分子生物学原理基因表达调控

2021/11/1分子生物学原理RegulationofGeneExpression2021/11/1分子生物学原理第十三章基因表达调控•通常情况下，真核生物细胞只有2-15%的基因处于有转录活性的状态。•表达调控是研究不同的环境和条件以及各种因素如何令基因表达或不表达，而且按一定的时间、空间有次序高效地运作。•调控水平：转录、转录后、翻译、翻译后2021/11/1分子生物学原理第十三章基因表达调控•调控：细胞代谢的调控（细胞生存、适应内环境）基因表达的调控（生命延续、适应大环境）•多水平的调控、多途径的调控•调控特点：复杂、多变、灵敏、准确2021/11/1分子生物学原理第一节、原核生物的操纵子调控模式•操纵子：几个相关基因排列在一起，转录出一个mRNA，翻译出多种具相关功能的蛋白质，完成一个功能。•有一个调控成分。•是原核生物的转录单位。2021/11/1分子生物学原理第一节、原核生物的操纵子调控模式一、酶的诱导（enzymeinduction）二、操纵子（operon）的结构与功能三、乳糖操纵子（Lacoperon）与色氨酸操纵子（Trpoperon）四、cAMP对转录的调控五、原核生物转录的整体调控模式2021/11/1分子生物学原理induceraddedinducerremoved酶蛋白合成量细胞孵育时间一、诱导现象由底物导致利用该底物的酶的合成增加。2021/11/1分子生物学原理一、诱导现象葡萄糖乳糖无半乳糖苷酶乳糖葡萄糖+半乳糖2021/11/1分子生物学原理一、诱导现象•酶的诱导是生物进化中的一种合理、经济地利用有限资源的本能。•酶的诱导是低等生物的普遍现象。•1961年，JacobandMonod提出了操纵子学说。•酶诱导的本质：代谢物对催化本身代谢的酶的合成量调节。2021/11/1分子生物学原理二、操纵子的结构与功能操纵子阻遏物基因上游启动子操纵基因一组结构基因R(i)POSinhibitorpromotoroperatorstructuralgenegene2021/11/1分子生物学原理二、操纵子的结构与功能•启动子是结合RNA聚合酶的DNA序列•强：-35TTGACA、-10TATAAT•弱：-35区共有序列-10Pribnow不一致一般：基因工程选用强启动子，或杂交融合生成新启动子2021/11/1分子生物学原理二、操纵子的结构与功能Lacoperon的启动子Plac的-10Trpoperon的启动子Ptrp的-35PtacPtac-172021/11/1分子生物学原理二、操纵子的结构与功能•操纵基因是结合阻遏物的部位，位于启动子和结构基因之间，可与启动子部分重叠。是RNA聚合酶是否能通过的开关。•无阻遏物时，O区开放让酶通过并转录下游的结构基因•有阻遏物时酶就不能通过2021/11/1分子生物学原理二、操纵子的结构与功能•阻遏物基因：产生阻遏物，位于离操纵子较远的上游区。•负调控：起调控作用的蛋白质分子抑制转录关闭的基因由代谢底物开放（诱导）-----阻遏物失活开放的基因由代谢底物关闭（阻遏）-----阻遏物激活2021/11/1分子生物学原理二、操纵子的结构与功能•操纵子：结构基因、上游启动子(P)和操纵基因(O)组成。P和O合称调控区2021/11/1分子生物学原理可诱导和可阻遏的操纵子类型可诱导可阻遏结合O方式i基因产物i基因产物加上代谢终产物O的开放方式由代谢底物开放通常开放由代谢终产物关闭结构基因产物功能分解代谢合成代谢LacTrp2021/11/1分子生物学原理三、乳糖操纵子和色氨酸操纵子2021/11/1分子生物学原理乳糖操纵子•操纵子的三个结构基因为-半乳糖苷酶、-半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰转移酶。•在无乳糖时，阻遏蛋白与O区结合，阻止RNA聚合酶的转录•在有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合后，改变了阻遏蛋白的结构，使其不能与O区结合。2021/11/1分子生物学原理(1kb)(155000)DDRPDDRP2021/11/1分子生物学原理色氨酸操纵子•色氨酸操纵子有5个结构基因D、E基因：共产生邻氨基苯甲酸合成酶C基因：产物是吲哚甘油磷酸合成酶B、A基因：共同产物是色氨酸合成酶•这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸的合成。•色氨酸合成仅限细菌。2021/11/1分子生物学原理色氨酸操纵子调控方式（-）（+）2021/11/1分子生物学原理乳糖和色氨酸操纵子的共同点•以负调控方式为主：蛋白质分子（阻遏物）对受调控的区域起抑制作用。•由低分子物质（底物或产物）影响蛋白质对DNA的结合。•结果：既满足细胞生长需求，又不无谓浪费。2021/11/1分子生物学原理乳糖和色氨酸操纵子的不同点乳糖操纵子色氨酸操纵子阻遏物阻遏物R基因R基因阻遏物阻遏物代谢物基因开放基因关闭2021/11/1分子生物学原理四、cAMP对转录的调控•在乳糖和葡萄糖都存在时，哪种糖被优先利用？2021/11/1分子生物学原理四、cAMP对转录的调控•乳糖操纵子的启动子属于弱启动子•正调控方式•CAP：catabolitegeneactivatorprotein分解代谢基因活化蛋白，受cAMP激活•cAMP-CAP复合物：结合于DNA上游的CAP位点，促进分解代谢基因表达•CAP位点：位于PO上游，属正调控位点2021/11/1分子生物学原理四、cAMP对转录的调控•培养基中有葡萄糖时：葡萄糖代谢引起细胞内cAMP水平下降，乳糖操纵子基因关闭。•培养基中葡萄糖不足时：cAMP水平升高，cAMP-CAP复合物生成，cAMP使CAP变构，而与CAP位点结合，促进乳糖操纵子基因的转录，以便细胞利用乳糖。2021/11/1分子生物学原理四、cAMP对转录的调控12021/11/1分子生物学原理阿拉伯糖操纵子•B、A、D：编码三种酶，共催化阿拉伯糖的代谢。•C：R1（阻遏蛋白），变构后成R2。•起始区：initiator（I）•R1和R2在变构前后，分别执行负和正调控功能。•诱导物可以使抑制蛋白在R1和R2两种构象之间转变。2021/11/1分子生物学原理阿拉伯糖操纵子2021/11/1分子生物学原理五、原核生物转录的整体调控模式•调节子：regulon操纵子是基因表达的基本单元，成群操纵子所组成的高一级的调控网络称为调节子•调节原理：内、外环境的变化通过传感器使膜内产生信号，这种信号可同时作用于多个操纵子，或激活或抑制，从而达到群体协调的目的。2021/11/1分子生物学原理调节子模式2021/11/1分子生物学原理SOS修复系统的调节子•DNA损伤和复制受阻是刺激因子和信号。•LexA蛋白是一系列操纵子的阻遏物。•recA基因转录产物RecA蛋白可水解LexA蛋白。•LexA阻遏recA基因，RecA蛋白可水解LexA蛋白，二者之间的平衡移动，使细胞在应急时可迅速启动大量基因的转录。2021/11/1分子生物学原理SOS修复系统的调节子2021/11/1分子生物学原理第二节、真核生物的基因转录调控•真核生物的基因转录调控更为复杂：•总量大：30亿bp，10万基因•分散在各染色体上，23对染色体：定位•大量的内含子：比结构基因多十数倍•大量的重复序列：重复次数可达几千~百万次•更多的蛋白质参与•基因的多态性：不同的地域、人种、个体2021/11/1分子生物学原理一、人类基因的研究•基因组：DNA双螺旋天书•人类基因组即将全部破译，一本书已通读一遍，但阅读理解的任务还刚开始。一、人类基因的研究•人类基因组计划：（HGP）humangenomicproject对人类基因组大约30亿核苷酸对的全序列测定。•在完成结构分析过程中，对基因的功能，包括其表达调控，作进一步研究，以便彻底了解生命的奥秘。2021/11/1分子生物学原理HGP的内容•建立人类基因组高分辨率的遗传图谱•完成全部人类染色体的各种物理图谱及选择某些模型生物的DNA物理图谱。•人类DNA和模型生物的DNA全部序列的测定。•建立收集、储存、分类和分析所有有关资料和数据的工作系统。•创建完成以上目标所需的新技术、新方法。2021/11/1分子生物学原理二、基因转录调控元件•分子辨认：molecularrecognition探讨DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质之间的辨认与结合的机制，以及与调控的关系。2021/11/1分子生物学原理二、基因转录调控元件•TATAbox：-30区•CAATbox启动子•GCbox•上游活化序列：（USA）upstreamactivatorsequence•应答元件与可诱导因子：-200bp•八聚体TATAbox：免疫球蛋白2021/11/1分子生物学原理增强子的特点•增强子：enhancer它是在远距离影响启动的转录调控元件，必须被蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的功能。•增强子影响启动子，但没有严格的专一性。•增强子作用无方向性。2021/11/1分子生物学原理二、基因转录调控元件•顺式作用元件：真核生物结构基因上游的调控区，有特定的相似或一致性的序列。•反式作用因子：和顺式作用元件相结合或间接影响其作用的蛋白质因子。2021/11/1分子生物学原理真核生物RNApolII转录的基因2021/11/1分子生物学原理RNA聚合酶II的转录因子转录因子功能TFIIA稳定TFIIDTFIIB促进RNApolII结合TFIID辨认TATATFIIEATPaseTFIIF解旋酶TFII-I促进TFIID结合2021/11/1分子生物学原理转录前起始复合物•TFIID是唯一与DNA特异位点即TATA盒结合的转录因子。•TATA和TFIID、TFIIA、TFIIB、RNApolII、TFIIF和TFIIE形成转录前起始复合物(PIC)。2021/11/1分子生物学原理反式作用因子性质•同一DNA序列可被不同蛋白质识别，同一蛋白质因子也可与多种不同DNA序列结合。•DNA与蛋白质的结合少数是直接结合，多数是蛋白质-蛋白质相互作用后再影响DNA。•蛋白质-蛋白质或DNA-蛋白质结合后，可导致构象上的变化。•反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可变性和可塑性。2021/11/1分子生物学原理三、顺式作用元件与反式作用因子的结合•反式作用因子蛋白质至少包括三个功能域：DNA识别结合域、转录活性域和结合其它蛋白的结合域。•模体：（motif）在结合域中存在的一些局部对称二聚体。•在DNA的某些序列中，也存在一定的对称性。•顺式作用元件与反式作用因子的结合与这些对称区域有关。2021/11/1分子生物学原理三、顺式作用元件与反式作用因子的结合•DNA结构简单：开放或关闭序列不变蛋白质因子：复杂、多变二者结合基因表达调控的多变性2021/11/1分子生物学原理螺旋-转角-螺旋、螺旋-环-螺旋•两个亚基通过-折叠形成二聚体，相当于DNA的一个螺距。2021/11/1分子生物学原理锌指•锌是很多酶的辅助因子•锌指：（Zincfinger）锌螯合在多肽链中，以配价键和半胱氨酸残基或组氨酸残基结合。•Cys2/His2型：Cys-X2~4-Cys-X3-Phe-Leu-X2-His-X3-His•Cys2/Cys2型：Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys•一个单位以指部伸入DNA双螺旋的深沟，接触5个核苷酸。2021/11/1分子生物学原理锌指2021/11/1分子生物学原理•亮氨酸拉链(Leuzipper)：两组平行的带亮氨酸的螺旋形成的对称二聚体。•DNA结合蛋白的C端，每隔7个氨基酸出现一个亮氨酸。•蛋白质的螺旋每圈为3.6个氨基酸残基。每二圈出现的亮氨酸与轴平行列在同一直线上，构成拉链的一半。亮氨酸拉链2021/11/1分子生物学原理亮氨酸拉链常出现于真核生物DNA结合蛋白的C端，与癌基因表达调控功能有关。2021/11/1分子生物学原理第三节、癌基因•癌基因：oncogene，onc能使细胞癌变的DNA序列。首先在致癌病毒中发现，现已证实它是正常存在于生物基因组内。•致癌性：正常基因的不正常表达的后果•癌症：基