第五章：生物基因表达调控第五章：生物基因表达调控主要内容主要内容一、基因表达调控的基本概念：一、基因表达调控的基本概念：二、二、基因表达调控的理论与模式；基因表达调控的理论与模式；三、真核生物基因调控表达的特异性；三、真核生物基因调控表达的特异性；一、基因表达调控的基本概念：一、基因表达调控的基本概念：1 1、基因表达调控的意义：基因表达调控的意义：基因表达调控的意义：基因表达调控的意义：原核生物对原核生物对环境环境环境环境的适应、对的适应、对营养条件营养条件营养条件营养条件改变适应的相改变适应的相关应答，都是基因表达的结果；关应答，都是基因表达的结果；真核生物的细胞分化真核生物的细胞分化,组织特化组织特化,个体发育以及环个体发育以及环境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。2 2、 基因表达的调控的方式：基因表达的调控的方式：基因表达的调控的方式：基因表达的调控的方式：transcriptionallevel；posttranscriptionallevel；translationallevel；posttranslationallevel。3、遗传信息表达的方式遗传信息表达的方式组成型表达（组成型表达（组成型表达（组成型表达（constitutiveexpressionconstitutiveexpression）Housekeeping geneHousekeeping gene 适应性表达适应性表达(adaptive expression(adaptive expression）Luxury geneLuxury gene 指指指指其其其其表表表表达达达达几几几几乎乎乎乎不不不不随随随随环环环环境境境境变变变变动动动动而而而而变变变变化化化化的的的的一一一一类类类类基基基基因因因因表表表表达达达达。该类型基因该类型基因该类型基因该类型基因通常被称为管家基因通常被称为管家基因通常被称为管家基因通常被称为管家基因(housekeepinggene)(housekeepinggene)。2）、适应性表达：适应性表达： 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 应环境条件变化，基因表达水平应环境条件变化，基因表达水平应环境条件变化，基因表达水平应环境条件变化，基因表达水平增高增高增高增高的现象称为的现象称为的现象称为的现象称为诱导诱导诱导诱导(induction)(induction)，这类基因被称为，这类基因被称为，这类基因被称为，这类基因被称为可诱导的基因可诱导的基因可诱导的基因可诱导的基因(inducible(induciblegene)gene)。如果某种物质能够促使细菌产生某种酶如果某种物质能够促使细菌产生某种酶如果某种物质能够促使细菌产生某种酶如果某种物质能够促使细菌产生某种酶来分解它来分解它来分解它来分解它，这种，这种，这种，这种物质就是物质就是物质就是物质就是诱导物诱导物诱导物诱导物。（。（。（。（分解代谢分解代谢分解代谢分解代谢）1 1）、组成性表达：、组成性表达： 随环境条件变化而基因表达水平随环境条件变化而基因表达水平随环境条件变化而基因表达水平随环境条件变化而基因表达水平降低降低降低降低的现象称为的现象称为的现象称为的现象称为阻阻阻阻遏遏遏遏(repression)(repression)，相应的基因被称为，相应的基因被称为，相应的基因被称为，相应的基因被称为可阻遏的基因可阻遏的基因可阻遏的基因可阻遏的基因(repressiblegene)(repressiblegene)。如果某种物质能够如果某种物质能够如果某种物质能够如果某种物质能够阻止阻止阻止阻止细菌产生与细菌产生与细菌产生与细菌产生与该物质该物质该物质该物质合成相关合成相关合成相关合成相关的的的的酶酶酶酶，这种物质就是，这种物质就是，这种物质就是，这种物质就是辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物。（。（。（。（合成代谢合成代谢合成代谢合成代谢）安慰诱导物：安慰诱导物：如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不而本身又不而本身又不而本身又不被分解被分解被分解被分解，这种物质被称为，这种物质被称为，这种物质被称为，这种物质被称为安慰诱导物安慰诱导物安慰诱导物安慰诱导物，如，如，如，如IPTGIPTGIPTGIPTG（异异异异丙基丙基丙基丙基- - - - D-D-D-D-硫代半乳糖苷）。硫代半乳糖苷）。硫代半乳糖苷）。硫代半乳糖苷）。4 4、顺式作用顺式作用( (ciscis-acting)-acting)元件元件：指在原位发挥：指在原位发挥调控调控作用作用，仅影响与其相连的，仅影响与其相连的基因表达基因表达的的一段一段DNADNA序列序列。经常与启动子相邻的一个顺式作用元件称为经常与启动子相邻的一个顺式作用元件称为经常与启动子相邻的一个顺式作用元件称为经常与启动子相邻的一个顺式作用元件称为操纵基因操纵基因操纵基因操纵基因( ( ( (Operator)Operator)Operator)Operator)，它是调控蛋白：它是调控蛋白：它是调控蛋白：它是调控蛋白：阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白或或或或激活蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白的的的的结合结合结合结合位点。位点。位点。位点。当阻遏蛋白（或激活蛋白）和操纵基因结合时，就会当阻遏蛋白（或激活蛋白）和操纵基因结合时，就会当阻遏蛋白（或激活蛋白）和操纵基因结合时，就会当阻遏蛋白（或激活蛋白）和操纵基因结合时，就会阻止阻止阻止阻止（或或或或激活激活激活激活）RNA RNA RNA RNA 聚合酶启动转录，操纵基因下游聚合酶启动转录，操纵基因下游聚合酶启动转录，操纵基因下游聚合酶启动转录，操纵基因下游的的的的结构基因表达会因此被关闭（或开放）。结构基因表达会因此被关闭（或开放）。结构基因表达会因此被关闭（或开放）。结构基因表达会因此被关闭（或开放）。5 5、结构基因结构基因( (Structural gene)Structural gene)和和调控基因调控基因( (Regulator gene)Regulator gene) 的概念。的概念。结构基因结构基因：编码：编码蛋白质蛋白质或或RNARNA的任何基因。包括的任何基因。包括结构蛋白、具有催化活性的酶等。结构蛋白、具有催化活性的酶等。调控基因调控基因：是编码：是编码调控蛋白调控蛋白的基因，该蛋白可以的基因，该蛋白可以调控其它基因的表达。调控其它基因的表达。6 6、调控的、调控的关键关键是是调控蛋白质调控蛋白质与与顺式作用元件顺式作用元件顺式作用元件顺式作用元件的结合来调的结合来调控靶基因的转录。控靶基因的转录。这种相互作用可以通过两种方式进行：这种相互作用可以通过两种方式进行：正正正正( (Positive)Positive) 转录调控转录调控转录调控转录调控：如果在没有如果在没有如果在没有如果在没有调节蛋白质调节蛋白质调节蛋白质调节蛋白质存在时存在时存在时存在时基因是关闭的，加入这种基因是关闭的，加入这种基因是关闭的，加入这种基因是关闭的，加入这种调节蛋白质调节蛋白质调节蛋白质调节蛋白质后基因被转录表达，后基因被转录表达，后基因被转录表达，后基因被转录表达，这样的调控是这样的调控是这样的调控是这样的调控是正转录调控正转录调控正转录调控正转录调控。该调节蛋白称为。该调节蛋白称为。该调节蛋白称为。该调节蛋白称为激活蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白。负负负负( (Negative)Negative) 转录调控：转录调控：转录调控：转录调控：在没有在没有在没有在没有调节蛋白质调节蛋白质调节蛋白质调节蛋白质存在时基存在时基存在时基存在时基因是表达的，加入这种因是表达的，加入这种因是表达的，加入这种因是表达的，加入这种调节蛋白质调节蛋白质调节蛋白质调节蛋白质后基因表达活性便被后基因表达活性便被后基因表达活性便被后基因表达活性便被关闭，这样的调控称为关闭，这样的调控称为关闭，这样的调控称为关闭，这样的调控称为负转录调控负转录调控负转录调控负转录调控。该调节蛋白称为。该调节蛋白称为。该调节蛋白称为。该调节蛋白称为阻阻阻阻遏蛋白。遏蛋白。遏蛋白。遏蛋白。一）、一）、 transcriptional level controltranscriptional level control Prok. operonProk. operon stringent response stringent response应急反应急反应应 attenuator attenuator 衰减子衰减子1 1、Operon controlOperon control(1961 Jacob. & Monod.)二、二、基因表达调控的理论与模式基因表达调控的理论与模式 各结构基因按一定比例协调翻译各结构基因按一定比例协调翻译(Z:Y:A=5:2:1)P&O基因基因(cis)紧密连锁紧密连锁或或彼此重叠彼此重叠II基因基因基因基因( (trans)trans)位点不固定，编码一种反式作用因子，可以位点不固定，编码一种反式作用因子，可以位点不固定，编码一种反式作用因子，可以位点不固定，编码一种反式作用因子，可以调控调控调控调控Z Z、Y Y、A A结构基因的表达。结构基因的表达。结构基因的表达。结构基因的表达。含含含含自自自自己己己己的的的的启动启动启动启动子和终止子。子和终止子。子和终止子。子和终止子。1）、）、operonconcept定义：定义：定义：定义：是基因表达的协调单位，由是基因表达的协调单位，由启动子启动子启动子启动子、操纵基因操纵基因操纵基因操纵基因及其所控制的一组及其所控制的一组及其所控制的一组及其所控制的一组功能上相关的结构基因功能上相关的结构基因功能上相关的结构基因功能上相关的结构基因所组成。操所组成。操纵基因受纵基因受调节基因产物调节基因产物调节基因产物调节基因产物的控制。的控制。LacoperonIpoZYA 例如：例如：例如：例如： 特点：特点：特点：特点：2）、）、operoncontroltypeNegative & PositiveNegative & Positive I geneNeg.Pos.不加入不加入I基因产物基因产物 operon on加入加入I基因产物基因产物 operon off不加入不加入I基因产物基因产物 operon off加入加入I基因产物基因产物 operon on repressor NegativePositiveexpressor (apoinducer)无辅基诱导物无辅基诱导物（激活蛋白）（激活蛋白）（激活蛋白）（激活蛋白）（阻遏蛋白）（阻遏蛋白）（阻遏蛋白）（阻遏蛋白）（阻遏蛋白）（阻遏蛋白）（阻遏蛋白）（阻遏蛋白）（激活蛋白）（激活蛋白）（激活蛋白）（激活蛋白）Negativecontrol一般是一般是原核生物原核生物原核生物原核生物利用的调控方式，使利用的调控方式，使原核生物更好的适应外界营养条件的变化。原核生物更好的适应外界营养条件的变化。Positivecontrol一般是一般是真核生物真核生物真核生物真核生物喜欢利用的调控方式。喜欢利用的调控方式。是一种灵活，严格，经济的调控机制是一种灵活，严格，经济的调控机制RepressorbindingonOOsiteExpressorbindingfrontp psite阻止转录启动阻止转录启动激活转录启动激活转录启动阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白3）、）、ModelSignalmolecularbeneededforbothtypesAddsignalmol.OperononAddsignalmol.OperonoffCo-repressorInducer(inducibleoperon)(repressibleoperon)（辅阻遏（辅阻遏（辅阻遏（辅阻遏物）物）物）物）（诱导物）（诱导物）（诱导物）（诱导物）负转录调控负转录调控负转录调控负转录调控系统系统系统系统负控诱导调节负控诱导调节负控诱导调节负控诱导调节负控阻遏调节负控阻遏调节负控阻遏调节负控阻遏调节调节基因的产物是调节基因的产物是阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白（repressor）阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白与效应物（与效应物（与效应物（与效应物（诱导物诱导物诱导物诱导物）结合，使结合，使结合，使结合，使阻遏蛋白失活阻遏蛋白失活阻遏蛋白失活阻遏蛋白失活，结，结，结，结构基因转录；构基因转录；构基因转录；构基因转录；阻阻阻阻遏遏遏遏蛋蛋蛋蛋白白白白与与与与效效效效应应应应物物物物（辅辅辅辅阻阻阻阻遏遏遏遏物物物物）结结结结合合合合，使使使使阻阻阻阻遏遏遏遏蛋蛋蛋蛋白白白白产产产产生生生生活活活活性性性性，结结结结构构构构基基基基因因因因不不不不转转转转录。录。录。录。正转录调正转录调正转录调正转录调控系统控系统控系统控系统正控阻遏调节正控阻遏调节正控阻遏调节正控阻遏调节正控诱导调节正控诱导调节正控诱导调节正控诱导调节调节基因的产物是调节基因的产物是激活蛋白激活蛋白（activator）。）。效应物分子（诱导物）效应物分子（诱导物）的存在使的存在使失去活性的激失去活性的激失去活性的激失去活性的激活蛋白活蛋白活蛋白活蛋白处于活性状态；处于活性状态；效应物分子（效应物分子（效应物分子（效应物分子（辅阻遏物）辅阻遏物）辅阻遏物）辅阻遏物）的存在使的存在使的存在使的存在使有活性的激活有活性的激活有活性的激活有活性的激活蛋白蛋白蛋白蛋白处于非活性状态处于非活性状态处于非活性状态处于非活性状态。原核生物基因表达调控方式：原核生物基因表达调控方式：原核生物基因表达调控方式：原核生物基因表达调控方式：Operon control modelOperon control modelA、Negativeinducibleoperon例例(分解酶类分解酶类lactoseoperon)IgeneactiverepressorIbindingonOperator38kd/monomertetramer152kd例如：在例如：在例如：在例如：在LactoseoperonLactoseoperon中中中中大肠杆菌乳糖操纵子的结构大肠杆菌乳糖操纵子的结构：Z Z Z Z：编码编码编码编码-半乳糖苷酶：半乳糖苷酶：半乳糖苷酶：半乳糖苷酶：将乳糖（将乳糖（将乳糖（将乳糖（1111，4 4 4 4糖苷键）糖苷键）糖苷键）糖苷键）水解成葡萄糖和半乳糖水解成葡萄糖和半乳糖水解成葡萄糖和半乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y Y Y Y：编码编码编码编码-半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶：使外界的：使外界的：使外界的：使外界的-半乳糖半乳糖半乳糖半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。入细胞内。入细胞内。入细胞内。A A A A：编码编码编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶：乙酰辅酶：乙酰辅酶：乙酰辅酶A A A A上上上上的乙酰基转到的乙酰基转到的乙酰基转到的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成半乳糖苷上，形成半乳糖苷上，形成半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖乙酰半乳糖乙酰半乳糖乙酰半乳糖。O gene (operator) cis-action factorO gene (operator) cis-action factormRNAstartpointunwindingRNApolymerasebindingRepressorbindingO&Poverlaprepressor&RNApolymerasebindatsitesthatoverlaparoundthestartpointofLac operonrepressor&RNApolymerase对重叠位点竞争对重叠位点竞争-调控机理调控机理Inducer(lactose)与与repressor特异结合特异结合作用于作用于O位点上的位点上的repressor变构变构脱离脱离O位位作用于游离的作用于游离的repressor无诱导剂时无诱导剂时无诱导剂时无诱导剂时：repessortetramer与与operator发生特异结合发生特异结合operonoff变构变构失去结合于失去结合于O位的能力位的能力当培养基中有诱导剂时：当培养基中有诱导剂时：当培养基中有诱导剂时：当培养基中有诱导剂时：调控机理调控机理调控机理调控机理 葡萄糖对葡萄糖对葡萄糖对葡萄糖对laclaclaclac操纵子的影响操纵子的影响操纵子的影响操纵子的影响 如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， laclac操操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导萄糖，乳糖就会诱导laclac操纵子表达分解乳糖所需的操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。三种酶。该现象称为该现象称为葡萄糖效应葡萄糖效应葡萄糖效应葡萄糖效应其原因是其原因是代谢物阻遏效应。代谢物阻遏效应。代谢物阻遏效应。代谢物阻遏效应。B、Negativerepressibleoperon(合成酶类合成酶类)tryptophansyntheaseoperonRgeneinactiverepressorCo-repressor(tryptophan) 色氨酸是一系列酶促反应的终产物色氨酸是一系列酶促反应的终产物色氨酸是一系列酶促反应的终产物色氨酸是一系列酶促反应的终产物辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物trpRPOEDCBAtrpRPOEDCBAtryptophan调控机理调控机理Operatoroperonoffoperononrepressor+trpactiverepressorRepressor(inactive)cannotbindontheOsite(trpabsent)InactiveexpressoractiveexpressorC、Positiveinducibleoperon(多为分解酶类多为分解酶类)Iinactiveexpressoroperon offoperon offinducerinduceractiveexpressorbindingonfrontPsitefrontPsite激活激活RNApolymerase启动启动（失活的激活蛋白）（失活的激活蛋白）e.g. cAMP controle.g. cAMP control(universalcontrollingsystem)LacoperonopenbutnotranscriptsGlucoseGlucoseWhy?LactoseLactose当当大大肠杆肠杆菌在菌在培养培养基中发基中发现现葡萄糖葡萄糖和和乳糖乳糖时，它分时，它分解利解利用用葡葡萄糖萄糖，而，而抑抑制制乳糖乳糖的的利利用用。这。这种种选择选择是通过是通过阻阻止止包包括括乳糖乳糖乳糖乳糖操操操操纵纵纵纵子、子、子、子、半乳糖半乳糖半乳糖半乳糖操纵操纵操纵操纵子和子和子和子和阿拉伯阿拉伯阿拉伯阿拉伯糖糖糖糖操纵操纵操纵操纵子子子子等的表达来等的表达来实现实现的。的。这这种作用种作用被被称称为为代谢代谢代谢代谢产产产产物物物物阻遏阻遏阻遏阻遏( (Cataboliterepression)Cataboliterepression)作用作用作用作用。ATPpppcAcAMPpcA5-AMPpcAI(capgene)(catabilitegeneactivatorprotein)+细胞中葡萄细胞中葡萄糖水平低，糖水平低，较低的葡萄较低的葡萄糖代谢中间糖代谢中间产物产物IPO腺苷酸腺苷酸腺苷酸腺苷酸环化酶环化酶环化酶环化酶激活激活激活激活细胞中葡萄糖水平细胞中葡萄糖水平细胞中葡萄糖水平细胞中葡萄糖水平升高升高升高升高, ,较高的较高的较高的较高的葡萄糖葡萄糖代谢中间产物代谢中间产物激活激活激活激活磷酸二磷酸二磷酸二磷酸二酯酶酯酶酯酶酯酶二聚体二聚体二聚体二聚体激活聚合酶激活聚合酶激活聚合酶激活聚合酶cAMPCAP具有广泛生理效应的正控制系统具有广泛生理效应的正控制系统存在于多种基因表达调控体系中存在于多种基因表达调控体系中Lac operon expressionLac operon expressioncAMPcAMP(Positive-inducible)lactoselactose(Negative-inducible)activeexpressorcoexrepressorD、PositiverepressiblecontrolIactiveexpressor(apoinducer) operon onoperon onCo-repressorInactiveexpressoroperon offoperon off（正控阻遏调节）（正控阻遏调节）（正控阻遏调节）（正控阻遏调节）2 2、 stringent response controlstringent response control1）、）、基本概念基本概念 应应应应急急急急反反反反应应应应( (Stringentresponse)Stringentresponse)：细菌细菌细菌细菌处处处处于于于于极极极极差差差差的生的生的生的生长长长长条条条条件件件件下，由于下，由于下，由于下，由于缺缺缺缺乏乏乏乏足足足足够够够够的的的的氨氨氨氨基基基基酸酸酸酸，蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质合成合成合成合成受受受受到到到到抑抑抑抑制制制制，因而细菌，因而细菌，因而细菌，因而细菌会会会会关关关关闭闭闭闭大量大量大量大量的的的的代谢代谢代谢代谢过程，过程，过程，过程，这这这这就就就就是是是是应应应应急急急急反反反反应应应应或或或或应应应应急急急急调控。调控。调控。调控。 stringent responsestringent response是对任何氨基酸饥饿时是对任何氨基酸饥饿时表现的表现的一种广泛的调节机制。一种广泛的调节机制。 stringent response controlstringent response control2）、）、相关因子相关因子stringentfactor(Relgene）pyrophosphate pyrophosphate transferasetransferase（焦磷酸转移酶）（焦磷酸转移酶）（焦磷酸转移酶）（焦磷酸转移酶）Rel+stringentfactorunchargedtRNAinAsite(P)PPGATPAMPppGpppppGpp1010 upup 应急反应底应急反应底应急反应底应急反应底触发触发触发触发：细胞：细胞：细胞：细胞核核核核糖体糖体糖体糖体AA位点位点位点位点上上上上空载空载空载空载tRNAtRNA的增多的增多的增多的增多。signal molecularsignal molecularppGpp+RNApolRNApol.不易变构不易变构聚合酶聚合酶不能识别大部分启动子不能识别大部分启动子导致大部分基因转录的导致大部分基因转录的停止。停止。 当当细菌的生细菌的生存存条条件件恢恢复复正正常常时，一时，一种种名名为为spoT的基因的基因编码编码降降解解ppGpp的的酶酶。它能以。它能以约约20秒秒的的半半衰衰期期快快速速将将ppGpp（pppGpp）降降解解； 应应急急反反应应能能随随着着(p)ppGpp的的消消失失很很快逆快逆转；转；应急反应的应急反应的消除消除：4 4、 Attenuator control Attenuator control 1)discoverytrpsynthetaseoperon(CharlesYanofskystanford .U ) Negativerepressible Negativerepressible operonoperon 但还发现了另外一种奇怪的现象但还发现了另外一种奇怪的现象 ？IPOleadingseq.EDCBAtrp+（弱化子）（弱化子）（弱化子）（弱化子）leadingsequence中存在精细微调的机制中存在精细微调的机制I+;operonoffE酶活低酶活低iC;operononE酶活高酶活高(70倍倍)trpa+与与trpa-的的E酶活差异酶活差异(10倍倍)在于在于Leadingseq.IpoL.S.EDCBAgenotypeI+iCtrpatrpa-1.82100WhenrichtrpWhenrichtrp测定测定E酶活酶活Controlstheoperonovera700-foldrangefromfullinactivetofullactiveS.D.Seq14aminoacidleaderpeptidestopUGAtrp Etrp E2)trpoperonRNA一级结构分析一级结构分析162碱基碱基withpoly(U)；2768baseORFof14aa;trphighfrequencywith1/7in14aa(2个）；个）；1141211261341402768Trp1/7 整个一级序列可以分为四段（整个一级序列可以分为四段（整个一级序列可以分为四段（整个一级序列可以分为四段（1 1 1 1、2 2 2 2、3 3 3 3、4 4 4 4区），其中区），其中区），其中区），其中1 1 1 1、2 2 2 2区，区，区，区，3 3 3 3、4 4 4 4区以及区以及区以及区以及2 2 2 2、3 3 3 3区可以形成茎环结构。区可以形成茎环结构。区可以形成茎环结构。区可以形成茎环结构。1-2/3-41-2/3-42-32-3由于由于由于由于TrpTrpTrpTrp缺乏缺乏缺乏缺乏，核核核核糖体糖体糖体糖体停留在停留在停留在停留在1 1 1 1区区区区，导致导致导致导致2 2 2 2、3 3 3 3区配对区配对区配对区配对，RNARNARNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶可以越可以越可以越可以越过过过过4 4 4 4区，进入结构区，进入结构区，进入结构区，进入结构基因的翻译。基因的翻译。基因的翻译。基因的翻译。3)调控机制调控机制TrpTrpTrpTrp较较较较丰富丰富丰富丰富，核糖核糖核糖核糖体体体体很快进入很快进入很快进入很快进入2 2 2 2区区区区，导致导致导致导致3 3 3 3、4 4 4 4区配对区配对区配对区配对，形成形成形成形成终止子终止子终止子终止子结构，结构，结构，结构，RNARNARNARNA聚合酶脱落聚合酶脱落聚合酶脱落聚合酶脱落下下下下来，合成来，合成来，合成来，合成140140140140碱基碱基碱基碱基的的的的RNARNARNARNA4)Attenuatorcontrol的生物学意义的生物学意义原核生物细致的原核生物细致的精细调控机制精细调控机制，增强原核生，增强原核生物对物对环境的适应性环境的适应性衰衰衰衰减减减减作用作用作用作用约约约约1010倍倍倍倍作用作用作用作用于转录于转录于转录于转录物物物物。在在在在缺缺缺缺乏色氨酸乏色氨酸乏色氨酸乏色氨酸时，时，时，时，所有所有所有所有的的的的RNARNA聚聚聚聚合合合合酶都经酶都经酶都经酶都经过过过过衰衰衰衰减减减减子子子子继续继续继续继续参与参与参与参与转录。转录。转录。转录。加加加加上上上上取消取消取消取消阻遏阻遏阻遏阻遏增加增加增加增加的的的的约约约约7070倍倍倍倍的表的表的表的表达，达，达，达，缺缺缺缺乏色氨酸乏色氨酸乏色氨酸乏色氨酸时，时，时，时，色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸操纵操纵操纵操纵子表达子表达子表达子表达量量量量增增增增强强强强约约约约700700倍倍倍倍。5、因子的更换 在中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。大肠杆菌中的各种因子比较因子因子因子因子编码基因编码基因编码基因编码基因主要功能主要功能主要功能主要功能70707070rporporporpoD D D D参与参与参与参与对数生长期对数生长期对数生长期对数生长期和大多数和大多数和大多数和大多数碳碳碳碳代谢过程代谢过程代谢过程代谢过程基因的调控基因的调控基因的调控基因的调控54545454rpoNrpoNrpoNrpoN参与多数参与多数参与多数参与多数氮源利用氮源利用氮源利用氮源利用基因的调控基因的调控基因的调控基因的调控38383838rpoHrpoHrpoHrpoH分裂间期分裂间期分裂间期分裂间期特异基因特异基因特异基因特异基因的表达调控的表达调控的表达调控的表达调控32323232rpoSrpoSrpoSrpoS热休克基因热休克基因热休克基因热休克基因的表达调控的表达调控的表达调控的表达调控28282828rpoFrpoFrpoFrpoF鞭毛趋化相关基因鞭毛趋化相关基因鞭毛趋化相关基因鞭毛趋化相关基因的表达调控的表达调控的表达调控的表达调控24242424rpoErpoErpoErpoE过度热休克基因过度热休克基因过度热休克基因过度热休克基因的表达调控的表达调控的表达调控的表达调控温度较高温度较高温度较高温度较高, , , ,诱导产生各种热休克蛋白诱导产生各种热休克蛋白诱导产生各种热休克蛋白诱导产生各种热休克蛋白 由由由由32323232参与构成的参与构成的参与构成的参与构成的RNARNARNARNA聚合酶与热休克应答聚合酶与热休克应答聚合酶与热休克应答聚合酶与热休克应答基因启动子结合基因启动子结合基因启动子结合基因启动子结合, , , ,诱导产生大量的诱导产生大量的诱导产生大量的诱导产生大量的热休克蛋热休克蛋热休克蛋热休克蛋白白白白, , , ,适应环境需要适应环境需要适应环境需要适应环境需要二）、二）、Translational level controlTranslational level control1.1.重叠基因重叠基因重叠基因重叠基因对对对对OperonOperon内各基因以一定比例的协调翻译的影响内各基因以一定比例的协调翻译的影响内各基因以一定比例的协调翻译的影响内各基因以一定比例的协调翻译的影响： TrpTrp操纵子五个基因在正常时，翻译效率是相等的；操纵子五个基因在正常时，翻译效率是相等的；操纵子五个基因在正常时，翻译效率是相等的；操纵子五个基因在正常时，翻译效率是相等的； 由于由于由于由于E E和和和和D D基因有部分重叠，可以保证基因有部分重叠，可以保证基因有部分重叠，可以保证基因有部分重叠，可以保证E E和和和和D D基因翻译量是相等基因翻译量是相等基因翻译量是相等基因翻译量是相等的。的。的。的。P O I E D C B A UGA AUG UGA AUG3. 3. InformasomeInformasomemRNA+自身翻译产物自身翻译产物infomasome储存信息储存信息绵羊的受精卵第四次卵裂前核基因不转录，绵羊的受精卵第四次卵裂前核基因不转录，利用卵细胞质中储存的利用卵细胞质中储存的mRNA完成细胞分裂完成细胞分裂2. 2. 利用利用稀有密码子稀有密码子稀有密码子稀有密码子对操纵子中的基因翻译进行调控对操纵子中的基因翻译进行调控对蛋白质翻译速率的调控对蛋白质翻译速率的调控-NNN-codonusage低低tRNAtRNA少少少少，停工待料，翻译速率慢，停工待料，翻译速率慢4.mRNA的寿命对翻译的调节的寿命对翻译的调节 原核生物中原核生物中mRNA半衰期较短，一般为半衰期较短，一般为2-3分钟分钟 （频繁更新，适应环境）（频繁更新，适应环境） 真核生物中不同基因真核生物中不同基因mRNA半衰期相差很大半衰期相差很大降解速率明显不同降解速率明显不同 三）、三）、 Gene expression controlGene expression control in post-translation level in post-translation level1）、）、蛋白质合成方式蛋白质合成方式-游离的核糖游离的核糖体体InEuk.InEuk.-核糖体附着在粗糙内质网核糖体附着在粗糙内质网(roughendoplasmicreticulumRER)蛋白质合成扩散在细胞质内蛋白质合成扩散在细胞质内进入进入cis-Golgibodyinter-golgibody选择，选择，加工，分泌，扩散加工，分泌，扩散tran-golgibody合成蛋白质合成蛋白质高尔基体中间高尔基体中间高尔基体中间高尔基体中间高尔基体反面高尔基体反面高尔基体反面高尔基体反面原核生物：原核生物：原核生物：原核生物：2. 2. protein degradationprotein degradation1）、）、proteindegradation的调控是生理代谢的需要的调控是生理代谢的需要各类蛋白的半衰期几乎恒定各类蛋白的半衰期几乎恒定 e.g.inlivercellofmouseOrnithinedecarboxylase0.2hrRNApolA0.33hrTrpoxygenase2.5hrsSerdehydrogenase4.0hrsRNApolB12hrs结构蛋白，储藏蛋白结构蛋白，储藏蛋白半衰期长，结构稳定半衰期长，结构稳定催化酶类，代谢酶类催化酶类，代谢酶类半衰期短，不断更新半衰期短，不断更新（鸟苷酸脱羧酶）（鸟苷酸脱羧酶）（鸟苷酸脱羧酶）（鸟苷酸脱羧酶）加氧酶加氧酶加氧酶加氧酶脱氢酶脱氢酶脱氢酶脱氢酶2)蛋白质降解机制蛋白质降解机制自身自身结构结构结构结构，电荷状况电荷状况电荷状况电荷状况泛素标签，泛素标签，降解标志（降解标志（Ubiquitination）-Ubiquitin8.5kd,76aa76aa,acidicproteinacidicprotein；-其功能是其功能是检测、识别检测、识别检测、识别检测、识别到达寿命的蛋白；到达寿命的蛋白；-进化高度保守进化高度保守进化高度保守进化高度保守yeast-3aadifferent-human-E1,E2,E3enzymebeneededforubiquitination知之甚少，只知与蛋白质的下列情况相关：知之甚少，只知与蛋白质的下列情况相关：泛素的特点：泛素的特点：OUbi.LysCOHE1-SH+ATPE2SHOUbi.LysCSE1OUbi.Lys.CS-E2AMP+ppiE1SHUbiquitinationUbiquitinationOUbi.Lys.CS-E2targetingprotein(E3对靶蛋白对靶蛋白N-endaa的识别的识别)Degradation Degradation Ubi.Lys. targetingproteinE2S蛋白酶体蛋白酶体蛋白酶体蛋白酶体被被E3识别的识别的N-endaamarkeroftargetingproteinMet,Gly,Ala,Ser,Thr,Val 20hrs(稳定因子稳定因子)Ile,Glu30(不稳定因子不稳定因子)Gln10Leu,Phe,Asn,Lys3(极不稳定因子极不稳定因子)Arg2Pro7N-endaaoftargetingproteinhalflife-N端氨基酸种类对蛋白质寿命的决定性，从原核到真核生端氨基酸种类对蛋白质寿命的决定性，从原核到真核生物物高度一致高度一致高度一致高度一致；N N末端的氨基酸种类决定了细胞中蛋白质的寿命：末端的氨基酸种类决定了细胞中蛋白质的寿命：末端的氨基酸种类决定了细胞中蛋白质的寿命：末端的氨基酸种类决定了细胞中蛋白质的寿命： 原因：原因：原因：原因：该氨基酸决定了被该氨基酸决定了被E3识读结合识读结合识读结合识读结合难易程度；难易程度；3. 3. Polypeptides foldingPolypeptides folding中心法则留下的又一中心法则留下的又一“发展领域发展领域”polypeptides?DNARNAprotein(如何完成修饰，折叠，去折叠，组装如何完成修饰，折叠，去折叠，组装)1 1）、）、insulininsulinHowtoprocess&fold?3030aaaa2121aaaaSHSHSHSHCCCCCOO_SHSHNCCS.S.Pre-pro-insulinSSSSCCCCCOO_SSCCS-SPro-insulinNSSSSCCCCCOO_CCSSS-SinsulinN信号序列信号序列信号序列信号序列三、真核生物基因表达调控的特殊类型三、真核生物基因表达调控的特殊类型（一）（一）genecopies的改变的改变a)a)基因的丢失基因的丢失基因的丢失基因的丢失 （DNAfragmentorchromosomeloseDNAfragmentorchromosomelose） 在在在在细胞分化细胞分化细胞分化细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去过程中，可以通过丢失掉某些基因而去过程中，可以通过丢失掉某些基因而去过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基除这些基除这些基除这些基因的活性因的活性因的活性因的活性。某些原生动物、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，。某些原生动物、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，。某些原生动物、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，。某些原生动物、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉许多体细胞常常丢失掉许多体细胞常常丢失掉许多体细胞常常丢失掉整条整条整条整条或或或或部分的染色体部分的染色体部分的染色体部分的染色体，只有将来分化产，只有将来分化产，只有将来分化产，只有将来分化产生生生生生殖细胞生殖细胞生殖细胞生殖细胞的那些细胞一直保留着的那些细胞一直保留着的那些细胞一直保留着的那些细胞一直保留着整套的染色体整套的染色体整套的染色体整套的染色体。 目前，在目前，在目前，在目前，在高等真核生物高等真核生物高等真核生物高等真核生物（包括动物、植物）中尚未（包括动物、植物）中尚未（包括动物、植物）中尚未（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。发现类似的基因丢失现象。发现类似的基因丢失现象。发现类似的基因丢失现象。b)b)基因的扩增基因的扩增基因的扩增基因的扩增( (特定基因在特定阶段的选择性扩增特定基因在特定阶段的选择性扩增特定基因在特定阶段的选择性扩增特定基因在特定阶段的选择性扩增) )基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在胞在胞在胞在短期内产生大量的基因产物短期内产生大量的基因产物短期内产生大量的基因产物短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基以满足生长发育的需要，是基以满足生长发育的需要，是基以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。因活性调控的一种方式。因活性调控的一种方式。因活性调控的一种方式。 如如如如非洲爪蟾非洲爪蟾非洲爪蟾非洲爪蟾体细胞中体细胞中体细胞中体细胞中rDNArDNA的基因扩增是因发育需要而出现的的基因扩增是因发育需要而出现的的基因扩增是因发育需要而出现的的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。基因扩增现象。基因扩增现象。基因扩增现象。（二）、（二）、（二）、（二）、 转录区染色质的结构对基因表达的控转录区染色质的结构对基因表达的控转录区染色质的结构对基因表达的控转录区染色质的结构对基因表达的控制制制制按功能状态的不同可将染色质分为按功能状态的不同可将染色质分为按功能状态的不同可将染色质分为按功能状态的不同可将染色质分为常染色质常染色质常染色质常染色质和和和和异染色质异染色质异染色质异染色质；常染色质常染色质常染色质常染色质是指具有转录活性的染色质；是指具有转录活性的染色质；是指具有转录活性的染色质；是指具有转录活性的染色质；异染色质异染色质异染色质异染色质是指没有转录活性的染色质。是指没有转录活性的染色质。是指没有转录活性的染色质。是指没有转录活性的染色质。常染色质常染色质常染色质常染色质往往具有往往具有往往具有往往具有疏松疏松疏松疏松的染色质结构从而便于转录调控因的染色质结构从而便于转录调控因的染色质结构从而便于转录调控因的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件子与顺式调控元件子与顺式调控元件子与顺式调控元件结合结合结合结合，同时，有利于，同时，有利于，同时，有利于，同时，有利于RNARNA聚合酶在转录聚合酶在转录聚合酶在转录聚合酶在转录模板上模板上模板上模板上滑动滑动滑动滑动。常染色质在结构上的特点：常染色质在结构上的特点：常染色质上具有常染色质上具有常染色质上具有常染色质上具有DNaseIDNaseIDNaseIDNaseI超敏感位点超敏感位点超敏感位点超敏感位点；常性染色质上具有常性染色质上具有常性染色质上具有常性染色质上具有基因座控制区基因座控制区基因座控制区基因座控制区；常性染色质上具有常性染色质上具有常性染色质上具有常性染色质上具有核基质结合区核基质结合区核基质结合区核基质结合区（MARMARMARMAR序列）。序列）。序列）。序列）。1 1 1 1、DNaseIDNaseIDNaseIDNaseI超敏感位点超敏感位点超敏感位点超敏感位点：每个活跃表达的基因都有一：每个活跃表达的基因都有一：每个活跃表达的基因都有一：每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，大部分位于基因启动子区域。个或几个超敏感位点，大部分位于基因启动子区域。个或几个超敏感位点，大部分位于基因启动子区域。个或几个超敏感位点，大部分位于基因启动子区域。2 2 2 2、核基质结合区核基质结合区核基质结合区核基质结合区（ matrix attachment regionmatrix attachment regionmatrix attachment regionmatrix attachment region ，MARMARMARMAR） ：与细胞核骨架结合的与细胞核骨架结合的与细胞核骨架结合的与细胞核骨架结合的DNADNADNADNA序列称为序列称为序列称为序列称为MARMARMARMAR。MARMARMARMAR一一一一般位于般位于般位于般位于DNADNADNADNA活性转录基因的两端。活性转录基因的两端。活性转录基因的两端。活性转录基因的两端。 在外源基因两端接上在外源基因两端接上在外源基因两端接上在外源基因两端接上MARMARMARMAR，可增加基因表达水平倍，可增加基因表达水平倍，可增加基因表达水平倍，可增加基因表达水平倍以以以以10101010上，说明上，说明上，说明上，说明MARMARMARMAR在基因表达调控中有作用。是一种在基因表达调控中有作用。是一种在基因表达调控中有作用。是一种在基因表达调控中有作用。是一种新新新新的基因调控元件。的基因调控元件。的基因调控元件。的基因调控元件。（三（三）m5C对基因表达的调控对基因表达的调控a)m5C是真核生物是真核生物DNA中的主要修饰成分中的主要修饰成分多发生在多发生在CGCG，CXG,GATCCXG,GATC序列中序列中,不同细胞间不同细胞间m5C相差甚大相差甚大b)m5C对基因转录的对基因转录的抑制抑制m5Cinmajorgroove（大沟）（大沟）（大沟）（大沟）影响影响DNA与转录因子间与转录因子间氢氢氢氢键键键键的形成的形成m5Cinmajorgroove导致导致空间拥挤空间拥挤空间拥挤空间拥挤,破坏破坏破坏破坏DNADNA构象构象构象构象, ,使使B-DNAZ-DNAT.F.结合空间的改变结合空间的改变基因重排：基因重排：基因重排：基因重排：将一个基因从远离启动子的地方将一个基因从远离启动子的地方将一个基因从远离启动子的地方将一个基因从远离启动子的地方移到移到移到移到距距距距它很近的位点从而它很近的位点从而它很近的位点从而它很近的位点从而启动转录启动转录启动转录启动转录，这种方式被称为基因，这种方式被称为基因，这种方式被称为基因，这种方式被称为基因重排。重排。重排。重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是通过基因重排调节基因活性的典型例子是通过基因重排调节基因活性的典型例子是通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋免疫球蛋免疫球蛋免疫球蛋白结构基因白结构基因白结构基因白结构基因的表达。的表达。的表达。的表达。（四）、基因重排：（四）、基因重排：（四）、基因重排：（四）、基因重排：（五（五）.mRNA的的非翻译区非翻译区非翻译区非翻译区对翻译水平的调控对翻译水平的调控1 1、5-Untranslation region, 5-Untranslation region, 5- UTR5- UTR5- UTR5- UTR：Cap具有具有增译作用；增译作用；增译作用；增译作用；Cap+poly(A)poly(A)具有增译的具有增译的协同效应协同效应； A A）、）、mm7 7GpppN(GpppN(CapCapCapCap) )B B）、）、AUG flanked seq. effectAUG flanked seq. effect5L.S存在存在AUG对第一个对第一个AUG密码的起译产生密码的起译产生负控效应：负控效应：负控效应：负控效应：5-AUG-AUG-NNN- L.S错误起译错误起译改变读框改变读框降低速率降低速率C）、）、AUGflankedconsensusseq(-3A,+4G)699种脊椎动物，植物，酵母和原生动物种脊椎动物，植物，酵母和原生动物D）、）、5UTR二级结构二级结构二级结构二级结构的影响的影响Hairpin(Stem-loop)顺式阻遏顺式阻遏40ssubunitofribosome迁移迁移-A-3NNAUGG+4-具有促译性，普遍具有促译性，普遍性性2、3UTR的调节的调节对生长因子，对生长因子，癌基因癌基因癌基因癌基因蛋白蛋白mRNA分析分析A A）、）、）、）、在在3UTR存在富含存在富含UA的的8Nt保守重复区保守重复区(UUAUUUAU相间排列相间排列)表现翻译抑制效应表现翻译抑制效应表现翻译抑制效应表现翻译抑制效应UUAUUUAU重复的拷贝数重复的拷贝数重复的拷贝数重复的拷贝数与对转录的与对转录的抑制效应成正比抑制效应成正比Poly(A)的的长度长度与增译作用成与增译作用成正相关正相关PABP保护保护Poly(A)tailerPoly(A)+PABP促进促进8080s s核糖体起始复合体的形成核糖体起始复合体的形成核糖体起始复合体的形成核糖体起始复合体的形成B B）、）、）、）、poly(A)tailer稳定稳定mRNA增译作用增译作用增译作用增译作用