第5章-基因的调控.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,5,章 基因的调控,5.1,基因调控的基本模型,5.2,调控序列与调控蛋白,5.3,基因的分子调控,5.4,原核生物操纵子的特点,5.5,因子级联调控模型,5.6,真核基因的分子调控,多因子调控,5.7,真核基因的染色质调控,5.8,转录后的基因调控,5.9,真核基因的调控模型,Davidson-Britten,模型,5.10,真核基因的多位点协同调控,随着人类及相关生物的基因组计划的完成,人类将进入一个对数以万计的基因进行结构功能的研究时代。,人类基因组仅仅含,2.53,万个基因,，对真核基因的调控机制进行分析并确定基因如何行使它们的功能，将是十分迫切而艰巨的任务。人类的发育、克隆、癌症的治疗、衰老与长寿等重大问题的探索与解决都说明，,今后的基因调控的研究，将以真核细胞的基因调控为主。,5.1,基因调控的基本模型,5.1.1,原核基因调控基本模型,1961,年，提出,乳糖操纵子模型,，,1988,探明，除了启动子邻近下游的操纵区外，还在,-93,位、,+402,位有两个操纵区。,1990,年得到调节蛋白,LacI,的结晶，并清楚,LacI,以四聚体形式结合于,21bp,的操作区。如，异丙基硫代半乳糖苷（,IPTG,）与,LacI,结合，,LacI,的四聚体变构而脱离操作区。,仅靠,核心启动子,的上游是一段,调节启动子,，上游或下游的远处,是增强子序列,（图,5.2,）。,激活因子与调节启动子和增强子结合，并通过结合在核心启动子上的结合因子与溶液中的基本转录机构的相互作用，使基本转录机构集结到核心启动子上，而激活基因转录。,有些激活因子在所有的细胞中表达，而一些仅在某些特定的细胞中表达，调控细胞中某些特殊功能的基因。,基本转录因子复合体,5.2,调控序列与调控蛋白,基因调控完全是一个,DNA,与蛋白质,相互作用的过程。,一些特异的,DNA,序列作为相应的基因的开关，一些基因调控蛋白结合上去打开,/,关闭这些开关，称为,:,正调控（,positive regulation,）,或负调控（,negative regulation,）。,相应的调控蛋白则称为,:,激活因子（,activaors,）,或抑制因子,(repressors),。,5.2.1 DNA,双螺旋的表面可被调控蛋白识别,基因表达总是在,DNA,双螺旋的一条链上进行，想象中的调控蛋白要结合到调控序列上必须把,DNA,双螺旋打开，然后再结合上去。现在知道并不需要如此。,暴露在,DNA,双螺旋大、小沟表面的酶对碱基的外缘都提供了它的氢键供体、氢键受体以及疏水区的情况各异的型式，这些型式是反映四种碱基的准确信息；,调控蛋白就是依靠它们的识别来与调控序列结合。但是，,只有在大沟中才能反映出四个碱基对排列的完整信息,。,调控蛋白一般都结合于大沟中。（图,5.4,）,5.2.2,调控蛋白可以识别,DNA,的几何构型,DNA,双螺旋中，每两个相邻的核苷酸对准确地弯曲,36,0,，形成每十个核苷酸对一个螺旋的几何构型。后来发现多数核苷酸段都有不规则之处，如核苷酸对的倾斜、螺旋弯曲度大于或小于,36,度使双螺旋有轻度的弯曲，累积可使,DNA,出现明显的弯曲。另一个有关的特点是某些序列有可以变形的倾向。这些都可被调控蛋白所识别。,在识别过程中，,蛋白与,DNA,紧密结合,，,DNA,做出一定程度的变形。,5.2.3,调控蛋白含有识别,DNA,序列的结构型式,调控蛋白对,DNA,的识别，归根结底是对,DNA,序列的识别。主要是蛋白质对一定区域的,DNA,双螺旋的特异表面的,强烈互补,。,调控蛋白都含有一种与,DNA,结合的,结构基序（,structural motif,）。,这些型式的每一种都是以,螺旋及,折叠与,DNA,大沟相结合,。（图,5.6,）,大沟含有,DNA,序列相互识别的足够信息,最简单、最常见的一种就是,HTH,（,helix-turn helix motif,）型式。,HTH,有两个,螺旋构成期间有一小段氨基酸连接，两个,螺旋间的相互作用使之保持一定角度。,HTH,肽链的,羧基端,为识别螺旋，与,DNA,大沟中的,DNA,结合；,氨基端,识别特异,DNA,序列方面起作用。,螺旋,-,转角,-,螺旋,(HTH),最早发现于噬菌体的阻抑蛋白中。一个,螺旋位于,DNA,宽沟中，另一个位于穿过,DNA,的角中。,5.3,基因的分子调控,基因的表达与抑制实际上是一个分子水平上的开,/,关机制，而板动这个开关的是细胞周围环境中的各种信号。这种开关机制普遍存在于原核及真核细胞之中，只不过有简单与复杂而己。,5.3.1,单因子调控,-,色氨酸操纵子,色氨酸操纵子（,tryptophan operon,）,5,个相邻的,trp,基因。,Trp,作为一个,辅阻遏物,，其活化特异的,抑制者,与,trp,操纵基因结合阻止转录。,色氨酸抑制者是一种,HTH,型调控蛋白,，,两个色氨酸分子与其结合后才能与,trp,操纵子,DNA,大沟结合。,色氨酸抑制着,是色氨酸调控,trp,操纵子的唯一因子，而,色氨酸,则是开关这个因子的单一信号。,色氨酸阻抑蛋白（,HTH,）的两种状态,奇怪的是转录往往不能彻底完成，大部分,trp mRNA,链的增长刚一开始，在第一个,trp,基因（,gene E,）开始转录前就停止了。,这种奇怪现象是因为在,trpE,与启动子,-,操纵子区域之间存在着一个,161bp,的先导区，在先导区内部有一个衰减区（,123,150bp,）。,RNA,多聚酶往往不能通过这个衰减区只产生约,140,个核苷酸的片段，其中包含一部分衰减区的序列。只有当一个特异的调控因子作用于衰减器的时候，,RNA,多聚酶才能通过衰减区。,色氨酸,的量即能直接影响,trp,阻抑蛋白，也能间接影响衰减区域。,5.3.2,双因子调控,-,乳糖操纵子,乳糖操纵子的基因开关装置是由,正调控与负调控组成,。它的调控蛋白除了,lac,抑制者,外，还有一个,正调控蛋白,-CAP,（,catabolit activator protein,）,又称,基因激活蛋白。,葡萄糖与乳糖作为两个信号,，,分别通过它们对,lac,抑制者与,CAP,的作用而板动基因开关。,因此，乳糖操纵子是双因子调控，它的表达只有当,乳糖存在而葡萄糖缺乏,时才能实现。,（图,5.10,）,Cap,结合于,DNA,后，引起,DNA,弯曲而有利于基因的打开。,Lac,抑制者是由同一肽链的四聚体构成，每一肽链含有,247,个,aa,分子量,37kDa,。,所有抑制者都结合与,DNA,的特殊部位，阻止相应的,mRNA,分子的转录。,DNA,与抑制者结合的特异核苷酸序列，称为操纵基因（,operator,）。,一般说来，一个操纵基因至少有,1012,个碱基与阻抑蛋白以氢键相结合。,Lac,阻抑蛋白一旦与,DNA,结合，便留在上面，直到下次与它的诱导物相互作用。,对乳糖操纵基因，利用它与抑制者结合不被核酸酶消化的特点而得以测定。,整个区域为,21,个,bp,并以第,11,为碱基为中心，两侧的碱基呈交叉对称。,这种对称形式允许四聚体,lac,抑制者的两个亚单位能同时结合于操纵基因。,在某些情况下，一种阻抑蛋白仅能控制一种蛋白质的合成，但也有控制一个以上的蛋白质合成的阻抑蛋白。如：,E.coli,一个阻抑蛋白控制三个酶的合成。,早期认为一个阻抑蛋白只用于一个操纵子。后来发现一个特异的阻抑蛋白可以作用精氨酸合成基因的,3,个不连续的操纵子上。,抑制者可以特异地作用于,2,个操纵子，其中一个在调节基因的左侧，一个在右侧。,正调控和负调控,在负调控系统中，如果不被阻抑蛋白关闭，基因就能够表达。,任何干扰基因表达的作用都是负调控。其共同特点是一个阻抑蛋白或与,DNA,结合，阻止,RNA,聚合酶启动转录，或与,mRNA,结合阻止核糖体启动翻译。,受正调控的基因，仅当活性调控蛋白存在时，才能表达。,正调控中控制特定操纵子的机制正好与负调控相对应。正调控与负调控不同，它不妨碍起始，而调控蛋白对正调控来说，则必不可少。,调节蛋白与,DNA,及,RNA,聚合酶相互作用，协助转录起始。正调节蛋白应答的小分子通常称为激活物,(activator),。,操纵子分为诱导型和阻抑型两类,:,只有在小分子诱导物存在时，,诱导型,操纵子才能发挥作用,.,只有在小分子辅阻抑物不存在时，,阻抑型,操纵子才能发挥作用,.,5.4,原核生物操纵子的特点,（,1,）,由被调节基因的产物所识别的,操纵基因，启动基因以,及,(,为单一,mRNA,分子编码的几个,),相邻的,结构基因,所组成的功能单位总称,-,操纵子（,operon,）,。,启动基因（,promoter,）位于,调节基因,与,操纵基因,之间，在合成,mRNA,时,RNA,多聚酶先结合到启动基因上。,因此，,RNA,多聚酶在转录结构基因之前必须首先通过操纵基因，如果操纵基因和阻抑蛋白结合，则,RNA,多聚酶与启动基因的结合会受到干扰，并使,RNA,多聚酶无法通过操纵基因，这样结构基因将不能表达。,（,2,）,同一操纵子中的,3,种蛋白质不是由,3,个,mRNA,翻译，而是由一个,mRNA,分子携带,3,种蛋白质的遗传信息。在组氨酸生物合成中，操纵子中,10,个基因的密码子也是由一个,mRNA,分子携带的。,（,3,）被一条,mRNA,编码的不同蛋白质的产量不同。,（,4,）许多蛋白质的合成并不适应外界环境的变化。,如：,E.,coli,中控制葡萄糖降解的酶的数量并不因培养基中加入或移去葡萄糖而发生明显变化。,5.5,因子级联调控模型,Losick,和,Pero,（,1981,）提出,因子级联的基因调控模型。认为细菌或噬菌体在不同的生长时期，或不同的生长环境中，所表达的基因种类和程度各不相同，而,因子的级联式交替，则是实现这种专一性调控的重要分子基础之一。,而,Watson,模型指出，不仅有,因子，而且还有反,因子，这二种因子的级联反应，把功能相关而不相邻的一些基因或操纵子组成了一个行使某一功能的统一体系。,早期由宿主的,43,负责转录，中期和后期分别受噬菌体自己编码的两个,因子（,gp,28,、,gp,34,）所控制。,Watson,模型不仅体现了基因调控程序，而且体现了反馈性（反,因子）以及整体性。,5.6,真核基因的分子调控,多因子调控,5.6.1,真核细胞中基因调控的特点,5.6.1.1,真核细胞转录启动是多步骤的,真核细胞的,RNA,转录酶（,RNA polymerase,）本身不能启动转录，必须事先有一套转录因子装配到启动子上，转录才开始，使得转录的启动是多步骤的。,这些因子是独立的蛋白质因子，在启动子上装配成 转录复合体而使,RNA,转录酶就位。,如图：,5.15,5.6.1.2,真核细胞的转录调控蛋白对转录启动子的作用是远距离的，多因子的,增强子（,enhancer,）可位于启动子的上、下游数千个碱基对而发挥作用。,真核细胞增强子上结合着调控蛋白复合体。事实上，一个启动子可被沿,DNA,链分布的很多调控序列及其上面的调控蛋白复合体所调控。真核细胞基因调控是远距离、多因子的调控。,远距离调控的实现是启动子与增强子之间形成一个弯曲（,loop,），而使增强子上的调控蛋白复合体可以直接与启动子上的转录因子及转录酶接触。图,5.16.,5.6.2,真核细胞的调控序列,-,基因调控区,包括启动子及对其调控的所有的调控序列，称为基因调控区（,gene control region,）。,这些调控序列距离启动子或远或近。多数在启动子上游，也有的位于下游。对基因起正调控,/,负调控作用。,5.6.3,真核基因的调控蛋白,5.6.3.1,活化蛋白与抑制蛋白,起正调控的蛋白，称为基因活化蛋白,/,激活蛋白（,gene activator proteins,）。,这种蛋白至少有两个不同的功能区：,一是,具有与特异,DNA,调控序列识别并激活的分子,结构式,（,strctural motifs,）,/,结构域,。,二是,与启动子上的转录机构接触并加速转录启动的,活化区域,/,功能域,。,活化区酸性氨基酸表面带正电荷，具有加速转录因子在启动子装配作用。如,TFIIB,的装配对转录启动有限速作用，酸性活化蛋白能加速,TFIIB,的装配，克服限速。,许多活化蛋白结合在,DNA,的不同的调控序列上来调控它们。,应该强调的是这些基因调控蛋白都必须是结合在,DNA,上才能发挥作用。,并非所有真细胞基因调控蛋白都是活化蛋白，有很多是,基因,阻抑蛋白（,gene repressor proteins,）。,这些阻抑蛋白与原核细胞不同，并不直接与,RNA,转录酶竞争,DNA,结合位点。,作用机制（,图,5.18,）,与活化蛋白竞争结合位点（,A,）；,掩盖活化蛋白的活化表面,(B),；,直接与转录因子相作用而起到抑制作用,(C),。,5.6.3.2,调控蛋白复合体,某些调控蛋白可以单独行动，但多数是以复合体形式发挥作用。复合体结合它的,DNA,序列上，单独蛋白是不能结合的。首先两个蛋白以微弱的亲和力结合，然后结合到,DNA,位点上，这个二聚体随即创造一个为第三个蛋白所识别的结合面。以此类推，形成一个活化,/,抑制的功能集团，或者叫,调控舱（,regulatory,modul,）,。,蛋白复合体作用,/,形成过程（图,5.19,）,蛋白与蛋白之间的作用力很弱，以致它们不能事先在溶液中装配，只能在,DNA,上装配。因此，一定的,DNA,调控序列就成为相应蛋白质装配的“晶核”（,nucleation site,）。,不同的复合体具有不同的活化或抑制转录功能，而同一种调控蛋白却可以参与到不同的复合体。,调控蛋白复合体可以活化基因，也可以抑制基因。,5.6.4,真核基因表达的,组合调控,机制,5.6.4.1,调控蛋白二聚体,组合调控,调控蛋白二聚体（,regulatory dimer,）对,DNA,具有,强的识别和结合,能力。,如亮氨酸拉链二聚体,（,leucine zipper dimer,，,LZD,）。,二条,链螺旋在中部的疏水区氨基酸侧链相互作用而铰链一起形成拉链。拉链部分很短，其余部分的二条,链螺旋彼此分离。这种二聚体结合于,DNA,大沟中（就像一个晒衣夹子夹住晒衣绳）。图,5.20,LZD,与,DNA,结合,LZD,结合结合有同型二聚体（,homodimers,）和异型二聚体,(heterodimers),。,异型二聚体中的二个蛋白具有不同的,DNA,结合、识别特异性，因而具有更高的特异性。,两种蛋白单体可产生,3,种,DNA,结合特异性，,3,种蛋白单体则可产生,6,种不同的,DNA,结合特异性，余此类推。,这就是一种组合调控。通过几种不同蛋白组合而产生灵活、多样的,DNA,结合特异性。是真核细胞具有调控的重要机制之一。,5.6.4.2,调控蛋白,多聚体组合,调控,另一类调控蛋白是以一个或一个以上的,Zn,原子为结构成分。,这类配备,Zn,原子的,DNA,结合型式的蛋白称为“锌指”,(zine fingers),。,锌指蛋白的特点是结构简单，由,Zn,原子所连接的只是一个,螺旋和一个,折叠。另一个特点是一个以上的锌指可以重复成串地沿大沟排列，每一锌指的,螺旋都与大沟,DNA,接触，形成多聚体组合。,锌指结构还有更复杂的，如胞外受体蛋白是两个,螺旋和两个,Zn,原子构成。,锌指结构,锌指结构基序含一个,DNA,结合域。,5.6.4.3,调控舱组合的,立体调控机制,各种调控蛋白组成不同的复合体，它们必须在与相应的调控序列结合的情况下才能活化,/,抑制不同的基因。调控序列是调控蛋白复合体赖以形成与作用的基础。,在同一基因长的调控区（约,50kb,）中往往组织成不同的“舱位”（,module,），特异的接纳在生物体的不同时空坐标中形成的调控蛋白复合体，而使基因有序地表达,/,抑制。,这对于发育过程中性状的表达形式特别重要。,如：果蝇,eve,基因的表达。,果蝇胚胎发育早期的合胞体细胞质中含有各种调控蛋白，它们沿胚胎纵长不均匀分布，因而提供了胚胎各部分的定位信息。不同部分处于不同的调控蛋白的组合浓度中而表达不同的基因。,eve,基因沿胚胎纵轴形成,7,个调控序列舱位，可接纳,7,个不同区域的调控蛋白组合。使之在不同区域表达。,一个基因的众多调控舱的组合调控，是一个基因特异地接受生物体不同时期、不同空间信息而使该基因进行时间与空间的特异表达,-,基因表达与发育分化。,调控舱的组合调控在进化、变异中存在巨大潜力。,5.7,真核基因的染色质调控,第三章已有讨论，本节再作补充。,5.7.1,常染色质与异染色质,异染色质：,高度凝缩且无转录能力的区域，占基因组的,10%,，集中在染色粒周围，高度重复序列，如卫星,DNA,。,常染色质：,凝缩程度轻且有转录能力的区域，虽有转录能力，但并不是全部处于活性状态，不同细胞类型表达不同。,10%,处于活性状态。,5.7.2,染色质结构对基因表达的作用,5.7.2.1,染色质结构的,位置效应,包括异染色质在内的非活性染色质具有使其邻近基因沉默的作用，称为位置效应（,position effect,）。,如：酵母的,ADE,2,基因,。当它在正常位置时正常表达。如人工将其移到染色体末端邻近端粒区域，尽管所需的各类调控蛋白依然存在，但该基因不表达。由于,ADE,2,基因,沉默阻遏了腺苷酸的合成，使酵母菌落有正常的白色转变为红色。,类似的位置效应亦见于果蝇,白眼基因,。正常时眼显红色。突变后被抑制则显白色，因而叫白眼基因。在发育中，白眼基因有时因染色体倒位而接近异染色质，使眼显红白相间的斑点。,5.7.2.2,染色质去凝缩的,活化效应,如：,珠蛋白基因簇，,5,个基因组成。包括调控区在内长达,100kb,。,5,个基因在发育不同时期、不同器官中，专一地在红细胞样细胞中表达。对,DNaseI,敏感，说明染色质已经去凝缩，染色质的高级包装已失去，使,DNA,易于被,DNaseI,接近。,在非红细胞样细胞中,珠蛋白基因簇不表达，抗,DNaseI,消化，说明染色质处于凝缩的包装中。,基因的活化可能分为两个步骤：,首先，染色质去凝缩，使某些调控蛋白易于接近，为转录做好准备。,其次，其余的调控蛋白装配到“调控舱”，而使具体的基因进行特异表达。,去凝缩过程需要一个,DNA,区域,的作用。,该区域称为,LCR,（,locus control region,LCR,），,它位于被调控基因上游的远端，包含在该基因簇,100kb,的调控区内（图,5.27a,）。在地贫病人的红细胞样细胞中，,LCR,遗传性缺失，尽管,珠蛋白基因簇及其调控蛋白依然完整，但基因不能表达。此时的,珠蛋白基因簇具有抗,DNaseI,性能，说明染色质没有去凝缩。,如果把,LCR,序列与人,珠蛋白基因簇及其区域调控序列重组，插入小鼠基因组后，无论那个位置，,珠蛋白基因簇都高水平表达。说明,LCR,序列具有抗染色质位置效应。,5.7.2.3,染色质的异染色质化,真核细胞中广泛存在,常染色质的异染色质化,的基因调控。这种整体性的调控涉及大片段的基因失活，而起遗传平衡的作用。这在生物的发育分化中是至关重要的。,如：人和大多数哺乳动物雌性的两条,X,染色体在早期胚胎（人胚,16,天）都是常染色质，以后则其中一条被持久异染色质化。也就是说在这些细胞中只允许一条,X,染色体上的基因活动，否则将使细胞的功能失调。,lyon,假说：解释该现象。,如：三色猫，,G-6-PDH,无汗腺外胚层发育不良。,lyon,假说：解释该现象。,1,）人胚,16,天开始失活，失活是随机的；,2),体细胞中失活，在生殖细胞中恢复活性；,3,）剂量补偿，不完全失活。,如：,三色猫，,G-6-PDH,无汗腺外胚层发育不良。,讨论,:45,XO,和,XXX,综合征,-,产生异常？,1,）组蛋白和非组蛋白；,2,）高泳动蛋白、,LCR,，特化染色质结构。,3,）基因组甲基化。,再如：半翅目粉蚧科的,蚧壳虫,。它们有,5,对染色体，其雌性的所有染色体都是常染色质，而雄性中来自父方的,5,条染色体被选择地异染色质化。,但是，在某些蚧壳虫属的一些组织中，这些失活的染色体又变成常染色体，而且十分活跃，这说明异染色质化是功能性的，具有调控基因表达的作用。,异染色质化,是在染色质水平上调控基因表达的一种作用形式，而,染色质消减,则是另外一种形式，这是一种不可逆的极端形式。,著名的例子是,马蛔虫的染色体,。,它的合子中有,2,条很大的复合染色体。在卵裂中，只有生殖细胞系细胞维持完整的染色体；而在体细胞中，染色体末端部分的大块异染色质被删除，其余的碎裂为许多小的染色体。,ying,瘿蚊科,则是许多染色体在体细胞中被整条的删除。如,小麦瘿蚊,，,生殖系细胞保留全部,40,条染色体，而体细胞中则消减了,32,条染色体。只保留,8,条,。,类似现象在节支动物、脊椎动物中均有发现。,5.7.2.4,染色质的消减,-,调控基因的,极端手段,染色质消减例子。棘虫新形成的大核保有全部的染色体。,第,15 hr,开始,，,1/3,染色体多线化，,2/3,染色体被降解。,38 hr,左右,多线化达到高潮，,DNA,含量等于原来二倍体全部染色体,DNA,的,16,倍。,50 hr,多线化染色体沿横向囊泡化,93%,区域被消减掉。,75 hr,，大核中的囊泡破裂，染色质 片段散布于大核中。此时,DNA,成分仅为整个基因组的,1.6,倍，而,DNA,含量却为原来的,2048,倍。,近年来，从分子水平研究,DNA,的消减机制。表明，在四膜虫基因组中存在一种染色体断裂序列。,15bp,的保守序列。小核基因组中有许多拷贝，大核中已不存在。在,CBS,识别因子及具有核酸酶活性的辅助因子的作用下，把裂解序列连同它两翼的,20 bp,左右切除。染色体断裂成许多小片端。,5.8,转录后的基因调控,5.8.1,变通性断裂基因表达,断裂基因的初级转录本的剪接中，总是剪除内含子，把外显子依次连接起来。因此，一种断裂基因只能产生一种成熟的,mRNA,，合成一种多肽链。后来发现很多断裂基因在其转录本剪接中，,由于内含子,/,外显子界定的变化，使断裂基因可以产生两种以上甚至几十种成熟的,mRNA,，从而合成几十种肽链。对于这种一个基因多种表达方式的调控机制，目前还不十分清楚。,例如：小鼠,A,水晶体蛋白基因的初级转录本可以产生两种水晶体,mRNA,：,A,水晶体,mRNA,与,A,ins,水晶体,mRNA,。图,5.30.,初级转录本含有,2,个外显子和一个内含子,(1376bp),，内含子中含有个 小的,exon,（,69bp,）剪接后产生两种,mRNA,：,A,水晶体,mRNA,和,A,ins,水晶体,mRNA,。,另一个变通性剪接的例子是,肌钙蛋白,T,基因,。含有,18,个,exon,，其中第,4,8,共,5,个,exon,可以随机组合而产生,32,种组合；再加上,16,、,17,两个外显子是互斥性表达。因而,可能表达,64,种,mRNA,（图,5.31,）。,变通性断裂基因通过不同的剪接方式产生多种肽链，打破了,“一个基因，一个蛋白”，“一个顺反子，一条肽链”,的概念。,变通性剪接实际上是,外显子,/,内含子水平,上对基因表达的调控。,基因内有基因，基因本身变化基因，使基因的定义变得似是而非。分子遗传学把基因放在分子水平上研究的结果，不得不面对这样一个问题：,基因是什么？,肌钙蛋白,T,基因,mRNA,剪接,5.8.2,反义,RNA,反义,RNA,（,antisense RNA,）：是一种与,mRNA,互补的,RNA,分子，它是反义基因或基因的反义链转录的产物。,反义,RNA,与,mRNA,形成的,RNA-RNA,双体结构，阻止了,mRNA,的有效翻译，从而调控基因表达。反义,RNA,不必具有和,mRNA,等长的核苷酸链，短的片段（,50,个核苷酸）就可能起到抑制翻译，调控基因表达的作用。,5.8.2.1 IS10,的多拷贝抑制,IS10,是抑制比较简单的转位,/,座子（,tran-sposon,），又叫插入序列。,它的表达属于一种多拷贝抑制现象。即每个拷贝的转位速率随着细胞中,IS10,拷贝数增加而减少。这种调控机制是由于,反义,RNA,参与转录后抑制的结果,。,IS10,仅仅转录一种蛋白质,-,转位酶（,transposae,）,但它同时在反义链上编码一种反义,RNA,，该反义,RNA,的启动子位于转位酶基因,5,区的反义链之内，其反义序列沿相反方向延伸，直至越过转位酶基因的,5,末端，从而到达调控基因表达的目的。,当,IS10,的拷贝数愈来愈多时，反义,RNA,的浓度也愈来愈高，其反义抑制效应也愈来愈高，而每一拷贝的转位酶的表达则随之降低。这就是所谓的多拷贝抑制。,这是因为在转录酶,mRNA,与反义,RNA,的浓度都很稀的情况下，二者不易形成,RNA-RNA,二聚体。,5.8.2.2 ColE1,质粒复制的反义,RNA,ColE1,是细菌中的一种小的、多拷贝质粒,，同类的质粒还有,pMB1,、,REF1030,、,NTP1,等。,此类质粒的复制是借助一个自,ColE1,复制起点延伸约,500nt,的转录物,-RNA,作为先导链的引物来进行的。而反义,RNA,是在该引物表达区域内的反义链所表达的一小段,RNA-RNA,，约,100nt,。它在,ColE1,复制,过量时，可与,RNA,的,5,末端区互补结合，使其构型改变而丧失引物功能，使菌体中的,ColE1,质粒不能继续复制，而保持数目稳定。,RNAI,的反义效应能调控,ColE1,质粒在细胞里的数目。,ColE1,质粒一般维持,20,个左右，而在,ColE1,因突变部分缺乏反义,RNAI,时，,ColE1,转录数目可达,250.,5.9,真核基因的调控模型,Davidson-Britten,1973,年提出模型，要点：,诱导因子,（激素、细胞内,/,细胞间同类分子）与特异的,蛋白形成复合物,，联结到序列特异的,感应位点,（,S,）上，感应位点使与其连锁的,整合基因（,I,）,活化。整合基因产生的,激活蛋白（,A,），,与特异的序列,-,接受位点（,R,）,结合，从而导致与其连锁的结构基因活化，转录特定种类的,mRNA,。,图,5.33,诱导因子蛋白形成复合物 感应位点（,S,）整合基因（,I,）活化激活蛋白（,A,）接受位点（,R,）结合。,1979,年，,Davidson-Britten,对模型又做了较大的修改，其特点：,1,）该模型已由十年前的基因调控（,DNA,水平）退居为转录水平的调控模型，,是一个转录和转录后所发生的加工过程为基础的调控系统,。,2),提出核内,RNA,包括两个部分：,一部分是,结构基因,转录物，称为,结构性转录本,（,CT,）；,CT,相当于,pre-mRNA,即,mRNA,前体，它含有一个结构基因编码区，少量插入序列，前导序列和短而分散的控制序列。,另一部分是,整合基因,的转录物，称为,整合调控转录本,（,IRT,）。,ITR,由重复序列和单拷贝序列相间组成，或由成群的重复序列组成。,CT+IRT=,二联体,该,模型认为,CT,中的重复序列与相应的,ITR,中的重复序列是互补的，在核内复性而形成,RNA-RNA,二联体。二联体能保证在一定细胞内的一些特异,mRNA,的加工，,使其能成功地在,5,加帽，,3,加,polyA,尾巴，,得以不被降解并顺利进入细胞质中表达。,该模型的修改主要以在海胆方面的一些实验为依据。某一类型的,mRNA,在另一类细胞质中虽然是缺少的，但在细胞核内部却大量存在着它的,mRNA,，这说明核内的,pre-mRNA,的种类远较细胞质中的,mRNA,为多；但是许多,pre-mRNA,在核内就被降解。,5.10,真核基因的多位点协同调控,5.10.1,多位点协同激活的效率,真核,基因转录的协同性,是指多个激活蛋白之间的相互作用，激活蛋白与各,DNA,位点以及激活蛋白与转录因子复合物的协同结合，使基因转录处于多位点的调控之下。,受多位点调控的基因转录呈,S,形曲线，它们协同作用的效果大于每个位点单独作用之和，大大提高了转录激活的效率。,在多位点协同调控的特定条件下，激活蛋白浓度的微小变化就能够导致相应的,mRNA,量的明显变化，使基因表达对不同环境信号的响应具有更高的准确性与灵敏性。,协同激活作用,5.10.2,协同控制模型,为了解释协同作用，人们提出了两个模型。这两个模型并不互斥，而且都有实验证据。,5.10.2.1,协同激活模型,该模型认为，,多个激活因子和多重靶位点的相互作用，具有不同动力学的限速步骤，导致协同激活。,认为，基因转录的是激活蛋白浓度、调控位点个数、激活蛋白结合,DNA,位点的亲和力及转录机构中的特定因子结合启动子的亲和力等多个变量的函数。,不同激活蛋白之间也存在着协同性。,5.10.2.2,增强体模型,模型指出：,激活因子形成了一个增强体，增强体中各种激活结构域和基本转录机构共用表面的不同部位发生相互作用，从而引起对前起始复合体的协同性集结和装配，最终导致协同性的基因激活。,研究表明，激活因子对增强子和调控性启动子的协同结合引发“增强体”核蛋白机构的形成。,增强体理论的要点：,1,）细胞中有一套合适的激活因子时，才能使激活因子组合与,DNA,结合。如果仅存在其中的一个激活因子，因缺乏与其他激活因子协同性相互作用，将阻止它与,DNA,结合。,2,）协同性使激活因子浓度,/,活性的微小变化就能引起基因的活化和抑制。,增强体装配与转录,5.10.3,产生转录激活协同性的三种机制,1,）激活蛋白间的相互作用,Ouchi,等发现,IFN,-,转录时，,BRCA1,和,STAT1,激活蛋白协同性地结合各自的调控位点的过程，涉及了,BRCA1,的,502802,位氨基酸和,STAT1,的,C,端转录激活域之间的相互作用。,2,）激活蛋白与多个,DNA,位点的协同结合,原核体系中，人阻遏蛋白协同性地结合,OR1,、,OR2,、,OR3,三个位点，从而调控,cro,基因的转录。,3,）激活蛋白与转录机构的协同结合,激活蛋白与转录机构结合后使后者的构象发生变化，有利于第二个激活蛋白的结合。,如，,Chi,等发现，转录体系加入,ZEBRA,后,TFIIA-TFIID-TATA,复合物与,DNA,的结合情况发生了明显变化，这预示转录机构的构象可能发生了变化。,实际上，着三种机制可能同时起作用并且彼此联系的。如已经结合在,DNA,位点上的第一个激活蛋白可以通过与第二个激活蛋白发生蛋白质间相互作用，而稳定后者与,DNA,或转录机构结合，从而表现多个激活蛋白协同地结合,DNA,或转录机构。总的协同效应为所有协同机制的叠加。,5.10.4,协同性的本质,上述三种机制都涉及了结合在多个调控位点上的激活蛋白之间直接,/,间接的相互作用。,但是，为什么单个位点的转录曲线是线性的，而只有在多个位点的情况下才表现出,S,形的转录曲线。（图,5.35,）,复习题,核心启动子,操纵子,基因调控区（,gene control region,）,真核基因的调控蛋白作用特点？,调控蛋白复合体的形成及作用？,位置效应（,position effect,）,?,基因阻抑蛋白作用机制？,反义,RNA,（,antisense RNA,）,协同激活模型,