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tRNArRNA生物学功能生物学功能二、基因表达

2、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四、基因表达调控的生物学意义 1.

3、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DNAmRNAmRNA核膜核膜氨基酸氨基酸30S50S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.

4、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(DNA-protein interaction) 特点：非共价键结合特点：非共价键结

5、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。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

6、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

7、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 DNAmRNA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

8、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CAPcAMPCAPcAMPlac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

9、(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DNAPOLatrp Etrp Dtrp Ctrp Btrp 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NoImage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

10、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UUUUUU1234531 2 3453UUUU(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-RNA432153U U两个色氨两个色氨酸密码子酸密码子UGAUGAUGAUGA 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-tR

11、NA的浓度低的浓度低UUUU1234UUUUUUUUUUUU色氨酸色氨酸密码子密码子终止密终止密码子码子UGAUGARNA PolDNA533142UUUUUUUUUUUUUU色氨酸色氨酸密码子密码子终止密终止密码子码子UGAUGA. Trp 浓度高时，浓度高时，Trp-tRNA的浓度升高的浓度升高RNA PolDNA 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 Regulati

12、on of Eukaryotic Gene Expression2. 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

13、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

14、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-

15、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) 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

16、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

17、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

18、螺旋-环环-螺旋螺旋 (Helix-loop-helix，HLH) 总长约总长约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LeuHTHLZIPHLH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

19、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

20、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 BoxTFIID(TBP)ABFEHRNAPolTFIID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。，形成前起始复合物。前起始复合物前起始复合物TFIID(TBP)ABFEHRNAPol辅激活因子辅激活因子(coactivator)激活因子激活因子(activator)前前 起起 始始 复合物并不复合物并不能启动能启动 RNA 转录，转录，还需要在辅激还需要在辅激 活活 因因子子(coactivator)和激和激活因子活因子(activator)的的共同作用下才共同作用下才 能能 正正常启动转录。常启动转录。TFIID(TBP)ABFE