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1、第十五章基因表达的调控,1,第十五章基因表达的调控1,基因表达=基因转录+翻译基因表达的调控:生物体随时调整不同基因的表达状态,以适应环境、维持生长和发育需要。主要是转录水平的调控基因转录的调节：1.DNA序列2.调控蛋白 RNA聚合酶3.DNA-蛋白质相互作用 活性的影响,2,基因表达=基因转录+翻译2,基因表达的调控方式:阻遏负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达(相应蛋白质降低)促进正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达(相应蛋白质增加),3,基因表达的调控方式:3,第一节 原核生物基因表达的调控,方式特点调控机制-操纵子,正调控负调控转录翻译偶联快速乳糖操纵子-负、正调控 转录起始
2、的调控 色氨酸操纵子-负调控 转录起始、终止的调控,4,第一节 原核生物基因表达的调控方式正调控4,一、乳糖操纵子(lactose operon),操纵子（operon）：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）.一个操纵子=编码序列（2-6）+启动序列+操纵序列+(其他调节序列),5,一、乳糖操纵子(lactose operon)操纵子（ope,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
3、-关闭,6,乳糖操纵子的发现：6,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）半乳糖苷酶（细菌中少量存在）别位乳糖 半乳糖苷酶（细菌中少量存在）葡萄糖+半乳糖,半乳糖苷酶（细菌中少量存在）,转乙酰基酶-功能未详,7,细菌对乳糖的利用及其相关的酶:半乳糖苷酶（细菌中少量存,I,P,O,Z,Y,a,控制位点 结构基因,DNA,阻遏蛋白,启动序列,操纵序列,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,（一）乳糖操纵子（lactose opron）结构,RNA聚合酶结合位点,调控基因,8,IPOZYa 控制位点 结构基因DNA阻遏蛋白启动序,（二）Lac阻遏物的作用-负调控,Lac阻遏物结构特点
4、调控机制（负调控）,由基因I编码生成的蛋白质具有四级结构的蛋白质具有4个相同亚基每个亚基中都有一与诱导剂结合的位点Lac阻遏物与O基因结合：结构基因关闭Lac阻遏物与诱导剂结合：不与O基因结合，结构基因开放 RNA聚合酶结合，转录开始,9,（二）Lac阻遏物的作用-负调控Lac阻遏物由基因I编码,生理性诱导剂实验常用诱导剂,别位乳糖异丙基硫代半乳糖（IPTG）,Lac操纵子诱导剂,10,Lac操纵子诱导剂10,I,O,O,诱导剂,乳糖操纵子的负调控,图15-4,11,IOO诱导剂乳糖操纵子的负调控图15-411,（三）CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中 的作用-乳糖操纵子的正调控,低葡萄
5、糖、高乳糖、高cAMP时：Lac 阻遏蛋白不封闭转录,CAP+cAMP 加强转录。,12,（三）CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中,葡萄糖存在时：优先利用葡萄糖作为能源。与阻遏蛋白的存在有关-乳糖操纵子的负调控与cAMP有关：葡萄糖 cAMP Lac操纵子（-）,只有乳糖存在时：只能利用乳糖解除阻遏蛋白的作用CAP-cAMP复合物的激活作用 CAP+cAMP 乳糖操纵子 导致结构基因转录(正调控)cAMP 在原核生物中的作用（饥饿信号）CAP(分解物基因激活物蛋白):有二个相同亚基的蛋白质一个与DNA结合的domain 一个与cAMP结合的domain,13,葡萄糖存在时：只有乳糖存在时
6、：13,I,P,O,Z,Y,a,调控基因 控制位点 结构基因,DNA,阻遏蛋白,启动序列,cAMP-CAP结合位点,操纵序列,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,乳糖操纵子（lactose opron）结构,RNA聚合酶结合位点,14,IPOZYa调控基因 控制位点 结构基因DNA阻遏蛋白,CAP-cAMP复合物 在乳糖操纵子表达中的作用-正调控,条件2:,低乳糖,条件3:,低乳糖,条件4:高葡萄糖低cAMP高乳糖,Lac 阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不发挥作用,条件1:低葡萄糖高cAMP高乳糖,Lac 阻遏蛋白不封闭转录时,没有CAP存在,也无高效转录活性。,Lac 阻遏蛋白不封闭转录,
7、CAP+cAMP 加强转录。,O,O,O,O,O,图15-5,15,CAP-cAMP复合物 在乳糖操纵子表达中的作用-,原核生物基因表达的一般情况（乳糖操纵子）,环境条件的变化是相关基因表达的外界信号基因表达 的负调控基因表达 的正调控正、负调控协同表达,葡萄糖、乳糖浓度的变化Lac阻遏物与操纵基因cAMP+CAP与相应的DNA序列,16,原核生物基因表达的一般情况（乳糖操纵子）环境条件的变化,二、色氨酸操纵子1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 调控基因 结构基因 催化分支酸转变为色氨酸 的酶,trpR,trp,17,二、色氨酸操纵子1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 调控,阻遏物对色氨酸操纵子的
8、负调控 阻遏物+Trp 结合操纵基因 相同二个 共阻遏物 亚基组成 的蛋白质高Trp时：阻遏物+Trp 结合操纵基因低Trp时：阻遏物 不结合操纵基因,18,阻遏物对色氨酸操纵子的负调控18,2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控衰减子（attenuator）-DNA位于L基因中,离E基因5端约30-60bp。通过衰减子（转录终止结构）使转录终止。高Trp 时：衰减子起作用，终止转录。产生“衰减子转录产物”（mRNA)，转录、翻译偶联，同时产生“前导肽”。,19,2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控19,前导肽,转录终止结构,图15-6,20,前导肽转录终止结构图15-620,原核生物转录、翻译偶联,图
9、15-8,21,原核生物转录、翻译偶联图15-821,衰减作用的基础,转录终止结构,高色氨酸时,低色氨酸时,图15-7,22,衰减作用转录终止结构高色氨酸时低色氨酸时图15-722,发夹结构,环,茎,多个U,23,发夹结构环茎多个U23,高Trp时：Trp-tRNATrp 存在 核糖体通过片段1(2个Trp密码子)封闭片段2 片段3，4形成发夹结构 类似于不依赖因子的转录终止序列 RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物,转录、翻译偶联,产生前导肽,24,高Trp时：Trp-tRNATrp 存在转录、翻译偶联,产,低Trp时：Trp-tRNATrp 没有供应 核糖体翻译停止在片段1（2个Trp
10、密码子）片段2，3 形成发夹结构 转录不终止 RNA聚合酶继续转录,25,低Trp时：Trp-tRNATrp 没有供应25,第二节 真核生物基因表达的调控,一.真核生物调控的特征：真核生物基因表达的调控核心途径：环境信号转导 染色质活化 转录的激活基因表达以正调控为主（激活蛋白激活靶基因）转录与翻译在不同的亚细胞区域进行,26,第二节 真核生物基因表达的调控一.真核生物调控的特征：,二、参与基因调控的顺式作用元件和反式作用因子,（一）顺式作用元件真核生物DNA序列和被转录的结构基因距离较近包括：启动子（启动子上游近侧序列）增强子和转录调控有关(可影响自身编码基因表达活性),27,二、参与基因调
11、控的顺式作用元件和反式作用因子（一）顺式作,1.启动子和启动子上游近侧序列是RNA聚合酶结合位点周围的DNA序列位于转录起始点的上游按其对RNA聚合酶的影响分为两类:位于较上游的元件，强烈影响转录起始 CAAT box，GC box离转录点较近，起转录起始调控作用 TATA box,28,1.启动子和启动子上游近侧序列28,去甲基化的CpG岛对转录起始是必需的CpG岛：基因的5末端调控区存在一段富含成对的胞嘧啶、鸟嘧啶（CpG）的序列,29,去甲基化的CpG岛对转录起始是必需的29,2.增强子一类能增强真核生物启动子功能的顺式作用元件（DNA序列）增强子、启动子交错覆盖/连续没有增强子 启动子
12、不表现活性没有启动子 增强子无法发挥作用增强子作用不受序列方向的制约有组织特异性,30,2.增强子30,3.反应元件真核细胞处于某一特定环境时 有反应的基因具有相同的顺式作用元件 这一类顺式作用元件-反应元件（DNA序列）特点：（）具较短的保守序列（）与转录起始点的距离不固定（）可位于启动子或增强子内举例：激素反应元件（HRE）,31,3.反应元件31,当糖皮质激素作用时,真核细胞中有反应的基因具有此类顺式作用元件,32,当糖皮质激素作用时,真核细胞中有反应的基因具有此类顺式作用元,（二）反式作用因子（转录因子，transcription factor）,一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子
13、 反式作用因子 识别/结合 顺式作用元件中的靶序列 启动转录例：转录因子TFD 识别结合 TATA box 转录因子 SP1 识别结合 GC box 转录因子 CTF1 识别结合 CCAATbox,33,（二）反式作用因子（转录因子，transcription,反式因子有两个必需的结构域DNA 结合结构域：与顺式元件识别、结合转录激活结构域：与RNA聚合酶结合,蛋白质,图15-9,34,反式因子有两个必需的结构域蛋白质图15-934,反式作用因子（DNA结合域）结构模式-蛋白质,Helix-turn-helix 螺旋-转角-螺旋,最常见DNA结合域之一例：CAP(最早在原核生物中发现）螺旋识别
14、、进入DNA双螺旋结构的大沟,35,反式作用因子（DNA结合域）结构模式-蛋白质Heli,Zinc-fingers 锌指,最常见DNA结合域之一约有30个AA残基其中4个AA残基（2个Cys，2个His或4个Cys）配位键 Zn2+锌指与DNA双螺旋大沟结合。存在于多种真核转录因子具多个锌指结构,36,Zinc-fingers最常见DNA结合域之一36,37,37,1,2,3,4,5,6,7,8,9,蛋白质,图15-10,图15-11,38,123456789蛋白质图15-10图15-1138,Leucine-zippers 亮氨酸拉链,一段肽链中每隔7个AA 即有一个Leu 螺旋 亲水面：亲水AA组成 疏水面：Leu组成（亮氨酸拉链条）可形成二聚体（发挥作用）（同二聚体/异二聚体）DNA的结合域：拉链区以外结构,39,Leucine-zippers 亮氨酸拉链一段肽链中每隔,图15-12,40,图15-1240,图15-13,41,图15-1341,helix-loop-helix 螺旋-环-螺旋,-螺旋有兼性形成二聚体有利于其与DNA结合,42,helix-loop-helix-螺旋有兼性42,二聚体,43,二聚体43,
