1、第十二章 細(xì)胞代謝與基因表達(dá)調(diào)控,Chapter 12 CELLULAR METABOLISM AND,REGULATION OF GENE EXPRESSION, 了解操縱子學(xué)說內(nèi)容 弄清楚三種類型的操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控 掌握真核生物基因表達(dá)的調(diào)控,轉(zhuǎn)錄因子既可作為轉(zhuǎn)錄的激活劑，也可作為阻遏劑 E.coli中乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控（IPTG引起乳糖操縱子的去阻遏，激活蛋白正向調(diào)控乳糖操縱子） 通過細(xì)胞中的色氨酸濃度雙向調(diào)控色氨酸操縱子 了解真核生物基因表達(dá)的調(diào)控,一 物質(zhì)代謝是相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一整體 二 代謝調(diào)節(jié) 三 基因表達(dá)的調(diào)節(jié),一 物質(zhì)代謝是相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一整體 細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)新陳代謝通常采取的方略和

2、原則: 以少數(shù)種類的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化種類繁多的分子 各類物質(zhì)具有相對獨(dú)立的代謝途徑 各途徑通過交叉點(diǎn)上的關(guān)鍵中間物實(shí)現(xiàn)相互作用和相互轉(zhuǎn)化 代謝過程受到嚴(yán)格的、多個(gè)層次、多種方式的調(diào)節(jié)控制，形成有機(jī)的統(tǒng)一整體,HMS,1 糖、脂肪、蛋白質(zhì)和核酸的代謝關(guān)系,2 ATP、還原力和構(gòu)造單元：,細(xì)胞代謝的基本要略： 分解形成ATP、還原力和構(gòu)造單元，用于生物合成 (1) 生物大分子 構(gòu)造單元（氨基酸、單糖、脂肪酸等） (2) 構(gòu)造單元共同降解產(chǎn)物(乙酰CoA)，還原力, 部分ATP (3) 乙酰CoA 徹底氧化（CO2）、大量ATP ATP是通用的能量載體 NADPH以還原力形式攜帶能量,二 代謝調(diào)節(jié)： 代

3、謝在三種不同水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)： 分子水平、細(xì)胞水平、多細(xì)胞整體水平。,1 前饋（feedforword）與反饋（feedback） ： S1 E0 S2 E1 En-1 Sn 前饋：在代謝途徑中前面的底物對其后某一催化反應(yīng) 的調(diào)節(jié)酶（變構(gòu)酶）起激活或抑制作用。 正前饋：前期底物6-P-G別構(gòu)激活糖原合酶； 負(fù)前饋：高濃度乙酰CoA底物別構(gòu)抑制乙酰CoA羧化酶 反饋：代謝產(chǎn)物對代謝過程調(diào)節(jié)酶（變構(gòu)酶）活性的 調(diào)節(jié)作用。 負(fù)反饋：CTP對自身合成第一步酶ATCase的抑制 正反饋：乙酰CoA反饋激活磷酸烯醇丙酮酸羧激酶， 促進(jìn)TCA的回補(bǔ)反應(yīng)中PEP生成草酰乙酸的作用。,（一） 分子水平的調(diào)節(jié)：,2

4、 能量狀態(tài)與代謝調(diào)節(jié)：,ATP、ADP及Pi通過質(zhì)量作用效應(yīng)調(diào)節(jié)能量代謝 ATP系統(tǒng)的質(zhì)量作用比(磷酸化勢能)= ATP/ ADP Pi 產(chǎn)能反應(yīng)與ADP磷酸化相偶聯(lián) 吸能反應(yīng)與ATP水解相偶聯(lián) ATP、ADP及Pi還是許多調(diào)節(jié)酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)物 細(xì)胞能荷：在總的腺苷酸系統(tǒng)中(ATP,ADP和AMP 之和)所負(fù)荷的高能磷酸基數(shù)量（ATP加1/2ADP）。是細(xì)胞產(chǎn)能和需能代謝之間變構(gòu)調(diào)節(jié)的信號。,3 酶活性的調(diào)節(jié)：,（1）調(diào)節(jié)現(xiàn)有酶分子的活性（酶的激活或抑制） 方式： 別構(gòu)調(diào)節(jié)：前饋和反饋 共價(jià)修飾：例如酶的磷酸化和去磷酸化 酶原的激活 （2）改變酶分子在細(xì)胞內(nèi)的含量（酶合成和降解速度）,胞液（cy

5、tosol）：EMP、HMS、糖異生等；糖、脂肪 酸、氨基酸、核苷酸生物合成 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：粗面型：分泌性蛋白、跨膜蛋白合成場所 光滑型：磷脂、糖脂、膽固醇合成； 蛋白質(zhì)糖基化場所 線粒體：內(nèi)膜：生物氧化、物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)酶 基質(zhì)：丙酮酸氧化脫羧、 TCA循環(huán)、 脂肪酸-氧化、氨基酸分解 核膜：糖、脂、蛋白代謝； DNA復(fù)制、 細(xì)胞核： RNA加工與修飾 核仁：rRNA合成與加工,核糖體的裝配 高爾基體：細(xì)胞合成(吸收)物加工、濃縮、包裝和運(yùn)輸 溶酶體：含有水解酶類，參與細(xì)胞的吞噬、消化、吸收 、自溶作用等,（二） 細(xì)胞水平的調(diào)節(jié) 1. 細(xì)胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔控制,細(xì)胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔控制,復(fù)習(xí),

6、2. 利用膜結(jié)構(gòu)控制細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸和信號傳遞,膜的三大基本功能： 物質(zhì)運(yùn)輸、信號傳遞、能量轉(zhuǎn)換 物質(zhì)運(yùn)輸： 膜具有通透性、選擇性（物質(zhì)運(yùn)輸通道和載體； 控制濃度梯度） 細(xì)胞信號傳遞：信使與受體 3. 膜與酶的可逆結(jié)合： 某些酶（可溶型）可通過與膜結(jié)合（膜結(jié)合型） 而改變性質(zhì)和活性雙關(guān)酶。例如：己糖激酶,1,2,3,4,（三）多細(xì)胞整體水平的調(diào)節(jié)：,多細(xì)胞生物為協(xié)調(diào)體內(nèi)各細(xì)胞的代謝活動，而發(fā)展了細(xì)胞之間的信息傳遞機(jī)制： 體液（humor）或神經(jīng)系統(tǒng)： 神經(jīng)細(xì)胞（元） 信號分子（激素、遞質(zhì)、調(diào)節(jié)肽等） 細(xì)胞膜上信號分子受體（或直接進(jìn)入細(xì)胞） 引起細(xì)胞內(nèi)不同效應(yīng)：cAMP級聯(lián)放大、 蛋白酶的激活、磷

7、酸化效應(yīng)等 （或直接與細(xì)胞內(nèi)受體結(jié)合） 調(diào)節(jié)代謝：改變酶活性、膜通透性、調(diào)節(jié)基因表達(dá)等 多細(xì)胞整體水平調(diào)節(jié)也是以調(diào)節(jié)酶的活力為目的,物質(zhì)代謝的激素調(diào)節(jié),三 基因表達(dá)的調(diào)節(jié)：,1 基因表達(dá)的概念： 基因（gene）：編碼蛋白或功能RNA的DNA片段， 是遺傳信息的基本單位。 基因組（genome）：一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的 全部遺傳信息（或整套基因）。 基因表達(dá)：基因轉(zhuǎn)錄，甚至進(jìn)一步翻譯產(chǎn)生蛋白的過程 基因表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性： 時(shí)間特異性：時(shí)序調(diào)節(jié)（temperal regulation)， 基因表達(dá)嚴(yán)格按照時(shí)間順序發(fā)生。 空間特異性：基因表達(dá)產(chǎn)物在不同組織、器官中不同， 也稱組織特異性或細(xì)

8、胞特異性。,噬菌體Q RNA,2 基因表達(dá)的方式：,1）組成性表達(dá)與管家基因(housekeeping gene): 某些基因產(chǎn)物對生命全過程都是必須的，這類基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，稱為管家基因。只受啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響，而不受其他機(jī)制的調(diào)節(jié)。 例如：編碼催化TCA循環(huán)中的各種酶的基因。 其表達(dá)被視為基本的或組成性基因表達(dá)。 2）可調(diào)型表達(dá)與可調(diào)基因(regulated gene) : 有些基因表達(dá)的水平隨著外界環(huán)境的變化而升高或降低，甚至關(guān)閉，屬于可調(diào)基因。分誘導(dǎo)(induction)與阻遏(repression) )(參與DNA修復(fù)的酶),3 原核生物基因

9、表達(dá)的調(diào)節(jié)：,原核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯同時(shí)進(jìn)行，因此調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，尤其是轉(zhuǎn)錄的起始。 （1） 亞基控制轉(zhuǎn)錄的起始: 不同的因子識別不同的啟動子，決定了特定基因的轉(zhuǎn)錄活性，在起始階段控制基因的表達(dá)。 70：識別大腸桿菌一般基因啟動子 32：識別熱休克蛋白基因 54 ：識別固氮酶基因和相關(guān)基因,（2）操縱子模型: 原核基因表達(dá)調(diào)控的代表機(jī)制,1961年法國Monod和Jacob提出了著名的 乳糖操縱子(lactose operon）模型。模型要點(diǎn)：,一群功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因相鄰，并且共同受同一個(gè)操縱基因和啟動子所控制。,操縱子(operon): 原核基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，包括： 啟動子(promot

10、er,P),操縱基因(operator,O)和結(jié)構(gòu)基因 操縱子受調(diào)節(jié)基因（regulator gene）所調(diào)節(jié)。,操縱子(operon)的結(jié)構(gòu)與功能,Inhibitor gene,P,S1,S2,S3,啟動子,結(jié)構(gòu)基因1，2，3.,O,操縱基因,Promoter,Operator gene,Structure gene,調(diào)控區(qū),結(jié)構(gòu)基因,操縱子,表達(dá)阻遏蛋白,結(jié)合RNA 聚合酶 起始轉(zhuǎn)錄,結(jié)合阻遏蛋白 是轉(zhuǎn)錄的開關(guān)，可打開或關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄,表達(dá)功能蛋白,?,I,阻遏物基因,誘導(dǎo)物：乳糖或乳糖類似物IPTG（異丙基-D-硫代半乳糖苷）,A. 酶合成的誘導(dǎo)(induction):誘導(dǎo)型 E.

11、coli 的乳糖操縱子:,阻遏蛋白的負(fù)調(diào)節(jié),阻遏蛋白,誘導(dǎo)物,E. coli 的乳糖操縱子,乳糖操縱子除需誘導(dǎo)物外，還需cAMP和cAMP受體蛋白（CRP）結(jié)合成復(fù)合物，這復(fù)合物能結(jié)合到啟動子上，促使轉(zhuǎn)錄的起始。,B. 酶合成的阻遏(repression)：阻遏型,Trp,Trp合成有關(guān)的酶基因,最終產(chǎn)物的阻遏：,Trp阻遏蛋白,例如：E.coli Trp操縱子，含有5個(gè)結(jié)構(gòu)基因，編碼的酶蛋白催化分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)門rp，Trp是輔阻遏物（corepressor）。,阻遏物介導(dǎo)的負(fù)調(diào)控（主要）,輔阻遏物（corepressor）,E.coli Trp操縱子,分解代謝產(chǎn)物的阻遏：,E.coli以乳糖為

12、唯一碳源時(shí)，乳糖可誘導(dǎo)與乳糖分解相關(guān)的三種酶的合成，但如果培養(yǎng)基中既含葡萄糖，又含乳糖時(shí)，則優(yōu)先利用Glc，等Glc耗盡后才能利用乳糖，即在大量Glc時(shí)，乳糖操縱子是關(guān)閉，Glc阻遏了乳糖代謝有關(guān)的三種酶的合成，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)（glucose effect）。 這是由于Glc分解代謝產(chǎn)物引起的，因此又稱為分解代謝產(chǎn)物阻遏（catabolite repression）。,乳糖操縱子的降解物阻遏,R,LacZ,LacY,LacA,mRNA,CRP基因,結(jié)構(gòu)基因,T,CRP(CAP),O,CRP結(jié)合部位,RNA聚合酶,T,cAMP -CRP,P,CAP：降解物基因活化蛋白（catabolit

13、e gene activation protein） CRP：環(huán)腺苷酸受體蛋白（cycilic AMP receptor protein）,使CRP呈失活狀態(tài),cAMP-CAP的正調(diào)節(jié),分解代謝產(chǎn)物阻遏，即葡萄糖效應(yīng)的機(jī)制,C.合成途徑操縱子的衰減作用 (attenuation):含衰減子,衰減作用：將翻譯和轉(zhuǎn)錄聯(lián)系起來的調(diào)節(jié)基因表達(dá)方式，用于終止或減弱轉(zhuǎn)錄，屬于轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)基因表達(dá)的方式。 衰減子（attenuator）：衰減作用的調(diào)節(jié)部位，是一種位于結(jié)構(gòu)基因上游前導(dǎo)區(qū)的不依賴于的終止子。,衰減子介導(dǎo)的負(fù)調(diào)控,衰減子結(jié)構(gòu),UGG,阻遏和衰減機(jī)制都是在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行調(diào)節(jié) 阻遏作用是控制轉(zhuǎn)錄的

14、起始 衰減機(jī)制是控制轉(zhuǎn)錄起始后是否繼續(xù)下去，是更精細(xì)的調(diào)節(jié)。,4 真核生物基因表達(dá)調(diào)控, 真核基因表達(dá)調(diào)控的五個(gè)水平 轉(zhuǎn)錄前水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié) 翻譯水平調(diào)節(jié) 翻譯后加工的調(diào)節(jié) 真核基因調(diào)控主要是正調(diào)控 順式作用元件和反式作用因子 轉(zhuǎn)錄因子的相互作用控制轉(zhuǎn)錄,4 轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié),1）轉(zhuǎn)錄前水平調(diào)節(jié)： 通過改變DNA序列和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從而影響基因表達(dá). (1) 染色質(zhì)丟失與DNA序列的刪除 (2) 基因擴(kuò)增: 通過改變基因數(shù)量而調(diào)節(jié)基因表達(dá)產(chǎn)物的水平.短期內(nèi)大量產(chǎn)生出某一基因拷貝 (3) 基因重排：沙門氏菌鞭毛相變 (4) DNA的修飾和異染色質(zhì)化 甲基化能關(guān)閉某些基因的活性 異染色

15、質(zhì): 凝縮狀態(tài)的染色質(zhì).非活性轉(zhuǎn)錄區(qū),真核生物基因表達(dá)調(diào)控,2）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)：主要的調(diào)節(jié)形式。 (1) 染色質(zhì)的活化 (2) 順式作用元件 (3) 反式作用因子,真核生物基因表達(dá)調(diào)控,(1) 染色質(zhì)的活化： 染色質(zhì)改建(chromatin remodeling): 染色質(zhì)中與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的結(jié)構(gòu)變化： 組蛋白被乙?；?促進(jìn)轉(zhuǎn)錄 管家基因富含 CpG島,不甲基化 基因活化:眾多的轉(zhuǎn)錄因子和輔助因子幫助轉(zhuǎn)錄起始 原核細(xì)胞, RNA聚合酶, 負(fù)調(diào)節(jié)為主 真核細(xì)胞, 轉(zhuǎn)錄因子, 正調(diào)節(jié)為主,2）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié),(2) 順式作用元件(cis-acting element)：能與特異性轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，以決定轉(zhuǎn)錄

16、的起始位點(diǎn)、轉(zhuǎn)錄效率及轉(zhuǎn)錄的時(shí)空特異性的DNA序列。 啟動子（promotor）： TATA 框， CAAT框，多個(gè)GC框,增強(qiáng)子(enhancer):能夠增加轉(zhuǎn)錄起始頻率的DNA序列 特點(diǎn)： 長幾十個(gè)bp（如SV40增強(qiáng)子為72bp）； 主要存在于真核細(xì)胞； 對啟動子的來源無選擇性:自身或重組連接的啟動子 與啟動子的相對位置無關(guān)：可間隔幾千個(gè)bp以上； 無方向性：可在基因的上游也可在下游； 具有組織特異性:優(yōu)先或只能在某些細(xì)胞中表現(xiàn)功能,絕緣子(insulator)：是通常位于啟動子同正調(diào)控元件(增強(qiáng)子)或負(fù)調(diào)控因子(為異染色質(zhì))之間的一種調(diào)控序列。絕緣子本身對基因的表達(dá)既沒有正效應(yīng)，也沒有

17、負(fù)效應(yīng)，其作用只是不讓其他調(diào)控元件對基因的活化效應(yīng)或失活效應(yīng)發(fā)生作用。長約幾百個(gè)核苷酸對。有方向性。,2）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié),沉默子（silencer）：某些基因中的負(fù)調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。,(3) 反式作用因子(trans-acting factor):能直接或間接識別和結(jié)合在順式作用元件上，調(diào)控靶基因表達(dá)的蛋白質(zhì)因子。少數(shù)為RNA。 基本轉(zhuǎn)錄因子 + 上游因子 + 可誘導(dǎo)因子,結(jié)合TATA框和轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)，與RNA聚合酶形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物,結(jié)合在增強(qiáng)子和啟動子的上游控制位點(diǎn),結(jié)合應(yīng)答元件（一些信號分子的作用位點(diǎn)，對細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境因素變動作出反應(yīng)的DNA序列。）,2）

18、轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)節(jié),真核生物RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的基因結(jié)構(gòu)與功能,其他調(diào) 控元件,增強(qiáng)子 或 沉默子,CAAT盒 GC盒,TATA 盒,結(jié)構(gòu)基因,+1,調(diào)節(jié)基因表達(dá)水平,決定基因表達(dá)的 時(shí)空特異性等。 激素，金屬離子， 小分子化合物等 反應(yīng)元件。,決定基因 表達(dá)的基 礎(chǔ)水平,與RNA poly II 結(jié)合，決定轉(zhuǎn)錄 起始點(diǎn)的精確定位,使轉(zhuǎn)錄 增強(qiáng)或 減弱,維持基本的表達(dá)水平,上游啟動子,可誘導(dǎo)因子,基本轉(zhuǎn)錄因子,上游因子,基因表達(dá)調(diào)控主要是通過順式作用元件與反式作用因子相互作用進(jìn)行的，二者缺一不可。實(shí)質(zhì)上是核酸與蛋白的相互作用。,反式作用因子必需具備兩個(gè)條件：,1. 與特異順式作用元件結(jié)合的DNA結(jié)合

19、區(qū)：,如：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋；鋅指結(jié)構(gòu)； 亮氨酸拉鏈，螺旋-環(huán)-螺旋。,一個(gè)或多個(gè)與其他調(diào)控因子結(jié)合的區(qū)域： 轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域：酸性活化結(jié)構(gòu)域， 富含Gln結(jié)構(gòu)域， 富含Pro結(jié)構(gòu)域,反式作用因子上結(jié)合DNA的基序(motif)：基序(motif)：一般指構(gòu)成任何一種特征序列的基本結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)域中的亞單元，其功能是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)域的多種生物學(xué)作用,如：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋； 鋅指結(jié)構(gòu)； 亮氨酸拉鏈； 螺旋-環(huán)-螺旋。,多數(shù)結(jié)合在DNA大溝內(nèi),螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋,1. 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）,一個(gè)螺旋結(jié)合在DNA上，調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。,常見于各種阻遏蛋白，常結(jié)合CAAT盒。,

20、識別螺旋,2. Zinc finger ( 鋅指）:,一個(gè)鋅指單位：由30aa組成，形成一個(gè)反平行-折疊（N端）和一個(gè) -螺旋（C端），中間有一個(gè)Zn原子與Cys2/His2或 Cys2/ Cys2組成四面體配位結(jié)構(gòu). -螺旋結(jié)合DNA大溝。常結(jié)合GC盒,N端,C端,Cys2 / Cys2鋅指,Cys2 / His2鋅指,見于甾體激素受體,見于SP1，TF A等,反平行-折疊,-螺旋,X：任一其他 氨基酸,C：半胱氨酸 H：組氨酸,鋅指,N,C,氫鍵,含鋅指結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)蛋白通常有2-10個(gè)鋅指。 鋅指基序是最普遍的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)。,3. ZIP ( leucine zipper):,亮氨酸拉鏈： 每兩圈螺旋（7個(gè)氨基酸）出現(xiàn)一個(gè)Leu，位于螺旋的同一側(cè)，利用Leu側(cè)鏈的疏水性，使蛋白二聚