【正文】 華東理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位課程 過程分子生物學(xué) 張 惠 展 分子生物學(xué)是生命科學(xué)的主導(dǎo)性學(xué)科 基因的表達(dá)與調(diào)控是分子生物學(xué)的主題思想 過程分子生物學(xué)是分子生物學(xué)理論發(fā)展的高級(jí)階段 19531983 基礎(chǔ)分子生物學(xué)階段 20世紀(jì) 50年代 DNA雙螺旋模型的建立 20世紀(jì) 60年代 遺傳密碼的破譯 20世紀(jì) 70年代 DNA重組技術(shù)的誕生 1983？ 過程分子生物學(xué)階段 20世紀(jì) 80年代 動(dòng)植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)的問世 20世紀(jì) 90年代 人類基因組計(jì)劃的實(shí)施 21世紀(jì) 00年代 RNA干擾現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 過程分子生物學(xué) 5 2 3 4 1 6 基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制 細(xì)胞通訊的分子機(jī)制 免疫多樣性的分子識(shí)別 胚胎發(fā)育的基因表達(dá)譜 腫瘤發(fā)生的分子機(jī)制 基因組學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué) 基因表達(dá)的調(diào)控 機(jī)制 B C D A E F 原核生物基因表達(dá)的啟動(dòng)開關(guān) 真核生物多轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)同作用 原核生物的 RNA結(jié)構(gòu)調(diào)控 真核生物的 RNA剪切調(diào)控 原核生物反義 RNA的調(diào)控 真核生物 sRNA介導(dǎo)的 RNA干擾 G 真核生物應(yīng)答元件的轉(zhuǎn)錄調(diào)控 1A 原核生物基因表達(dá)的啟動(dòng)開關(guān) 通過對(duì) 100多個(gè)大腸桿菌啟動(dòng)子的序列分析 ， 結(jié)果表明：大多數(shù)具有普通生理生化功能的基因所屬的啟動(dòng)子 ， 具有統(tǒng)一的特征序列 。 a 大腸桿菌啟動(dòng)子的多樣性 TTGACA AACTGT TATAAT ATATTA 16 10 bp 5 9 bp 結(jié)構(gòu)基因 轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn) 35區(qū) T82T84G78A65C54A45 10區(qū) T80A95T45A60A50T96 啟動(dòng)子 一個(gè)典型的大腸桿菌啟動(dòng)子通常包括下列四個(gè)結(jié)構(gòu)要素： 1A 原核生物基因表達(dá)的啟動(dòng)開關(guān) 絕大多數(shù)原核生物的 RNA聚合酶均由五個(gè)亞基組成： a2bb’s（ 全酶 ） ， 其中 a2bb’稱為 （ 核心酶 ） 。 各種原核細(xì)菌的 a、 b、 b’亞基呈高度的同源性 ， 唯獨(dú) s因子 差別較大 。 RNA聚合酶核心酶對(duì) DNA鏈具有非特異性的親和力 （ 堿性蛋白與酸性 DNA之間的靜電引力 ） ， 但 s因子增強(qiáng)了 RNA聚合酶與啟動(dòng)子區(qū)域的 特異性 結(jié)合 。 s因子幫助 RNA a 大腸桿菌啟動(dòng)子的多樣性 聚合酶識(shí)別啟動(dòng)子，同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。 大腸桿菌啟動(dòng)子與 s因子的對(duì)應(yīng)關(guān)系 （ Lewin‘s GENES X 2022） 氨基酸 35區(qū)序列 識(shí)別數(shù) 間隔 區(qū) 10區(qū)序列 因子 /基因 TTGACA TATAAT 1000 1618 bp 613 s 70（ rpoD） CTGGNA TTGCA 5 6 bp 477 s 54（ rpoN） CCCTTGAA CCCGATNT 30 1315 bp 284 s 32（ rpoH） TTGACA TATAAT 100 1618 bp 330 s S（ rpoS） CTAAA GCCGATAA 40 15 bp 239 s F（ rpoF） GAA YCTGA 20 16 bp 202 s E（ rpoE） 2 173 s FecI（ fecI） TGNCTG CGTCTT 15 bp 1A 原核生物基因表達(dá)的啟動(dòng)開關(guān) 枯草桿菌中存在著大約二十類不同的啟動(dòng)子，其中有些隸屬于正常的生理代謝基因，有些則隸屬于噬菌體感染、孢子生成、次級(jí)代謝過程中的相關(guān)基因。 b 枯草桿菌啟動(dòng)子的多樣性 在 SPO1噬菌體感染過程中的 RNA聚合酶及其 s因子 SPO1噬菌體感染枯草桿菌后 ， 早期基因表達(dá)； 45分鐘后 ， 中期基因表達(dá) ， 早期基因關(guān)閉； 812分鐘后 ， 晚期基因表達(dá) ， 中期基因關(guān)閉 。 早期基因的啟動(dòng)子由 s43（ 即 sA） 識(shí)別啟動(dòng) ， 這是枯草桿菌細(xì)胞內(nèi)具有廣泛生理生化功能的 s因子 ， 與大腸桿菌中的 s70同源 ， 組成a2bb’s43型 RNA聚合酶 ， 轉(zhuǎn)錄中期基因表達(dá)所需的 s因子編碼基因gp28。 中期基因的啟動(dòng)子由 sgp28識(shí)別啟動(dòng) ， 它與枯草桿菌的核心酶構(gòu)成 a2bb’sgp28型 RNA聚合酶全酶 ， 負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄晚期基因表達(dá)所需的 s因子編碼基因 gp33和 gp34。 晚期基因的啟動(dòng)子由 sgp33和 sgp34識(shí)別啟動(dòng) ， 分別構(gòu)成 RNA聚合酶全酶 a2bb’sgp33和 a2bb’sgp34。 SPO1噬菌體基因表 達(dá)的級(jí)聯(lián)調(diào)控模式 通過更換不同的 s因子， 識(shí)別并作用于不同基因 的啟動(dòng)子，最終導(dǎo)致這 些基因有次序地級(jí)聯(lián)表 達(dá)。前一基因編碼后一 基因表達(dá)所需的 s因子。 s43 s28 s28 s33 / 34 早期基因 中期基因 晚期基因 （ Lewin‘s GENES X 2022） 枯草桿菌的孢子生成過程 枯草桿菌在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)階段結(jié)束后 ， 培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)耗盡 ， 這時(shí)便啟動(dòng)孢子生成過程：先是 DNA復(fù)制 ， 隔膜形成 ， 孢衣合成 ， 母體裂解 ， 孢子釋放 。 最后在細(xì)胞內(nèi)約 40%的 mRNA是孢子生 專一性的。 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)菌 基因組復(fù)制 隔膜形成 DNA轉(zhuǎn)位至前孢 孢衣形成 母細(xì)胞裂解，孢子釋放 （ Lewin‘s GENES X 2022） 枯草桿菌孢子形成過程中的 RNA聚合酶及其 s因子 當(dāng)環(huán)境壓力 （ 例如營(yíng)養(yǎng)成份枯竭 ） 時(shí) ， 枯草桿菌細(xì)胞內(nèi)發(fā)生一連串的磷酸基團(tuán)傳遞反應(yīng) ， 最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子 Spo0A的 磷酸化 。 磷酸化了的 Spo0A同時(shí)啟動(dòng)兩種不同操縱子的轉(zhuǎn)錄 ， 分別表達(dá)出 sproE和sF。 sF一方面啟動(dòng) sG的表達(dá) ， 另一方面又表達(dá) SpoIIR， 后者再激活隔膜結(jié)合型蛋白 SpoIIGA， 活化了的 SpoIIGA將母體細(xì)胞中表達(dá)的 sproE裂解為有活性的 sE； 而在前孢區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的 sE均被前孢特有的蛋白酶摧毀殆盡 。 母體細(xì)胞中 sE的活性是激活前孢區(qū)域 sG所必需的 （ 通過SpoIIA和一種未知蛋白因子 ） ；而 sG的活性又能產(chǎn)生一種信號(hào) ， 跨隔 膜激活母體細(xì)胞中的 sK。 即： sF → sE → sG → sK 。 枯草桿菌孢子 子交叉激活 形成過程中兩 條途徑的 s因 sF sE sG sK 激活 表達(dá) 前孢區(qū) 母細(xì)胞 Spo0A Spo0A s43 s43 sF sproE sE sG sproK 隔膜 SpoIIR SpoIIGA SpoIIA sK 5 h 5 h 打開 262個(gè)基因 打開 75個(gè)基因 打開 48個(gè)基因 打開 81 個(gè)基因 SpoIVB 枯草桿菌各類 s因子識(shí)別啟動(dòng)子的序列偏好性 Science 335 2022 19 bp sA sB 18 bp sD 15 bp 15 bp sH sL 13 bp sW sF 17 bp 17 bp sG sE 14 bp 13 bp sK 1A 原核生物基因表達(dá)的啟動(dòng)開關(guān) 鏈霉菌啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)具有很大的離散性，通過對(duì) 100多個(gè)啟動(dòng)子序列的比較，可將鏈霉菌啟動(dòng)子分成三大類： c 鏈霉菌啟動(dòng)子的多樣性 具有典型原核生物啟動(dòng)子 10區(qū) 和 35區(qū) 特征的啟動(dòng)子，僅占 21% 具有典型原核生物啟動(dòng)子 10區(qū) 而無保守的 35區(qū) 的啟動(dòng)子 既無典型原核生物啟動(dòng)子 10區(qū) 又無保守的 35區(qū) 的啟動(dòng)子 1A 原核生物基因表達(dá)的啟動(dòng)開關(guān) 天藍(lán)色鏈霉菌 （ Streptomyces coelicolor） 的全基因組中存在多達(dá) 65種不同的 s因 c 鏈霉菌啟動(dòng)子的多樣性 s66（ hrdB） 鏈霉菌最重要的 s因子 ， hrdB突變是致死性的 。 hrdB基因全程 表達(dá)，稱為 看家基因 。 sWhiG（ whiG） 鏈霉菌次級(jí)代謝基因轉(zhuǎn)錄所需的 s因子。 sF 鏈霉菌孢子生成基因轉(zhuǎn)錄所需的 s因子。 sBldN（ bldN） 鏈霉菌氣生菌絲發(fā)育基因轉(zhuǎn)錄所需的 s因子。 sR（ sigR） 鏈霉菌響應(yīng)氧化壓力基因轉(zhuǎn)錄所需的 s因子。 sE（ sigE） 鏈霉菌感應(yīng)細(xì)胞膜完整性功能所需的 s因子。 子，其中已被鑒定的有： 1B 真核生物多轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)同作用 真核生物尤其是高等真核生物（哺乳動(dòng)物）由于其細(xì)胞的高度分化，決定了基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制的復(fù)雜性。 與原核生物不同，哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)共有三大類 RNA聚合酶 系統(tǒng)，它們均由多 轉(zhuǎn)錄因子 構(gòu)成，識(shí)別三大類真核生物的啟動(dòng)子，分別承擔(dān) rRNA、 mRNA、 tRNA的轉(zhuǎn)錄。所有三種 RNA聚合酶均由 814個(gè)亞基組成， 500kD， 但它們并不能單獨(dú)啟動(dòng)基因的轉(zhuǎn)錄。 1B 真核生物多轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)同作用 啟動(dòng)子由兩部分元件構(gòu)成。 a RNA聚合酶 I 啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的程序 RNA聚合酶 I 定位于 核仁 ， 負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄 rRNA編碼基因 。 RNA聚合酶 I 只作用于一種類型的啟動(dòng)子 ， 這類 高等真核生物 I 型啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)基因 I