基因表達調控

1、Regulation of Gene Expression第十三章第十三章 基因表達調控基因表達調控 通常情況下，真核生物細胞只有通常情況下，真核生物細胞只有2-15%的基因處于有轉錄活性的狀態(tài)。的基因處于有轉錄活性的狀態(tài)。 表達調控是研究不同的環(huán)境和條件以及表達調控是研究不同的環(huán)境和條件以及各種因素如何令基因各種因素如何令基因表達或不表達表達或不表達，而，而且按一定的時間、空間有次序高效地運且按一定的時間、空間有次序高效地運作。作。 調控水平：調控水平： 轉錄、轉錄后、翻譯、翻譯后轉錄、轉錄后、翻譯、翻譯后第十三章第十三章 基因表達調控基因表達調控 調控：調控： 細胞代謝的調控（細胞生存、適

2、應內環(huán)境）細胞代謝的調控（細胞生存、適應內環(huán)境）基因表達的調控（生命延續(xù)、適應大環(huán)境）基因表達的調控（生命延續(xù)、適應大環(huán)境） 多水平的調控、多途徑的調控多水平的調控、多途徑的調控 調控特點：復雜、多變、靈敏、準確調控特點：復雜、多變、靈敏、準確第一節(jié)、原核生物的操縱子調控模式第一節(jié)、原核生物的操縱子調控模式 操縱子操縱子： 幾個相關基因排列在一起，轉錄出一個幾個相關基因排列在一起，轉錄出一個 mRNA，翻譯出多種具相關功能的蛋白翻譯出多種具相關功能的蛋白質，完成一個功能質，完成一個功能 。 有一個調控成分。有一個調控成分。 是原核生物的轉錄單位。是原核生物的轉錄單位。 第一節(jié)、原核生物的操縱子

3、調控模式第一節(jié)、原核生物的操縱子調控模式一、酶的誘導（一、酶的誘導（enzyme induction）二、操縱子（二、操縱子（operon）的結構與功能的結構與功能三、乳糖操縱子（三、乳糖操縱子（Lac operon）與色氨與色氨 酸操縱子（酸操縱子（Trp operon）四、四、 cAMP對轉錄的調控對轉錄的調控五、原核生物轉錄的整體調控模式五、原核生物轉錄的整體調控模式induceraddedinducerremoved酶蛋白合成量酶蛋白合成量細胞孵育時間細胞孵育時間一、誘導現(xiàn)象一、誘導現(xiàn)象由底物導致利用該底物的酶的合由底物導致利用該底物的酶的合成增加。成增加。一、誘導現(xiàn)象一、誘導現(xiàn)象葡萄

4、糖葡萄糖乳糖乳糖 無無半乳糖苷酶半乳糖苷酶乳糖乳糖葡萄糖葡萄糖+半乳糖半乳糖一、誘導現(xiàn)象一、誘導現(xiàn)象 酶的誘導是生物進化中的一種合理、經酶的誘導是生物進化中的一種合理、經濟地利用有限資源的本能。濟地利用有限資源的本能。 酶的誘導是低等生物的普遍現(xiàn)象。酶的誘導是低等生物的普遍現(xiàn)象。 1961年，年，Jacob and Monod提出了操縱子提出了操縱子學說。學說。 酶誘導的本質：代謝物對催化本身代謝酶誘導的本質：代謝物對催化本身代謝的酶的合成量調節(jié)。的酶的合成量調節(jié)。二、操縱子的結構與功能二、操縱子的結構與功能 操縱子操縱子阻遏物基因阻遏物基因 上游啟動子上游啟動子 操縱基因操縱基因 一組結構基

5、因一組結構基因 R ( i ) P O S inhibitor promotor operator structural gene gene二、操縱子的結構與功能二、操縱子的結構與功能 啟動子啟動子是結合是結合RNA聚合酶的聚合酶的DNA序列序列 強：強：-35TTGACA、-10TATAAT 弱：弱：-35區(qū)共有序列區(qū)共有序列 -10Pribnow不一致不一致一般：基因工程選用強啟動子，或雜交融一般：基因工程選用強啟動子，或雜交融合生成新啟動子合生成新啟動子二、操縱子的結構與功能二、操縱子的結構與功能Lac operon的啟動的啟動子子 Plac的的-10Trp operon的啟動的啟動子子

6、Ptrp的的-35PtacPtac-17二、操縱子的結構與功能二、操縱子的結構與功能 操縱基因操縱基因是結合阻遏物的部位，位于啟是結合阻遏物的部位，位于啟動子和結構基因之間，可與啟動子部分動子和結構基因之間，可與啟動子部分重疊。是重疊。是RNA聚合酶是否能通過的開關。聚合酶是否能通過的開關。 無阻遏物時，無阻遏物時，O區(qū)開放讓酶通過并轉錄區(qū)開放讓酶通過并轉錄下游的結構基因下游的結構基因 有阻遏物時酶就不能通過有阻遏物時酶就不能通過二、操縱子的結構與功能二、操縱子的結構與功能 阻遏物基因阻遏物基因 ： 產生阻遏物，位于離操縱產生阻遏物，位于離操縱子較遠的上游區(qū)。子較遠的上游區(qū)。 負調控：起調控作

7、用的蛋白質分子抑制負調控：起調控作用的蛋白質分子抑制轉錄轉錄關閉的基因由代謝底物開放（誘導）關閉的基因由代謝底物開放（誘導）-阻遏物失活阻遏物失活開放的基因由代謝底物關閉（阻遏）開放的基因由代謝底物關閉（阻遏）-阻遏物激活阻遏物激活二、操縱子的結構與功能二、操縱子的結構與功能 操縱子操縱子：結構基因、上游啟動子：結構基因、上游啟動子(P)和操縱基和操縱基因因(O)組成。組成。P和和O合稱合稱調控區(qū)調控區(qū)可誘導和可阻遏的操縱子可誘導和可阻遏的操縱子類類型型可可誘誘導導可可阻阻遏遏結結合合 O 方方式式i 基基因因產產物物i 基基因因產產物物加加上上代代謝謝終終產產物物O 的的開開放放方方式式由由

8、代代謝謝底底物物開開放放通通常常開開放放由由代代謝謝終終產產物物關關閉閉結結構構基基因因產產物物功功能能分分解解代代謝謝合合成成代代謝謝LacTrp三、乳糖操縱子和色氨酸操縱子三、乳糖操縱子和色氨酸操縱子乳糖操縱子乳糖操縱子 操縱子的三個結構基因為操縱子的三個結構基因為 -半乳糖苷酶、半乳糖苷酶、 -半乳糖苷通透酶和半乳糖苷通透酶和 -半乳糖苷乙酰轉半乳糖苷乙酰轉移酶移酶。 在無乳糖時，在無乳糖時，阻遏阻遏蛋白與蛋白與O區(qū)結合，阻區(qū)結合，阻止止RNA聚合酶的轉錄聚合酶的轉錄 在有乳糖時，乳糖與在有乳糖時，乳糖與阻遏蛋白阻遏蛋白結合后，結合后，改變了阻遏蛋白的結構，使其不能與改變了阻遏蛋白的結構

9、，使其不能與O區(qū)結合。區(qū)結合。(1kb)(155000) DDRPDDRP色氨酸操縱子色氨酸操縱子 色氨酸操縱子有色氨酸操縱子有5個結構基因個結構基因 D、E基因：共產生基因：共產生鄰氨基苯甲酸合成酶鄰氨基苯甲酸合成酶 C基因：產物是基因：產物是吲哚甘油磷酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶 B、A基因：共同產物是基因：共同產物是色氨酸合成酶色氨酸合成酶 這些基因一起轉錄翻譯后可進行色氨酸這些基因一起轉錄翻譯后可進行色氨酸的合成。的合成。 色氨酸合成僅限細菌。色氨酸合成僅限細菌。色氨酸操縱子調控方式色氨酸操縱子調控方式（-）（+）乳糖和色氨酸操縱子的共同點乳糖和色氨酸操縱子的共同點 以負調控方式為主：蛋

10、白質分子（阻遏以負調控方式為主：蛋白質分子（阻遏物）對受調控的區(qū)域起抑制作用。物）對受調控的區(qū)域起抑制作用。 由低分子物質（底物或產物）影響蛋白由低分子物質（底物或產物）影響蛋白質對質對DNA的結合。的結合。 結果：結果： 既滿足細胞生長需求，又不無謂浪費。既滿足細胞生長需求，又不無謂浪費。乳糖和色氨酸操縱子的不同點乳糖和色氨酸操縱子的不同點 乳糖操縱子乳糖操縱子 色氨酸操縱子色氨酸操縱子 阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物R基因基因R基因基因阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物代謝物代謝物基因開放基因開放 基因關閉基因關閉四、四、cAMP對轉錄的調控對轉錄的調控 在乳糖和葡萄糖都存在時，在乳糖和葡萄糖都存在時，哪

11、種糖被優(yōu)先利用？哪種糖被優(yōu)先利用？ 四、四、cAMP對轉錄的調控對轉錄的調控 乳糖操縱子的啟動子屬于弱啟動子乳糖操縱子的啟動子屬于弱啟動子 正調控方式正調控方式 CAP：catabolite gene activator protein 分解代謝基因活化蛋白，受分解代謝基因活化蛋白，受cAMP激活激活 cAMP-CAP復合物復合物：結合于：結合于DNA上游的上游的CAP位點，促進分解代謝基因表達位點，促進分解代謝基因表達 CAP位點位點：位于：位于PO上游，屬正調控位點上游，屬正調控位點四、四、cAMP對轉錄的調控對轉錄的調控 培養(yǎng)基中有葡萄糖時：葡萄糖代謝引起培養(yǎng)基中有葡萄糖時：葡萄糖代謝引

12、起細胞內細胞內cAMP水平下降，乳糖操縱子基因水平下降，乳糖操縱子基因關閉。關閉。 培養(yǎng)基中葡萄糖不足時：培養(yǎng)基中葡萄糖不足時： cAMP水平升水平升高，高， cAMP-CAP復合物生成，復合物生成， cAMP使使CAP變構，而與變構，而與CAP位點結合，促進乳位點結合，促進乳糖操縱子基因的轉錄，以便細胞利用乳糖操縱子基因的轉錄，以便細胞利用乳糖。糖。四、四、cAMP對轉錄的調控對轉錄的調控1阿拉伯糖操縱子阿拉伯糖操縱子 B、A、D：編碼三種酶，共催化阿拉伯編碼三種酶，共催化阿拉伯糖的代謝。糖的代謝。 C：R1（阻遏蛋白），變構后成阻遏蛋白），變構后成R2。 起始區(qū)起始區(qū)：initiator（

13、I） R1 和和R2在變構前后，分別執(zhí)行負和正調在變構前后，分別執(zhí)行負和正調控功能。控功能。 誘導物可以使抑制蛋白在誘導物可以使抑制蛋白在R1和和R2兩種構兩種構象之間轉變。象之間轉變。阿拉伯糖操縱子阿拉伯糖操縱子五、原核生物轉錄的整體調控模式五、原核生物轉錄的整體調控模式 調節(jié)子調節(jié)子：regulon 操縱子是基因表達的基本單元，成群操縱操縱子是基因表達的基本單元，成群操縱子所組成的高一級的調控網絡稱為調節(jié)子子所組成的高一級的調控網絡稱為調節(jié)子 調節(jié)原理調節(jié)原理： 內、外環(huán)境的變化通過傳感器內、外環(huán)境的變化通過傳感器使膜內產生信號，這種信號可同時作用于使膜內產生信號，這種信號可同時作用于多個

14、操縱子，或激活或抑制，從而達到群多個操縱子，或激活或抑制，從而達到群體協(xié)調的目的。體協(xié)調的目的。調節(jié)子模式調節(jié)子模式SOS修復系統(tǒng)的調節(jié)子修復系統(tǒng)的調節(jié)子 DNA損傷和復制受阻是刺激因子和信號。損傷和復制受阻是刺激因子和信號。 LexA蛋白是一系列操縱子的阻遏物。蛋白是一系列操縱子的阻遏物。 recA基因基因轉錄產物轉錄產物RecA蛋白蛋白可水解可水解LexA蛋白。蛋白。 LexA阻遏阻遏recA基因，基因，RecA蛋白可水解蛋白可水解LexA蛋白，二者之間的平衡移動，使細蛋白，二者之間的平衡移動，使細胞在應急時可迅速啟動大量基因的轉錄。胞在應急時可迅速啟動大量基因的轉錄。SOS修復系統(tǒng)的調節(jié)

15、子修復系統(tǒng)的調節(jié)子第二節(jié)、真核生物的基因轉錄調控第二節(jié)、真核生物的基因轉錄調控 真核生物的基因轉錄調控更為復雜：真核生物的基因轉錄調控更為復雜： 總量大：總量大：30億億bp，10萬基因萬基因 分散在各染色體上，分散在各染色體上，23對染色體：定位對染色體：定位 大量的內含子：比結構基因多十數(shù)倍大量的內含子：比結構基因多十數(shù)倍 大量的重復序列：重復次數(shù)可達幾千大量的重復序列：重復次數(shù)可達幾千百萬次百萬次 更多的蛋白質參與更多的蛋白質參與 基因的多態(tài)性：不同的地域、人種、個體基因的多態(tài)性：不同的地域、人種、個體一、人類基因的研究一、人類基因的研究 基因組：基因組：DNA雙螺旋雙螺旋 天書天書 人

16、類基因組即將全部破譯，一本書已通人類基因組即將全部破譯，一本書已通讀一遍，但閱讀理解的任務還剛開始。讀一遍，但閱讀理解的任務還剛開始。一、人類基因的研究一、人類基因的研究 人類基因組計劃人類基因組計劃：（HGP） human genomic project 對人類基因組大約對人類基因組大約30億核苷酸對的全序億核苷酸對的全序列測定。列測定。 在完成結構分析過程中，對基因的在完成結構分析過程中，對基因的功能功能，包括其表達包括其表達調控調控，作進一步研究，以便，作進一步研究，以便徹底了解生命的奧秘。徹底了解生命的奧秘。HGP的內容的內容 建立人類基因組高分辨率的遺傳圖譜建立人類基因組高分辨率的遺

17、傳圖譜 完成全部人類染色體的各種物理圖譜及選擇某完成全部人類染色體的各種物理圖譜及選擇某些模型生物的些模型生物的DNA物理圖譜。物理圖譜。 人類人類DNA和模型生物的和模型生物的DNA全部序列的測定。全部序列的測定。 建立收集、儲存、分類和分析所有有關資料和建立收集、儲存、分類和分析所有有關資料和數(shù)據(jù)的工作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的工作系統(tǒng)。 創(chuàng)建完成以上目標所需的新技術、新方法。創(chuàng)建完成以上目標所需的新技術、新方法。二、基因轉錄調控元件二、基因轉錄調控元件 分子辨認：分子辨認：molecular recognition 探討探討DNA-蛋白質、蛋白質蛋白質、蛋白質-蛋白質之間蛋白質之間的辨認與結合的機制，

18、以及與調控的關的辨認與結合的機制，以及與調控的關系。系。二、基因轉錄調控元件二、基因轉錄調控元件 TATA box：-30區(qū)區(qū) CAAT box 啟動子啟動子 GC box 上游活化序列：（上游活化序列：（USA） upstream activator sequence 應答元件與可誘導因子：應答元件與可誘導因子：-200bp 八聚體八聚體TATA box：免疫球蛋白免疫球蛋白增強子的特點增強子的特點 增強子增強子：enhancer 它是在遠距離影響啟動的轉錄調控元件，它是在遠距離影響啟動的轉錄調控元件，必須被蛋白質因子結合后才能發(fā)揮增強轉必須被蛋白質因子結合后才能發(fā)揮增強轉錄的功能。錄的功能

19、。 增強子影響啟動子，但沒有嚴格的專一性。增強子影響啟動子，但沒有嚴格的專一性。 增強子作用無方向性。增強子作用無方向性。二、基因轉錄調控元件二、基因轉錄調控元件 順式作用元件順式作用元件：真核生物結構基因上游：真核生物結構基因上游的調控區(qū)，有特定的相似或一致性的序的調控區(qū)，有特定的相似或一致性的序列。列。 反式作用因子反式作用因子：和順式作用元件相結合：和順式作用元件相結合或間接影響其作用的蛋白質因子?；蜷g接影響其作用的蛋白質因子。真核生物真核生物RNA pol II轉錄的基因轉錄的基因RNA聚合酶聚合酶II的轉錄因子的轉錄因子轉錄因子功能TFIIA穩(wěn)定 TFIIDTFIIB促進 RNA p

20、ol II 結合TFIID辨認 TATATFIIEATPaseTFIIF解旋酶TFII-I促進 TFIID 結合轉錄前起始復合物轉錄前起始復合物 TFIID是唯一與是唯一與 DNA特異位點即特異位點即TATA盒結合的轉盒結合的轉錄因子。錄因子。 TATA和和TFIID、TFIIA、TFIIB、RNApolII、TFIIF和和TFIIE形形成成轉錄前起始復轉錄前起始復合物合物(PIC)。反式作用因子性質反式作用因子性質 同一同一DNA序列可被不同蛋白質識別，同一蛋白序列可被不同蛋白質識別，同一蛋白質因子也可與多種不同質因子也可與多種不同DNA序列結合序列結合 。 DNA與蛋白質與蛋白質的結合的結

21、合少數(shù)是直接結合，多數(shù)是少數(shù)是直接結合，多數(shù)是蛋白質蛋白質-蛋白質相互作用后再影響蛋白質相互作用后再影響DNA。 蛋白質蛋白質-蛋白質或蛋白質或DNA-蛋白質結合后，可導致構蛋白質結合后，可導致構象上的變化。象上的變化。 反式作用因子在自身生物合成過程中，有相當大反式作用因子在自身生物合成過程中，有相當大的可變性和可塑性。的可變性和可塑性。三、順式作用元件與反式作用因子的結合三、順式作用元件與反式作用因子的結合 反式作用因子蛋白質至少包括三個功能反式作用因子蛋白質至少包括三個功能域：域：DNA識別結合域識別結合域、轉錄活性域轉錄活性域和和結結合其它蛋白的結合域合其它蛋白的結合域。 模體：（模體

22、：（motif）在結合域中存在的一些在結合域中存在的一些局部對稱二聚體。局部對稱二聚體。 在在DNA的的某些某些序列中，也存在一定的對序列中，也存在一定的對稱性。稱性。 順式作用元件與反式作用因子的結合與順式作用元件與反式作用因子的結合與這些對稱區(qū)域有關。這些對稱區(qū)域有關。三、順式作用元件與反式作用因子的結合三、順式作用元件與反式作用因子的結合 DNA結構簡單：結構簡單：開放或關閉開放或關閉 序列不變序列不變蛋白質因子：蛋白質因子：復雜、多變復雜、多變 二者結合二者結合基因表達調控的多變性基因表達調控的多變性螺旋螺旋-轉角轉角-螺旋、螺旋、螺旋螺旋-環(huán)環(huán)-螺旋螺旋 兩個亞基通過兩個亞基通過 -

23、折折疊形成二聚體，相疊形成二聚體，相當于當于DNA的一個的一個螺距。螺距。鋅指鋅指 鋅是很多酶的輔助因子鋅是很多酶的輔助因子 鋅指鋅指：（：（Zinc finger）鋅螯合在多肽鏈中，鋅螯合在多肽鏈中，以配價鍵和半胱氨酸殘基或組氨酸殘基結合。以配價鍵和半胱氨酸殘基或組氨酸殘基結合。 Cys2/His2型：型： Cys-X24- Cys-X3-Phe-Leu- X2 -His- X3- His Cys2/ Cys2型：型： Cys-X2- Cys-X13 -Cys-X2- Cys 一個單位以指部伸入一個單位以指部伸入DNA雙螺旋的深溝，接雙螺旋的深溝，接觸觸5 個核苷酸。個核苷酸。鋅指鋅指 亮氨

24、酸拉鏈亮氨酸拉鏈(Leu zipper)： 兩組平行的帶亮氨酸的兩組平行的帶亮氨酸的螺旋形成的對稱螺旋形成的對稱二聚體。二聚體。 DNA結合蛋白的結合蛋白的C端，每隔端，每隔7個氨基酸出現(xiàn)個氨基酸出現(xiàn)一個亮氨酸。一個亮氨酸。 蛋白質的蛋白質的 螺旋每圈為螺旋每圈為 3.6 個氨基酸殘基。個氨基酸殘基。每二圈出現(xiàn)的每二圈出現(xiàn)的亮氨酸與軸平行列在同一直線亮氨酸與軸平行列在同一直線上，構成拉鏈的一半。上，構成拉鏈的一半。亮氨酸拉鏈亮氨酸拉鏈亮氨酸拉鏈亮氨酸拉鏈常出現(xiàn)于常出現(xiàn)于真核生物真核生物 DNA結合結合蛋白的蛋白的C 端，與癌端，與癌基因表達基因表達調控功能調控功能有關。有關。第三節(jié)、癌基因第三

25、節(jié)、癌基因 癌基因癌基因：oncogene，onc 能使細胞癌變的能使細胞癌變的DNA序列。序列。 首先在致癌首先在致癌病毒中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)已證實它是正常存在于生病毒中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)已證實它是正常存在于生物基因組內。物基因組內。 致癌性致癌性：正常基因的不正常表達的后果：正?；虻牟徽１磉_的后果 癌癥癌癥：基因以特殊形式表達后的性狀：基因以特殊形式表達后的性狀 原癌基因原癌基因：（：（pro-onc） 正常存在于生物基因組內的癌基因。正常存在于生物基因組內的癌基因。 第三節(jié)、癌基因第三節(jié)、癌基因一、病毒癌基因和細胞癌基因一、病毒癌基因和細胞癌基因二、癌基因分類二、癌基因分類三、癌基因激活三、癌基因激活四

26、、抑癌基因四、抑癌基因 病毒癌基因：病毒癌基因：V-onco 細胞癌基因：細胞癌基因：c-onco 把致癌病毒與正常細胞一起培養(yǎng)，可使把致癌病毒與正常細胞一起培養(yǎng)，可使正常細胞變?yōu)榘┘毎?，這個過程稱為正常細胞變?yōu)榘┘毎?，這個過程稱為 轉轉化?；?致癌病毒存在的某些核苷酸序列稱為致癌病毒存在的某些核苷酸序列稱為癌癌基因基因，即病毒癌基因。，即病毒癌基因。一、病毒癌基因和細胞癌基因一、病毒癌基因和細胞癌基因癌基因表達產物功能癌基因表達產物功能 生長因子及其類似物或生長因子的受體。生長因子及其類似物或生長因子的受體。 酪氨酸蛋白激酶。酪氨酸蛋白激酶。 結合結合GTP而影響細胞內的信號系統(tǒng)。而影響細胞內的信號系統(tǒng)。 結合結合DNA發(fā)揮轉錄調控的作用，甚至影發(fā)揮轉錄調控的作用，甚至影響復制過程。響復制過程。二、癌基因的分類二、癌基因的分類 src家族：家族：src、