生化ppt 課件 第十三章 基因表達(dá)調(diào)控

同學(xué)們上午好主講葉輝單位溫州醫(yī)學(xué)院生化教研室第十五章基因表達(dá)的調(diào)控1961年，F(xiàn)rancisJacob等通過E.coli基因表達(dá)調(diào)控研究提出了著名的操縱子學(xué)說控制中心法則各步進(jìn)行快慢的調(diào)控系統(tǒng)復(fù)制RNARNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯復(fù)制DNA第一節(jié)

基因表達(dá)調(diào)控的基本概念BasicConceptionsofGeneExpressionRegulation基因表達(dá)生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄，翻譯等系列生化反應(yīng)的過程，合成特定的蛋白質(zhì)，進(jìn)而發(fā)揮特定生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的全過程。基因表達(dá)調(diào)控控制基因表達(dá)的調(diào)節(jié)機(jī)制例如：人類有3萬個(gè)基因，并非全部表達(dá)，大腸桿菌有5%處于高表達(dá)狀態(tài)，其余為低表達(dá)或靜止?fàn)顟B(tài)基因表達(dá)的多水平調(diào)控調(diào)控點(diǎn)轉(zhuǎn)錄前水平翻譯水平轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄后加工翻譯后水平轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是基因表達(dá)的最主要和重要的調(diào)控步驟正調(diào)控和負(fù)調(diào)控基因表達(dá)的效果正調(diào)節(jié)（positiveregulation）：因一種特異性調(diào)控元件的存在遺傳信息的表達(dá)增加負(fù)調(diào)節(jié)（negativeregulation）：因一種特異性調(diào)控元件的存在遺傳信息的表達(dá)減少基因表達(dá)調(diào)控的分類基因表達(dá)的方式組成性表達(dá)持家基因某些基因在一個(gè)生物體的幾乎所有細(xì)胞中以適當(dāng)恒定的速率進(jìn)行表達(dá)，較少受環(huán)境因素的影響。例如：為三羧酸循環(huán)的酶編碼的基因誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)（受環(huán)境變化影響）同一事物的兩種表達(dá)形式（環(huán)境）誘導(dǎo)表達(dá)阻遏表達(dá)乳糖操縱子是誘導(dǎo)，阻遏表達(dá)的典型模型順式作用和反式作用順式作用元件Cis-actingfactor順式：相對(duì)同一分子或染色體而言反式：相對(duì)不同分子或染色體而言與編碼基因位于同一DNA分子（兩側(cè)，非編碼序列），影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子反式作用因子trans-actingfactor與編碼基因位于不同DNA分子的基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，通過與特異的順式作用元件相互作用（DNA結(jié)構(gòu)域和蛋白-蛋白結(jié)構(gòu)域）反式激活另一基因的轉(zhuǎn)錄三、基因表達(dá)調(diào)控的一般特征時(shí)間特異性（階段特異性）空間特異性（組織特異性）胚胎發(fā)育不同階段不同的基因表達(dá)（珠蛋白的表達(dá)）同一生長(zhǎng)階段，同一基因產(chǎn)物在不同組織器官表達(dá)多少不同（同工酶）第二節(jié)原核生物基因表達(dá)的調(diào)控調(diào)節(jié)特點(diǎn)多水平調(diào)控多順反子（polycistronicmRNA）:多個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄成一個(gè)mRNA分子，翻譯成多條多肽鏈操縱子（operon）模型的普遍性乳糖（lac）操縱子色氨酸（trp）操縱子一、乳糖操縱子（thelac

operon）結(jié)合阻遏蛋白IPOZYACAP結(jié)合位點(diǎn)CAP結(jié)合位點(diǎn)調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白R(shí)NA聚合酶結(jié)合cAMP（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基因調(diào)控區(qū)調(diào)節(jié)基因IZ基因編碼β半乳糖苷酶Y基因編碼β半乳糖苷透性酶A基因編碼乙酰基轉(zhuǎn)移酶操縱序列O：阻遏蛋白結(jié)合部位啟動(dòng)序列P：結(jié)合RNA聚合酶CAP結(jié)合位點(diǎn):cAMP結(jié)合位點(diǎn)編碼阻遏蛋白（二）乳糖操縱子表達(dá)的調(diào)節(jié)CAP的正性調(diào)節(jié)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)無誘導(dǎo)物時(shí)無葡萄糖時(shí)（誘導(dǎo)物：異乳糖）不產(chǎn)生誘導(dǎo)物有葡萄糖阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)有乳糖ipozya調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因mRNA阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因表達(dá)阻遏蛋白+O區(qū)結(jié)合阻礙P區(qū)RNA聚合酶結(jié)合通過O區(qū)lac操縱子受阻遏狀態(tài)結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)無葡萄糖有乳糖產(chǎn)生誘導(dǎo)物ipozya誘導(dǎo)物與阻遏蛋白接合使阻遏蛋白失去活性LacmRNAβ-半乳糖苷酶β-半乳糖苷透性酶乙?；D(zhuǎn)移酶誘導(dǎo)物(異乳糖allolactose

；IPTG)分解乳糖的酶基因表達(dá)誘導(dǎo)物結(jié)合阻遏蛋白阻遏蛋白變構(gòu)阻遏蛋白與O區(qū)解離RNA聚合酶通過O區(qū)1.掌握以下概念：基因表達(dá)、基因表達(dá)調(diào)控、正調(diào)節(jié)、負(fù)調(diào)節(jié)、持家基因、誘導(dǎo)表達(dá)和阻遏表達(dá);2.掌握乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)；3.掌握乳糖操縱子的阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié).本節(jié)課的重點(diǎn)1.掌握以下概念：基因表達(dá)、基因表達(dá)調(diào)控、正調(diào)節(jié)、負(fù)調(diào)節(jié)、持家基因、誘導(dǎo)表達(dá)和阻遏表達(dá);2.掌握乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)；3.掌握乳糖操縱子的阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié).復(fù)習(xí)與鞏固上節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容CAP的正性調(diào)節(jié)分解（代謝）基因激活蛋白（catabolitegeneactivatorprotein，CAP）同二聚體有DNA結(jié)合區(qū)和cAMP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合阻遏蛋白IPOZYACAP結(jié)合位點(diǎn)CAP結(jié)合位點(diǎn)調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白R(shí)NA聚合酶結(jié)合cAMP乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)cAMPCAPIP

O

ZYA5＇3＇CAPCAPCAPCAPCAP＋葡萄糖濃度低時(shí)CAPCAPCAPCAPCAPCAPRNA聚合酶mRNACAPIP

OZYA5＇3＇葡萄糖濃度高時(shí)CAPcAMP×RNA聚合酶CAP的正性調(diào)節(jié)RNA-pol活性↑缺乏G時(shí)cAMP↑c(diǎn)AMP與CAP結(jié)合增加CAP與CAP位點(diǎn)結(jié)合基因表達(dá)↑G↑或cAMP↓cAMP與CAP結(jié)合受阻基因表達(dá)↓二、色氨酸操縱子（thetrp

operon）（一）色氨酸操縱子結(jié)構(gòu)RP

Otrp

Etrp

Dtrp

Ctrp

Btrp

A調(diào)節(jié)基因調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)基因鄰氨基苯甲酸合成酶色氨酸合成酶啟動(dòng)子前導(dǎo)trp

L衰減子吲哚甘油-3-磷酸合成酶調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因（合成Trp的酶）調(diào)控區(qū)trpE，trpD基因編碼鄰氨基苯甲酸合成酶trpC基因編碼吲哚甘油-3-磷酸合成酶trpB，trpA基因編碼色氨酸合成酶操縱序列O：阻遏蛋白結(jié)合部位啟動(dòng)序列P：結(jié)合RNA聚合酶衰減子（attenuator，a）162bp調(diào)節(jié)基因R：編碼阻遏蛋白（二）色氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制RP

Otrp

Etrp

Dtrp

Ctrp

Btrp

A前導(dǎo)trpL衰減子調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白mRNATrp

mRNA（色氨酸水平低時(shí)）衰減的

mRNA（色氨酸水平高時(shí)）trp含有140個(gè)堿基阻遏蛋白mRNAUUUUUUUU3＇色氨酸操縱子的前導(dǎo)trpLmRNA結(jié)構(gòu)1234Trp密碼子互補(bǔ)配對(duì)5＇前導(dǎo)肽（14AA）互補(bǔ)配對(duì)互補(bǔ)配對(duì)34UUUUUUUUU3＇RNA聚合酶12Trp密碼子mRNA核蛋白體DNA衰減子結(jié)構(gòu)前導(dǎo)肽色氨酸濃度高時(shí)核蛋白體234Trp密碼子Trp結(jié)構(gòu)基因1DNA色氨酸濃度低時(shí)RNA聚合酶（二）色氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制RP

Otrp

Etrp

Dtrp

Ctrp

Btrp

A前導(dǎo)trpL衰減子調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白mRNATrp

mRNA（色氨酸水平低時(shí)）衰減的

mRNA（色氨酸水平高時(shí)）trp含有140個(gè)堿基阻遏蛋白mRNA第三節(jié)真核生物基因表達(dá)的調(diào)控結(jié)構(gòu)龐大基因占6%，5%-10%為rRNA等DNA序列，其余80%-90%DNA序列無遺傳學(xué)功能一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄成一個(gè)mRNA分子，翻譯成一條多肽鏈單順反子（monocisronic）真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)重復(fù)序列基因不連續(xù)性基因兩側(cè)有不被轉(zhuǎn)錄的非編碼序列（基因調(diào)控區(qū)）基因內(nèi)部有內(nèi)含子，不編碼蛋白質(zhì)。多拷貝序列；單拷貝序列；反轉(zhuǎn)重復(fù)序列（回文）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后修飾、加工轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核翻譯在胞漿比原核復(fù)雜正性調(diào)節(jié)更有效：基因組龐大，正性調(diào)節(jié)增加基因表達(dá)調(diào)節(jié)的特異性和精確性負(fù)性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟(jì)：基因多，多阻遏不如少激活對(duì)DNase1敏感性增高核小體結(jié)構(gòu)變化DNA堿基的化學(xué)修飾組蛋白變化甲基化與基因表達(dá)程度成反比磷酸化與乙?；购诵◇w結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定有利于轉(zhuǎn)錄基因被激活時(shí)染色體結(jié)構(gòu)變化轉(zhuǎn)錄時(shí)RNA聚合酶前方轉(zhuǎn)錄區(qū)DNA為正超螺旋：后方負(fù)超螺旋；組蛋白解聚核小體核心結(jié)構(gòu)與RNA聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控順式作用元件反式作用因子啟動(dòng)子（promoter）增強(qiáng)子（enhancer）沉默子（silencer）真核生物順式作用元件GC盒TATA盒增強(qiáng)子CAAT盒結(jié)構(gòu)基因

轉(zhuǎn)錄起始啟動(dòng)子

+1-25bp

沉默子啟動(dòng)子TATA盒GC盒CAAT盒（TATAAAA）轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游25-30bp是基本轉(zhuǎn)錄因子TFⅡD結(jié)合位點(diǎn)（GGGCGGG）轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游80-110bp，管家基因（CCAAT）轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游70-80bp轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游RNA-pol結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制功能組件，控制轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率增強(qiáng)子遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（1-30kb），決定基因時(shí)間，空間特異性表達(dá)，增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列轉(zhuǎn)錄起始啟動(dòng)子與增強(qiáng)子缺一不可沉默子負(fù)性調(diào)節(jié)元件，阻遏基因轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（轉(zhuǎn)錄因子TF）基本轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子RNA-pol結(jié)合啟動(dòng)子必需的一組蛋白因子TFⅡD為通用轉(zhuǎn)錄因子個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄必需轉(zhuǎn)錄激活轉(zhuǎn)錄抑制蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄激活蛋白轉(zhuǎn)錄抑制蛋白DNA與增強(qiáng)子結(jié)合與沉默子結(jié)合反式作用因子反式作用子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域二聚化結(jié)構(gòu)域與順式作用元件結(jié)合部位介導(dǎo)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用結(jié)構(gòu)域1、螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋2、鋅指結(jié)構(gòu)：Cys-Cys鋅指；Cys-His鋅指3、堿性亮氨酸拉鏈（basicleucinezipper，bZIP）：形成二聚體結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白①螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋模體

-螺旋-轉(zhuǎn)角螺旋螺旋轉(zhuǎn)角NC②鋅指模體組氨酸殘基-折疊-螺旋Zn半胱氨酸殘基-折疊③亮氨酸拉鏈模體轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控1、初級(jí)轉(zhuǎn)錄本的加工2、mR