第七八章原核生物真核生物基因的表达调控课件.ppt

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1、第 七 章 原核生物基因表达调控(Control of Gene Expression),第一节 概 述一、基因表达的概念(gene expression) ： 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，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。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,机体的各种细胞中含有相同的遗传信息(相同的结构基因)，但并非在所有细胞中同时表达，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。,2,三、基因表达调控的目的,适应环境、维持生

2、长和增殖；维持个体发育与分化。,四、基因表达的调控水平:,3,基因组,转录,转录后,翻译,翻译后,第二节 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主要是转录水平的调控(control of transcription)其次是翻译水平的调控(control of translation)原核生物转录水平的调控单位：操纵子(operon),一、操纵子模型的提出 莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)获1965年诺贝尔生理学和医学奖,Discovery of Operon,1940年， Monod发现：细菌在含

3、葡萄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；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。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，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-半乳糖苷酶，但若转移到乳糖的培养基中，几分钟后，每个细胞内可产生3000个-半乳糖苷酶分子。,1951年，Monod与Jacob合作，发现两对基因：Z基因：与合成-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导物的反应。 I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，才能去掉该阻遏物。 结构基因旁有开关基因（即操纵基因

4、），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。 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。,操纵子结构,操纵子(operon): 结构基因(structural gene)、启动子(promoter,P)和操纵基因(operator,O)。阻遏物基因(inhibitor,i),产生阻遏物。(repressor)。,二、原核生物基因转录水平调控,（一）转录水平调控类型： 1、负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏作用。 在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物结合时，结构基因不转录；在负控阻遏

5、系统中，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。,2、正转录调控：调节基因的产物是激活蛋白，起着促进结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为正控诱导和正控阻遏作用。在正控诱导系统中，效应物分子的存在，使激活蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子的存在，使激活蛋白处于非活性状态。,lac,（二）负转录调控1、lac操纵子,（1）阻遏蛋白的负性调节酶合成的诱导：无乳糖(no lactose): lac操纵子处于阻遏状态(repression)，即这类基因平时都是处于关闭状态；有乳糖(presence of lactose)：lac操纵子即可被诱导(derepr

6、ession,induction)，即这类基因由平时的关闭状态转变为工作状态。诱导剂(inducer): 别乳糖、IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）和巯甲基半乳糖苷。,IPTG(异丙基硫代半乳糖苷),极强的诱导剂,乳糖操纵子(lac operon)的调控方式,20,-10 +1 +10 +20 +30 . . . . .5ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA 33TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT 5 lac操纵区序列是一个以+11位GC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-

7、7至+28，启动子所占的区域是从-20至+20，两者有部分重叠。这也说明，阻遏蛋白和RNA聚合酶与DNA的结合是相互排斥的。,与lac阻遏蛋白结合的操纵基因区域具有反向重复序列,这种反向重复序列是能与蛋白质特异结合的DNA的特征性结构。,（2）CAP的正性调节（Positive Control of CAP）,CAP(catabolite activator protein)：分解代谢产物激活物蛋白或分解代谢基因激活蛋白，现称为cAMP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RNA聚合酶与启动子结合，促进转录。但游离的CAP是不能与启动子结合，必须在细胞内有足够的CAP时， C

8、AP首先与cAMP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cAMP的含量，因而当向乳糖培养基中加入葡萄糖时，造成cAMP浓度降低，CAP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。,乳糖操纵子的降解物阻遏,R,LacZ,LacY,Laca,mRNA,CAP基因,结构基因,T,CGP(CAP),O,CAP结合部位,RNA聚合酶,T,cAMP -CAP,P,CGP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein） CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilic AMP receptor prote

9、in）,使CAP呈失活状态,协调调节(coordinate regulation)负性调节与正性调节协调合作阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖。,（二）转录起始的正调控,1、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，是正调控的典型例子。,阿拉伯糖操纵子的基因结构图,注:操纵子由结构基因B、A、D以及调控元件I1、I2、O1、O2和启动子构成。AraC基因编码

10、调节蛋白AraC。,21,阿拉伯糖操纵子(The ara Operon),结构基因为：B、A、D，分别编码异构酶、激酶、表位酶功能：催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮糖，进入磷酸戊糖途径。特点：调节基因为C基因，编码调控蛋白C蛋白。,AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图,当有阿拉伯糖时，Ara C蛋白二聚体与阿拉伯糖形成复合物,使Ara C形状改变，I1和I2由一个Ara C二聚体占据，从而激发B、A、D基因转录。此时，可有一过性高水平的ara C mRNA形成，维持到O1-O2环结构形成。,23,AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图,不存在阿拉伯糖时，Ara C二聚体与O1、O2及I1结合，与O2和

11、I1结合的Ara C二聚体间相互作用使DNA弯曲形成环结构（相当于190bp）。由于I2 不被占据，B、A、D基因不发生转录，但有低水平的ara C基因转录。,22,ara,（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：A.依赖因子的终止调控；B.不依赖因子的终止调控。此外，核糖体也参与转录终止。例:色氨酸操纵子的调控模式，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，另一种是通过衰减子作用。,29,色氨酸操纵子(The trp Operon),trp操纵子阻遏型操纵子,1、衰减机制(attenuation)调节在trp mRNA 5端trpE基因的起始密码前有一个长

12、162bp的mRNA片段，被称为前导区。其中123-150位碱基序列具有终止转录的作用，故将这个区域称为弱化子或衰减子。即结构基因与 O 之间有一衰减子区域 (a)衰减子：有4段特殊的序列，可形成不依赖因子的转录终止信号茎环结构，有典型的终止子特点。,2、前导肽,前导区可编码一段前导肽。前导序列在第10和第11为上有相邻的两个色氨酸密码子。所以这个前导肽(leader peptide,L)的翻译必定对tRNATrp的浓度敏感。 当培养基中的色氨酸浓度很低时， tRNATrp也很少，这样翻译通过两个相邻的色氨酸密码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区，这时的前导区结构是2-3

13、配对，不形成3-4配对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将trp操纵子中的结构基因全部转录。,当培养基中的色氨酸浓度高时， tRNATrp很多，这样翻译通过两个相邻的色氨酸密码子的速度就会很快，在4区被转录之前，核糖体就达到2区，这时的前导区结构2-3不能配对，3-4可以自由配对形成茎环状的终止结构，所以转录停止， RNA聚合酶脱落，转录终止，trp操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨酸。 原核生物基因表达特点转录与翻译偶联。,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UGA，合成完整的引导肽。UGA位于1区和2区之间，核蛋白体占据2区，使3区不

14、能与2区互补而与4区互补，形成终止子发夹结构，RNA 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1区Trp密码子部位，2区无法与1区配对且在4区被转录出来之前与3区互补，4区处于单链状态，不能形成终止发夹，RNA 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,C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位， 3与4 碱基配对，转录终止。,A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。,B.低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。,小 结： 色氨酸增多时，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mRNA提前终止。 色氨酸减

15、少时，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，仍可继续阻止转录。 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。,34,三、翻译水平的调控,1、 翻译起始的调控：SD序列对翻译的影响：遗传信息翻译起始于mRNA上的核糖体结合位点（RBS）。所谓RBS是指mRNA起始密码AUG前的一段非翻译区。在RBS中有SD序列(Shine-Dalgarno sequence) ，长度一般为5个核苷酸(9-12bp)，富含A、G嘌呤核苷酸，该序列与核糖体16srRNA的3 端

16、互补配对促使核糖体结合到mRNA上，有利于翻译的起始。5-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3,2.反义RNA的调控作用,（1）反义RNA的概念： 反义RNA，又称mRNA干扰性互补RNA（mRNA interfering complementary RNA,micRNA）。 指能与特定mRNA互补结合的RNA片段，反义RNA由反义基因转录而来。天然的具有功能的反义RNA分子一般在200个碱基以下。,36,（2）反义RNA的作用方式：,反义RNA与mRNA 5端非翻译区包括SD序列相结合。反义RNA与SD序列结合后，阻止mRNA与核糖体小亚基结合，直接抑制翻译。,反义RNA与mRNA 5端

17、编码区起始密码子AUG结合，抑制mRNA翻译起始。,反义RNA与mRNA的非编码区互补结合，使mRNA构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制了mRNA的翻译。,37,反义RNA调控Tn10转位酶基因的表达示意图,Tn10转位酶基因由PIN启动子控制，反义RNA的基因由POUT启动子控制。两个启动子方向相反，转录区有35个碱基重叠，互补区覆盖了Tn10转位酶mRNA的翻译起始区，其活性POUT比PIN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DNA发生突变的机会愈少，使细菌愈易于存活。,38,Tn10,micRNA,39,3、RNA 干扰 (RNA interferenc

18、e, RNAi) 将与mRNA编码区某段序列相对应的正义RNA 和反义RNA 组成的双链RNA (double-stranded RNA, dsRNA)导入细胞，使mRNA发生特异性的降解，导致其相应的基因沉默(表达受抑制)。这种转录后基因沉默（post-transcriptional gene silencing,PTGS) 被称为RNAi.,40,dsRNA 导入细胞后，首先被核酸酶解降成21-23个核苷酸 (nt) 小片段,称(short interfering RNA， siRNA). dsRNA降解成小片段的原因可能为： a.增加细胞内小片段体积克分子浓度，使其有效地扩散。 b. d

19、sRNA 降解成21-23 nt 可为同源搜索机制提供最佳特 异性。 c. 能与核酸酶有效形成复合体。,4. RNA的稳定性与调控的关系,细菌mRNA通常是不稳定的。mRNA的降解速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mRNA降解速度很快有很大关系。E.coli的许多mRNA在37时的平均寿命大约为2min，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。,44,5.蛋白质合成中的自身调控,大肠杆菌核糖体蛋白有50余种，它们既可与 rRNA 组装成核糖体，也可与自身 mRNA 翻译起始区结合，对前者的亲和力大于后者。50种核糖体蛋白的基因分布在几个不同的操纵子

20、中，而核糖体蛋白合成的控制主要是翻译水平。,45,6、稀有密码对翻译的影响,含有高频率稀有密码（如dnaG蛋白基因所含的AUA）的基因，由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，所以其翻译过程容易受阻，影响蛋白质合成的总量。,7、重叠基因对翻译的影响,病毒、线粒体和细菌染色体DNA上都有重叠基因。如trpE基因的终止密码和trpD基因的起始密码子共用一个核苷酸，由于trpE基因的终止密码和trpD基因的起始密码重叠，trpE翻译终止时，核糖体立即处在trpD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。,8、po

21、ly（A）对翻译的影响,细胞中蛋白质合成旺盛时， mRNA链上核糖体数量就多， mRNA链上的poly（A）也较长；当某些mRNA链不再翻译时，核糖体就被释放出来，其poly（A）也相应缩短。,oly（A）（30个左右A）,9、魔斑核苷酸水平对翻译的影响,缺乏氨基酸时rel (严紧型)菌株能合成鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（ pppGpp ），rel (松散型)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，这些斑点称为魔斑。ppGpp的主要作用可能是影响RNA聚合酶与启动子结合的专一性。有人将鸟苷四磷酸（ppGpp）称为警报素，当细胞缺乏氨基酸时产生（ppGpp

22、），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。,第八章 真核生物基因表达的调控,单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同。 多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组DNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。,一、真核生物基因表达的特点,（1）细胞具有全能性 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DNA，即基因的数目和种类是一样的，尽管细胞的类型不同，分化程度也不一样，但他们都有发育成完整个体的潜能。,（2）基因表达的时间性和空间性 所谓时间性是指在个体发育的

23、不同阶段，基因表达的种类和数量是不同的；所谓空间性指在不同组织和器官中，基因表达的种类和数量是不同的。,47,（3）转录和翻译分开进行：真核生物DNA在核中转录生成 mRNA，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。,（4）初级转录产物要经过转录后加工修饰：初级转录产物核不均一性RNA（heterogeneous nuclear RNA ,hnRNA），即mRNA前体分子要经过戴帽(m7GpppN)、加PolyA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mRNA分子。,48,（5）不存在超基因式操纵子结构：真核生物基因转录产物为单顺反子，一条 mRNA

24、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，即使空间位置很近，也是分别进行转录的。,（6）部分基因多拷贝：某些基因以多拷贝形式存在，如组蛋白和 tRNA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。,49,1、DNA水平（既基因组水平）调控； 2、转录水平调控； 3、转录后水平调控： 4、翻译水平调控： 5、翻译后水平调控。 五个层次阐述真核生物基因表达的调控及机制。,二、真核生物基因表达调控的水平,52,多层次调控,失活,三、真核生物基因表达的调控机制（一）基因组DNA水平的调控：,1.染色质的丢失： 不可逆的调控。如一些低等生物（如线虫）体细胞发育过程中发生染色质

25、丢失。,54,线虫 胚胎期：1090个细胞 成 虫：959个细胞 131个细胞在发育过程中发生凋亡。,2.基因扩增（gene amplification） 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要，是基因活性调控的一种方式。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，只有增加这种基因的拷贝数。例如：非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增4000倍.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，某些原癌基因拷贝数异常增加，使细胞持续分裂而致癌变。,55,3.基因重排（gene r

26、earrangement）： 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，成为一个完整的转录单位。基因重排是DNA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9号和第22号易位，形成BCR-ABL融合基因。,56,4.基因的甲基化修饰： 是指DNA上特定的CpG序列处的胞嘧啶可发生甲基化修饰（5mC）。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，

27、又可使基因的表达增加。DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。 意义：调控真核生物基因的表达，维护染色体的完整性，调节DNA重组的某些环节。,58,59,在所有组织发育过程都表达的基因(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。,如果在基因启动子区域的CpG岛发生过度甲基化，那么该基因就可能失活。,DNA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；癌基因DNA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。,5.染色质结构对基因表达的调控作用 常染色质中

28、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。,60,组蛋白与DNA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DNA免受损伤，维持基因组稳定性，抑制基因表达。去除组蛋白基因转录活性增高。,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:结构松散，基因表达；异染色质:结构紧密，基因不表达。有基因表达活性的染色质DNA对DNase更敏感，即Dnase的敏感性可作为该基因的转录活性的标志。,（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进行的。而且转录水平调控主要通过反式作用因子与顺式作用元件和RNA聚合酶（RNA polymerase, RNA p

29、ol）的相互作用完成。,61,1 . 顺式作用元件(cis-acting element),指某些能影响基因表达但不编码新的蛋白质和RNA的DNA序列，按照功能分为启动子、增强子、终止子、沉默子和衰减子等。影响自身基因表达活性的DNA序列；非编码序列。,62,（1）启动子(promoter) 真核基因启动子是在基因转录起始位点(+1)及其5上游近端大约100-200bp以内的一组具有独立功能的DNA序列。每个元件长度约为7-20bp，是决定RNA聚合酶转录起始点和转录频率的关键元件。,63,真核类基因的顺式作用元件图,核心启动子(core promoter) 指足以使RNA聚合酶转录正常起始所

30、必需的、最少的DNA序列。包括“转录起始位点”即相当于mRNA的CAP位点及其上游-25-30bp处的富含TA的典型元件“TATA”盒即Hogness盒。核心序列为TATAAAA，功能为确定转录起始位点并产生基础水平的转录。上游启动子元件( upstream promoter element, UPE)包括通常位于-70bp附近的CAAT盒(CCAAT)和GC盒(GGGCGG)等，功能是调节转录起始的频率，提高转录效率。,64,(2) 增强子(enhancer) 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DNA顺序，增强子本身不具备启动子活性。,65,66,增强子具有如下特性：

31、增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加10-200倍，有的可以增加上千倍；增强效应与其位置和取向无关：位置可在基因5上游、基因内或其 3下游序列中；可远离转录起始位点；即在DNA双链中没有5与3固定的方向性，即增强子从53或是由35均可对启动子发挥作用，均表现出增强效应。,增强子大多为重复序列：一般长约50个bp，其内常含有一个核心序列（G）TGGA/TA/TA/ T（G），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，对各种基因启动子均有作用；但具有严密的组织或细胞特异性；活性与其在DNA双螺旋结构中的空间向性有关 许多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

32、的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。,感染真核细胞的病毒DNA，大多具有可被寄主细胞蛋白质激活的增强子。小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）的DNA，具有糖皮质激素基因的增强子。在能被类固醇激活的细胞（如乳腺上皮细胞）中，MMTV病毒能旺盛生长。病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异的增强子。,(3) 沉默子（silencer） 或衰减子（dehancer） 指在真核基因内能抑制基因转录的DNA序列,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。,67,（4）终止子 指在模板DNA分子的5端转录终止信号。通常具有po1yA尾的基因终止信号为GT簇，例如在S

33、V40中的AGGTTTTTT序列为终止转录调控元件。,67,2.反式作用因子(trans-acting factor),（1）反式作用因子的概念：指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件8-12bp核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质，也称序列特异性DNA结合蛋白(sequence specific DNA binding protein，SDBP)，这是一类细胞核内蛋白质因子。在结构上含有与DNA结合的结构域。,68,概念：为DNA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）。通用转录因子结合在TATA盒上的蛋白质因子。TFA、 TFB、 TFD、 TFE等转录

34、调控因子结合在UPE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。普遍存在的转录因子。如TATA box结合因子TFD、GC box结合因子SP1 等。,组织特异性转录因子。与基因表达的组织特异性有很大关系。如Ig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Oct-2决定的。,诱导性反式作用因子。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。如类固醇激素受体等。,69,转录因子(transcription factor，TF ),是RNA合成起始所必需的因子。TF不依赖RNA聚合酶而独立地结合DNA，并且在转录过程中促使许多RNA聚合

35、酶分子与启动子结合。 真核生物的RNA聚合酶、，识别不同的启动子，需要不同的TF，即TF、TF和TF。每一类又依发现先后命名为A、B。其中，由RNA聚合酶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，其表达调控最为复杂。,70,转录因子参与转录起始复合物的形成,RNA聚合酶与启动子的结合在转录起始复合物形成过程中是关键。真核生物的RNA聚合酶识别的是由通用转录因子(transcription factor，TF )与DNA形成的蛋白质-DNA复合物。,71,TFA结构域示意图,TFA肽链的指结构域含有9个指，与相应的DNA序列结合，指“尖”可以进入DNA双螺旋的大沟或小沟。

36、但羧基端不具有指结构，是RNA聚合酶和其它的转录因子相互作用的部位。,72,TATA因子与DNA结合，形成稳定的转录复合物，并介导许多RNA聚合酶分子的转录。RNA聚合酶识别并结合由TATA因子与TATA盒形成的蛋白质-DNA复合物。此时形成闭合复合物，DNA双链没有打开，不能启动转录；当转录起始因子与RNA聚合酶结合，使DNA部分双螺旋解开成为开放的转录起始复合物（open complex）时，基因转录才开始,可以合成RNA。,真核基因开放的转录起始复合物的形成图,73,（3）反式作用因子结构域的模式： 完整的反式作用因子通常含有三个主要功能结构域，分别为DNA识别结合域、转录活化域和结合其

37、他蛋白质的调节结构域。这些结构域含有几十到几百个氨基酸残基。,74, DNA识别结合域：,锌指（zinc finger）结构 指含有一段保守氨基酸顺序的蛋白质与该蛋白的辅基锌螫合而形成的环状结构，分为锌指、锌扭（twist）和锌簇（cluster）结构；也有按照与锌结合的氨基酸残基性质分为Cys2Cys2和Cys2His2指，即两个半胱氨酸残基（Cys）和两个半胱氨酸残基或两个半胱氨酸残基和两个组氨酸残基(His)，通过与位于中心的锌离子以配位键结合，形成一个稳定的指状结构。它们的共同特点是以锌作为活性结构的一部分。,75,锌指结构示意图 （A）Cys2His2锌指结构 （B）折叠的Cys2H

38、is2锌指结构,76,77,（C） Cys2Cys2 锌指结构示意图,同源结构域（homeodomain，HD） 由大约60个氨基酸组成，C 端部分与原核生物阻遏蛋白的螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix）结构区同源。同源盒基因家族各基因间具有一相同的保守序列，称为同源结构域。所含的至少二个螺旋中形成“转折”，第三个螺旋与DNA大沟相互作用是同源盒蛋白与DNA结合的主要力量 。功能：调节与机体各部分正常发育或正常分化的有关基因的表达。,78,同源结构域与DNA的结合示意图,79,碱性亮氨酸拉链（basic 1eucine zipper，bLZ） 有些肽链C末端有一段30个氨基酸序

39、列以-螺旋构型出现的结构单元，每间隔6个氨基酸出现一个亮氨酸残基，能形成两性-螺旋, 带电荷的亲水性氨基酸位于一侧，具有疏水性的亮氨酸残基位于另一侧。两个具有这种结构的因子接触后可借助侧链疏水性交错对插，象拉拉链一样将两个反式作用因子连在一起，形成具有稳定卷曲螺旋结构的二聚体。功能：可使碱性区与DNA的亲和力明显增加。,80,亮氨酸拉链(leucine zipper),DNA结合部位结构域,81,bLZ二聚体中的亮氨酸拉链及与DNA结合的碱性结构域示意图,螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix，HLH）结构: 含两个双性-螺旋，每3-4个氨基酸含一个疏水性残基，中间为非螺旋环区，内含

40、一个或多个能阻断螺旋的氨基酸残基。-螺旋附近氨基端也有碱性区，其DNA结合性质与亮氨酸拉链相似。如转录因子 myc,myoD 以及Ig基因增强子结合蛋白E12/E47D等含有HLH结构。,82,螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH),a:b 两个具有两性-螺旋的蛋白因子形成二聚体 （a、b为两个不同的蛋白因子）,83,碱性-螺旋： 转录复制因子CTF/N F-1的DNA结合区域具有-螺旋结构，并含有高密度的碱性氨基酸，但不含锌指结构、同源结构域及亮氨酸拉链。,84,2)转录活化结构域:（transcriptional activation domain） 真核生物中，反式作

41、用因子的转录调控功能并非都需要其直接与DNA结合，具有转录活化域是反式作用因子必须具备的结构基础。转录活化域通常是依赖于DNA结合结构域以外的30-100个氨基酸残基。转录因子通常具有一个以上的转录活化区。,85,转录活化结构域模型有以下几种：,酸性-螺旋（acidic-helix domain）:含有较多的负电荷并能形成亲脂性的-螺旋。可能是相对非特异性地与那些起始复合物（如TATA盒结合因子或pol本身）相互作用而发挥其转录活化功能的。,富含谷氨酰胺的结构域（glutamine-rich domain）:最强的转录活化域之一富含谷氨酰胺，占该区氨基酸总数的25%左右。此外，哺乳动物细胞中的

42、Oct-1、Oct-2、Jun、AP-2和血清应答因子（SRF）等均含有此结构域。,富含脯氨酸结构域（proline-rich domain）:CTF/NF因子的羧基端富含脯氨酸（20%-30%）,难以形成-螺旋。在Oct-2、Jun、AP-2、SRF等哺乳动物因子中也有富含脯氨酸的结构域。,86,3.转录水平的调控机制,()反式作用因子的活性调节: 真核基因转录起始的调节，首先表现为反式作用因子的功能调节，即特定的反式作用因子被激活后，可以启动特定基因的转录。反式作用因子的激活方式如下。,87,反式作用因子的激活方式如下:,表达式调节:反式作用因子合成出来即具有活性，随后被迅速降解。这一类反

43、式作用因子仅在需要时才合成，并通过蛋白水解迅速降解，不能积累。,共价修饰: A.磷酸化去磷酸化：许多反式作用因子是磷蛋白，其功能是通过磷酸化去磷酸化作用进行调节的。B.糖基化：细胞内的许多转录因子都是糖蛋白。其合成的初级产物是无活性的，经糖基化的修饰就能转变成具有活性的糖蛋白。,88,配体结合：核受体超家族（nucleic receptor superfamily），为反式作用因子，其本身对基因转录无调节作用。当核受体超家族通过与配体（进入细胞的激素）结合，进入细胞核与相应的靶基因结合，调节基因的转录。,蛋白质与蛋白质相互作用：有些反式作用因子须与另一蛋白形成复合物后才具有调节活性。如调控基因

44、转录的c-myc蛋白,具有碱性亮氨酸拉链和螺旋-环-螺旋结构域。自身不能形成同源二聚体，需与含有亮氨酸拉链结构域的max或myn蛋白构成异源二聚体，才能调节基因的表达。,89,(三)转录后水平的调控,1、5端加帽和3端多聚腺苷酸化及意义: 1） 5端加帽:真核生物转录生成的mRNA在转录后，在5端加上7甲基鸟苷 (m7GPPPmNp-)。 意义:保护转录体mRNA不受5外切酶降解，增强mRNA的稳定性，同时有利于mRNA从细胞核向胞质的转运，促进mRNA与核糖体的结合（通过帽结合蛋白介导完成）。,92,2）3端加尾:转录后在mRNA在3末端加上50-150个腺苷酸，即poly(A)尾。 意义:

45、保证mRNA在转录过程中不被降解。,93,2. mRNA前体的选择性剪接(alternative splicing)对基因表达的调控作用,（1）mRNA前体的选择性剪接： 真核细胞基因表达所转录出的mRNA前体在剪接酶作用下，有序删除每一个内含子并将外显子拼接起来，形成成熟的mRNA,这一过程即为剪接。,94,高等真核细胞中,某个内含子5的供点在特定条件下可与另一个内含子3受点进行剪接，同时删除这两个内含子及其中间的全部外显子或内含子，即一个外显子或内含子是否出现在成熟的mRNA中是可以选择的，这种剪接方式称为选择性剪接。 意义:在高等生物细胞的高度异质性中起重要作用。由于剪接的多样化，一个基

46、因在转录后通过mRNA前体的剪接加工而产生两个或更多的蛋白质.,95,（四）翻译水平的调控1翻译起始的调控:（1）翻译起始因子的功能调控 : eIF-2是蛋白质合成过程中重要的起始因子。有些物质可以影响eIF-2的活性，调节蛋白质合成的速度，如氯高铁血红素。培养的真核细胞处于营养不足（“饥饿”）时，eIF-2失活，最终导致肽链起始效率降低。（2）阻遏蛋白的调节作用: 所有进入胞浆的mRNA分子并不是都可以立即与核糖体结合，翻译成蛋白质。由于存在一些特定的翻译抑制蛋白可以与一些mRNA的5端结合，从而抑制了蛋白质翻译。例如铁结合蛋白对翻译的抑制作用。,94,翻译起始因子(eIF2)的调控,（3）

47、 5AUG对翻译的调节作用： 真核mRNA为模板的翻译开始于最靠近其5端的第一个AUG。90%以上的真核mRNA符合第一AUG规律。但在有些mRNA中，在起始密码子AUG的上游（5端）非编码区有一个或数个AUG，称为5AUG。5AUG的阅读框通常与正常编码区的阅读框不一致，不是正常的开放阅读框。如果从5AUG开始翻译，很快就会遇到终止密码子。 意义：5AUG可以降低正常AUG启动翻译的作用，使翻译维持在较低水平。5AUG多存在于原癌基因中，是控制原癌基因表达重要调控因素。5AUG缺失是某些原癌基因翻译激活的原因.,95,（4） mRNA 5端非编码区长度对翻译的影响 起始密码AUG上游非编码区

48、的长度可以影响翻译水平。当第一个AUG离5端帽子的位置太近时，不容易被40S亚基识别。当第一个AUG密码子距5端帽子结构的距离在12个核苷酸以内时，有一半以上的核糖体40S亚基会滑过第一个AUG。当5端非编码区的长度在17至80核苷酸之间时，体外翻译效率与其长度成正比。所以第一个AUG至5端之间的长度同样影响翻译起始效率和翻译起始的准确性。,96,2. mRNA稳定性调节： mRNA的稳定性是翻译水平调控的一个重要因素，不同种类的mRNA，半衰期亦不一致。即使同种mRNA，在不同条件下，其半衰期也不一样。mRNA半衰期越长，翻译效率越高。 细菌细胞内的大多数mRNA都是非常不稳定的，半衰期大约

49、为3分钟。而在真核细胞中，mRNA的稳定性差别很大。有些mRNA(如编码-珠蛋白的mRNA),半衰期在10小时以上，而有些mRNA的半衰期则只有30分钟或更短。不稳定mRNA多是编码调节蛋白的，如生长因子和原癌基因（如myc、fos等）的产物。,97,真核生物中，管家基因的mRNA的寿命比较长。因为这些基因的产物是细胞生命活动所必需的。例如，家蚕丝心蛋白mRNA是非常稳定的，一个mRNA分子可重复翻译产生约10万个蛋白质分子。 mRNA寿命的延长增加了细胞内某种mRNA有效浓度，提高了蛋白质合成的速度，这种翻译水平的调控方式称为翻译扩增。机制：3端非编码区含有一段富含A和U的序列，这可能是引起

50、许多mRNA不稳定的原因。但有些mRNA的不稳定性（快速降解）是由其3端非编码区中的特定的信号所决定的。,98,（五）翻译后调控(posttranslational control) 翻译后调控指蛋白质生物合成之后对其表现生物活性和特定功能的时空控制过程。包括以下过程：蛋白质分子的折叠(卷曲)、修饰加工、分选和传送。相当多的蛋白质在翻译的同时进行折叠。折叠过程需要分子伴侣及其一些因子参与。,99,小 结 1.真核生物生命现象的基础是基因调控,而转录后遗传信息扩展的多种方式又是基因表达多样性的最主要基础；,101,2.无论在基因表达的哪一个调控层次上，反式作用因子的调控作用都能最有效地在质和量上