演示文稿基因表達的調(diào)節(jié)

（優(yōu)選）基因表達的調(diào)節(jié)當前1頁，總共91頁。基因表達（geneexpression）：基因被轉錄產(chǎn)生RNA，編碼著蛋白質(zhì)結構信息的mRNA被翻譯成蛋白質(zhì)，總之，基因的信息被轉錄，翻譯成終產(chǎn)物的過程稱為基因表達。一.引論a.基因的多樣性及表達的差異性細胞在任何給定的時間內(nèi)都表達的基因只有一小部分；當前2頁，總共91頁。肽鏈延長因子，細菌細胞中大量存在的蛋白質(zhì)（基因產(chǎn)物）之一；DNA損傷修復酶，每個細胞只有幾個拷貝；代謝途徑的酶，因食物來源不同而變化數(shù)量；一些影響細胞分化的蛋白只存在極短時間。b.基因表達的調(diào)節(jié)是細胞代謝平衡及維持發(fā)育期間不同細胞的結構和功能差異的關鍵；c.蛋白質(zhì)（或RNA）在細胞內(nèi)濃度可以在六個水平上被調(diào)節(jié)；當前3頁，總共91頁。RNA的轉錄；mRNA的轉錄后修飾和加工；mRNA的降解；蛋白質(zhì)合成（翻譯）；翻譯后修飾；蛋白質(zhì)降解；所有以上過程，轉錄水平的調(diào)節(jié)了解的最多也是最主要的。當前4頁，總共91頁。二.轉錄水平調(diào)節(jié)的方式基因產(chǎn)物的功能不同，調(diào)節(jié)方式也不同1.Housekeepinggenes（看家基因，持家基因）或稱組成型表達基因（constituteexpressiongene）

這些基因的產(chǎn)物是所有細胞，所有時候都需要的，基因的表達水平相對穩(wěn)定；2.因為某種信號分子的出現(xiàn)引起表達增加的基因稱為可誘導（inducible）的基因，由于信號分子的出現(xiàn)導致基因表達增加的過程稱誘導作用（induction）；當前5頁，總共91頁。3.因為某種信號分子濃度的增加而表達減少的基因稱為可阻遏（repressible）基因，由于信號分子的出現(xiàn)導致基因表達減少的過程稱阻遏作用（repression）；

基因表達的調(diào)節(jié)是由蛋白質(zhì)和DNA之間的相互作用介導的。三.啟動子調(diào)節(jié)（promoter）

原核啟動子與RNA多聚酶的親和力決定轉錄起始頻率，相差可達1000倍以上。當前6頁，總共91頁。當前7頁，總共91頁。四.能與DNA結合的蛋白質(zhì)因子的調(diào)節(jié)1.特異性因子：能促使RNA多聚酶對特定的一些啟動子的結合的蛋白質(zhì)因子（σ70普通σ因子；σ32，forheatshock）；2.阻遏子（repressors）：能結合于啟動子阻遏RNA多聚酶與起動子結合的蛋白質(zhì)因子；3.激活子（activators）：真核生物稱反激活子，能結合于啟動子附近增加RNA多聚酶和啟動子結合的蛋白質(zhì)因子。當前8頁，總共91頁。由一種阻遏蛋白阻斷轉錄的調(diào)節(jié)稱為負調(diào)節(jié)（negativeregulation）；由激活子增加轉錄作用的調(diào)節(jié)稱為正調(diào)節(jié)（positiveregulation）；五.許多原核基因是以操縱子（operon）為單位調(diào)節(jié)的，操縱子是細菌基因表達的調(diào)節(jié)單位（unit），包括結構基因和由調(diào)節(jié)子基因產(chǎn)物識別的DNA控制元件（序列）。一個操縱子通常有2-6個基因，最多可含20多個基因，是細菌普遍的基因表達調(diào)控方式；1.乳糖操縱子（Lacoperon）當前9頁，總共91頁。當前10頁，總共91頁。2.乳糖操縱子的負調(diào)控組成型（constitute）突變確定阻遏子的負調(diào)控作用a.LacI基因的突變或缺失造成LacZ，Y，A的組成型表達；部份二倍體lacI－/lacI+恢復正常的調(diào)控，說明lacI是反式作用因子（transactingfactor，有游離轉錄產(chǎn)物，因而功能可以互補于另一同源染色體的等位基因位點。當前11頁，總共91頁。b.操縱基因（operator）為順式顯性因子（cis-acting，cis-dominant），它的突變造成它下游基因的組成型表達；順式行為因子：只調(diào)節(jié)與它共價相連的基因表達的DNA順序單位，一般無轉錄產(chǎn)物；3.Lacoperon的正調(diào)節(jié)可誘導的分解代謝操縱子受CAP蛋白的總調(diào)節(jié)（globalcontrol）；當前12頁，總共91頁。a.當E.coli生長在含葡萄糖的介質(zhì)中時，許多其它糖類分解代謝酶基因的表達受到抑制，在有葡萄糖存在時，細菌優(yōu)先利用葡萄糖；b.葡萄糖降低細胞中c-AMP的濃度，抑制了其它糖代謝基因的表達；c.CAP蛋白（CatabolitegeneActivationProtein，CAP，分解代謝基因激活蛋白）與c-AMP結合形成活性結構，結合在啟動子上游DNA順序，促進RNA多聚酶對啟動子的結合和LacmRNA的轉當前13頁，總共91頁。錄，CAP的結合使Lac操縱子的表達增強50倍。crp基因（cAMPreceptorprotein，CRP）：與腺苷酸環(huán)化酶基因突變抑制Lacopreon的表達。CAP的作用位點（見圖）：Lac-72to-52，gal-50to-23，ara-107to-78，可能的作用方式模型I.CAP-RNA多聚酶相互作用形成轉錄復合物；II.CAP彎曲所結合的DNA片斷，幫助RNA多聚酶轉錄復合物的形成；當前14頁，總共91頁。當前15頁，總共91頁。由于CAP是除葡萄糖以外的許多糖分解代謝操縱子的正調(diào)節(jié)因子，這種受一種調(diào)節(jié)蛋白所控制的操縱子網(wǎng)絡總稱調(diào)節(jié)網(wǎng)（regulon）。III.CAP受cAMP的激活，促進LacmRNA的轉錄；IV.葡萄糖存在時cAMP的水平下降，結果是葡萄糖存在時，E.coli先利用葡萄糖不用乳糖。乳糖操縱子的三種狀態(tài)表明只有阻遏蛋白不在而cAMP-CAP存在時LacmRNA才被大量轉錄。當前16頁，總共91頁。當前17頁，總共91頁。六.調(diào)節(jié)蛋白與DNA的結合1.調(diào)節(jié)蛋白有著獨特的與DNA結合的特殊結構域（domain），結合DNA特殊順序的能力比普通順序高出105-107倍。用于與DNA結合的是調(diào)節(jié)蛋白中的幾個二級結構元件的固定組合，稱為模序（或模體，motif），motif是核酸或蛋白質(zhì)中的超二級結構。a.在雙螺旋DNA的大溝與小溝中有著可供識別的堿基上的氫鍵供體和受體及疏水基團；當前18頁，總共91頁。當前19頁，總共91頁。b.調(diào)節(jié)蛋白識別結構模序中常含Asn，Gln，Lys或Arg，可與堿基形成氫鍵；當前20頁，總共91頁。2.調(diào)節(jié)蛋白與DNA結合motif的結構類型a.螺旋－轉角－螺旋（Helix-Turn-Helix）

這種結構含兩個α-螺旋（7－9個氨基酸)由β-轉角（20個氨基酸）連系，其中一個螺旋為識別螺旋，通常含有許多與DNA接觸的氨基酸殘基，位于大溝之中；b.鋅指（ZincFinger）

真核生物調(diào)節(jié)蛋白常含有許多由30個氨當前21頁，總共91頁。當前22頁，總共91頁?；峤M成的“鋅指”，其中4個AA殘基（4個Cys或2個Cys＋2個His），配位結合著鋅粒子，形成指狀結構。3.調(diào)節(jié)蛋白還和其他蛋白相互作用調(diào)節(jié)蛋白的其它結構域參加與RNA多聚酶結合或者與同一種蛋白結合成二聚體或多聚體。介導蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用的結構模序具有特征性，如轉錄輔因子中的亮氨酸拉鏈（LeucineZipper），α-螺旋中每當前23頁，總共91頁。當前24頁，總共91頁。當前25頁，總共91頁。當前26頁，總共91頁。

7個氨基酸出現(xiàn)一個Leu。當前27頁，總共91頁。七.阿拉伯糖操縱子：一種既進行正調(diào)節(jié)也能起負調(diào)節(jié)作用的調(diào)節(jié)蛋白。

araoperon調(diào)節(jié)方法：幾種特殊的調(diào)節(jié)機制。1.araC蛋白既能進行正調(diào)控也能進行負調(diào)控，信號分子的結合使它由阻遏子變構成激活子；當前28頁，總共91頁。2.araC蛋白調(diào)節(jié)它本身基因的表達。當它細胞內(nèi)含量多時阻遏自己基因轉錄，這種現(xiàn)象叫自我調(diào)節(jié)（autoregulation）；3.一些調(diào)節(jié)順序能遠距離起作用，通過蛋白對蛋白和蛋白對DNA的互相作用把遠距離順序靠DNA的環(huán)化（DNAlooping）引到啟動子附近，這種特點使ara調(diào)節(jié)系統(tǒng)成為真核生物基因遠距離調(diào)控的一個重要范例。a.araoperon的組成當前29頁，總共91頁。三個結構基因araA，B，D編碼著阿拉伯糖異構酶，核酮糖激酶，5－磷酸核酮糖差向異構酶，通過三步反應把ara變Xyl－5－P（5－磷酸－木糖），一個五碳糖代謝的中間體）；

ara操縱子的調(diào)節(jié)蛋白araC基因在ara操縱子的上游。在araoperon有三個araC的結合順序araO1，O2，I，還有CAP結合位點，結構基因araBAD轉錄方向與araCmRNA相反；當前30頁，總共91頁。當前31頁，總共91頁。當前32頁，總共91頁。b.當細胞中araC蛋白濃度超過40copies/cell，它結合O1，阻止自身基因的轉錄了；c.araC既是阿拉伯糖操縱子的正調(diào)節(jié)因子，又是負調(diào)控因子。（1）當glucose豐富而ara不存在時araC結合于araO1，O2和I，結合在O2和I上的araC蛋白相結合使DNA形成一個環(huán)，阻止araBAD基因的轉錄；（2）當葡萄糖不存在（或低水平）而ara糖存在時，此時CAP-cAMP結合于araI附當前33頁，總共91頁。近，arabinose作為誘導物與araC結合改變的蛋白的構象結合于araI，成為基因激活子和CAP-cAMP協(xié)調(diào)作用以誘導araBAD基因的轉錄；（3）ara，glu都存在或（4）都不存在時，操縱子都處阻遏狀態(tài)；以上事實說明araoperon是個復雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對環(huán)境改變可提供迅速的可逆反應。當前34頁，總共91頁。當前35頁，總共91頁。八.色氨酸操縱子的雙重控制1.色氨酸操縱子是可以阻遏的終產(chǎn)物色氨酸為輔阻遏子(co-repressor)promoter－40到+18

oprerator－10（－23到－3）RNApolymerase與repressor對promoter的結合互相排斥；基線水平表達（basal或repressedlevel）2.色氨酸操縱子還被轉錄弱化作用控制當前36頁，總共91頁。當前37頁，總共91頁。當前38頁，總共91頁。弱化子（或衰減子，Attenuator）：能使弱化作用發(fā)生的DNA順序（轉錄產(chǎn)物RNA兩種不同的二級結構控制后續(xù)的轉錄）。色氨酸操縱子mRNA的前導順序（leadersequence）有不同的堿基配對結構。轉錄衰減機制：由于轉錄和翻譯偶聯(lián)，前導順序中富含色氨酸密碼，可作為細胞中色氨酸濃度的傳感器，前導肽合成的速度影響核糖體的位置，進而影響前導順序的二級結構。當前39頁，總共91頁。當前40頁，總共91頁。當色氨酸豐富時，終止子結構形成；當色氨酸處于饑餓狀態(tài)時，終止子順序不形成有效的轉錄終止結構，使mRNA的轉錄得以繼續(xù)；當前41頁，總共91頁。當前42頁，總共91頁。弱化作用：用與翻譯偶聯(lián)的轉錄終止作用來調(diào)節(jié)一個細菌操縱子的表達的過程。3.弱化子調(diào)節(jié)的普遍性多價阻遏（multivalentrepression）：前導肽中有兩種或兩種以上用于弱化調(diào)節(jié)作用的氨基酸殘基的現(xiàn)象。當前43頁，總共91頁。當前44頁，總共91頁。SOS反應的誘導

SOSrugulon的調(diào)節(jié)蛋白LexA和RecALexA阻遏子，調(diào)節(jié)所有SOS基因，能在Ala-Gly肽鍵發(fā)生自我切割而滅活，激活所有的SOS基因；

RecA蛋白，多功能蛋白，被單鏈DNA激活，能使同源DNA順序交叉互換，有ATPase活性，同時還是蛋白酶和輔蛋白酶（coprotease）活性。當前45頁，總共91頁。當前46頁，總共91頁。SOS反應當前47頁，總共91頁。SOS反應誘導的部分基因基因功能polBDNA多聚酶IIuvrA,B,C核苷酸切割修復內(nèi)切酶

umuC,D差錯傾向修復所需

recA……當前48頁，總共91頁。DNA損傷觸發(fā)SOS反應是由一種阻遏蛋白水解導致的；

recA蛋白是一種多功能蛋白，當它和ssDNA結合時，它有蛋白水解酶活性；

LexA蛋白是recA合成的阻遏子；

LexA蛋白被recA水解造成recA蛋白本身及其他蛋白的合成；當前49頁，總共91頁。當前50頁，總共91頁。九.噬菌體λ的發(fā)育調(diào)控λ

的轉錄調(diào)控用級聯(lián)（cascade）調(diào)控方法，為了有序地組裝噬菌體顆粒，把基因分組分階段表達；λ

決定溶源化或溶菌命運的調(diào)控，為了解真核生物的發(fā)育調(diào)控提供了一種模式。當前51頁，總共91頁。1.溶菌（Lysis）和溶源化（Lysogeny）

λ

進入細菌細胞后的兩種命運：溶菌周期（lyticcycle）：新一代噬菌體顆粒產(chǎn)生并導致細胞溶解；溶源化：噬菌體DNA在寄主染色體上整合，并隨寄主DNA復制傳代的過程。當前52頁，總共91頁。當前53頁，總共91頁。當前54頁，總共91頁。λ的調(diào)節(jié)因子及功能調(diào)節(jié)因子功能cIλ阻遏子，在PR和PL的阻遏子，PRM的激活子，也是PRM的阻遏子cIIPRE和Pint的激活子Cro反阻遏子PRM的阻遏子，高濃度時也阻遏PR,PLN作用于tL1，tR1,tR2的反終止子Q后期基因轉錄的反終止子當前55頁，總共91頁。啟動子PRλ右向轉錄主啟動子PLλ左向轉錄主啟動子PRMcI基因啟動子（用于溶原維持）PREcI基因啟動子（用于溶原建立）Pintλ整合和切出有關基因啟動子當前56頁，總共91頁。環(huán)化λ噬菌體遺傳圖當前57頁，總共91頁。2.λ溶菌和溶原的選擇是五種調(diào)節(jié)蛋白cI，cII，Cro，N，Q作用于λ調(diào)節(jié)順序的結果，它們調(diào)節(jié)不同啟動子上的轉錄；當前58頁，總共91頁。當前59頁，總共91頁。當前60頁，總共91頁。當前61頁，總共91頁。溶菌a.寄主RNA多聚酶轉錄前早期蛋白N，Cro，cII；b.N蛋白在nutR，nutL與RNA多聚酶結合使之通讀tL1，tR1，tR2，產(chǎn)生Q蛋白；c.Q蛋白使后期基因得以轉錄表達，λ完成溶菌周期，細胞溶解；反終止蛋白（Antiterminationprotein）：能使RNA聚合酶通過終止點而繼續(xù)轉錄的蛋白。當前62頁，總共91頁。當前63頁，總共91頁。4.λ溶原的建立和維持（1）λ的溶原化是由cII基因產(chǎn)物cII蛋白支配的，cII激活子刺激從PRE，Pint的轉錄。從PRE的轉錄產(chǎn)生cI蛋白（λ阻遏子），cI蛋白阻遏從PL和PR的轉錄但是它又是從PRM（維持啟動子）的自動調(diào)節(jié)因子，使λ整合入寄主染色體，并維持溶原狀態(tài)；（2）溶原或溶菌（烈性感染）途徑的采取部份決定于寄主的營養(yǎng)狀態(tài)，cII蛋白易當前64頁，總共91頁。受寄主細胞蛋白酶的破壞，當細胞營養(yǎng)充足是，蛋白酶活性高，而使λ進入溶菌周期。溶原狀態(tài)的建立和維持（見圖）5.λ反阻遏子Cro和從溶菌狀態(tài)的誘導（1）整合狀態(tài)的λ噬菌體稱原噬菌體（prophase）；（2）當寄主受到DNA損傷試劑或紫外光等物理因子處理時誘發(fā)SOS反應，recA蛋白的蛋白酶活性激活，于是cI蛋白被水解，當前65頁，總共91頁。當前66頁，總共91頁。PL，PR的阻礙解除，Cro基因被轉錄，Cro反阻遏子合成；（3）Cro蛋白對O的親和力與cI相反，是OR3>OR2>OR1，因而它先結合在OR3，阻遏cI基因的轉錄和翻譯，PR，PL的轉錄開始，并逐步產(chǎn)生溶菌周期的蛋白，使λ從寄主DNA上切出，進入溶菌狀態(tài)。當前67頁，總共91頁。6.cI蛋白與Cro蛋白的拮抗作用

λ阻遏子和Cro蛋白的六個結合位點一條鏈的堿基順序當前68頁，總共91頁。當前69頁，總共91頁。λ操縱基因并列三個阻遏子結合位點每個操縱基因結合位置有17bp，有軸對稱性，六個結合位點都相似，但有一定的差異；

cI阻遏子對操縱基因的親和力OL1>OL2>OL3Cro反阻遏子相反OR1>OR2>OR3當前70頁，總共91頁。阻遏子在操縱基因上的結合阻遏子亞基27,000daltons,分N末端區(qū)（92個氨基酸殘基），C末端（132-236），40個殘基的連接肽鍵。當前71頁，總共91頁。當前72頁，總共91頁。原核生物核糖體蛋白合成的自我調(diào)節(jié)及與rRNA合成的協(xié)調(diào)（autogenouscontol）a.核糖體蛋白（r-protein）與其他細胞中的蛋白質(zhì)合成因子，RNA聚合酶亞基基因混合組成多個操縱子，以協(xié)調(diào)合成的速度；b.自我調(diào)節(jié)發(fā)生在翻譯水平，每個操縱子中編碼著一種“關鍵”蛋白（key-protein），這種蛋白濃度增加時會結合于mRNA的翻譯起始位置，造成“翻譯阻遏”（translationrepressor）當前73頁，總共91頁。當前74頁，總共91頁。當前75頁，總共91頁。協(xié)調(diào)細胞內(nèi)氨基酸濃度的“應急反應”（stringentresponse）GDP＋ATP

酶

ppGpp＋AMP

導致rRNA合成的急劇減少；c.r-protein的合成受rRNA水平的調(diào)節(jié)當前76頁，總共91頁。當前77頁，總共91頁。十.基因表達的重組調(diào)節(jié)生活在人小腸中的沙門氏桿菌（Salmonella）會周期性地改變鞭毛蛋白（phasevariation，約1000細胞世代一次），鞭毛蛋白地周期性改變以逃避寄主免疫系統(tǒng)的攻擊。當前78頁，總共91頁。當前79頁，總共91頁。十一.真核基因表達的調(diào)節(jié)特點：a.轉錄的激活與染色質(zhì)結構的多種改變相關；(chromatinremodeling)b.主要的調(diào)控是正調(diào)節(jié)；c.轉錄和翻譯在空間上是分離的（有核與核膜存在）；d,調(diào)節(jié)蛋白結構更復雜。一.轉錄活性染色質(zhì)具有特殊性質(zhì)1.轉錄活化區(qū)域對核酸酶是高度敏感的，通常染色質(zhì)被DNase降解,DNA片斷長約為n200bp，轉錄活性區(qū)上游被當前80頁，總共91頁。降解位點更不規(guī)則，產(chǎn)生不規(guī)則片斷；這些位點稱為高敏感區(qū)。2.脫甲基化胞嘧啶甲基化一般發(fā)生在CpG順序，有轉錄活性的染色質(zhì)DNA常被脫甲基化；3.轉錄活躍染色質(zhì)缺少組蛋白和相關蛋白，核小體核心蛋白常被乙?；蚺c泛素（ubiquitin）相結合；以上事實證明轉錄必需解除染色質(zhì)結構中的障礙。當前81頁，總共91頁。二.大多數(shù)的真核啟動子是正調(diào)控的1.真核RNA多聚酶II對基因的轉錄依賴激活蛋白（activators），RNApolymeraseII對啟動子順序很少或沒有特殊親和力，負調(diào)節(jié)因子不普遍；2.真核生物采取正調(diào)節(jié)的兩種原因

a.真核生物基因組龐大，隨著DNA量增加，負調(diào)控因子和DNA特殊順序結合的特異性降低。轉錄起始使用多種正調(diào)節(jié)蛋白可以提高特異性。各種正調(diào)節(jié)因子當前82頁，總共91頁。必須結合于不同的DNA順序，然后形成轉錄復合物，轉錄輔因子的選擇性組合具有多樣性，轉錄的特異性就可被改善。多細胞有機體一個基因的調(diào)節(jié)位點平均在五個以上；b.在大基因組中使用正調(diào)節(jié)更有效，經(jīng)濟。人（約4萬個基因），通常大部分基因處于滅活狀態(tài)，細胞只要選擇性地合成一組激活蛋白，便可以使一組細胞所需的基因被轉錄；當前83頁，總共91頁。c.增強子（enhancer）：真核細胞中普遍存在的正調(diào)控元件，激活轉錄特點：I.可以在長距離內(nèi)起作用，與被調(diào)節(jié)基因的相對位置無關，如SV40增強子，2個72bp的串聯(lián)重復順序，能在5.2kb長的整個基因組的任何一個位置起作用；II.一種增強子只能在特定類型的細胞內(nèi)起作用，如免疫球