1、基因表達調控要求和工作第十三章 基因表達調控通常情況下，真核生物細胞只有2-15%的基因處于有轉錄活性的狀態。表達調控是研究不同的環境和條件以及各種因素如何令基因表達或不表達，而且按一定的時間、空間有次序高效地運作。調控水平： 轉錄、轉錄后、翻譯、翻譯后第十三章 基因表達調控調控： 細胞代謝的調控（細胞生存、適應內環境）基因表達的調控（生命延續、適應大環境）多水平的調控、多途徑的調控調控特點：復雜、多變、靈敏、準確第一節、原核生物的操縱子調控模式操縱子： 幾個相關基因排列在一起，轉錄出一個 mRNA，翻譯出多種具相關功能的蛋白質，完成一個功能 。 有一個調控成分。 是原核生物的轉錄單位。 第一

2、節、原核生物的操縱子調控模式一、酶的誘導（enzyme induction）二、操縱子（operon）的結構與功能三、乳糖操縱子（Lac operon）與色氨 酸操縱子（Trp operon）四、 cAMP對轉錄的調控五、原核生物轉錄的整體調控模式induceraddedinducerremoved酶蛋白合成量細胞孵育時間一、誘導現象由底物導致利用該底物的酶的合成增加。一、誘導現象葡萄糖乳糖 無半乳糖苷酶乳糖葡萄糖+半乳糖一、誘導現象酶的誘導是生物進化中的一種合理、經濟地利用有限資源的本能。酶的誘導是低等生物的普遍現象。1961年，Jacob and Monod提出了操縱子學說。 酶誘導的本質

3、：代謝物對催化本身代謝的酶的合成量調節。二、操縱子的結構與功能 操縱子阻遏物基因 上游啟動子 操縱基因 一組結構基因 R ( i ) P O S inhibitor promotor operator structural gene gene二、操縱子的結構與功能啟動子是結合RNA聚合酶的DNA序列強：-35TTGACA、-10TATAAT弱：-35區共有序列 -10Pribnow不一致一般：基因工程選用強啟動子，或雜交融合生成新啟動子二、操縱子的結構與功能Lac operon的啟動子 Plac的-10Trp operon的啟動子Ptrp的-35PtacPtac-17二、操縱子的結構與功能操縱

4、基因是結合阻遏物的部位，位于啟動子和結構基因之間，可與啟動子部分重疊。是RNA聚合酶是否能通過的開關。 無阻遏物時，O區開放讓酶通過并轉錄下游的結構基因 有阻遏物時酶就不能通過二、操縱子的結構與功能阻遏物基因 ： 產生阻遏物，位于離操縱子較遠的上游區。負調控：起調控作用的蛋白質分子抑制轉錄關閉的基因由代謝底物開放（誘導）-阻遏物失活開放的基因由代謝底物關閉（阻遏）-阻遏物激活二、操縱子的結構與功能操縱子：結構基因、上游啟動子(P)和操縱基因(O)組成。P和O合稱調控區可誘導和可阻遏的操縱子LacTrp三、乳糖操縱子和色氨酸操縱子乳糖操縱子操縱子的三個結構基因為-半乳糖苷酶、-半乳糖苷通透酶和-

5、半乳糖苷乙酰轉移酶。在無乳糖時，阻遏蛋白與O區結合，阻止RNA聚合酶的轉錄在有乳糖時，乳糖與阻遏蛋白結合后，改變了阻遏蛋白的結構，使其不能與O區結合。色氨酸操縱子色氨酸操縱子有5個結構基因 D、E基因：共產生鄰氨基苯甲酸合成酶 C基因：產物是吲哚甘油磷酸合成酶 B、A基因：共同產物是色氨酸合成酶這些基因一起轉錄翻譯后可進行色氨酸的合成。色氨酸合成僅限細菌。色氨酸操縱子調控方式（-）（+）乳糖和色氨酸操縱子的共同點以負調控方式為主：蛋白質分子（阻遏物）對受調控的區域起抑制作用。由低分子物質（底物或產物）影響蛋白質對DNA的結合。結果： 既滿足細胞生長需求，又不無謂浪費。乳糖和色氨酸操縱子的不同點

6、 乳糖操縱子 色氨酸操縱子 阻遏物阻遏物R基因R基因阻遏物阻遏物代謝物基因開放 基因關閉四、cAMP對轉錄的調控在乳糖和葡萄糖都存在時，哪種糖被優先利用？ 四、cAMP對轉錄的調控乳糖操縱子的啟動子屬于弱啟動子正調控方式CAP：catabolite gene activator protein 分解代謝基因活化蛋白，受cAMP激活cAMP-CAP復合物：結合于DNA上游的CAP位點，促進分解代謝基因表達CAP位點：位于PO上游，屬正調控位點四、cAMP對轉錄的調控培養基中有葡萄糖時：葡萄糖代謝引起細胞內cAMP水平下降，乳糖操縱子基因關閉。培養基中葡萄糖不足時： cAMP水平升高， cAMP-

7、CAP復合物生成， cAMP使CAP變構，而與CAP位點結合，促進乳糖操縱子基因的轉錄，以便細胞利用乳糖。四、cAMP對轉錄的調控1阿拉伯糖操縱子B、A、D：編碼三種酶，共催化阿拉伯糖的代謝。C：R1（阻遏蛋白），變構后成R2。起始區：initiator（I） R1 和R2在變構前后，分別執行負和正調控功能。 誘導物可以使抑制蛋白在R1和R2兩種構象之間轉變。阿拉伯糖操縱子五、原核生物轉錄的整體調控模式調節子：regulon 操縱子是基因表達的基本單元，成群操縱子所組成的高一級的調控網絡稱為調節子調節原理： 內、外環境的變化通過傳感器使膜內產生信號，這種信號可同時作用于多個操縱子，或激活或抑制

8、，從而達到群體協調的目的。調節子模式SOS修復系統的調節子DNA損傷和復制受阻是刺激因子和信號。LexA蛋白是一系列操縱子的阻遏物。 recA基因轉錄產物RecA蛋白可水解LexA蛋白。LexA阻遏recA基因，RecA蛋白可水解LexA蛋白，二者之間的平衡移動，使細胞在應急時可迅速啟動大量基因的轉錄。SOS修復系統的調節子第二節、真核生物的基因轉錄調控真核生物的基因轉錄調控更為復雜：總量大：30億bp，10萬基因分散在各染色體上，23對染色體：定位大量的內含子：比結構基因多十數倍大量的重復序列：重復次數可達幾千百萬次更多的蛋白質參與基因的多態性：不同的地域、人種、個體一、人類基因的研究基因組

9、：DNA雙螺旋 天書人類基因組即將全部破譯，一本書已通讀一遍，但閱讀理解的任務還剛開始。一、人類基因的研究人類基因組計劃：（HGP） human genomic project 對人類基因組大約30億核苷酸對的全序列測定。在完成結構分析過程中，對基因的功能，包括其表達調控，作進一步研究，以便徹底了解生命的奧秘。HGP的內容建立人類基因組高分辨率的遺傳圖譜完成全部人類染色體的各種物理圖譜及選擇某些模型生物的DNA物理圖譜。人類DNA和模型生物的DNA全部序列的測定。建立收集、儲存、分類和分析所有有關資料和數據的工作系統。創建完成以上目標所需的新技術、新方法。二、基因轉錄調控元件分子辨認：mole

10、cular recognition 探討DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質之間的辨認與結合的機制，以及與調控的關系。二、基因轉錄調控元件TATA box：-30區CAAT box 啟動子GC box上游活化序列：（USA） upstream activator sequence應答元件與可誘導因子：-200bp八聚體TATA box：免疫球蛋白增強子的特點增強子：enhancer 它是在遠距離影響啟動的轉錄調控元件，必須被蛋白質因子結合后才能發揮增強轉錄的功能。增強子影響啟動子，但沒有嚴格的專一性。增強子作用無方向性。二、基因轉錄調控元件順式作用元件：真核生物結構基因上游的調控區，有特定的相似或一

11、致性的序列。反式作用因子：和順式作用元件相結合或間接影響其作用的蛋白質因子。真核生物RNA pol II轉錄的基因RNA聚合酶II的轉錄因子轉錄前起始復合物TFIID是唯一與 DNA特異位點即TATA盒結合的轉錄因子。TATA和TFIID、TFIIA、TFIIB、RNApolII、TFIIF和TFIIE形成轉錄前起始復合物(PIC)。反式作用因子性質同一DNA序列可被不同蛋白質識別，同一蛋白質因子也可與多種不同DNA序列結合 。 DNA與蛋白質的結合少數是直接結合，多數是蛋白質-蛋白質相互作用后再影響DNA。蛋白質-蛋白質或DNA-蛋白質結合后，可導致構象上的變化。反式作用因子在自身生物合成過

12、程中，有相當大的可變性和可塑性。三、順式作用元件與反式作用因子的結合反式作用因子蛋白質至少包括三個功能域：DNA識別結合域、轉錄活性域和結合其它蛋白的結合域。模體：（motif）在結合域中存在的一些局部對稱二聚體。在DNA的某些序列中，也存在一定的對稱性。順式作用元件與反式作用因子的結合與這些對稱區域有關。三、順式作用元件與反式作用因子的結合DNA結構簡單：開放或關閉 序列不變蛋白質因子：復雜、多變 二者結合基因表達調控的多變性螺旋-轉角-螺旋、螺旋-環-螺旋兩個亞基通過-折疊形成二聚體，相當于DNA的一個螺距。鋅指鋅是很多酶的輔助因子鋅指：（Zinc finger）鋅螯合在多肽鏈中，以配價鍵

13、和半胱氨酸殘基或組氨酸殘基結合。Cys2/His2型： Cys-X24- Cys-X3-Phe-Leu- X2 -His- X3- HisCys2/ Cys2型： Cys-X2- Cys-X13 -Cys-X2- Cys一個單位以指部伸入DNA雙螺旋的深溝，接觸5 個核苷酸。鋅指亮氨酸拉鏈(Leu zipper)： 兩組平行的帶亮氨酸的螺旋形成的對稱二聚體。 DNA結合蛋白的C端，每隔7個氨基酸出現一個亮氨酸。蛋白質的螺旋每圈為 3.6 個氨基酸殘基。每二圈出現的亮氨酸與軸平行列在同一直線上，構成拉鏈的一半。亮氨酸拉鏈亮氨酸拉鏈常出現于真核生物 DNA結合蛋白的C 端，與癌基因表達調控功能有關

14、。第三節、癌基因癌基因：oncogene，onc 能使細胞癌變的DNA序列。 首先在致癌病毒中發現，現已證實它是正常存在于生物基因組內。 致癌性：正常基因的不正常表達的后果癌癥：基因以特殊形式表達后的性狀原癌基因：（pro-onc） 正常存在于生物基因組內的癌基因。 第三節、癌基因一、病毒癌基因和細胞癌基因二、癌基因分類三、癌基因激活四、抑癌基因 病毒癌基因：V-onco細胞癌基因：c-onco把致癌病毒與正常細胞一起培養，可使正常細胞變為癌細胞，這個過程稱為 轉化。致癌病毒存在的某些核苷酸序列稱為癌基因，即病毒癌基因。一、病毒癌基因和細胞癌基因癌基因表達產物功能生長因子及其類似物或生長因子的受體。酪氨酸蛋白激酶。結合GTP而影響細胞內的信號系統。結合DNA發揮轉錄調控的作用，甚至影響復制過程。二、癌基因的分類src家族：src、abl、fes、fgr、ros 酪氨酸蛋白激酶ras家族：Ha-ras、Ki-ras、N-ras 信息傳遞蛋白myc家族：C-、N-、L-myc、fos、myb DNA結合蛋白或反式作用因子sis家族：各類生長因子erb家族：erbA、B、mas、trk 細胞骨架類蛋白三、癌基因的激活點突變基因重排和放大化學致癌劑病毒感染 GF-受體-信號-DNA表達無限循環癌基因的激活機制癌基因的激活機