医学遗传学分子基础.ppt

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1、第三章 遗传的分子基础第一节 染色体的化学组成和分子结构一、染色体的化学组成,染色质,D N A蛋 白 质少量RNA,组 蛋 白：H1、H2A、H2B、H3、H4,非组蛋白,核酸的基本单位,单核苷酸nucleotide,戊糖 脱氧核糖,磷酸,含氮有机碱,嘌呤：,（碱基）,（一）DNA(deoxyribonucleic acid),嘧啶：,嘧 啶,嘌 呤,胞嘧啶 Ccytosine,胸腺嘧啶 Tthymine,鸟嘌呤 Gguanine,腺嘌呤 Aadenine,碱 基,核糖,脱氧,糖苷键,核苷,酯 键,单 核 苷 酸,35磷酸二酯键,5,3,（二）组蛋白与非组蛋白 组蛋白：染色体中约1/3是组蛋

2、白，已知有5种，赖氨酸和精氨酸含量比例不同为碱性蛋白；H1、H2A、H2B、H3、H4 多数带正电荷；与DNA构成核小体。非组蛋白：酸性蛋白，种类很多，有一类小分子与基因调控有关。,（三）DNA分子中的遗传信息 DNA的两条多核苷酸链以相反方向缠绕，依赖成对碱基的氢键连接，AT、G，其互补原则是DNA复制，转录，逆转录的分子基础。一个DNA上如有n个核苷酸，其组合几乎为无限：4n(人为43109)，蕴藏大量遗传信息，现已了解，mRNA上每三个相邻碱基构成一个密码子。,DNA的双链形成,1.基因组狭义：单倍体细胞中的全套染色体（人：22条常染色体+X，Y+线粒体DNA）。某物种单倍体细胞所具有的

3、遗传信息的总和。广义：一物种的全部遗传物质及其携带的遗传信息。,二、染色体的分子组成,大小：从几kb几个Mb；结构特点：1、非编码序列很少；2、编码序列是连续的；3、多数编码序列以操作子的形式排列；4、细菌染色体具有拟核结构；5、从功能上可以把编码序列分为核心基因组（core genome）和附加成分。,2、原核生物基因组的基本结构,核心基因组中的编码序列为细菌生活周期所必须；附加成分是细菌基因组中一些与细菌生活周期没有关系的编码序列，主要有毒力岛（pathogenicity islands）、可移动成分等；,毒力岛：近年来,随着分子生物学研究的不断深入,在细菌学领域出现了一些新的概念,毒力岛

4、(pathogenicity island)为其中之一。,一组编码细菌毒力相关基因的基因簇；分子质量比较大长度在20100 kb；两侧一般具有重复序列和插入元件,也可以没有；具有附加成分特点（非必需,GC含量，密码使用频率，不稳定可移动）基因产物多为分泌性蛋白或表面蛋白.,毒力岛具有以下特点:1.编码细菌毒力基因簇的一个相对分子质量较大的(20100kb左右)染色体DNA片段；2.一些毒力岛的两侧具有重复序列和插入元件,但是也可以没有；3.毒力岛往往位于细菌染色体的tRNA基因位点内或附近,或者位于与噬菌体整合有关的位点；4.毒力岛DNA片段的G+C mol%、密码使用和宿主细菌染色体有明显差

5、异，有的比宿主细胞的G+C mol%明显高，有的明显低；5.毒力岛编码的基因产物许多是分泌性蛋白和细胞表面蛋白,如溶血素、菌毛和血红素结合因子，一些毒力岛编码细菌的分泌系统（如型分泌系统）、信息传导系统和调节系统；6.一种病原菌可以有一个或几个毒力岛；7.部分学者认为,细菌的毒力岛应该包括位于噬菌体和质粒上的、与细菌的毒力有关、其G+C百分比和密码使用与宿主细胞明显不同的DNA片段；8.毒力岛可能与新发现的病原性细菌有关;,3、质粒染色体外遗传物质,双链DNA分子，几kb几百kb；位置相对游离；独立复制（松弛与严谨）；携带致育基因和耐药基因；F因子（接合性质粒）质粒的不相容性：在没有选择压力的

6、情况下两种质粒不能共存于同一个宿主细胞内的现象,断裂基因；主要由大量的非编码序列和少量的编码序列构成；存在多基因家族。含有多种类型的重复序列；,4、人类基因组的基本特点,人类基因组概况,每个基因组（genome)含3.0109bp,根据基因组DNA碱基排列顺序重复出现的 程度不同，把基因组DNA序列分为单一序列，重复序列。,基因组DNA,单一序列（unique sequence）：,重复序列（repetitive sequence）：,60%65%单拷贝或很少几次的序列、由8001000bp组成、结构基因,一个基因组中，约有10万个结构基因(33.5万),30%以上。DNA序列在基因组中有多个

7、拷贝，可有几十份，几百份，甚至几十万份有些重复序列与染色体结构有关，大多数生物学功能有待进一步研究。,重复序列,高度重复序列：,中度重复序列：,由很短的碱基序列组成，长度2200bp，重复次数106108。一般占DNA碱基对的10%30%。由一些短的DNA序列呈串联重复排列。,在长度和拷贝数目上有很大差别。重复次数10104,一般占DNA碱基对的10%,有些中度重复序列DNA具有编码功能;大多数无编码功能，主要是一些分散重复DNA序列.,高度重复序列,卫星DNA 小卫星DNA 微卫星DNA 回文序列,卫星DNA,DNA在CsCl密度梯度离心中，由于GC的含量少于AT，当重复序列的GC与AT的比

8、率有差异时，可在DNA主峰旁形成卫星DNA。卫星DNA构成着丝粒，端粒和Y染色体长臂上的异染色质区。称为卫星DNA。,浮力密度,主带 卫星带1.701 1.690,吸光度,卫星DNA,小卫星DNA,指端粒DNA和高变小卫星DNA两种。在染色体末端由6bp序列(TTAGGG)重复串联组成的1015kbDNA序列称为端粒DNA。它是在端粒酶作用下加到染色体末端，保持染色体的完整性。高变小卫星DNA是由964bp序列重复串联组成的，每个小卫星区重复序列的拷贝数是高度可变的，因此常用DNA指纹技术作个体鉴定。,小鼠卫星DNA的EcoRII切割的电泳扫描图,微卫星DNA,微卫星DNA重复单位序列最短，只

9、有15bp，串联成簇长度50100bp的微卫星序列。人类基因组至少有30000个不同的微卫星位点，具高度微卫星多态性，不同个体间有明显差别，但在遗传上却是高度保守的，因此可作为重要的遗传标志，用于基因定位的连锁分析。,回文序列是两个顺序相同的互补拷贝在同一条DNA链上反向排列而成的，形成链内碱基配对，形成发夹结构。,人类基因组中的串联重复序列,短分散元件(SINEs)：长度300500bp，散在分布在基因组中，拷贝数目可达到105以上，两个片段间隔约1000bp的单拷贝序列.例如人类Alu家族，占人类基因组的36，由300bp构成，在第170位附近都AGCT顺序，可被内切酶Alu。重复达307

10、0万次，平均4kbDNA就有一个Alu顺序。长分散元件(LINEs)：长度10007000bp，重复次数为10104,重复序列之间间隔10-30bp单拷贝序列。在人类基因组可重复几十次串联在一起形成基因簇有称串联重复基因,如KpnI家族。,中度重复序列,人类基因组中的散布重复序列,多基因家族(multigeng family),一个祖先基因(ancestral gene)经过重复和变异所形成的一组基因。基因家族也就是真核基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因称为基因家族。,有两种存在形式：一类是一个基因的多次拷贝成簇排列在同一条染色体上，形成一个基因簇（gene cluster）；另

11、一类是一个多基因家族中的不同成员成簇分布于几条不同的染色体上，这些成员的序列虽然有些不同，但是编码一组关系密切的蛋白质。,直向同源（ortholog):不同物种，甚 至真核生物与原核生物之 间。结构相似、功能相关 的基因，起源于同一祖先。,横向同源（paralog):同一生物体内。结构相似、功能相关的基 因，源于基因的复制。,假基因,在多基因家族中，某些成员不产生有功能的基因产物，这类基因成为假基因。假基因的核苷酸顺序与相应的活性基因极为相似，但不能表达，不具有正常功能。它们与有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，以后由于发生突变，失去了活性，变成了无功能的基因。,GC框：调节转录的活

12、动。,CAAT框,增强子,尾部区,第二节 真核基因的分子结构,人类珠蛋白基因结构图,内含子1（I1）,内含子2（I2）,外显子 3（E3）105 146,外显子 2（E2）31 104,5,3,转录起始点,TATA框RNA聚合酶结合决定转录起始点,CAAT框RNA聚合酶结合控制转录频率,外显子 1（E1）1 30,AATAAA,结构基因,编 码 区,非编码区,调 控 区,外显子：具有编码意义,内含子：无编码意义（5GT、3AG；GT-AG法则）,前导区,启动子,终止子,TATA框,mRNA裂解信号(AATAAA),回文结构,GC框 GC框,转录终止信号,第三节 DNA的复制,DNA复制(rep

13、lication):DNA分子合成一个与自己相同的DNA分子的过程。其结果DNA含量增加一倍。,42,一.半保留复制（semi-conservative replication),解旋2条单链,分别以2条单链为模板按碱基配对原则形成与亲代DNA分子相同的两条子链。每条子链中一条多核苷酸链是亲代DNA分子即模板链，另一条是互补合成的。,二.DNA复制的过程,复制起点、方式和方向复制起点（origin ori或 o 复制原点）复制开始处DNA分子的特定位置,原核生物（Prokaryote）：单复制起点即整个染色体只有一个复制单位,复制子（Replicon）；又称复制单位 或复制元,真核生物（Euk

14、aryote）:多复制起点即一个genome中有多个复制单位,DNA中含有一定复制起点和复制终点的复制单位1.3万90万不等,47,复制起始点,复制体（Replisome）复制叉处的许多酶和蛋白组成的复合体，协同动作合成DNA,复制叉,富含AT“呼吸作用”十分明显,许多酶的结合位点,发夹结构也有同样作用 300bp真核生物的复制原点,复制眼（replication eye）：电子显微镜下观察正在复制的DNA，复制的区域形如一只眼睛,50,复制起始点,复制叉,先导链,后导链（延迟链）,RNA引物,岗崎片段,复制方式,三.DNA复制所需的引物、酶和某些蛋白DNA复制所需的引物RNA引物：长度一般为

15、412个核苷酸。引物的出现可能提高DNA复制的无差错性。,(1)、引发酶和引发体：引发酶作用：催化RNA引物的合成。引发酶催化前要与多种蛋白质结合共同构成一个复合体引发体。,引发体有三种蛋白质,dnaAdnaBdnaC,DNA复制所需的酶和蛋白质,DNA复制简单起始过程,a、涉及主要酶系：DnaA、RNApol是必不可少的，此外涉及到 DnaB（解旋酶）、DnaC、Hu、Gyrase、SB、DnaG、Top和 DNApol 全酶,简单步骤：*转录激活*DnaA 识别并结合复制起点，DnaBDnaC六聚体与oriC 形成预引发体*DnaG加入形成引发体（oriC引发体），合成引物RNA*引物合成

16、后，DNApol 组装到引发的RNA上，完成复制体的组装,55,DNA双链,大肠杆菌DNA复制的起始,ATP.dnaA,(2)、DNA聚合酶：作用是将脱氧核苷酸连接成DNA。聚合反应：底物dNTPPoly(核苷酸)n3-OH dNTP Poly(核苷酸)n+13-OH 2PiDNA聚合酶活性条件模板、引物,DNA聚合酶I,DNA聚合酶II,DNA聚合酶III,：将岗崎片段5端上的RNA引物切除。此外对DNA复制起校正作用，并在DNA损伤修复中也起重要作用。,：作用机制不详。,：DNA复制所必须的酶，DNA链的延长，作用除与DNA聚合酶 I有类似作用外，还有一些其它独特的机能。,DNA复制校正作

17、用,免错机制改错机制（失配修复机制）,免错机制:的代表是与DNA聚合酶连接的核酸外切校对酶。DNA复制时首先DNA聚合酶进行“核苷酸选择”，但并非100选择正确，有十万分之一选择错误，核酸外切校对酶可清除选择错误的核苷酸。如果还有错误级既使用改错机制。改错机制（失配修复机制）：在新合成的核苷酸中找出错配的核苷酸并将其清除。,DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶,：DNA复制时所需要的酶。：DNA损伤修复时起作用。：存在线粒体，线粒体DNA复制起作用。,：作用机制不详。,在复制的DNA链中如何辨别亲本链和新合成的链。亲本链顺序上甲基化程度较高，新合成顺序则无。,延

18、伸过程 进入的标志：DNApol 把第一个核苷酸加到引物的3OH端后随链合成的起始（前体片段的起始）后随链的第一个冈崎片段起始于 先导链进入延伸之后 x174 phage后随链的起始（负链合成、不连续合成）,(3)、DNA连接酶:能催化一段DNA链的5磷酸根与另一段DNA的3OH形成磷酸二酯键，使两段DNA连接起来。此外，在DNA修复中亦起重要作用。(4)、DNA解链酶：解开DNA双链。解链时需ATP供能。,(5)、单链DNA结合蛋白（SSB）:与被解开的DNA单链结合，使其不再缠结而便于作模板去螺旋稳定蛋白（HDP)。,与复制有关的另外两种酶,拓扑异构酶,端粒酶（端粒末端转移酶）,拓扑异构酶

19、I,拓扑异构酶II,：切断DNA双链中的一股,使DNA解链旋转时不致缠结，待张力解除后又把切口封闭。,：稳定螺旋结构；当复制完毕时，使着丝粒处连锁着的两个DNA分子分离。,：保证真核细胞内线性DNA的复制进行得彻底和完善。,64,解链酶,RNA引物,复制终止,1、环形DNA复制的终止a、终止序列 E.coli 有两个终止区域，分别结合专一性的终止蛋白序列一：terE terD terA序列二：terF terB terC每个区域只对一个方向的复制叉起作用,b、专一性终止蛋白 E.coli 中由tus gene 编码（terminus utilization substance）通过抑制DNA螺

20、旋酶而发挥终止作用,每次复制时只使用一个终止位点,ter,线性DNA的末端复制的问题,?环状DNA复制是否存在这样的问题,为什么?,线状DNA的复制5末端短缩的解决模式,a、从开始就采取环化的形式 噬菌体b、象T7噬菌体一样采取连环分子的形式利用自身线性DNA末端的重复序列通过末端互补形成连环分子c、最直接的办法引入蛋白质直接从末端起始复制如腺病毒2、phage29、脊髓灰质炎病毒d、痘病病毒的末端由发夹结构连接复制完成后错切连接,?,二聚体,3-OH,3-OH,T7噬菌体的末端复制,专一性核酸内切酶,腺病毒（Adnovirus-2）DNA的复制,IR;包括 50bp的复制原点、富含A/T、有

21、一个高 度保守的GC对,pTP;末端蛋白的前体 80 kd TP 55 kdSSB;单链DNA结合蛋白 72 kd Ad2 DNA polymerase;140 kd,避免5-end shortent,3 OH,腺病毒 DNA 复制起始,长的发夹结构,痘病病毒末端复制的解决方式,真核生物染色体 DNA末端补齐模式,(1)端粒DNA(Telomer)TTGGGG(T2G4)序列高度重复的末端,端粒酶（Telomerase）四膜虫：Telomerase 将T2G4 末端重复延伸 游扑虫：Telomerase=RNA CAAAACCCC链+末端结合蛋白（TBP）,端粒酶逆转录酶a、核蛋白（ribon

22、ucleoprotein RNP）b、含约长150NT的RNA，其中含 15 拷贝的CxAy重复序列，是合成端粒T2G4的模板c、延长的3-T2G4端（一段cDNA）作为5-端DNA合成的模板,补齐过程,通过TG链的回折形成发夹结构（GG氢键）尺蠖模型实现端粒酶位置的调整,or,人体细胞通过监测失去的端粒的重复数而计数细胞分裂次数，当端粒长度下降到某一临界值时，细胞终止分裂衰老、死亡,“多莉”的衰老研究端粒丢失的速率，预测人类的寿命,研究推测端粒酶与肿瘤的关系,复制忠实性的保证,1、DNApol的35外切酶活性 2、DNApol只能从引物的3 端延伸DNA（需要RNA引物）a、碱基配对协同性导

23、致最初几个碱基错配率高，且不易校正 b、RNA引物最终被降解而避免错误3、后随链的不连续合成:因其有利于错配碱基的校正,第四节 DNA分子中信息的表达,基因表达:是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定生物学功能的全过程。基因表达产物:各种RNA(tRNA、mRNA和rRNA)以及蛋白质、多肽。,一、转录 转录：指DNA合成RNA的过程（DNA 分子的35为模板链也叫反编码链；5 3链叫编码链）。,DNA,复制,RNA,蛋白质,转录产物,信息RNA(mRNA)转运RNA(tRNA)核糖体RNA(rRNA),核仁以外的常染色质转录的。

24、,核仁内的常染色质转录的。,转录的阶段,粗转录阶段加工阶段,87,DNA,转录,剪接,带帽,加尾,成熟的mRNA,hnRNA,加工,(一)剪接：细胞核内小RNA长约250个核苷酸，是所有真核，高度保守的成分，因富含U，称U族RNA，已知有U1、U2、U3、U4、U5、U6数种，这些，snRNA与约十种Pr，结合形成SnRNP，其通过RNARNA互补，可识别内含子中RNA的特定序列，各种SnRNP在剪接过程中，形成剪接体，使内含子被切掉。,89,2、切除内含子、内含子5端的外显子和3端的外显子连接起来，内含子3端剪接部位断裂，将内含子形成的套索式结构切掉。,1、在内含子3端UACUGAC中第6位

25、的A攻击剪接部位，使之断裂，内含子5端G断裂后折回，与内含子3端第6位A经52磷酸二酯键相连接。,90,5 5,首先，RNA5端起始核苷酸的P与鸟苷三磷酸形成5 5 键。,然后，在乌苷酸7位N上甲基化，完成戴帽(帽O),在真核生物中、下一个的2 0位甲基化，形成帽1。,(二)戴帽：,戴帽作用：(1)戴帽可有效地封闭RNA5末端，使它不再接核苷酸。(2)同时可保护5末端，使其不受砼酸酶和核酸酶的消化作用，从而增加其稳定性。(3)帽还能被核糖体小亚基识别，促使mRNA与核糖体结合。,(三)加尾：在戴帽同时，3端在在腺苷酸聚合酶作用下加接一连串PolyA，成尾，这过程称多聚腺苷酸化反应。多聚腺苷酸化

26、是在AAVAAA下游开始的，但在加尾前，需修建3末端，水解掉1015个核苷酸后，再加100200个A。,作用：可能是使得mRNA3末端稳定，不受酶的破坏，并可促使mRNA由核运转到质中。二、翻译,组成性与诱导性组成性基因始终表达的基因，如能量代谢；诱导性基因诱导表达的基因，如细胞因子正调控和负调控阻遏：基因表达受到抑制的过程和状态；脱阻遏被阻遏的基因重新表达。静息：基因长期不表达的状态。调控的水平转录前，转录水平，转录后,第五节 基因的调控,基因表达的特异性（一）时间特异性 往往与细胞或个体的特定分化、发育阶段相适应，又称阶段特异性。（二）空间特异性 由细胞在各组织器官的分布差异所决定的，故又

27、称为细胞特异性或组织特异性。,基因表达的方式（一）组成性表达 管家基因:生命全过程都是必需的、且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。组成性基因表达:管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。,（二）诱导和阻遏表达诱导表达：特定环境信号刺激下，基因表现为开放或增强，表达产物增加。阻遏表达：在特定环境信号刺激下，基因被抑制，从而使表达产物减少。,（三）协调表达 协调表达：在一定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。,一、原核细胞的基因表达调控 负调节:负调节蛋白（阻遏物）将基因关闭，使其不能转录的调节方式。,100,大肠杆菌乳糖操纵子,转

28、录,翻译,关闭状态,101,+,+,+,转录,翻译,RNA聚合酶,乳糖,半乳糖,打开状态,RNA聚合酶,正调节：正调节蛋白（活化物）与启动子结合，增强RNA聚合酶与启动子结合的能力，使转录过程进行的调节方式。,103,阿拉伯糖（Ara）操纵子,转录,翻译,+,+,+,RNA聚合酶,阿拉伯糖（Ara）,RNA聚合酶,二、真核细胞的基因表达调控1.环境因素对基因表达调控的影响2.激素、蛋白质因子等对基因表达调控的影响3.染色质结构的变化,（一）DNA、染色体水平的变化特点1对核酸酶极度敏感,真核基因表达调控的特点,2.活性染色体结构变化当基因被激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化。

29、（1）对核酸酶敏感活化基因一个明显特性是对核酸酶极度敏感，当用DNase处理时染色质DNA会也现一些DNase超敏位点（hypersnsitive site）。超敏位点常发生在基因的5侧翼区（5flanking region）、3侧翼区（3flanking region）甚至可转录区内，具体也现在调节蛋白结合位点附近。对DNase敏感状态的出现是转录所必需的，但它并不是只在转录进行时才存在，所以可以认为，DNase敏感状态是转录的必要条件而不是充分条件。（2）DNA拓扑结构变化：当基因活化时，RNA聚合酶前方的转录区DNA拓扑结构为正性超螺旋构象，而在其后面的DNA则为负性超螺旋构象。负性超螺

30、旋构象有利于核小体结构的再形成，而正性超螺旋构象不仅阻碍核小体结构形成，而且促进组蛋白H2AH2B二聚体的释放，使RNA聚合酶有可能向前移动，进行转录。,2DNA拓朴结构变化 天然双链DNA几乎均以负性超螺旋构象存在。当基因激活后，则转录区前方的DNA拓朴结构变为正性超螺旋，有利于RNA聚合酶向前移动，进行转录。3.DNA甲基化 DNA甲基化程度与基因表达呈反比。4染色体结构的变化 组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体结构改变，使核小体不稳定性增加。,（3）DNA甲基化修饰在真核生物基因表达调控中，甲基化起着重要作用。一般认为，DNA甲基化范围与基因表达程度呈反比关系。甲基化程度高，基因

31、的表达则降低；去甲基化，又可使基因表达增加。这种甲基化最常发生在某些基因的5侧翼区的CpG序列（又称“CpG岛”），处于转录活化状态的基因CpG序列一般是低甲基化的。（4）组蛋白变化其中包括富含Lys组蛋白水平降低：亦即H1样组蛋白减少，并伴有DNA形成30nm纤维束能力降低。H2AH2B二聚体不稳定性增加：易于从核心组蛋白中被置换出来。组蛋白修饰：最常见的修饰有乙酰化、泛素化，修饰后使核小体结构变得不稳定。H3组蛋白巯基暴露：系核小体结构变化引起。3.正性调节占主导：真核基因组结构庞大，在不适当位点出现特异结合序列机会增多，正性调节大多数基因不结合调节蛋白，只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶

32、基因即可被激活。4.转录与翻译分隔进行真核细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同亚细胞结构进行。.转录后修饰、加工鉴于真核基因结构特点，转录后剪接及修饰等过程比原核复杂。,基因表达调控原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行。真核生物基因表达的调控环节较多，在DNA水平可通过染色质丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化以及染色质结构改变影响基因表达；在转录水平则主要通过反式作用因子的作用调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合以及转录起始复合物的形成；在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达；影响翻译水平的因素有

33、影响翻译起始的阻遏蛋白、5AUG、5端非编码区的长度等，有mRNA的稳定性调节，另外还存在小分子反义RNA对翻译的调控；翻译后蛋白质的修饰和定位亦是基因表达调控的一个重要环节。基因表达（gene expression）：是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。并非所有基因表达过程都产生蛋白质，rRNA、tRNA的编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。基因表达的调控是在多极水平上进行的，转录水平是基因表达的基本控制点。基因表达的时间特异性（temporal specificity）：按功能需要，某一

34、特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。基因表达的空间特异性（spatial specificity）：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性（cell specificity）或组织特异性（tissue specificity）。基因表达的方式有（1）组成性表达。管家基因（ho usekeeping gene）：有些基因产物对生命过程是必需的且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达或变化很小

35、的基因。组成性基因表达（constitutive gene expression）：指管家基因的表达，又称基本的基因表达，只受启动序列或启动子与RNApol抑制作用的影响。诱导表达（induction expression）和阻遏表达（repression expression）：有一些基因表达极易受环境变化的影响，在特定的环境信号刺激下，相应基因的表达表现为开放或增强，这种表达方式称诱导表达；相反有些基因的表达表现为关闭或下降，这种表达方式称阻遏表达。原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行。基因表达调控的基本原理是1.基因表达子多极调控2.基因转录激活

36、调节基本要素（1）特异DNA序列，主要指具有调节功能的DNA序列，把可影响自身基因表达活性的DNA序列称为顺式作用元件。根据作用性质和后式分为启动子，增强子和沉默子。（2）调节蛋白：分三大类决定RNApol对启动序列的特异性识别和结合能力的顺式作用元件的特异因子。原核基因转录调节具有如下特点，1.因子决定RNApol识别的特异性，不同的因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。2.操种子模型的普遍性，一个操重子只含有一个启动序列及数个可转录的编码基因。3.阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性。转录水平的调控原核生物基因多以操纵子（operon）的形式存在。操纵子由调控区与信

37、息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同RNA聚合酶结合并启动转录的特异性DNA序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。乳糖操纵子调控的机制E.coli的乳糖操纵子（lac operon）有三个结构基因Z、Y、A，分别编码-半乳糖苷酶（-galactosidase）、透酶（permease）和半乳糖苷乙酰化酶（galactoside acetylase）,其上游还有一个启动序列(P)和一个操纵基因(O)。在启动序列上游还有一个CAP蛋白的结合位点。由启动子、操纵基因和CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区。1.I基因是调节基因，编码产生阻遏蛋白。阻遏蛋白为四聚体，每个亚基相

38、同。在没有乳糖的条件下，阻遏蛋白能与操纵基因结合。由于操纵基因与启动子有部分重叠，阻遏蛋白与操纵基因结合后，抑制了RNA聚合酶与启动子结合，从而抑制结构基因的转录。偶有阻遏蛋白与操纵基因解聚，因此每个细胞中可能会有寥寥几个半乳糖苷酶、透酶生成。当有乳糖存在时，该操纵子即可被诱导。乳糖经透酶作用进入细胞，再经已存在的-半乳糖苷酶催化，转变成半乳糖。后者作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白的构象发生改变，导致阻遏蛋白与操纵基因解聚，引起结构基因的转录。异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）是一种作用极强的诱导剂，不能被细菌代谢，因此被实验室广泛应用。2.在lac操纵子中，RNA聚合酶与l

39、ac启动子结合的能力很弱，只有CAP结合到启动子上游的CAP结合位点后，促进RNA聚合酶与启动子结合，才能有效转录。乳糖操纵子的转录起始是由CAP和阻遏蛋白两种调控因子来控制的。在这种调控作用中。CAP起正调控作用。CAP和阻遏蛋白这两种因素，可因葡萄糖和乳糖存在与否而有4 种不同的组合。,葡萄糖存在、乳糖不存在：此时无诱导剂存在，阻遏蛋白与DNA结合。而且由于葡萄糖的存在，CAP也不能发挥正调控作用，基因处于关闭状态。葡萄糖和乳糖都不存在：在没有葡萄糖存在的情况下，CAP可以发挥正调控作用。但由于没有诱导剂，阻遏蛋白负调控作用使基因仍然处于关闭状态。葡萄糖和乳糖都存在：乳糖的存在对基因的转录

40、产生诱导作用。但由于葡萄糖的存在使细胞内cAMP水平降低，cAMP-CAP复合物不能形成，CAP不能结合到CAP结合位点上，转录仍不能启动，基因处于关闭状态。葡萄糖不存在、乳糖存在：此时CAP可以发挥正调控作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。3.协调调节：阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作，当乳糖操纵子的强的诱导作用即需要乳糖存在，又需要缺乏葡萄糖。4.原核特异基因除操纵子转录起始调节尚有其他特异调节机制。1.转录衰减，如色氨酸操纵子的调控机制E.coli的色氨酸操纵子（trp operon）有五个结构基因，E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于

41、合成色氨酸。上游调控区由启动子（P）和操纵基因（O）组成。R基因是调节基因，编码阻遏蛋白。Trp操纵子是一阻遏型操纵子，无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，对转录无抑制作用；细胞内有较大量的色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后能与操纵基因结合，抑制转录。Trp操纵子的另一个调控方式是衰减（attenuation）机制调节。衰减子位于结构基因E和操纵基因（O）之间的L基因中。大肠杆菌在无色氨酸的环境下，L基因和结构基因能转录产生具有6700个核苷酸的全长多顺反子mRNA，当细胞内色氨酸增多时，结构基因转录受到抑制，但L基因转录的前导mRNA（140个核苷酸）并没有减少，这部分转录物称为衰减

42、子转录物。衰减子转录物中具有4段特殊的序列，片段1和2、2和3、3和4能配对形成的发夹结构，而形成发夹能力的强弱依次为片段1/2片段2/3片段3/4。片段3和4所形成的发夹结构之后紧接着寡尿嘧啶，是不依赖于因子的转录终止信号。这4 个片段形成何种发夹结构，是由L基因转录物的翻译过程所控制的L基因的部分转录产物（含片段1）编码14个氨基酸，其中含有两个相邻的色氨酸密码子。这两个相邻的色氨酸码子以原核生物中转录与翻译的偶联是产生衰减作用的基础。L基因转录不久核糖体就与mRNA结合，并翻译L短肽序列。细胞内有色氨酸时，形成色氨酸-tRNA，核糖体翻译可通过片段1，并通过片段2。因遇到翻译终止密码，核

43、糖体在到达片段3之前便从mRNA上脱落。在这种情况下，片段1/2和片段2/3之间都不能形成发夹结构，而只有片段3/4形成发夹结构，即形成转录终止信号，从而导致RNA聚合酶作用停止。如果细胞内没有色氨酸时，色氨酰-tRNA缺乏，核糖体就停止在两个相邻的色氨酸密码的位置上，片段1和2之间不能形成发夹结构，片段2和3之间可形成发夹结构，则片段3/4就不能形成转录终止信号，后面的基因得以转录。色氨酸操纵子中的操纵基因和衰减子可发起双重负调节作用。衰减子可能比操纵基因更灵敏，只要色氨酸一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白结合操纵基因，就足可以使大量的mRNA提前终止。反之，当色氨酸减少时，即使失去了诱导阻遏蛋

44、白的阻遏作用，但只要还可以维持前导肽的合成，仍继续阻止转录。这样可以保证尽可能充分地消耗色氨酸，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，这种机制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。色氨酸操纵子L基因的翻译产物中具有相邻的色氨酸残基这一现象，在具有衰减调节作用的pheA,his,leu,thr等操纵子中也存在。特别是在his操纵子中，衰减子是唯一的控制机构。2.基因重组：沙门菌鞭毛素基因H2启动序列同时启动H2及一种阻遏蛋白的表达，阻遏蛋白可阻遏H1的表达。Hin基因编码一种重组酶可催化H2启动序列与hin基因倒位，发生基因重组，结果使启动序列方

45、向改变，H2及阻遏蛋白表达关闭，H1表达。3.通常SOS基因处于阻遏状态，有紫外线照射时，SOS基因去阻遏，修复酶及相关蛋白质表达，急救修复损伤的DNA。,真核基因转录调节真核生物基因表达的调控环节较多，在DNA水平可通过染色质丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化以及染色质结构改变影响基因表达；在转录水平则主要通过反式作用因子的作用调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合以及转录起始复合物的形成；在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达；影响翻译水平的因素有影响翻译起始的阻遏蛋白、5AUG、5端非编码区的长度等，有mRNA的稳定

46、性调节，另外还存在小分子反义RNA对翻译的调控；翻译后蛋白质的修饰和定位亦是基因表达调控的一个重要环节。这里仅对真核基因调控特点及mRNA转录激活调节加以介绍。真核基因调控同原核一样，转录起始仍是真核基因表达调控的最基本环节，而且某些机制是一样的。但在下述方面与原核存在明显差别。1.RNA聚合酶：真核RNA聚合酶有三种，即RNA-pol、及，分别负责三种RNA转录。细菌的RNA-pol识别的是一段DNA序列，而真核生物的RNA-pol识别的不是单纯的DNA序列，而是一个由通用转录因子与DNA形成的蛋白质-DNA复后物。真核细胞的RNA-pol，不能训别纯化的DNA上的启动子，只有当一个或多个转

47、录因子（transcription factor,TF）结合到DNA上形成功能性的启动子，才能被RNA-pol识别与结合。真核生物的RNA-pol、，识别不同的启动子，需要不同的TF：TF、TF、TF。2.活性染色体结构变化当基因被激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化。（1）对核酸酶敏感活化基因一个明显特性是对核酸酶极度敏感，当用DNase处理时染色质DNA会也现一些DNase超敏位点（hypersnsitive site）。超敏位点常发生在基因的5侧翼区（5flanking region）、3侧翼区（3flanking region）甚至可转录区内，具体也现在调节蛋白结合位点

48、附近。对DNase敏感状态的出现是转录所必需的，但它并不是只在转录进行时才存在，所以可以认为，DNase敏感状态是转录的必要条件而不是充分条件。（2）DNA拓扑结构变化：当基因活化时，RNA聚合酶前方的转录区DNA拓扑结构为正性超螺旋构象，而在其后面的DNA则为负性超螺旋构象。负性超螺旋构象有利于核小体结构的再形成，而正性超螺旋构象不仅阻碍核小体结构形成，而且促进组蛋白H2AH2B二聚体的释放，使RNA聚合酶有可能向前移动，进行转录。（3）DNA甲基化修饰在真核生物基因表达调控中，甲基化起着重要作用。一般认为，DNA甲基化范围与基因表达程度呈反比关系。甲基化程度高，基因的表达则降低；去甲基化，

49、又可使基因表达增加。这种甲基化最常发生在某些基因的5侧翼区的CpG序列（又称“CpG岛”），处于转录活化状态的基因CpG序列一般是低甲基化的。（4）组蛋白变化其中包括富含Lys组蛋白水平降低：亦即H1样组蛋白减少，并伴有DNA形成30nm纤维束能力降低。H2AH2B二聚体不稳定性增加：易于从核心组蛋白中被置换出来。组蛋白修饰：最常见的修饰有乙酰化、泛素化，修饰后使核小体结构变得不稳定。H3组蛋白巯基暴露：系核小体结构变化引起。3.正性调节占主导：真核基因组结构庞大，在不适当位点出现特异结合序列机会增多，正性调节大多数基因不结合调节蛋白，只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。4.转录

50、与翻译分隔进行真核细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同亚细胞结构进行。5.转录后修饰、加工鉴于真核基因结构特点，转录后剪接及修饰等过程比原核复杂。,真核基因转录激活调节1.顺式作用元件启动子：真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件（module），每一组件含720bp的DNA序列。启动子包括至少一个转录起始点，以及一个以上的功能组件。在这些功能组件中最具有典型意义的就是TATA盒，TATA盒通常位于转录起点上游-2530bp,控制转录起始的准确性及频率。典型的启动子则TATA盒及上游的CAAT盒和（或）GC盒组成，这类启动子通常具有一个转录起点及较高的转录活性。然而，还