1、基因表達(dá)的調(diào)控第 四 節(jié)基因表達(dá)的調(diào)控第 四 節(jié)基因表達(dá)(真核) 基因的活化轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后加工RNA轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)翻譯翻譯后加工基因表達(dá)的調(diào)控適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和發(fā)育需要主要是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控一、基因表達(dá)調(diào)控的基本概念及其生物學(xué)意義2基因表達(dá)(真核)一、基因表達(dá)調(diào)控的基本概念及其生物學(xué)意義233適應(yīng)外界條件的變化方式：誘導(dǎo)合成(正調(diào)控)或阻遏合成(負(fù)調(diào)控) 一些相應(yīng)的蛋白質(zhì)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián)，快速二、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控(一)原核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)4適應(yīng)外界條件的變化二、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控(一)原核生物基調(diào)控機(jī)制操縱子(operon)結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子(promoter)操縱基因(operat

2、or)其他調(diào)控基因原核生物中一些成簇排列、相互協(xié)同的基因所組成的單位。一個(gè)操縱子結(jié)構(gòu)基因(26)啟動(dòng)基因(啟動(dòng)子) 操縱基因(其他調(diào)控基因)5調(diào)控機(jī)制操縱子(operon)結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子操縱基因其他IPOZYa控制位點(diǎn) 結(jié)構(gòu)基因DNA阻遏物啟動(dòng)子操縱基因-半乳糖苷酶通透酶轉(zhuǎn)乙?；?. 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和誘導(dǎo)劑RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)調(diào)控基因Lac操縱子(二)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和誘導(dǎo)劑6IPOZYa控制位點(diǎn) 結(jié)構(gòu)基因DNA阻遏物-半乳糖苷酶 對(duì)乳糖的作用7-半乳糖苷酶7乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌可以以葡萄糖、乳 糖作為碳源葡萄糖充分時(shí)： 與葡萄糖代謝有關(guān)的酶大量表達(dá) 與其他糖代謝有關(guān)的酶少量葡萄糖耗盡、

3、乳糖存在時(shí)(培養(yǎng)基)： 與乳糖代謝有關(guān)的酶大量表達(dá) 與葡萄糖代謝有關(guān)的酶少量8乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌可以以葡萄糖、乳 8Lac阻遏物由基因I編碼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：具有4個(gè)相同亞基，每個(gè)亞基中都有 一個(gè)與誘導(dǎo)劑結(jié)合的位點(diǎn)調(diào)控機(jī)制：無(wú)誘導(dǎo)劑時(shí)：Lac阻遏物與O基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因 關(guān)閉有誘導(dǎo)劑時(shí)：Lac阻遏物與誘導(dǎo)劑結(jié)合，阻遏物構(gòu) 象改變，不能與O基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基 因開(kāi)放，RNA聚合酶結(jié)合、延伸，轉(zhuǎn) 錄開(kāi)始2. Lac阻遏物的作用9Lac阻遏物由基因I編碼2. Lac阻遏物的作用9IDNAZYaOPmRNA阻遏物RNA pol沒(méi)有誘導(dǎo)劑存在時(shí)調(diào)控基因10IDNAZYaOPmRNA阻遏物RNA pol沒(méi)有誘導(dǎo)

4、劑存在IDNAZYaOPmRNA阻遏物RNA pol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA有誘導(dǎo)劑(別位乳糖或IPTG)存在時(shí)別位乳糖或IPTGprotein11IDNAZYaOPmRNA阻遏物RNA啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA有誘導(dǎo)葡萄糖存在時(shí)：優(yōu)先利用葡萄糖作為能源分解物阻遏作用(catabolite repression)葡萄糖的分解產(chǎn)物對(duì)其他酶的抑制效應(yīng)，與cAMP有關(guān)葡萄糖cAMP乳糖操縱子加入外源cAMP乳糖操縱子3. CAP與cAMP復(fù)合物在乳糖操縱子表達(dá) 中的作用(-)(+)12葡萄糖存在時(shí)：優(yōu)先利用葡萄糖作為能源3. CAP與cAMP復(fù)CAP-cAMP復(fù)合物的激活作用CAP(catabolite gene a

5、ctivator protein)：有兩個(gè)相同亞基的蛋白質(zhì)，都具有與DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)域和與cAMP結(jié)合的結(jié)構(gòu)域cAMPCAPCAP-cAMP復(fù)合物乳糖操縱子(+)13CAP-cAMP復(fù)合物的激活作用(+)13 CAP位 + + + + 轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖時(shí)，cAMP濃度高有葡萄糖時(shí)，cAMP濃度低ZYaOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的調(diào)控機(jī)制14 CAP位 + + + + 轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖時(shí)，cAMP濃度高有mRNA低乳糖高乳糖低葡萄糖高cAMP高葡萄糖低cAMPRNA-polOPOPOPOP葡萄糖和乳糖在乳糖操縱子基因表達(dá)中的 聯(lián)系效應(yīng)15mRNA低乳糖高乳糖低葡萄糖高葡萄糖RN

6、A-polOPOPO環(huán)境條件的變化是相關(guān)基因表達(dá)的外界信號(hào) 葡萄糖、乳糖濃度的變化基因表達(dá)的負(fù)調(diào)控(negative regulation) Lac阻遏物與操縱基因O結(jié)合后抑制了結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)基因表達(dá)的正調(diào)控(positive regulation) CAP-cAMP復(fù)合物與相應(yīng)的DNA序列(CAP位)結(jié)合后促進(jìn)基因的表達(dá)原核生物基因(乳糖操縱子)表達(dá)調(diào)控的一般情況16環(huán)境條件的變化是相關(guān)基因表達(dá)的外界信號(hào)原核生物基因(乳糖操縱轉(zhuǎn)錄的激活與被轉(zhuǎn)錄區(qū)域的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化有關(guān)：環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)染色質(zhì)活化轉(zhuǎn)錄的激活基因表達(dá)以正調(diào)控為主(活化蛋白激活靶基因)轉(zhuǎn)錄與翻譯在不同的亞細(xì)胞區(qū)域進(jìn)行三、真核生物基因表

7、達(dá)的調(diào)控(一)真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)17轉(zhuǎn)錄的激活與被轉(zhuǎn)錄區(qū)域的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化有關(guān)：環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)染cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié) mRNA C蛋白質(zhì)CbAmRNA蛋白質(zhì)AA18cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié) mRNA C蛋白質(zhì)C1. 順式作用元件真核生物中，和被轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)基因在距離上比較接近的DNA序列，包括啟動(dòng)子和啟動(dòng)子上游近側(cè)序列、及增強(qiáng)子等，和轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)。(二)參與基因調(diào)控的順式作用元件和 反式作用因子191. 順式作用元件真核生物中，和被轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)基因在距離上比較一類在真核細(xì)胞核中發(fā)揮作用的蛋白質(zhì)因子作用特點(diǎn) 識(shí)別和結(jié)合順式作用元件中的特異靶序列，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄例：轉(zhuǎn)錄因子TF

8、D 識(shí)別和結(jié)合 TATA box 轉(zhuǎn)錄因子Sp1 識(shí)別和結(jié)合 GC box 轉(zhuǎn)錄因子CTF1 識(shí)別和結(jié)合 CAAT box反式作用因子與相應(yīng)的順式作用元件結(jié)合后才能啟動(dòng)或有效啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄2. 反式作用因子(trans acting factors)20一類在真核細(xì)胞核中發(fā)揮作用的蛋白質(zhì)因子2. 反式作用因子(t反式因子有兩個(gè)必需的結(jié)構(gòu)域DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域：與順式元件識(shí)別、結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域：與其他反式因子或RNA聚合酶結(jié)合蛋白質(zhì)21反式因子有兩個(gè)必需的結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)21兩個(gè)短-螺旋，之間-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)聯(lián)系；其中一個(gè)-螺旋識(shí)別、進(jìn)入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大溝最常見(jiàn)DNA結(jié)合域之一，例：CAP(1) 螺旋-轉(zhuǎn)角-

9、螺旋(helix-turn-helix)3. 反式作用因子結(jié)構(gòu)的模式22兩個(gè)短-螺旋，之間-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)聯(lián)系；其中一個(gè)-螺旋識(shí)別、約30個(gè)氨基酸殘基，其中4個(gè)氨基酸殘基(2個(gè)Cys，2個(gè)His或4個(gè)Cys)以配位鍵與Zn2+相互作用 具有多個(gè)相同的鋅指結(jié)構(gòu)，與DNA雙螺旋大溝結(jié)合 (2) 鋅指(zinc fingers)23約30個(gè)氨基酸殘基，其中4個(gè)氨基酸殘基(2個(gè)Cys，2個(gè)Hi123456789蛋白質(zhì)24123456789蛋白質(zhì)24一段肽鏈中每隔7個(gè)氨基酸殘基就有一個(gè)亮氨酸殘基出現(xiàn)，形成-螺旋的兩面親水面：親水性氨基酸殘基構(gòu)成疏水面：亮氨酸殘基構(gòu)成(亮氨酸拉鏈條)借疏水作用形成二聚體(同二聚體/異二聚體)