高等生物化學第九章基因表達的調控第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二大綱9.1基因調控的原則9.2原核生物的基因調控9.3真核生物的基因調控第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則決定蛋白質在細胞中濃度的七個步驟：原初RNA轉錄本的合成；

mRNA轉錄后的加工；

mRNA的降解；蛋白質的合成（翻譯）；翻譯后蛋白質的修飾；蛋白質的降解；蛋白質的分選和轉運。第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則幾個概念：House-keepinggenes（持家基因）Constitutivegeneexpression（組成性基因表達）Regulatedgeneexpression（可調節(jié)性基因表達）Induciblegeneexpression（可誘導的基因表達）Induction（誘導）Repression（基因的阻遏）第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則RNA聚合酶與DNA在啟動子區(qū)結合，并在啟動子部位起始轉錄。啟動子核酸序列影響到其與RNA聚合酶的結合親和力及轉錄起始的頻率。如：持家基因。非持家基因啟動子部位的轉錄起始頻率受到啟動子序列和調節(jié)蛋白的雙重調控。第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則三種類型調節(jié)蛋白：特異性因子：改變RNA聚合酶與啟動子結合的特異性；阻遏蛋白：阻礙RNA聚合酶與啟動子的靠近；激活因子：增強RNA聚合酶與啟動子的相互作用。第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則特異因子：大腸桿菌聚合酶全酶的σ亞基。如：熱脅迫時，σ70會被σ32代替；真核細胞中，TATA結合蛋白。第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則原核基因以操縱子單位調節(jié)：操縱子：簇集基因與啟動子再加上共同行使調節(jié)功能的額外序列。原核生物中，一個操縱子可調控多個基因。第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則Lac操縱子：主要操縱基因O1，假操縱基因O2和O3.要使Lac操縱子阻遏，阻遏蛋白既要與主要操縱基因結合，還要與其中之一次級操縱基因結合。Lac基因的誘導：別乳糖（Allolactose）第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則調節(jié)蛋白：與特異的DNA序列結合，含有與DNA結合明顯可辨的結構域，這些結構域含有與DNA緊密而特異作用的亞結構。作用力：氫鍵，通常發(fā)生在DNA大溝，可以區(qū)分堿基對，少數結合在DNA小溝，但不容易區(qū)分堿基對。蛋白質能以多種方式識別每一堿基對，不存在簡單的氨基酸與堿基結合的密碼。第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則調節(jié)蛋白的DNA結合位點通常是回文結構。Lac操縱子是四聚體（兩個二聚體），其中一個二聚體通常與O1結合，另外一個與O2或O3結合。O1操縱基因序列的對稱性與兩個成對的Lac阻遏蛋白亞基的二重對稱軸相同。第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則DNA結合模體，如：螺旋-轉角-螺旋和鋅指結構。第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則螺旋-轉角-螺旋存在于許多原核生物的調節(jié)蛋白中，一些真核生物調節(jié)蛋白中也存在。兩個螺旋節(jié)段中的一個叫識別螺旋，與DNA以序列特異方式相互作用，通常位于或接近大溝。鋅指長度大約30個氨基酸，其中4個（4個Cys，或2個Cys和2個His）與Zn2+配位。Zn2+起到穩(wěn)定此模體的作用。一個DNA結合蛋白中通常有多個鋅指結構。鋅指結構多存在于真核蛋白質中。發(fā)育同源結構域（60個氨基酸），在同源異性基因中發(fā)現，高度保守。第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則調節(jié)蛋白中不僅有DNA結合結構域，而且還含有蛋白-蛋白互作結構域。介導蛋白-蛋白相互作用的模體有幾種常見類型，其中最重要的兩個是亮氨酸拉鏈和堿性螺旋-環(huán)-螺旋。亮氨酸拉鏈，每七個位置出現一個Leu，在疏水表面形成一條直線。含亮氨酸拉鏈的蛋白中通常有一個獨立的與DNA結合的結構域。第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.1基因的調控原則堿性螺旋-環(huán)-螺旋，對DNA結合與蛋白質二聚化重要，50個氨基酸殘基的保守序列。含有該模體的蛋白，與DNA的結合是由臨近的富含堿性的氨基酸殘基的短氨基酸序列介導的。第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控代謝阻遏機制，如：葡萄糖的存在阻遏了乳糖代謝酶的表達。這種效應是由cAMP和cAMP受體蛋白（CRP）介導的。CRP為同源二聚體，DNA和cAMP結合位點，此結合由螺旋-轉角-螺旋模體介導。當沒有葡萄糖存在時，CRP與lac啟動子附近位點結合，可提高轉錄效率50倍。CRP對葡萄糖水平是正調控因子，Lac阻遏蛋白對乳糖水平是負調控因子，二者協同作用。第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控大腸桿菌的阿拉伯糖操縱子：AraC既能行使正調節(jié)，也能行使負調節(jié)。通過阻遏自身基因的轉錄，此蛋白能調節(jié)自身的合成。某些調節(jié)性DNA序列能在一定距離外起作用。ara操縱子包括：三個基因（合稱araBAD），兩個操縱基因（araO1和araO2）的一個調節(jié)位點，araI（AraC的結合位點），啟動子PBAD。ara操縱子的轉錄受到CRP-cAMP的調節(jié)。第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控當AraC蛋白在每個細胞中的濃度超過40個拷貝時，它會通過與araO1結合，阻遏AraC基因的轉錄；AraC蛋白既是araBAD的正調節(jié)物，又是其負調節(jié)物。既能與araO2結合，又能與araI結合。AraC的調節(jié)可用兩個可能的代謝情形來總結：葡萄糖豐富而阿拉伯糖不豐富的情形：二聚體的AraC蛋白同時與araO2和araI的一半結合，形成一個大約210bp的DNA環(huán)，阻遏araBAD基因的轉錄。第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控低水平葡萄糖，同時有阿拉伯糖存在時：CRP-cAMP豐富，并占據了araI附近的CRP結合位點，阿拉伯糖也與Ara結合并改變其構象。由AraC同源二聚體形成的DNA環(huán)打開，AraC蛋白與araI的兩個半位點結合成為激活因子，與CRP-cAMP協同作用，誘導araBAD轉錄。當葡萄糖與阿拉伯糖都很豐富或欠缺時：ara操縱子仍被阻遏。各種調節(jié)蛋白及其DNA結合位點詳情尚不清楚。第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控大腸桿菌的色氨酸操縱子：包括編碼將分支酸轉化成色氨酸所需的五個酶的基因。當Trp豐富時，Trp與Trp阻遏蛋白結合，導致Trp阻遏蛋白構象改變，與trp操縱子基因結合，一致trp操縱子表達。trp操縱基因位點與啟動子有重疊，因此阻遏蛋白與操縱基因的結合會阻止RNA聚合酶與啟動子的結合。第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控一旦阻遏被解除、轉錄開始，轉錄速率就受到轉錄衰減的次級調節(jié)步驟的精細調控。轉錄衰減：是指轉錄正常起始，但在操縱子基因轉錄完之前突然暫停的現象。轉錄衰減受到可利用的Trp的調節(jié)，并依賴于細菌內轉錄與翻譯的緊密偶聯。trp操縱子衰減機制使用的是mRNA的5‘端162個核苷酸前導區(qū)內的四個序列所編碼的信號。衰減子由前導序列內的序列3和序列4構成，它們配對形成莖環(huán)結構，起到轉錄終止的作用。序列2和序列3是互補序列，配對后衰減子就不能形成。第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控調節(jié)序列1決定序列3是與序列2配對還是與序列4配對。第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控SOS應答的關鍵調節(jié)因子為RecA蛋白和LexA阻遏蛋白。LexA阻遏蛋白抑制所有SOS基因的轉錄，因此SOS響應的誘導需要除去LexA。LexA在特異的Ala-Gly位點自切割而失活，此過程RecA參與協同作用。RecA蛋白與DNA單鏈缺口結合，才能激活，并導致LexA阻遏蛋白切割和SOS誘導。第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控核糖體蛋白和rRNAs的協調：52個核糖體蛋白，20個操縱子；主要通過翻譯反饋機制進行調控：每個操縱子編碼的一個核糖體蛋白也可作為翻譯阻遏蛋白；通常能與一個rRNA結合，且與rRNA親和力大于mRNA，所以只有當r-蛋白超過rRNA水平時，才能與mRNA結合；mRNA與翻譯阻遏蛋白的結合，通常影響到整個多順反子的翻譯；r-蛋白操縱子在轉錄起始水平上也可調控，但是與翻譯調控之間的關系尚不清楚。第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控嚴緊型反應：氨基酸饑餓時，未攜帶氨基酸的tRNA與核糖體A位結合，嚴緊型因子與核糖體結合，催化ppGpp合成，ppGpp與RNA聚合酶結合，導致rRNA合成的降低。第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.2原核生物基因的表達調控沙門氏菌逃避免疫系統的機制中，其兩個鞭毛蛋白（FijB和FijC)發(fā)生切換。此調節(jié)由含鞭毛蛋白基因啟動子的一個DNA片段的周期性倒位完成。第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.3真核生物基因的表達調控原核與真核基因的轉錄機制差別在于其轉錄基態(tài)受不受限。真核與細菌基因表達的四個特征差異：真核啟動子的靠近受到染色質結構的限制；正調控機制占主導；復雜的多聚調控蛋白；細胞核中的轉錄與細胞漿中的翻譯在時間和空間上都隔開。第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.3真核生物基因的表達調控真核生物染色體結構對基因調控具有作用；轉錄活性區(qū)域對磷酸酶介導的降解敏感性增加。許多超敏位點（活躍區(qū)域）缺少核小體和組蛋白，可促進其與蛋白質結合。此外，轉錄活躍染色質的DNA趨向于低水平的甲基化。染色質重塑，通過乙?；腿ヒ阴；{節(jié)DNA與組蛋白的結合；還有活躍轉運或置換核小體的蛋白復合體參與。第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.3真核生物基因的表達調控大多數真核啟動子都是正調控的，采用這種策略的原因是：大多數啟動子不能被接近，基因通常是沉默的；數種正調節(jié)蛋白的每一種都必須與特異的DNA序列結合并形成復合物，使得特異性提高；正調控更加有效。RNA聚合酶II，除結合的大多數啟動子都包含TATA框和有標準間距的起始序列Inr，還需要增強子（高等真核生物）或上游激活序列（酵母），其與適當的調節(jié)蛋白結合，能使臨近啟動子的轉錄增強。第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.3真核生物基因的表達調控RNA聚合酶II全酶與一個啟動子結合，通常需要三種類型的其他蛋白：TATA結合蛋白：是典型RNA聚合酶II啟動子的TATA框處前起始復合物裝配中的第一個結合成分。DNA結合的反式激活劑：許多反式激活劑對信號分子結合敏感。DNA反式激活劑大多情況下使DNA環(huán)出，從而使各種蛋白復合物直接相互作用。輔激活物蛋白復合體：作為DNA結合反式激活劑與RNA聚合酶之間的媒介。在TATA框上或其附近起作用。第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.3真核生物基因的表達調控RNA聚合酶II啟動子上發(fā)生的轉錄激活事件的順序：首先，反式激活物與DNA結合逐漸替換掉某些核小體；然后，已結合的反式激活物與HAT和/或酶復合物直接作用，加速附近染色質的重塑。通常，已結合的反式激活物通過中介因子這樣的復合物起作用，使RNA聚合酶II與其轉錄因子的集合穩(wěn)定，從而大大促進起始轉錄復合物的形成。某些反式激活物可采取多種構象，使它們或作為轉錄激活物或作為轉錄阻遏物。第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.3真核生物基因的表達調控酵母細胞的GAL基因沒有操縱子，但是所有GAL基因都有類似的啟動子，包括：TATA框，Inr序列及能被結合DNA的轉錄激活因子Gal4蛋白所識別的上游激活物序列。半乳糖調節(jié)基因的表達需要Gal4p和另外兩種蛋白（Gal80p與Gal3p）的相互作用。Gal80p與Gal4p形成復合物，從而阻止Gal4p發(fā)揮作用。當有半乳糖存在時，半乳糖與Gal3p結合，然后與Gal80p結合，釋放出Gal4p，從而激活GAL啟動子。當有葡萄糖存在時，大多數的GAL基因都被阻遏。第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.3真核生物基因的表達調控結合DNA的反式激活物通常有一個與特異DNA結合的明顯結構域，還有一個或多個轉錄激活因子或與其他調節(jié)蛋白相互作用的額外結構域。Gal4p：近氨基末端的DNA結合結構域有一個鋅指結構，此蛋白以同二聚體與UASG結合，UASG有一段17個堿基對的DNA回文序列。Gal4p還有一個獨立的酸性氨基酸激活區(qū)域。第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.3真核生物基因的表達調控Sp1：其結合位點為GC框，通常非?？拷黅ATA框。Sp1的DNA結合結構域在其羧基末端附近，并含有三個鋅指結構。Sp1的另兩個結構域具有激活功能。CTF1與DNA序列中的CCAAT位點結合。其DNA結合結構域含許多堿性氨基酸。既不含HTH結構，也不含鋅指結構。其激活結構域富含脯氨酸，超過20%。調節(jié)蛋白不同的激活結構域和DNA結合結構域是獨立的，通過結構域交換實驗可以證明。第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二9.3真核生物基因的表達調控真核基因表達的胞外信號調節(jié)：固醇類激素與核內特異受體結合。激素受體復合物通過與激素響應原件（HREs）結合，改變基因表達。與不同激素受體復合物結合的HREs序列在長度和排列上有些相似，但是序列不同。每一個HRE一致序列由兩個6核苷酸序列組成，它們要么鄰近，要么被3個核苷酸隔開，要么是串聯的，要么以回文方式排列。激素受體有含2個鋅指結構的高度保守的DNA結合區(qū)域。激素受體復合物以二聚體與DNA結合，每個單體識別一個6核苷酸序列。一個激素改變特定基因表達的能力，依賴于HRE的精確序列，與基因的相對位置，以及與基因相連的H