ZX第5章_基因的调控.

1分子遗传学MolecularGenetics第5章基因的调控123第5章基因的调控5.1基因调控的基本模型5.2调控序列与调控蛋白5.3基因的分子调控5.4原核生物操纵子的特点5.5σ因子级联调控模型5.6真核基因的分子调控——多因子调控5.7真核基因的染色质调控5.8转录后的基因调控5.9真核基因的调控模型——Davidson-Britten模型5.10真核基因的多位点协同调控4•随着人类及相关生物的基因组计划的完成,人类将进入一个对数以万计的基因进行结构功能的研究时代。•人类基因组仅仅含2.5~3万个基因，对真核基因的调控机制进行分析并确定基因如何行使它们的功能，将是十分迫切而艰巨的任务。人类的发育、克隆、癌症的治疗、衰老与长寿等重大问题的探索与解决都说明，今后的基因调控的研究，将以真核细胞的基因调控为主。5研究基因表达调控的重要意义1997-2003籍贯：苏格兰3S.H.E组合6Lifecycleofhumanbeing7AlcoholmetabolismEthanol乙醇ADHAcetaldehyde乙醛Acetate乙酸ALDHADH1B.1:CaucasianADH1B.2:ChineseADH1B.3:IndianALDH1(cytoplasm)ALDH2(Mitochondria)50%ofChinese,JapanesedonothaveALDH2activity8基因的表达是受到严格调控的（一）时间特异性往往与细胞或个体的特定分化、发育阶段相适应，又称阶段特异性。（二）空间特异性由细胞在各组织器官的分布差异所决定的，故又称为细胞特异性或组织特异性。迎面桃花次第开9基因表达的方式（一）组成性表达管家基因（housekeepinggenes)在生命全过程都是必需的、且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。组成性基因表达管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。10（二）诱导和阻遏表达诱导表达在特定环境信号刺激下，基因表现为开放或增强，表达产物增加。阻遏表达在特定环境信号刺激下，基因被抑制，从而使表达产物减少。11（三）协调表达在一定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。1212基因转录激活调节基本要素原核生物真核生物特异DNA序列操纵子•启动序列(共有序列)-35区TTGACA-10区TATAAT•操纵序列•其他调节序列顺式作用元件(DNA)•影响自身基因表达的DNA序列•TATA盒/GC盒/CAAT盒调节蛋白质阻遏蛋白(负)激活蛋白(正)反式作用因子(转录因子/蛋白质)与顺式作用元件作用调节DNA表达RNA聚合酶RNA聚合酶+原核启动序列/真核启动子RNA聚合酶活性：诱导剂/阻遏剂DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质13基因表达调控可在几个不同水平上进行。在高度复杂的生物、细胞及其代谢过程中，基因表达是高度有序的。如在高等生物中，特定的细胞已分化成高度特化的细胞，人类眼睛的细胞只能合成眼色特有的蛋白，其绝不可能合成肝细胞中特有的解毒酶，各种特定细胞能阻遏不同类别的基因的表达。14基因表达的调控对生物是极端重要的。1.真核生物：各种不同类型的细胞能阻遏不同类型基因的表达。2.细菌具有阻遏基因表达的能力。在进化中，细胞具备了一套机制，它能抑制那些并非必须的酶的基因和激活那些在某一时间内明显必须的酶的基因。达到这一目的的二个条件：1）必须具备关闭或打开每种特定基因的方法；2）对应该激活一种特定基因或一组基因的特定环境具备正确识别的能力。1516Threelevelscontrol17Generegulationverycomplexineukaryotescells!185.1基因调控的基本模型•5.1.1原核基因调控基本模型•1961年，提出乳糖操纵子模型，1988探明，除了启动子邻近下游的操纵区外，还在-93位、+402位有两个操纵区。•1990年得到调节蛋白LacI的结晶，并清楚LacI以四聚体形式结合于21bp的操作区。如，异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）与LacI结合，LacI的四聚体变构而脱离操作区。19乳糖操纵子模型2020——操纵子(operon)机制编码序列启动序列操纵序列其他调节序列(promoter)(operator)RNA转录起始-35区-10区TTGACATATAATN17N7A共有序列阻遏蛋白激活蛋白原核生物的表达调控2121经典：乳糖操纵子(lactoseoperon)乳糖操纵子的发现：细菌以葡萄糖为能量来源葡萄糖充分时：与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达与其他糖代谢有关的酶基因---关闭葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：与乳糖代谢有关的酶基因---表达与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭JacobandMonod2222细菌对乳糖的利用及其相关的酶:乳糖(在通透酶作用下进入细菌）β半乳糖苷酶（细菌中少量存在）别位乳糖β半乳糖苷酶（细菌中少量存在）葡萄糖+半乳糖β半乳糖苷酶（细菌中少量存在）转乙酰基酶--功能未详2323IPOZYa控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶乳糖操纵子（Lactoseoperon）结构RNA聚合酶结合位点调控基因24IOOσ诱导剂乳糖操纵子的负调控251.操纵基因（Operator,简称O），起到基因开关的作用。2.启动基因（Promoter，简称P），是RNA聚合酶结合的部位，能起动ZYA基因的表达，POZYA在DNA上几个相邻接的基因共同组成一个功能单位称操纵子。3.调节基因（I基因），能编码产生一种阻遏蛋白，该蛋白能识别和结合到操纵基因上，并能阻止RNA聚合酶启动的转录，使乳糖操纵子处于关闭状态，一般情况下，阻遏蛋白总是结合在操纵基因O区，使操纵子关闭。如何开启操纵子表达？当环境中存在乳糖及其类似物时（称为诱导物），它们能与阻遏物分子结合，改变阻遏蛋白的构型，使其不能再与操纵基因O区结合。这时，操纵基因便开启，结合到启动子上的RNA聚合酶能顺利启动ZYA基因的表达，合成相应的三种酶。26二、其他基因I基因：编码阻遏蛋白，能阻断ZYA基因的表达。O操纵基因：是DNA上与阻遏物结合的特异性位置。阻遏物一旦结合到O基因上，就能阻止由RNA聚合酶催化的转录起动。启动基因操纵子：是几个基因协同表达的遗传功能单位。由启动基因，操纵基因和转录成一条mRNA分子的几个相邻的基因组成的功能单位。27三、乳糖操纵子阻遏物具有两种识别功能1.能识别操纵子上特定的操纵基因的序列；2.能识别乳糖或乳糖类似物，当阻遏物与乳糖或类似物结合时，阻遏物分子的构型将发生变化，从而使阻遏物失去了对操纵基因的亲和作用。阻遏物将从DNA上脱落下来。对Lac系统的阻遏作用的解除称为诱导，能使阻遏物失活并导致Lac基因表达的乳糖类似物称为诱导物。285.1.2真核基因调控基本模型•在真核生物中，DNA被装配成核小体结构的染色质。染色质是真核细胞基因调控的主要结构。•真核细胞的调控过程中启用联合调控机制，细胞中不同的特异的调控蛋白参与不同的调控机制，以启动和关闭基因表达。•根据协同性和协同作用的原则，一个生物可以通过启用少数调控蛋白完成多种调控作用。•在一个基因的启动/关闭的基本模型中，其上游是一段核心启动子序列与基因相邻。•核心启动子：是结合RNA聚合酶Ⅱ及辅助因子，引导polⅡ从正确的起始位点开始转录部位。29•仅靠核心启动子的上游是一段调节启动子，上游或下游的远处是增强子序列（图5.2）。•激活因子与调节启动子和增强子结合，并通过结合在核心启动子上的结合因子与溶液中的基本转录机构的相互作用，使基本转录机构集结到核心启动子上，而激活基因转录。30有些激活因子在所有的细胞中表达，而一些仅在某些特定的细胞中表达，调控细胞中某些特殊功能的基因。31基本转录因子复合体325.2调控序列与调控蛋白•基因调控完全是一个DNA与蛋白质相互作用的过程。•一些特异的DNA序列作为相应的基因的开关，一些基因调控蛋白结合上去打开/关闭这些开关，称为:•正调控（positiveregulation）•或负调控（negativeregulation）。•相应的调控蛋白则称为:•激活因子（activaors）•或抑制因子(repressors)。335.2.1DNA双螺旋的表面可被调控蛋白识别•基因表达总是在DNA双螺旋的一条链上进行，想象中的调控蛋白要结合到调控序列上必须把DNA双螺旋打开，然后再结合上去。现在知道并不需要如此。暴露在DNA双螺旋大、小沟表面的酶对碱基的外缘都提供了它的氢键供体、氢键受体以及疏水区的情况各异的型式，这些型式是反映四种碱基的准确信息；调控蛋白就是依靠它们的识别来与调控序列结合。但是，只有在大沟中才能反映出四个碱基对排列的完整信息。调控蛋白一般都结合于大沟中。（图5.4）34355.2.2调控蛋白可以识别DNA的几何构型•DNA双螺旋中，每两个相邻的核苷酸对准确地弯曲360，形成每十个核苷酸对一个螺旋的几何构型。后来发现多数核苷酸段都有不规则之处，如核苷酸对的倾斜、螺旋弯曲度大于或小于36度使双螺旋有轻度的弯曲，累积可使DNA出现明显的弯曲。另一个有关的特点是某些序列有可以变形的倾向。这些都可被调控蛋白所识别。36在识别过程中，蛋白与DNA紧密结合，DNA做出一定程度的变形。375.2.3调控蛋白含有识别DNA序列的结构型式•调控蛋白对DNA的识别，归根结底是对DNA序列的识别。主要是蛋白质对一定区域的DNA双螺旋的特异表面的强烈互补。•调控蛋白都含有一种与DNA结合的结构基序（structuralmotif）。这些型式的每一种都是以α螺旋及β折叠与DNA大沟相结合。（图5.6）38大沟含有DNA序列相互识别的足够信息39•最简单、最常见的一种就是HTH（helix-turnhelixmotif）型式。HTH有两个α螺旋构成期间有一小段氨基酸连接，两个α螺旋间的相互作用使之保持一定角度。HTH肽链的羧基端为识别螺旋，与DNA大沟中的DNA结合；氨基端识别特异DNA序列方面起作用。402COOH13NH2螺旋转角螺旋(HTH)螺旋-转角-螺旋(HTH)最早发现于噬菌体的阻抑蛋白中。一个α螺旋位于DNA宽沟中，另一个位于穿过DNA的角中。41425.3基因的分子调控•基因的表达与抑制实际上是一个分子水平上的开//关机制，而板动这个开关的是细胞周围环境中的各种信号。这种开关机制普遍存在于原核及真核细胞之中，只不过有简单与复杂而己。•5.3.1单因子调控---色氨酸操纵子•色氨酸操纵子（tryptophanoperon）,5个相邻的trp基因。Trp作为一个辅阻遏物，其活化特异的抑制者与trp操纵基因结合阻止转录。色氨酸抑制者是一种HTH型调控蛋白，两个色氨酸分子与其结合后才能与trp操纵子DNA大沟结合。43色氨酸抑制着是色氨酸调控trp操纵子的唯一因子，而色氨酸则是开关这个因子的单一信号。44色氨酸阻抑蛋白（HTH）的两种状态45•奇怪的是转录往往不能彻底完成，大部分trpmRNA链的增长刚一开始，在第一个trp基因（geneE）开始转录前就停止了。这种奇怪现象是因为在trpE与启动子-----操纵子区域之间存在着一个161bp的先导区，在先导区内部有一个衰减区（123~150bp）。RNA多聚酶往往不能通过这个衰减区只产生约140个核苷酸的片段，其中包含一部分衰减区的序列。只有当一个特异的调控因子作用于衰减器的时候，RNA多聚酶才能通过衰减区。•色氨酸的量即能直接影响trp阻抑蛋白，也能间接影响衰减区域。46475.3.2双因子调控----乳糖操纵子•乳糖操纵子的基因开关装置是由正调控与负调控组成。它的调控蛋白除了lac抑制者外，还有一个正调控蛋白----CAP（catabolitactivatorprotein）,又称基因激活蛋白。•葡萄糖与乳糖作为两个信号，分别通过它们对lac抑制者与CAP的作用而板动基因开关。•因此，乳糖操纵子是双因子调控，它的表达只有当