安徽醫(yī)大課程生物化學(xué)基因表達調(diào)控

1、1會計學(xué)安徽醫(yī)大課程生物化學(xué)基因表達調(diào)控安徽醫(yī)大課程生物化學(xué)基因表達調(diào)控Basic Conceptions and Principle一、基因表達的概念一、基因表達的概念* * 基因組基因組(genome)(genome)一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。息或整套基因。它也是指含有一個生物體生存、它也是指含有一個生物體生存、發(fā)育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息發(fā)育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸的整套核酸。 是指儲存遺傳信息是指儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。個過程。典型的

2、基因表達是典型的基因表達是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。質(zhì)的過程。基因表達基因表達(gene expression)(gene expression)基因表達是受調(diào)控的基因表達是受調(diào)控的 不是所有的基因表達都產(chǎn)生蛋白質(zhì)，不是所有的基因表達都產(chǎn)生蛋白質(zhì)，rRNArRNA或或tRNAtRNA的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工產(chǎn)生的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工產(chǎn)生成熟的成熟的rRNArRNA或或tRNA,tRNA,也是也是rRNArRNA或或tRNAtRNA的基因的基因表達，因為表達，因為rRNArRNA或或tRNAtRNA就具有在蛋白質(zhì)翻譯就具有在蛋白質(zhì)

3、翻譯方面的功能。方面的功能。 但是但是基因表達轉(zhuǎn)錄翻譯基因表達轉(zhuǎn)錄翻譯 大腸桿菌基因組（約大腸桿菌基因組（約40004000個基因個基因) )，一般情況，一般情況下只有下只有5 510%10%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達，或者暫時不表達。較低水平的表達，或者暫時不表達。 人的基因組約含有人的基因組約含有1010萬個基因，但在一個組織萬個基因，但在一個組織細胞中通常只有一部分基因表達，多數(shù)基因處在沉靜細胞中通常只有一部分基因表達，多數(shù)基因處在沉靜狀態(tài)，典型的哺乳類細胞中開放轉(zhuǎn)錄的基因約在狀態(tài)，典型的哺乳類細胞中開放轉(zhuǎn)錄的基因約在1 1萬萬個上

4、下，即使蛋白質(zhì)合成量比較多、基因開放比例較個上下，即使蛋白質(zhì)合成量比較多、基因開放比例較高的肝細胞，一般也只有不超過高的肝細胞，一般也只有不超過20%20%的基因處于表達的基因處于表達狀態(tài)。狀態(tài)。 生物基因組的遺傳信息生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來的并不是同時全部都表達出來的二、基因表達的時間性及空間性二、基因表達的時間性及空間性（一）時間特異性（一）時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間時間特異性特異性(temporal specificity)(tempor

5、al specificity)。 多細胞生物基因表達的時間特異性又稱多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階階段特異性段特異性(stage specificity)(stage specificity)。（二）空間特異性（二）空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性細胞或組織特異性(cell (cell or tissue specificity)or tissue specificity)。在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物

6、在個體在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性空間特異性(spatial specificity)(spatial specificity)。三、基因表達的方式三、基因表達的方式按對刺激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為：按對刺激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為：（一）組成性表達（一）組成性表達某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為續(xù)表達，通常被稱為管家基因管家基因(housekeeping (housekeeping gene)gene)。管家基因管家基因無論表達水

7、平高低，管家基因無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境較少受環(huán)境因素影響因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基組成性基因表達因表達(constitutive gene expression)(constitutive gene expression)?；镜幕虮磉_只受到啟動序列或者啟動基本的基因表達只受到啟動序列或者啟動子與子與RNARNA聚合酶相互作用的影響聚合酶相互作用的影響 組成性基因表達也是相對的，而不

8、是一成不組成性基因表達也是相對的，而不是一成不變的，其表達強弱也是受一定機制調(diào)控的。變的，其表達強弱也是受一定機制調(diào)控的。 （二）誘導(dǎo)和阻遏表達（二）誘導(dǎo)和阻遏表達適應(yīng)性表達適應(yīng)性表達(adaptive expression)(adaptive expression)指環(huán)境指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。 改變基因表達的情況以適應(yīng)環(huán)境，例如與改變基因表達的情況以適應(yīng)環(huán)境，例如與適宜溫度下生活相比較，在冷或熱環(huán)境下適應(yīng)生適宜溫度下生活相比較，在冷或熱環(huán)境下適應(yīng)生活的動物，其肝臟合成的蛋白質(zhì)圖譜就有明顯的活的動物，其肝臟合成的蛋白質(zhì)圖譜就有明

9、顯的不同；長期攝取不同的食物，體內(nèi)合成代謝酶類不同；長期攝取不同的食物，體內(nèi)合成代謝酶類的情況也會有所不同。所以，基因表達調(diào)控是生的情況也會有所不同。所以，基因表達調(diào)控是生物適應(yīng)環(huán)境生存的必需。物適應(yīng)環(huán)境生存的必需。 是指在特定環(huán)境因素刺激下，可誘導(dǎo)基因被是指在特定環(huán)境因素刺激下，可誘導(dǎo)基因被激活，從而使基因的表達產(chǎn)物增加。激活，從而使基因的表達產(chǎn)物增加。 如如:DNA:DNA發(fā)生損傷時，修復(fù)酶的誘導(dǎo)激活。發(fā)生損傷時，修復(fù)酶的誘導(dǎo)激活。 誘導(dǎo)表達（誘導(dǎo)表達（inductioninduction） 在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這

10、種基因稱為，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因可誘導(dǎo)基因。如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是基因是可阻遏基因可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物水平降低的過程稱為可阻遏基因表達產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏阻遏。阻遏阻遏(repression)(repression)如：如：周圍有充足的葡萄糖，細菌就可以利用葡周圍有充足的葡萄糖，細菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖類的酶類，如乳糖操縱子被阻遏、關(guān)閉糖類的酶類，如乳糖操縱子被阻遏、關(guān)閉在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基在一定機制控制下，功能上

11、相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，即為共同表達，即為協(xié)調(diào)表達協(xié)調(diào)表達(coordinate (coordinate expression)expression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinate regulation)(coordinate regulation)。四、基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義四、基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個體發(fā)育與分化（二）維持個體發(fā)育與分化基因基因激活激活轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄后加工mRNAmRNA降

12、解降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾翻譯后加工修飾轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始（一）基因表達的多級調(diào)控（一）基因表達的多級調(diào)控五、基因表達調(diào)控的基本原理五、基因表達調(diào)控的基本原理轉(zhuǎn)錄水平的基因表達調(diào)控最重要轉(zhuǎn)錄水平的基因表達調(diào)控最重要 （二）基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素（二）基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素基因表達的調(diào)節(jié)與基因表達的調(diào)節(jié)與基因基因的結(jié)構(gòu)、性的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個體或細胞所處的內(nèi)、外質(zhì)，生物個體或細胞所處的內(nèi)、外環(huán)境環(huán)境，以及細胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄，以及細胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白有有關(guān)。關(guān)。1. 1. 特異特異DNADNA序列和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)序列和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)原核生物原核生物 蛋

13、白質(zhì)因子蛋白質(zhì)因子 操縱子操縱子(operon)(operon) 機制機制特異特異DNADNA序列序列 編碼序列編碼序列 啟動序列啟動序列 操縱序列操縱序列 其他調(diào)節(jié)序列其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(promoter)(operator)(operator)是是RNARNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異的特異DNADNA序列。序列。1) 1) 啟動序列啟動序列RNA轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)區(qū)-10區(qū)區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAA

14、AAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列共有序列共有序列(consensus sequence)(consensus sequence) 決定啟決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。某些特異因子（蛋白質(zhì)）某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定決定RNARNA聚合酶聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力。能力。阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)(repressor)的結(jié)合位點的結(jié)合位點當(dāng)操縱序列結(jié)合有當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白阻遏蛋白時，會阻礙時，會阻礙RNARNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，

15、或是聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNARNA聚合酶聚合酶不能沿不能沿DNADNA向前移動向前移動 ，阻礙轉(zhuǎn)錄。，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動序列啟動序列編碼序列編碼序列操縱序列操縱序列polpol阻遏蛋白阻遏蛋白2 2 操縱序列操縱序列 3 3) ) 其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如例如激活蛋白激活蛋白(activator)(activator)可結(jié)合啟動序列鄰可結(jié)合啟動序列鄰近的近的DNADNA序列，促進序列，促進RNARNA聚合酶與啟動序列的聚合酶與啟動序列的結(jié)合，增強結(jié)合，增強RNARNA聚合酶活性。聚合酶活性。啟動序列啟動序列編碼序列編碼序列操縱序列操縱序列polpol激活蛋白激活蛋

16、白有些基因在沒有激活蛋白存在時有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNARNA聚聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列。合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列。啟動序列啟動序列編碼序列編碼序列操縱序列操縱序列polpol激活蛋白激活蛋白真核生物真核生物1 1) ) 順式作用元件順式作用元件(cis-acting element)(cis-acting element)可影響自身基因表達活性的可影響自身基因表達活性的DNADNA序列序列B BA ADNADNA編碼序列編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點 順式作用元件并非都位于轉(zhuǎn)錄起始點的上游順式作用元件并非都位于轉(zhuǎn)錄起始點的上游(5(5端端) ) 啟動子啟動子 增強子增強

17、子 沉默子沉默子順式作用元件通常是基因的非編碼序列。順式作用元件通常是基因的非編碼序列。不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列一些共有序列 ，如，如TATATATA盒、盒、CAATCAAT盒等，這盒等，這些共有序列是些共有序列是RNARNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。結(jié)合位點。2 2) ) 真核基因的調(diào)節(jié)蛋白真核基因的調(diào)節(jié)蛋白由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達。調(diào)節(jié)其表達。 反式作用因子反式作用因

18、子(trans-acting (trans-acting factor)factor) 這種調(diào)節(jié)作用稱為這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用反式作用。 aDNA反式調(diào)節(jié)反式調(diào)節(jié)BA mRNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)AAcDNAC順式調(diào)節(jié)順式調(diào)節(jié) mRNA C蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)C還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達，稱，稱順式作用順式作用。指的是反式作用因子與順式作用元件之指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結(jié)合。通常是間的特異識別及結(jié)合。通常是非共價非共價結(jié)合，結(jié)合，被識別的被識別的DNADNA結(jié)合位點通常呈對稱

19、、或不完全結(jié)合位點通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)。對稱結(jié)構(gòu)。2. DNA - 2. DNA - 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)- -蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的相互作用的相互作用絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合DNADNA前，需通過蛋前，需通過蛋白質(zhì)白質(zhì)- -蛋白質(zhì)相互作用，形成蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體二聚體(dimer)(dimer)或或多聚體多聚體(polymer)(polymer)。（。（同質(zhì)或異質(zhì)同質(zhì)或異質(zhì)）也有的是在結(jié)合也有的是在結(jié)合DNADNA前，需要蛋白質(zhì)與蛋白前，需要蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的解聚過程質(zhì)之間的解聚過程 真核生物中由于蛋白質(zhì)因真核生物中由于蛋白質(zhì)因子的濃度等的不同，會造成不子的

20、濃度等的不同，會造成不同細胞中同一基因表達程度的同細胞中同一基因表達程度的不同不同3. RNA3. RNA聚合酶聚合酶 原核啟動序列原核啟動序列/ /真核啟動子與真核啟動子與RNARNA聚合酶聚合酶活性活性 原核啟動序列原核啟動序列/ /真核啟動子的堿基序列影響真核啟動子的堿基序列影響RNARNA聚合酶與其的親和力，而親和力大小直接影聚合酶與其的親和力，而親和力大小直接影響轉(zhuǎn)錄啟動的頻率。所以啟動子有強弱只分。響轉(zhuǎn)錄啟動的頻率。所以啟動子有強弱只分。 另外，由于真核啟動子與另外，由于真核啟動子與RNA-polRNA-pol的結(jié)合需要的結(jié)合需要轉(zhuǎn)錄因子的參與，所以真核的轉(zhuǎn)錄因子的參與，所以真核的

21、RNA-polRNA-pol活性除與活性除與啟動子序列有關(guān)，和轉(zhuǎn)錄因子的存在與否有關(guān)啟動子序列有關(guān)，和轉(zhuǎn)錄因子的存在與否有關(guān) 調(diào)節(jié)蛋白與調(diào)節(jié)蛋白與RNARNA聚合酶活性聚合酶活性啟動序列決定基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率，一些特異調(diào)節(jié)啟動序列決定基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率，一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號（如誘導(dǎo)劑和阻遏劑等）刺蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號（如誘導(dǎo)劑和阻遏劑等）刺激下在細胞內(nèi)表達激下在細胞內(nèi)表達，然后通過然后通過DNA-DNA-蛋白質(zhì)、蛋白蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)質(zhì)- -蛋白質(zhì)相互作用影響蛋白質(zhì)相互作用影響RNARNA聚合酶活性，使基礎(chǔ)聚合酶活性，使基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率發(fā)生變化，從而引起表達的變化。轉(zhuǎn)錄頻率發(fā)生變化，從而引起表達的變化。熱

22、休克反應(yīng)熱休克反應(yīng)細菌的細菌的RNARNA聚合酶聚合酶 7070 （啟動常規(guī)基因表達）（啟動常規(guī)基因表達）被被 3232取代，從而啟動另一套基因的表達。取代，從而啟動另一套基因的表達。Regulation of Prokaryotic Gene Transcription調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點（一）（一）因子決定因子決定RNARNA聚合酶識別特異性聚合酶識別特異性 只有一種只有一種RNA-polRNA-pol，但是有很多種，但是有很多種因子因子（二）操縱子模型的普遍性（二）操縱子模型的普遍性（三）阻遏蛋白與阻遏機制的普遍

23、性（三）阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性 存在于原核生物中的一種主要的調(diào)控模存在于原核生物中的一種主要的調(diào)控模式是操縱子（式是操縱子（operonoperon）調(diào)控模式，該模式也見）調(diào)控模式，該模式也見于低等真核生物中。于低等真核生物中。 在原核生物中，若干結(jié)構(gòu)基因可串聯(lián)在在原核生物中，若干結(jié)構(gòu)基因可串聯(lián)在一起，其表達受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，這種一起，其表達受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子（基因的組織形式稱為操縱子（operonoperon） 操縱子操縱子n典型的操縱子可分為典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)控制區(qū)和信息區(qū)兩部分。兩部分。控制區(qū)由各種調(diào)控基因所組成，而信息區(qū)則由控制

24、區(qū)由各種調(diào)控基因所組成，而信息區(qū)則由若干結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起構(gòu)成。若干結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起構(gòu)成。 調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)基基因因（R Re eg gu ul la at to or ry y g ge en ne e）為為阻阻抑抑蛋蛋白白編編碼碼基基因因 控控制制區(qū)區(qū) 啟啟動動基基因因（P Pr ro om mo ot te er r）為為 c cA AM MP P 受受體體蛋蛋白白（C CR RP P）和和 R RN NA A 聚聚合合酶酶結(jié)結(jié)合合區(qū)區(qū)。 操操縱縱基基因因（0 0p pe er ra at te er r）為為阻阻抑抑蛋蛋白白結(jié)結(jié)合合位位點點。 信信息息區(qū)區(qū)由由一一個個或或數(shù)數(shù)個個結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)基基

25、因因串串聯(lián)聯(lián)在在一一起起組組成成。 操縱子的結(jié)構(gòu)操縱子的結(jié)構(gòu)可誘導(dǎo)和可阻遏的操縱子可誘導(dǎo)和可阻遏的操縱子類型類型 結(jié)合結(jié)合 O O 方式方式 O O 的開放方的開放方式式 結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)物功能物功能 可誘導(dǎo)可誘導(dǎo) i i 基因產(chǎn)物基因產(chǎn)物 由代謝底物由代謝底物開放通常開開放通常開放放 分解代謝分解代謝 可阻遏可阻遏 i i 基因產(chǎn)物加基因產(chǎn)物加上代謝終產(chǎn)物上代謝終產(chǎn)物 由代謝終產(chǎn)由代謝終產(chǎn)物關(guān)閉物關(guān)閉 合成代謝合成代謝 二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制（一）乳糖操縱子（一）乳糖操縱子(lac operon)(lac operon)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)CAPCAP結(jié)合位點

26、結(jié)合位點啟動序列啟動序列操縱序列操縱序列 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y： 透酶透酶A A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶：乙?；D(zhuǎn)移酶Z ZY YA AO OP PDNADNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時沒有乳糖存在時（二）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)（二）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)阻遏基因阻遏基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在時有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，無葡萄糖，cAMPcAMP濃度高時濃度高時有葡萄糖，有葡萄糖，cAMPcAMP濃度低時濃

27、度低時（三）（三）CAPCAP的正性調(diào)節(jié)的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP 阻遏基因轉(zhuǎn)錄翻譯阻遏蛋白阻遏基因轉(zhuǎn)錄翻譯阻遏蛋白R R，R R與操縱基與操縱基因結(jié)合，阻止結(jié)合在啟動子上的因結(jié)合，阻止結(jié)合在啟動子上的DDRPDDRP前移，結(jié)前移，結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因不被轉(zhuǎn)錄不被轉(zhuǎn)錄 1 1）無乳糖也無葡萄糖存在時：）無乳糖也無葡萄糖存在時：OO2 2）當(dāng)無乳糖，有葡萄糖時）當(dāng)無乳糖，有葡萄糖時：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操縱子由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操縱子關(guān)閉，另外，由于有葡萄糖，關(guān)閉，另外，由于有葡萄糖，cAMPcAMP含量低，含量低，CAPCAP的正性調(diào)節(jié)

28、不起作用的正性調(diào)節(jié)不起作用 總結(jié)：總結(jié)：所以：無乳糖時，無論有無葡萄糖，操縱子關(guān)閉所以：無乳糖時，無論有無葡萄糖，操縱子關(guān)閉 由于有葡萄糖，由于有葡萄糖，cAMPcAMP含量低，含量低，CAPCAP的正性的正性調(diào)節(jié)不起作用，抑制乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄，使細調(diào)節(jié)不起作用，抑制乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄，使細菌只能利用葡萄糖菌只能利用葡萄糖。 3 3）既有乳糖，又有葡萄糖時：）既有乳糖，又有葡萄糖時：O 乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白變構(gòu)，失去與操使阻遏蛋白變構(gòu)，失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落縱基因結(jié)合的能力而脫落 由于不含葡萄糖，由于不含葡萄糖，細胞內(nèi)細胞內(nèi)cAMPcAMP含量高，含量高，c

29、AMPcAMP與與CAPCAP結(jié)合成復(fù)合物，與結(jié)合成復(fù)合物，與DNADNA結(jié)合，并推動結(jié)合，并推動DDRPDDRP向向前移動，促進轉(zhuǎn)錄。前移動，促進轉(zhuǎn)錄。 4 4）有乳糖，無葡萄糖時：）有乳糖，無葡萄糖時：mRNARNA-polO 乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白變構(gòu)，失乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白變構(gòu)，失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落，結(jié)合在啟動子上去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落，結(jié)合在啟動子上的的DDRPDDRP向前移動，結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄翻譯，合成與乳向前移動，結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄翻譯，合成與乳糖代謝有關(guān)的酶類從而利用乳糖糖代謝有關(guān)的酶類從而利用乳糖所以：有乳糖時，只有沒有葡萄糖，操縱子才開放所以：有

30、乳糖時，只有沒有葡萄糖，操縱子才開放 有葡萄糖存在，操縱子關(guān)閉有葡萄糖存在，操縱子關(guān)閉（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAPCAP對該系統(tǒng)不能對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；發(fā)揮作用；如無如無CAPCAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/ /乳糖共同存在時，乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對葡萄糖對 lac lac 操縱子的阻遏作用稱操縱子的阻遏

31、作用稱分解分解代謝阻遏代謝阻遏(catabolic repression)(catabolic repression)。 三三、原核生物轉(zhuǎn)錄的終止調(diào)節(jié)原核生物轉(zhuǎn)錄的終止調(diào)節(jié)原核生物轉(zhuǎn)錄的終止：原核生物轉(zhuǎn)錄的終止：1 1）依賴于）依賴于RhoRho的轉(zhuǎn)錄終止的轉(zhuǎn)錄終止2 2）不依賴于）不依賴于RhoRho的轉(zhuǎn)錄終止的轉(zhuǎn)錄終止形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu) 原核生物轉(zhuǎn)錄過程中可以通過形成相應(yīng)的原核生物轉(zhuǎn)錄過程中可以通過形成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，而使得轉(zhuǎn)錄提前終止，達到調(diào)節(jié)的目的結(jié)構(gòu)，而使得轉(zhuǎn)錄提前終止，達到調(diào)節(jié)的目的，如，如衰減衰減。如果要制止終止的發(fā)生，可以形成。如果要制止終止的發(fā)生，可以形成抗終止?？菇K止。調(diào)

32、節(jié)的位點主要在翻譯的起始階段調(diào)節(jié)的位點主要在翻譯的起始階段1 1、蛋白質(zhì)分子的自我調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)分子的自我調(diào)節(jié)2 2、反義、反義RNARNA對翻譯的調(diào)節(jié)作用對翻譯的調(diào)節(jié)作用Regulation of Eukaryotic Gene Transcription一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動哺乳類動物基因組物基因組DNA DNA 約約 3 3 10 10 9 9 堿基對堿基對編碼基因編碼基因約約 有有 40000 40000 個，占總長的個，占總長的6 %6 %rDNArDNA等重復(fù)基因等重復(fù)基因約約 占占 5% 5% 10%10

33、%（二）單順反子（二）單順反子單順反子單順反子(monocistron)(monocistron) 即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNAmRNA分分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。（三）重復(fù)序列（三）重復(fù)序列（正向重復(fù)、反向重復(fù)）（正向重復(fù)、反向重復(fù)）單拷貝序列（一次或數(shù)次）單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（高度重復(fù)序列（10106 6 次）次）中度重復(fù)序列（中度重復(fù)序列（10103 3 10 104 4次）次）多拷貝序列多拷貝序列（四）基因不連續(xù)性（四）基因不連續(xù)性斷裂基因斷裂基因二、真核基因表達調(diào)控特點二、真核基因表達調(diào)控特點（一）（一）RN

34、ARNA聚合酶聚合酶 真核生物中存在真核生物中存在RNA polRNA pol、三種不三種不同的同的RNARNA聚合酶，分別負責(zé)轉(zhuǎn)錄不同的聚合酶，分別負責(zé)轉(zhuǎn)錄不同的RNARNA。 這些這些RNARNA聚合酶與相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子形成復(fù)聚合酶與相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子形成復(fù)合體，從而激活或抑制該酶的催化活性。合體，從而激活或抑制該酶的催化活性。（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化1. 1. 對核酸酶敏感對核酸酶敏感活化基因常有超活化基因常有超敏位點，位于調(diào)節(jié)蛋敏位點，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近。白結(jié)合位點附近。2. DNA2. DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化拓撲結(jié)構(gòu)變化天然雙鏈天然雙鏈DNADNA均以負性超螺旋構(gòu)

35、象存在；均以負性超螺旋構(gòu)象存在；基因活化后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋負超螺旋負超螺旋轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向3. DNA3. DNA堿基修飾變化堿基修飾變化真核真核DNADNA約有約有5%5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達程度呈反比。甲基化范圍與基因表達程度呈反比。CpGCpG島島甲基化常發(fā)生在某些基因的甲基化常發(fā)生在某些基因的5 5側(cè)側(cè)翼區(qū)的翼區(qū)的CpGCpG序列序列4. 4. 組蛋白變化組蛋白變化 富含富含LysLys組蛋白水平降低組蛋白水平降低 H2A, H2BH2A, H2B二聚體不穩(wěn)定性增加二聚體不穩(wěn)定性增加 組蛋白修飾組蛋白修飾 H3H3組蛋白巰基暴

36、露組蛋白巰基暴露（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo) 真核基因基因組大，通過利用各種轉(zhuǎn)錄因子真核基因基因組大，通過利用各種轉(zhuǎn)錄因子正性激活正性激活RNARNA聚合酶是真核基因調(diào)控的主要機制。聚合酶是真核基因調(diào)控的主要機制。 更精確，更經(jīng)濟更精確，更經(jīng)濟 轉(zhuǎn)錄與翻譯過程分別存在于不同的亞細胞部轉(zhuǎn)錄與翻譯過程分別存在于不同的亞細胞部位，可分別進行調(diào)控。位，可分別進行調(diào)控。三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)（一）順式作用元件（一）順式作用元件1. 1. 啟動子啟動子真核基因啟動子是真核基因啟

37、動子是RNARNA聚合酶結(jié)合聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個包括一個轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的以及一個以上的功能組件功能組件。TATATATA盒盒GCGC盒盒CAATCAAT盒盒TATATATA盒盒 轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子TF-DTF-D結(jié)合位點結(jié)合位點典型的啟動子：典型的啟動子：CAATCAAT盒和（或）盒和（或）GCGC盒盒 TATATATA盒盒 轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點最簡單的啟動子：最簡單的啟動子：TATATATA盒盒 轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點但是，不是所有的啟動子都有但是，不是所有的啟動子都有TATATATA盒盒2. 2. 增強子增強子(e

38、nhancer)(enhancer)指遠離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的時間、空指遠離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的間特異性、增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNADNA序列，序列，其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關(guān)。其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關(guān)。在轉(zhuǎn)錄起始點在轉(zhuǎn)錄起始點5 5或或3 3側(cè)均能起作用；側(cè)均能起作用；相對于啟動子的任一指向均能起作用；相對于啟動子的任一指向均能起作用；發(fā)揮作用與受控基因的遠近距離相對無關(guān)；發(fā)揮作用與受控基因的遠近距離相對無關(guān)；對異源性啟動子也能發(fā)揮作用；對異源性啟動子也能發(fā)揮作用；通常具有一些短的重復(fù)順序。通常具有一些短的重復(fù)順序。 特點特點3

39、. 3. 沉默子沉默子(silencer)(silencer)某些基因的負性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特某些基因的負性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。n同一同一DNADNA序列可被不同蛋白質(zhì)識別序列可被不同蛋白質(zhì)識別n同一蛋白質(zhì)因子可與多種不同同一蛋白質(zhì)因子可與多種不同DNADNA序列發(fā)生聯(lián)系，少數(shù)序列發(fā)生聯(lián)系，少數(shù)是直接結(jié)合，多數(shù)是蛋白質(zhì)是直接結(jié)合，多數(shù)是蛋白質(zhì)- -蛋白質(zhì)相互作用后再影響蛋白質(zhì)相互作用后再影響DNADNA。n蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)- -蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)或DNA-DNA-蛋白質(zhì)的結(jié)合，均導(dǎo)致構(gòu)象上的蛋白質(zhì)的結(jié)合，均導(dǎo)致構(gòu)象上的微細變化，

40、構(gòu)象變化常是實現(xiàn)調(diào)控功能的分子基礎(chǔ)。微細變化，構(gòu)象變化常是實現(xiàn)調(diào)控功能的分子基礎(chǔ)。n反式作用因子在自身生物合成過程中，有相當(dāng)大的可反式作用因子在自身生物合成過程中，有相當(dāng)大的可變性和可塑性。變性和可塑性。（二）反式作用因子（二）反式作用因子 1. 1. 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）基本轉(zhuǎn)錄因子基本轉(zhuǎn)錄因子(general transcription factors)(general transcription factors)是是RNARNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種白因子，決定三種RNA(mRNARNA(mRN

41、A、tRNAtRNA及及rRNA)rRNA)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄的類別。錄的類別。個別因子，如個別因子，如TFDTFD為通用的，大部分轉(zhuǎn)為通用的，大部分轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子為不同錄調(diào)節(jié)因子為不同RNARNA聚合酶特有，決定轉(zhuǎn)錄聚合酶特有，決定轉(zhuǎn)錄的類別的類別 特異轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子(special transcription factors)(special transcription factors)能夠選擇性調(diào)控某種或某些基因轉(zhuǎn)錄表能夠選擇性調(diào)控某種或某些基因轉(zhuǎn)錄表達的蛋白質(zhì)因子稱為特異性轉(zhuǎn)錄因子達的蛋白質(zhì)因子稱為特異性轉(zhuǎn)錄因子. .為個別為個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時間、空間基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因

42、的時間、空間特異性表達。特異性表達。轉(zhuǎn)錄激活因子（轉(zhuǎn)錄激活因子（如增強子的結(jié)合蛋白如增強子的結(jié)合蛋白) )轉(zhuǎn)錄抑制因子轉(zhuǎn)錄抑制因子( (如沉默子的結(jié)合蛋白，或是如沉默子的結(jié)合蛋白，或是與其他因子結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)）與其他因子結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)）2. 2. 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNADNA結(jié)合域結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域轉(zhuǎn)錄激活域TFTF蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)- -蛋白質(zhì)結(jié)合域蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）（二聚化結(jié)構(gòu)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最常見的最常見的DNADNA結(jié)合域結(jié)合域 1. 1. 鋅指鋅指(zinc finger)(zinc fin

43、ger)C CysH His常結(jié)合常結(jié)合GCGC盒盒一個單位以指部伸入一個單位以指部伸入DNADNA雙雙螺旋的深溝，接觸螺旋的深溝，接觸5 5 個核苷個核苷酸。酸。ZnCysHis 2. 2. -螺旋螺旋常結(jié)合常結(jié)合CAATCAAT盒盒 3. 3. 亮氨酸拉鏈亮氨酸拉鏈（三）（三）mRNA mRNA 轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)節(jié)polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核真核RNARNA聚合酶聚合酶在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成的在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物TATA DNATBPTBP相關(guān)因子相關(guān)因子真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是復(fù)雜的、多樣的復(fù)雜的、多樣的* *不同的不同的DNADNA元件組合可產(chǎn)生多種類型的轉(zhuǎn)錄