分子生物學8第八章 基因表達調控課件

1、 第8章 基因表達的調控(Controlling of the Gene Expression)第一節(jié) 基因表達調控的概述（空間密碼）第二節(jié) 乳糖操縱元（Lac Operon）第三節(jié) Trp Operon及弱化作用機理第四節(jié) 基因轉錄的時序調控第五節(jié) Prok.翻譯水平的調控第六節(jié) DNA序列重排對基因轉錄的調控第七節(jié) Euk.基因表達調控的特異性第一節(jié) 基因表達調控的概述基因表達調控(gene regulation or gene control):任何影響基因轉錄過程和翻譯過程的開啟、關閉和這兩個過程速率的較為直接的因素及其作用涉及：RNA轉錄的開/關，數(shù)量，選擇性加工 蛋白質翻譯速率，數(shù)

2、量，加工與 降解和分泌原核生物對環(huán)境的適應，相關的應答真核生物的細胞分化, 組織特化 , 個體發(fā)育 以及環(huán)境對個體表型的影響都是基因表達的結果 Prok.和Euk.的調控極其相似 調控機制：核酸分子間的互作 核酸與蛋白質分子間的互作 蛋白分子間的互作 調控層次：轉錄水平上的調控 mRNA加工成熟水平上的調控 翻譯水平上的調控 翻譯后水平的調控 共同的起源與共同的分子基礎 內(nèi)在信息 內(nèi), 外(信號分子) 結合信息 ORF only Helix , Nt seq. 遺傳信息存在于模版鏈 三維空間結構/ DNA序列 的一級結構上 (IR, Box, paracodon) 三聯(lián)體密碼 空間，調控密碼(

3、鑰匙與鎖) 簡并 簡并搖擺同工受體 cis 1 trans 2 cis 2trans 1 cis 1trans 3 cis 3I 類 II類 表達 specifical binding aa baseDNA RNA protein 遺傳信息表達的方式（Euk.） 組成型表達（constitutive expression）Housekeeping gene 誘導型表達 （inducible expression by signaling molecular）Luxury gene 順、反因子間互作方式的基因表達調控 正調控系統(tǒng): 沒有調節(jié)蛋白存在時，結構基因是關閉 的，而加入有活性的調節(jié)蛋白后

4、,結構基 因的表達活性被開啟 無輔基誘導物或激活物 負控制系統(tǒng): 沒有調節(jié)蛋白存在時，結構基因是開啟的， 加入這種有活性的調節(jié)蛋白后，結構基因表 達活性被關閉阻遏蛋白 所謂“關閉”指表達水平很低 本底水平的基因表達(12個mRNA分子細胞周期)“開啟”也常有程度的差異無論是正調控還是負控制，都可以通過調節(jié)蛋白質與小分子物質（誘導物或輔阻遏物）的相互作用而達到誘導狀態(tài)或阻遏狀態(tài)。 二、基因表達調控的分子機制1、調控蛋白質的對稱性與其識別序列的對稱性 調控蛋白大多都是同種分子的多聚體二聚體、四聚體 二倍旋轉對稱通過單體和多聚體間的平衡迅速開啟和關閉基因活性 同種二聚體要求識別序列為某種重復序列，提

5、高調控作用的特異性in major groove 特異和非特異結合力 3個helix,H1與H2平行 H2與H3形成HTH motif H3位于大溝中，與DNA特異結合 鋅指結構 概念:與DNA結合的蛋白質中一小組保守AA與一個Zn2+結 合起來形成蛋白質中一個相對獨立的結構域按結合的AA不同有兩種類型a、Cys-His(C2/H2)鋅指 經(jīng)典的鋅指蛋白中部芳香族氨基酸保守，加上Zn和Cys和His之間的配位結構形成疏水核經(jīng)典的鋅指蛋白、類固醇受體（激素）不同鋅指蛋白中鋅指數(shù)目多少不等鋅指可以串聯(lián)重復排列，兩指間7-8aa TFA 有9個鋅指、通用轉錄因子SP1有3個經(jīng)典鋅指的三維結構：一個發(fā)

6、卡和一個螺旋鋅指上的螺旋負責與DNA作用b、Cys-Cys(C2/C2)鋅指 Zn與4個Cys殘基形成配位鍵酵母的轉錄激活因子GAL4、哺乳類的固醇類激素受體為典型代表。糖皮質激素受體ZYJ272 3、調控蛋白與蛋白質結合的方式 （1） HLH 結構特點：長4050個AA殘基中含有兩個既親水又親 酯的螺旋,被不同長度的連接區(qū)隔開(環(huán)) 此類蛋白借助兩個螺旋對應面上疏水基團的相互作用形成 二聚體(同種或不同種亞基) 鑒定的較清楚的 蛋白質與蛋白質相互作用的結構基元有 螺旋-環(huán)-螺旋（HLH） Leu拉鏈HLH基元附近有個高度堿性的區(qū)段為結合DAN所必須bHLHMyoD-DNA（2）Leu拉鏈(L

7、eu zipper) 蛋白上含有4或5個精確的相距7個AA的Leu殘基 概念：調控蛋白上富含亮氨酸殘基的結構域參與形成二聚體Leu出現(xiàn)在-螺旋疏水的一側，并直線排列于是，兩個蛋白分子的兩個螺旋之間依賴Leu殘基之間的疏水作用形成一條拉鏈 GCN4（單體酵母轉錄激活因子）Leu拉鏈區(qū)的氨基端約30個殘基的堿性區(qū)與DNA結合兩個Leu拉鏈作用形成Y型結構，拉鏈為莖、堿性區(qū)分叉對稱成臂拉鏈蛋白的目標DNA為沒有間隔的反向重復第二節(jié) 乳糖操縱元 操縱元(Operon):基因表達調控的一個完整單元,包括結 構基因和控制區(qū)(O、P)以及調節(jié)基因(I) 的整個核苷酸序列 操縱元中各結構基因按一定比例協(xié)調翻譯

8、 聚有極性突變效應： 操縱元中一個近基因的無義突變能夠影響遠基因表， 且根據(jù)距離遠近呈極性梯度效應 P、O緊密連鎖或彼此重疊，I基因位點不固定 順式作用元件、反式作用因子一、 乳糖操縱元Jacob & Monod（法國）1、結構:2、 調節(jié)基因 I產(chǎn)物為阻遏蛋白,四聚體為活性形式轉錄方式為組成型轉錄LacI的表達效率很低,原因其啟動子與RNApol的親和性很低阻遏蛋白有兩個結合位點: 操作子位點、 誘導物位點二、 Lac Operon的負調控1、 細胞內(nèi)無誘導物時,呈阻遏狀態(tài)阻遏蛋白和操作子的結合,影響了RNApol在-10序列上 形成開放型的啟動子復合物2、 細胞內(nèi)有誘導物時, 呈誘導狀態(tài)誘

9、導物與阻遏蛋白迅速結合而改變其構象從O上解離RNApol3、 誘導物 別乳糖(allolactose)透性酶使乳糖進入細胞后，由-半乳糖苷酶催化產(chǎn)生 -半乳糖苷酶來源于乳糖操縱元的本底組成型合成RNApol利用LacO處于游離狀態(tài)的瞬間進行轉錄(阻遏蛋白與LacO有10min20min的結合半衰期) 一個mRNA細胞周期 安慰誘導物（義務誘導物） 可誘導半乳糖苷酶產(chǎn)生但不是其底物* IPTG，異丙基-D硫代半乳糖苷* TMG ，巰甲基半乳糖苷* ONPG，O-硝基半乳糖苷4、阻遏蛋白與操作子的相互作用 阻遏蛋白與操作子是否發(fā)生相互作用？ 阻遏蛋白四聚體結合與膜上，可以與野生型DNA片段形 成復

10、合物。并可被IPTG抑制。 而用lacOc 突變體的DNA片段，則不能與阻遏蛋白結合硝酸纖維素膜可以和蛋白質結合而不與結合IR序列以+11為對稱軸兩邊為兩段各6bp的重復序列11+5到+17之間大部分在左側521操作子與阻遏蛋白的結合位點被保護免于甲基化與阻遏蛋白緊密相連甲基化被加強的堿基組成型突變堿基阻遏蛋白上與操作子結合的位點LacO360160長頭片段抗胰蛋白酶核心51短頭片段阻遏蛋白與操作子的解離誘導物進入細胞后的可能作用方式 1.直接作用 與操作子上的阻遏蛋白結合 2.間接作用 與細胞中自由四聚體結合實驗結果： 1.阻遏蛋白四聚體操作子復合物半衰期數(shù)十分鐘， 而誘導作用快得多 2.阻

11、遏蛋白IPTG復合物可以與操作子結合 3.體內(nèi)不存在游離的阻遏蛋白四聚體因此，直接作用是正確的解離過程 無誘導物存在時，細胞內(nèi)一個阻遏蛋白四聚體結合在操作子上，其余全部隨機結合在其他DNA序列上。 加入誘導物后，阻遏蛋白因變構效應使之與lacO的親和力下降1000倍，但與非特異性序列親和力不變。 阻遏蛋白四聚體與操作子的結合常數(shù)是隨機序列的4*106倍。 操作子結合阻遏蛋白的長度26bp，因此大腸桿菌中有4.2*106/26=1.6*105個非特異性結合位點。因此，在無誘導物時，阻遏蛋白四聚體結合操作子的幾率僅是結合非特異序列幾率的25倍（ 4*106/1.6*105 25）三、 Lac Op

12、eron的正調控CAP-cAMP復合物cAMPcAMPCAP蛋白Low glucose = high cAMP總結lac operon transcription-control region正控制：CAP protein負控制：repressor第三節(jié) Trp Operon及 弱化作用機理一、結構 結構基因 末端-終止子trpt(依賴)、trpt(不依賴)鄰氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶Trp合成酶 相距很遠的trpR編碼阻遏蛋白 其活性形式為四聚體,并且只有結合trp時才有活性 控制區(qū)域 P、O和前導區(qū)及弱化子 trpO與tepE之間的162bp的前導區(qū)可轉錄到mRNA中 trpO的結

13、構* 位于trpP內(nèi)，20bp,有完美的IR序列* trpP有正常的35和10區(qū)，10區(qū)完全在trpO內(nèi)二、阻遏調控機制無trp時有trp時無活性二、弱化作用控制-基因轉錄的翻譯調控通過核糖體對前導區(qū)的翻譯而對轉錄進行調控弱化子（attenuator):Trp Operon中trpE前的一段 非結構基因的對應序列（123150）， 其中 包括不依賴因子的終止子，由于翻譯的作用使 轉錄終止，這段序列稱為(衰減子)發(fā)現(xiàn)缺失增加結構基因的表達，且與阻遏蛋白無關弱化子調控的表現(xiàn)：（與阻遏蛋白的負調控結果類似）* 無trp時，所有RNApol都能通過弱化子* 有trp時，部分逃過阻遏蛋白監(jiān)督的RNApo

14、l在弱化子 處大部分被扣留，而只有10能通過1、Trp Operon mRNA的前導序列結構 下游-14aa的前導肽的ORF，其中兩個相連的trp的 codonUGG 對弱化作用的實現(xiàn)起重要作用 下游長28bp的不依賴因子的終止子為弱化子的核心部分 前面有核糖體結合位點（SD序列）2、前導序列的二級結構 決定RNApol在弱化子處是終止轉錄還是繼續(xù)轉錄1和2、3和4配對 序列1和2、3和4配對時，RNApol在3、4區(qū)的不依賴因 子的終止子處終止,其后的trpE等基因表達受到限制。 2和3配對 序列2和3配對時，RNApol繼 續(xù)轉錄，使前導序列后的結構 基因得以轉錄3、弱化子弱化控制的機制

15、Prok.無核膜，轉錄和翻譯偶聯(lián) （1）細胞缺少trp，Trp-tRNATrp水 平低，核糖體停頓在兩個鄰 近的Trp密碼子處，此時核 糖體占據(jù)序列1，此時序列4 還沒轉錄出來，序列2和3有 機會配對，RNApol可通過弱化子。(3) 此外,Arg饑餓時有相同的后果(2) 當細胞有Trp時,Trp-tRNATrp水平很高,核糖體順利地翻 譯出前導肽而在終止密碼子處(+70,UGA位于序列1和2之 間)解離,此時,核糖體占據(jù)了序列1和部分序列2,使序列2不 能有效地和序列3配對,因而序列3和4產(chǎn)生終止子發(fā)夾結 構,轉錄終止。 實現(xiàn)弱化子對轉錄的調控關鍵是時間和空間上的巧妙安排空間上：兩個Trp的

16、codon位置至關重要時間上：核糖體停頓在兩個Trp codon上時，序列4還沒 轉錄出來，否則這種巧妙安排的一個原因就是RNApol在轉錄完+90序列處時產(chǎn)生一次延宕給與核糖體以追趕的機會5、Prok.中弱化子（衰減子）的普遍性許多負責氨基酸合成的operon都受弱化子的控制，尤其是His operon中，弱化子是唯一的調控機制 第四節(jié) 基因轉錄的時序調控時序調控: Prok.在生長發(fā)育的各個階段，基因的表達是按照 一定的時間順序而展開的如:噬菌體的復制和顆粒的包裝* 有效利用能源避免浪費* 避免了某些基因表達時機不當所帶來的危害是多種蛋白質與RNApol作用的結果一、枯草桿菌嗜菌體中亞基的

17、替換1、枯草桿菌中phageSPO1早、中、晚期基因表達的轉換早期基因-寄主的RNApol全酶55早期基因28編碼的gp28取代55含有gp28的全酶轉錄中期基因中期基因33、34編碼的gp33、gp34取代gp28以gp33gp34為亞基的全酶轉錄晚期基因2、枯草桿菌芽孢形成過程中亞基的替換二、大腸桿菌熱震驚基因的表達大腸桿菌生長在較高的溫度下（42-50度），某些基因則迅速的表達，這種現(xiàn)象稱為熱震驚反應。在熱震驚反應中大量表達的基因稱為熱震驚基因為什么高溫條件下熱震驚基因會迅速表達？正長情況下大腸桿菌只有一種亞基(70)，是不能識別熱震驚基因的啟動子的。大腸桿菌中有一個rpoH基因，編碼一

18、個32KD的蛋白質。這個基因在應急反應中表達，作為一個亞基識別熱震驚基因的啟動子-35序列前有TNNCNCNC，-10序列前有CCCC三、T4噬菌體生長中RNA聚合酶亞基的修飾和亞基的替換T4為烈性噬菌體，進入寄主后，利用寄主的RNA聚合酶轉錄第一批早期基因ADP核糖基轉移酶(ADPRT) ADPRT與DNA一起進入寄主細胞，ADPRT將ADP核糖基連接到寄主RNA聚合酶亞基的精氨酸胍基上。修飾后的聚合酶與Mot的結合能力提高.Mot替換亞基，識別第二批早期基因。第一批早期Mot第二批早期寄主ADP核糖基四、T7噬菌體用自身RNA聚合酶代替寄主的RNA聚合酶IIIIII0.30.712TET0

19、.3寄主限制酶抑制劑0.7蛋白激酶，使寄主RNA聚合酶磷酸化失活1T7RNA聚合酶2寄主RNA聚合酶抑制劑二、phage裂解性生長和溶源狀態(tài)的調控phage進入寄主體內(nèi)后可能進入兩種不同的周期 裂解周期-環(huán)形分子 大部分基因表達 溶源周期-以線性分 子形式整合到寄主的 染色體上,使大部分基 因不表達Phage的操縱元組織情況(一) phage裂解生長過程中的基因表達進入寄主cell的phage 的DNA上沒有任何調節(jié)蛋白，因此寄主的RNApol便結合于PL和PR1、抗終止蛋白PN和調節(jié)蛋白Cro首先被轉錄2、PN蛋白的作用導致PL和PR控制的遲早期基因的表達 表達產(chǎn)物C蛋白、C蛋白、O蛋白、P

20、蛋白、Q蛋白3、PQ蛋白的作用導致PR 控制的晚期基因的表達 表達產(chǎn)物頭尾蛋白、溶菌酶蛋白（二）溶源途徑 巧妙的調控，小區(qū)段表達，整合到寄主染色體上* 此外， C促進Pint啟動子轉錄，使int gene表達產(chǎn)生 整合酶1、溶源化的建立PE啟動子的轉錄* C、C蛋白共同確立PE處C的轉錄（左向） PE(Establisment Promoter)* C阻遏與裂解生長有關基因的轉錄，其中轉錄出的 CmRNA含有S-D序列，因此有很高的翻譯活性Pint啟動子N蛋白和Cro蛋白被轉錄N蛋白抗終止C、C蛋白被轉錄C作用于PE(PRE)轉錄C左向轉錄阻遏蛋白結合于OROLC導致自身從PRM處轉錄 C、C

21、蛋白是C合成的正調控因子，作用于PE 處，C是關鍵。 Cro蛋白間接抑制C、C的轉錄，直接阻止C的轉錄。2、溶源化的維持PM啟動子的轉錄 已產(chǎn)生的整合酶使整合并實現(xiàn)溶源化（attp、attB）。 溶源化的維持需要低水平的C轉錄，保持自身阻遏循 環(huán)，這個功能由PM完成。 C蛋白對PM正調控，但PM起始轉錄的C沒有S-D 序列，因此翻譯效率很低，但足以維持溶源狀態(tài)。 溶源狀態(tài)的維持通過C蛋白結合于OL、OR上而實現(xiàn)。溶源周期3、C、C蛋白對C和Cro的影響 C和Cro是phage的兩種調節(jié)蛋白， 其中Cro能關閉C的表達溶源化狀態(tài)的進入與否靠二者結合操作子的情況決定，數(shù)量是誰占上風的關鍵二者與操作

22、子的親和次序為C蛋白 OL1OL2OL3 OR1OR2OR3Cro蛋白 OL3OL2OL1 OR3OR2OR1結合的結果阻止PL和PR的轉錄C、C蛋白是C和Cro蛋白誰占上風的關鍵因為在C、C的幫助下C表達 而Cro蛋白遠早于C蛋白的表達OL1和OR1分別與PL和PR最靠近二者互相阻遏，二者的數(shù)量多少決定了寄主的命運OR3與PM接近 正常情況下，寄主的hfl基因產(chǎn)物大量存在導致Cro占上風 因為hfl編碼一種蛋白酶水解C Cro蛋白對左右兩個早期操作子親和力較弱，使兩 個操縱元初期表達一段時間才關閉 因此產(chǎn)生足夠的O、P蛋白（復制有關）和PQ，從而使菌 4、導致溶源化的因素 （1） 營養(yǎng)耗竭：

23、寄主能源瀕臨枯竭時，導致cAMP產(chǎn)生等 一系列生理變化 * cAMP對hfl基因負調控，使分解C蛋白的酶大大 減少， C又能抑制該酶，因而C、CC 體走向裂解（2） MOI值過高（10）：MOI指感染時噬菌體與 細菌的比例，稱感染復數(shù) * C蛋白其作用的形式是寡聚體形式，單體不穩(wěn) 定無活性 * 一兩個噬菌體感染寄主時，產(chǎn)生的C不足以形成 寡聚體 * MOI值過高時，足夠C寡聚體產(chǎn)生，確立從PE 轉錄C， CmRNA的高翻譯活性導致C數(shù)量 占上風， PE活躍轉錄的同時抑制了Cro基因的表達 * 由于C和操作子親和力較強，導致C、C不再 表達，但由于C對PM的正調控，產(chǎn)生能夠維持溶 源狀態(tài)數(shù)量的C

24、第五節(jié) 翻譯水平的調控 翻譯的調控主要發(fā)生在翻譯的起始階段，基因表達時翻譯 的效率主要取決于mRNA的一級結構和高級結構 因此，mRNA的翻譯起始區(qū)域往往是調控的靶位點 一、反義RNA的調控作用 反義RNA：又稱干擾 mRNA 的互補 RNA，簡稱 micRNA （mRNA-interfering complementary RNA） 指與靶 mRNA具有互補序列的調控RNA，通過互補 的RNA序列與特定靶 mRNA結合，起負調控作用屬于核酸與核酸的相互作用 作用機理 目前為止，只有原核生物發(fā)現(xiàn)了這種調控系統(tǒng)例如：1985 Hoopes等人發(fā)現(xiàn)的噬菌體 C抑制晚期基因的 轉錄就是通過micRN

25、A起作用Q基因有一個依賴于C的啟動子PaQ（抗Q），其轉錄方向與Q基因相反，即轉錄產(chǎn)物RNA與Q基因的5端的一半完全互補，從而抑制Q基因的翻譯，抑制晚期基因的表達 轉錄產(chǎn)生反義RNA的基因稱為反義基因 結合位點：mRNA的SD序列、起始密碼子、氨基酸N端的 部分密碼子結合反義RNA調節(jié)膜蛋白的合成E.Coli的外膜中有兩種膜蛋白：OmpC和OmpF。二者在外膜中的含量受滲透壓的調控。當滲透壓增高時， OmpCOmpF。滲透壓降低時，OmpCOmpF。細胞膜上有一個滲透壓感應器，EnvZ，當滲透壓增高時EnvZ可以激活OmpR（一種正調控蛋白）。OmpR可以激活ompC 和micF 兩個基因的轉

26、錄。二者緊密連鎖，反向轉錄。調控區(qū)位于兩個基因中間。micF 的轉錄產(chǎn)物即為OmpF的反義RNA二、mRNA本身的二級結構影響翻譯的進行E.Coli的RNA嗜菌體（如，MS2、R17、f2）都具有相似的基因組成。A、CP、Rep、LysA:附著蛋白；CP:衣殼蛋白；Rep:復制酶；Lys:裂解蛋白Lys與CP和Rep基因重疊ACPRepLys當嗜菌體的RNA進入E.coli后，分子內(nèi)形成許多堿基配對的二級結構。A基因和Rep基因的核糖體結合位點均處于二級結構中。只有CP基因可以為核糖體識別而合成衣殼蛋白。核糖體對CP基因的翻譯沖開了Rep基因核糖體結合位點的二級結構，核糖體才能與之結合翻譯出R

27、NA復制酶。嗜菌體的生命過程中CP蛋白的需要量要比RNA復制酶多很多。CP達到一定濃度時可以與Rep基因的核糖體集合位點結合，封閉了Rep基因的翻譯。RNA復制酶與寄主RNA結合形成RNA復制酶復合體。復合體組成后，以原有的嗜菌體RNA（正鏈）為模板復制出負鏈，在以負鏈為模板產(chǎn)生更多的正鏈。在正鏈剛開始復制時，與A基因核糖體結合位點互補的序列還沒有復制出來。這時候核糖體就結合上去進行翻譯。當結合了12個核糖體后，互補序列就復制出來了。核糖體就無法翻譯了。所以每產(chǎn)生一個正鏈，大約有12 個A蛋白產(chǎn)生。mRNA壽命對基因表達的調控決定mRNA壽命的許多因素都影響到基因的表達。這些因素主要有：1.核

28、糖體對mRNA具有保護作用2.mRNA分子的末端二級結構可以阻止外切酶的進攻。終止子形成的莖環(huán)結構使mRNA的穩(wěn)定性增加而RNAase可以識別某些mRNA特定的二級結構，從而達到調控目的。三、蛋白質合成的自體調控* 有些蛋白質能夠直接控制自身mRNA的可翻譯性 主要是一些核酸結合蛋白或者是與核酸分子相互作用 為其生理功能的蛋白質*即這些蛋白質的mRNA上可能也有其結合位點1、釋放因子RF2合成的自體調控 利用自身釋放肽鏈的職能提前終止其mRNA的翻譯* 當細胞內(nèi)RF2供應充足時，RF2促成核糖體在上述UGA處肽鏈 合成的終止* 若細胞缺乏RF2，則核糖體以未知機制向前滑動一個Nt， 發(fā)生移框，

29、繼續(xù)合成到最后一個密碼子 RF2蛋白質340個AA codons不處于同一閱讀框 5.GUU CUU AGG GGG UAU CUUU GAC UAC GAC.3NH2 Val Leu Arg Gly Tyr Leu Asp Tyr Asp COOH 20 21 22 23 24 25 26 27 282、核糖體蛋白合成的自體調控 * E.coli核糖體蛋白質的合成與rRNA（EF_Tu）合成嚴格協(xié)調 （數(shù)目） 通過控制翻譯的起點即控制核糖體與自身mRNA的結 合而對其自身蛋白質mRNA可翻譯性進行控制* 核糖體蛋白質與RNApol各亞基及延伸因子等混合編組在不 同的操縱元中 * 每個oper

30、on有一個核糖體蛋白質作為自身operon調節(jié)蛋白 * 每個操縱元的mRNA上具有與調節(jié)蛋白的結合位點 -靠近或包含SD序列* 操縱元 mRNA上與調節(jié)蛋白的結合位點與組裝核糖體時與蛋白質相結合的rRNA位點高度同源，具有相似的二級結構mRNA上與調節(jié)蛋白的結合位點23SrRNA上與該蛋白的結合位點L11/L1 opreon* 調節(jié)蛋白與 rRNA的結合力高于與自身 mRNA的結合力* 調控方式當細胞內(nèi)核糖體蛋白較少時，有游離的rRNA存在，調控蛋白優(yōu)先結合rRNA，此時調控蛋白控制的自身操縱元mRNA繼續(xù)翻譯相反情況，調控蛋白結合自身mRNA，此時調控蛋白控制的自身操縱元mRNA停止翻譯調控

31、實質：核酸的合成水平調節(jié)了蛋白質的合成翻譯水平調節(jié)四、嚴謹反應調控（stringent response control） 基本概念：原核生物在不良的營養(yǎng)條件下（AA饑餓）， 自動停止或降低（1020倍）rRNA、tRNA 轉錄，從而調節(jié)蛋白質合成速度的嚴謹現(xiàn)象 相關因子： 嚴謹因子： 焦磷酸轉移酶 由relA基因編碼 正常情況下很少表達 信號分子：魔斑（magic spot）: ppGpp 魔斑（magic spot）: pppGpp 之所以稱為魔斑-AA饑餓時，E.coli的薄層層析圖 譜上有兩種Nt與常見的Nt的遷移率不一樣 調控機制 空轉反應：AA饑餓時，無負載的tRNA進入核糖體的A

32、 位后，新肽鍵不能形成，但GTP不斷消耗 空轉反應導致信號分子的產(chǎn)生 ppGpp pppGpp ppGpp可與RNApol作用，使其不易變構.從而抑制tRNA、rRNA轉錄 放慢轉錄起始、延伸過程，放慢蛋白質合成過程，通過緊縮開支，渡過難關第六節(jié) DNA序列重排對基因轉錄的調控 Prok.中研究最多的是鼠傷寒沙門氏菌的鞭毛基因的相變 過程一、沙門氏菌的、相及基因分布 onoffrh1-ponoff二、H2rh1轉錄單元的表達機制 * H2rh1轉錄單元的表達受其上游一段 995bpDNA 序列排列方向控制 * 995bp 序列兩端各有一段 14bp 的 IR IRL 114 IRR 98299

33、5 * H2 基因的起始密碼子與 995bp 相隔 16bp，啟動子 位于 995bp 序列末端 * 995bp 序列中 hin 基因產(chǎn)物可催化 995bp 序列的倒位 Fla. Mov. H1 O HinH2rh1 (阻遏蛋白)IR L (1-14)IR R (982-995)PP Hin-P 轉座酶H2 鞭毛蛋白 H1 阻遏蛋白Fla-P H1 O HinH2rh1 (阻遏蛋白)IR L (1-14)IR R (982-995)PPH1 鞭毛蛋白相變機制三、相變的意義逃脫寄主抗體的進攻細菌侵染寄主時處于I相,產(chǎn)生H1鞭毛蛋白,寄主可以針對其制造抗體,而細菌利用相變產(chǎn)生一定的II相后代.又可

34、以在寄主體內(nèi)生存了.第七節(jié) Euk.基因表達調控一、 Prok.與Euk.基因表達上的遺傳差異 Repetitive gene Overlapping gene 非編碼區(qū) 大量 少量 Splitting gene 很少出現(xiàn) Post-transcription transcription & translation RNA processing 偶聯(lián)Eukaryote ProkaryoteDNA DNA + histon chromatin Naked DNA Enhancer & silencer 弱化子Attenuater Monocistron polycistron (operon)

35、m5C gene off 乙酰化磷酸化甲?；?糖基化轉錄因子trans factor活性形式Eukaryote Prokaryote Housekeeping gene(constitutive)Basic promoter + T.F. Luxury gene (inducible) 多種組合的Trans-Factor Positive control (mostly) 嚴謹性，?；?，復雜性(cAMP + CAP) site +35 + 10 單一類型保險性 Negative controlEukaryote Prokaryote基因表達上的主要異同以轉錄水平調控為主真核生物染色質的狀態(tài)

36、對基因表達的調控m5C與基因表達的相關轉錄后多種方式的加工調節(jié)(RNA加工運輸)Trans F + Cis F.Gene on /off相異：相似：個體發(fā)育的階段和不同組織調控不同 以positive control為主Positive control的必要性與優(yōu)越性a) 真核生物genome大，某一種cis-factor出現(xiàn)的機率高但隨機出現(xiàn)a set of (trans-F + cis-F.) 完全相同的機率小靈活性可與多個(種)trans-Factor結合嚴謹性b) 特異基因表達 細胞分化如果 1000/10000(10%) 基因表達 （9000基因關閉） Negative contro

37、l; 9000 repressor requiredPositive control; 停止合成 9000 特異tran-factor 即只合成1000特異expresser經(jīng)濟合理有效二、Euk.DNA水平的調控1、 基因拷貝數(shù)的改變a) 基因的丟失 （DNA fragment or chromosome lose）蛔蟲胚胎發(fā)育過程中有27%DNA的丟失 細胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除 這些基因的活性 某些低等Euk.：原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物 體細胞內(nèi)丟失整條或部分染色體 將來分化產(chǎn)生生殖細胞的細胞內(nèi)不發(fā)生基因的丟失 高等Euk.內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)b) 基因的擴增 (特定基因

38、在特定階段的選擇性擴增) 在沒有發(fā)生細胞分裂情況下，細胞內(nèi)某些特定基因的 拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象 細胞短期內(nèi)為滿足某種需要而產(chǎn)生足夠的基因產(chǎn)物的 一種調控手段 兩棲類和昆蟲卵母細胞rDNA的擴增 例：非洲爪蟾 體細胞rDNA約 500copies 卵母細胞 200萬copies（4000倍） chromatin 狀況與基因表達相關證據(jù)1：轉錄活化區(qū)/ 非轉錄活化區(qū)染色質的結構差異 活躍轉錄區(qū)對 Dnase敏感 核小體結構不完整沒有連接的H1常染色質gene on異染色質gene off2、 轉錄區(qū)染色質結構的變化對基因表達的控制量大， 進化保守， 與DNA 無專一性結合區(qū) H2A, H2B

39、, H3, H4 modified by乙?；?、磷酸化 表達非?；钴S的rDNA 轉錄區(qū)無nucleosome 結構 凡被Trans-factor 結合的區(qū)域 均能阻止nucleosome 形成降低組蛋白的正電荷組蛋白解聚核小體松弛 活躍轉錄區(qū)的組蛋白確實被乙?；?、磷酸化證據(jù)2；體外重建染色質改變轉錄效率Naked DNA DNA + H2A, H2B, H3, H4轉錄速度 轉錄速度轉錄速度 轉錄速度complete nucleosomeadd H1 3、 m5C對基因表達的調控a) m5C是真核生物 DNA中的主要修飾成分多發(fā)生在CpG序列中,不同細胞間m5C 相差甚大b) m5C對基因轉錄

40、抑制的表現(xiàn) m5C 在大溝內(nèi)影響DNA與T.F.間氫鍵的形成 大溝內(nèi)m5C 導致空間的擁擠,破壞構象的平衡 使B-DNA Z-DNA T.F.結合空間的改變 降低轉錄因子與DNA的結合4、Euk.的基因重排啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）接合型的決定 接合型 MATa MAT單倍體細胞或a或接合型互變需要HO基因編碼內(nèi)切酶1、單倍體接合型受 MATa MAT控制同宗不能接合，異宗能接合a a a 2、接合型互變的匣子模型a、單倍體細胞中同時存在 MATa和MAT的遺傳信息b、活躍匣子MATa或MAT 沉寂匣子HML、HMRa 在同一條染色體上c、接合型互變 HML、

41、HMRa能取代活 躍匣子而改變接合型 （不同型） 原HM位置仍保留一個拷 貝的沉寂匣子3、沉寂匣子的表達受阻遏蛋白亞基基因sir1、sir2、sir3、sir4的產(chǎn)物Sir蛋白的反式作用控制Sir(silent information regulator)結合在HML和HMR的啟動子上游,而MAT上無結合位點三、Euk.轉錄水平的調控 Euk.基因表達包括的5種不同的調節(jié)點: 基因結構的激活、起始轉錄、加工轉錄物、 運輸?shù)郊毎|、mRNA的翻譯 起始轉錄RNA聚合酶與啟動子相互作用決定若干Trans F + Cis F.的作用所決定 Euk.啟動子的定義：包括所有那些位于轉錄起始位點 附近的序

42、列，這些序列都是啟動 轉錄所必需的（實用角度） 轉錄因子：轉錄所必需的蛋白質（決定性功能指標） 識別并結合在啟動子序列上并非嚴格定義未包括增強子a、 基本水平轉錄的 cis-factor ( promoter or basic factor) Core promoter (Cap site, TATA box 必需因子) UPE (Upstream Promoter Element) (CAAT box, GC box) 對于 housekeeping gene (constitutive expression) （1）啟動子的組成 b、特異誘導高效表達的cis-factor Enhancer

43、 對于 luxury gene (inducible expression) 1、RNApol的啟動子和轉錄因子（2）轉錄因子的分類a、基本轉錄水平的轉錄因子(Trans-factor) 基礎因子Core promoter上游因子UPE所有基因表達所必須-基礎轉錄復合體每個元件都有相應的轉錄因子元件名稱共有序列結合DNA長度因子TATA boxTATAAAA10bpTBPCAAT boxGGCCAATCT22bpCTF/NF1GC boxGGGCGG20bpSP1OctamerATTTGCAT20bpOct-1OctamerATTTGCAT23bpOct-2kBGGGACTTTCC10bpNF

44、 kBATFGTGACGT20bpATF 真核生物必須有與基本轉錄相關的trans-factor 在 啟動子處的先期結合,RNApol才能啟動轉錄l TF (I, II, III) 轉錄因子l TAF (TBP 輔助因子)l RAP (RNApol. 結合蛋白) TIC (轉錄起始復合物) 等等.此外b、誘導型因子 特定時間、條件、或特定組織中合成或被活化 調控基因在不同時間、條件或不同地點表達應答元件-enhancer（3） 轉錄因子的DNA結合域和活化結構域是獨立的 結合結構域和活化結構域之間的連接物是足夠柔性的l多為變構蛋白DNA-結合 domain 二聚化 domain (在一些二聚體

45、因子中)活化 domain轉錄因子的結構域a DNA結合: HTH、鋅指、堿性區(qū)域b 蛋白質結合： Leu拉鏈、HLH、 c 活化 一段包括酸性AA的保守序列（4） Enhancer 的結構與功能 雙方向性，組織特異性，位點非專一性 a、由兩個以上的增強子成分(Enhancer Element)組成 b、Enhancer Element 必需由兩個緊密相連,具有間距效應的 增強子元 (Enhanson）組成 c、各個Enhanson(cis-factor)與激活蛋白(trans-factor)結合 增強特異性轉錄 促進轉錄的復合體 +UPE + core promoter基本轉錄復合體Enha

46、ncer 特異的 transc. Factor (tran-factor) 特異的transc. Factor (tran-factor) .+增強子復合物的激活區(qū)增強子復合物的激活區(qū).Enhancer ElementEnhancer Element. (100bp) Enhanson (cis-factor) Enhanson (cis-factor) .(5bp) e.g. SV40 Enhancer (-179 -250) En. Elem.C En. Elem.B -250 -180 coreC TCII TCI sphII sphI Ap3 Ap2 Ap1 遠距離控制，無方向性 mR

47、NA +1GC CAAT TATA 近啟動子復合物基本轉錄復合體 d、增強子復合物與近啟動子的轉錄起始復合物構型契合， 而不與RNA polymerase 結合 e、Enhancer 的兩位點二元組織方式 f、 特化細胞內(nèi)，具全部反式作用因子（trans-factor）才表現(xiàn) 增強效應即增強子的組織特異性 g、 增強子的復雜結構，以正控制方式防止基因表達的紊亂 能利用有限的trans-factor提供更多基因的表達調控因子類型一位點的二元結構： A, B factor AA, BB, AB, BA 兩位點的二元結構：AA-AA, AA-BB, AA-AB, AA-BA BB-BB, BB-AA

48、, BB-AB, BB-BA AB-BB, AB-AA, AB-AB, BA-BA （5） 不同部位的反式因子相互作用假說 擰轉學派、滑動學派、接力學派和嚕噗學派（6） 可誘導的轉錄因 子活性的調控方式a、合成轉錄因子 b、蛋白質磷酸化 c、蛋白質脫磷酸化 d、結合配基 f、抑制劑釋放 g、改變不同伴侶e、活性因子釋放五、Euk.轉錄后水平的調控1、hnRNA的選擇性加工某些基因序列在hnRNA和mRNA中的相對豐度差異很大e.g. 海膽中該調控水平的體現(xiàn)海膽細胞 hnRNA 成熟mRNA胚胎時期胚囊 約2萬種 約13000種成體腸 約 2.5 萬種 約3000種且尿胚中存在而腸細胞中沒有的m

49、RNA極大多數(shù)可在 腸細胞的hnRNA中發(fā)現(xiàn)說明：不同組織轉錄水平差異不大加工運輸機制目前了解很少2、mRNA前體的選擇性拼接(alternative splicing)（1） 概念：有些基因產(chǎn)生的mRNA前體可按不同的方式 剪接，產(chǎn)生出兩種或更多種mRNA 兩種結果：結果1-差異在5和3非翻譯區(qū)，產(chǎn)生相同的蛋白質結果2-產(chǎn)生不同的mRNA編碼區(qū)，產(chǎn)生不同的蛋白質結果2又有幾種情況： 情況1-同一細胞中產(chǎn)生多種蛋白質 情況2-同一基因在不同細胞中產(chǎn)生不同蛋白質 組織特異性 情況3-不同發(fā)育時期或條件下表達出不同的蛋白質以上情況均受特定調控（2） 選擇性拼接方式a、不同的加尾位點（免疫球蛋白）b、不同的拼接位點 SV40的T（100KD