正常人体学-基因表达的调控

1、基因表达的调控基因表达的调控第第 四四 节节基因表达基因表达(真核真核) 基因的活化基因的活化转录转录转录后加工转录后加工RNA转运转运至细胞质至细胞质翻译翻译翻译后加工翻译后加工基因表达的调控基因表达的调控 适应环境、维持生长和发育需要适应环境、维持生长和发育需要 主要是主要是转录转录水平的调控水平的调控一、基因表达调控的基本概念及其一、基因表达调控的基本概念及其生物学意义生物学意义23适应外界条件的变化适应外界条件的变化方式：方式：诱导合成诱导合成(正调控正调控)或或阻遏合成阻遏合成(负调控负调控) 一些相应的蛋白质一些相应的蛋白质特点：特点：转录与翻译偶联转录与翻译偶联，快速，快速二、原

2、核生物基因表达的调控二、原核生物基因表达的调控(一一)原核生物基因表达调控的特点原核生物基因表达调控的特点4调控机制调控机制操纵子操纵子(operon)结构基因结构基因启动子启动子(promoter)操纵基因操纵基因(operator)其他调控基因其他调控基因 原核生物中一些成簇排列、相互协同的基因所组原核生物中一些成簇排列、相互协同的基因所组成的单位。成的单位。 一个操纵子结构基因一个操纵子结构基因(26)启动基因启动基因(启动子启动子) 操纵基因操纵基因(其他调控基因其他调控基因)5IPOZYa控制位点控制位点 结构基因结构基因DNA阻遏物阻遏物启动子启动子操纵基因操纵基因-半乳糖苷酶半乳

3、糖苷酶通透酶通透酶转乙酰基酶转乙酰基酶1. 乳糖操纵子乳糖操纵子的结构和诱导剂的结构和诱导剂RNA聚合酶聚合酶结合位点结合位点调控基因调控基因Lac操纵子操纵子(二二)乳糖操纵子的结构和诱导剂乳糖操纵子的结构和诱导剂6-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 对乳糖的作用对乳糖的作用7乳糖操纵子的发现：细菌可以以葡萄糖、乳乳糖操纵子的发现：细菌可以以葡萄糖、乳 糖作为碳源糖作为碳源 葡萄糖充分时：葡萄糖充分时： 与葡萄糖代谢有关的酶与葡萄糖代谢有关的酶大量表达大量表达 与其他糖代谢有关的酶与其他糖代谢有关的酶少量少量 葡萄糖耗尽、乳糖存在时葡萄糖耗尽、乳糖存在时(培养基培养基)： 与乳糖代谢有关的酶与乳糖代谢有

4、关的酶大量表达大量表达 与葡萄糖代谢有关的酶与葡萄糖代谢有关的酶少量少量8Lac阻遏物由基因阻遏物由基因I编码编码结构特点：结构特点：具有具有4个相同亚基，每个亚基中都有个相同亚基，每个亚基中都有 一个与诱导剂结合的位点一个与诱导剂结合的位点调控机制：调控机制： 无诱导剂时：无诱导剂时：Lac阻遏物与阻遏物与O基因结合，结构基因基因结合，结构基因 关闭关闭 有诱导剂时：有诱导剂时：Lac阻遏物与诱导剂结合，阻遏物构阻遏物与诱导剂结合，阻遏物构 象改变，不能与象改变，不能与O基因结合，结构基基因结合，结构基 因开放，因开放，RNA聚合酶结合、延伸，转聚合酶结合、延伸，转 录开始录开始2. Lac

5、阻遏物的作用阻遏物的作用9IDNAZYaOPmRNA阻遏物阻遏物RNA pol没有诱导剂存在时没有诱导剂存在时调控基因调控基因10IDNAZYaOPmRNA阻遏物阻遏物RNA pol启动转录启动转录mRNA有诱导剂有诱导剂(别位乳糖或别位乳糖或IPTG)存在时存在时别位乳糖别位乳糖或或IPTGprotein11葡萄糖存在时：葡萄糖存在时：优先利用葡萄糖作为能源优先利用葡萄糖作为能源分解物阻遏作用分解物阻遏作用(catabolite repression) 葡萄糖的分解产物对其他酶的抑制效应，与葡萄糖的分解产物对其他酶的抑制效应，与cAMP有关有关 葡萄糖葡萄糖cAMP乳糖操纵子乳糖操纵子 加入

6、外源加入外源cAMP乳糖操纵子乳糖操纵子3. CAP与与cAMP复合物在乳糖操纵子表达复合物在乳糖操纵子表达 中的作用中的作用(-)(+)12CAP-cAMP复合物的激活作用复合物的激活作用 CAP(catabolite gene activator protein)：有两有两个相同亚基的蛋白质，都具有与个相同亚基的蛋白质，都具有与DNA结合的结构结合的结构域和与域和与cAMP结合的结构域结合的结构域 cAMPCAPCAP-cAMP复合物复合物乳糖操纵子乳糖操纵子(+)13 CAP位位 + + + + 转录转录无葡萄糖时，无葡萄糖时，cAMP浓度高浓度高有葡萄糖时，有葡萄糖时，cAMP浓度低浓

7、度低ZYaOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的调控机制的调控机制14mRNA低乳糖低乳糖高乳糖高乳糖低葡萄糖低葡萄糖高高cAMP高葡萄糖高葡萄糖低低cAMPRNA-polOPOPOPOP葡萄糖和乳糖在乳糖操纵子基因表达中的葡萄糖和乳糖在乳糖操纵子基因表达中的 联系效应联系效应15 环境条件的变化是相关基因表达的外界信号环境条件的变化是相关基因表达的外界信号 葡萄糖、乳糖浓度的变化葡萄糖、乳糖浓度的变化 基因表达的基因表达的负调控负调控(negative regulation) Lac阻遏物与操纵基因阻遏物与操纵基因O结合后抑制了结构基因的表结合后抑制了结构基因的表达达 基因表

8、达的基因表达的正调控正调控(positive regulation) CAP-cAMP复合物与相应的复合物与相应的DNA序列序列(CAP位位)结合结合后促进基因的表达后促进基因的表达原核生物基因原核生物基因(乳糖操纵子乳糖操纵子)表达调控的一般情况表达调控的一般情况16 转录的激活与被转录区域的染色质结构变化转录的激活与被转录区域的染色质结构变化有关：环境信号转导有关：环境信号转导染色质活化染色质活化转录的转录的激活激活 基因表达以正调控为主基因表达以正调控为主(活化蛋白激活靶基因活化蛋白激活靶基因) 转录与翻译在不同的亚细胞区域进行转录与翻译在不同的亚细胞区域进行三、真核生物基因表达的调控三

9、、真核生物基因表达的调控(一一)真核生物基因表达调控的特点真核生物基因表达调控的特点17cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CbAmRNA蛋白质蛋白质AA181. 顺式作用元件顺式作用元件真核生物中，和被转录的结构基因在距离上比较真核生物中，和被转录的结构基因在距离上比较接近的接近的DNA序列，包括启动子和启动子上游近侧序列，包括启动子和启动子上游近侧序列、及增强子等，和转录调控有关。序列、及增强子等，和转录调控有关。(二二)参与基因调控的顺式作用元件和参与基因调控的顺式作用元件和 反式作用因子反式作用因子19一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子一类在

10、真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子作用特点作用特点 识别和结合顺式作用元件中的特异靶序列，启动转录识别和结合顺式作用元件中的特异靶序列，启动转录例：转录因子例：转录因子TFD 识别和结合识别和结合 TATA box 转录因子转录因子Sp1 识别和结合识别和结合 GC box 转录因子转录因子CTF1 识别和结合识别和结合 CAAT box 反式作用因子与相应的顺式作用元件结合后才能启动反式作用因子与相应的顺式作用元件结合后才能启动或有效启动转录或有效启动转录2. 反式作用因子反式作用因子(trans acting factors)20反式因子有两个必需的结构域反式因子有两个必需的结构域 DNA结

11、合结构域：结合结构域：与顺式元件识别、结合与顺式元件识别、结合 转录激活结构域：转录激活结构域：与其他反式因子或与其他反式因子或RNA聚合酶结合聚合酶结合蛋白质蛋白质21两个短两个短-螺旋，之间螺旋，之间-转角结构联系；转角结构联系；其中一其中一个个-螺旋识别、进入螺旋识别、进入DNA双螺旋结构的大沟双螺旋结构的大沟最常见最常见DNA结合域之一，结合域之一，例：例：CAP(1) 螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋(helix-turn-helix)3. 反式作用因子结构的模式反式作用因子结构的模式22约约30个氨基酸残基，其中个氨基酸残基，其中4个氨基酸残基个氨基酸残基(2个个Cys，2个个His或或4个个Cys)以配位以配位键与键与Zn2+相互作用相互作用 具有多个相同的锌指结构，具有多个相同的锌指结构，与与DNA双螺旋大沟结合双螺旋大沟结合 (2) 锌指锌指(zinc fingers)23123456789蛋白质蛋白质24一段肽链中每隔一段肽链中每隔7个氨基酸残基个氨基酸残基就有一个亮氨酸残基出现，形成就有一个亮氨酸残基出现，形成-螺旋的两面螺旋的两面 亲水面：亲水面：亲水性氨基酸残基构成亲水性氨基酸残基构成