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1、第八章基因表达与调控Gene Expression and Regulation,8.1 RNA转录(transcription),基因表达的第一步以D.S.DNA中的一条单链作为转录的模板，在依赖DNA的RNA聚合酶的作用下，按AU，GC配对的原则，合成RNA分子模板单链 DNA的极性方向为35，而非模板单链DNA的极性方向与RNA链相同，均为53。(书写DNA序列时，仅写非模板序列，可不注明极性方向),某一基因只以一条单链DNA为模板进行转录(不对称转录)RNA转录包括 promotion,elongation,termination 三过程从启动子(promoter)到终止子(termi
2、nator)称为一个转录单位(transcriptional unit)原核生物中的转录单位多为 polycistron in operon，真核生物中的转录单位多为 monocistron,No operon转录原点记为+1，其上游记为负值，下游记为正值,8.1.1 原核生物的RNA转录,启动子(promoter)的结构与功能(E.coli),Promoter 由两个重要部分组成,CAPcAMP binding site7040，基因表达调控的正控制位点,RNA polymerase binding site3510，RNA聚合酶的识别位点和结合位点,CAP：cAMP Acceptor Pr
3、otein(环化AMP受体蛋白)Catabolite gene Activator Protein(代谢分解物基因激活蛋白),Sextama Box：35 site，RNApol.loosely binding siteRNApol.recognition site(R site)TTGACA(Sextama Box),Pribnow Box：10 site，RNApol.firmly binding site(B site)TATAAT(pribnow Box),Initiation site：1 site，RNA 转录起始点(I site)(A/G),RNA polymerase bind
4、ing site including,CAP-cAMP binding site(Activator Region，AR),AR：IR是CAP-cAMP 的强结合位点(7050)AR：CAP-cAMP 的弱结合位点(5040),RNApol.into Sextama Boxinto Pribnow Boxstart transcription,RNA聚合酶(RNA polymerase),for elongation依靠静电作用力，非专一性与DNA 结合结合常数：1011/mol半衰期：60,for initiation依靠空间结构，专一性与 DNA结合结合常数：1014/mol半衰期：数小时
5、,转录的起始和延伸(initiation and elongation),转录的终止(termination),终止子(terminator)：DNA上提供转录停止信号的一段序列,强终止子，Rho-independent terminator 弱终止子，Rho-dependent terminator,强终止子的结构特点,存在回文序列，可形成茎环结构，阻止RNApol.的前进茎环内富含GC，使茎环内不易解开3端常有68个U，便于RNA的释放,存在回文序列，可形成茎环结构，且茎环结构常较短茎环中的GC含量少，茎环易打开3端缺乏连续的AT对由于茎环的存在可使聚合酶转录延宕，转录的终止必须有因子存在
6、,弱终止子的结构特点,8.1.2 真核生物的RNA转录,与转录启动相关的顺式作用因子(cis-factors),启动子(Promoter)：基本水平转录的 cis-factorFor housekeeping gene(constitutive expression)增强子(Enhancer)：特异诱导(高效)表达的cis-factorFor luxury gene(inducible expression),启动子(promoter)的结构和功能(RNA 聚合酶),Core promoter(initiator,TATA box)UPE(Upstream Promoter Element)(
7、CAAT box,GC box),起始因子(initiator)：PyPyANT/(A)PyPy，+1 决定起始强度和起始位点的正确选择TATA box：T A T A A(T)A A(T)，-25(Hogness box/Goldberg-Hogness box)选择正确的起始位点，影响转录速率CAAT box：G G C C(T)C A A T C T，-75控制转录起始活性GC box：G G G C G G，多拷贝，-90控制转录效率,与基本转录相关的反式作用因子(trans-factors),真核生物中RNA聚合酶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,RNA
8、polymerase、,Including L,L subunit&7-12 small subunits,TF，Transcriptional FactorTBP，TATA box Binding ProteinTAF，TBP Associate FactorRAP，RNApol.Associate protein,Trans-factor for basic transcription,真核生物转录过程动画,RNA前体的加工,8.2 蛋白质翻译(Protein Translation),8.2.1 遗传密码(genetic code),三联体密码密码间无逗号，不重叠通用性简并性起始密码子和
9、终止密码子,8.2.2 基本元件,tRNA（转移RNA,transfer RNA，将氨基酸搬运到核糖体上）,tRNA as a adapter for codon&amino acidtRNA loading aa by aa-tRNAaa synthetase(AARS)¶codontRNA recognise codon by anti-codon（反密码子）,氨基酰tRNA分子的形成,rRNA（核糖体RNA,ribosomal RNA，合成蛋白质的工厂）,mRNA（信使RNA,messenger RNA，合成蛋白质的蓝图，将DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体）,In P
10、rokaryote：poly-cistron,5-end：300Nt leading seq.(A/G-AUG),Shine-Dalgarno seq.(S.D seq.),In Eukaryote：mono-cistron,5 m7Gppp-CCACC-A-3-A1U2G3G4,GGAGG,8.2.3 多肽链的合成,Direction of peptide elongation：N C,in Prok.f MettRNAmetf&MettRNAmetmin Euk.MettRNAmetI&MettRNAmetE,AminoacyltRNAaa,肽链合成的起始(initiation),IF-1
11、：9.5kd，加强IF-2，IF-3的酶活性IF-2：95kd-117kd，促使f Met-tRNAmetf 选择性的结合在30S亚基上IF-3：20kd，促使30S亚基结合于mRNA起始部位，具有解离30S与50S亚基的活性,原核生物翻译的起始,真核生物蛋白质合成起始,肽链合成的延伸和终止,释放因子,8.3 基因表达的调控,原核生物对环境的适应，真核生物的细胞分化、组织特化、个体发育以及环境对表型的影响都是基因表达的结果基因表达的调控涉及RNA转录的开/关、数量、选择性加工，蛋白质翻译速率、数量、加工与降解和分泌等遗传信息表达的方式：组成型表达(constitutive expression
12、)，Housekeeping gene诱导型表达(inducible expression)，Luxury gene,原核生物与真核生物基因表达调控机制具有相似性,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,8.3.1 原核生物基因表达调控,原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平，转录调控的基本单元是操纵子(operon),操纵子模型,控制某一代谢途径的相关基因(Z,Y,A)在染色体上串连排列，受同一控制区(I,P,O)控制,P,O 基因(cis-factor)紧密连锁或彼此重叠，I 基因(trans-factor)位点不固定各结构基因按一定比例协调翻译(Z:Y:A=5:2:
13、1),正调控和负调控(Positive&Negative Control),正调控：无调节蛋白时,基因关闭；有调节蛋白时,基因转录激活物(activator)或无辅基诱导蛋白(apoinducer)负调控：无调节蛋白时,基因转录；有调节蛋白时,基因关闭阻遏物或阻遏蛋白(repressor),可诱导(inducible)和可阻遏(repressible),可诱导：信号分子存在 活化无辅基诱导蛋白或钝化阻遏蛋白 基因转录。诱导物(inducer)可阻遏：信号分子存在 钝化无辅基诱导蛋白或活化无活性的阻遏蛋白 基因关闭。辅阻遏物(corepressor),原核生物结构基因的4种表达调控类型,Nega
14、tive control,Positive control,乳糖操纵子(lactose operon)分解酶类,Glucose is present use glucose as a carbon source.Glucose is not present,and lactose is present use lactose as a carbon source.,Animation,NegativeInducible,I iS(Super-reperession mut.)I gene 产物 repressor 不能与 inducer 结合,I iC(Constitutive mut.)I
15、gene 产物 repressor 丧失与O位点结合的能力,E.coli 乳糖代谢的各种突变型的研究,Animation,Animation,等位基因间的显隐性关系：I+/i C,I+i C；i S/i C,i S i C；i S/I+,i S I+,O OC(O gene constitutive mut.)OC失去与repressor特异结合的能力,Animation,OC/O+,顺式显性(cis-dominant),E.coli 乳糖操纵子的正调控,分解代谢阻遏(catabolite repression)：只要培养基中有葡萄糖存在，便会抑制利用其他各种糖(乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)的酶
16、产生,PositiveInducible,色氨酸操纵子(tryptophan operon)合成酶类,控制色氨酸的合成代谢过程。在其操纵子中不存在CAP-cAMP位点，因此和葡萄糖的存在与否无关培养基中缺乏Trp时操纵子打开，加入Trp时trp 操纵子关闭。Trp对转录起阻遏作用,NegativeRepressible,色氨酸的衰减子调控(attenuator control),Animation,8.3.2 真核生物基因表达调控,原核生物与真核生物基因表达调控的差异,基因的丢失(DNA fragment or chromosome lose),有的生物在个体发育的早期在体细胞中丢失部分染色体
17、，而在生殖细胞中保持全部的基因组如马蛔虫胚胎发育过程中有27%DNA的丢失,基因的扩增 特定基因在特定阶段的选择性扩增,蟾蜍卵母细胞rDNA：Amplified by rolling model from 500 copies to 4500大豆rDNA：95 copies from different individuals12 copies from different tissues8 copies from different F1,DNA 重排(DNA rearrangement),酵母交配型转换,单倍体啤酒酵母有和a两种交配型，分别由Mat 和Mat a基因控制两个不同交配型细胞可
18、以相互交配，而相同交配型细胞不能交配交配型转换(mating-type conversion):某些品系的酵母具有从a型转换成型，或从型转换成a型的能力交配型转换依赖于显性基因HO(homothallism,同宗结合),酵母菌交配型转换,Cassette model,T.B.Hicks,1977,所有细胞都含有形成MAT a 和MAT 型的潜在信息。位于MAT基因左侧的为 HML，右侧的为 HMR aMAT 是活跃盒(active cassettes),HML 和 HMR a 是沉默盒(silent cassettes)当活跃盒被沉默盒的遗传信息所取代时就发生了交配型转换,交配型转换的分子机制
19、,染色质(chromatin)结构与基因表达,转录活化区/非转录活化区染色质结构差异,转录活化区：核小体结构不完全，No H1 in linker DNA表达非常活跃的 rDNA 转录区无核小体结构凡被Trans-factor结合的区域，均能阻止核小体形成H2A,H2B,H3,H4组蛋白若被乙酰化或磷酸化修饰,DNA甲基化,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相差很大。胚胎细胞与特化体细胞相差106DNA甲基化抑制转录,转录水平的调控,选择性剪接(Alternative splicing),相同的pre-mRNA，由于5、外显子、3等选择的不同，使成熟
20、的mRNA也不同，结果编码了不同的蛋白,Alternative splicing in mouse Igheavy chain gene,翻译水平的调控,mRNA的稳定性,真核生物中不同基因mRNA半衰期相差很大，降解速率明显不同，是一种翻译水平的调控机制mRNA的二级结构，加“帽”的种类，Poly A 的长短等决定mRNA的稳定性,mRNA poly(A)+PABP(poly A binding protein),短效mRNA：迅速降解、快速更新,mRNA的结构对翻译水平的调控,5非翻译区(5 untranslated region,5 UTR),m7GpppN(Cap)：具有增译作用，Ca
21、p+poly(A)具有增译的协同效应AUG flanked consensus seq(-3A,+4G)：具有促译性，普遍性5UTR二级结构的影响：Hairpin(Stem-loop)顺式阻扼40S亚基的迁移G/C多，阻扼强；G/C近AUG,阻扼强5L.S 存在AUG 对第一个AUG密码的起译产生负控效应5-AUG-AUG-NNN-,3非翻译区(3 untranslated region,3 UTR),对生长因子，癌基因蛋白mRNA分析,在3UTR存在富含UA的8Nt保守重复区(UUAUUUAU相间排列),UUAUUUAU重复的拷贝数对翻译的抑制效应成正比Poly(A)tail 稳定mRNA 增译作用Poly(A)的长度与增译作用成正相关,The End,
