04基因表达调控

1、第四章基因表达调控,第一节 概述,一、基因表达的基本过程 1、转录：DNA mRNA 2、转录后加工 3、翻译：合成蛋白质 蛋白质的一级结构决定了蛋白质空间结构，从而决定了蛋白质的性质和功能 4、翻译后加工 对蛋白质加工后，使蛋白质有了空间结构，从而有了生物功能。 基因表达为有生物功能的蛋白。,第一节 概述,二、调节 对某种变化进行调整和节制，使其在时、空、度三方面符合某种需要或标准，这个过程叫调节。 生命活着是为了适应内外环境的变化。 因此，基因表达为了适应内外环境变化的需要。,第一节 概述,三、基因表达特征 基因表达是特殊的代谢途径 1、组成：基因表达是多个代谢途径、多个代谢反应组成的体系

2、。 各条途径之间、各个反应之间、各途径内部存在着相互协调、制约，相互依存的关系，表现出各种代谢有规则地进行。因此，基因表达具有调节机制。 2、功能：体内各种代谢是表达的结果，是系统的、综合性功能现象。基因表达存在着多种机制的调节。,第一节 概述,四、基因表达调控 对基因表达的过程从时、空、度三方面进行调节，使其符合内外环境变化的需要的机制称为基因表达调控。 时：各种基因按照需求的时间准确地开放、关闭。 空：各种独立的反应之间协调、制约、限制的关系。 度：正常基因、肿瘤基因表达平衡为正常；当肿瘤基因过度表达，就形成肿瘤，因此，基因表达要有度。,第一节 概述,五、基因表达调控的意义 1、基因表达调

3、控与基因表达一样是生命的基础。 2、是高级生命的重要的机制和标志。 细胞组织机体体系 高级生命 3、学术研究：是现代分子生物学的一个发展方向，是系统分子生物学的基础。,第二节 研究内容,一、基本内容 转录前水平调节 转录水平调节 转录后加工水平调节 翻译水平调节 翻译后加工水平调节 其中转录水平和翻译水平是关键环节，而转录水平又是最主要的调节。,第二节 研究内容,二、研究对象 1、酶： 酶是调节的基础，酶具有多种调节功能。 酶也有结合其他调节因子的部位。 如：变构酶+激活因子 变构酶+抑制因子 所以，酶是实现调节的中心环节,第二节 研究内容,二、研究对象 2、DNA和RNA特殊序列及空间结构

4、进化上很保守的DNA序列起基因表达调控作用，这些特殊调控序列称为顺式调控元件（cis-acting element）。 3、蛋白质因子： 有大量蛋白质因子在调控中其决定性作用，这些起调控作用的蛋白称为反式调控因子（trans-acting factor）。 与某些调控序列结合的调节蛋白是细胞外化学信号的受体。这些调控序列称为应答元件（RE），其与化学信号-受体复合物的结合是信号转导的一个效应环节。,第三节 原核生物的基因表达调控,一、原核生物基因表达调控的特点 1、基因以操纵子为单位进行转录 操纵子（operon）是原核生物基因的转录单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一个或一组结构基因组成。

5、 2、基因转录的特异性由因子决定 不同的 因子与核心酶结合，可以转录不同的基因。环境变化可以诱导产生特定的 因子，启动转录特定的基因。已经确定的 因子有70、54、32、38 、 28 、 24 。,大肠杆菌中的各种因子比较,第三节 原核生物的基因表达调控,一、原核生物基因表达调控的特点 3、基因表达既有正调控，又有负调控 4、既有可诱导调节又有可阻遏调节 可诱导调节：是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。 一般地，可诱导基因总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因。 可阻遏调节：是指一些基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶

6、的工作状态，由于某些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因表达。 一般地，可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程中所必需的小分子化合物（如氨基酸、嘌呤、嘧啶等）的基因。,第三节 原核生物的基因表达调控,一、原核生物基因表达调控的特点 5、基因表达存在应急应答调控机制 细菌遇到紧急状况，如氨基酸饥饿（氨基酸全面匮乏）时，细菌就会产生应急反应停止几乎全部的生物化学反应。实施这一反应的信号是ppGpp和pppGpp。 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，ppGpp的出现回关闭许多基因，也会打开一些合成氨基酸的基因，

7、以应对这种紧急状况。,第三节 原核生物的基因表达调控,二、转录水平调控 （一）调控因素 原核生物基因的转录调控是由RNA 聚合酶、调控序列和调节蛋白决定的。 1、调控序列 原核生物基因的调控序列包括启动子、终止子、操纵基因和分解代谢物基因激活蛋白结合位点,第三节 原核生物的基因表达调控,二、转录水平调控 （一）调控因素 1、调控序列 （1）操纵基因（operator）：是调节蛋白的结合位点。当调节蛋白与操纵基因结合时，RNA 聚合酶不能与启动子结合，即使结合也不能启动结构基因的解链和转录。 （2）分解代谢物基因激活蛋白结合位点：简称CAP 位点，位于启动子上游，是分解代谢物基因激活蛋白（CAP

8、）的结合位点。当CAP 结合于CAP 位点时，可以增强RNA 聚合酶的转录活性，从而促进转录。,第三节 原核生物的基因表达调控,二、转录水平调控 （一）调控因素 2、调节蛋白 原核生物基因的调节蛋白都是DNA 结合蛋白，通过与调控序列结合影响转录。 （1）分类： 特异因子（specificity factor）：即转录起始因子，决定RNA 聚合酶与启动子识别和结合的特异性； 阻遏蛋白（repressor）：与操纵基因结合，阻遏RNA 聚合酶结合、转录，产生负调控效应； 激活蛋白（activator）：与CAP 位点结合，促进RNA聚合酶结合、转录，产生正调控效应。,第三节 原核生物的基因表达调

9、控,二、转录水平调控 （一）调控因素 2、调节蛋白 （2）作用模式：调节蛋白的调控作用受诱导物和阻遏物等环境信号影响。诱导物和阻遏物与调节蛋白结合，改变调节蛋白构象，影响调节蛋白与调控序列的结合，调控基因表达。 根据调控机制的不同分为负转录调控系统和正转录调控系统。 负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白，起阻止基因转录的作用，据其作用分为负控诱导系统和负控阻遏系统。 正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白，也可分为正控诱导系统和正控阻遏系统。,负控诱导系统：阻遏蛋白不与诱导物结合时，结构基因不转录。,当阻遏蛋白与诱导物结合，阻遏蛋白从操纵基因上下来，结构基因开始转录。, 负控阻遏系统

10、：阻遏蛋白与阻遏物结合时，结构基因不转录。,正控诱导系统：诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，基因开启,正控阻遏系统：阻遏物的存在使激活蛋白处于非活性状态，基因关闭。,原核基因转录调控的类型及特点,在调控过程中： 基因由关闭 开启 诱导调节 基因由开启 关闭 阻遏调节,小结,第三节 原核生物的基因表达调控,二、转录水平调控 （二）乳糖操纵子 1960 年，Jacob 和Monod（1965 年诺贝尔生理学或医学奖获得者）提出乳糖操纵子模型，被视为阐述原核生物基因转录调控机制的经典模型。,1乳糖操纵子的结构 大肠杆菌乳糖操纵子（lac operon）包含三个结构基因lacZ、lacY 和lacA

11、，分别编码催化乳糖代谢的酶：-半乳糖苷酶、半乳糖苷通透酶和硫代半乳糖苷转乙酰基酶。结构基因上游还有操纵基因lacO、启动子lacP 和CAP 位点,2乳糖操纵子的负控诱导系统乳糖操纵子上游存在调节基因lacI，组成性表达阻遏蛋白lacI。lacI 为同四聚体，在没有乳糖时会与lacO 结合，阻挡RNA 聚合酶沿着DNA 模板移动，即阻遏转录，转录启动效率极低。,2乳糖操纵子的负控诱导系统在有乳糖存在时，乳糖被微量存在的-半乳糖苷酶催化水解，同时生成少量副产物别乳糖（半乳糖苷16 葡萄糖）。别乳糖作为诱导物与lacI 结合使之变构，不再与lacO 结合，因而不再阻遏RNA 聚合酶移动，乳糖操纵子

12、转录启动效率可以提高1,000 倍。,3乳糖操纵子的正控诱导系统CAP是乳糖操纵子的激活蛋白，CAP的激活效应受cAMP浓度的控制。在大肠杆菌细胞内cAMP 的浓度与葡萄糖的浓度呈负相关。当葡萄糖缺乏时，cAMP浓度高，cAMP-CAP 复合物浓度高，与CAP 位点的结合效应强，通过与RNA 聚合酶亚基作用促进其与启动子的结合，可以将转录启动效率提高50 倍,第三节 原核生物的基因表达调控,二、转录水平调控 （三）色氨酸操纵子 1色氨酸操纵子的结构 大肠杆菌色氨酸操纵子编码合成色氨酸的酶类，受操纵基因和衰减子双重负调控。 色氨酸操纵子包含五个结构基因，分别为trpE、trpD、trpC、trp

13、B 和trpA，编码三种酶，用于合成色氨酸。 结构基因上游还有操纵基因trpO、启动子trpP 和前导序列trpL。,2色氨酸操纵子的阻遏调控 色氨酸操纵子上游存在调节基因trpR，编码同二聚体阻遏蛋白trpR。（1）当培养基色氨酸缺乏时，游离的阻遏蛋白trpR 不能与操纵基因trpO 结合，RNA 聚合酶可以有效地转录结构基因，最终提高色氨酸的合成速度,（2）当培养基色氨酸充足时，色氨酸作为阻遏物与阻遏蛋白trpR 结合，使之变构成为活性trpR，与操纵基因trpO 结合，阻遏RNA 聚合酶与启动子trpP 结合。已经转录的mRNA 也很快降解（其半衰期约3 min），最终降低色氨酸的合成速

14、度。,3色氨酸操纵子的衰减调控是通过控制一个前导肽的合成来进行的。,（1）当培养基色氨酸缺乏时，色氨酰tRNA 供给不足，合成前导肽的核糖体停滞于序列1 的色氨酸密码子位点，序列2 与序列3 形成茎环结构，使序列3 不能与序列4 形成衰减子结构，下游的结构基因可以被RNA 聚合酶有效转录。,（2）当培养基色氨酸充足时，色氨酰tRNA 供给充足，核糖体迅速翻译序列1 合成前导肽，并对序列2 形成约束，使序列3 不能与序列2 形成茎环结构，转而与序列4 形成转录终止子结构衰减子，使下游正在转录结构基因的RNA 聚合酶脱落，终止转录。,第三节 原核生物的基因表达调控,三、翻译水平的调控 原核生物基因

15、表达在翻译水平上的调控与mRNA 稳定性、5端SD 序列、翻译阻遏、反义RNA、核糖开关及RNA 干扰有关。 1、mRNA 稳定性 细菌的增殖周期是2030 min，所以细菌代谢速度很快，需要快速合成或降解mRNA 以适应环境变化。原核生物不同mRNA 的半衰期不同，多数为23min。降解mRNA 的酶主要是3核酸外切酶。如果mRNA 的3端存在茎环结构，可以提高mRNA 的稳定性，抵抗3核酸外切酶的降解。破坏茎环结构将降低mRNA 的稳定性。,第三节 原核生物的基因表达调控,三、翻译水平的调控 2、SD 序列 mRNA 的翻译效率受控于SD 序列。SD序列与核糖体16SrRNA的3端序列结合

16、，决定翻译的起始。mRNA的SD序列与共有序列的差异； mRNA的SD序列与起始密码子的距离。这些都影响翻译。 3、翻译阻遏 在大肠杆菌RNA噬菌体Q中发现这种现象。 体外实验证明，纯化的复制酶可以和外壳蛋白的翻译起始区结合，抑制蛋白质的合成。,第三节 原核生物的基因表达调控,三、翻译水平的调控 4、反义RNA 反义RNA（asRNA）是一类小分子单链RNA，与细胞内mRNA 序列（也包括其他RNA）互补，在原核细胞内广泛存在，染色体、质粒、噬菌体、转座子等都含有反义RNA 编码序列。 研究表明反义RNA 参与基因表达调控，作用机制包括阻遏复制、转录、转录后加工及mRNA 的转运和翻译，促进m

17、RNA 降解。,第三节 原核生物的基因表达调控,三、翻译水平的调控 4、反义RNA 作用环节： 在复制环节，反义RNA 可以与RNA 引物结合，阻遏复制。 在转录环节，反义RNA 可以与RNA 结合，阻遏转录。 在翻译环节，反义RNA 与靶mRNA 的SD 序列或开放阅读框结合，阻遏翻译；或结合之后使mRNA 被RNase 降解。RNase 是一类核酸内切酶，催化切割双链RNA，生成带有二碱基3黏端的双链RNA 片段。,第三节 原核生物的基因表达调控,三、翻译水平的调控 5、核糖开关 除了蛋白质与核酸之外，一些小分子也可以调控基因表达。 研究发现细菌mRNA 中含有一种保守序列，它主要位于5非

18、翻译区内，可以与特定小分子结合而改变mRNA 构像，从而影响翻译效率以及mRNA 寿命。这种序列称为核糖开关（riboswitch）。 核糖开关可以特异性结合代谢物 ，通过构象变化 ,在转录或翻译水平上调节基因表达 。,第四节 真核生物的基因表达调控,真核生物的基因表达调控涉及DNA 和染色体水平、转录水平、转录后加工水平、翻译水平和翻译后修饰水平等环节，其中转录水平依然是最主要的调控环节。 一、真核生物基因表达调控的特点 1、调控环节更多 有些环节是原核生物没有的，例如mRNA 的转录后加工。,多调控环节,第四节 真核生物的基因表达调控,一、真核生物基因表达调控的特点 2、既有瞬时调控又有发

19、育调控 瞬时调控也称为可逆性调控，相当于原核细胞对环境变化作出的反应，是通过改变代谢物水平或激素水平、引起细胞内某些酶或特异蛋白质合成的改变来实现的。 发育调控也称为不可逆性调控，在正常情况下，体细胞的生长和分化遵循一定程序，使个体发育顺利进行。,瞬时调控 发育调控,第四节 真核生物的基因表达调控,一、真核生物基因表达调控的特点 3、染色质结构变化影响转录效率 真核生物DNA 与蛋白质形成染色质结构。基因表达过程中发生DNA 与蛋白质的解离，以暴露特定DNA 序列。真核生物还能根据生长发育的需要进行DNA 重排、甚至扩增某些基因。 4、转录调控以正调控为主 真核生物的RNA 聚合酶对启动子的亲

20、和力小，必须依赖多种调节蛋白的协助才能结合。真核生物既有起正调控作用的调控序列和调节蛋白，又有起负调控作用的调控序列和调节蛋白，但负调控并不普遍，以正调控为主。,第四节 真核生物的基因表达调控,一、真核生物基因表达调控的特点 5、调节蛋白种类繁多，作用机制复杂 真核生物调节蛋白种类远多于原核生物，并且不都是DNA 结合蛋白。可以有十几种甚至几十种调节蛋白与RNA 聚合酶装配成转录起始复合物，调节一种基因的表达。 6、转录后加工更复杂 与原核生物相比，真核生物的mRNA 前体只是一个初级转录产物，其后加工过程是真核生物基因表达必不可少的环节。实际上，只有很少的mRNA 最终到达细胞质，指导蛋白质

21、合成。这显然是基因表达调控的结果。,第四节 真核生物的基因表达调控,一、真核生物基因表达调控的特点 7、转录和翻译分隔进行，存在时空隔离 真核生物的细胞核和细胞质是被核膜分隔的两个不同的区域，这使真核生物可以通过信号转导途径及mRNA 转运途径调控基因表达。 8、翻译及翻译后修饰更复杂 参与翻译的除了有更多的蛋白因子之外，还有小分子ncRNA；翻译后修饰内容丰富，涉及各种修饰因子，修饰场所遍布细胞内各个部位。,第四节 真核生物的基因表达调控,二、染色质和DNA水平的调控 DNA 水平调控的本质是改变染色质和DNA 的结构 1、染色质结构改变 异染色质结构紧密，没有转录活性；常染色质结构疏松，包

22、含转录区。组蛋白可以看成是真核生物基因转录的阻遏蛋白。组蛋白与DNA 的结合与解离是真核生物基因表达调控的重要环节之一。 2、DNA 甲基化 由甲基化酶催化，主要是CpG 岛中特定CpG 序列的胞嘧啶被甲基化，形成5-甲基胞嘧啶；另有少量腺嘌呤也可以被甲基化，形成N6-甲基腺嘌呤。,第四节 真核生物的基因表达调控,二、染色质和DNA水平的调控,甲基化改变DNA 构象，导致染色质结构改变；甲基化影响DNA 与蛋白质的相互作用，因而影响启动子与转录因子的结合。 DNA 甲基化导致基因沉默（gene silencing），DNA 去甲基化导致基因激活（gene activation）,第四节 真核生

23、物的基因表达调控,二、染色质和DNA水平的调控 3、基因重排 基因重排可以使一个基因更换调控序列，例如置于另一个强启动子或增强子的控制之下，从而提高表达效率。,通过基因重排获得功能型免疫球蛋白重链基因,第四节 真核生物的基因表达调控,二、染色质和DNA水平的调控 4、基因扩增 基因扩增（gene amplification）也称为DNA 扩增（DNA amplification），是细胞内单独复制某一个或一组基因拷贝、从而增加基因拷贝数的过程，是细胞为了适应生长环境而在短时间内大量表达特定基因产物的一种有效方式。 基因扩增产物以两种形式存在： 在染色体某一位点形成串联重复序列，成为一个均染区（

24、HSR）。 形成独立于染色体之外的极微染色体（mini-chromosome）结构。,第四节 真核生物的基因表达调控,二、染色质和DNA水平的调控 4、基因扩增 基因扩增在真核生物中普遍存在： 某些类型的正常细胞在其生长发育过程中需要大量相关蛋白，常常通过基因扩增方式来促进表达量增加。 基因扩增赋予肿瘤细胞抗药性。例如甲氨蝶呤（MTX）抑制肿瘤细胞内二氢叶酸还原酶（DHFR）的活性，使dTMP 合成减少，从而杀死细胞；在甲氨蝶呤培养基中培养一段时间之后，其二氢叶酸还原酶基因（dhfr）扩增，拷贝数可以增加200250 倍，从而抵抗更高浓度甲氨蝶呤的杀伤作用。是原癌基因的激活方式之一,第四节 真

25、核生物的基因表达调控,二、染色质和DNA水平的调控 5、染色质丢失 一些低等真核生物在细胞发育过程中丢失染色质或染色质片段。某些基因在丢失这些片段之前并不表达，丢失之后才表达。因此，这些片段的存在可能阻遏了相关基因的表达。高等生物也有染色质丢失，例如红细胞在成熟过程中丢失整个细胞核。染色质丢失属于不可逆性调控。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 转录水平的调控主要通过RNA 聚合酶、调控序列和调节蛋白的相互作用来实现。其中RNA 聚合酶催化合成mRNA 前体，mRNA 前体加工成为mRNA。所以RNA 聚合酶是转录调控的核心。 （一）调控序列,真核生物调控序列,第四节 真核生

26、物的基因表达调控,三、转录水平的调控 1、启动子 真核生物的三种RNA 聚合酶各识别一类启动子。RNA 聚合酶识别的启动子通常含有TATA 框、起始子、上游元件（GC 框或CCAAT 框）和下游元件等。RNA聚合酶识别并结合启动子时需要相应调节蛋白的协助。 2、增强子 1981 年，Banerji在SV40 晚期基因（late gene）区发现一种72 bp 的重复序列，它可以使重组SV40 携带的兔血红蛋白 亚基基因的表达水平提高200 倍，这是发现的第一个增强子。 增强子（enhancer）通过启动子提高转录效率。增强子与启动子可以相邻、重叠或包含。它们相互依存、相互作用，决定基因表达的时

27、空特异性。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （一）调控序列 2、增强子 增强子有以下特性： （1）增强效应十分明显：增强子一般能使转录效率提高数十倍，甚至上千倍。 （2）增强效应与增强子所处的位置和取向无关：增强子可以位于结构基因的上游、下游或内部（内含子内）；用重组DNA 技术改变其位置或取向，仍然可以产生增强效应。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （一）调控序列 2、增强子 增强子有以下特性： （3）没有基因特异性：增强子与不同结构基因重组均产生增强效应。 （4）具有组织细胞特异性：增强子是否产生增强效应，取决于组织细胞内是否存在调节蛋白。增强子只有

28、与调节蛋白结合才能产生增强效应。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （一）调控序列 2、增强子 增强子有以下特性： （5）远距离提高转录效率：增强子通常距离转录起始位点5005,000 bp，有时可达30,000 bp。 （6）多含重复对称序列：增强子序列长度一般为100200 bp，由一个或多个独立的称为增强子元（enhanson）的核心序列组成。核心序列长813 bp，部分序列有回文特征。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （一）调控序列 2、增强子 增强子有以下特性： （7）增强子的作用具有协同性：一个mRNA 基因平均拥有六个增强子，它们共同促进基因

29、表达。 （8）许多增强子还受环境信号的调控：例如金属硫蛋白基因的增强子受锌和铬浓度的影响。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （一）调控序列 2、增强子 增强子提高转录效率的两种假说： 增强子为调节蛋白提供进入启动子区的位点：不同组织细胞有不同的调节蛋白，同源增强子与调节蛋白具有更强的亲和力； 增强子能够改变染色质的构象，这种改变决定了DNA 与调节蛋白的结合效率。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （一）调控序列 3、沉默子 真核生物阻遏基因转录的调控序列称为沉默子（silencer）。沉默子与相应的调节蛋白结合之后，使正调控失去作用。沉默子对丛集基因的选

30、择表达起重要作用。沉默子和增强子协调作用可以决定基因表达的时空顺序。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 调控真核生物基因转录的调节蛋白也称为转录因子（transcription factor）、反式作用因子（trans-acting factor），它们通过识别并结合调控序列等调控转录。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 1、调节蛋白分类 对真核生物基因表达起调控作用的调节蛋白可以分为三类： （1）通用转录因子（general transcription factor）：是与启动子特异结合并启动转录的调节蛋白，是RNA 聚合酶

31、转录各种基因所必需的，分布在各种细胞内。 （2）转录调节因子（transcription regulation factor）：是通过与增强子或沉默子结合来调控转录的调节蛋白，其中促进转录的称为转录激活因子（transcription activator），阻遏转录的称为转录阻遏因子（transcription repressor）。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 1、调节蛋白分类 对真核生物基因表达起调控作用的调节蛋白可以分为三类： （3）共调节因子（mediator）：由Kornberg（2006 年诺贝尔化学奖获得者）于1990 年发现。 共调节因子

32、不是直接与DNA 结合，而是通过蛋白质蛋白质相互作用改变通用转录因子或转录调节因子的构象，从而调控转录。其中促进转录的称为共激活因子（coactivator），阻遏转录的称为共阻遏因子（corepressor）。 共调节因子的合成和作用受细胞类型和发育阶段的控制，并对细胞外信号产生应答，例如维生素D 受体相互作用蛋白（DRIP）。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 2、调节蛋白结构 调节蛋白含有特定的DNA 结合域、转录激活域或二聚化域。 （1）DNA 结合域：调节蛋白通过DNA 结合域（DBD）与DNA 调控序列结合。许多DNA 结合域含有锌指或螺旋转角螺旋

33、结构。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 2、调节蛋白结构 锌指（zinc finger）：全长约30 个氨基酸，序列中有两对氨基酸（Cys2His2 或Cys4）通过配位键结合一个Zn2+，形成锌指。 锌指结构属于DNA 结合基序（DNA-bindingmotif，是DNA 结合域直接与DNA 结合的部位），单一锌指与DNA 的结合很弱，但DNA 结合蛋白通常含有多个锌指结构。它们同时与DNA 结合，所以结合非常稳定。,锌指 锌指-DNA结合构象,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 2、调节蛋白结构 螺旋转角螺旋（HTH）：全

34、长约20 个氨基酸，由各含有79 个氨基酸的两个 螺旋通过一个 转角连接，属于DNA 结合基序，其位于C 端的螺旋直接与DNA 双螺旋的大沟特异结合，称为识别螺旋（recognition helix）。 螺旋转角螺旋在原核生物DNA 结合蛋白（例如LacI、CAP、TrpR）中也存在。,螺旋-转角-螺旋,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 2、调节蛋白结构 发育同源域（homeodomain）：全长约60 个氨基酸，属于DNA 结合域，通过一个HTH 基序与DNA 结合。发育同源域存在于真核生物的一些DNA 结合蛋白中，调控发育。 发育同源域在结构上及与DNA

35、的作用方式上极为保守。,发育同源域,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 2、调节蛋白结构 （2）转录激活域：激活蛋白除了存在DNA 结合域之外，还存在与其它转录因子特别是共激活因子相互作用的部位，称为转录激活域（TAD）。 分为三类：,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 2、调节蛋白结构 （2）转录激活域： 酸性激活域：酵母转录激活因子Gal4p 的N 端为含有类锌指的DNA 结合域，C 端为转录激活域。该转录激活域富含酸性氨基酸，所以称为酸性激活域（acidic activation domain），其激活作用是由氨基酸的酸性而

36、不是由序列决定的。 Gal4p 先形成具有卷曲螺旋（coiled-coil）结构的同二聚体，然后与上游活化序列（UASG ）结合。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 2、调节蛋白结构 （2）转录激活域： 富含谷氨酰胺域：Sp1 是高等真核生物许多基因的转录激活因子，通过靠近C 端的DNA 结合域的三个锌指与GC 框结合。Sp1 有两个转录激活域，称为富含谷氨酰胺域（GD），其25%的氨基酸为谷氨酰胺。其它许多转录激活因子也有富含谷氨酰胺域。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 2、调节蛋白结构 （2）转录激活域： 富含脯氨酸域：

37、转录激活因子CTF1 与CCAAT 框结合。CTF1 除了有一个富含碱性氨基酸的DNA 结合域之外，还有一个富含脯氨酸域（PD），其20%的氨基酸为脯氨酸。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 2、调节蛋白结构 （3）二聚化域：真核生物的许多调节蛋白常先形成二聚体，再通过含有锌指的DNA结合域与DNA 结合。 某些结构域是形成二聚体所必需的，称为二聚化域。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 2、调节蛋白结构 （3）二聚化域：目前发现这些二聚化域含有以下基序结构： 亮氨酸拉链：含有规则排列的亮氨酸，亮氨酸之间被六个其他氨基酸隔开。

38、在形成 螺旋时，亮氨酸恰好沿着螺旋一侧排列成行，形成疏水侧面，这种 螺旋为两性结构，称为两性 螺旋。,亮氨酸拉链两个两性 螺旋的亮氨酸平行排列，以疏水作用相互结合成二聚体，像拉链一样绞在一起，所以称为亮氨酸拉链（LZ）。,含有亮氨酸拉链的调节蛋白通常含有DNA结合域，该结合域富含赖氨酸/精氨酸，可以与DNA 骨架中带负电荷的磷酸基结合。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 2、调节蛋白结构 （3）二聚化域：目前发现这些二聚化域含有以下基序结构： 碱性螺旋-环-螺旋（HLH） ： 由一个螺旋-环-螺旋和一个碱性短序列构成。,螺旋-环-螺旋（a）螺旋-环-螺旋长约5

39、0 个氨基酸，由两段两性螺旋通过一段长度不一的环连接构成，所以称为螺旋-环-螺旋（HLH）。两个螺旋-环-螺旋通过一端的亮氨酸相互结合，形成二聚体。（b）富含碱性氨基酸的短序列位于螺旋-环-螺旋的另一端，与亮氨酸拉链一端的碱性区类似，直接与DNA 结合。这种碱性螺旋-环-螺旋（bHLH）结构存在于部分真核生物的调节蛋白中，在多细胞生物的发育过程中参与基因表达调控。,第四节 真核生物的基因表达调控,三、转录水平的调控 （二）调节蛋白 3、调节蛋白调节 调节蛋白通过数量调节、化学修饰调节、变构调节、蛋白质蛋白质相互作用等方式形成活性结构，调节基因表达。 调节蛋白与调控序列的结合具有相对特异性：一种

40、调节蛋白能与一种或多种调控序列结合；一种调控序列能与一种或多种调节蛋白结合。,真核生物调节蛋白活性调节方式,第四节 真核生物的基因表达调控,四、转录后加工水平的调控 1、加帽和加尾 真核生物的mRNA 转录时要在5端加接帽子。不同帽子结构的甲基化程度不同。真核生物的mRNA 转录之后还要在3端加接poly(A)尾。 除了组蛋白mRNA 之外，真核生物的mRNA 都有poly(A)尾。,第四节 真核生物的基因表达调控,四、转录后加工水平的调控 2、选择性剪接 利用多个5端转录起始位点或剪接位点产生不同蛋白质：小鼠肌球蛋白轻链基因,第四节 真核生物的基因表达调控,四、转录后加工水平的调控 2、选择

41、性剪接 利用多个5端转录起始位点或剪接位点产生不同蛋白质：小鼠肌球蛋白轻链基因 利用多个加polyA位点和不同剪接方式产生不同的蛋白质：大鼠降钙素基因，高等生物免疫球蛋白M、D、E、G和H基因，人血纤维蛋白原基因等。,pre-mRNA不同的剪接方式造成不同组织中不同的降钙素样蛋白,第四节 真核生物的基因表达调控,四、转录后加工水平的调控 3、转运 只有约20%的mRNA 进入细胞质，留在细胞核内的mRNA 有50%在一小时内被降解。mRNA 从细胞核向细胞浆转运的机制目前尚未阐明，但以下事实表明转运受到调控： mRNA 的出核过程是一个主动转运过程； mRNA 与特定蛋白质装配成mRNP 才能

42、转运出核。此外还有选择性剪接、编辑和转录后基因沉默等。,第四节 真核生物的基因表达调控,五、翻译水平的调控 真核生物翻译调控比原核生物更重要： 一些较大基因的转录及转录后加工时间长达数小时，可以调控已有mRNA 的翻译活性，满足急需； 有些基因的翻译调控属于微调； 一些无核细胞对已有mRNA 的翻译进行调控。翻译水平的调控主要表现在控制mRNA 稳定性、翻译因子活性和选择性翻译，其中mRNA 的5非翻译区和3非翻译区是主要调节位点。,第四节 真核生物的基因表达调控,五、翻译水平的调控 1翻译起始因子磷酸化 翻译调控主要发生在起始阶段。翻译调控的典型机制是翻译起始因子磷酸化或翻译起始因子调节蛋白

43、的磷酸化。 （1）eIF2 磷酸化抑制：eIF2 在翻译起始过程中起关键作用。它与GTP 以及Met-tRNAiMet 形成三元复合物，进一步与核糖体40S 小亚基装配43S 前起始复合物，并最终装配80S 核糖体复合物。,第四节 真核生物的基因表达调控,五、翻译水平的调控 1翻译起始因子磷酸化 eIF2 是一个 三聚体，eIF2 是eIF2 的调节亚基，其Ser51 是磷酸化调节位点，其磷酸化使以下交换不能进行，从而影响eIF2GTP 的循环利用，阻遏蛋白质合成。,第四节 真核生物的基因表达调控,五、翻译水平的调控 1翻译起始因子磷酸化 （2）eIF4E 磷酸化激活：eIF4E 在翻译起始早

44、期与mRNA 帽子结合，松解mRNA 二级结构，促进80S 核糖体复合物装配，是翻译起始的限速步骤。 eIF4E 的Ser209 是一个磷酸化位点，可以被蛋白激酶C催化磷酸化，结果eIF4E 与帽子的亲和力提高4 倍，促进装配eIF4F，启动翻译。 （3）eIF4E 结合蛋白1 磷酸化调节：eIF4E 结合蛋白1（eIF4EBP1）是真核生物的一种翻译阻遏蛋白，可以与eIF4E 结合，抑制其活性。蛋白激酶B 可以催化eIF4EBP1 磷酸化，解除其对eIF4E 的抑制。,第四节 真核生物的基因表达调控,五、翻译水平的调控 1翻译起始因子磷酸化 （4）核糖体蛋白S6 磷酸化激活：核糖体蛋白S6

45、被核糖体蛋白S6 激酶（p70S6K，一种丝氨酸/苏氨酸激酶）磷酸化激活，促进蛋白质合成。,第四节 真核生物的基因表达调控,五、翻译水平的调控 2、翻译阻遏蛋白阻遏 许多mRNA 都有较长的非翻译区（UTR），含有反向重复序列（IR），可以形成茎环结构。一些翻译阻遏蛋白与非翻译区中的茎环结构结合，干扰核糖体复合物的装配，阻遏翻译起始。 翻译阻遏蛋白的阻遏作用受到变构调节。 例如：铁对铁蛋白（ferritin）合成的调控。高浓度游离铁对细胞有毒，因而当细胞内铁浓度很高时，铁蛋白的翻译合成加强，并与铁结合，降低游离铁浓度。,第四节 真核生物的基因表达调控,五、翻译水平的调控 2、翻译阻遏蛋白阻遏 铁蛋白合成调控机制：铁蛋白mRNA 的5非翻译区含有铁应答元件（IRE），是一种茎环结构，可以结合铁应答元件结合蛋白（IBP），从而抑制铁蛋白的合成。铁与IBP 结合将使IBP 脱离IRE，从而解除对铁蛋白mRNA 的翻译阻遏。,翻译区,翻译区,不翻译,第四节 真核生物的基因表达调控,五、翻译水平的调控 3、5AUG 负调控 有些mRNA 的5非翻译区中有一个或数个AUG，称为5AUG。 5AUG 引导的阅读框与开放阅读框不一致，很小，翻译产物为无活性短肽。因此，5AUG引导的阅读框一般对翻译起始起负调控作用，使翻译维持在较低水平。5AUG 多存在于原