第十三章基因表達調控RegulationofGeneExpression2024/4/3分子生物學原理第十三章基因表達調控RegulationofGen1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(tài)。表達調控是研究不同的環(huán)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2024/4/3分子生物學原理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%2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(huán)境）基因表達的調控（生命延續(xù)、適應大環(huán)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2024/4/3分子生物學原理第十三章基因表達調控調控：3第一節(jié)、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。2024/4/3分子生物學原理第一節(jié)、原核生物的操縱子調控模式操縱子：4

第一節(jié)、原核生物的操縱子調控模式一、酶的誘導（enzymeinduction）二、操縱子（operon）的結構與功能三、乳糖操縱子（Lacoperon）與色氨酸操縱子（Trpoperon）四、

cAMP對轉錄的調控五、原核生物轉錄的整體調控模式2024/4/3分子生物學原理第一節(jié)、原核生物的操縱子調控模式一、酶的誘導（enzyme5induceraddedinducerremoved酶蛋白合成量細胞孵育時間一、誘導現(xiàn)象由底物導致利用該底物的酶的合成增加。2024/4/3分子生物學原理inducerinducer酶蛋白合成量細胞孵育時間一、誘導6一、誘導現(xiàn)象葡萄糖乳糖

無半乳糖苷酶乳糖葡萄糖+半乳糖2024/4/3分子生物學原理一、誘導現(xiàn)象葡萄糖乳糖無半乳糖苷酶乳糖葡萄糖+半乳糖2027一、誘導現(xiàn)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(xiàn)象。1961年，JacobandMonod提出了操縱子學說。酶誘導的本質：代謝物對催化本身代謝的酶的合成量調節(jié)。2024/4/3分子生物學原理一、誘導現(xiàn)象酶的誘導是生物進化中的一種合理、經濟地利用有限資8二、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)POSinhibitorpromotoroperatorstructuralgenegene2024/4/3分子生物學原理二、操縱子的結構與功能9二、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(qū)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2024/4/3分子生物學原理二、操縱子的結構與功能啟動子是結合RNA聚合酶的DNA序列不10二、操縱子的結構與功能Lacoperon的啟動子Plac的-10Trpoperon的啟動子Ptrp的-35PtacPtac-172024/4/3分子生物學原理二、操縱子的結構與功能Lacoperon的啟動子Plac11二、操縱子的結構與功能操縱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(qū)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2024/4/3分子生物學原理二、操縱子的結構與功能操縱基因是結合阻遏物的部位，位于啟動子12二、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(qū)。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2024/4/3分子生物學原理二、操縱子的結構與功能阻遏物基因：產生阻遏物，位于離操縱13二、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(qū)2024/4/3分子生物學原理二、操縱子的結構與功能操縱子：結構基因、上游啟動子(P)和操14可誘導和可阻遏的操縱子LacTrp2024/4/3分子生物學原理可誘導和可阻遏的操縱子LacTrp2024/4/2分子生物學15三、乳糖操縱子和色氨酸操縱子2024/4/3分子生物學原理三、乳糖操縱子和色氨酸操縱子2024/4/2分子生物學原理16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-半乳糖苷乙酰轉移酶。在無乳糖時，阻遏蛋白與O區(qū)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(qū)結合。2024/4/3分子生物學原理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17(1kb)(155000)

DDRPDDRP2024/4/3分子生物學原理(1kb)(155000)DDRPDDRP2024/4/218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。2024/4/3分子生物學原理色氨酸操縱子色氨酸操縱子有5個結構基因19色氨酸操縱子調控方式（-）（+）2024/4/3分子生物學原理色氨酸操縱子調控方式（-）（+）2024/4/2分子生物學原20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(qū)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。2024/4/3分子生物學原理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21乳糖和色氨酸操縱子的不同點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2024/4/3分子生物學原理乳糖和色氨酸操縱子的不同點乳糖操縱子22四、cAMP對轉錄的調控在乳糖和葡萄糖都存在時，哪種糖被優(yōu)先利用？

2024/4/3分子生物學原理四、cAMP對轉錄的調控在乳糖和葡萄糖都存在時，哪種糖被優(yōu)先23四、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：catabolitegeneactivatorprotein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2024/4/3分子生物學原理四、cAMP對轉錄的調控乳糖操縱子的啟動子屬于弱啟動子20224四、cAMP對轉錄的調控培養(yǎng)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(yǎng)基中葡萄糖不足時：cAMP水平升高，cAMP-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。2024/4/3分子生物學原理四、cAMP對轉錄的調控培養(yǎng)基中有葡萄糖時：葡萄糖代謝引起細25四、cAMP對轉錄的調控12024/4/3分子生物學原理四、cAMP對轉錄的調控12024/4/2分子生物學原理26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(qū)：initiator（I）R1和R2在變構前后，分別執(zhí)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。2024/4/3分子生物學原理阿拉伯糖操縱子B、A、D：編碼三種酶，共催化阿拉伯糖的代謝。27阿拉伯糖操縱子2024/4/3分子生物學原理阿拉伯糖操縱子2024/4/2分子生物學原理28五、原核生物轉錄的整體調控模式調節(jié)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(jié)子調節(jié)原理：內、外環(huán)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，從而達到群體協(xié)調的目的。2024/4/3分子生物學原理五、原核生物轉錄的整體調控模式調節(jié)子：regulon29調節(jié)子模式2024/4/3分子生物學原理調節(jié)子模式2024/4/2分子生物學原理30SOS修復系統(tǒng)的調節(jié)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。2024/4/3分子生物學原理SOS修復系統(tǒng)的調節(jié)子2024/4/2分子生物學原理31SOS修復系統(tǒng)的調節(jié)子2024/4/3分子生物學原理SOS修復系統(tǒng)的調節(jié)子2024/4/2分子生物學原理32第二節(jié)、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(tài)性：不同的地域、人種、個體2024/4/3分子生物學原理第二節(jié)、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33一、人類基因的研究基因組：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。2024/4/3分子生物學原理一、人類基因的研究基因組：DNA雙螺旋34一、人類基因的研究人類基因組計劃：（HGP）

humangenomicproject

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。2024/4/3分子生物學原理一、人類基因的研究人類基因組計劃：（HGP）35HGP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(tǒng)。創(chuàng)建完成以上目標所需的新技術、新方法。2024/4/3分子生物學原理HGP的內容建立人類基因組高分辨率的遺傳圖譜2024/4/236二、基因轉錄調控元件分子辨認：molecularrecognition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。2024/4/3分子生物學原理二、基因轉錄調控元件分子辨認：molecularrecog37二、基因轉錄調控元件TATAbox：-30區(qū)CAATbox啟動子GCbox上游活化序列：（USA）upstreamactivatorsequence應答元件與可誘導因子：-200bp八聚體TATAbox：免疫球蛋白2024/4/3分子生物學原理二、基因轉錄調控元件TATAbox：-30區(qū)2024/4/38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(fā)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。2024/4/3分子生物學原理增強子的特點增強子：enhancer39二、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(qū)，有特定的相似或一致性的序列。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。2024/4/3分子生物學原理二、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40真核生物RNApolII轉錄的基因2024/4/3分子生物學原理真核生物RNApolII轉錄的基因2024/4/2分子生41RNA聚合酶II的轉錄因子2024/4/3分子生物學原理RNA聚合酶II的轉錄因子2024/4/2分子生物學原理42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)。2024/4/3分子生物學原理轉錄前起始復合物TFIID是唯一與DNA特異位點即TATA43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程中，有相當大的可變性和可塑性。2024/4/3分子生物學原理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44三、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(qū)域有關。2024/4/3分子生物學原理三、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45三、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2024/4/3分子生物學原理三、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46螺旋-轉角-螺旋、螺旋-環(huán)-螺旋兩個亞基通過-折疊形成二聚體，相當于DNA的一個螺距。2024/4/3分子生物學原理螺旋-轉角-螺旋、螺旋-環(huán)-螺旋兩個亞基通過-折疊形成二聚47鋅指鋅是很多酶的輔助因子鋅指：（Zincfinger）鋅螯合在多肽鏈中，以配價鍵和半胱氨酸殘基或組氨酸殘基結合。Cys2/His2型：Cys-X2~4-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。2024/4/3分子生物學原理鋅指鋅是很多酶的輔助因子2024/4/2分子生物學原理48鋅指2024/4/3分子生物學原理鋅指2024/4/2分子生物學原理49亮氨酸拉鏈(Leuzipper)：

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(xiàn)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(xiàn)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2024/4/3分子生物學原理亮氨酸拉鏈(Leuzipper)：50亮氨酸拉鏈常出現(xiàn)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。2024/4/3分子生物學原理亮氨酸拉鏈常出現(xiàn)于真核生物DNA結合蛋白的C端，與癌2051第三節(jié)、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(fā)現(xiàn)，現(xiàn)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。2024/4/3分子生物學原理第三節(jié)、癌基因癌基因：oncogene，onc52第三節(jié)、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2024/4/3分子生物學原理第三節(jié)、癌基因一、病毒癌基因和細胞癌基因2024/4/2分子53

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(yǎng)，可使正常細胞變?yōu)榘┘毎@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2024/4/3分子生物學原理病毒癌基因：V-onco一、病毒癌基因和細胞癌基因202454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(tǒng)。結合DNA發(fā)揮轉錄調控的作用，甚至影響復制過程。2024/4/3分子生物學原理癌基因表達產物功能2024/4/2分子生物學原理55二、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、mybDNA結合蛋白或反式作