【生物化學(xué)】第十三章 基因表達(dá)調(diào)控

1、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)rancis Jacob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),第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念,Basic Conceptions of Gene Expression Regulation,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

2、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)（positive regulation）：因一種特異性調(diào)控元件的

3、存在遺傳信息的表達(dá)增加,負(fù)調(diào)節(jié)（negative regulation）：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,,,,,,

4、順式作用和反式作用,順式作用元件Cis-acting factor,順 式：相對同一分子或染色體而言,反 式：相對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-acting factor,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

5、,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（polycistronic mRNA）: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

6、）操縱子,一、乳糖操縱子（the lac operon）,結(jié)合阻遏蛋白,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,RNA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I,Z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?；D(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,,

7、（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,,,,,,,調(diào)節(jié)基因,結(jié)構(gòu)基因,mRNA,阻遏蛋白,,,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,,,,,,,,,,,誘導(dǎo)物與阻遏蛋白接合使阻遏蛋白失去活性,Lac mRNA,β-半乳糖苷酶,β-半乳糖苷透性酶,乙酰基轉(zhuǎn)移酶,,誘導(dǎo)物(異乳糖a

8、llolactose ；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

9、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（catabolitegene activator protein，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,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,RNA聚合酶,結(jié)合cAMP,,乳糖操縱子的結(jié)構(gòu),cAMP,,,,,＋,葡萄糖濃度低時(shí),,,,,mRNA,CAP的正性調(diào)

10、節(jié),RNA-pol活性↑,,二、色氨酸操縱子（the trp operon）,（一）色氨酸操縱子結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)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

11、調(diào)控機(jī)制,,R,P,O,,,trp E,trp D,trp C,trp B,trp A,,,,,,,,前導(dǎo)trp L,衰減子,,,,,,調(diào)節(jié)區(qū),結(jié)構(gòu)基因,,,,,,,阻遏蛋白,mRNA,Trp 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,,UUUUUUUU 3＇,色氨酸操縱子的前導(dǎo)trpL mRNA結(jié)構(gòu),,,,1,2,,,3,4,,,Trp密碼子,,,,,,,互補(bǔ)配對

12、,5＇,,,,,,,,,,,,,,,,前導(dǎo)肽（14AA）,,互補(bǔ)配對,互補(bǔ)配對,,,,,,,,,,,,,,,,3,4,,UUUUUUUUU 3＇,RNA聚合酶,,,1,2,Trp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,,,,,,,,,,,2,3,,,,4,,,,Trp密碼子,,Trp結(jié)構(gòu)基因,1,,DNA,,,色氨酸濃度低時(shí),RNA聚合酶,,,,（二）色

13、氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制,,R,P,O,,,trp E,trp D,trp C,trp B,trp A,,,,,,,,前導(dǎo)trp L,衰減子,,,,,,調(diào)節(jié)區(qū),結(jié)構(gòu)基因,,,,,,,阻遏蛋白,mRNA,Trp 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%DN

14、A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

15、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（enhance

16、r）,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

17、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,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,

18、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（basic leucine zipper，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,,② 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、初級轉(zhuǎn)錄本的加工,2、mRNA的穩(wěn)定性,翻譯和翻譯后水平