分子生物學(xué)原理基因表達(dá)調(diào)控

1、分子生物學(xué)原理基因表達(dá)調(diào)控2022/9/3分子生物學(xué)原理第1頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理第十三章 基因表達(dá)調(diào)控通常情況下，真核生物細(xì)胞只有2-15%的基因處于有轉(zhuǎn)錄活性的狀態(tài)。表達(dá)調(diào)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(dá)或不表達(dá)，而且按一定的時(shí)間、空間有次序高效地運(yùn)作。調(diào)控水平： 轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后、翻譯、翻譯后第2頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理第十三章 基因表達(dá)調(diào)控調(diào)控： 細(xì)胞代謝的調(diào)控（細(xì)胞生存、適應(yīng)內(nèi)環(huán)境）基因表達(dá)的調(diào)控（生命延續(xù)、適應(yīng)大環(huán)境）多水平的調(diào)控、多途徑的調(diào)控

2、調(diào)控特點(diǎn)：復(fù)雜、多變、靈敏、準(zhǔn)確第3頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理第一節(jié)、原核生物的操縱子調(diào)控模式操縱子： 幾個(gè)相關(guān)基因排列在一起，轉(zhuǎn)錄出一個(gè) mRNA，翻譯出多種具相關(guān)功能的蛋白質(zhì)，完成一個(gè)功能 。 有一個(gè)調(diào)控成分。 是原核生物的轉(zhuǎn)錄單位。 第4頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理 第一節(jié)、原核生物的操縱子調(diào)控模式一、酶的誘導(dǎo)（enzyme induction）二、操縱子（operon）的結(jié)構(gòu)與功能三、乳糖操縱子（Lac operon）與色氨 酸操縱子（Trp operon）四、 cAM

3、P對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控五、原核生物轉(zhuǎn)錄的整體調(diào)控模式第5頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理induceraddedinducerremoved酶蛋白合成量細(xì)胞孵育時(shí)間一、誘導(dǎo)現(xiàn)象由底物導(dǎo)致利用該底物的酶的合成增加。第6頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理一、誘導(dǎo)現(xiàn)象葡萄糖乳糖 無半乳糖苷酶乳糖葡萄糖+半乳糖第7頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理一、誘導(dǎo)現(xiàn)象酶的誘導(dǎo)是生物進(jìn)化中的一種合理、經(jīng)濟(jì)地利用有限資源的本能。酶的誘導(dǎo)是低等生物的普遍現(xiàn)象。1961

4、年，Jacob and Monod提出了操縱子學(xué)說。 酶誘導(dǎo)的本質(zhì)：代謝物對(duì)催化本身代謝的酶的合成量調(diào)節(jié)。第8頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能 操縱子阻遏物基因 上游啟動(dòng)子 操縱基因 一組結(jié)構(gòu)基因 R ( i ) P O S inhibitor promotor operator structural gene gene第9頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能啟動(dòng)子是結(jié)合RNA聚合酶的DNA序列強(qiáng)：-35TTGACA、-10TATAAT弱：-35區(qū)

5、共有序列 -10Pribnow不一致一般：基因工程選用強(qiáng)啟動(dòng)子，或雜交融合生成新啟動(dòng)子第10頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能Lac operon的啟動(dòng)子 Plac的-10Trp operon的啟動(dòng)子Ptrp的-35PtacPtac-17第11頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能操縱基因是結(jié)合阻遏物的部位，位于啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因之間，可與啟動(dòng)子部分重疊。是RNA聚合酶是否能通過的開關(guān)。 無阻遏物時(shí)，O區(qū)開放讓酶通過并轉(zhuǎn)錄下游的結(jié)構(gòu)基因 有阻遏物時(shí)酶就不

6、能通過第12頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能阻遏物基因 ： 產(chǎn)生阻遏物，位于離操縱子較遠(yuǎn)的上游區(qū)。負(fù)調(diào)控：起調(diào)控作用的蛋白質(zhì)分子抑制轉(zhuǎn)錄關(guān)閉的基因由代謝底物開放（誘導(dǎo)）-阻遏物失活開放的基因由代謝底物關(guān)閉（阻遏）-阻遏物激活第13頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能操縱子：結(jié)構(gòu)基因、上游啟動(dòng)子(P)和操縱基因(O)組成。P和O合稱調(diào)控區(qū)第14頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理可誘導(dǎo)和可阻遏的操縱子

7、LacTrp第15頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理三、乳糖操縱子和色氨酸操縱子第16頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理乳糖操縱子操縱子的三個(gè)結(jié)構(gòu)基因?yàn)?半乳糖苷酶、-半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶。在無乳糖時(shí)，阻遏蛋白與O區(qū)結(jié)合，阻止RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄在有乳糖時(shí)，乳糖與阻遏蛋白結(jié)合后，改變了阻遏蛋白的結(jié)構(gòu)，使其不能與O區(qū)結(jié)合。第17頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理(1kb)(155000)DDRPDDRP第18頁，共62頁，202

8、2年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理色氨酸操縱子色氨酸操縱子有5個(gè)結(jié)構(gòu)基因 D、E基因：共產(chǎn)生鄰氨基苯甲酸合成酶 C基因：產(chǎn)物是吲哚甘油磷酸合成酶 B、A基因：共同產(chǎn)物是色氨酸合成酶這些基因一起轉(zhuǎn)錄翻譯后可進(jìn)行色氨酸的合成。色氨酸合成僅限細(xì)菌。第19頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理色氨酸操縱子調(diào)控方式（-）（+）第20頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理乳糖和色氨酸操縱子的共同點(diǎn)以負(fù)調(diào)控方式為主：蛋白質(zhì)分子（阻遏物）對(duì)受調(diào)控的區(qū)域起抑制作用。由低分子物質(zhì)（底物或

9、產(chǎn)物）影響蛋白質(zhì)對(duì)DNA的結(jié)合。結(jié)果： 既滿足細(xì)胞生長需求，又不無謂浪費(fèi)。第21頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理乳糖和色氨酸操縱子的不同點(diǎn) 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(guān)閉第22頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理四、cAMP對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控在乳糖和葡萄糖都存在時(shí)，哪種糖被優(yōu)先利用？ 第23頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理四、cAMP對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控乳糖操縱子的啟動(dòng)子屬于弱啟動(dòng)子正調(diào)控方式CA

10、P：catabolite gene activator protein 分解代謝基因活化蛋白，受cAMP激活cAMP-CAP復(fù)合物：結(jié)合于DNA上游的CAP位點(diǎn)，促進(jìn)分解代謝基因表達(dá)CAP位點(diǎn)：位于PO上游，屬正調(diào)控位點(diǎn)第24頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理四、cAMP對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控培養(yǎng)基中有葡萄糖時(shí)：葡萄糖代謝引起細(xì)胞內(nèi)cAMP水平下降，乳糖操縱子基因關(guān)閉。培養(yǎng)基中葡萄糖不足時(shí)： cAMP水平升高， cAMP-CAP復(fù)合物生成， cAMP使CAP變構(gòu)，而與CAP位點(diǎn)結(jié)合，促進(jìn)乳糖操縱子基因的轉(zhuǎn)錄，以便細(xì)胞利用乳糖。第25頁，共62頁，202

11、2年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理四、cAMP對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控1第26頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)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。C：R1（阻遏蛋白），變構(gòu)后成R2。起始區(qū)：initiator（I） R1 和R2在變構(gòu)前后，分別執(zhí)行負(fù)和正調(diào)控功能。 誘導(dǎo)物可以使抑制蛋白在R1和R2兩種構(gòu)象之間轉(zhuǎn)變。第27頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理阿拉伯糖操縱子第28頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分

12、子生物學(xué)原理五、原核生物轉(zhuǎn)錄的整體調(diào)控模式調(diào)節(jié)子：regulon 操縱子是基因表達(dá)的基本單元，成群操縱子所組成的高一級(jí)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)稱為調(diào)節(jié)子調(diào)節(jié)原理： 內(nèi)、外環(huán)境的變化通過傳感器使膜內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)，這種信號(hào)可同時(shí)作用于多個(gè)操縱子，或激活或抑制，從而達(dá)到群體協(xié)調(diào)的目的。第29頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理調(diào)節(jié)子模式第30頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理SOS修復(fù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)子DNA損傷和復(fù)制受阻是刺激因子和信號(hào)。LexA蛋白是一系列操縱子的阻遏物。 recA基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RecA蛋白可水解LexA

13、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(dòng)，使細(xì)胞在應(yīng)急時(shí)可迅速啟動(dòng)大量基因的轉(zhuǎn)錄。第31頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理SOS修復(fù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)子第32頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理第二節(jié)、真核生物的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控真核生物的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控更為復(fù)雜：總量大：30億bp，10萬基因分散在各染色體上，23對(duì)染色體：定位大量的內(nèi)含子：比結(jié)構(gòu)基因多十?dāng)?shù)倍大量的重復(fù)序列：重復(fù)次數(shù)可達(dá)幾千百萬次更多的蛋白質(zhì)參與基因的多態(tài)性：不同的地域、人種、個(gè)體第33頁，共62頁，

14、2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理一、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(wù)還剛開始。第34頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一一、人類基因的研究人類基因組計(jì)劃：（HGP） human genomic project 對(duì)人類基因組大約30億核苷酸對(duì)的全序列測(cè)定。在完成結(jié)構(gòu)分析過程中，對(duì)基因的功能，包括其表達(dá)調(diào)控，作進(jìn)一步研究，以便徹底了解生命的奧秘。第35頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理HGP的內(nèi)容建立人類基因組高分辨率的遺

15、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(cè)定。建立收集、儲(chǔ)存、分類和分析所有有關(guān)資料和數(shù)據(jù)的工作系統(tǒng)。創(chuàng)建完成以上目標(biāo)所需的新技術(shù)、新方法。第36頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理二、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件分子辨認(rèn)：molecular recognition 探討DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)之間的辨認(rèn)與結(jié)合的機(jī)制，以及與調(diào)控的關(guān)系。第37頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理二、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件TATA box：-30區(qū)CAAT

16、 box 啟動(dòng)子GC box上游活化序列：（USA） upstream activator sequence應(yīng)答元件與可誘導(dǎo)因子：-200bp八聚體TATA box：免疫球蛋白第38頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理增強(qiáng)子的特點(diǎn)增強(qiáng)子：enhancer 它是在遠(yuǎn)距離影響啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件，必須被蛋白質(zhì)因子結(jié)合后才能發(fā)揮增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄的功能。增強(qiáng)子影響啟動(dòng)子，但沒有嚴(yán)格的專一性。增強(qiáng)子作用無方向性。第39頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理二、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件順式作用元件：真核生物結(jié)構(gòu)基因上游的調(diào)控區(qū)

17、，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(jié)合或間接影響其作用的蛋白質(zhì)因子。第40頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理真核生物RNA pol II轉(zhuǎn)錄的基因第41頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄因子第42頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物TFIID是唯一與 DNA特異位點(diǎn)即TATA盒結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子。TATA和TFIID、TFIIA、TFIIB、RNApolII、TFIIF和TFIIE形

18、成轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物(PIC)。第43頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理反式作用因子性質(zhì)同一DNA序列可被不同蛋白質(zhì)識(shí)別，同一蛋白質(zhì)因子也可與多種不同DNA序列結(jié)合 。 DNA與蛋白質(zhì)的結(jié)合少數(shù)是直接結(jié)合，多數(shù)是蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用后再影響DNA。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)或DNA-蛋白質(zhì)結(jié)合后，可導(dǎo)致構(gòu)象上的變化。反式作用因子在自身生物合成過程中，有相當(dāng)大的可變性和可塑性。第44頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理三、順式作用元件與反式作用因子的結(jié)合反式作用因子蛋白質(zhì)至少包括三個(gè)功能域：DNA識(shí)別結(jié)合域

19、、轉(zhuǎn)錄活性域和結(jié)合其它蛋白的結(jié)合域。模體：（motif）在結(jié)合域中存在的一些局部對(duì)稱二聚體。在DNA的某些序列中，也存在一定的對(duì)稱性。順式作用元件與反式作用因子的結(jié)合與這些對(duì)稱區(qū)域有關(guān)。第45頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理三、順式作用元件與反式作用因子的結(jié)合DNA結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：開放或關(guān)閉 序列不變蛋白質(zhì)因子：復(fù)雜、多變 二者結(jié)合基因表達(dá)調(diào)控的多變性第46頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋、螺旋-環(huán)-螺旋兩個(gè)亞基通過-折疊形成二聚體，相當(dāng)于DNA的一個(gè)螺距。第47頁，共62頁，

20、2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理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(jià)鍵和半胱氨酸殘基或組氨酸殘基結(jié)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(gè)單位以指部伸入DNA雙螺旋的深溝，接觸5 個(gè)核苷酸。第48頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理鋅指第49頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9

21、/3分子生物學(xué)原理亮氨酸拉鏈(Leu zipper)： 兩組平行的帶亮氨酸的螺旋形成的對(duì)稱二聚體。 DNA結(jié)合蛋白的C端，每隔7個(gè)氨基酸出現(xiàn)一個(gè)亮氨酸。蛋白質(zhì)的螺旋每圈為 3.6 個(gè)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(gòu)成拉鏈的一半。亮氨酸拉鏈第50頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理亮氨酸拉鏈常出現(xiàn)于真核生物 DNA結(jié)合蛋白的C 端，與癌基因表達(dá)調(diào)控功能有關(guān)。第51頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理第三節(jié)、癌基因癌基因：oncogene，onc 能使細(xì)胞癌變的DNA序列。

22、首先在致癌病毒中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)已證實(shí)它是正常存在于生物基因組內(nèi)。 致癌性：正?；虻牟徽１磉_(dá)的后果癌癥：基因以特殊形式表達(dá)后的性狀原癌基因：（pro-onc） 正常存在于生物基因組內(nèi)的癌基因。 第52頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理第三節(jié)、癌基因一、病毒癌基因和細(xì)胞癌基因二、癌基因分類三、癌基因激活四、抑癌基因第53頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理 病毒癌基因：V-onco細(xì)胞癌基因：c-onco把致癌病毒與正常細(xì)胞一起培養(yǎng)，可使正常細(xì)胞變?yōu)榘┘?xì)胞，這個(gè)過程稱為 轉(zhuǎn)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(xì)胞癌基因第54頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理癌基因表達(dá)產(chǎn)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(jié)合GTP而影響細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)系統(tǒng)。結(jié)合DNA發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控的作用，甚至影響復(fù)制過程。第55頁，共62頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)58分，星期一2022/9/3分子生物學(xué)原理二、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：