生物化学与分子生物学-基因表达调控

1、张丕显论述题 试述基因表达调控的一般规律 论述原核操纵子调控机制 论述真核生物基因表达调控特点基因表达调控基因表达调控 生物体随时调整不同基因的表达状态生物体随时调整不同基因的表达状态, ,以以适应环境、维持生长和发育需要适应环境、维持生长和发育需要表表1 人体各组织器官人体各组织器官LDH同工酶谱同工酶谱同工酶 红细胞 白细胞血清 骨骼肌 心肌肺肾肝脾LDH1431227.10731443210LDH2444934.70243444425LDH3123320.95335121110LDH41611.7160512720LDH5005.7790120565病变LDH1LDH2LDH3LDH4L

2、DH5心脏病变急性肝炎大慢性肝炎小肝硬化原发性肝癌（LDH4 LDH5）表表2 心脏肝脏与肝脏病变患者血清心脏肝脏与肝脏病变患者血清LDH同工酶谱变化的一般规律同工酶谱变化的一般规律GAPDH 3-磷酸甘油醛脱氢酶TH 酪氨酸羟化酶（三） 协调表达 功能相关的一组基因协调一致、共同表达。第二节第二节 基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理R=A/G，Y=C/T，M=A/C，K=G/T，S=C/G，W= A/T，H= A/C/T，B= C/G/T，V=A/C/G， D=A/G /T,N=A/C/G/T） 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动子启动子操纵序列操纵序列 结构基因结构基因z：

3、-半乳糖苷酶半乳糖苷酶y： 通透酶通透酶a：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶zyaOPDNAI基因基因阻遏基因阻遏基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAzyaOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭阻遏蛋白四聚体与操纵基因结合，阻碍转录Lac阻遏蛋白阻遏蛋白由由基因基因I编码生成的编码生成的蛋白质蛋白质结构特点结构特点v具有四级结构的蛋白质具有四级结构的蛋白质v具有具有4个相同亚基个相同亚基v每个亚基中都有一与诱导剂结合的位点每个亚基中都有一与诱导剂结合的位点调控机制调控机制（负调控）（负调控）Lac阻遏物与阻遏物与O序列结合序列结合： 结构基因结构基因关

4、闭关闭Lac阻遏物与诱导剂结合：阻遏物与诱导剂结合： 不与不与O序列结合，结构基因序列结合，结构基因开放开放阻遏蛋白对于阻遏蛋白对于O序列的结合并非是经久不变的，序列的结合并非是经久不变的，而是有一个而是有一个1020分钟的半衰期。分钟的半衰期。RNA聚合酶抓住这一时机进行一次转录，从而翻聚合酶抓住这一时机进行一次转录，从而翻译出几个分子的译出几个分子的-半乳糖苷酶半乳糖苷酶和和-半乳糖苷透性半乳糖苷透性酶酶生理性诱导剂生理性诱导剂实验常用诱导剂 CAP有有DNA结合区及结合区及cAMP结合位点结合位点 乳糖启动子乳糖启动子10区区TATGTT序列，其中的序列，其中的GC碱基对增加了双螺旋结构

5、的稳定性，因碱基对增加了双螺旋结构的稳定性，因此此RNA聚合酶不足以使双链解开。聚合酶不足以使双链解开。 CAP cAMP复合物结合在乳糖操纵子的复合物结合在乳糖操纵子的CAP结合位点上，使双螺旋结构的稳定性降结合位点上，使双螺旋结构的稳定性降低，促进了开放性启动子复合物的形成低，促进了开放性启动子复合物的形成 当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，通常优先利用葡萄糖，而不利用乳糖 当葡萄糖耗尽后，才利用乳糖，这种葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏 葡萄糖能抑制腺苷酸环化酶活性，因而降低cAMP浓度 无葡萄糖，cAMP浓度高；有葡萄糖，cAMP浓度低（四） 协调调节 Lac操

6、纵子强的诱导作用既需要乳糖存在操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖又需缺乏葡萄糖 乳糖存在：阻遏蛋白与诱导剂结合不与乳糖存在：阻遏蛋白与诱导剂结合不与O序列结合序列结合 缺乏葡萄糖：缺乏葡萄糖： CAP- cAMP复合物结合在复合物结合在CAP结合位点结合位点乳糖操纵子及其协调调节Trp Trp 高时高时Trp 低时低时mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子的作用原理色氨酸操纵子的作用原理操纵子关闭操纵子关闭两种主要转录终止机制两种主要转录终止机制 依赖依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止 不依赖不依赖Rho因子的

7、转录终止因子的转录终止两种终止调节方式两种终止调节方式 衰减：导致衰减：导致RNA链的过早终止链的过早终止 抗终止：阻止前者的发生，使下游基因得以表达抗终止：阻止前者的发生，使下游基因得以表达UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第10、11密码子为密码子为trp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序列包含序列1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/2序列序列2/3序列序列3/4 trp 密码子密码子 UUUUUUU

8、U34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA聚合酶聚合酶 当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3、4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 前导前导mRNA 蛋白质分子的自我调节蛋白质分子

9、的自我调节v 调节蛋白结合调节蛋白结合mRNAmRNA靶位点，阻止核蛋白体识别靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区。翻译起始区。v 调节蛋白一般作用于自身调节蛋白一般作用于自身mRNAmRNA，抑制自身的合，抑制自身的合成，称为成，称为自我控制自我控制2. 反义反义RNA对翻译的调节作用对翻译的调节作用 与与mRNAmRNA杂交阻断杂交阻断30S30S小亚基对起始密码子的识小亚基对起始密码子的识别及与别及与SDSD序列的结合，抑制翻译起始。称为序列的结合，抑制翻译起始。称为反反义控制义控制自我调节（自我调节（autogenous control）。）。 基因组人大肠杆菌大小（bp)4.6含基因(

10、已确认）40000(25000)3000(1500)编码蛋白质序列占比大于50其它特点第四节 真核基因表达调节exon1intron1exon nintron n上游上游下游下游转录起始点转录起始点增强子增强子沉默子沉默子启动子启动子TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒增强子增强子启动子是启动子是RNARNA聚合酶结合并启动聚合酶结合并启动 基因转录的特异基因转录的特异DNADNA序列序列TATAAAA)(GGGCGG)(GCCAAT )SP1CBF( (特异转录因子特异转录因子) )u 转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合

11、域（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域 螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋是转录因子中的常见的是转录因子中的常见的DNA结合域结合域 同源异型域结构同源异型域结构 锌指结构锌指结构是一类含锌离子转录因子的是一类含锌离子转录因子的DNA结合域结合域 亮氨酸拉链亮氨酸拉链结构域既可介导结合结构域既可介导结合DNA又可介导蛋白又可介导蛋白质二聚体化质二聚体化 碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋结构域也可同时介导结合结构域也可同时介导结合DNA和和蛋白质二聚体化蛋白质二聚体化 Zinc-fingers 锌指锌指 最常见最常见DNADNA结合

12、域之一结合域之一 约有约有3030个个AAAA残基残基 其中其中4 4个个AAAA残基残基（2 2个个CysCys，2 2个个HisHis） 配位键配位键 ZnZn2+2+ 锌指锌指 与与DNADNA双螺旋大沟结合双螺旋大沟结合 存在于多种真核转录因子存在于多种真核转录因子 具多个具多个锌指锌指结构结构123456789蛋白质蛋白质图图15-10图图15-11螺旋螺旋-回折回折-螺旋螺旋（helix-turn-helix，HTH） 同源异型域同源异型域（homeodomain，HD）识别识别螺旋螺旋DNA大沟大沟DNA小沟小沟螺旋螺旋1N端端DNA大沟大沟螺旋螺旋3 碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺

13、旋结构也可调节螺旋结构也可调节DNA结合及蛋结合及蛋白质二聚体化白质二聚体化 碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH） bHLH双体双体DNA大沟大沟螺螺旋旋螺旋螺旋环环（三（三）mRNA 转录激活及其调节转录激活及其调节polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBPTATA DNAEBPhnRNA加工成熟的调节mRNA运输、胞质内稳定性的调节 IRE-BP对转铁蛋白受体对转铁蛋白受体mRNA稳定性的调节稳定性的调节低铁状态低铁状态转铁蛋白受体转铁蛋白受体mRNA5编码区编码区活化的活化的IRE-BP3Poly(A)n翻译翻译TfR蛋白

14、蛋白IRE高铁状态高铁状态转铁蛋白受体转铁蛋白受体mRNA5编码区编码区铁铁失活的失活的IRE-BP3Poly(A)nmRNA降解降解IRE五、翻译水平的调节（一）翻译起始因子（一）翻译起始因子-2的磷酸化调节蛋白质翻译的磷酸化调节蛋白质翻译（二）（二）RNA 结合蛋白参与翻译起始的调节结合蛋白参与翻译起始的调节 IRE-BP对铁蛋白对铁蛋白mRNA翻译的调节翻译的调节低铁状态低铁状态5铁蛋白铁蛋白mRNA活化的活化的IRE-BP编码区编码区3翻译不能进行翻译不能进行高铁状态高铁状态5铁蛋白铁蛋白mRNA失活的失活的IRE-BP铁铁编码区编码区3翻译翻译（三）对翻译产物水平及活性的调节(四）s

15、iRNA与miRNA700bp左右左右RNA前体前体配对碱基配对碱基DICER2025bpmiRNA5RISC靶靶mRNA未配对区域未配对区域靶靶mRNA降解降解导入的双链导入的双链RNA片段片段siRNARDE-1DICERRISCRISCRISC5靶靶mRNA靶靶mRNA被核酸被核酸内切酶切割内切酶切割靶靶mRNA被核酸被核酸外切酶降解外切酶降解 miRNA 与与siRNA使靶使靶mRNA沉默机制沉默机制不同点siRNAmiRNA机制性质与生物学意义往往是外源引起的，抗病毒感染等异常情况。是生物体自身的一套正常的调控机制，调节内源基因表达。直接来源长链dsRNA发夹状pre-miRNA分子结构siRNA是双链RNA，3端