第16章基因表达调控简略版

1、第十五章第十五章 基因表达调控基因表达调控 Chapter 15 Regulation of Gene Expression 第一节第一节 基因表达概述基因表达概述 Section 1 Introduction of Gene Expression 一、基因表达的概念一、基因表达的概念 基因表达基因表达(gene expression)：指细胞在生命活动过指细胞在生命活动过 程中，把储存在程中，把储存在DNA序列中的遗传信息经过转录序列中的遗传信息经过转录 和翻译，转变成具有生物活性的分子的过程。和翻译，转变成具有生物活性的分子的过程。 基基 因因 蛋白质蛋白质 tRNA rRNA 生物学功能

2、生物学功能 二、基因表达的特异性二、基因表达的特异性 基因表达具有时空特异性。基因表达具有时空特异性。 三、基因表达的方式三、基因表达的方式 1. 基本表达（组成性表达）基本表达（组成性表达） 管家基因管家基因(house keeping gene)：在个体的几乎所：在个体的几乎所 有细胞中持续表达的基因。有细胞中持续表达的基因。 管家基因的表达被视为基本的或组成性基因表达。管家基因的表达被视为基本的或组成性基因表达。 2. 诱导和阻遏诱导和阻遏 诱导：环境信号启动或增强基因表达诱导：环境信号启动或增强基因表达 阻遏：环境信号抑制基因表达阻遏：环境信号抑制基因表达 四、基因表达调控的生物学意义

3、四、基因表达调控的生物学意义 1. 适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖 2. 维持个体发育与分化维持个体发育与分化 第第 二二 节节 基因表达调控基本原理基因表达调控基本原理 Section 2 Principle of Gene Expression Regulation 一、基因表达调控的多层次和复杂性一、基因表达调控的多层次和复杂性 调控部位灵活，调控方式多样调控部位灵活，调控方式多样 DN A mRNA mRNA 核膜核膜 氨基酸氨基酸 30S 50S 氨酰氨酰tRNA 蛋白质蛋白质 转录转录 核糖体核糖体 翻译翻译 基因表达的基本控制点是转录起始基因表达的基本控制点是转

4、录起始 二、基因转录激活调节基本要素二、基因转录激活调节基本要素 1. 特异特异DNA序列序列 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)：影响基因表达的：影响基因表达的 特异特异DNA序列，包括启动子、增强子、沉默子等。序列，包括启动子、增强子、沉默子等。 2. 调节蛋白调节蛋白 (1) 原核生物基因调节蛋白原核生物基因调节蛋白 特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白(如如CAP) (2) 真核生物基因调节蛋白真核生物基因调节蛋白 3. DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用 (1) DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用

5、(DNA-protein interaction) 特点：非共价键结合特点：非共价键结合 实质：多肽链中的侧链与实质：多肽链中的侧链与DNA中的碱基作用中的碱基作用 (2) 蛋白质蛋白质-蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用(protein-protein interaction) 形成二聚体或多聚体形成二聚体或多聚体 第三节第三节 原核基因表达调控原核基因表达调控 Section 3 Regulation of Prokaryotic Gene Expression 一、原核基因表达调控特点一、原核基因表达调控特点 转录水平的调控是原核基因表达调控的关键。转录水平的调控是原核基因表达调控的关键。

6、 1. 因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性 不同的不同的因子决定特异基因的转录因子决定特异基因的转录 2. 操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性 操纵子操纵子(operon)：原核生物基因按功能相关性成簇：原核生物基因按功能相关性成簇 串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位。串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位。 乳糖、阿拉伯糖和色氨酸操纵子等。乳糖、阿拉伯糖和色氨酸操纵子等。 DNA 二、原核生物转录调节二、原核生物转录调节 1. 乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的调控模式的调控模式 (1) 乳糖操纵子的结构与功能乳糖操纵子的结构与功能 阻碍蛋白阻碍

7、蛋白 CAP结结 合位点合位点 启动子启动子1启动子启动子2 终止子终止子1终止子终止子2 半乳糖苷酶半乳糖苷酶乙酰转移酶乙酰转移酶 透性酶透性酶 (2) 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节 DNA mRNA 阻碍蛋白阻碍蛋白 转录转录 没有乳糖存在时，结构基因的转录被抑制没有乳糖存在时，结构基因的转录被抑制 DNA 乳糖乳糖 半乳糖苷酶半乳糖苷酶 葡萄糖葡萄糖 半乳糖半乳糖 DNA 有乳糖存在时，结有乳糖存在时，结 构基因的转录被激活构基因的转录被激活 诱导剂：异丙基硫诱导剂：异丙基硫 代半乳糖苷代半乳糖苷(IPTG) lac操纵子阻碍蛋白与操纵序列结合模式图操纵子阻碍蛋白与操纵序列结合模

8、式图 操纵序列操纵序列 DNA 阻碍蛋白阻碍蛋白 四聚体四聚体 (3) CAP的正性调节的正性调节 CAP：catabolite activator protein 分解分解(代谢代谢)物基因激活蛋白，降解物激活蛋白物基因激活蛋白，降解物激活蛋白 CAP cAMP CAPcAMP lac操纵子结构基因转录加强操纵子结构基因转录加强 葡萄糖葡萄糖 cAMP (4) lac操纵子的协调调节操纵子的协调调节 阻碍蛋白阻碍蛋白CAPcAMP转录活性转录活性 /无无 微弱微弱 正常转录正常转录 (5) lac操纵子与细菌节能操纵子与细菌节能 葡萄糖葡萄糖乳糖乳糖cAMP CAPcAMP能量利用情况能量利

9、用情况 乳糖操纵子的转乳糖操纵子的转 录被激活，利用录被激活，利用 乳糖做能源乳糖做能源 乳糖操纵子的转乳糖操纵子的转 录被抑制，利用录被抑制，利用 葡萄糖做能源葡萄糖做能源 2. 色氨酸操纵子色氨酸操纵子(trp operon)调控模式调控模式 (1) 色氨酸操纵子的结构与功能色氨酸操纵子的结构与功能 DNA P O L a trp E trp D trp C trp B trp A t t 邻氨基苯甲邻氨基苯甲 酸合成酶酸合成酶 吲哚甘油磷吲哚甘油磷 酸合成酶酸合成酶 色氨酸色氨酸 合成酶合成酶 分分 支支 酸酸 邻氨邻氨 基苯基苯 甲酸甲酸 磷酸核磷酸核 糖邻氨糖邻氨 基苯甲酸基苯甲酸

10、CDRP 吲哚吲哚 甘油甘油 磷酸磷酸 色色 氨氨 酸酸 PRt 色氨酸色氨酸 No Image 辅阻碍辅阻碍 蛋白蛋白 (2) Trp对对trp操纵子阻碍调节操纵子阻碍调节 粗调粗调 辅阻碍辅阻碍 蛋白蛋白 色氨酸色氨酸 DNA 正常转录正常转录 DNA 转录被抑制转录被抑制 trp操纵子辅阻碍蛋白与操纵序列的作用操纵子辅阻碍蛋白与操纵序列的作用 UUUUUU 12 34 5 3 1 2 3 4 5 3 UUUU (3) 衰减子对衰减子对trp操纵子转录过程的弱化作用操纵子转录过程的弱化作用 微调微调 概念概念 衰减子衰减子(attenuator)：是一种位于结构基因上游前：是一种位于结构基

11、因上游前 导区的终止序列，用于终止和减弱转录过程。导区的终止序列，用于终止和减弱转录过程。 色氨酸衰减子的结构特点色氨酸衰减子的结构特点 L-RNA 4321 53 U U 两个色氨两个色氨 酸密码子酸密码子 UGAUGA UGAUGA 色氨酸衰减子的弱化机制色氨酸衰减子的弱化机制 . Trp 缺少或浓度低时，缺少或浓度低时，Trp-tRNA的浓度低的浓度低 UUUU 1 23 4 UUUU UUUU UUUU 色氨酸色氨酸 密码子密码子 终止密终止密 码子码子UGAUGA RNA Pol DNA 5 3 314 2 UUUUUUUUUUUUUU 色氨酸色氨酸 密码子密码子 终止密终止密 码子

12、码子UGAUGA . Trp 浓度高时，浓度高时，Trp-tRNA的浓度升高的浓度升高 RNA Pol DNA 衰减作用的生物学意义衰减作用的生物学意义 衰减子可依细胞内某一组分水平的高低而行止，衰减子可依细胞内某一组分水平的高低而行止， 是一种应答灵敏，调节灵活的调控方式。是一种应答灵敏，调节灵活的调控方式。 第四节第四节 真核基因表达调节真核基因表达调节 Section 4 Regulation of Eukaryotic Gene Expression 2. 正性调节占主导正性调节占主导 真核真核RNA聚合酶对启动子的亲和力弱，一般无调节聚合酶对启动子的亲和力弱，一般无调节 蛋白结合，需

13、要激活蛋白激活相关靶基因的转录。蛋白结合，需要激活蛋白激活相关靶基因的转录。 3. 转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行 真核细胞转录与翻译在不同细胞部位进行。真核细胞转录与翻译在不同细胞部位进行。 4. 转录后修饰与加工转录后修饰与加工 基因两侧存在调控区基因两侧存在调控区 基因不连续，需要剪接过程基因不连续，需要剪接过程 一、真核基因表达调控特点一、真核基因表达调控特点 1. 真核基因表达调控的环节更多真核基因表达调控的环节更多 二、二、RNA Pol 的转录起始的调节的转录起始的调节 真核生物真核生物II类启动子转录起始的调节通过顺式作用元件和类启动子转录起始的调节通过顺式作用元件和 反

14、式作用因子的协同作用实现。反式作用因子的协同作用实现。 转录因子转录因子 泛指除泛指除RNA聚合酶以外的一系列参与聚合酶以外的一系列参与DNA转录和转录调节的转录和转录调节的 反式作用因子反式作用因子 两类转录因子：两类转录因子： 基础转录因子：基础转录因子：所有基因转录所必需，真核所有基因转录所必需，真核RNA聚合酶不能识聚合酶不能识 别别DNA上的启动子，识别这些启动子序列的反式作用因子称为基上的启动子，识别这些启动子序列的反式作用因子称为基 础转录因子（与转录起始有关的反式作用因子）础转录因子（与转录起始有关的反式作用因子） 调节转录因子：调节转录因子：特定的基因表达所必需，参与转录的调

15、节，激特定的基因表达所必需，参与转录的调节，激 活或阻遏基因的转录活或阻遏基因的转录 1. 转录因子结构特点转录因子结构特点 转录因子一般包括三个结构域：转录因子一般包括三个结构域： DNA结合域：锌指、螺旋结合域：锌指、螺旋-转角转角-螺旋、亮氨酸拉链螺旋、亮氨酸拉链 螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋 转录激活域转录激活域 连接区域连接区域 一些转录因子还有二聚体结构域一些转录因子还有二聚体结构域 锌指结构锌指结构 螺旋螺旋-转转 角角-螺旋螺旋 亮氨酸亮氨酸 拉链拉链 锌离子锌离子 指形区指形区 螺旋螺旋 转角转角 螺旋螺旋 Leu 拉拉 链链 区区 转录因子的转录因子的DNA结合域结合域 (1)

16、 转录因子的转录因子的DNA结合域结合域 锌指锌指(Zinc finger) 锌指结构存在于锌指结构存在于TF A、锌指蛋白和类固醇受体、锌指蛋白和类固醇受体 锌以四个配位键和四个锌以四个配位键和四个Cys (或两个或两个Cys和两个和两个His) 结合，形成一种结合，形成一种“指指”状结构，其中每个指约含状结构，其中每个指约含23 个氨基酸。整个蛋白质可以有个氨基酸。整个蛋白质可以有29个锌指重复单位，个锌指重复单位， 每个每个“指指”可伸入可伸入DNA双螺旋的大沟接触约双螺旋的大沟接触约5个核个核 苷酸残基。苷酸残基。 锌指结构域锌指结构域 锌指与锌指与DNA的相互作用的相互作用 锌离子锌

17、离子 亮氨酸拉链亮氨酸拉链 (Leucine zipper，LZIP) 肽链上每隔肽链上每隔6个残基分布个残基分布1个疏水的个疏水的Leu残基，两残基，两 条肽链条肽链 (常为常为-螺旋螺旋) 靠靠Leu间的疏水作用形成二间的疏水作用形成二 聚体，形同拉链状。聚体，形同拉链状。 亮氨酸拉链二聚体另一端肽段富含碱性氨基酸残亮氨酸拉链二聚体另一端肽段富含碱性氨基酸残 基基 (Lys、Arg)，借其正电荷与，借其正电荷与DNA链上的磷酸基链上的磷酸基 团结合。团结合。 LZIP与与DNA的相互作用的相互作用 两股两股-螺旋通螺旋通 过过Leu 残基的残基的 疏水作用结合疏水作用结合 在一起在一起 与

18、与DNA结结 合的碱性合的碱性 氨基酸残氨基酸残 基区域基区域 LZIP与与DNA的相互作用的相互作用 拉链区拉链区 DNA 碱性氨基酸碱性氨基酸 残基富含区残基富含区 螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋 (Helix-turn-helix，HTH) 两个两个螺旋由短肽转螺旋由短肽转 折形成折形成120转角转角(- 转角转角)，其中一个，其中一个 螺旋称为识别螺旋，螺旋称为识别螺旋， 带有几个与带有几个与DNA序序 列相识别的氨基酸列相识别的氨基酸 可与可与DNA大沟结合。大沟结合。 HTH与与DNA的相互作用的相互作用 螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋 (Helix-loop-helix，HLH) 总长约

19、总长约50个氨基酸残基，包括个氨基酸残基，包括2个由环状结构相连的个由环状结构相连的 -螺旋螺旋 (长长1516aa)。 HLH的的DNA结合区为富含碱性氨基酸的区段。结合区为富含碱性氨基酸的区段。 HLH与与HTH的差别在于两个的差别在于两个-螺旋间有一个环。螺旋间有一个环。 HLH与与DNA的相互作用的相互作用 Leu HTH LZIP HLH 锌指结构锌指结构 (2) 转录激活结构域转录激活结构域 (transcription activating domain) 用于转录的活化或与其他调节蛋白相互作用，从而用于转录的活化或与其他调节蛋白相互作用，从而 影响转录效率影响转录效率 如调节转

20、录因子中与蛋白如调节转录因子中与蛋白 (基础转录因子基础转录因子) 结合的结构结合的结构 域，用于和域，用于和RNA Pol或其它转录因子相互作用。或其它转录因子相互作用。 常见的转录激活结构域有三类：常见的转录激活结构域有三类： 酸性结构域：富含酸性氨基酸残基（酸性结构域：富含酸性氨基酸残基（Asp和和Glu） 富含富含Gln结构域结构域 富含富含Pro结构域结构域 2. mRNA转录激活及其调节转录激活及其调节 转录激活调节就是对转录起始复合物形成的调节。转录激活调节就是对转录起始复合物形成的调节。 真核生物基因转录激活区结构真核生物基因转录激活区结构 启动子区启动子区 编码序列编码序列 DNA 间隔区间隔区 增强子增强子 TATA Box TFIID (TBP) A B F E H RNA Pol TFIID的组成成分的组成成分TBP首先识别首先识别 TATA盒或启动元件盒或启动元件(Inr)，随后，随后 TFIIA、TFIIB、TFIIF-RNA Pol、 TFIIE、TFIIH等转录因子结合到等转录因子结合到 启动子区域启动子区域(此过程有此过程有TAF参与结参与结 合合)，形成前起始复合物。，