第二章 代谢调节3

转录前起始复合物（PIC）的形成
2.1.2.1.3
顺式作用元件（cis-acting
elements）
是指真核生物基因组中参与调控自身DNA链内结构基因转录
活性的特异碱基序列(调控序列) 。
启动子
增强子
结构基因
-2530bp 转录起始点 （＋1）
5'
-60100bp
-4060bp
CAAT
G录因子的协助
（1）与RNA polⅡ对应的转录因子为TFⅡ类
（2）TFⅡ类转录因子有A、B、D、E、F、H、J等多种
亚型
（3）转录启动前，TFⅡD与RNApolⅡ及其他TFⅡ类 转录因子按一定时空顺序结合先形成PIC。
（已知TFⅡ类转录因子参与几乎所有转录过程，
又被称为通用转录因子
操纵子
编码序列（结构基因） —— 表达酶蛋白 多顺反子mRNA：
功能上相关联的多个结构基因串联在一起、被转录成一 个mRNA、翻译成多种蛋白质，这种mRNA被称为多顺反子 mRNA。

2.1.1.1 诱导剂诱导酶蛋白合成的机理
（基因表达与培养液中存在的碳源有关）
（1） 培养液中存在高浓度Glc, 或Glc 和 Lac同时存在时， E.coli优先利用葡萄糖——“葡萄糖效应”；
2.1.1
原核生物基因表达的调控（转录水平）
Jacob and Monod (1961)
操纵子（operon）
是由功能上相关联的多个编码序列（结构基
因）及其上游的调控序列串联在一起构成的一个转
录协调单位。
operon
调控序列
Regulatory gene
I
CAP site
编码序列
operator
可以通过阻遏蛋白的负性调控，使Lac操纵子结 构基因关闭；
（2）Glc被耗尽，或存在高浓度Lac时，
可以通过乳糖（别乳糖）诱导，使基因开启；并
需要CAP-cAMP的正性调控。
培养液： 存在高浓度Glc, 或Glc和Lac同时存在时，E.coli不
利用Lac.，乳糖操纵子结构基因关闭。
培养液：Glc被耗尽，或只存在高浓度Lac时， E.coli 利用
CAP是别构 蛋白，需要被 cAMP结合形
无Glc时
成活性复合物，
才能发挥正性
调控作用。
Glucose
cAMP的水平受培养液中葡萄糖浓度的影响
激活PDE
高浓度Glc →分解代谢产物
抑制AC
→cAMP水平→ 不能激活CAP
不能实现CAP-cAMP的正性调控
（出现Glc效应的原因）
启动Lac的 Glc耗尽后 诱导作用
结果：两组线虫体内的par-1基因表达均被抑制
华盛顿卡内基研究院Fire A博士注意到，Guo博 士研究结果已经不能单用反义RNA技术来解释了，推 测可能还有其它的成分参与了这一过程。 对同源mRNA表达 纯化的反义RNA
有弱的抑制作用
分别注入 线虫体内
纯化的正义RNA
dsRNA杂合体
有强烈抑制作用
组织特异性增强子——受特异调节蛋白调节 诱导性增强子——受激素或细胞因子诱导而产生的调节蛋白
③ 沉默子的负性调控，也必须与特异调节蛋白结合后才能发挥 调节作用。
CAAT盒
GC 盒
TAAT盒
（＋1 ）
promoter
顺式作用元件（启动子、增强子、沉默子的调控作用， 均需相应的转录调节蛋白的参与。）
2.1.2.1.4
参与RNAi机制幷发挥重要作用的酶蛋白
TATAAT
编码链（＋）
3'
模板链（ ）
-
启动子（promoter） 根据顺式作用元件的作用和位置 又有 增强子(enhancer) 沉默子(silencer)
35
（1）启动子
位于转录起始点上游，能被RNApolⅡ识别、结合，启动转录的 一段碱基序列。常有特殊的共有序列：
共有碱基序列——TATA盒、GC盒、CAAT盒等 TATA盒（核心序列）——是TFⅡD和RNA PolⅡ结合位点
2.1.2.1.1 组蛋白与非组蛋白
DNA 真核生物染色体主要由三大类成分 组蛋白（富含Arg、Lys） 非组蛋白（酸性蛋白）
其中由DNA和组蛋白构成核小体, 作为染色体的 基本单位。
核小体组成
由组蛋白H2A、H2B、
H1 H1
H3和H4各2分子组成八聚
体为核心，外绕1¾ 圈DNA 双链（146bp）, 构成核小
其中有些基因在各种细胞内是以恒定水平表达的， 这些基因被称为管家基因。 以恒定水平表达的方式，被称为组成性表达。
(如β-actin, G3PD)
可诱导基因：
这些基因需在特定环境信号刺激下才能表达，被
称为可诱导基因。
能增强基因表达的物质，称为诱导剂（inducer）。
可阻遏基因
另有一些基因在特定环境信号刺激下，表达水平 下降，称为可阻遏基因。 能阻抑基因表达的物质，称为阻遏剂(repressor)。
2.1.2.1.5
反义RNA(antisense RNA)
Mizuno and Simons(1983年)发现: 能够通过碱基互补与细胞内同源mRNA（为正义RNA）结合， 从而抑制mRNA翻译为蛋白质的RNA，称反义RNA。
1995年复旦大学Shu Guo博士在美国康奈尔大学实验：
反义RNA注入线虫体内→以阻断par-1基因表达 正义RNA注入线虫体内（作对照）→期待观察到增强效果
（1）基因组结构庞大
3 X 109bp , 约含3.0万个基因, 95％为非编码区
（2）由DNA、组蛋白和酸性蛋白形成超螺旋管的染色体结构而存在
（3）含大量重复序列（高度/中度/反向重复序列）
（4）结构基因为单拷贝序列,单顺反子转录
（5）断裂基因（内含子、外显子间隔排列）
染 色 体 的 组 装

断裂基因（splite gene）
反式作用因子（
trans-acting factor）
能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控特异
基因转录的一类调节蛋白, 或称转录调节蛋白、转录因子 （transcription
factor,
TF）。
按其功能不同，常分以下两大类： 基本转录因子 ——指参与形成PIC的TFⅡ类调节蛋白 转录抑制因子——与沉默子结合 特异转录因子 转录激活因子——与增强子结合
体，核小体之间含1个H1
组蛋白，由一条DNA链串 连起来形成念珠样结构。 组蛋白——呈碱性，对DNA
转录有阻抑作用： 非组蛋白——一类转录调控 蛋白，参与转录调控
组蛋白H2A、H2B、H3 和H4的肽链N末端尾, 特定位 点上的氨基酸残基（如Lys/K） 可发生酶促共价修饰： 如乙酰化、磷酸化、甲基 化、泛素化等，参与调节基因 转录活性。 目前已发现有100多个位 点发生了共价修饰，对基因转 录起到激活或抑制作用。已有 30多种特异的组蛋白修饰抗体 可供试验。 研究发现：组蛋白乙酰化修饰，促进基因转录； 组蛋白去乙酰化，使基因沉默。
PDE↓、AC↑
→ cAMP水平↑→CAP-cAMP 与 CAP位点结合
促进RNA pol Ⅱ活性
增强基因转录活性
Lac 操纵子基因转录的调控（要点）
（1）受阻遏蛋白的负性调控和CAP的正性调控的协调
作用，控制基因转录速率；
（2）在Glc和Lac都存在时，优先利用Glc,通过阻遏蛋
白的负性调控，关闭基因；
在序列Ⅰ中，第
10、11位有两个Trp
密码子。
“衰减子”结构 的形成与序列Ⅰ中 的两个Trp密码子有 关。
色氨酸操纵子的“衰减子”调 控
“衰减”控制是原核生物普遍存在的精细而灵敏的转
录调控机制
2.1.2
真核生物的基因表达调控
1）基因表达在细胞核和胞质不同时空中进行
2）真核生物基因组结构复杂（有如下特点）
实验结果证实dsRNA具有强烈的阻抑基因表达的作用
Fire A 将dsRNA对同源mRNA表达的阻断作用称之为
RNA干扰（RNA interference, RNAi）。
1998年，Fire将实验结果公布于Nature杂志。
安德鲁· 法尔
克雷格· 梅洛
2006年，Fier A and Mello C 两人因发现RNA干扰机制同获诺贝尔生理学医学奖
O A
promoter
P
RNA聚合酶 附着部位
structural genes
B C
转录 多顺反子mRNA 翻译
阻遏蛋白 受体部位
cAMP-CAP
阻遏蛋白
结合部位
A、B、C 3个蛋白质
操纵序列 —— 阻遏蛋白受体部位
调控序列
启动序列 —— RNA聚合酶附着部位 CAP位点 —— cAMP-CAP结合位点 调节基因 —— 表达阻遏蛋白
转录因子两个重要的功能结构域
DNA结合域（DNA binding domain, DBD）
转录激活域（activating domain, AD）
锌指（zinc finger）结构
DNA结合域(DBD)
亮氨酸拉链（Leu zipper）结构
螺旋－转角－螺旋（helix-turn-helix, HTH）
（3）Glc耗尽后，乳糖/别乳糖作为诱导剂，并通过
cAMP-CAP正性调控，促使基因转录。
2.1.1.2
阻遏剂阻抑酶蛋白合成的机理
色氨酸操纵子（Trp operon）
R
调节基因表达无活性的阻遏蛋白， 不能与操纵序列结合，RNA聚合酶催化
色氨酸作为辅阻遏物，与阻遏蛋 白形成有活性的辅阻遏物－阻遏蛋白 复合物。后者与操纵序列结合阻止 RNA聚合酶移动，基因关闭。