基因表达调控简略版

1、关于基因表达调控简略版第1页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四第一节 基因表达概述Section 1 Introduction of Gene Expression第2页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四一、基因表达的概念 基因表达(gene expression)：指细胞在生命活动过程中，把储存在DNA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。基 因蛋白质tRNArRNA生物学功能二、基因表达的特异性基因表达具有时空特异性。第3页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四三、基因表达的方式1. 基本表达（组成性表达） 管家基

2、因(house keeping gene)：在个体的几乎所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。2. 诱导和阻遏 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第4页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四四、基因表达调控的生物学意义 1. 适应环境、维持生长和增殖2. 维持个体发育与分化第5页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四第 二 节 基因表达调控基本原理Section 2 Principle of Gene Expression Regulation第6页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四一、基

3、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DNAmRNAmRNA核膜氨基酸30S50S氨酰tRNA 蛋白质转录核糖体翻译 基因表达的基本控制点是转录起始第7页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四二、基因转录激活调节基本要素1. 特异DNA序列顺式作用元件(cis-acting element)：影响基因表达的特异DNA序列，包括启动子、增强子、沉默子等。2. 调节蛋白(1) 原核生物基因调节蛋白 特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白(如CAP)(2) 真核生物基因调节蛋白第8页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四3. DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质的相互作用

4、(1) DNA-蛋白质相互作用(DNA-protein interaction) 特点：非共价键结合 实质：多肽链中的侧链与DNA中的碱基作用(2) 蛋白质-蛋白质的相互作用(protein-protein interaction) 形成二聚体或多聚体第9页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四第三节 原核基因表达调控Section 3 Regulation of Prokaryotic Gene Expression第10页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四一、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。1. 因子决定RNA聚合酶识别特异性 不

5、同的因子决定特异基因的转录2. 操纵子模型的普遍性 操纵子(operon)：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。 乳糖、阿拉伯糖和色氨酸操纵子等。第11页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四DNA二、原核生物转录调节1. 乳糖操纵子(lac operon)的调控模式 (1) 乳糖操纵子的结构与功能阻碍蛋白CAP结合位点启动子1启动子2终止子1终止子2半乳糖苷酶乙酰转移酶透性酶第12页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四(2) 阻遏蛋白的负性调节 DNAmRNA阻碍蛋白转录没有乳糖存在时，结构基因的转录被抑制第13页，共48页

6、，2022年，5月20日，6点5分，星期四DNA乳糖半乳糖苷酶葡萄糖半乳糖DNA有乳糖存在时，结构基因的转录被激活诱导剂：异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)第14页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四lac操纵子阻碍蛋白与操纵序列结合模式图操纵序列DNA阻碍蛋白四聚体第15页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四(3) CAP的正性调节CAP：catabolite activator protein分解(代谢)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葡萄糖cAMP第16页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四

7、(4) lac操纵子的协调调节阻碍蛋白CAPcAMP转录活性/无微弱正常转录第17页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四(5) lac操纵子与细菌节能葡萄糖乳糖cAMPCAPcAMP能量利用情况乳糖操纵子的转录被激活，利用乳糖做能源乳糖操纵子的转录被抑制，利用葡萄糖做能源第18页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四2. 色氨酸操纵子(trp operon)调控模式 (1) 色氨酸操纵子的结构与功能DNAPOLatrp Etrp Dtrp Ctrp Btrp Att邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶分支酸邻氨基苯甲酸磷酸核糖邻氨基苯甲酸CDRP吲哚甘

8、油磷酸色氨酸PRt色氨酸辅阻碍蛋白第19页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四(2) Trp对trp操纵子阻碍调节 粗调辅阻碍蛋白色氨酸DNA正常转录DNA转录被抑制第20页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四trp操纵子辅阻碍蛋白与操纵序列的作用第21页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四UUU123453123453UU(3) 衰减子对trp操纵子转录过程的弱化作用 微调 概念 衰减子(attenuator)：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。 色氨酸衰减子的结构特点L-RNA432153U两个色氨酸密码子UGA

9、UGA第22页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四 色氨酸衰减子的弱化机制 . Trp 缺少或浓度低时，Trp-tRNA的浓度低UU1234UUUUUU色氨酸密码子终止密码子UGARNA PolDNA第23页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四533142UUUUUUU色氨酸密码子终止密码子UGA. Trp 浓度高时，Trp-tRNA的浓度升高RNA PolDNA第24页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四 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，是一种应答灵敏，调节灵活的调控方式。第25页，共48页，2022年，5月20日

10、，6点5分，星期四第四节 真核基因表达调节Section 4 Regulation of Eukaryotic Gene Expression第26页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四2. 正性调节占主导 真核RNA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。3. 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。4. 转录后修饰与加工 基因两侧存在调控区 基因不连续，需要剪接过程一、真核基因表达调控特点1. 真核基因表达调控的环节更多第27页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四二、RNA Pol 的转录起始的调节

11、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反式作用因子的协同作用实现。转录因子 泛指除RNA聚合酶以外的一系列参与DNA转录和转录调节的反式作用因子两类转录因子： 基础转录因子：所有基因转录所必需，真核RNA聚合酶不能识别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：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第28页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四1. 转录因子结构特点 转录因子一般包括三个结构域： DNA结合域：锌指、螺旋-转角-螺旋、亮氨酸拉链 螺旋-环-螺旋 转录激活域 连接区

12、域 一些转录因子还有二聚体结构域第29页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四锌指结构螺旋-转角-螺旋亮氨酸拉链锌离子指形区螺旋转角螺旋Leu拉链区转录因子的DNA结合域第30页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四(1) 转录因子的DNA结合域 锌指(Zinc finger) 锌指结构存在于TF A、锌指蛋白和类固醇受体 锌以四个配位键和四个Cys (或两个Cys和两个His)结合，形成一种“指”状结构，其中每个指约含23个氨基酸。整个蛋白质可以有29个锌指重复单位，每个“指”可伸入DNA双螺旋的大沟接触约5个核苷酸残基。第31页，共48页，2022年，5月20日

13、，6点5分，星期四锌指结构域第32页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四锌指与DNA的相互作用锌离子第33页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四 亮氨酸拉链 (Leucine zipper，LZIP) 肽链上每隔6个残基分布1个疏水的Leu残基，两条肽链 (常为-螺旋) 靠Leu间的疏水作用形成二聚体，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基 (Lys、Arg)，借其正电荷与DNA链上的磷酸基团结合。第34页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四LZIP与DNA的相互作用两股-螺旋通过Leu 残基的疏水作用结合在一起与DNA结合的

14、碱性氨基酸残基区域第35页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四LZIP与DNA的相互作用拉链区DNA碱性氨基酸残基富含区第36页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四 螺旋-转角-螺旋 (Helix-turn-helix，HTH) 两个螺旋由短肽转折形成120转角(-转角)，其中一个螺旋称为识别螺旋，带有几个与DNA序列相识别的氨基酸可与DNA大沟结合。HTH与DNA的相互作用第37页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四 螺旋-环-螺旋 (Helix-loop-helix，HLH) 总长约50个氨基酸残基，包括2个由环状结构相连的-螺旋 (长151

15、6aa)。 HLH的DNA结合区为富含碱性氨基酸的区段。 HLH与HTH的差别在于两个-螺旋间有一个环。第38页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四HLH与DNA的相互作用Leu第39页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四HTHLZIPHLH锌指结构第40页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四(2) 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，从而影响转录效率如调节转录因子中与蛋白 (基础转录因子) 结合的结构域，用于和RNA Pol或其它转录因子相互作用。 常见的转

16、录激活结构域有三类：酸性结构域：富含酸性氨基酸残基（Asp和Glu）富含Gln结构域富含Pro结构域第41页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四2. mRNA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。真核生物基因转录激活区结构启动子区编码序列DNA间隔区增强子TATA Box第42页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四TFIID(TBP)ABFEHRNAPolTFIID的组成成分TBP首先识别TATA盒或启动元件(Inr)，随后TFIIA、TFIIB、TFIIF-RNA Pol、TFIIE、TFIIH等转录因子结合到启动子区域(此过程有TAF

17、参与结合)，形成前起始复合物。前起始复合物第43页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四TFIID(TBP)ABFEHRNAPol辅激活因子(coactivator)激活因子(activator)前 起 始 复合物并不能启动 RNA 转录，还需要在辅激 活 因子(coactivator)和激活因子(activator)的共同作用下才 能 正常启动转录。第44页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四TFIID(TBP)ABFEHRNAPol辅激活因子(coactivator)激活因子激活因子激活因子激活因子与增强子结合，通过辅激活因子与前起始复合物作用，启动转录。第45页，共48页，2022年，5月20日，6点5分，星期四(4) 蛋白质