其编码的MyoD蛋白可以结合至自身的上游DNA上而使其处于活化状态。MyoD基因对其它基因的作用可以是直接的，也可以是间接的。 MyoD-DNA

（2）Leu拉链(Leu zipper) 概念：调控蛋白上富含亮氨酸残基的结构域参与形成二聚体 蛋白上含有4或5个精确的 相距7个AA的Leu残基 Leu出现在α-螺旋疏水的 一侧，并直线排列 于是，两个蛋白分子的两 个α－螺旋之间依赖Leu 残基之间的疏水作用形成 一条拉链

GCN4 Leucine zipper proteins contain a hydrophobic leucine residue at every seventh position in a region that is often at the C-terminal part of the DNA-binding domain

Leu拉链区的氨基端约30个残基的碱性区与DNA结合 两个Leu拉链作用形成Y型结构，拉链为茎、碱性区分叉对称 成臂－－拉链蛋白的目标DNA为没有间隔的反向重复

第二节 乳糖操纵元

★ 操纵元(Operon):Prok.中,基因表达调控的一个完整单 的整个核苷酸序列 ♫ 操纵元中各结构基因按一定比例协调翻译 ♫ 聚有极性突变效应： 操纵元中一个近基因的无义突变能够影响远基因表， 且根据距离远近呈极性梯度效应 ♫ P、O紧密连锁或彼此重叠，I基因位点不固定 顺式作用元件、反式作用因子

一、 乳糖操纵元 1960 Jacob & Monod（法国） (1965) 1、结构:

2、 调节基因 I 产物为阻遏蛋白,四聚体为活性形式 转录方式为组成型转录 LacI的表达效率很低, 原因—其启动子与RNApol的亲和性很低 阻遏蛋白有两个结合位点: 操作子位点、 诱导物位点

二、 Lac Operon的负调控 1、 细胞内无诱导物时,呈阻遏状态 阻遏蛋白和操作子的结合,影响了RNApol在-10序列上 形成开放型的启动子复合物

诱导物与阻遏蛋白迅速结合而改变其构象→→→从O上解离→→→RNApol 2、 细胞内有诱导物时, 呈诱导状态 诱导物与阻遏蛋白迅速结合而改变其构象→→→从O上解离→→→RNApol 诱导物与阻遏蛋白迅速结合而改变其构象，使之迅速从O上解离，使RNApol与启动子形成开放型启动子复合物

3、 诱导物 ♫ 异乳糖(allolactose) 乳糖进入细胞后，由β-半乳糖苷酶催化产生 ♫ β-半乳糖苷酶来源于乳糖操纵元的本底组成型合成 RNApol利用LacO处于游离状态的瞬间进行转录 (阻遏蛋白与LacO有10min～20min的结合半衰期) 一个mRNA／细胞周期

可诱导半乳糖苷酶产生但不是其底物 * TMG ，巯甲基半乳糖苷 * ONPG，O-硝基半乳糖苷 ♫ 安慰诱导物（义务诱导物） ♫ 安慰诱导物（义务诱导物） 可诱导半乳糖苷酶产生但不是其底物 * IPTG，异丙基-β-D硫代半乳糖苷 * TMG ，巯甲基半乳糖苷 * ONPG，O-硝基半乳糖苷

4、阻遏蛋白与操作子的相互作用（硝酸纤维素膜结合试验） IPTG LacOC 操作子的结构 +5到+17之间 大部分在左侧 IR序列以+11为对称轴两边为两段各6bp的重复序列 －5 ＋21 ＋11

Lac Repressor = tetramer Cooperative binding of Lac Repressor results in the formation of a DNA Loop

三、 Lac Opreon的正调控－－CAP-cAMP复合物

Low glucose = high cAMP

总结 lac operon transcription-control region 正控制： CAP protein 负控制： repressor

第三节 Trp Operon及 弱化作用机理

一、结构 ♫ 结构基因 ♫ 末端---终止子trpt’(依赖ρ)、trpt(不依赖ρ) ♫ 相距很远的trpR编码阻遏蛋白 吲哚甘油磷酸合成酶 邻氨基苯甲 酸合成酶 Trp合成酶 ♫ 结构基因 ♫ 末端---终止子trpt’(依赖ρ)、trpt(不依赖ρ) ♫ 相距很远的trpR编码阻遏蛋白 其活性形式为四聚体,并且只有结合trp时才有活性

♫ 控制区域 P、O和前导区及弱化子 ♫ trpO与tepE之间的162bp的前导区可转录到mRNA中

♫ trpO的结构 * 位于trpP内，20bp,有完美的IR序列 * trpP有正常的－35和－10区，－10区完全在trpO内

二、阻遏调控机制 无trp时 无活性 有trp时

二、弱化作用控制-----基因转录的翻译调控 通过核糖体对前导区的翻译而对转录进行调控 弱化子（attenuator):Trp Operon中trpE前的一段 非结构基因的对应序列（123－150）， 其中 包括不依赖ρ因子的终止子，由于翻译的作用使 转录终止，这段序列称为…(衰减子) 发现－－－ 缺失增加结构基因的表达，且与阻遏蛋白无关 无trp时，所有转录该操纵元的RNApol都能通过弱化子 * 有trp时，一部分逃过阻遏蛋白监督的RNApol在弱化子处大部分被扣留，而只有10％能通过 弱化子调控的表现：（与阻遏蛋白的负调控结果类似） * 无trp时，所有RNApol都能通过弱化子 * 有trp时，部分逃过阻遏蛋白监督的RNApol在弱化子 处大部分被扣留，而只有10％能通过

1、Trp Operon mRNA的前导序列结构 ♦ 前面有核糖体结合位点（S－D序列） ♦ 下游---14aa的前导肽的ORF，其中两个相连的trp的 codonUGG(60位) 对弱化作用的实现起重要作用 下游有一个编码14aa的前导肽开放阅读框架，其中两个相连的trp的密码子UGG(60位) 对弱化作用的实现起重要作用 ♦ 下游长28bp的不依赖ρ因子的终止子为弱化子的核心部分

2、前导序列的二级结构 决定RNApol在弱化子处是终止转录还是继续转录 1和2、3和4配对 ★ 序列1和2、3和4配对时，RNApol在3、4区的不依赖ρ因 子的终止子处终止,其后的trpE等基因表达受到限制 （翻译作用不存在时或顺利进行）

★ 序列2和3配对时，RNApol继 续转录，使前导序列后的结构 基因得以转录 3、弱化子弱化控制的机制 Prok.无核膜，转录和翻译偶联 （1）细胞缺少trp，Trp-tRNATrp水 平低，核糖体停顿在两个邻 近的Trp密码子处，此时核 糖体占据序列1，此时序列4 还没转录出来，序列2和3有 机会配对，RNApol可通过弱化子 2和3配对

(2) 当细胞有Trp时,Trp-tRNATrp水平很高,核糖体顺利地翻 译出前导肽而在终止密码子处(+70,UGA位于序列1和2之 间)解离,此时,核糖体占据了序列1和部分序列2,使序列2不 能有效地和序列3配对,因而序列3和4产生终止子发夹结 构,转录终止 (3) 此外,Arg饥饿时有相同的后果

☻ 实现弱化子对转录的调控关键是时间和空间上的巧妙安排 空间上：两个Trp的codon位置至关重要 时间上：核糖体停顿在两个Trp codon上时，序列4还没 转录出来，否则…… 这种巧妙安排的一个原因就是RNApol在转录完+90序列处时产生一次延宕给与核糖体以追赶的机会 5、Prok.中弱化子（衰减子）的普遍性 许多负责氨基酸合成的operon都受弱化子的控制，尤其是 His operon中，弱化子是唯一的调控机制

第四节 基因转录的时序调控

如:噬菌体的复制和颗粒的包装 一、枯草杆菌中σ亚基的替换 时序调控: Prok.在生长发育的各个阶段，基因的表达是按照 一定的时间顺序而展开的 如:噬菌体的复制和颗粒的包装 * 有效利用能源避免浪费 * 避免了某些基因表达时机不当所带来的危害 是多种蛋白质与RNApol作用的结果 一、枯草杆菌中σ亚基的替换 1、枯草杆菌中phageSPO1早、中、晚期基因表达的转换

早期基因---寄主的RNApol全酶σ55 早期基因28编码的gp28取代σ55 含有gp28的全酶转录中期基因 中期基因33、34编码的gp33、gp34取代gp28 以gp33－gp34为σ亚基的全酶转录晚期基因

2、枯草杆菌孢子形成过程中σ亚基的替换

二、λphage裂解性生长和溶源状态的调控 体内后环化 其中— ♦ 裂解周期--环形分子 大部分基因表达 ♦ 溶源状态--以线性分 子形式整合到寄主的 染色体上,使大部分基 因不表达

λPhage的操纵元组织情况

(一) λphage裂解生长过程中的基因表达 进入寄主cell的λphage 的DNA上没有任何 调节蛋白，因此寄主的RNApol便结合于PL和PR 1、抗终止蛋白PN和调节蛋白Cro首先被转录 λphage 的DNA进入寄主cell后，DNA上没有任何调节蛋白，因此寄主的RNApol便结合于PL和PR

2、PN蛋白的作用导致PL和PR控制的迟早期基因的表达 表达产物CⅢ蛋白、CⅡ蛋白、O蛋白、P蛋白、Q蛋白

3、PQ蛋白的作用导致PR’ 控制的晚期基因的表达 表达产物头尾蛋白、溶菌酶蛋白

巧妙的调控，小区段表达，整合到寄主染色体上 （二）溶源途径 巧妙的调控，小区段表达，整合到寄主染色体上 1、溶源化的建立－－PE启动子的转录 * CⅢ、CⅡ蛋白共同确立PE处CⅠ的转录（左向） PE(Establisment Promoter) * CⅠ阻遏与裂解生长有关基因的转录，其中转录出的 CⅠmRNA含有S-D序列，因此有很高的翻译活性 只表达一个小的区段，以原始菌体状态整合到寄主染色体上，即进行巧妙的调控 * 此外， CⅡ促进Pint启动子转录，使int gene表达产生 整合酶

Pint启动子

N蛋白和Cro蛋白被转录 N蛋白抗终止CⅢ、CⅡ蛋白被转录

CⅡ作用于PE(PRE)转录CⅠ 左向转录 阻遏蛋白结合于OROL CⅠ导致自身从PRM处转录

♫ CⅢ、CⅡ蛋白是CⅠ合成的正调控因子，作用于PE ♫ Cro蛋白间接抑制CⅢ、CⅡ的转录，直接阻止CⅠ的转录 2、溶源化的维持—PM启动子的转录 ♫ 已产生的整合酶使λ整合并实现溶源化（attp、attB） ♫ 溶源化的维持需要低水平的CⅠ转录，保持自身阻遏循 环，这个功能由PM完成 ♫ CⅠ蛋白对PM正调控，但PM起始转录的CⅠ没有S-D 序列，因此翻译效率很低，但足以维持溶源状态 ♫ 溶源状态的维持通过CⅠ蛋白结合于OL、OR上而实现

溶源周期

二者与操作子的亲和次序为 3、CⅡ、CⅢ蛋白对CⅠ和Cro的影响 CⅠ和Cro是λphage的两种调节蛋白， 其中Cro能关闭CⅠ的表达 溶源化状态的进入与否靠二者结合操作子的情况决定，数量 是谁占上风的关键 二者与操作子的亲和次序为 CⅠ蛋白 OL1›OL2›OL3 OR1›OR2›OR3 Cro蛋白 OL3›OL2›OL1 OR3›OR2›OR1

OL1›OL2›OL3 OR3›OR2›OR1

即---CⅠ阻遏二启动子的能力强 结合的结果阻止PL和PR的转录 OL1和OR1分别与PL和PR最靠近 CⅡ、CⅢ蛋白是CⅠ和Cro蛋白谁占上风的关键 因为－－在CⅡ、CⅢ的帮助下CⅠ表达 而Cro蛋白远早于CⅠ蛋白的表达

★ 正常情况下，寄主的hfl基因产物大量存在导致Cro占上风 个操纵元初期表达一段时间才关闭 ♦ 因此产生足够的O、P蛋白（复制有关）和PQ，从而使菌 体走向裂解 4、导致溶源化的因素 （1） 营养耗竭：寄主能源濒临枯竭时，导致cAMP产生等 一系列生理变化 * cAMP对hfl基因负调控，使分解CⅡ蛋白的酶大大 减少， CⅡ又能抑制该酶，因而CⅡ、CⅢ→CⅠ

（2） MOI值过高（≧10）：MOI指感染时λ噬菌体与 细菌的比例，称感染复数 * CⅡ蛋白其作用的形式是寡聚体形式，单体不稳 定无活性 * 一两个噬菌体感染寄主时，产生的CⅡ不足以形成 寡聚体 * MOI值过高时，足够CⅡ寡聚体产生，确立从PE 转录CⅠ， CⅠmRNA的高翻译活性导致CⅠ数量 占上风， PE活跃转录的同时抑制了Cro基因的表达 * 由于CⅠ和操作子亲和力情况，导致CⅡ、CⅢ不再 表达，但由于CⅠ对PM的正调控，产生能够维持溶 源状态数量的CⅠ

第五节 翻译水平的调控

属于核酸与核酸的相互作用 一、反义RNA的调控作用 ☻ 翻译的调控主要发生在翻译的起始阶段，基因表达时翻译 ☻ 翻译的调控主要发生在翻译的起始阶段，基因表达时翻译 的效率主要取决于mRNA的一级结构和高级结构 ☻ 因此，mRNA的翻译起始区域往往是调控的靶位点 （结构状态） 一、反义RNA的调控作用 反义RNA：又称干扰 mRNA 的互补 RNA，简称 micRNA （mRNA-interfering complementary RNA） 指与靶 mRNA具有互补序列的调控RNA，通过互补 的RNA序列与特定靶 mRNA结合，起负调控作用 属于核酸与核酸的相互作用

♦ 作用机理 转录产生反义RNA的基因称为反义基因 结合位点：mRNA的SD序列、起始密码子、氨基酸N端的 部分密码子结合 目前为止，只有原核生物发现了这种调控系统 例如：1985 Hoopes等人发现的λ噬菌体 CⅡ抑制晚期基因的 转录就是通过micRNA起作用 Q基因有一个依赖于CⅡ的启动子PaQ（抗Q），其转录方向与Q 基因相反，即转录产物RNA与Q基因的5’端的一半完全互补，从 而抑制Q基因的翻译，抑制晚期基因的表达

二、mRNA本身的二级结构影响翻译的进行 三、蛋白质合成的自体调控 * 有些蛋白质能够直接控制自身mRNA的可翻译性 * 核酸结合蛋白或者是与核酸分子相互作用为其生理功 能的蛋白质 *即－－这些蛋白质的mRNA上可能也有其结合位点 目前所知的大多是核酸结合蛋白或者是与核酸分子相互作用为其生理功能的蛋白质 1、释放因子RF2合成的自体调控 利用自身释放肽链的职能提前终止其mRNA的翻译

RF2蛋白质340个AA codons不处于同一阅读框 5‘…..GUU CUU AGG GGG UAU CUUU GAC UAC GAC…..3’ NH2 Val Leu Arg Gly Tyr Leu Asp Tyr Asp COOH 20 21 22 23 24 25 26 27 28 * 当细胞内RF2供应充足时，RF2促成核糖体在上述UGA处肽链 合成的终止 * 若细胞缺乏RF2，则核糖体以未知机制向前滑动一个Nt， 发生移框，继续合成到最后一个密码子 当细胞内RF2供应充足时，核糖体到达第25个密码子后UGA时，RF2促成肽链合成的终止

2、核糖体蛋白合成的自体调控 通过控制翻译的起点－－即控制核糖体与自身mRNA的结 合而对其自身蛋白质mRNA可翻译性进行控制 * E.coli核糖体蛋白质的合成与rRNA（EF_Tu）合成严格协调 （数目） * 核糖体蛋白质与RNApol各亚基及延伸因子等混合编组在不 同的操纵元中 * 每个operon有一个核糖体蛋白质作为自身operon调节蛋白 * 每个操纵元的mRNA上具有与调节蛋白的结合位点 ---靠近或包含SD序列

* 操纵元 mRNA上与调节蛋白的结合位点与组装核糖体时与 rRNA 相结合位点高度同源，具有相似的二级结构 L11/L1 opreon mRNA上与调节蛋白的结合位点 23SrRNA上与调节蛋白的结合位点

* 调节蛋白与 rRNA的结合力高于与自身 mRNA的结合力 * 调控方式 当细胞内核糖体较少时，有游离的rRNA存在，调控蛋白优先结合rRNA，此时调控蛋白控制的自身操纵元mRNA继续翻译 当细胞内核糖体较多时，没有游离的rRNA存在，调控蛋白优先结合mRNA，此时调控蛋白控制的自身操纵元mRNA停止翻译 调控实质：核酸的合成水平调节了蛋白质的合成 翻译水平调节 相反情况，调控蛋白优先结合mRNA，此时调控蛋白控制的自身操纵元mRNA停止翻译

四、严谨反应调控（stringent response control） 基本概念：原核生物在不良的营养条件下（AA饥饿）， 自动停止或降低（10～20倍）rRNA、tRNA 转录，从而调节蛋白质合成速度的严谨现象 ♦ 相关因子： ♫ 严谨因子： 焦磷酸转移酶 由relA基因编码 正常情况下很少表达 ♫ 信号分子：魔斑Ⅰ（magic spotⅠ）: ppGpp 鸟苷5’-3’-二磷酸 魔斑Ⅱ（magic spotⅡ）: pppGpp 鸟苷5’-三磷酸3’-二磷酸

基因表达翻译水平的调节 ☻ 之所以称为魔斑---AA饥饿时，E.coli的薄层层析图 谱上有两种Nt与常见的Nt的迁移率不一样 ♦ 调控机制 ♦ 调控机制 ♫ 空转反应：AA饥饿时，无负载的tRNA进入核糖体的A 位后，新肽键不能形成，但GTP不断消耗 ♫ 空转反应导致信号分子的产生 ppGpp pppGpp ♫ ppGpp可与RNApol作用，使其不易变构 pppGpp与转录I位点作用，阻止RNApol结合 从而抑制tRNA、rRNA转录 之所以称为魔斑，是因为AA饥饿时，E.coli的薄层层析图谱上有两种核苷酸与常见的核苷酸的迁移率不一样 放慢转录起始、延伸过程，放慢蛋白质合成过程，启动 AA合成基因，通过紧缩开支，渡过难关 基因表达翻译水平的调节

第六节 DNA序列重排对基因转录的调控

☻ Prok.中研究最多的是鼠伤寒沙门氏菌的鞭毛基因的相变 过程 一、沙门氏菌的Ⅰ、Ⅱ相及基因分布 off on rh1-p on off

二、H2－rh1转录单元的表达机制 * H2－rh1转录单元的表达受其上游一段 995bpDNA 序列排列方向控制 * 995bp 序列两端各有一段 14bp 的 IR IRR 982～995 IRL 1～14 * H2 基因的起始密码子与 995bp 相隔 16bp，启动子 位于 995bp 序列末端 * 995bp 序列中 hin 基因产物可催化 995bp 序列的倒位

相变机制 P P 非复制型原位转座 P P Fla-P Fla. Mov. H1 O H1 鞭毛蛋白 Hin-P 转座酶 rh1 (阻遏蛋白) IR L (1-14) IR R (982-995) P P Fla-P Hin-P 转座酶 H2 鞭毛蛋白 H1 阻遏蛋白 H1 鞭毛蛋白 非复制型原位转座 H1 O Hin H2 rh1 (阻遏蛋白) IR L (1-14) IR R (982-995) P P

三、相变的意义 逃脱寄主抗体的进攻 此外－－ Euk.的酵母结合型 免疫球蛋白的分子多样性

第七节 Euk.基因表达调控

一、 Prok.与Euk.基因表达上的遗传差异 Eukaryote Prokaryote DNA DNA + histon chromatin Naked DNA Repetitive gene Overlapping gene 非编码区 Non-coding region (Junk?) Synchronizely－－偶联 Splitting gene Post-transcription transcription & translation RNA processing 偶联

Eukaryote Prokaryote Enhancer & silencer 弱化子Attenuater Monocistron polycistron (operon) m5C  gene off 乙酰化 磷酸化 甲酰化 糖基化 转录因子 trans factor 活性形式

Eukaryote Prokaryote Housekeeping gene(constitutive) Basic promoter + T.F. Luxury gene (inducible) 多种组合的Trans-Factor (cAMP + CAP) site + －35 + －10 单一类型 Positive control (mostly) 严谨性，专化性 ，复杂性 保险性 Negative control

基因表达上的主要异同 相似： 以转录水平调控为主 Trans F + Cis F. Gene on /off 相异： 真核生物染色质的状态对基因表达的调控 以positive control为主 m5C与基因表达的相关 转录后多种方式的加工调节 个体发育的阶段调控

Positive control的必要性与优越性 a) 真核生物genome大，某一种cis-factor出现的机率高 可与多个(种)trans-Factor结合 空间密码 的简并性 灵活 性 但随机出现5 set of (trans-F + cis-F.) 完全相同的机率小 严谨性

b) 特异基因表达  细胞分化 如果 10k/100k(10%) 基因表达 （90k基因关闭） Negative control; 90k repressor required 经济 合理 有效 Positive control; 停止合成 90k 特异tran-factor 即只合成10k特异expresser

二、Euk.DNA水平的调控 高等Euk.内尚未发现 1、 基因拷贝数的改变 1、 基因拷贝数的改变 a) 基因的丢失 （DNA fragment or chromosome lose） 细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除 这些基因的活性 某些低等Euk.：原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物 体细胞内丢失整条或部分染色体 将来分化产生生殖细胞的细胞内…. 蛔虫胚胎发育过程中有27%DNA的丢失 高等Euk.内尚未发现

b) 基因的扩增 (特定基因在特定阶段的选择性扩增) 在没有发生细胞分裂情况下，细胞内某些特定基因的 拷贝数专一性大量增加的现象 ♦ 细胞短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的 一种调控手段（外界因素） ♦ 两栖类和昆虫卵母细胞rDNA的扩增 例：非洲爪蟾 体细胞rDNA约 500copies 卵母细胞 200万copies（4000倍）

2、 转录区染色质结构的变化对基因表达的控制 ♦ chromatin 状况与基因表达相关 常染色质 gene on 异染色质 gene off 证据1： 转录活化区/ 非转录活化区染色质的结构差异 活跃转录区 DnaseS 核小体结构不完整 没有连接的H1

Torsion--n.[物][机] 扭转, 转矩 量大， 进化保守， 与DNA 无专一性结合区

表达非常活跃的rDNA 转录区无nucleosome 结构 凡被Trans-factor 结合的区域 均能阻止nucleosome 形成 H2A, H2B, H3, H4 modified by 乙酰化、磷酸化 降低组蛋白的正电荷 组蛋白解聚 核小体松弛 活跃转录区的组蛋白确实被乙酰化、磷酸化

complete nucleosome 证据2； 体外重建染色质改变转录效率 Naked DNA DNA + H2A, H2B, H3, H4 转录速度 ＞ 转录速度 add H1 complete nucleosome 转录速度 ＞＞ 转录速度

a) m5C是真核生物 DNA中的主要修饰成分 多发生在CpG序列中, 不同细胞间m5C 相差甚大 胚胎细胞与特化体细胞相差106 b) m5C对基因转录抑制的表现 m5C 在大沟内 影响与T.F.间氢键的形成 大沟内m5C 导致空间的拥挤,破坏构象的平衡 使B-DNA  Z-DNA  T.F.结合空间的改变 降低转录因子与DNA的结合 脊椎动物基因常常伴随着CpG岛---------低甲基化的序列

三、Euk.的基因重排 啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）接合型的决定 1、单倍体接合型受 MATa MATα控制 同宗不能接合，异宗能 接合 接合型互变需要HO基因 －－编码内切酶

2、接合型互变的匣子模型 a、单倍体细胞中同时存在 MATa和MATα的遗传信息 b、活跃匣子MATa或MATα 沉寂匣子HMLα、HMRa 在同一条染色体上 c、接合型互变 HMLα、HMRa能取代活 跃匣子而改变接合型 （不同型） 原HM位置仍保留一个拷 贝的沉寂匣子 HMRa为使接合型由α转变为a所必须 接合型的改变，实际上是DNA序列的代换，依赖于序列同源性 匣子模型－－－cossette model

受阻遏蛋白亚基基因sir1、sir2、sir3、sir4的产物 Sir蛋白的反式作用控制 3、沉寂匣子的表达 受阻遏蛋白亚基基因sir1、sir2、sir3、sir4的产物 Sir蛋白的反式作用控制 Sir(silent information regulator) 结合在HML和HMR的启动子上游,而MAT上无结合位点 Pheromone－－－n. 〈生化〉信息素

四、Euk.转录水平的调控 • Euk.基因表达包括的5种不同的调节点: 基因结构的激活、起始转录、加工转录物、 运输到细胞质、mRNA的翻译 • 起始转录－－RNA聚合酶与启动子相互作用决定 若干Trans F + Cis F.的作用所决定 • Euk.启动子的定义：包括所有那些位于转录起始位点 附近的序列，这些序列都是启动 转录所必需的（实用角度） 并非严格定义－－ 未包括增强子 处于激活态的基因，其起始转录受起始阶段控制，它是RNA聚合酶与启动子相互作用决定 一个转录因子的决定性指标是看它的功能,即发生转录所必需的蛋白质才是转录因子 • 转录因子：转录所必需的蛋白质（决定性功能指标） 识别并结合在启动子序列上

( promoter or basic factor) Core promoter (Cap site, TATA box 必需因子) 1、RNApolⅡ的启动子和转录因子 （1）启动子的组成 a、 基本水平转录的 cis-factor ( promoter or basic factor) Core promoter (Cap site, TATA box 必需因子) UPE (Upstream Promoter Element) (CAAT box, GC box) 对于 housekeeping gene (constitutive expression) b、  特异诱导高效表达的cis-factor Enhancer 对于 luxury gene (inducible expression)

Thymidine－－－n.[生化]胸(腺嘧啶脱氧核)苷

a、基本转录水平的转录因子(Trans-factor) （2）转录因子的分类 a、基本转录水平的转录因子(Trans-factor) 基础因子－－－Core promoter 上游因子－－－UPE 所有启动子表达所必须-------基础转录复合体 海胆睾丸H2B基因启动子上结合转录因子情况 每个元件都有相 应的转录因子

元件名称 共有序列 结合DNA长度 因子 TATA box TATAAAA ~10bp TBP CAAT box GGCCAATCT ~22bp CTF/NF1 GC box GGGCGG ~20bp SP1 Octamer ATTTGCAT Oct-1 ~23bp Oct-2 kB GGGACTTTCC NF kB ATF GTGACGT

★ 真核生物必须有与基本转录相关的trans-factor 在 启动子处的先期结合,RNApol才能启动转录 此外 l     TF (I, II, III) 转录因子 l    TAF (TBP 辅助因子) l     RAP (RNApol. 结合蛋白) ● TIC (转录起始复合物) 等等………. ★ 真核生物必须有与基本转录相关的trans-factor 在 启动子处的先期结合,RNApol才能启动转录 真核生物中RNApol的作用必须有其他相关转录蛋白在启动子处的先期结合才能启动转录

特定时间、条件、或特定组织中合成或被活化 b、诱导型因子 特定时间、条件、或特定组织中合成或被活化 调控基因在不同时间、条件或不同地点表达 应答元件----enhancer （3） 转录因子的DNA结合域和活化结构域是独立的 结合结构域和活化结构域之间的连接物是足够柔性的 DNA-binding and activating functions in a transcription factor may comprise independent domains of the protein. l 多为变构蛋白

转录因子的结构域 a DNA结合: HTH、锌指、碱性区域 b 蛋白质结合： Leu拉链、HLH、 c 活化 一段包括酸性AA的保守序列 二聚化 domain (在一些二聚体因子中) DNA-结合 domain 活化 domain

增强特异性转录 （4） Enhancer 的结构与功能 双方向性，组织特异性，位点非专一性 a、由两个以上的增强子成分(Enhancer Element)组成 b、Enhancer Element 必需由两个紧密相连,具有间距效应的 增强子元 (Enhanson）组成 c、各个Enhanson(cis-factor)与激活蛋白(trans-factor)结合 促进转录的复合体 + UPE + core promoter 基本转录复合体 增强特异性转录

+ Enhancer Enhancer Element …….. (<100bp) Enhanson (cis-factor) 特异的 transc. Factor (tran-factor) 特异的transc. Factor (tran-factor) …….. + 增强子复合物的激活区 ……..

e.g. SV40 Enhancer (-179~ -250)

En. Elem. En. Elem En. Elem. -250 -180 远距离控制，无方向性 +1 GC CAAT TATA mRNA -250 -180 coreC TCII TCI sphII sphI Ap3 Ap2 Ap1 远距离控制，无方向性 +1 GC CAAT TATA 促进转录复合体 基本转录复合体 mRNA

d、增强子复合物与近启动子的转录起始复合物构型契合， 而不与RNA polymerase 结合 e、Enhancer 的两位点二元组织方式 能利用有限的trans-factor提供更多基因的表达调控因子类型 一位点的二元结构： A, B factor → AA, BB, AB, BA 两位点的二元结构：AA-AA, AA-BB, AA-AB, AA-BA BB-BB, BB-AA, BB-AB, BB-BA AB-BB, AB-AA, AB-AB, BA-BA…… f、 特化细胞内，具全部特异转录因子（trans-factor）才表现 增强效应即增强子的组织特异性 g、 增强子的复杂结构，以正控制方式防止基因表达的紊乱

（5） 不同部位的反式因子相互作用假说 拧转学派、滑动学派、接力学派和噜噗学派

（6） 可诱导的转录因 子活性的调控方式 a、合成转录因子 b、蛋白质磷酸化 c、蛋白质脱磷酸化 d、结合配基 f、抑制剂释放 g、改变不同伴侣

五、Euk.转录后水平的调控 1、hnRNA的选择性加工 某些基因序列在hnRNA和mRNA中的相对丰度差异很大 e.g. 海胆中该调控水平的体现 海胆细胞 hnRNA 成熟mRNA 胚胎时期胚囊 约2万种 约13000种 成体肠 约 2.5 万种 约3000种 且－－尿胚中存在而肠细胞中没有的mRNA极大多数可在 肠细胞的hnRNA中发现 说明：不同组织转录水平差异不大 加工运输机制目前了解很少

2、mRNA前体的选择性拼接(alternative splicing) • 两种结果： 结果1---差异在5‘和3’非翻译区，产生相同的蛋白质 结果2---产生不同的mRNA编码区，产生不同的蛋白质 结果2又有几种情况： • 情况1---同一细胞中产生多种蛋白质 • 情况2---同一基因在不同细胞中产生不同蛋白质 组织特异性 • 情况3---不同发育时期或条件下表达出不同的蛋白质 以上情况均受特定调控

（2） 选择性拼接方式 a、不同的加尾位点（免疫球蛋白） b、不同的拼接位点 SV40的T（100KD）和t抗原 （18KD）的产生等 （2） 选择性拼接方式 a、不同的加尾位点（免疫球蛋白） b、不同的拼接位点 SV40的T（100KD）和t抗原 （18KD）的产生等 t抗原的mRNA内有一UAA c、结合前两种机制的方式 d、可能还存在不同启动子处 转录的机制 （目前尚未发现实例） Adenovirus------n.[微生]腺病毒 果蝇中选择性拼接可决定其性别

（3） 选择性拼接的调控机制 拼接因子SF2(拼接体组装所需)导致不同的5‘拼接点的选择 SF2浓度高时----选择离3’拼接点最近的5‘拼接点 3、RNA编辑（RNA editing） （1） 概念：mRNA在转录后因核苷酸的插入、缺失或替换 而改变DNA模板原来的遗传信息，从而翻译出 AA不同的多种蛋白质来 （2） 机制 a、核苷酸的替换 C→U A→G A→I 或U→ C 如: 哺乳动物的载脂蛋白(apo-lipoprotein B apoB)

基因组中只有一个 apoB基因 肝中 apoB-100 512KD 小肠中 apoB-48 240KD 原因— 转录过程中或完成后 第6666位的C→U 使CAA→UAA The sequence of the apo-B gene is the same in intestine and liver, but the sequence of the mRNA is modified by a base change that creates a termination codon in intestine.

如：锥虫coxⅡ(细胞色素氧化酶亚基)基因的mRNA与其DNA相 比有－1移码，由4个U插入产生 b、可读框改变 核苷酸的插入或缺失 插入或缺失U，以及插入G或C 如：锥虫coxⅡ(细胞色素氧化酶亚基)基因的mRNA与其DNA相 比有－1移码，由4个U插入产生 The mRNA for the trypanosome coxII gene has a -1 frameshift relative to the DNA; the correct reading frame is created by the insertion of 4 uridines.

◘ 插入U需要指导RNA的参与 指导RNA与被编辑RNA的编码区域被其它基因分散开 ◘ 编辑前的的RNA中编辑区两侧与一个指导RNA配对, 指导RNA作为插入U的模板

◘ 反应与RNA的自我拼接类似（转酯），且方向为3‘→5’ ◘ 指导RNA有5~24个U的poly(U)尾 是插入U的给体 ◘ 反应与RNA的自我拼接类似（转酯），且方向为3‘→5’ Pre-edited RNA base pairs with a guide RNA on both sides of the region to be edited. The guide RNA provides a template for the insertion of uridines. The mRNA produced by the insertions is complementary to the guide RNA.

＋ 六、Euk.翻译水平的调控 1、翻译因子可逆性磷酸化对翻译的调节 e.g. + 40s 小亚基 + mRNA + Met~tRNAmetI eIF2~GTP eIF2~GDP ＋ GDP GTP eIF2b(GEF) (GTP-GDP Exchange Factor) 重复使用

eIf-2因子的磷酸化状态对翻译起始复合体形成的调节 控制蛋白质翻译速率 eIF-2~GDP eIF-2~GDP~eIF2b eIF-2b(GEF) eIF-2~eIF-2b GDP 起始复合体形成 GTP eIF-2~GTP~eIF-2b ---eIF-2~GDP 必须与GTP交换， 形成eIF-2~GTP ---交换过程需eIF-2b(GEF)参与，提高交换的速度 ---当 eIF-2~P 对GDP~eIF-2b(GEF) 亲合力高 影响eIF2释放（重复使用）

2、 mRNA的结构对翻译水平的调控 （1）5’Leading seq.(5-UTR) a、Cap 具有增译作用 Cap + poly(A) 具有增译的协同效应 b、AUG 两侧序列 (-3A, +4G) Kozak (1987) 699种脊椎动物，植物，酵母和原生动物----普遍性 c、5’UTR二级结构的影响 发夹结构顺式阻扼40s 小亚基 迁移 G/C多，阻扼强 G /C近AUG, 阻扼强

在3’ UTR存在富含UA的8Nt保守重复区 (UUAUUUAU相间排列) （2） 3’ UTR的调节 对生长因子，癌基因蛋白mRNA分析 除去rich AU repeats mRNA稳定性提高 （表现翻译抑制效应）

七、Euk.翻译后水平的调控 SRP的负调控作用 分泌蛋白往往是降解酶类

本 章 结 束！

复习题 名词解释 正（负）调控系统 基因表达调控 操纵元 反义RNA 弱化子 严谨反应 锌指结构 Leu拉链 RNA编辑 mRNA前体的选择性拼接 Euk.的启动子 顺式作用元件 反式作用因子 问答题 1、简述Lac 操纵元负调控机制。 2、说明乳糖操纵元诱导物及其最初如何产生？ 3、简述乳糖操纵元的正调控机制。 4、说明乳糖操纵元在乳糖、葡萄糖有和无的四种组合情况下的 表达情况及根本原因。 5、Trp操纵元弱化子系统如何调控基因表达。

6、简述λ噬菌体整合与切除的机制。 7、说明反义RNA调控基因表达的原理。 8、核糖体蛋白质如何实现自体调控？ 9、HLH和Leu拉链如何在调控蛋白的结合中起作用？ 10、鼠伤寒沙门氏菌鞭毛基因相变的简单机制。 11、啤酒酵母结合性决定的匣子模型。 12、Euk.基因表达的五个调控位点。 13、Euk.的转录因子有哪些功能区域？ 14、Enhancer的两位点二元组织方式有何意义？ 15、Euk.mRNA前体的选择性拼接的可能结果。