第三十四章細胞代謝與基因表達調控課件

第34章細胞代謝與基因表達調控細胞代謝分為物質代謝、能量代謝和信息代謝生物體內部維持高度的有序性，必須有精密的調節(jié)：分子水平調節(jié)，細胞水平調節(jié)，多細胞整體水平調節(jié)都是通過蛋白質或RNA維持——基因表達調控調控網絡酶促調節(jié)細胞結構調節(jié)神經體液調節(jié)基因表達調節(jié)代謝調節(jié)第34章細胞代謝與基因表達調控細胞代謝分為物質代謝、能量1一.調控網絡：四種生物大分子代謝途徑交叉形成網絡三個最關鍵的代謝中間物：葡萄糖-6-磷酸，丙酮酸，乙酰輔酶A1.糖代謝與蛋白質代謝的關系a.糖可以轉變?yōu)榉潜匦璋被?。丙酮酸、草酰乙酸、α酮戊二酸轉氨基后分別形成b.蛋白質可以轉變?yōu)樘?。脫氨后的羧酸丙酮酸、草酰乙酸、α酮戊二酸、琥珀酸等。生糖氨基酸?調控網絡：四種生物大分子代謝途徑交叉形成網絡1.糖代謝與22.脂肪代謝與蛋白質代謝的相互關系a.甘油——丙酮酸——草酰乙酸——α酮戊二酸——Glu脂肪酸——乙酰輔酶A——乙醛酸循環(huán)——琥珀酸b.蛋白質——生酮氨基酸——乙酰乙酸——脂肪酸蛋白質——丙酮酸——甘油2.脂肪代謝與蛋白質代謝的相互關系a.甘油——丙酮酸——草酰33.糖代謝與脂肪代謝的相互關系糖——磷酸二羥丙酮——甘油；乙酰輔酶A——脂肪酸乙醛酸循環(huán)起到重要作用，在植物或微生物體內3.糖代謝與脂肪代謝的相互關系糖——磷酸二羥丙酮——甘油；乙44.核酸與其他物質代謝的相互關系蛋白質代謝為嘌呤和嘧啶的合成提供許多原料；糖類產生二羧基氨基酸的酮酸前身，又是戊糖的來源。核酸是細胞內的重要遺傳物質，可通過控制蛋白質的合成影響細胞的組成成分和代謝類型4.核酸與其他物質代謝的相互關系蛋白質代謝為嘌呤和嘧啶的合成5二代謝的調節(jié)代謝調節(jié)可分為4個水平：酶水平調節(jié)、細胞水平調節(jié)、信號傳遞系統（激素、神經水平調節(jié)）、基因表達調節(jié)（一）酶水平調節(jié)是催化劑，同時可控制反應的速度、方向和途徑細胞代謝主要受到酶的調節(jié)1.激活劑或抑制劑改變酶的活性2.影響酶的合成或降解，改變酶量——基因表達反應物濃度與產物濃度的質量作用定律是有限的二代謝的調節(jié)代謝調節(jié)可分為4個水平：酶水平調節(jié)、細胞水平62.別構調節(jié)作用一般為寡聚酶，由催化亞基和調節(jié)亞基組成，別構效應物與調節(jié)亞基結合，引起酶分子的構象發(fā)生變化，從而改變酶的活性。不單是質量作用定律1.反饋調節(jié)（包括正反饋和負反饋）。3.特異的激活劑或抑制劑（一）酶水平調節(jié)2.別構調節(jié)作用一般為寡聚酶，由催化亞基和調節(jié)亞基組成，別構74.共價修飾調節(jié)作用不同類型的可逆共價修飾作用：①磷酸化/脫磷酸化；②乙?；?脫乙酰化；③腺苷酸化/脫腺苷酸化；④尿苷酸化/脫尿苷酸化；⑤ADP-核糖基化；⑥甲基化/脫甲基化；⑦S-S/SH相互轉變。共價修飾調節(jié)對調節(jié)信號有放大作用。如磷酸化酶激活的級聯反應。4.共價修飾調節(jié)作用不同類型的可逆共價修飾作用：①磷酸化/脫8（二）細胞水平調節(jié)酶在細胞內的集中存在與隔離分布代謝酶類區(qū)域化具有的生理意義即是實現代謝調控的一個原始方式。特別是各種膜結構對代謝和酶的影響（三）信號傳遞系統（激素、神經水平調節(jié)）動物激素4類：氨基酸及其衍生物、肽及蛋白質、固醇類、脂肪酸衍生物。植物激素5類：生長素、赤霉素類、激動素類、脫落酸、乙烯。神經系統對代謝的調節(jié)多細胞生物的信息交流，改變酶的活性或膜的通透性（二）細胞水平調節(jié)代謝酶類區(qū)域化具有的生理意義即是實現代謝調9（四）基因表達的調節(jié)酶生物合成在轉錄水平和翻譯水平受到調節(jié)。通過基因表達，DNA中的遺傳信息即可用以決定細胞的表型和生物形狀。基因的表達隨著組織細胞及個體發(fā)育的階段的不同，隨著內外環(huán)境的變化的不同，而表現為不同的基因的表達。（四）基因表達的調節(jié)酶生物合成在轉錄水平和翻譯水平受到調節(jié)。10人類基因組DNA中約含5萬個基因，但在某一特定時期，只有少數的基因處于轉錄激活狀態(tài)，其余大多數基因則處于靜息狀態(tài)。一般來說，在大部分情況下，處于轉錄激活狀態(tài)的基因僅占5%。通過基因表達以合成特異性蛋白質，從而賦予細胞以特定的生理功能或形態(tài)，以適應內外環(huán)境的改變?；虮磉_的生物學意義1.適應環(huán)境、維持生長和增殖。2.維持個體發(fā)育與分化。

人類基因組DNA中約含5萬個基因，但在某一特定時期，只有少數111.基因表達的時間性及空間性

時間特異性：基因表達的時間特異性是指特定基因的表達嚴格按照特定的時間順序發(fā)生，以適應細胞或個體特定分化、發(fā)育階段的需要。故又稱為階段特異性。

1.基因表達的時間性及空間性時間特異性：基因表達的時間特12空間特異性：基因表達的空間特異性是指多細胞生物個體在某一特定生長發(fā)育階段，同一基因的表達在不同的細胞或組織器官不同，從而導致特異性的蛋白質分布于不同的細胞或組織器官。故又稱為細胞特異性或組織特異性。

空間特異性：基因表達的空間特異性是指多細胞生物個體在某一特132.組成性表達：

組成性基因表達（constitutivegeneexpression）是指在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數細胞中持續(xù)進行的基因表達。其基因表達產物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeepinggene）。

2.組成性表達：組成性基因表達（constitutive143.誘導和阻遏表達：誘導表達（induction）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達產物增加。這類基因稱為可誘導基因。阻遏表達（repression）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達產物減少。這類基因稱為可阻遏基因。

3.誘導和阻遏表達：誘導表達（induction）是指在特15基因表達調控的基本原理

（一）基因表達的多級調控：基因表達調控可見于從基因激活到蛋白質生物合成的各個階段，因此基因表達的調控可分為轉錄水平（基因激活及轉錄起始），轉錄后水平（加工及轉運），翻譯水平及翻譯后水平，但以轉錄水平的基因表達調控最重要。

基因表達調控的基本原理（一）基因表達的多級調控：基因表達16（二）基因轉錄激活調節(jié)基本要素：1．順式作用元件：順式作用元件（cis-actingelement）又稱分子內作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉錄調控有關的特殊順序。

（二）基因轉錄激活調節(jié)基本要素：1．順式作用元件：順式作用17在原核生物中，大多數基因表達通過操縱子模型進行調控，其順式作用元件主要由啟動基因、操縱基因和調節(jié)基因組成。在真核生物中，與基因表達調控有關的順式作用元件主要有啟動子（promoter）、增強子（enhancer）和沉默子（silencer）。

在原核生物中，大多數基因表達通過操縱子模型進行調控，其順式作18基因的組織結構及順式作用元件基因的組織結構及順式作用元件192．反式作用因子：反式作用因子（trans-actingfactor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達調控有關的蛋白質因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達到對特定基因進行調控的目的。原核生物中的反式作用因子主要分為特異因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常稱為轉錄因子。

2．反式作用因子：反式作用因子（trans-actingf203．順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用：大多數調節(jié)蛋白在與DNA結合之前，需先通過蛋白質-蛋白質相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過識別特定的順式作用元件，而與DNA分子結合。這種結合通常是非共價鍵結合3．順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用：21原核基因轉錄調節(jié)

存在于原核生物中的一種主要的調控模式是操縱子（operon）調控模式，該模式也見于低等真核生物中。在原核生物中，若干結構基因可串聯在一起，其表達受到同一調控系統的調控，這種基因的組織形式稱為操縱子（operon）。原核基因轉錄調節(jié)存在于原核生物中的一種主要的調控模式22基因表達的調控基因只有在該發(fā)生作用的地方起作用從DNA到蛋白質的各個階段均可以控制以轉錄水平的調控為主原核生物的表達調控（營養(yǎng)、環(huán)境等）Jacob，Monod乳糖操縱子模型操縱子：控制同一代謝途徑的相關基因，緊密連鎖基因表達的調控基因只有在該發(fā)生作用的地方起作用原核生物的表達23一、操縱子的結構與功能

典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分?？刂茀^(qū)由各種調控基因所組成，而信息區(qū)則由若干結構基因串聯在一起構成。一、操縱子的結構與功能典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部24控制區(qū)信息區(qū)以原核生物乳糖操縱子(Lacoperon)為例，其控制區(qū)包括調節(jié)基因（阻遏基因），啟動基因（其CRP結合位點位于RNA聚合酶結合位點上游）和操縱基因；其信息區(qū)由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串聯在一起構成?？刂茀^(qū)信息區(qū)以原核生物乳糖操縱子(Lacoperon)為例25大腸桿菌可以利用半乳糖，不能利用乳糖在只有乳糖存在下，3種結構基因得到大量表達即3種酶的合成大量增加：1.β-半乳糖苷酶（Z基因）2.滲透酶（Y基因）3.乙?；D移酶（A基因）實驗：結論：乳糖誘導了3個基因的大量表達大腸桿菌可以利用半乳糖，不能利用乳糖實驗：結論：乳糖誘導了326乳糖操縱子的結構基因及其表達產物乳糖操縱子的結構基因及其表達產物27二、乳糖操縱子的調控機制

（一）乳糖操縱子的誘導：二、乳糖操縱子的調控機制（一）乳糖操縱子的誘導：28ipozyaNolacmRNAAbsenceoflactoseActiveipozya-GalactosidasePermeaseTransacetylasePresenceoflactoseInactiveLackofinducer:thelacrepressorblockallbutaverylowleveloftrans-criptionoflacZYA.Lactoseispresent,thelowbasallevelofpermeaseallowsitsuptake,andβ-galactosidasecatalyzestheconversionofsomelactosetoallolactose.Allolactose

actsasaninducer,bindingtothelacrepressorandinactivateit.ipozyaNolacmRNAAbsenceofla29第三十四章細胞代謝與基因表達調控課件30（二）乳糖操縱子的阻遏：（二）乳糖操縱子的阻遏：31第三十四章細胞代謝與基因表達調控課件32cAMPreceptorprotein(CRP)CRPisatranscriptionalactivatorwhichisactivatedbybindingtocAMP.cAMPlevelrisewhenglucoseislacking.toenhancethetranscriptionlevel.However,itisonlyactivewhencAMPbound,andcAMPiscontrolledbyglucose.CRPactivatormediatestheglobalregulationofgeneexpressionfromcatabolicoperonsinresponsetoglucoselevels.cAMPreceptorprotein(CRP)C33CRP-bindingsiteisaninvertedrepeat.CRP-bindingsiteisaninverte34lactoseoperonI：調節(jié)基因，編碼阻遏物P：啟動基因，與RNA聚合酶結合，起始轉錄O：操縱基因，開關，與I基因編碼的阻遏物結合無乳糖則I基因編碼的阻遏物結合到O基因，Z、Y、A不表達若有乳糖—別乳糖，與阻遏物結合，阻遏物構象改變，失去阻遏作用，結構基因可以表達lactoseoperonI：調節(jié)基因，編碼阻遏物無乳糖則35ayzopi結構基因控制位點調節(jié)基因乳糖操縱子ayzopioCAP與cAMP形成復合物，結合在lacoperon的啟動基因上，促進轉錄的進行。cAMP-CAP是正調控因子，阻遏蛋白是負調控因子。ayzopi結構基因控制位點調節(jié)基因乳糖操縱子ayzopio36三、色氨酸操縱子的調控機制

色氨酸操縱子（trpoperon）屬于阻遏型操縱子，主要參與調控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉錄合成。當細胞內缺乏色氨酸時，此操縱子開放，合成Trp而當細胞內合成的色氨酸過多時，此操縱子被關閉。三、色氨酸操縱子的調控機制色氨酸操縱子（trpopero37色氨酸操縱子的調控機制與乳糖操縱子類似，但通常情況下，操縱子處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結合而阻遏轉錄。

而當色氨酸合成過多時，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結合而使基因轉錄關閉。

色氨酸操縱子的調控機制與乳糖操縱子類似，但通常情況下，操縱子38ABCDEopLatrpRtrpPtrpOtrpEtrpDtrpCtrpBtrpAE.coli色氨酸操縱子模型Trp合成途徑還存在色氨酸操縱子中衰減子所引起的衰減調節(jié)。ABCDEopLatrpRtrpPtrpOtrpEtrpDt39第三十四章細胞代謝與基因表達調控課件40Theattenuator1.Liesattheendofthetranscribedleadersequenceof162ntthatprecedesthetrpEinitiatorcodon.2.Increaseboththebasalandtheactivated(derepressed)levelsoftranscriptionwhendeletetheattenuator.3.Theattenuatorisaρ-independentterminatorsite(GC-richpalindrome),fellowsaeightsuccessiveUresidues.

Theattenuator1.Liesatthe414.Itactsahighlyefficienttranscriptionterminatorandonlya140bptransciptissynthesizedwhenformahairpinstructureinRNAtranscipt.4.Itactsahighlyefficient42第三十四章細胞代謝與基因表達調控課件43轉錄衰減(attenuation)機制，比阻遏作用更精細決定轉錄起始后是否繼續(xù)即在色氨酸操縱子第一個結構基因與啟動基因之間存在有一衰減區(qū)域，當細胞內色氨酸酸濃度很高時，通過與轉錄相偶聯的翻譯過程，形成一個衰減子結構，使RNA聚合酶從DNA上脫落，導致轉錄終止轉錄衰減(attenuation)機制，比阻遏作用更精細44LeaderRNAstructureComplementary3:4terminationoftranscription

Complementary2:3ElongationoftranscriptionTheleadersequencecontainfourregions(sequence1,2,3,4)ofcomplementarysequenceandformdifferentstructuresLeaderRNAstructureCompleme4514–amino-acid(encodedby27-68oftheleaderRNA10thand11thcodonsencodetrpresidues(rareAA)hasanefficientribosome-bindingsiteTheleaderpeptideistodeterminertrpavailabilityandtoregulatetranscriptionterminationRibosomepauseunderalowtrp

14–amino-acid(encodedby27-646Attenuation:DependsonthetightlycouplingoftranscriptionandtranslationTheRNAPolpausesattheendofsequence2untilaribosomebegantotranslatetheleaderpeptide.Hightrp(attunation)Lackoftrp

(proceedingthroughthewholeoperon)TranscriptionofthetrpoperonAttenuation:TheRNAPolpauses47HightrpTrpisinsertedatthetrpcodonsTranslatetotheendofleadermessageRibosomeoccludesequence2Terminatetranscriptionat(3:4)HightrpTrpisinsertedatth48LackoftrpLackofaminoacyltRNARibosomepauseattrpdons,occludingsequence1Form2:3hairpin(anti-terminator)TranscriptionintotrpEandbeyondLackoftrpLackofaminoacyl49LowTrpHighTrpLowTrpHighTrp50Atypicalnegativefeed-backregulationGiverisetoa10-foldrepressionofthetrpoperontranscription(細調）,increasingtheregulatoryeffectupto700-foldcombiningthe70-foldrepressoreffect(粗調）.Fasterandmoresubtleregulationoftrpmetabolisminbacteria.意義Atypicalnegativefeed-backr51四、原核生物轉錄的整體調控模式

由成群的操縱子組成的基因轉錄調控網絡稱為調節(jié)子。通過組成調節(jié)子調控網絡，對若干操縱子及若干蛋白質的合成進行協同調控，從而達到整體調控的目的。典型的整體調控模式是SOS反應，這是由一組與DNA損傷修復有關的酶和蛋白質基因組成。在正常情況下，這些基因均被LexA阻遏蛋白封閉。當有紫外線照射時，細菌體內的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，從而導致與DNA損傷修復有關的基因表達。

四、原核生物轉錄的整體調控模式由成群的操縱子組成的基因轉錄52真核基因轉錄調節(jié)

真核生物中基因表達的調控機制較原核生物復雜得多，許多細節(jié)還未弄清楚。就人類染色體DNA而言，就有30億個堿基對，估計約有5萬個基因。

真核基因轉錄調節(jié)真核生物中基因表達的調控機制較原核生物復53真核生物基因表達的調控瞬時調控：對環(huán)境做出的反應，底物濃度、激素發(fā)育調控：分化、生長、發(fā)育結構復雜，調控復雜DNA重排；拷貝數變化；大部分不轉錄轉錄水平；轉錄后水平；翻譯水平；蛋白質加工水平真核生物基因表達的調控瞬時調控：對環(huán)境做出的反應，底物濃度、54一、真核基因組結構特點（一）轉錄產物為單順反子：真核基因的轉錄產物一般是單順反子（mono-cistron），即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，并指導翻譯一條多肽鏈。

一、真核基因組結構特點（一）轉錄產物為單順反子：真核基因55（二）大量重復序列：真核基因組中含大量的重復序列，這些重復序列大部分是沒有特定生物學功能的DNA片段，可占整個基因組DNA的90%。根據重復頻率可將其分為高度重復序列、中度重復序列和單拷貝序列。

（二）大量重復序列：真核基因組中含大量的重復序列，這些重復56（三）斷裂基因：真核生物中的基因具有不連續(xù)性，即一個基因的編碼序列往往被一些非編碼序列分隔開?；蛑心軌蜣D錄并進一步編碼多肽鏈合成的部分稱為外顯子（exon），而在轉錄后會被剪除的部分則稱為內含子（intron）。

（三）斷裂基因：57二、真核基因表達調控的特點

（一）RNA聚合酶活性受轉錄因子調控：真核生物中存在RNApolⅠ、Ⅱ、Ⅲ三種不同的RNA聚合酶，分別負責轉錄不同的RNA。這些RNA聚合酶與相應的轉錄因子形成復合體，從而激活或抑制該酶的催化活性。

二、真核基因表達調控的特點（一）RNA聚合酶活性受轉錄因子58（二）染色質結構改變參與基因表達的調控：真核生物DNA與組蛋白結合并形成核小體的結構，再進一步形成染色質。當真核基因被激活時，染色質的結構也隨之發(fā)生改變。主要的改變有：1．單鏈DNA形成：基因被激活后，雙鏈DNA解開成單鏈以利于轉錄，從而形成一些對DNAaseⅠ的超敏位點。（二）染色質結構改變參與基因表達的調控：592．DNA拓樸結構改變：天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在，當基因激活后，則轉錄區(qū)前方的DNA拓樸結構變?yōu)檎猿菪?。正性超螺旋可阻礙核小體形成，并促進組蛋白解聚。

3．核小體不穩(wěn)定性增加：由于組蛋白修飾狀態(tài)改變，巰基暴露等原因而引起核小體結構改變。

表觀遺傳學2．DNA拓樸結構改變：天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在60（四）正性調節(jié)占主導：真核基因一般都處于阻遏狀態(tài)，RNA聚合酶對啟動子的親和力很低。通過利用各種轉錄因子正性激活RNA聚合酶是真核基因調控的主要機制。

（四）正性調節(jié)占主導：真核基因一般都處于阻遏狀態(tài)，RNA聚合61（五）轉錄和翻譯過程分別進行：轉錄與翻譯過程分別存在于不同的亞細胞部位，可分別進行調控。（六）轉錄后加工修飾過程復雜：特別是mRNA，轉錄后僅形成其初級轉錄產物——HnRNA，然后再經剪接、加帽、加尾等加工修飾，才能轉變?yōu)槌墒斓膍RNA。

（五）轉錄和翻譯過程分別進行：轉錄與翻譯過程分別存在于不同62三、真核基因轉錄調控元件及激活機制

（一）順式作用元件（分子內作用元件）：1．啟動子：存在于結構基因上游，與基因轉錄啟動有關的一段特殊DNA順序稱為啟動子（promoter)。與原核生物類似，也含有一段富含TATA的順序，稱為TATA盒。除此之外，還可見CAAT盒和GC盒。

三、真核基因轉錄調控元件及激活機制（一）順式作用元件（分子63第三十四章細胞代謝與基因表達調控課件642．增強子：位于結構基因附近，能夠增強該基因轉錄活性的一段DNA順序稱為增強子(enhancer)。增強子是另一類順式作用的DNA片段，可使基因轉錄的速率大大提高。其突出特點是：①在轉錄起始點5’或3’側均能起作用；②相對于啟動子的任一指向均能起作用；③發(fā)揮作用與受控基因的遠近距離相對無關；④對異源性啟動子也能發(fā)揮作用；⑤通常具有一些短的重復順序。

2．增強子：位于結構基因附近，能夠增強該基因轉錄活性的一段65增強子是通過一類稱之為轉錄因子的蛋白質而發(fā)揮其促進轉錄的作用。其作用機制目前公認的是環(huán)出模型。在λ噬菌體Cro蛋白結合位點和RNA起始點之間插入數百堿基對的無關DNA，Cro蛋白結合仍然對聚合酶有激活作用。電鏡觀察發(fā)現，Cro蛋白與Cro位點結合后，通過DAN鏈的彎曲成環(huán)與起始點附近的轉錄蛋白靠近并結合。這一機制同樣適合于SV40以及其它真核基因的啟動子。

增強子是通過一類稱之為轉錄因子的蛋白質而發(fā)揮其促進轉錄的作用663．沉默子：能夠對基因轉錄起阻遏作用的DNA片段，屬于負性調控元件。

3．沉默子：能夠對基因轉錄起阻遏作用的DNA片段，屬于負性67（二）反式作用因子（分子間作用因子）：真核生物反式作用因子通常屬于轉錄因子（transcriptionfactor，TF）。

（二）反式作用因子（分子間作用因子）：真核生物反式作用因子通681．轉錄因子的種類：(1)非特異性轉錄因子（基本轉錄因子）：非選擇性調控基因轉錄表達的蛋白質因子稱為非特異性轉錄因子。真核生物中存在的三種RNA聚合酶分別有相應的轉錄因子，即TFⅠ，TFⅡ，TFⅢ。其中以TFⅡ研究較清楚，TFⅡ一共有六種亞類，分別是TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I。TFⅡD是唯一能識別啟動子TATA盒并與之結合的轉錄因子，而TFⅡB則可促進聚合酶Ⅱ與啟動子的結合。

1．轉錄因子的種類：(1)非特異性轉錄因子（基本轉錄因子）：6