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1、,第16章 基因表达的调节,Regulation of Gene,Expression,1.基因与基因组基因表达（gene expression）就是基因转录与翻译的过程。在某一特定时间，基因组只有一部分处于表达状态。基因具有特定生物遗传信息的DNA序列，在一定条件下能够表达这种遗传信息，产生特定的生理功能。,结构基因 1,调控区间隔序列,结构基因 2编码区,DNA,DNA与基因的关系,1.基因与基因组,终止点,增强子,启动子,起始点,外显子,外显子,外显子,内含子,内含子,增强子,DNA,真核生物基因结构图,基因组(genome),概念：是细胞或生物体的全套遗传物质。,原核生物基因组：是指单
2、个染色体上所含的全部基因。真核生物基因组：是指维持配子或配子体正常功能的最基本的一套染色体及其所携带的全部基因。,真核生物基因组分为：,高度重复序列：重复几十万次到几百万次，可能参与DNA复,制及基因表达的调节。,中度重复序列：平均重复350次，有些是结构基因。,低度重复序列：不重复或只重复几次，十几次。是结构基,因，或者是基因的间隔序列。,基因表达控制的潜在环节,复制水平,前体mRNA的转录,mRNA前体转录后的修饰和加工mRNA从核内转移到胞液mRNA的稳定性调节,mRNA的翻译活性调节肽链翻译后的加工,肽链的转运和细胞定位蛋白质的稳定性,转录是基因表达控制的中心环节,原核基因表达的调节通
3、过 操纵子,(operon)进行，操纵子是DNA上由几个相关的结构基因以及对其转录进行调节的启动基因和操纵基因等组成的单位。(操纵子学说由Monod and Jocob提出，1960),2.原核基因表达的调节,激活物结合位置,启动基因 P,操纵基因 O,结构基因,原核生物操纵子中的结构基因是多顺反子，即含有几个编码功能相关的蛋白质或酶的基因。在其上游有操纵基因（O）和启动基因（P),操纵基因是阻遏物蛋白结合的部位(在阴性调节中)。P基因是RNA聚合酶结合并开始转录的部位。在 P基因的上游，有激活物蛋白结合的部位(在阳性调节中)，还有表达阻遏物蛋白的调节基因 i。,阴性调控（negative c
4、ontrol）：阻遏物蛋白（repressor）对基因开关（操纵基因,O基因）进行的调节。阻遏物蛋白结合在操纵基因上则转录不能进行，它的活性受小分子诱导物影响。阻遏物是由调节基因i表达的。,阳性调控（positive control）：激活物蛋白（activator）对RNA聚合酶的转录进行的调节。激活物蛋白结合在启动基因(P基因)上游的某个区域以增强RNA聚合酶的转录活性，它的活性也受小分子的影响。,操纵子转录调节的两种方式,阴性调控,阳性调控,阻遏物,激活物,RNA聚合酶,Z（半乳糖苷酶）、Y（透过酶）和A（乙酰化酶）是功能相关的结构基因，为细菌利用乳糖所必需,大肠杆菌乳糖操纵子的结构,三
5、个结构基因,Z 基因：,编码-半乳糖苷酶（galactosidase），分解乳糖成为半乳,糖和葡萄糖。,Y基因：,编码透酶（pormease），使外界乳糖等透过大肠杆菌细胞壁,进入细胞内。,A基因：,编码乙酰基转移酶（acetylase），能将乙酰CoA上的乙酰基,转移到半乳糖上，形成乙酰半乳糖。,三个调节序列：,在结构基因的上游还有一个启动子（P）和一个操纵基因（O），在启动子上游还有一个CAMP受体蛋白CRP位点，以及一个调节基因（I基因），调节基因编码阻遏蛋白。,在培养介质中以葡萄糖为能源而无乳糖时，阻遏蛋白能与操纵基因结合。由于操纵基因与启动子有部分重叠，阻遏蛋白与操纵基因结合后，抑制
6、了RNA聚合酶与启动子结合，从而抑制结构基因Z、Y、A的转录。,阻遏蛋白的负性调节,P,I,DNA,Z,Y,A,O,pol,mRNA阻遏蛋白没有乳糖存在时,阻遏基因,在有乳糖存在时，该操纵子即可被诱导。乳糖作为诱导剂与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白的构象发生改变，导致阻遏蛋白与操纵基因解聚，引起结构基因转录。,有乳糖存在时,Z,O,P,I,mRNA-,R po,YNA A l,乳糖操纵子的负调节,CRP的正性调节:,CRP蛋白是一个同二聚体，具有DNA结合域和cAMP结合位点。当没有葡萄糖存在时，由于cAMP的浓度受葡萄糖代谢的调节，cAMP浓度表现为较高，这时cAMP与CRP蛋白结合形成cAMP-
7、CRP复合物。此复合物可结合在lac启动基因上游附近的CRP位点上，从而可增强转录达50倍之多。,当培养基中有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，cAMP与CRP蛋白不能形成复合物，也就不能结合到CAP位点，lac基因的,转录水平较低。,由此可见，对lac操纵子来说CRP是正性调节因素，阻遏蛋白是负性调节因素。,A,Y,Z,O,P,I,CRP的正性调节,cAMPcAMPCAP,RNA pol,A,Y,Z,O,P,I,RNA pol,cAMPCAP,协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，CRP对该系统不能发挥作用；如无CRP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳
8、糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时,细菌首先利用葡萄糖。,葡萄糖对,lac 操纵子的阻遏作用称分解代,谢阻遏（catabolic repression）。,O,O,RNA pol O,cAMP,cAMP,RNA pol,RNA pol O,RNA pol,乳糖操纵子的双向调节,G和乳糖同时存在时，细菌优先利用 G；缺乏G时，细胞中的cAMP水平有升高，与cAMP受体蛋白结合使之激活，乳糖操纵子的表达受到阳性调节。如果此时又有乳糖存在，则乳糖操纵子的表达既有阴性调节又有阳性调节。,mRNAtrp 低时trp 高时trp,O,P,I,调节区,结构基因,前导序列,衰减子,色氨酸操纵子,Tr
9、p 操纵子的负调节,5个结构基因上游与前导肽基因trpL相邻，其转录区1、2、3和4之间可形成特殊的茎环结构，通常1与2配对，3与4配对，成为有效的终止子。,Trp 丰富时，核糖体顺利通过含有两个Trp密码子的1区（提示：原核生物的共转译），在4区尚未转录之前到达2区，使2与3不能配对，而3与4配对，使转录终止。而缺乏Trp时，核糖体几乎停留在1区，使1不能与2配对，2则与3配对，使转,录得以继续。,Trp 操纵子转录终止的弱化(attenuation),转录终止的弱化,真核染色质结构,组蛋白,核小体,真核染色体DNA处于转录抑制状态，组蛋白乙酰化，磷酸化，DNA的脱甲基使其转录去阻抑。,真核
10、基因表达的调节以利用激活物的阳性调节为主。,真核基因转录有包括RNA聚合酶II，通用转录因子,（GTFs）等许多因子的参与。,真核基因的转录和翻译在时空上是分开进行的。,2.真核基因表达的调节,真核基因调节区=启动子+DNA调节序列,真核基因转录起始复合物是由RNApol II和通用转录因子等,组成的复合体。,调节序列(称顺式作用元件，cis-acting element)间隔地分布在启动子的上下游，如增强子、沉寂子等，对转录起始复合物实现远距离调节。,基因调节蛋白(称反式作用因子,trans-acting factors)在细胞中可扩散，有通用的和特异的，有固有的和诱导的，有激活性的和抑制性
11、的，对基因开关有选择性。,顺式作用元件（cis-acting element）是指可影响自身基因表达活性的特异 DNA序列。通常是非编码序列。包括启动子、增强子及沉默子等。,A,B,启动子,真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周,围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。,TATAGC,CAAT,TATA盒：（TATAAAA）,位置：25 30bp是TFD结合位点。,控制转录起始的准确性及频率。,GC盒：（GGGCGG）,CAAT盒：（GCCAAT）,位置：70bp附近,与相应蛋白因子结合，提高或改变转录效率。,增强子（enhancer）,指远离转录起始点、决定基因的
12、时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的 DNA序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关，而且具有组织特异性。它一般与转录激活因子结合，通过作用于转录起始复合物增强,RNA聚合酶的活性，从而促进转录。,沉默子（silencer）,为负性调节元件，当其结合特异蛋白因子,时，对基因转录起阻遏作用。,基因表达的调节可能在远距离进行,是指能与顺式作用元件结合，调节基因转录效率的一组蛋白质，其编码基因与作用的靶DNA序列不在同一DNA分子上，称为反式作用因子（trans-acting factor）。,反式作用因子（trans-acting factor）,aA,DNAmRNA,A,A,反式调节b,
13、cC,DNAmRNAC,C顺式调节,反式作用因子分类（按功能特性）,*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(m(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。,*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。,转录激活因子：如增强子结合蛋白转录抑制因子：如沉默子结合蛋白,（调节区域）真核基因调节区由启动子和基因调节序列组成RNA 聚合酶II 和通用转录因子结合在启动子上基因调节蛋白作用于基因调节序列，这些基因调节序列散布在基因的上、下游，对其的调节是远距离的。,（基因调节蛋白）,RNA聚合酶和,通用转录因子,蛋白质与核酸的相互作用是
14、调节基因表达的分子基础,大多数基因调节蛋白分子都有一套与DNA结合的特定基序(motif)，如螺旋-转角-螺旋，亮氨酸拉链结构，锌指结构和螺旋-环-螺旋等。,基因调节蛋白通过DNA双螺旋大沟（Majorgroove）识别其特定的序列(10至20个碱基)并且与之非共价结合。,常见的DNA结合域：,旋-折-,螺旋-转折-螺旋,锌指结构,亮氨酸拉链,旋-,螺旋-环-螺旋,螺旋-转角-螺旋,Helix-Turn-Helix,锌指结构（zinc finger）,由一段富含半胱氨酸的多肽链构成。每四个半,胱氨酸残基或2个Cys，2个His残基螯合一分子Zn2+，其余约12-13个残基则呈指样突出，刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中而与之相结合。每个蛋白质分子中可含2-9个锌指结构。,锌,指,Zinc finger motif,亮氨酸拉链结构：,见于真核生物DNA结合蛋白质的C端。由两段-螺旋平行排列构成，其-螺旋中存在每隔7个残基规律性排列的Leu 残基，Leu侧链交替排列而呈拉链状。两条肽链呈钳状与DNA结合。,亮氨酸拉链,Leucine zipper,螺旋-圈-螺旋,Helix-loop-helix,基因调节序列,转录调节因子结构,DNA结合域转录激活域,蛋白质蛋白质结合域（二聚化结构域）,转录控制,转录后加工基因表达的各个调节部位,转运,翻译控制,蛋白质活性控制,mRNA的降解控制,
