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(ControlofGeneExpression)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中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，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

2、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

3、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(ControlofProkaryoticGeneExepression)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(operonoperon)一、操纵子模型的提出一、操纵子模

4、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 Discovery of OperonOperon 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

5、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，但若半乳糖苷酶，但若转移到转移到乳糖的培养基中，几分钟后，每个乳糖的培养基中，几分钟后，每个细胞内可产生细胞内可产生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

6、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(operonoperon):

7、):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)。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。

8、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活激活蛋白，起着促进结构基因转录的作用。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

9、。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):no lactose):laclac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

10、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(derepressionderepression,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)极强的极强的诱导剂诱导剂乳糖操纵子乳糖操纵子(lac

11、lac operonoperon)的调控方式的调控方式20-10+1+10+20+30.5ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA33TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT5 laclac操操纵纵区区序序列列是是一一个个以以+11+11位位GCGC碱碱基基对对为为中中心心的的反反向向重重复复序序列列。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

12、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阻阻遏遏蛋蛋白白结结合合的的操操纵纵基基因因区区域域具具有有反反向向重重复复序序列列,这这种种反反向向重重复复序序列列是是能能与与蛋蛋白白质质特特异异结结合合的的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(CAP(catabolitecatabolite activator protein)activator protein)：分解代谢产物分解

13、代谢产物激活物蛋白或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受受体蛋白，是同二聚体。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聚合酶与启聚合酶与启动子结合，促进转录。但游离的动子结合，促进转录。但游离的CAPCAP是是不能与启动子结不能与启动子结合，必须在细胞内有足够的合，必须在细胞内有足够的CAPCAP时，时，CAPCAP首先与首先与cAMPcAMP形形成复合物，此复合物才能与启动子结合。葡萄糖的降成复合物，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解产物能降低细胞内cAMPcA

14、MP的的含量，因而当向乳糖培养含量，因而当向乳糖培养基中加入葡萄糖时，造成基中加入葡萄糖时，造成cAMPcAMP浓度降低浓度降低，CAPCAP便不能结便不能结合在启动子上，此时，即使有乳糖存在，已解除了对合在启动子上，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。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

15、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cAMPCGPCGP：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）CAP CAP：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 reg

16、ulation)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上解聚上解聚仍无转录活性仍无转录活性葡萄糖葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖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又操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖。需缺乏葡萄糖。（二）转录起始的转录起始的正正调控调控1

17、、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:操操纵纵子子由由结结构构基基因因B B、A A、D D以以及及调调控控元元件件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(Theara 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

18、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

19、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。23AraC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190190bpbp）。）。由于由于I I2 2 不被占据，不被占据，B B、A A、D D基因

20、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:色氨酸操纵色氨酸操纵子的调控模式，色氨酸操纵子表达的调控有两子的调控模式，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是通过衰减子作用。29色氨酸操

21、纵子色氨酸操纵子(The trpOperon)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trptrp mRNA 5 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162162bpbp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

22、 (a)a)衰减子：衰减子：有有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，t

23、RNAtRNATrpTrp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

24、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

25、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

26、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

27、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：色色氨氨酸酸增增多多时时，即即使使不不足足以以诱诱导导阻阻遏遏蛋蛋白白结结合合操纵基因，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。色色氨氨酸酸减减少少时时，即即使使失失去去了了诱诱导导阻阻遏遏蛋蛋白白的的阻阻遏遏作作用用，但但只只要要还还能能维维持持前前导导肽肽的的合合成成，仍仍可可继继续续阻止转录。阻止转录。这这种种机机制制可可以以保保证证充充分分地地消消耗耗色色氨氨酸酸，使使其其合合成成维维持持在在满满足足需需要要的的水水平平，防防止止色色氨氨酸酸堆堆积积和和过过多多地地

28、消消耗耗能能量量。同同时时，也也使使细细菌菌能能够够优优先先将将环环境境中中的的色氨酸消耗完，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上的上的核糖体结合位点（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-Shine-DalgarnoDalgarno sequen

29、ce)sequence)，长度一长度一般为般为5 5个核苷酸个核苷酸(9-(9-1 12 2bpbp)，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1616srRNAsrRNA的的3 3 端端互补配对促使核糖体结合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 inter

30、fering complementary RNA,interfering complementary RNA,micRNAmicRNA）。）。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mR

31、NAmRNA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转转位位酶酶基基因因由由P PININ启启动动

32、子子控控制制，反反义义RNARNA的的基基因因由由P POUTOUT启启动动子子控控制制。两两个个启启动动子子方方向向相相反反，转转录录区区有有3535个个碱碱基基重重叠叠，互互补补区区覆覆盖盖了了Tn10Tn10转转位位酶酶mRNAmRNA的的翻翻译译起起始始区区，其其活活性性P POUTOUT比比P PININ更更强强。其其结结果果是是转转位位酶酶的的表表达达效效率率非非常常低低，转转位位作作用用也也极极少少发发生生。因因而而细细菌菌DNADNA发发生生突突变变的的机机会会愈愈少少，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

33、interference,RNA interference,RNAiRNAi)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,RNA,dsRNAdsRNA)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)。这种。这种转录后基因沉默（转录后基因沉默（post-transcriptional gene post-transcrip

34、tional gene silencing,PTGS)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个核个核苷酸苷酸 (ntnt)小片段小片段,称称(short interfering RNAshort interfering RNA，siRNAsiRNA).).dsRNAdsRNA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

35、解成21-23 21-23 ntnt 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。4.4.RNARNA的稳定性与调控的关系的稳定性与调控的关系 细细菌菌mRNAmRNA通通常常是是不不稳稳定定的的。mRNAmRNA的的降降解解速速度度是是翻翻译译调调控控的的另另一一个个重重要要机机制制。蛋蛋白白质质合合成成速速率率的的快快速速改改变变，与与许许多多细细菌菌mRNAmRNA降降解解速速度度很很快快有有很很大大关关系系。E.E.colicoli的的许许多多mRNAmRNA在在3737时时的的平平均均寿寿命命大大约约为

36、为2 2minmin，细细菌菌可可以以通通过过转转录录水水平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大肠肠杆杆菌菌核核糖糖体体蛋蛋白白有有5050余余种种，它它们们既既可可与与 rRNArRNA 组组装装成成核核糖糖体体，也也可可与与自自身身 mRNA mRNA 翻翻译译起起始始区区结结合合，对对前前者者的的亲亲和和力力大大于于后后者者。5050种种核核糖糖体体蛋蛋白白的的基基因因分分布布在在几几个个不不同同的的操操纵纵子子中中，而而核核糖糖体蛋白合成的控制主要是翻译水平。体蛋白合成的控制主要是翻译水平。45

37、6、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

38、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

39、量就多，mRNAmRNA链上的链上的polypoly（A A）也较也较长；当某些长；当某些mRNAmRNA链链不再翻不再翻译时，译时，核糖体就被释放出来，其核糖体就被释放出来，其polypoly（A A）也相应缩短。也相应缩短。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（pppGpppppGpp ），），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

40、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

41、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和，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同。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因，遗传信息从细胞核的基因组组DNADNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层次传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。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

42、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）基基因因表表达达的的时时间间性性和和空空间间性性 所所谓谓时时间间性性是是指指在在个个体体发发育育的的不不同同阶阶段段，基基因因表表达达的的种种类类和和数数量量是是不不同同的的；所所谓谓空空间间性性指指在在不不同同组组织织和和器器官官中中，基基因因表表达达的种类和数量是不同的。的种类和数量是不同的。47（3 3）转转录录和和翻翻译译分分开开进进行

43、行：真真核核生生物物DNADNA在在核核中中转转录录生生成成 mRNAmRNA，穿穿过过核核膜膜至至胞胞质质指指导导蛋蛋白白质质合合成成；转转录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）初初级级转转录录产产物物要要经经过过转转录录后后加加工工修修饰饰：初初级级转转录录产产物物核核不不均均一一性性RNARNA（heterogeneous heterogeneous nuclear nuclear RNA RNA,hnRNAhnRNA），即即 mRNAmRNA前前 体体 分分 子子 要要 经经 过过 戴戴 帽帽(m m7 7GpppN)GpppN)、加加P

44、olyAPolyA尾尾、切切除除插插入入的的内内含含子子和和拼拼接接外外显子等过程，才能形成成熟的显子等过程，才能形成成熟的mRNAmRNA分子。分子。48 （5 5）不不存存在在超超基基因因式式操操纵纵子子结结构构：真真核核生生物物基基因因转转录录产产物物为为单单顺顺反反子子，一一条条 mRNAmRNA只只翻翻译译一一种种蛋蛋白白质质。功功能能相相关关的的基基因因大大多多数数分分散散在在不不同同的的染染色色体体上上，即即使使空间位置很近，也是分别进行转录的。空间位置很近，也是分别进行转录的。（6 6）部部分分基基因因多多拷拷贝贝：某某些些基基因因以以多多拷拷贝贝形形式式存存在在，如如组组蛋蛋

45、白白和和 tRNAtRNA等等，这这样样既既可可满满足足细细胞胞的的需需要要，也也是表达调控的一种有效方式。是表达调控的一种有效方式。491、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

46、（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：不不可可逆逆的的调调控控。如如一一些些低低等等生生物物（如如线线虫虫）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）基基因因扩扩增增是是指指某某些些基基因因的的拷拷贝贝数数大大量量增增加加的的现现象象。它它使使细细胞

47、胞在在短短期期内内产产生生大大量量的的基基因因产产物物一一满满足足生生长长发发育育的的需需要要，是是基基因因活活性性调调控控的的一一种种方方式式。当当细细胞胞对对某某种种基基因因产产物物需需要要量量剧剧增增，单单纯纯靠靠调调节节其其表表达达活活性性不不足足满满足足需需要要，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.然然而而，不不适适当当的的基基因因扩扩增增可可导导致致某某些些疾疾病病的的发发生生，如如基基因因扩扩增增是是癌癌基基因因活活化化的的一一种种主主要要方方式式，某

48、某些些原原癌癌基基因因拷拷贝数异常增加，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）：）：将将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点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

49、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：是是指指DNADNA上上特特定定的的CpGCpG序序列列处处的的胞胞嘧嘧啶啶可可发发生生甲甲基基化化修修饰饰（5 5mCmC）。甲甲基基化化程程度度与与基基因

50、因的的表表达达一一般般呈呈反反比比关关系系。甲甲基基化化程程度度愈愈高高，基基因因的的表表达达则则降降低低。去去甲甲基基化化，又又可可使使基基因因的的表表达达增增加加。DNADNA甲甲基基化化导导致致某某些些区区域域DNADNA构构象象变变化化，从从而而影影响响了了蛋蛋白白质质与与DNADNA的的相相互互作作用用，抑抑制制了了转转录录因因子子与与启动区启动区DNADNA的结合效率。的结合效率。意意义义：调调控控真真核核生生物物基基因因的的表表达达，维维护护染染色色体体的的完完整整性，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