1、第五章生物的调控生物的复杂的调节控制过程是在长期进化发展和自然选择过程中逐步建立起来的。低等的单细胞生物体内就已经存在着酶和细胞水平的调控过程，如酶的反馈变构调节，酶自身合成的诱导和阻断，以及酶在细胞内的定向输送等。细胞水平的调节在遗传信息的流向的各个层次都可能发生。酶和细胞水平的调节是最基本的调节方式，为一切生物所共有。单细胞生物只含有细胞水平和酶水平的调控，植物除此之外还有激素水平的调控，动物细胞在进化上处于最高地位，还产生了神经水平的调节。多细胞生物的进化，形成了一个由生物大分子、细胞器、细胞、组织、器官组成的多层次的统一整体，在各个层次之间，彼此间的相互协调，对于完成细胞分裂、分化及生
2、长发育都极为重要，因而，在这些生物中，出现了更高一级的调节控制如激素水平调节、神经水平调控，但它们仍然是以酶和细胞水平调控作为基础。生物调控的重要性：例子1细胞全能性植物细胞的全能性(totipotancy)指植物的每一个细胞具有该植物的全部遗传信息和离体细胞在一定培养条件下具有发育成完整植株的潜在能力。在一个完整的植株上，某部分的体细胞只表现一定的形态，行使一定的功能，这是由于它受到具体器官或组织所在环境的束缚，但其遗传潜力并没有丧失。一旦脱离原来的器官或组织影响，如处于离体状态时在一定的培养条件下，就可能表现出全能性，并发育成完整植株。动物细胞也具有全能性，克隆羊“多莉” 。2肿瘤的分子生
3、物学研究肿瘤细胞之所以成为恶性细胞，其关键的生物学特征就是增殖与分化调控的失常，它们能持续地生长和分裂。在高等生物体内，体细胞的生长分化是有限度的，它们受到了严密的控制，主要通过增殖因子(Proliferative factor, RF)、抑制因子(Inhibiting factor, IF)和分化因子(Differentiating factor， DF)的相互作用，彼此制约而维持一定的平衡，协调着细胞的分裂与成熟，使细胞生长分化处在一个网络系统的整体调控之下。增殖因子是一类对细胞生长必不可少的物质。包括常见的多肽类生长因子，如上皮细胞生长因子 EGF、神经生长因子 NGF、某些激素、小分子
4、生长因子如环核苷酸、Ca 2+。癌基因(Oncogenes) 最早发现于逆转录病毒，在动物的正常细胞中也存在与病毒癌基因相似的 DNA 序列称为原癌基因(Proto-oncogenes) ，它们具有正常功能，但又易受各种因素的影响，通过不同的途径被激活，导致细胞癌变。在正常情况下，原癌基因是一大类与细胞分裂调控有关的基因群，涉及细胞信号传递，系统的各个层次，其产物包括生长因子、生长因子受体、信号传递物、蛋白激酶及转录激活因子等。他们的正常生理功能是调节细胞增殖活动，与细胞的生长分化密切相关，因而在细胞的发育中具有不可替代的重要作用。抑癌基因(Tumer-suppressor gene，Anti
5、oncogenes)则是一类可阻止细胞分裂，抑制细胞生长并能潜在抑制癌变作用的基因，包括编码抑制细胞生长物质的结构基因、调控基因表达的调控序列及某些与基因组稳定性有关的基因等。抑癌基因的主要生理功能就是参与组织；细胞的分化过程。原癌基因与抑癌基因都是控制细胞生长分化的基因，是细胞生长分化一般调控途径的：组成成分。它们通过所编码蛋白的相互作用而构成了细胞生长正负调节的两个方面，如果：所原癌基因是正常细胞增殖调控的正信号，促进细胞进入增殖周期，阻止其发生分化，那么抑癌基因就是细胞增殖调控的负信号，促进其发生分化成熟。细胞癌变就是体细胞中本已关闭的与细胞增殖活动相关的基因群中某些基因又被重新打开，或
6、是功能分化基因群中某些基因被不适当地关闭所造成的后果。3 “后基因组时代”的生物学20 世纪生物学最宏伟的计划是人类基因组的作图与测序(Mapping and Sequencing the Human genome)，该计划总的目标是以美国为主，通过国际合作，在 15 年内完成人基因组 23 条染色体上基因的作图和 DNA 全长(3X10 9bases)的测序。从 1989 年计划实施以来，进展迅速。1994 年，全套遗传连续图; 1996 年，高密度遗传图。1995 年春，在美国冷泉港等地召开的一系列人类基因组会议上，许多科学家乐观地预测 2001 年就可能提前完成全部测序任务。人类基因组计
7、划已经于几年前完成，但是它给人类社会带来的变化并没有如过去想象的那么大，很是令人失望。在完成人类基因组 DNA 测序以后，更艰巨的任务是蛋白质基因纽及其基因的功能，人和生物是由细胞组成的多层次的复杂系统，其生长、发育和各种功能活动都是系统的行为，只能通过对系统的分，析研究才能了解，因此，除需要进一步寻找在生物学上重要的个别基因并研究其结构和功能外，更重要地应了解整个基因组及其产物，如何协同调节细胞和生物体的功能活动。这就需要了解在一定分化时期或功能状态的细胞是全套基因表达谱(Gene Expression pattern )及全部基因产物谱蛋白质谱。光了解基因并不能完全了解生物，如人类疾病，例
8、如镰刀形贫血症。艾滋病作为“超级癌症” ，已有传染全球之势。它的病因明确、发病过程基本清楚、病原体的基因细微结构都已探明，但是找不到有效的治疗和预防办法。第一节 基因表达的调控一、转录前水平的调控(一)染色体的丢失某些低等真核生物，如原生动物、线虫、昆虫和甲壳类如剑水虱(Cyclops)在个体发育过程中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分染色体，从而使染色质减少约一半，只有将来产生生殖细胞的那些细胞一直保留整套染色体。马蛔虫受精卵细胞内只有一对染色体(2n=2) 。这对染色体上排列着许多着丝点，在由受精卵发育为成体的早期阶段只有其中一个着丝点行使功能，保证了正常有丝分裂的进行，当个体发育到一定阶段
9、后，在将采分化产生体细胞的细胞中这对染色体破碎，形成许多小的染色体，其中有的小染色体含有着丝点。它们在以后的细胞分裂中都将保持下去，而有些小染色体不含着丝点，它们因而不能在细胞分裂中正常分配而丢失，而在将来形成生殖细胞的细胞中，不存在染色体破碎现象。原生动物四膜虫（Tetrahymena）含有一个大核和一个小核，大核由小核发育而采。大核为营养核，可进行转录，小核为生殖核，无转录活性。在发育过程中，有多处染色质断裂，并删除约 10的基因组 DNA，有些部位 DNA 切除后两端又重新连接。在删除这些序列之前基因并不表现转录活性，删除之后即成为表达型的基因，因此推测这些被删除序列的存在可能抑制了基因
10、正常功能的表达。哺乳类的红细胞，它在成长过程中整个核都丢失了。(二)异染色体质化凝缩状态的染色质称为异染色质，为非活跃转录区哈真核生物可以通过异染色质化而关闭某些基因的表达。例如：雌性哺乳动物细胞有两个 X 染色体，其中一个高度异染色质化而永久性地失去活性。(三)基因扩增基因扩增指细胞内某些特定基因的拷贝数大量增加的现象，它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调控手段。某些脊椎动物和昆虫的卵母细胞，为储备大量核糖体以供卵细胞受精或发育的需要，通常都要专一性地增加 rRNA 的基因 rDNA。例如非洲爪蟾体细胞中 rDNA 拷贝数，约有500 个，而在卵母细胞中的拷贝数约 2,
11、000,000 个，增加了 4000 倍。这些 rDNA 约占了整个卵母细胞 DNA 的 75，可以形成 1000 个以上的核仁，可以用来转录合成卵裂期所需的1012 个核糖体所需的 rRNA。一般认为在扩增中基因组上的一个 rDNA 重复单位( 包括转录区和间隔区)被切除下来且两头连成环，然后再以这个环状 rDNA 为模板，进行滚环复制。扩增后，新形成的 rDNA 并不是以一条长链 rDNA 串联重复的形式出现，而是以一个个及环状 DNA 小分子的形式出此现。这些小分子含有的 rDNA 拷贝数多少不等，绝大多数有两个以上的拷贝。扩增一般在卵细胞成熟时停止。所合成的 rDNA 开始逐渐降解，当
12、受精卵经过儿轮分裂产生数百个细胞后，这类染色体外 rDNA 便完全消失。原生动物纤毛虫的大核在发育过程中也要扩增 rDNA，这些 rDNA 以微染色体 (mini-chromosome)的形式大量存在于大核内。昆虫在需要大量合成和分泌卵壳蛋白(chorion)时，其基因也先行专一性的扩增。在癌细胞中常可检查出有癌基因的扩增。(四)染色体 DNA 序列的重排1啤酒酵母结合型互变(mating-type interconversion)单倍体酵母有 和 a 两种结合型，分别由 MAT和 MATa 控制。这两个位点互为等位。一个特定的单倍体细胞或是 a 结合型或是 结合型。两个不同结合型的细胞可以结
13、合，而相同的结合型不能结合。对不同结合型的识别是由于分泌激素的不同，MAT 细胞产生 因子，MATa 细胞产生 a 因子。 型可以转变为 a 型，a 型也可以转变为 型。解释结合型互变的模型叫做匣子模型 (cassette model)。2高等动物和人体淋巴细胞抗体基因的重排抗体(免疫球蛋白)包括两条轻链(L 链)和两条重链(H 链) 所组成，它们分别由三个独立的基因族(gene family)所编码，其中两个编码轻链( 和 ) ，一个编码重链。小鼠的、 和重链分别位于第 6，16 和 12 号染色体上。决定轻链的基因族上分别有L、V、 J、C 四类基因片段。L 代表前导片段(1eader s
14、egment)，V 代表可变片段(variable segment)，J 代表连接片段 joining)。决定重链的基因族上共有 L、V 、D、J、C 五类基因片段，其中 D 代表多样性片段 (diversity segment)。在 J 和 C 片段之间还有增强子(enhancer)。小鼠的重链和 链基因族共有 V 片段约 200 个， 的 V 片段片段约 9 个。J 片段和D 片段各有 5 个和 12 个。人体的抗体基因族结构大体相似，但分布于不同的染色体上。当淋巴细胞受到抗原的刺激而分化成为浆细胞时，首先发生重链基因族的重排，即由一个 V片段与一个 D 片段连接，然后与一个 J 片段连接
15、，形成 V-D-J 可变区，当可变区链重排连接到恒定区增强子附近时即可开始表达。恒定区存在 、3、1、2b、2a、和 八个片段。最初转录的是 链，经过恒定区基因重排，依此可以转录其后的各个片段。 轻链需经过 V-J 连接才能表达。如果 链重排不成功，则由 链进行 V-J 连接而顶替 链。这种重排是通过拼接机制而实现的。(五)染色质 DNA 的修饰(DNA 甲基化和去甲基化)DNA 的碱基可被甲基化，主要形成 5-甲基胞嘧啶(m5C)和少量 6-甲基腺嘌岭(m6A) 。绝大多数甲基化发生在 CG 核苷酸对，而且通常两个 C 都发生甲基化。生物体内有两类甲基化酶，一类为保持性(maintenanc
16、e)的甲基转移酶，可在甲基化的母链( 模板链) 指导下使对应部位的发生甲基化，另一类为从头合成(de novo)的甲基转移酶，它不需要母链的指导。去甲基化的途径可能有两种，或是由去甲基酶去除，或是在 DNA 复制时由于某种原因甲基化酶未能在半甲基化处催化甲基化，从而在以后的 DNA 复制中产生完全去甲基化的 DNA 分子。采用 5-氮胞苷(5-azacydine)可以人为地造成去甲基。5- 氮胞苷可以在 DNA 中取代胞苷，它没有游离的 5-H，因而不能接受甲基。用 5-氮胞苷处理细胞，可以改变基因的表达和细胞分化的状态。比如，使非肌肉细胞的前体分化成肌肉细胞、诱导整合在染色体中的原病毒表达、
17、激活哺乳动物雌性动物失活的 X 染色体上某些基因的表达。后一发现似乎表明 X染色体似乎表明 X 染色体的失活与 DNA 甲基化状态有关。基因的转录活性与基因组 DNA 和染色质的空间结构状态有关。DNA 与染色质蛋白质和少量 RNA 结合，产生超螺旋化和折叠，并被高度凝缩。例如人细胞含有 5.74X109bp，总长约 2 米，压缩在 46 个配对的染色体中，总长只有 200 微米，压缩比达 10no 在比较疏松的区域即所谓常染色质上，能活跃地进行转录，而在高度凝缩的异染色质上则很少出现RNA 的合成。因此真核生物基因的活化可分为两个步骤：首先由某些调节分子结合在基因的特异部位并改变染色质结构，
18、此时其疏松化，然后才能由激活蛋白和阻遏蛋白或其他调节物进一步影响基因活性。近年来，对 DNA 甲基化与去甲基化作为基因表达调节的控制环节这一概念已经得到了愈来愈多的实验的支持。在生物发育和分化过程中，DNA 甲基化能关闭某些基因的表达，去甲基化能诱导基因的重新活化。研究表明，DNA 甲基化作用能引起染色质结构、DNA构象、DNA 稳定性以及 DNA 与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制着基因的表达。二、转录水平的调控(一)原核生物的操纵子模型1.乳糖操纵子乳糖操纵子是一个诱导系统，它控制的是分解代谢，底物小分子的存在诱导操纵子打开，合成一系列酶系，催化乳糖的分解。大肠杆菌乳糖操纵子(lacto
19、se operon)包括 3 个结构基因：Z、Y 和 A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录时，RNA 聚合酶首先与启动区(promoter,P)结合，通过操纵区(operator,O)向右转录。转录从 O 区的中间开始，按 ZYA 方向进行，每次转录出来的一条 mRNA 上都带有这 3 个基因。转录的调控是启动区和操纵区进行的。Z 编码 -半乳糖苷酶；Y 编码 -半乳糖苷透过酶；A 编码 -半乳糖苷乙酰基转移酶。-半乳糖苷酶是一种 -半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他 -半乳糖苷（如苯基半乳糖苷） 。- 半乳糖苷透过酶的作用是使外界的 -半乳糖苷（如乳糖）能
20、透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶 A 上的乙酰基转到 -半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。 Z、Y、A 基因的产物由同一条多顺反子的 mRNA 分子所编码。 这个 mRNA 分子的启动子紧接着 O区，而位于 I 与 O 之间的启动子区（P） ，不能单独起动合成 -半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 操纵基因是 DNA 上的一小段序列（仅为 26bp） ，是阻遏物的结合位点。当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA 的转录起始受到抑制。诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发 lacmRNA 的合成。当有诱导物存在时，操纵基
21、因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始 mRNA 的合成。当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，lac 启动子表达受阻，没有 -半乳糖苷酶活性；当葡萄糖消耗完以后，细胞内 cAMP 浓度增加，- 半乳糖苷酶活性被诱导，一度停止生长的细胞又恢复分裂。如果将细菌放在缺乏碳源的培养基中，细胞内 cAMP 浓度就很高；若在含葡萄糖的培养基中培养，细菌中的 cAMP 浓度就会很低；如果将细菌置于甘油或乳糖等不进行糖酵解的碳源培养基中，细菌中 cAMP 的浓度也会很高。研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑制(Catabolite repression)现象的实质是该代谢物降低了细胞中 cAMP 的含量。事
22、实上， cAMP-CAP 复合物是 lac 体系的 positive regulator，它们不能代替 lacI 和 lacO 的功能(negative regulator)。cAMP-CAP 在原核生物中对多种操纵子都有类似的转录激活作用。具体的作用机理的细节有所不同，根据启动子的不同分为三类。第一类其结合位点位点在启动子上游几十bp，其激活转录需要其它的因子，如乳糖操纵子。第二类 CAP 结合位点与启动子重叠，似乎取代了通常的-35 区，只需要 CAP 就可以激活转录，如半乳糖操纵子。第三类 CAP 的结合位点在转录的起始点上游约 100bp，它们没有共同的模型，需要其它各不相同的因子激活
23、转录，如 araBAD promoter。 2.阿拉伯糖操纵子细菌中有一个阿拉伯糖操纵子(arabinose operon)，在葡萄糖馈乏时，它能利用阿拉伯糖(arabinose)作为能源。ara 操纵子分散在大肠杆菌染色体图 1 分、6 分和 45 分三处。它含有编码阿拉伯糖分解代谢酶系的基因 araBAD，阿拉伯糖 C 基因编码一种 C 蛋白,它能激活阿拉伯糖 BAD 操纵子的转录，此操纵子由 araB,araA 及 araD 基因组成阿拉伯糖是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要 3 个基因：araB 、araA 和araD，分别编码 3 个酶：araB 基因
24、编码核酮糖激酶(ribulokinase)，araA 编码 L-阿拉伯糖异构酶(L-arabinose isomerase)，araD 编码 L-核酮糖 -5-磷酸-4-差向异构酶(L-ribulose-5phosphate-4epimerase)。与 araBAD 相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC，这个 AraC 蛋白同时显示正、负调节因子的功能。AraBAD 和 araC 基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上，araBAD 基因簇从启动子PBAD 开始向左进行转录，而 araC 基因则是从 Pc 向右转录。ara 纵子还含两个操纵基因araO
25、1 和 araO2。araO2 对于 BAD 有效阻遏是必不可少的， araO1 则控制着 araC 的转录。此外还需要另外一个正调节因子 CAP-cAMP 结合到靠近 PC 启动子的 CAP 位点，协同激活araBAD 的转录。ara 操纵子的调控：AraC 蛋白在 ara 操纵子不同基因的表达显现出完全不同的调节效应。当阿拉伯糖不存在时，AraC 表现为对 araBAD 和 araC 的阻遏作用。按照别构动力学观点，这种形式的AraC 处于阻遏构象状态，所以称为 Crcp。当阿拉伯糖存在时， AraC 与阿拉伯糖结合后处于诱导构象状态，表现为对 araBAD 的诱导作用。这种结合了阿拉伯糖
26、的 AraC 蛋白称为Cind。C ind 还可对 araC 的转录产生阻遏作用。顺式突变株的鉴定和序列分析表明，在 ara 调控区存在两种不同构象和功能上不同 C蛋白(C rcp 和 Cind)的结合位点，即 araOl 和 araO2。araOl 位于 -110-140 处，araO2 位于-280附近(-265-294)，araO2 对于 araBAD 有效阻遏作用是必不可少的。C rep(或 Cind)与 araOl 结合时，由于 araO1 和 araPC 相互重叠，因此 Crep (或 Cind)的结合妨碍了 RNA 聚合酶结合，导致 araC 的表达受到阻遏；而 Cind 结合到
27、 araI 位点( 即 inducer，-78-40) 时，对 araBAD的转录起激活作用。此过程除了 Cind 作为正调节因子起作用外，还因为 araI 与上游 CAP-cAMP 位点(-107-78)紧密相连，下游又与 RNA 聚合酶结合的部位邻近，所以一旦另一个正调节因子结合上去便可与 Cind 协同激活 araBAD 和 araC 的转录。C ind 和 CAP-AMP 对araBAD 和 araC 的转录起激活作用在于它们促进 RNA 聚合酶与启动子 PCBAD 结合并迅速形成开放性的启动子复合物。当 araC 表达过量时，C ind 结合于 araO1，导致 araC 表达受阻。
28、随 AraC 减少(或无 ) Cind 也减少( 或耗尽)，最后 araBAD 被关闭。从代谢角度分析：当葡萄糖丰富而阿拉伯糖不存在时，由于葡萄糖效应，即它抑制腺苷酸环化酶合成 cAMP，此时 CAP-cAMP 缺乏，C 蛋白二聚体处于 Crep 构象与 araO2 结合后引起 DNA(210bp)形成环（90bp） ，于是启动子 PBAD 向 araO2 靠近，然后 C 蛋白再与PBAD 上的某些蛋白(CAP，RNA 聚合酶)相互作用对 araBAD 的转录进行有效地阻遏。在葡萄糖不存在而阿拉伯糖可被利用的条件下，不出现葡萄糖效应，此时 CAP-cAMP 丰富并结合于 CAP 位点，同时由于
29、 C 蛋白结合了阿拉伯糖后形成 Cind 构象，此时 DNA 环被打开，它被结合到 araI 位点上，由此 C 蛋白变成活化剂蛋白(activator)，它与 CAP-cAMP 协同作用而诱导 araBAD 的转录。 阿拉伯糖和葡萄糖都丰富的条件下和阿拉伯糖和葡萄糖都不存在时，这两种情况都仍然被阻遏，但其机理不明。图示：(a)当 AraC 蛋白耗尽时，araC 基因从其自己的启动子进行转录； (b)当阿拉伯糖浓度低和葡萄糖浓度高时，AraC 蛋白与 araI 和 araO2 结合，导致这些位点形成 DNA 环，操纵子在此状态下被阻遏。AraC 还与 araO1，结合，进而阻遏 AraC 合成；
30、(c) 当有阿拉伯糖和葡萄糖浓度低时，AraC 蛋白结合阿拉伯糖，并改变构象成为一个激活剂。 DNA 环打开，AraC 蛋白与 CAP-cAMP 协同作用，于是促进转录。从以上可以看到，ara 操纵子存在着复杂的调控系统。 AraC 蛋白有否结合信号分子形成两种不同的构象分子 Cind 和 Crep，然后分别结合于不同的调节序列(araI 和 araO2)，对操纵子转录进行正调控和负调控。AraC 蛋白以 Crep 与 araO1，结合阻遏自身基因的转录，并控制着自身的合成，此即自身调控。一些远距离启动子的操纵基因的调节序列可以通过 DNA 成环作用介导特异调节蛋白质-蛋白质的相互作用，对 a
31、ra 操纵子转录进行调控。这种由 DNA 成环所介导的基因表达调控方式为真核基因表达提供了典范，同时也促进了增强子和高等真核生物基因表达的研究。3.色氨酸操纵子色氨酸操纵子控制的是合成代谢，最终的产物是色氨酸，只有在培养基中缺乏 Trp 时操纵子才能打开，而加入 Trp 时将促进 trp 操纵子的关闭，也就是最终产物色氨酸或某种物质对转录将起到阻遏的作用。4.群体意识：激活剂在 squid（鱿鱼）体内生活的 Vibrio fischeri（弧菌）会发光，但是离开鱿鱼后不再发光。如何进行调控的？Each bacterium is continuously secreting a unique s
32、mall molecule called VAI (Vibrio fischeri autoinducer) that can diffuse readily through the cell membrane. Thus, there is a declining concentration of the small molecule in a growing circumference around the bacterium. When there are many bacteria around, the local concentration of the small molecul
33、e will be very high.The genes for making luciferase are contained in the lux operon. A DNA binding site (luxO) near the lux promoter (luxP) binds a protein called luxR. This protein somehow calls RNA polymerase over when it is bound to the DNA, thus increasing transcription of the DNA and making mor
34、e polymerase. Thus, luxR is a transcriptional activator of the lux operon.It is important to note that LuxI is the gene that encodes for the enzyme that synthesizes VAI. When a bacterium undergoes the transition from not making luciferase to making luciferase, it needs to have the autoinducer around
35、 in order to promote binding of LuxR to the operator.(二)翻译过程对转录的调节一衰减作用(弱化作用)色氨酸 mRNA 的 5端有 162 核苷酸的前导序列，当 RNA 的合成启动后除非缺乏色氨酸，否则大部分 mRNA 仅合成 140 核苷酸即停止。前导肽能编码一小段 14 肽，其终止区具有潜在的茎环构象和成串的 U，表现出转录终止位点的特征。前导 RNA 链有 4 个区域彼此互补，可形成奇特的二级结构，有些情况下出现终止子结构。转录与翻译偶联是原核生物的特征。阻遏作用与弱化作用的协调：细菌中为什么需要弱化子系统呢?一种可能是阻遏物从无活性到
36、有活性的转变速度极低，需要有一个能更快地作出反应的系统，以保持培养基中适当的色氨酸水平。也有可能弱化子系统主要是对外源色氨酸浓度作出反应。例如，外源色氨酸浓度很低的信号虽然可以引起色氨酸操纵子的去阻遏作用，但是这个信号还不足以很快引发内源色氨酸的合成。于是；在这种环境下，弱化子就通过抗终止的方法采增加色氨酸基因表达，从而提高内源色氨酸的浓度。最重要的是防止色氨酸的浓度变化过大。反之，为什么还要有阻遏系统？阻遏物的作用目前认为是当有大量外源色氨酸存在时阻止非必需的先导 mRNA 的合成，它使这个合成系统更加经济。细菌中的许多氨基酸的合成采用弱化子系统如 his 操纵子控制细胞内的浓度。(三)真核
37、生物转录的调节1转录因子顺式作用成分与反式作用成分真核生物基因的表达的调节控制比原核生物远为复杂，在多层次、受多种因子协同作用，调控的主要部位在基因的转录水平。目前的研究正集中在基因转录的顺式作用元件 (cis-acting elements)和反式作用因子 (trans-acting factors)。顺式作用元件：转录其始点上游 30bp 处的 TATA 序列上游几百 bp 的 CCAAT 序列或 GGGCGG 序列(GC box)在基因上或下游远端或内含子内增强子(enhancer)序列负调控序列抑制子(silencer)其它特异调控序列以上各种特异的核苷酸序列都是反式作用因子蛋白质的靶
38、位点反式作用因子：通用转录因子：结合在 TATA 附近的：TFA 、TFB、 TFD 、TF E转录调控因子：结合在上游特异核苷酸序列上的因子如 SPI、CTF 、AP-1 、CKEB还有些蛋白质因子，它们自身并不与 DNA 相结合，却能激活基因的转录，可能在两种不同的调控因子中起桥梁作用。在基因转录起始过程中涉及很多蛋白质与 DNA、蛋白质与蛋白质之间的复杂反应，不同基因的表达受不同组合的蛋白质的协同调节作用。转录因子的功能域(domain)反式作用的蛋白质因子一般都具有不同的功能区域，这些功能区含有几十到几百个氨基酸残基。有的功能区是结合特异 DNA 序列必需的，有的功能区是激活基因转录必
39、需的，不同的功能区有自己的特征结构。a转录因子 DNA 结合区(略) b转录因子激活基因转录的功能区(略)转录因子的作用规律a一种蛋白质因子可以结合多个顺式作用元件真核生物的调控因子比较复杂和灵活。有些调控因子可以与序列相似性很小几个 DNA位点，以同样的亲和性相作用。如酵母的 HAP-1 可以与 CYCl 的 UAS 和 CYC7 的 UAS 相结合，这两个接合位点在核苷酸序列上不具有任何同源性。b一种顺式作用元件可以作为多种蛋白质因子的作用靶区ATGCAAAT 可结合 Oct-1、 Oct-2、OBPl00 、NF-A1 、NF-A2 等多种因子。CCAAT box C/EBP、CTF/N
40、FI、CP1、CP2 等TGACTCA AP-1、fos 、jun 等识别同一序列的多种蛋白质因子的存在能增加它们单独或协同调节基因转录的精确性和灵活性。对那些如细胞生长、发育和分化过程中起重要作用的调节控制非常重要。c有些蛋白质因子经物理或化学诱导后才具有活性HSTF 在酵母细胞中能结合在热休克蛋白基因上游调控序列经热诱导，发生磷酸化作用，才具有激活基因转录的活性。酵母 GAI4 的激活转录功能区在有葡萄糖条件下被另一负调控因子 GAL80 结合覆盖，失去激活转录的功能；经半乳糖诱导，GAI4 和 GAL80 的结合解离，GALA 的酸性激活区才促进基因的转录。这是酵母半乳糖代谢酶基因在有葡
41、萄糖条件下表达受阻遏，在有半乳糖时被诱导的原因。d磷酸化作用对一些蛋白质因子的功能作用是很重要的B 淋巴细胞的 NF-XB 由细胞质转移到细胞核、CREF 结合 DNA 的活性、Oct-2 和HSTF 激活基因转录的功能都必须磷酸化。SP1：从 Hela 细胞中分离纯化，凝胶电泳时不均一，MW95-105kd ，过去认为是糖基化程度不同，新近发现是磷酸化不同造成的。在它的 N 端激活基因转录的功能区内有多个磷酸化位点，磷酸化程度不同造成迁移率的不同。SPl 的磷酸化只有在它结合在 GC box 上才能进行，而且催化这一反应的蛋白激酶也只有结合在 DNA 上才具有活性。e蛋白质因子与特异 DNA
42、 序列相互作用涉及蛋白质因子之间的反应一些蛋白质因子必须以二聚体或异源二聚体形式才能与 DNA 结合，如通用转录因子和 RNA 聚合酶与 TATA box 作用。转录因子的进化整个真核生物界，转录的调控机制是非常保守的。一种生物的转录因子可在另一种生物细胞中其激活基因转录的作用。如 GAL4，在哺乳动物细胞内，当基因上游有其结合位点，激活下游的基因的表达。脊椎动物的转录调控因子 fos、myc 及雌激素受体也能在酵母中行使功能。TATA box 通用转录因子在生物中可以互换。玉米花色素苷合成途径的转录有两类调节基因 BR 和 C1P 在起作用。对 B 和 C1调节蛋白进行功能分析，将其中一个调
43、节蛋白基因序列同酵母的 GAL4 激活因子的 DNA结合域结合。两种融合蛋白在酵母中的表达后由于 B 蛋白 C1 蛋白的相互作用使受 GAI4调控的报告基因得以表达。同源异型突变与同源异型基因a指发育过程中躯体的一部分发育成另外一部分，最早在果蝇中发现，说明不同蛋白质或者几种调节蛋白质的不同组合可以控制细胞的发育。现已证明，有两类 8 个同源异形基因控制胚胎最早期的空间方位，这些基因从果蝇到人类都是基本相同的。这些基因都含有 180 个核苷酸的序列，称 homeobox，高度保守，编码蛋白质羧基末端的 60 个氨基酸。这些同源异型基因编码的都是区域特异性的转录因子。动物的发育过程开始由少数几个
44、主基因(master gene)控制胚胎分化的方向性，然后由不同的器官特异性基因决定器官的发生。基因与基因间存在明显的等级关系。b植物中的同源异型基因植物中最早克隆的同源盒基因(带有同源盒的基因) 是玉米的 Knotted-1(Kn-1)基因。玉米有一种改变叶发育状况的显性突变，沿侧脉细胞分化不正常而持续分裂产生结，叶舌发生移位并与正常位置相垂直。序列分析表明 Kn-1 基因可形成 helix-turn-helix，氨基酸序列与同源域有约 35的相同。植物同源盒基因除编码同源域外，还有 Leu-拉链和酸性激活区，称为 HD-Zip 结构。尽管动物中已发现上百个有同源域的蛋白，但从未发现 HD-
45、Zip 中结构。这种结构可能对高等植物有特别的意义。基因表达的时序控制(略 )三、RNA 加工水平的调控RNA 加工的几个名词：剪切(cleavage)修剪(trimming)剪接(splicing)修饰(modification)“戴帽”(capping)“接尾”(tailng)编辑(editing)(一)切除多余序列1基因间序列的除去2内元的除去在高等真核生物中，大多数基因含有多个内含子。通常情况下，它们是依次序准确的逐一切除的。但是，在不同的细胞形态和不同发育阶段，一些 mRNA 前体可通过可变剪接 (alternative splicing)调控基因的表达，以适应生理的需求。可变剪切的
46、结果，一个单基因转录得到的 mRNA 前体，可以产生多个蛋白质，即蛋白质同源体(isoform)。如 原肌球蛋白基因可得到至少 10 种不同蛋白产物，而肌钙蛋白基因则能产生 64 个蛋白质同源体，也可能有没有功能的蛋白质生成，还可能遇到过早出现终止密码子。影响可变剪切的因素很多，总的说来可区别为二大类，一是 mRNA 前体内部的结构起作用，二是反式因子产生影响。不同细胞中 SV40 早期 mRNA 编码抗原 T 或抗原 t 的相对量以及果蝇的性别主要是由可变剪接决定的。(二)碱基修饰差不多所有 RNA 都是含有不同数量的修饰成分，尤以 tRNA 和 snRNA 为最多。迄今 RNA 中的修饰成
47、分发现已近百种，但对其功能的认识还不多。所有修饰过程都是在特异的酶催化下进行的，酶的专一性很强，不仅有碱基或糖基专一性，同时还有序列以及三维结构专一性。(三)RNA 编辑1986 年 Benne 等人从锥体虫中发现的一种新的 RNA 加工方式。当时发现锥体虫线粒体细胞色素 C 氧化酶亚基 II(CoII)基因与酵母或人的相应基因相比，在编码蛋白的 170 位氨基酸附近有一移码突变。比较锥体虫 CoII 基因与其转录物的序列，发现转录序列在相应上述移码突变位点附近有四个不被基因 DNA 所编码的额外的尿苷酸，这四个尿苷酸正好校正 基因的移码突变。48 480 490 500 510 mRNA：
48、UUA GGU AUA AAA GUA GAU UGU AUA CCU GGU AGG UGU AAU蛋白序列 ： L G I K V D C I P G R C N DNA： TTA GGT ATA AAA GTA GA* * G* A* A CCT GGT AGG TGT AAT核酸序号以 mRNA 起始密码 AUG 的 A 开始编号。下划线标出与人及酵母相应蛋白相同的氨基酸。编辑的生物学意义：1校正移码突变：CoII2控制转译：产生起始密码(MURF2)、除去起始密码(锥体虫 C.fasciculate 的 MURF-3)、产生终止密码（T.brucel 的 CoIII）3扩充遗传信息T
49、.burceil 的 Cyb 基因在其固有起始密码上游构造新的起始密码，从而扩展了 21 个核苷酸的转译序列。另外两种锥体虫 C.fasclculata 和 L.tarentolae 的 CoIII 基因也用这种方法增加了 18 个密码子。T.brucel 的 CoIII 最突出，在 158 个位点插入 394 个 U，在 9 个位点删去捣个 U，实际增加 376 个 U，增加数占成熟的 CoW 转录物编码区总长度的 55。5和 3非编码区和 PolyA 区编辑意义不明，估计还有其它生物学意义。RNA 编辑是对中心法则的重要补充。RNA 编辑与以前所有的 RNA 加工不同，最终的 mRNA 的遗传信息并不来自它的原始基因。那么，编辑的遗传信息来自何方? 编辑是如何进行的?从理论上推测，RNA 编辑过程包括许多种酶活性：位点专一的内切酶活力、切除多余 U 的活力、PolyU 聚合酶的活力及 RNA 连接酶活力。估计是在一个较大核蛋白体上进行，称为编辑体(ed
