医学生物化学（第十五章）

第十五章 基因表达调控,定义：对基因转录、翻译过程的调节 目的：1）适应环境、维持生长和增殖 2）维持细胞分化和个体发育 特点： 时间特异性；空间特异性（多细胞生物）,1. 特异DNA序列决定基因的转录活性； 2. 转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用 对转录起始进行调节； 3. 转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性； 4. RNA聚合酶与基因的启动序列/启动子相结合。 RNA聚合酶,基本原理,第一节 原核生物基因表达的调控,方式：诱导或阻遏一些相关蛋白质的合成，调 整与外环境之间的关系 特点：快速 大肠杆菌 乳糖操纵子（lactose operon） 色氨酸操纵子(triptophan operon),原核生物转录与翻译的偶联,一、乳糖操纵子,1 .操纵子的概念 （operon） 由几个功能相关的结构基因成簇排列而组成的一个基因表达的协同单位（a coordinated unit of expression），称为操纵子。,3 CAP 与cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用 分解物阻遏作用 （catabolite repression） 葡萄糖对其他酶的抑制效应,，与cAMP有关，而cAMP通过与CAP （ catabolite gene activator protein ，分解物基因激活物蛋白）结合发挥作用。 CAP 二聚体，亚基中有与DNA 或cAMP结合的结构域,图15-5 葡萄糖和乳糖在乳糖 操纵子基因表达中的联系效应,原核生物基因表达调控 1 环境条件的变化是相关基因表达的外界信号 2 基因表达的负调控 调控蛋白与相应DNA序列结合抑制基因的表达（阻遏物 + O） 3 基因表达的正调控 调控蛋白与相应DNA序列结合促进基因的表达 CAP cAMP + P,二、色氨酸操纵子,阻遏物的负调控（调控转录起始） 衰减作用（attenuation）（调控转录中止）,2 阻遏物对色氨酸操纵子的调控 色氨酸阻遏物 同源二聚体 2X 107aa 色氨酸阻遏物 + 色氨酸 共阻遏物,3 衰减作用对色氨酸操纵子的调控 衰减子 位于L基因5端的140 bp序列，mRNA的片段1、2、3、 4形成不同的发夹结构 片段1含相邻2个Trp密码，原核生物转录与翻译偶联是产生衰减作用的基础,原核生物在翻译水平的调节,作用于翻译的起始和终止环节 调节蛋白 反义RNA,第二节 真核生物基因表达的调控,真核基因组的结构特点 结构庞大（1%编码）； 转录产物为单顺反子 含有大量的重复序列 具有不连续性（非编码序列和间隔区）,1 含有多种RNA聚合酶； RNAPol I (rRNA)、PolIII(tRNA) 2 转录的激活与被转录区域的染色质结构变化有关； 3 正调控为主； 4 转录与翻译在不同的区域进行（不偶联）； 5 转录后修饰与加工更为复杂,真核基因表达的调控特点,一、具有转录活性的染色质结构的变化 便于RNA聚合酶及转录因子附着,1.DNase I 超敏感位点 （ DNase I hypersensitive site） 一般100-200 bp，转录基因5端 1000bp 内，一般不存 在核小体结构 2.DNA拓扑结构变化； 3.组蛋白变化：H1蛋白减少；其他组蛋白发生乙酰化、甲基化等修饰 4.DNA甲基化修饰发生变化：去甲基化 m5CpGCpG,二、参与基因调控的顺式作用元件和反式作用因子,1 顺式作用元件 和被转录的结构基因在距离上比较接近的DNA序列 1. 启动子和启动子上游近侧序列 TATA box CAAT box GC box CpG岛 （MeCP1、 MeCP2）,2. 增强子（enhancer） 概念： 特点：不受与启动子距离、序列及方向的制约； 有组织特异性 。 3.反应元件 概念： 特点：协同作用。 4. 沉默子（Silencer） 概念： 特点：负性调节元件。,2 反式作用因子 两个必需结构域： 与顺式元件结合的结构域 与反式元件或RNA聚合酶结合的激活结构域,3 反式作用因子的结构模式 （1） 螺旋转角螺旋 （helix- turn- helix） 其中一个为识别螺旋，含有较多能与DNA相互作用的AA残基,(2) 锌指 （zinc finger） 约30氨基酸残基，4个氨基酸残基（两个cys,两个 his, 或4个cys)以配位键与Zn2+相互作用,（3）亮氨酸拉链 （leucine zippers） 一段肽链中每隔7个氨基酸即有一个亮氨酸，该肽段所形成的螺旋可出现疏水及亲水二个面，疏水面即亮氨酸拉链。,（4）螺旋环螺旋（helix-loop-helix）,RNA pol II 转录终止的调节机制 ?,反式作用因子的作用特点和规律,.一种反式因子能与多种顺式作用元件结合 .一种顺式作用元件能与多种反式因子结合 .多以异二聚体形式与顺式作用元件结合 .化学修饰可调节其活性 .反式因子相互作用发挥功能,基因翻译水平及翻译后阶段的调控,对翻译起始因子的磷酸化修饰决定了其活性； RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节； 对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达； 小分子RNA对基因表达的调节： 微小RNA（miRNA)