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1、北京大学医学部生物化学与分子生物学系,第一节 概述,一、基因表达的概念,1、基因（gene）：从遗传学讲，基因就是遗传的基本单位或单元，具有编码RNA或多数情况下编码多肽功能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗传信息的DNA分子片段,2、基因表达(gene expression)：基因表达就是基因转录及翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型；rRNA、tRNA编码基因转录生成相应RNA的过程也属于基因表达,二、基因表达的规律（特点）及方式,1、基因表达的规律（特点）：时、空特异,
2、1.1 时间特异性(temporal specificity，阶段特异性stage specificity)：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性,1.2 空间特异性(special specificity，细胞或组织特异性（tissue specificity）：在个体生长全过程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现。,2、基因表达的方式,2.1 组成性表达(constitutive gene expression),管家基因(housekeeping gene)：在生物个体的几乎所有细胞中持续表达，其表达产物对生命全过程都是必需
3、的或必不可少的基因,组成性基因表达（基本的基因表达）：管家基因的表达，它只受启动子与RNA聚合酶相互作用的影响,2.2 诱导(induction)和阻遏(repression)表达,诱导：在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，该现象称为诱导。相应基因称为可诱导的基因。,阻遏：基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为可阻遏的基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏,可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响外，尚受其它机制调节（如：增强子）,2.3 协调调节（coordinate regulation）,在一定机制控制下，机能上相关的一组基因，无论其
4、为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达。这种调节称为协调调节,三、原核生物、真核生物基因表达调控的意义,1、适应环境、维持生长和增殖 2、维持个体发育与分化,四、基因表达调控的基本原理,1、基因表达的多级调控：基因结构活化、转录起始、转录后加工及载运、翻译及翻译后加工，等,转录起始是基因表达的基本控制点,2、基因转录激活调节的基本要素（调控体系）,2.1 特异DNA序列：操纵子（原核）、顺式作用元件（真核）,操丛子(operator)：原核生物中由2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成的基因调控单位,顺式作用元件（cis-acting ele
5、ment）：可影响自身基因表达活性的DNA序列。包括启动子、增强子及沉默子等,2.2 调节蛋白,原核基因调节蛋白都是一些DNA结合蛋白,阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在,原核：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白 真核：转录因子（主要为反式作用因子）,正性调节机制在真核生物普遍存在,反式作用因子(trans-acting factor)：某一基因的编码产物，与其它基因的调节序列结合，调节其它基因的表达活性。大多数反式作用因子是DNA结合蛋白,3、转录调节的作用机理（基本形式）：DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用、RNA聚合酶活性调节,3.1 DNA-蛋白质相互作用：反式调节因子与顺式作
6、用元件之间的特异识别及结合,这种结合通常是非共价结合,多数调节蛋白结合DNA前需通过蛋白质-蛋白质相互作用形成二聚体或多聚体,3.2 蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结合DNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的DNA结合能力,3.3 RNA聚合酶：转录激活调节最终由RNA聚合酶活性体现,五、原核与真核基因表达调控的区别,1、真核基因与原核基因的结构特点,真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一条多肽链）,2、原核基因表达调控特点,因子决定RNA聚合酶识别特异性,操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调控单个启动基因的活性
7、来完成协调表达,阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导,3、真核基因表达调控特点,活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结构变化、DNA碱基修饰、组蛋白减少,正性调节占主导,转录与翻译分隔进行,转录后修饰、加工,RNA聚合酶有三种,第二节 原核基因转录调节,一、乳糖操纵子（元）的调节机制,1、乳糖操纵子(元)的结构：I-CAP-P-O-Z-Y-A,结构基因：Z、Y及A，分别编码-半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶,控制序列：操纵序列O、启动序列P、分解代谢物基因激活蛋白(CAP，cAMP结合蛋白)结合位点,调节基因I：编码阻遏蛋白（与O序列结合，关闭操纵子）,2、阻遏蛋白的负性调节,诱导物
8、：别乳糖（由乳糖转变而来）,机理：别乳糖与阻遏蛋白结合，促使阻遏蛋白从操纵序列脱离，诱导基因表达,3、CAP的正性调节,正调节物：cAMP。葡萄糖可促使cAMP浓度降低,机理：cAMP与CAP结合形成复合物，促使CAP结合CAP位点，激活RNA聚合酶,4、协调调节,负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作,功能相关基因协调合作，共同表达,二、其它操纵子,第三节 真核基因表达调控,一、真核基因组结构特点,二、真核基因转录激活调节,1、顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子,启动子（promoter）：RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，包括至少一个转录起始点及一个以上的机能组件（TATA盒
9、、GC盒、CAAT盒，等）,典型的启动子由TATA盒及上游的CAAT盒和/或GC盒组成,增强子（enhancer）：远离转录起始点、决定基因的时空特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，它的作用方式通常与方向、距离无关。增强子也是由若干机能组件增强体（enhanson）组成,有些机能组件既可在增强子、也可在启动子中出现,沉默子（silencer）：结合特异蛋白因子时对基因转录起阻遏作用,2、反式作用因子：基本因子、特异因子,2.1 基本转录因子：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子,决定三种RNA转录的类别。,TFD是通用的基本因子,多数基本因子是不同RNA聚合酶所特有的,2.2
10、特异转录因子：为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达,3、转录因子结构：DNA结构域、二聚化结构域、转录激活区,Common patterns of regulation of transcription initiation,负性调节,正性调节,1、诱导表达,2、阻遏表达,3、阻遏表达,4、诱导表达,调控方式,基因表达,高等生物,酵母,调控元件,启动子的常见组件,原核生物,Consensus sequence for promoters that regulate the expression of genes involved in the heat-shock respo
11、nse in E.coli.Binding of RNA polymerase to heat-shock promoters is mediated by a specialized subunit of the enzyme called 32,which replaces 70,An operon.Genes A,B,and C are transcribed on one polycistronic mRNA.Typical regulatory sequences include binding sites for proteins that either activate or r
12、epress transcription from the promoter,操纵子结构,激活蛋白结合位点,阻遏蛋白结合位点,启动子,调控序列,结构基因,调控元件,调控蛋白,调控蛋白,调控蛋白,A space-filling representation of a CAP homodimer bound to DNA.Base pairs recognized by the protein are shown in green,and amino acid side chains that bind to these base pairs are shown in red.Note the b
13、ending of the DNA around the protein,DNA-蛋白质相互作用,A ribbon representation with subunits shown in white and light blue.The helix-turn-helix DNA-binding motif is shown in red.Bound molecules of cAMP are shown in dark blue.,CAP同源二聚体,The bacteriophage repressor bound to DNA.The two identical subunits of
14、the dimeric protein are shown in gray and light blue.,噬菌体阻遏蛋白,DNA-蛋白质相互作用,Two examples of specific amino acid-base pair interactions that have been observed in the structures of DNA-bound regulatory proteins,DNA-蛋白质相互作用,噬菌体4 3 4阻遏蛋白,the helix-turn-helix motif in each is shown in red and yellow.The r
15、ed helices are the recognition helices,DNA-蛋白质相互作用,调控机理,1、抑制状态,2、诱导状态,一、乳糖操纵子的负性调节,乳糖操纵子,乳糖操纵子的负性调控结构.The bases shaded beige exhibit twofold(palindromic)symmetry about the axis indicated by the dashed line.,乳糖操纵子,2、别乳糖的生成,诱导物的结构,1、丙基硫代半乳糖苷,乳糖操纵子,二、乳糖操纵子的正性调节,正性调控序列,启动子结构,乳糖操纵子,正性调控,乳糖操纵子,三、乳糖操纵子的协调调
16、节,1、只有正性诱导物,2、同时有正、负性诱导物,3、无正、负性诱导物,4、只有负性诱导物,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,色氨酸操纵子,阻遏蛋白结构,色氨酸操纵子的前导序列,色氨酸操纵子,前导序列的配对方式,色氨酸操纵子,色氨酸操纵子的衰减机理,1、Trp浓度高时衰减,2、Trp浓度低时转录,阿拉伯糖操纵子,阿拉伯糖操纵子,噬菌体操纵子,其它操纵子类型,The SOS response in E.coli.The LexA protein is the repressor in this system,with an operator site(indicated in red)near each
17、 gene.(a)The recA gene is not entirely repressed by the LexA repressor,and about 1,000 RecA protein monomers are normally found in the cell.(b)When DNA is extensively damaged(e.g.,by UV light),DNA replication is halted and the number of single-strand gaps in the DNA increases.(c)RecA protein binds t
18、o this single-stranded DNA,activating the proteins coprotease activity.(d)While bound to DNA the RecA protein facilitates the cleavage and inactivation of the LexA repressor.When the repressor is inactivated,the SOS genes,including recA,are induced.RecA protein levels increase 50-to 100-fold,SOS反应,S
19、OS反应,细菌鞭毛蛋白重组,A leucine zipper from the yeast activator protein GCN4.The helices are shown in white and light blue.The interacting Leu residues are shown in red and purple.,一、亮氨酸拉链（Leucine zippers）,闭合拉链,开放拉链,拉链全貌,反式作用因子,亮氨酸拉链,反式作用因子,碱性螺旋,反式作用因子,锌指结构,反式作用因子,(a)A ribbon representation of a single zinc
20、 finger derived from the regulatory protein Zif 268.The zinc atom is in orange and the amino acid residues that coordinate it(two His and two Cys)are shown in red.,锌指结构,(b)Three zinc fingers(light blue and gray)from Zif 268 are shown complexed with DNA.The zinc atoms are again shown in orange.,反式作用因
21、子,真核基因表达调控,(a)Typical eukaryotic transcriptional activators that affect RNA polymerase II.TFIID is a general transcription factor.CTFI,GAL4,and Spl are transcriptional activators that bind to specific DNA sites.PPP:proline-rich;-:acidic;QQQ:glutamine-rich.Some or all of these proteins may activate t
22、ranscription via intermediary proteins called coactivators.,(b)A chimeric protein with the DNA-binding domain of Spl and the activation domain of CTFI activates transcription if a GC box is present.,真核基因表达调控,个体发育与分化,The life cycle of the fruit fly Drosophila melanogaster,果蝇幼虫（蛹）最早期只有一组“母亲效应基因”表达，使受精
23、卵发生头尾轴和背腹轴固定,三组“分节基因”顺序表达、控制蛹的“分节”发育过程，最后这些“节”分别发育为成虫的头、胸、翅膀、肢体、腹及尾等,个体发育与分化,A micrograph of an immunologically stained Drosophila egg,showing distribution of the bicoid(bcd)gene product.The graph measures stain intensity.This distribution is essential for normal development of the anterior structur
24、es of the animal.If the bcd gene is not expressed,the resulting embryo has two posteriors,as shown,个体发育与分化,The effects of mutations in homeotic genes.(a)Normal Drosophila head.(b)Drosophila homeotic mutant(Antennapaedia)in which antennae are replaced by legs.(c)Normal Drosophilcz body structure.(d)H
25、omeotic mutant(Bithorax)in which a segment has developed incorrectly to produce an extra set of wings.,个体发育与分化,DNA结构域：锌指（zinc finger）、碱性螺旋（basic helix）、碱性亮氨酸拉链（basic leucine zipper,bZIP）、碱性螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix,bHLH）,二聚体结构域：亮氨酸拉链、螺旋-环-螺旋,转录激活区：酸性激活域、Gln富含域、Pro富含域,4、mRNA转录激活及其调节,真核RNA聚合酶不能单独识别、结合启动子,TFIID是唯一具有位点特异的DNA结合能力的因子,
