北京大學(xué)生物化學(xué)15

1、第一節(jié) 概述 一、基因表達(dá)的概念 1 1、基因（genegene）：從遺傳學(xué)講，基因就是遺傳的基本單位或單元，具有編碼RNARNA或多數(shù)情況下編碼多肽功能的信息單位。從分子生物學(xué)看，基因是負(fù)載特定遺傳信息的DNADNA分子片段 2 2、基因表達(dá)(gene expression)(gene expression)：基因表達(dá)就是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。在一定調(diào)節(jié)機(jī)制控制下，大多數(shù)基因經(jīng)歷基因激活、轉(zhuǎn)錄及翻譯等過程，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子，賦予細(xì)胞或個(gè)體一定的功能或形態(tài)表型；rRNArRNA、tRNAtRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄生成相應(yīng)RNARNA的過程也屬于基因表達(dá) 二、基因表達(dá)的規(guī)律（特點(diǎn)）及

2、方式 1 1、基因表達(dá)的規(guī)律（特點(diǎn)）：時(shí)、空特異 1.1 1.1 時(shí)間特異性(temporal specificity(temporal specificity，階段特異性stage specificity)stage specificity)：按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性 1.2 1.2 空間特異性(special specificity(special specificity，細(xì)胞或組織特異性（tissue specificitytissue specificity）：在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物按不同組織空間順序出

3、現(xiàn)。 2 2、基因表達(dá)的方式 2.1 2.1 組成性表達(dá)(constitutive gene expression)(constitutive gene expression)管家基因(housekeeping gene) (housekeeping gene) ：在生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，其表達(dá)產(chǎn)物對(duì)生命全過程都是必需的或必不可少的基因組成性基因表達(dá)（基本的基因表達(dá)）：管家基因的表達(dá)，它只受啟動(dòng)子與RNARNA聚合酶相互作用的影響 2.2 2.2 誘導(dǎo)(induction)(induction)和阻遏(repression)(repression)表達(dá)誘導(dǎo)：在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相

4、應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，該現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)。相應(yīng)基因稱為可誘導(dǎo)的基因。 阻遏：基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因稱為可阻遏的基因。可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物降低的過程稱為阻遏可誘導(dǎo)或可阻遏基因除受啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子與RNARNA聚合酶相互作用的影響外，尚受其它機(jī)制調(diào)節(jié)（如：增強(qiáng)子） 2.3 2.3 協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（coordinate regulationcoordinate regulation）在一定機(jī)制控制下，機(jī)能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá)。這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)三、原核生物、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的意義 1 1、適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖 2 2、維

5、持個(gè)體發(fā)育與分化 四、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理 1 1、基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控：基因結(jié)構(gòu)活化、轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄后加工及載運(yùn)、翻譯及翻譯后加工，等 轉(zhuǎn)錄起始是基因表達(dá)的基本控制點(diǎn) 2 2、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的基本要素（調(diào)控體系） 2.1 2.1 特異DNADNA序列：操縱子（原核）、順式作用元件（真核） 操叢子操叢子(operator)：原核生物中由2 2個(gè)以上的編碼序列與啟動(dòng)序列、操縱序列以及其它調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成的基因調(diào)控單位 順式作用元件（順式作用元件（cis-acting element）：）：可影響自身基因表達(dá)活性的DNADNA序列。包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子及沉默子等 2.2 2.2 調(diào)節(jié)

6、蛋白原核基因調(diào)節(jié)蛋白都是一些DNADNA結(jié)合蛋白阻遏蛋白介導(dǎo)的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制在原核生物普遍存在 原核：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白 真核：轉(zhuǎn)錄因子（主要為反式作用因子）正性調(diào)節(jié)機(jī)制在真核生物普遍存在 反式作用因子( (transtrans-acting factor)-acting factor)：某一基因的編碼產(chǎn)物，與其它基因的調(diào)節(jié)序列結(jié)合，調(diào)節(jié)其它基因的表達(dá)活性。大多數(shù)反式作用因子是DNADNA結(jié)合蛋白 3 3、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的作用機(jī)理（基本形式）：DNA-DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)- -蛋白質(zhì)相互作用、RNARNA聚合酶活性調(diào)節(jié) 3.1 DNA- 3.1 DNA-蛋白質(zhì)相互作用：反式調(diào)節(jié)因子與順式作

7、用元件之間的特異識(shí)別及結(jié)合這種結(jié)合通常是非共價(jià)結(jié)合多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合DNADNA前需通過蛋白質(zhì)- -蛋白質(zhì)相互作用形成二聚體或多聚體 3.2 3.2 蛋白質(zhì)- -蛋白質(zhì)相互作用：二聚體是調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合DNADNA時(shí)最常見的形式，雜二聚體比同二聚體具更強(qiáng)的DNADNA結(jié)合能力 3.3 RNA 3.3 RNA聚合酶：轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)最終由RNARNA聚合酶活性體現(xiàn) 五、原核與真核基因表達(dá)調(diào)控的區(qū)別 1 1、真核基因與原核基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 真核細(xì)胞基因組非常復(fù)雜：結(jié)構(gòu)龐大、重復(fù)序列、不連續(xù)性、單順反子（一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄、翻譯生成一條多肽鏈） 2 2、原核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn) 因子決定RNARNA聚合酶識(shí)別特異性

8、操縱子（元）模型的普遍性：多順反子轉(zhuǎn)錄，通過調(diào)控單個(gè)啟動(dòng)基因的活性來完成協(xié)調(diào)表達(dá) 阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性：負(fù)性調(diào)節(jié)占主導(dǎo) 3 3、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn) 活性染色體結(jié)構(gòu)變化：對(duì)核酸酶高度敏感、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、DNADNA堿基修飾、組蛋白減少 正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo) 轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行 轉(zhuǎn)錄后修飾、加工轉(zhuǎn)錄后修飾、加工 RNA聚合酶有三種聚合酶有三種 第二節(jié)第二節(jié) 原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié) 一、乳糖操縱子（元）的調(diào)節(jié)機(jī)制一、乳糖操縱子（元）的調(diào)節(jié)機(jī)制 1、乳糖操縱子、乳糖操縱子(元元)的結(jié)構(gòu)：的結(jié)構(gòu)：I-CAP-P-O-Z-Y-A 結(jié)構(gòu)基因：結(jié)構(gòu)基因：Z、Y及及A，分別編碼，分別編碼-半乳糖苷酶

9、、透酶和半乳糖苷酶、透酶和乙?；D(zhuǎn)移酶乙酰基轉(zhuǎn)移酶 控制序列：操縱序列控制序列：操縱序列O、啟動(dòng)序列、啟動(dòng)序列P、分解代謝物基因、分解代謝物基因激活蛋白激活蛋白(CAP，cAMP結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白)結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn) 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因I：編碼阻遏蛋白（與：編碼阻遏蛋白（與O序列結(jié)合，關(guān)閉操縱序列結(jié)合，關(guān)閉操縱子）子） 2 2、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié) 誘導(dǎo)物：別乳糖（由乳糖轉(zhuǎn)變而來）機(jī)理：別乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，促使阻遏蛋白從操縱序列脫離，誘導(dǎo)基因表達(dá) 3 3、CAPCAP的正性調(diào)節(jié) 正調(diào)節(jié)物：cAMPcAMP 。葡萄糖可促使cAMPcAMP濃度降低 機(jī)理：cAMPcAMP與CAPCAP結(jié)合形成復(fù)合物，促

10、使CAPCAP結(jié)合CAPCAP位點(diǎn)，激活RNARNA聚合酶 4 4、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)負(fù)性調(diào)節(jié)與CAPCAP正性調(diào)節(jié)兩種機(jī)制協(xié)調(diào)合作 功能相關(guān)基因協(xié)調(diào)合作，共同表達(dá)二、其它操縱子第三節(jié) 真核基因表達(dá)調(diào)控 一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 二、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié) 1 1、順式作用元件：啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子 啟動(dòng)子（promoterpromoter）：RNARNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及一個(gè)以上的機(jī)能組件（TATATATA盒、GCGC盒、CAATCAAT盒，等） 典型的啟動(dòng)子由TATATATA盒及上游的CAATCAAT盒和/ /或GCGC盒組成 增強(qiáng)子（enhancerenh

11、ancer）：遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)空特異性表達(dá)、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNADNA序列，它的作用方式通常與方向、距離無關(guān)。增強(qiáng)子也是由若干機(jī)能組件增強(qiáng)體（enhansonenhanson）組成 有些機(jī)能組件既可在增強(qiáng)子、也可在啟動(dòng)子中出現(xiàn) 沉默子（silencesilencer r）：結(jié)合特異蛋白因子時(shí)對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用 2 2、反式作用因子：基本因子、特異因子 2.1 2.1 基本轉(zhuǎn)錄因子：是RNARNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子, ,決定三種RNARNA轉(zhuǎn)錄的類別。TFDTFD是通用的基本因子 多數(shù)基本因子是不同RNARNA聚合酶所特有的 2.2 2.2 特異轉(zhuǎn)錄因子：為

12、個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá) 3 3、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)：DNADNA結(jié)構(gòu)域、二聚化結(jié)構(gòu)域、轉(zhuǎn)錄激活區(qū) Common patterns of regulation of transcription initiation 負(fù)性調(diào)節(jié)正性調(diào)節(jié)1、誘導(dǎo)表達(dá)2、阻遏表達(dá)3、阻遏表達(dá)4、誘導(dǎo)表達(dá)高等生物酵母啟動(dòng)子的常見組件原核生物Consensus sequence for promoters that regulate the expression of genes involved in the heat-shock response in E. coli. Binding of R

13、NA polymerase to heat-shock promoters is mediated by a specialized subunit of the enzyme called 32, which replaces 70An operon. Genes A, B, and C are transcribed on one polycistronic mRNA. Typical regulatory sequences include binding sites for proteins that either activate or repress transcription f

14、rom the promoter操縱子結(jié)構(gòu)激活蛋白結(jié)合位點(diǎn)阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)子調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因A space-filling representation of a CAP homodimer bound to DNA. Base pairs recognized by the protein are shown in green, and amino acid side chains that bind to these base pairs are shown in red. Note the bending of the DNA around the protein A ribbon

15、representation with subunits shown in white and light blue. The helix-turn-helix DNA-binding motif is shown in red. Bound molecules of cAMP are shown in dark blue.CAP同源二聚體The bacteriophage repressor bound to DNA. The two identical subunits of the dimeric protein are shown in gray and light blue.噬菌體阻

16、遏蛋白Two examples of specific amino acid-base pair interactions that have been observed in the structures of DNA-bound regulatory proteins噬菌體4 3 4阻遏蛋白the helix-turn-helix motif in each is shown in red and yellow. The red helices are the recognition helices 1、抑制狀態(tài)2、誘導(dǎo)狀態(tài)一、乳糖操縱子的負(fù)性調(diào)節(jié)乳糖操縱子的負(fù)性調(diào)控結(jié)構(gòu). The bas

17、es shaded beige exhibit twofold (palindromic) symmetry about the axis indicated by the dashed line. 2、別乳糖的生成誘導(dǎo)物的結(jié)構(gòu)1、丙基硫代半乳糖苷二、乳糖操縱子的正性調(diào)節(jié)正性調(diào)控序列啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)三、乳糖操縱子的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)1、只有正性誘導(dǎo)物2、同時(shí)有正、負(fù)性誘導(dǎo)物3、無正、負(fù)性誘導(dǎo)物4、只有負(fù)性誘導(dǎo)物阻遏蛋白結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的前導(dǎo)序列前導(dǎo)序列的配對(duì)方式色氨酸操縱子的衰減機(jī)理1、Trp濃度高時(shí)衰減2、Trp濃度低時(shí)轉(zhuǎn)錄其它操縱子類型The SOS response in E. coli. The Le

18、xA protein is the repressor in this system, with an operator site (indicated in red) near each gene. (a) The recA gene is not entirely repressed by the LexA repressor, and about 1,000 RecA protein monomers are normally found in the cell. (b) When DNA is extensively damaged (e.g., by UV light), DNA r

19、eplication is halted and the number of single-strand gaps in the DNA increases. (c) RecA protein binds to this single-stranded DNA, activating the proteins coprotease activity. (d) While bound to DNA the RecA protein facilitates the cleavage and inactivation of the LexA repressor. When the repressor

20、 is inactivated, the SOS genes, including recA, are induced. RecA protein levels increase 50- to 100-fold 細(xì)菌鞭毛蛋白重組 A leucine zipper f r o m t h e y e a s t activator protein GCN4. The helices are shown in white and light blue. The i n t e r a c t i n g L e u residues are shown in red and purple. 一、亮

21、氨酸拉鏈（ Leucine zippers）閉合拉鏈開放拉鏈拉鏈全貌亮氨酸拉鏈堿性螺旋鋅指結(jié)構(gòu)(a) A ribbon representation of a single zinc finger derived from the regulatory protein Zif 268. The zinc atom is in orange and the amino acid residues that coordinate it (two His and two Cys) are shown in red. 鋅指結(jié)構(gòu)(b) Three zinc fingers (light blue and

22、 gray) from Zif 268 are shown complexed with DNA. The zinc atoms are again shown in orange. (a) Typical eukaryotic transcriptional activators that affect RNA polymerase II. TFIID is a general transcription factor. CTFI, GAL4, and Spl are transcriptional activators that bind to specific DNA sites. PP

23、P: proline-rich; - : acidic; QQQ: glutamine-rich. Some or all of these proteins may activate transcription via intermediary proteins called coactivators. (b) A chimeric protein with the DNA-binding domain of Spl and the activation domain of CTFI activates transcription if a GC box is present. The li

24、fe cycle of the fruit fly Drosophila melanogaster 果蠅幼蟲（蛹）最早期只有一組“母親效應(yīng)基因”表達(dá)，使受精卵發(fā)生頭尾軸和背腹軸固定 三組“分節(jié)基因”順序表達(dá)、控制蛹的“分節(jié)”發(fā)育過程，最后這些“節(jié)”分別發(fā)育為成蟲的頭、胸、翅膀、肢體、腹及尾等 A micrograph of an immunologically stained Drosophila egg, showing distribution of the bicoid (bcd) gene product. The graph measures stain intensity. Thi

25、s distribution is essential for normal development of the anterior structures of the animal. If the bcd gene is not expressed, the resulting embryo has two posteriors, as shown The effects of mutations in homeotic genes. (a) Normal Drosophila head. (b) Drosophila homeotic mutant (Antennapaedia) in which antennae are replaced by legs. (c) Normal Drosophilcz body structure. (d) Homeotic mutant (Bithorax) in which a segment has developed incorrectly to produce an extra set of wings. DNADNA結(jié)構(gòu)域：鋅指（