1、Several steps in the gene expression process may be modulated, including the transcription step and translation step and the post-translational modification of a protein. Gene regulation gives the cell control over structure and function, and is the basis for cellular differentiation, morphogenesis

2、and the versatility and adaptability of any organism. Gene regulation may also serve as a substrate for evolutionary change, since control of the timing, location, and amount of gene expression can have a profound effect on the functions (actions) of the gene in the organism.原核細胞基因表達調控Regulation of

3、Prokaryotic Gene Expression一、基因表達調控概述Basic Conceptions and Principle（一）基因表達的概念*基因*基因組(genome)一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。基因經過轉錄、翻譯，產生具有特異生物學功能的蛋白質分子的過程。* 基因表達(gene expression)基因表達是受調控的（二）基因表達的時間性及空間性1、時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發生，稱之為基因表達的時間特異性(temporal specificity)。 多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stage speci

4、ficity)。2、空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cell or tissue specificity)。在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現，稱之為基因表達的空間特異性(spatial specificity)。（三）基因表達的方式按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：1、組成性表達某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續表達，通常被稱為管家基因(housekeeping gene)。無論表達水平高低，管家基因較少受環境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續

5、表達，或變化很小。區別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達(constitutive gene expression)。2、誘導和阻遏表達在特定環境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因。可誘導基因在特定環境中表達增強的過程，稱為誘導(induction)。 如果基因對環境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。基因表達增強表達減弱誘導阻遏環境因素在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協調一致、共同表達，即為協調表達(coordinate expression)

6、，這種調節稱為協調調節(coordinate regulation)。（四）基因表達調控的生物學意義1、適應環境、維持生長和增殖2、維持個體發育與分化二、基因表達調控的基本原理Basic Principle of Gene Expression Regulation a （一）基因表達的多級調控基因激活轉錄起始 轉錄后加工mRNA降解蛋白質降解等蛋白質翻譯翻譯后加工修飾轉錄起始（二） 基因轉錄激活調節基本要素特異DNA序列和調節蛋白質調節蛋白DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質相互作用RNA聚合酶原核生物 蛋白質因子 操縱子(operon) 機制特異DNA序列編碼序列 啟動序列 操縱序列 其他調節序

7、列(promoter)(operator)1. 特異DNA序列和調節蛋白質是RNA聚合酶結合并啟動轉錄的特異DNA序列。1) 啟動序列RNA轉錄起始-35區-10區TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列Pribnow box共有序列(consensus sequence) 決定啟動序列的轉錄活性大小。某些特異因子（蛋白質）決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別

8、和結合能力。2 操縱序列 阻遏蛋白(repressor)的結合位點當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動 ，阻礙轉錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白3) 其他調節序列、調節蛋白例如激活蛋白(activator)可結合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結合，增強RNA聚合酶活性。有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結合啟動序列。真核生物順式作用元件(cis-acting element)可影響自身基因表達活性的DNA序列BADNA編碼序列轉錄起始點不同真核生物的順式作用元件中也會發現一些

9、共有序列 ，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。 2 、真核基因的調節蛋白還有蛋白質因子可特異識別、結合自身基因的調節序列，調節自身基因的表達，稱順式作用。由某一基因表達產生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調節其表達。 反式作用因子(trans-acting factor) 這種調節作用稱為反式作用。 cDNAaDNA反式調節C順式調節 mRNA C蛋白質CBA mRNA蛋白質AA指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結合。通常是非共價結合，被識別的DNA結合位點通常呈對稱、或不完全對稱結構。絕大多數調節蛋白質結合

10、DNA前，需通過蛋白質-蛋白質相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)。3. DNA - 蛋白質蛋白質-蛋白質的相互作用4. RNA聚合酶 原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚合酶活性 RNA聚合酶與其的親和力，影響轉錄。 調節蛋白與RNA聚合酶活性一些特異調節蛋白在適當環境信號刺激下表達，然后通過DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質相互作用影響RNA聚合酶活性。三、原核基因表達調控Regulation of Prokaryotic Gene Expression調節的主要環節在轉錄起始（一）原核基因轉錄調節特點1、因子決定RNA聚合酶識別特異性2、操縱子模型的普遍性3、阻遏蛋白與

11、阻遏機制的普遍性（二）乳糖操縱子調節機制1、乳糖操縱子(lac operon)的結構 調控區CAP結合位點啟動序列操縱序列 結構基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙?；D移酶ZYAOPDNALac operonmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時2、阻遏蛋白的負性調節阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶Lac operon+ + + + 轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時3、CAP的正性調節ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP4、協調調節當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統不

12、能發揮作用；如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對 lac 操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolic repression)。 mRNA低半乳糖時高半乳糖時 葡萄糖低 cAMP濃度高 葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOOThe regulation of lac operon by CAP,repressor,CAMP and inducerTrp Trp 高時 Trp 低時 mRNA OPtrpR調節區 結構基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 ?（

13、三）色氨酸操縱子調節機制轉錄衰減色氨酸操縱子Trp operon衰減子（A）是Trp operon的第二控制系統。 第二控制系統實驗證據提示：Trp operon酶本底只有1/70，Lac operon為1/1000，說明Trp operon的阻遏要比Lac operon低得多，但仍可以滿足細菌適應生存的需要，說明Trp存在第二控制系統。衰減子前導肽（aL）及其空間結構特點aL離E基因上游約3060bp有4個GC特征的片段，其后是8個U，是不依賴因子的終止子，終止作用有賴于前面片段發夾結構形成情況。當Trp，片段3,4形成發夾結構，轉錄終止。有2個串聯UGG（Trp密碼子）全長多順反子6700

14、bp?？?間 結 構特 點DNARPO aL EBCDA aLmRNAL肽UGGUGG1234位于第60位核苷酸-Trp-Trp-UUUUUUUU調節區 結構基因 trpROP前導序列 衰減子區域 UUUU前導mRNA1234衰減子結構 第10、11密碼子為trp密碼子 終止密碼子 14aa前導肽編碼區: 包含序列1 形成發夾結構能力強弱： 序列1/2序列2/3序列3/4 trp 密碼子 UUUUUUUU34UUUU 334核糖體 前導肽 前導mRNA1.當色氨酸濃度高時 轉錄衰減機制 125 trp 密碼子 衰減子結構就是終止子可使轉錄前導DNA UUUU 3 RNA聚合酶 終止UUUU34

15、2423UUUU核糖體 前導肽 前導mRNA 15 trp 密碼子 結構基因前導DNA RNA聚合酶 2.當色氨酸濃度低時 Trp合成酶系相關結構基因被轉錄 序列3、4不能形成衰減子結構 （四）基因重組沙門菌鞭毛素基因的調節 H2鞭毛素 阻遏蛋白 Hin重組酶轉位片段hinH2IH1 H1鞭毛素hinH2IDNA啟動序列H1啟動序列（五）SOS反應 SOS基因紫外線激活Rec ALex A阻遏蛋白 與DNA 損傷修復有關的酶和蛋白質基因表達Lex A阻遏蛋白操縱序列DNA（五） SOS反應(六）原核生物翻譯水平的調控Gene Expression of Translational Level

16、Regulation in Prokaryote 翻譯水平的調控 轉錄是原（真）核基因調控的重要水平，由于原核生物沒有核膜，轉錄翻譯同時進行，所以轉錄后調控余地不大。翻譯是原核生物基因表達調控的另一個重要層次。1、SD序列對翻譯的影響 A. SD序列（SD Sequence,SDs）概念 原核生物mRNA起始密碼子AuG上游3-10bp處有1個RbS稱為SD序列。 （1）種類不同基因有不同的SDs，其一致序列為AGGAGG，從而控制單位時間起始復合物形成的數目，最后控制翻譯產物的數量。 （2）位置mRNA起始密碼子AuG上游4-13bp處，與AuG間隔4-13bp。 1、SD序列對翻譯的影響

17、（3）堿基特點富含A，與核糖體小亞基16SRNA端富含U序列互補，被其識別與結合，mRNA轉錄不久，即被之結合、翻譯。 （4）多順反子編碼多個蛋白質，每1個編碼區前都有1個AuG和SD序列，多個核糖體與SDs結合將蛋白質分別譯出來。B. SD序列對翻譯水平的影響 （1）SDs與AuG距離長短的影響 據認為此距離是影響翻譯效率主要因素。例，重組IL-2，Plac的SDs距AuG 7個核苷酸，IL-2表達最高，距8個核苷酸，IL-2表達降低500倍。 B. SD序列對翻譯水平的影響（2）SDs組成與一致序列差異的影響 Plac3種酶翻譯合成比例為1:0.5:0.2，這種現象反映 SDs與一致序列差

18、異導致核糖體結合速率有快有慢 密碼子對應tRNA太少，等待運輸周轉。C. mRNA二級結構隱蔽SD序列的作用 SDs存在mRNA的二級結構發夾（莖環）中，受到了隱蔽核糖體無法靠近與之結合，只有打開二級結構，暴露位點、方可結合。 例:紅霉素抗性菌有1個質粒omrc 該質粒可以編碼使23srRNA甲基化酶(紅霉素甲基化酶(erythromycin methylase)使23srRNA2057-2060位GAAG的A甲基化，阻止紅霉素結合。（紅霉素通過該位點結合于核糖體）,抑制蛋白質合成。紅霉素甲基化酶可使核糖體對紅霉素產生抗性。C.mRNA二級結構隱蔽SD序列的作用（1）amrc翻譯起始區有一個反

19、向重復順序，其上游先導肽也有一個反向重復序列，類似Trp operon的前導肽，能形成轉錄衰減子發夾結構，稱為翻譯弱化子。（2）紅霉素甲基化酶基因、mRNA與前導肽對應空間結構前導肽 mRNA1.2,2.3,3.4,4.3片段可以互補形成發夾結構SD1前導肽核糖體結合位點SD2紅霉素甲基化酶核糖體結合位點DNAamrCLmRNA前導肽SD1123 SD24紅霉素甲基化酶前導肽紅霉素前導肽4個片形成二級結構情況甲基化酶生成情況23srRNA甲基化與紅霉素抗性無前導肽正常翻譯，正常釋出片段1、2，3、4形成發夾結構隱匿SD2核糖體元法靠近不能譯出紅霉素甲基化酶無23srRNA甲基化無紅霉素抗性有紅

20、霉素結合核糖體使之滯留于前導肽，片段1.2，2.3、成發夾，3.4不能成發夾，暴露SD2核糖體結合，譯出紅霉素甲基化酶23srRNA甲基化，抗紅霉素 當23srRNA全部甲基化后核糖體不再結合紅霉素順利譯出先導肽隱匿SD2 核糖體無法靠近不再譯出甲基化酶。甲基化酶可能有本底水平，當有紅霉素時，可使甲基化酶大量表達。2、mRNA的穩定性 A.細菌基因調控3要素轉錄起始、終止和mRNA的快速轉換 mRNA快速轉換即舊mRNA快速降解，新mRNA快速合成，這是細菌快速適應環境在mRNA的具體體現。B.mRNA降解速度的影響因素（一級結構和空間結構） 不同mRNA降解速度不同，降解作用不是隨機的， 長

21、mRNA不一定較短mRNA穩定性差。 （1）生理狀況、環境因素均影響mRNA的降解，但最重要的是： （2）mRNA的一級結構和二級結構降解mRNA的內切酶主要是：RNase（識別特殊發夾結構），該酶降解片段再被其它核酸酶降解（如3外切核酸酶，RNase）。目前所知，mRNA 終止子（尤是不依賴因子終止子）或類似的發夾結構都可以不同程度阻礙RNase對mRNA的降解。 （3）原核mRNA半壽期多為2-3min，降解NTP用于新的mRNA合成。決定mRNA壽命的許多因素都影響到基因表達。3、翻譯產物對翻譯的調控（蛋白質合成的自體調控） 有些mRNA編碼的蛋白質，本身就是蛋白質翻譯過程中發揮調節作用

22、的因子，這些因子對自身翻譯也起調控制作用。 A.核糖體蛋白 （1）核糖體是1座合成蛋白質流動工廠，沿mRNA移動 快速合成蛋白質。核糖體由rRNA為骨架與核糖體蛋白組成。Ecoli核糖體蛋白質有55種，（大亞基34，小亞基21），核糖體是細菌細胞重要成份之一。 （2）細菌中50余種核糖體蛋白質，基因分布在不同的操縱子中，合成這些蛋白質，速率是與細胞增殖適應的，受生長條件營養環境影響。 （3）實驗證明，這些操縱子轉錄水平是可調控的，但核糖體蛋白合成的控制主要在翻譯水平。因為加入額外操縱子于細菌，mRNA增加，而核糖體蛋白質并不增加。 （4）每1個operon轉錄的mRNA編碼蛋白中的一種（或2種

23、蛋白質復合體）可以結合到多順反子上游的1個特定部位，阻止核糖體結合和起始翻譯。B.翻譯終止子RF2合成的自體調控（1）終止密碼和釋放因子（終止子） 無論原核、真核都有3種終止碼：UAG、UGA和UAA 沒有1種tRNA與終止碼作用，而是由特殊的蛋白因子促成終止作用，這類蛋白因子稱做釋放因子，也有稱翻譯終止子。 原核有3種釋放因子 RF1 識別UAA、UAG RF2 識別UAA、UGA RF3 能刺激RF、RF2的活性。 真核只有1種，即eRF。（2）RF2 mRNA的移框窗口及其附近結構 閱讀框（reading-frame）也稱讀碼。mRNA核苷酸序列中，3個核苷酸為1組（稱為密碼子），由核糖

24、體進行翻譯。每個密碼子代表蛋白質合成中單個氨基酸，閱讀框規定了3個核苷酸組成1個密碼子，這是由起始密碼子AUG決定的。例如AUG CCA AAA UUU CCC可以讀成AUG/GCA/AAA/UUU/CCC，而不會讀A/UGG/CAA/AAU/UUC/CC。 開放閱讀框（open reading-frame）沒有終止密碼子打斷的閱讀，通常是從DNA（不是RNA）順序推論出開放閱讀框的存在。基因密碼閱讀的3個特點每個基因都有特定的閱讀框（如組蛋白），閱讀必須從第1個密碼子開始到最后1個密碼子結束。閱讀是不停頓的，停頓只能合成肽而不是蛋白質。（學理發）閱讀（mRNA）方向53，合成肽鏈方向氨基端羧

25、基端，而不能反之。mRNA 5 AUGGGG UAU CUU UGAC UAC GAC 3合成肽鏈方向 NH2 Gly Tyr Leu Asp -Tyr - Asp-COOH 前面25個氨基酸 后面315個氨基酸(AA) RF2mRNA移框窗口及其結構 移框窗口（轉換區）至少15個核苷酸才能發生移框23 24 25 26 27 28RF2是由340氨基酸組成的蛋白質，它的密碼子并不處于同1個閱讀框中，前25個AA處于AUG所在閱讀框中，后315AA處于（+1）另1閱讀框中。 RF2整個閱讀框分成2個閱讀框，中間多了1個U，U與第26個AA（ASP）密碼子的前2個核苷酸構成了RF2識別的終止碼U

26、GA，而且是前框（25個AA）同框終止密碼子。移框窗口至少含15個核苷酸。 RF2合成的自體調控 細胞內RF2供應充足時當核糖體A位到達第25個密碼子后面的UGA時RF2就促成了肽鏈合成終止。 RF2 RF2mRNA譯至第25個AA 在其后UGA處將不成熟的肽釋放。 胞內缺乏RF2核糖體向前滑動1個核苷酸（U） 即移框作用繼續合成第25個AA 直到最后的終止碼UAG UAG由另1個釋放因子RF1識別并促使RF2肽鏈的釋放。移框作用如此精細的自體調控機制目前仍不清楚，可能與前面25肽的結構有關。（1）低滲omPR Pr. omPF 。 omPC基因關閉。（2）高滲變構OmPR Pr. Ompc ompc mRNA ompc Pr. micF（3）micF能與ompF mRNA前導序列（L）中的44個核苷酸（包括SDs） 及編碼區（包括起始碼AUG）形成雜合雙鏈，從而抑制了ompF mRN