基因表达的调控

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1、第十五章 基因表达的调控,2,基因表达=基因转录+翻译 基因表达的调控: 生物体随时调整不同基因的表达状态,以适应环境、维持生长和发育需要。 主要是转录水平的调控 基因转录的调节： 1.DNA序列 2.调控蛋白 RNA聚合酶 3.DNA-蛋白质相互作用 活性的影响,3,基因表达的调控方式:阻遏 负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质降低)促进 正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达(相应蛋白质增加),4,第一节 原核生物基因表达的调控,方式特点调控机制-操纵子,正调控 负调控 转录翻译偶联 快速乳糖操纵子 -负、正调控转录起始的调控 色氨酸操纵子-负调控转录起始、终止的调控,

2、5,一、乳糖操纵子(lactose operon),操纵子（operon）： 原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）. 一个操纵子=编码序列（2-6）+启动序列+操纵序列+(其他调节序列),6,乳糖操纵子的发现： 细菌以葡萄糖为能量来源 葡萄糖充分时：与葡萄糖代谢有关的酶基因-表达与其他糖代谢有关的酶基因-关闭 葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：与乳糖代谢有关的酶基因 -表达与葡萄糖代谢有关的酶基因-关闭,7,细菌对乳糖的利用及其相关的酶:乳糖 (在通透酶作用下进入细菌）半乳糖苷酶（细菌中少量存在）别位乳糖半乳糖苷酶（细菌中少量存在） 葡萄糖+半

3、乳糖,半乳糖苷酶 （细菌中少量存在）,转乙酰基酶-功能未详,8,I,P,O,Z,Y,a,控制位点 结构基因,DNA,阻遏蛋白,启动序列,操纵序列,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,（一）乳糖操纵子（lactose opron） 结构,RNA聚合酶 结合位点,调控基因,9,（二）Lac阻遏物的作用-负调控,Lac阻遏物 结构特点调控机制（负调控）,由基因I编码生成的蛋白质 具有四级结构的蛋白质 具有4个相同亚基 每个亚基中都有一与诱导剂结合的位点 Lac阻遏物与O基因结合：结构基因关闭 Lac阻遏物与诱导剂结合：不与O基因结合，结构基因开放RNA聚合酶结合，转录开始,10,生理性诱导剂实验常用诱

4、导剂,别位乳糖异丙基硫代半乳糖（IPTG）,Lac操纵子诱导剂,11,I,O,O,诱导剂,乳糖操纵子的负调控,图15-4,12,（三）CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中 的作用-乳糖操纵子的正调控,低葡萄糖、高乳糖、高cAMP时： Lac 阻遏蛋白不封闭转录,CAP+ cAMP 加强转录。,13,葡萄糖存在时： 优先利用葡萄糖作为能源。 与阻遏蛋白的存在有关-乳糖操纵子的负调控 与cAMP有关：葡萄糖 cAMP Lac操纵子（-）,只有乳糖存在时： 只能利用乳糖 解除阻遏蛋白的作用 CAP-cAMP复合物的激活作用CAP+cAMP乳糖操纵子导致结构基因转录(正调控) cAMP 在原核生物

5、中的作用（饥饿信号） CAP(分解物基因激活物蛋白): 有二个相同亚基的蛋白质 一个与DNA结合的domain一个与cAMP结合的domain,14,I,P,O,Z,Y,a,调控基因 控制位点 结构基因,DNA,阻遏蛋白,启动序列,cAMP-CAP结合位点,操纵序列,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,乳糖操纵子（lactose opron） 结构,RNA聚合酶 结合位点,15,CAP- cAMP复合物 在乳糖操纵子表达中的作用-正调控,条件2:,低乳糖,条件3:,低乳糖,条件4: 高葡萄糖 低cAMP 高乳糖,Lac 阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不发挥作用,条件1: 低葡萄糖 高cAMP

6、 高乳糖,Lac 阻遏蛋白不封闭转录时, 没有CAP存在,也无高效转录活性。,Lac 阻遏蛋白不封闭转录,CAP+ cAMP 加强转录。,O,O,O,O,O,图15-5,16,原核生物基因表达的一般情况 （乳糖操纵子）,环境条件的变化是相关基因表达的外界信号 基因表达 的负调控基因表达 的正调控正、负调控协同表达,葡萄糖、乳糖浓度的变化 Lac阻遏物与操纵基因cAMP+CAP与相应的DNA序列,17,二、色氨酸操纵子 1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 调控基因 结构基因 催化分支酸转变为色氨酸 的酶,trpR,trp,18,阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 阻遏物 + Trp 结合操纵基因相同二个

7、 共阻遏物亚基组成 的蛋白质 高Trp时：阻遏物+Trp 结合操纵基因 低Trp时：阻遏物 不结合操纵基因,19,2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控衰减子 （attenuator）-DNA 位于L基因中,离E基因5端约30-60bp。 通过衰减子（转录终止结构）使转录终止。 高Trp 时：衰减子起作用，终止转录。产生“衰减子转录产物”（mRNA) ，转录、翻译偶联，同时产生“前导肽”。,20,前导肽,转录终止结构,图15-6,21,原核生物转录、翻译偶联,图15-8,22,衰减作用 的基础,转录终止结构,高色氨酸时,低色氨酸时,图15-7,23,发夹结构,环,茎,多个U,24,高Trp时： Tr

8、p-tRNATrp 存在核糖体通过片段1(2个Trp密码子) 封闭片段2片段3，4形成发夹结构类似于不依赖因子的转录终止序列RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物,转录、翻译偶联,产生前导肽,25,低Trp时： Trp-tRNATrp 没有供应核糖体翻译停止在片段1（2个Trp密码子）片段2，3形成发夹结构转录不终止RNA聚合酶继续转录,26,第二节 真核生物基因表达的调控,一.真核生物调控的特征： 真核生物基因表达的调控核心途径： 环境信号转导 染色质活化 转录的激活 基因表达以正调控为主（激活蛋白激活靶基因） 转录与翻译在不同的亚细胞区域进行,27,二、参与基因调控的顺式作用元件和 反式

9、作用因子,（一） 顺式作用元件 真核生物DNA序列 和被转录的结构基因距离较近 包括：启动子（启动子上游近侧序列）增强子 和转录调控有关 (可影响自身编码基因表达活性),28,1. 启动子和启动子上游近侧序列 是RNA聚合酶结合位点周围的DNA序列 位于转录起始点的上游 按其对RNA聚合酶的影响分为两类: 位于较上游的元件，强烈影响转录起始CAAT box ，GC box 离转录点较近，起转录起始调控作用 TATA box,29,去甲基化的CpG岛对转录起始是必需的CpG岛：基因的5末端调控区存在一段富含成对的胞嘧啶、鸟嘧啶（CpG）的序列,30,2.增强子 一类能增强真核生物启动子功能的顺式

10、作用元件（DNA序列）增强子、启动子交错覆盖/连续 没有增强子 启动子不表现活性 没有启动子 增强子无法发挥作用增强子作用不受序列方向的制约 有组织特异性,31,3. 反应元件 真核细胞处于某一特定环境时有反应的基因具有相同的顺式作用元件 这一类顺式作用元件-反应元件（DNA序列） 特点：（）具较短的保守序列 （）与转录起始点的距离不固定 （）可位于启动子或增强子内 举例：激素反应元件（HRE）,32,当糖皮质激素作用时,真核细胞中有反应的基因具有此类顺式作用元件,33,（二）反式作用因子 （转录因子，transcription factor）,一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子反式作用因

11、子识别/结合顺式作用元件中的靶序列启动转录 例：转录因子TFD 识别结合 TATA box 转录因子 SP1 识别结合 GC box 转录因子 CTF1 识别结合 CCAATbox,34,反式因子有两个必需的结构域 DNA 结合结构域：与顺式元件识别、结合 转录激活结构域：与RNA聚合酶结合,蛋白质,图15-9,35,反式作用因子（DNA结合域）结构模式 -蛋白质,Helix-turn-helix 螺旋-转角-螺旋,最常见DNA结合域之一例：CAP(最早在原核生物中发现）螺旋识别、进入DNA双螺旋结构的大沟,36,Zinc-fingers锌指,最常见DNA结合域之一 约有30个AA残基 其中4

12、个AA残基 （2个Cys，2个His或4个Cys）配位键Zn2+ 锌指 与DNA双螺旋大沟结合。 存在于多种真核转录因子 具多个锌指结构,37,38,1,2,3,4,5,6,7,8,9,蛋白质,图15-10,图15-11,39,Leucine-zippers 亮氨酸拉链,一段肽链中每隔7个AA即有一个Leu螺旋亲水面：亲水AA组成疏水面：Leu组成 （亮氨酸拉链条） 可形成二聚体（发挥作用）（同二聚体/异二聚体） DNA的结合域：拉链区以外结构,40,图15-12,41,图15-13,42,helix-loop-helix 螺旋-环-螺旋,-螺旋有兼性形成二聚体有利于其与DNA结合,43,二聚体,