基因的表達與調(diào)控

1、12Expressive Regulation of Gene3DNARNA蛋白質(zhì)復制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復制4Transcriptional controlTranslational controlPost-translational controlOnset of transcriptionRNA polymeraseTranslation rateLifespan of mRNARibosomemRNAProteinpolypeptide chainProtein activation (by chemical modification)Feedback inhibition (prot

2、ein inhibits transcription of its own gene)567原核生物原核生物以負調(diào)控為主，以負調(diào)控為主，真核生物真核生物以正調(diào)控為主；以正調(diào)控為主；降解代謝途徑降解代謝途徑中既有正調(diào)控又有負調(diào)控；中既有正調(diào)控又有負調(diào)控；合成代謝途徑合成代謝途徑中一般以負調(diào)控來控制產(chǎn)物自身的合成。中一般以負調(diào)控來控制產(chǎn)物自身的合成。8OPI結構基因結構基因 啟動子啟動子P 操縱序列操縱序列調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)9 1961年，雅各布（年，雅各布（Jacob F.）和莫諾（）和莫諾（Monod J.）等發(fā)現(xiàn)，當大腸桿菌生長在含）等發(fā)現(xiàn)，當大腸桿菌生

3、長在含有有乳糖乳糖的培養(yǎng)基上時，乳糖代謝酶濃度急劇增加；當培養(yǎng)基中沒有乳糖時，乳糖代謝基的培養(yǎng)基上時，乳糖代謝酶濃度急劇增加；當培養(yǎng)基中沒有乳糖時，乳糖代謝基因不表達，乳糖代謝酶合因不表達，乳糖代謝酶合成停止。從而提出了成停止。從而提出了乳糖乳糖操縱子模型（操縱子模型（獲獲1965年諾年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎貝爾生理學和醫(yī)學獎），），用來闡述乳糖代謝中基因用來闡述乳糖代謝中基因表達的調(diào)控機制表達的調(diào)控機制 :Francis Jacob Jacques Monod 1011 結構基因結構基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透過酶透過酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶：乙?；D(zhuǎn)移酶大腸桿菌乳糖操縱子包括三類基因：

4、大腸桿菌乳糖操縱子包括三類基因： 結構基因結構基因; 操縱基因操縱基因O; 啟動基因啟動基因P。 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)調(diào)控蛋白調(diào)控蛋白R啟動子啟動子操縱子操縱子ZYAOPIDNAPi12O O阻遏狀態(tài)阻遏狀態(tài)誘導狀態(tài)誘導狀態(tài)啟動子啟動子13 未 誘 導 ： 結 構 基 因 被 阻 遏 阻 遏 物 四 聚 體 L a c I P O la c Z la c Y la c A 圖1 6 - 當 無 誘 導 物 時 阻 遏 物 結 合 在 操 縱 基 因 上 14 誘導：基因被打開 -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉(zhuǎn)移酶 圖 16-7 誘導物和阻遏物成為調(diào)節(jié)操縱子的開關 15CAP位點位點 操縱序列操縱序列RNA

5、RNA聚合酶聚合酶 啟動序列啟動序列cAMPmRNA 5CAPCAP16除了除了阻遏蛋白阻遏蛋白能抑制能抑制lac操縱子轉(zhuǎn)錄外，其它因子也能有效操縱子轉(zhuǎn)錄外，其它因子也能有效地抑制地抑制lac mRNA轉(zhuǎn)錄，這個因子的活性與轉(zhuǎn)錄，這個因子的活性與葡萄糖葡萄糖有關：有關：當有乳糖存在時，操縱子開啟，基因進行表達。當有乳糖存在時，操縱子開啟，基因進行表達。當既有大量半乳糖又有葡萄糖時，基因表達將會怎樣？當既有大量半乳糖又有葡萄糖時，基因表達將會怎樣？17AC18 乳糖操縱子模型乳糖操縱子模型19-合成代謝途徑的基因調(diào)控合成代謝途徑的基因調(diào)控 分支酸 鄰氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷

6、酸 色氨酸 鄰氨基苯甲酸 鄰氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 鏈 鏈 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起動子；O：操縱子； l：前導序列； a：衰減子； t,t ：終止子 圖 16-15 E.coli trpO 的結構及其產(chǎn)物所催化的色氨酸合成反應20215種結構基因：種結構基因：trpE、D、C、B、A；調(diào)控結構：啟動子、操縱子、前導序列、弱化子；調(diào)控結構：啟動子、操縱子、前導序列、弱化子；阻遏物阻遏

7、物trpR基因：與基因：與trp操縱子相距較遠；操縱子相距較遠； 鄰氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 硼酸合成酶 TrpE terpD trpC trpB trpA t t 啟動子 操縱基因 前導順序 衰減子 pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43A UUUUUUUU 富含 G-C 的發(fā) G C Leader peptide 夾結構 / 富含 C G U的單鏈末端 C G Aaaaaa C G Met Lys Aly Ile Phe Val Leu Lys Gly Trp Trp Arg Thr Ser A G C

8、C G A C G U U A A 圖 16-28 trp 操縱子含有 5 個結構基因和 1 個控制區(qū)?？刂茀^(qū)由啟動子、操縱基因、前導順序和衰減子構成。前導區(qū)編碼 14 個氨基酸，其中有 2 個是色氨酸。(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.38) 22 阻遏調(diào)控：阻遏調(diào)控： 阻遏機制阻遏機制23衰減機制衰減機制2425弱化子調(diào)控：弱化子調(diào)控：26前導序列可翻譯出一段前導序列可翻譯出一段14個氨基酸的短肽，在該短肽的第個氨基酸的短肽，在該短肽的第10、11位置上是兩個位置上是兩個色氨酸密碼子；兩個密碼子之后是一段色氨酸密碼子；兩個密碼子之后是一段mRNA序列。該序列可分

9、為四個區(qū)段，區(qū)序列。該序列可分為四個區(qū)段，區(qū)段間可互補配對，形成不同的二級結構。段間可互補配對，形成不同的二級結構。2728原核生物為邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯，前導序列中原核生物為邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯，前導序列中核糖體位置核糖體位置決定形成哪種二級結決定形成哪種二級結構構從而決定弱化子是否可形成終止信號。從而決定弱化子是否可形成終止信號。A、 當當有色氨酸有色氨酸時，完整翻譯短肽時，完整翻譯短肽 核糖體停留在終止密碼子處核糖體停留在終止密碼子處(鄰近區(qū)段鄰近區(qū)段2位置位置)阻礙了阻礙了2、3配對配對使使3、4區(qū)段配對形成發(fā)夾結構終止子區(qū)段配對形成發(fā)夾結構終止子 RNA酶在弱化子處終止酶在弱化子處終止，不能向前移動

10、。不能向前移動。29B、如、如缺乏色氨酸缺乏色氨酸，核糖體到達色氨酸密碼子時，核糖體到達色氨酸密碼子時由于沒有色氨酰由于沒有色氨酰tRNA的供應的供應停停留在該密碼子位置留在該密碼子位置(位于區(qū)段位于區(qū)段1)使區(qū)段使區(qū)段2與區(qū)段與區(qū)段3配對配對區(qū)段區(qū)段4無對應序列配對呈單鏈無對應序列配對呈單鏈狀態(tài)狀態(tài)RNA聚合酶通過弱化子聚合酶通過弱化子，繼續(xù)向前移動，轉(zhuǎn)錄出完整的多順反子序列。，繼續(xù)向前移動，轉(zhuǎn)錄出完整的多順反子序列。30阿拉伯糖操縱子也是降解代謝途徑的調(diào)控系統(tǒng)，它具有一些與阿拉伯糖操縱子也是降解代謝途徑的調(diào)控系統(tǒng)，它具有一些與lac操縱子相似的操縱子相似的特點，但與前述兩種操縱子系統(tǒng)的特點

11、，但與前述兩種操縱子系統(tǒng)的顯著區(qū)別顯著區(qū)別是它的同一種調(diào)控蛋白是它的同一種調(diào)控蛋白-Ara C調(diào)控蛋白調(diào)控蛋白既可起正調(diào)控既可起正調(diào)控,也可起負調(diào)控作用也可起負調(diào)控作用 。31R：調(diào)控基因調(diào)控基因araC編碼編碼AraC蛋白；蛋白；O：操縱子位點；操縱子位點； O1不參與調(diào)控；不參與調(diào)控；O2：AraC蛋白蛋白負調(diào)控負調(diào)控結合位點；結合位點； I：誘導位點（誘導位點（調(diào)節(jié)位點調(diào)節(jié)位點），）， CAP-cAmP復合物結合位點，復合物結合位點，AraC蛋白蛋白正調(diào)控正調(diào)控結合位點。結合位點。ara CO2CAPara B ara Aara DAO IO1Rara CO2CAPara B ara A

12、ara DO1BImRNACBADCCAPO1IO2DXAraCCAP-cAMPA、阿拉伯糖操縱子的組成：、阿拉伯糖操縱子的組成：32原原真真333真核生物和原核生物基因表達的對比真核生物和原核生物基因表達的對比3435 3637哺乳動物一般可產(chǎn)生哺乳動物一般可產(chǎn)生109個抗個抗體分子，比整個基因組基因數(shù)體分子，比整個基因組基因數(shù)目還多，人類的目還多，人類的抗體基因抗體基因約約有有300個。個。抗體分子結構：抗體分子結構：重鏈重鏈H：440個氨基酸；個氨基酸；輕鏈輕鏈L：220個氨基酸；個氨基酸；N端：端：110個氨基酸。個氨基酸。38重鏈包括重鏈包括4個片段：個片段： 86個重鏈變異區(qū)段個重

13、鏈變異區(qū)段(VH)；30個多樣區(qū)片段個多樣區(qū)片段(D)；9個連接區(qū)片段個連接區(qū)片段(J)；11個恒定區(qū)片段個恒定區(qū)片段(C)；輕鏈有輕鏈有3個片段個片段: (第第2號和第號和第22號染色體上號染色體上)輕鏈變異區(qū)輕鏈變異區(qū)(VL)；連接區(qū)；連接區(qū)(J)；恒定區(qū)；恒定區(qū)(C)；3940真核生物中，少數(shù)胞嘧啶第真核生物中，少數(shù)胞嘧啶第5C上的上的H被一個甲基取代被一個甲基取代甲基化甲基化。甲基化。甲基化C在在DNA復制中可整合到正常復制中可整合到正常DNA序列中。序列中。C甲基化在甲基化在CG雙核苷酸序列中發(fā)生頻率雙核苷酸序列中發(fā)生頻率最高。最高。許多真核生物基因許多真核生物基因5端未翻譯區(qū)富含端

14、未翻譯區(qū)富含CG序列，易甲基化。甲基化可降低轉(zhuǎn)錄序列，易甲基化。甲基化可降低轉(zhuǎn)錄效率。效率。41啟動子啟動子(promoter)：轉(zhuǎn)錄因子和轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶的結合位點，位于基因上游某一固定位置，緊接轉(zhuǎn)錄起聚合酶的結合位點，位于基因上游某一固定位置，緊接轉(zhuǎn)錄起始點，是基因一個組成部分。始點，是基因一個組成部分。順式作用元件順式作用元件(cis-acting elements)真核基因的順式調(diào)控元件是真核基因的順式調(diào)控元件是基因周圍能與特異基因周圍能與特異轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子結合而影響轉(zhuǎn)錄的結合而影響轉(zhuǎn)錄的DNA序列序列。其中主要是起。其中主要是起正調(diào)控作用正調(diào)控作用的順式作用元件，包括的順式作

15、用元件，包括啟動子啟動子(promoter)、增強子、增強子(enhancer)；近年又發(fā)現(xiàn)起負調(diào)控作用的元件；近年又發(fā)現(xiàn)起負調(diào)控作用的元件沉默子沉默子(silencer)。真核細胞的三種真核細胞的三種RNA聚合酶（聚合酶（、和和）中，只有）中，只有RNA聚合酶聚合酶能轉(zhuǎn)錄生成能轉(zhuǎn)錄生成mRNA，以下主要討論，以下主要討論RNA聚合酶聚合酶的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。42真核生物基因真核生物基因(A)與原核生物基因與原核生物基因(B)在在5 端啟動子的順式調(diào)控元件端啟動子的順式調(diào)控元件轉(zhuǎn)錄方向用箭頭表示，轉(zhuǎn)錄起始點用轉(zhuǎn)錄方向用箭頭表示，轉(zhuǎn)錄起始點用+1表示表示AG G G C G GG G C C

16、 A A T CT A T A A AG C B o xC A A T B o xT A T A B o x+ 1- 1 1 0- 7 0- 3 0BT T G A C AT A T A A T- 3 5- 1 5- 3 5 B o xT A T A B o x啟動子結構（真核生物）：啟動子結構（真核生物）：TATA盒盒(TATA box)：RNA酶識別并結合位點；酶識別并結合位點；CAAT盒盒(CAAT box)：轉(zhuǎn)錄起始起重要作用；：轉(zhuǎn)錄起始起重要作用；GC盒盒(GC box)：增強子作用。：增強子作用。4344DNA環(huán)化與轉(zhuǎn)錄活性環(huán)化與轉(zhuǎn)錄活性4546有些真核生物基因具有兩個或兩個以上的

17、啟動子，用于在不同細胞中表達。有些真核生物基因具有兩個或兩個以上的啟動子，用于在不同細胞中表達。 果蠅的乙醇脫氫酶基因，在幼蟲和成蟲期分別利用不同啟動子進行轉(zhuǎn)錄果蠅的乙醇脫氫酶基因，在幼蟲和成蟲期分別利用不同啟動子進行轉(zhuǎn)錄 。 47 48果蠅不同發(fā)育階段唾腺第果蠅不同發(fā)育階段唾腺第III染色體上的疏松圖式染色體上的疏松圖式果蠅中，蛻皮激素引起唾腺染色體果蠅中，蛻皮激素引起唾腺染色體74區(qū)區(qū)EF段、段、75區(qū)區(qū)B段和段和78區(qū)區(qū)D段都有疏松出現(xiàn)，段都有疏松出現(xiàn)，說明蛻皮激素引起該部位基因的活性。說明蛻皮激素引起該部位基因的活性。4950transcription factor，TF . 以反式作

18、用影響轉(zhuǎn)錄的因子。在真核細胞中以反式作用影響轉(zhuǎn)錄的因子。在真核細胞中RNA聚合酶聚合酶通常不能單獨發(fā)揮轉(zhuǎn)錄作用，而需要與其他通常不能單獨發(fā)揮轉(zhuǎn)錄作用，而需要與其他轉(zhuǎn)錄因子共同協(xié)作轉(zhuǎn)錄因子共同協(xié)作。與。與RNA聚合酶聚合酶、相應的相應的轉(zhuǎn)錄因子分別稱為轉(zhuǎn)錄因子分別稱為TF、TF、TF，對，對TF研究最多。下表列出對真核基因轉(zhuǎn)錄需要基本研究最多。下表列出對真核基因轉(zhuǎn)錄需要基本的的TF。轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子分子量分子量(kD)功能功能TBP30與與TATA盒結合盒結合TF-B33介導介導RNA聚合酶聚合酶的結合的結合TF-F30,74解旋酶解旋酶TF-E34,37ATP酶酶TF-H62,89解旋酶解旋酶TF-A12,19,35穩(wěn)定穩(wěn)定TF-D的結合的結合TF-I120促進促進TF-D的結合的結合表 RNA聚合酶的基本轉(zhuǎn)錄因子反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factors）51真核生物中，如果翻譯過程被抑制，則已經(jīng)轉(zhuǎn)錄的真核生物中，如果翻譯過程被抑制，則已經(jīng)轉(zhuǎn)錄的mRNAmRNA也不能翻譯成多也不能翻譯成多肽，被迫以失活的狀態(tài)貯存起來。例如，植物的種子可以貯存很多年，一旦肽，被迫以失活的狀態(tài)貯存起來。例如，植物的種子可以貯存很多年，一旦條件合適，即可發(fā)芽。條件合適，即可發(fā)芽。 機制：機制：（1 1）mRNAmRNA尾短尾短