第05章 基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控

基因表達(dá)第五章10/16/20231基因表達(dá)（geneexpression）

是指基因所貯存的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄（transcription）和翻譯（translation）產(chǎn)生具有生物功能的多肽和蛋白質(zhì)的過程

10/16/20232第一節(jié) 基因表達(dá)的過程和特點(diǎn)

一、基因的轉(zhuǎn)錄—RNA的合成

二、蛋白質(zhì)的生物合成—翻譯10/16/2023310/16/2023410/16/20235復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別模板原料酶產(chǎn)物配對(duì)兩股鏈均復(fù)制模板鏈轉(zhuǎn)錄dNTPNTPDNA聚合酶RNA聚合酶子代雙鏈DNAmRNA,tRNA,rRNAA-T,G-CA-U,C-A,G-C復(fù)制轉(zhuǎn)錄10/16/20236復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的比較

多核苷酸鏈的合成方向都是5’—3’

在3’-OH末端與加入的核苷酸形成磷酸二酯鍵不同點(diǎn)類似點(diǎn)

對(duì)于一個(gè)基因組來說，轉(zhuǎn)錄只發(fā)生在一部分基因，而且每個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄都受到相對(duì)獨(dú)立的控制

轉(zhuǎn)錄是不對(duì)稱的

轉(zhuǎn)錄時(shí)不需要引物

RNA鏈的合成是連續(xù)的10/16/20237

●

定義轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板合成RNA的過程mRNA、tRNA、rRNA、小分子RNA●

轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一、基因的轉(zhuǎn)錄10/16/20238

1.

轉(zhuǎn)錄的體系●

原核細(xì)胞全酶（holoenzyme）α2ββ'σ●真核細(xì)胞RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III

模板DNA

原料ATP、CTP、GTP、UTP

RNA聚合酶（一）基因轉(zhuǎn)錄的基本方式10/16/2023910/16/202310結(jié)構(gòu)基因模板鏈，有意義鏈，Waston鏈編碼鏈，反意義鏈，Crick鏈5’3’3’5’RNA合成中的DNA模板10/16/202311E.coliRNA聚合酶全酶(holoenzyme)的結(jié)構(gòu)β’βαασ決定被轉(zhuǎn)錄的基因識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)結(jié)合DNA模板與轉(zhuǎn)錄全過程有關(guān)β’βαα核心酶10/16/202312RNA-polI核仁45S-rRNA不敏感RNA-polII核質(zhì)hnRNA低濃度敏感RNA-polIII核質(zhì)5S-rRNA,tRNA,snRNA

高濃度敏感MtRNA-pol線粒體線粒體RNAs不敏感真核生物的RNA聚合酶種類細(xì)胞內(nèi)定位轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物對(duì)抑制劑鵝膏蕈堿反應(yīng)10/16/202313(二)轉(zhuǎn)錄的過程

1.起始●原核細(xì)胞RNA聚合酶與啟動(dòng)子相互作用●真核細(xì)胞RNA聚合酶、反式作用因子與順式元件相互作用——拼板理論10/16/202314DNA原核生物啟動(dòng)子5’3’3’5’TTGACATATAAT10bp15bpStartoftranscriptionPribnowboxRNApolymerase-35區(qū)-10區(qū)+110/16/20231510/16/202316DNA5’3’3’5’真核生物啟動(dòng)子StartoftranscriptionTATA10bpTATAboxHognessboxCCAATGCGCCAATboxGCbox-70區(qū)-25區(qū)+1RNApolymerase10/16/20231710/16/20231810/16/2023192.延伸核心酶催化

磷酸化的RNA聚合酶催化，核小體解聚●原核細(xì)胞●真核細(xì)胞10/16/20232010/16/2023213.終止●原核細(xì)胞●真核細(xì)胞結(jié)合富含C的RNA區(qū)段，發(fā)揮ATP酶及解螺旋酶活性轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)處切離并加尾依賴ρ因子不依賴ρ因子RNA3‘端形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)10/16/202322RNA-pol5’3′ρDNARNApolyCρ因子和RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)合RNA聚合酶構(gòu)象改變引起轉(zhuǎn)錄終止10/16/20232310/16/202324（三）轉(zhuǎn)錄后加工●原核細(xì)胞●真核細(xì)胞tRNA和rRNA需加工，mRNA不需加工tRNA、rRNA和mRNA均需加工1.原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的差異10/16/2023252.真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工●

5'端加帽轉(zhuǎn)錄未終止時(shí)加入m7G5'ppp，與穩(wěn)定mRNA及翻譯起始有關(guān)5’pppG…5’pG…ppi5’GpppG…pppGpi甲基化酶mGpppG…磷酸酶CH310/16/202326核酸酶poly(A)3’-OH引入100-200bpA真核基因3’端AATAA切除3’尾10—25堿基

●3'端加尾加尾信號(hào)處切離,并加poly(A)，與穩(wěn)定mRNA及翻譯效率有關(guān)10/16/20232710/16/202328

●剪接（splicing）由小分子細(xì)胞核內(nèi)核蛋白顆粒（snRNP）去除核不均一RNA（hnRNA）中的內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄序列10/16/20232910/16/20233010/16/202331

通過不同剪接方式選擇性使用外顯子，合成功能不同而結(jié)構(gòu)只有微小差異的蛋白質(zhì)選擇性剪接10/16/202332

●RNA編輯（RNAediting）RNA編輯是對(duì)mRNA前體的序列進(jìn)行的改編，在mRNA前體分子的堿基序列中C被U取代，A被G取代，使成熟mRNA的序列與基因組DNA序列不同10/16/202333成熟mRNA＋蛋白質(zhì)→細(xì)胞核→細(xì)胞質(zhì)3.真核生物成熟mRNA的運(yùn)輸信使核糖核蛋白顆粒(mRNP)10/16/202334二、蛋白質(zhì)的生物合成——翻譯以特定核苷酸序列的mRNA為模板，合成相應(yīng)氨基酸序列的多肽鏈，即將帶有遺傳信息的核苷酸順序轉(zhuǎn)換為氨基酸順序的過程組成蛋白質(zhì)的氨基酸由其特定的tRNA攜帶和轉(zhuǎn)運(yùn)，在核蛋白體上按照模板mRNA所提供的編碼信息合成具有特定序列的多肽鏈10/16/202335

(一)翻譯的體系(二)翻譯的基本過程(三)肽鏈翻譯后的加工修飾(四)蛋白質(zhì)的分揀與轉(zhuǎn)運(yùn)

10/16/202336(一)翻譯的體系

●模板mRNA●氨基酸運(yùn)輸tRNA●肽鏈合成場(chǎng)所核糖體（rRNA+蛋白質(zhì)）●蛋白質(zhì)因子起始、延長(zhǎng)、終止因子●原料20種有遺傳密碼的氨基酸10/16/202337

●

模板mRNA

mRNA是翻譯的直接模板

mRNA的壽命一般較短

編碼單個(gè)蛋白或多個(gè)蛋白

mRNA具有方向性，從5‘端到3’端。對(duì)應(yīng)肽鏈從氨基端到羧基端

3個(gè)核苷酸構(gòu)成1個(gè)密碼子，指令氨基酸10/16/202338●連續(xù)性●簡(jiǎn)并性●通用性●擺動(dòng)性●方向性密碼子特點(diǎn)遺傳密碼表10/16/202339由氨基酰-tRNA合成酶催化與氨基酸的連接●

氨基酸運(yùn)輸tRNAT

C環(huán)反密碼子氨基酸臂額外環(huán)(可變的)DHU環(huán)具有絕對(duì)專一性和校正功能運(yùn)輸氨基酸10/16/202340●肽鏈合成場(chǎng)所核糖體（rRNA+蛋白質(zhì)）●原核細(xì)胞●真核細(xì)胞30S:16SrRNA和21種蛋白質(zhì)50S:5S、23SrRNA和34種蛋白質(zhì)）40S:18SrRNA和33種蛋白質(zhì)60S:5S、5.8S、23SrRNA和49種蛋白質(zhì)70S80S10/16/202341

●蛋白質(zhì)因子

名稱原核細(xì)胞真核細(xì)胞IF1,IF2,IF3eIFn(10余種)

延長(zhǎng)因子EFTu,EFTs,EFG

EF1(α,

β,γ),

EF2

釋放因子RF1,RF2,RF3eRF起始因子10/16/202342●原料20種有遺傳密碼的氨基酸●原核細(xì)胞●真核細(xì)胞起始氨基酸為N-甲酰蛋氨酸（密碼子AUG、GUG、UUG）起始氨基酸為蛋氨酸（密碼子AUG）10/16/202343氨基酸+ATP+tRNA氨基酰tRNA+AMP+PPi氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酰tRNA的表示方法ala-tRNAalamet-tRNAemetarg-tRNAargmet-tRNAimet真核細(xì)胞起始用蛋氨酰tRNA真核細(xì)胞延伸用蛋氨酰tRNAfmet-tRNAimet

原核細(xì)胞延伸用甲酰蛋氨酰tRNA10/16/202344一種氨基酸可由2-6種tRNA特異地運(yùn)載tRNA的總數(shù)（40-50）大于氨基酸的數(shù)目氨基酰tRNA合成酶具有高度特異性（副密碼子）氨基酰tRNA合成酶具有校讀活性真核生物攜帶蛋氨酸的tRNA有兩種，分別為tRNAimet和tRNAemet原核生物AUG只能辨認(rèn)甲?；牡鞍彼岚被岬幕罨c轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)10/16/202345（二）翻譯的基本過程1.起始

形成翻譯起始復(fù)合物2.延長(zhǎng)指每加一個(gè)氨基酸經(jīng)過進(jìn)位、成肽和轉(zhuǎn)位3.終止

●原核細(xì)胞RF1,RF2識(shí)別終止密碼，RF3激活轉(zhuǎn)肽酶釋放肽鏈

●真核細(xì)胞eRF同時(shí)具有上述功能10/16/202346大小亞基的拆分mRNA與小亞基結(jié)合fmet-tRNA的結(jié)合核糖體大亞基結(jié)合翻譯起始復(fù)合物形成過程1.起始10/16/20234710/16/202348特異的起始tRNA2.mRNA有5’端帽子結(jié)構(gòu)和3’尾巴。2種帽子結(jié)合蛋白（CBP）參與mRNA與核蛋白體小亞基結(jié)合3.起始階段,eIF2與met-tRNA及GTP結(jié)合形成復(fù)合物，eIF2是翻譯所必須的因子真核生物翻譯起始10/16/20234910/16/20235030S·mRNA·fMet·tRNAfmet·GTP·IF2IF3·IF1+mRNA70S核糖體+IF3+IF1

30S小亞基·IF3·IF1+50S大亞基fMettRNAfmet+GTP+IF2

fMet·tRNAfmet·IF2·GTP+50SIF2IF1IF3·GDP70S·mRNA·fMet·tRNAfmet70S起始復(fù)合物的形成10/16/20235140S·Met

·

tRNAimet·GTP80S核蛋白體+eIF340S小亞基·eIF3+60S大亞基Met·tRNAimet+GTP+eIF2

Met·tRNAfmet·eIF2·GTP80S·Met·tRNAfmet·mRNA80S起始復(fù)合物40S·mRNA·Met

·

tRNAimet·GTPeIF4C+mRNAeIF4A,4B,4E,4F+60SeIF2,3,4C,5eIF4D80S起始復(fù)合物的形成10/16/2023522.延長(zhǎng)進(jìn)位、成肽和轉(zhuǎn)位三個(gè)階段核糖體循環(huán)P位：給位或肽位DonorsiteorPeptidylsiteA位：受位或氨基酰位AcceptorsiteorAminoacylsite進(jìn)位成肽轉(zhuǎn)位核糖體小亞基PAmRNAAUGUUAGGUCCCAACAGCAUCUAC核糖體大亞基tRNAAAUtRNA蛋亮PAmRNAAUGUUCGGUCCCAACAGCAUCUACAAG蛋亮PAmRNAAUGUUCGGUCCCAACAGCAUCAAG亮蛋10/16/20235310/16/20235410/16/2023553.終止釋放因子（RF）辨認(rèn)終止碼RF3激活轉(zhuǎn)肽酶，催化P位上的肽與tRNA解離在釋放因子（RF）的作用下，tRNA，mRNA和RF從核糖體上解離，在IF的作用下核糖體自身分解為大小亞基。10/16/20235610/16/20235710/16/20235810/16/20235910/16/20236010/16/20236110/16/20236210/16/202363（三）肽鏈翻譯后的加工修飾

1.一級(jí)結(jié)構(gòu)修飾●去掉N-甲?；?、N-蛋氨酸或N端序列

●

個(gè)別氨基酸的修飾（羥化、磷酸化、形成-S-S-等）●

多蛋白（polyprotein）的水解修飾10/16/2023642.空間結(jié)構(gòu)修飾●折疊成天然構(gòu)象分子伴侶（molecularchaperon）幫助新生多肽鏈折疊成高級(jí)結(jié)構(gòu)的一類蛋白質(zhì)

●亞基聚合

●輔基的結(jié)合（如糖基化等）10/16/202365(四)蛋白質(zhì)的分揀與轉(zhuǎn)運(yùn)

1.分揀（sorting）分揀信號(hào)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)或高級(jí)結(jié)構(gòu)中存在被分配到目的地的信息●細(xì)胞核：核定位信號(hào)（富含堿性氨基酸）

●各種細(xì)胞器：細(xì)胞器定位信號(hào)

●分泌至細(xì)胞外：信號(hào)肽（signalpeptide）堿性氨基酸＋疏水氨基酸＋剪切位點(diǎn)10/16/202366●翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)同步（如多數(shù)分泌性蛋白）●翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)（如核DNA編碼的線粒體蛋白）2.轉(zhuǎn)運(yùn)靶向運(yùn)輸分泌至胞外留在胞漿內(nèi)進(jìn)入核內(nèi)或其他細(xì)胞器穿過合成所在的細(xì)胞到其它組織細(xì)胞去的蛋白質(zhì)為分泌性蛋白10/16/202367蛋白質(zhì)合成的調(diào)節(jié)四環(huán)素類，抑制原核氨基酰tRNA與核糖體結(jié)合氯霉素類，阻斷延長(zhǎng)，原核鏈霉素類，改變構(gòu)象，原核嘌呤霉素，競(jìng)爭(zhēng)抑制酪氨酰tRNA,原核真核放線菌酮，抑制轉(zhuǎn)肽酶，真核10/16/202368抑制蛋白質(zhì)合成的生物活性物質(zhì)白喉毒素(DT)：對(duì)EF2進(jìn)行修飾而失活干擾素(IF)：α-IF,β-IF,γ-IF

誘導(dǎo)并激活一種蛋白激酶，使eIF2磷酸化而失活,使病毒蛋白的合成受到抑制；此外，還可誘導(dǎo)產(chǎn)生一種RNA內(nèi)切酶，破壞病毒RNA10/16/202369第二節(jié)環(huán)境對(duì)基因表達(dá)的影響

一、外環(huán)境因素對(duì)基因表達(dá)的影響二、基因表達(dá)時(shí)空調(diào)控三、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理10/16/202370第六章基因表達(dá)調(diào)控10/16/20237110/16/20237210/16/20237310/16/20237410/16/20237510/16/20237610/16/20237710/16/20237810/16/20237910/16/20238010/16/202381大腸桿菌可以利用許多糖作為碳源，葡萄糖、乳糖、果糖等等但大腸桿菌優(yōu)先利用葡萄糖。當(dāng)環(huán)境中的葡萄糖缺乏時(shí)，開始利用乳糖或其它糖。

1960年，法國(guó)科學(xué)家Jacob-Monod提出操縱元模型——乳糖操縱元（LactoseOperon)10/16/202382●乳糖操縱子

●組成結(jié)構(gòu)基因（z、y、a）調(diào)控元件（啟動(dòng)子，操縱基因）●調(diào)控方式葡萄糖充足時(shí)，阻遏物與操縱基因結(jié)合,阻礙RNA聚合酶對(duì)下游三個(gè)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄

葡萄糖不足時(shí)，利用乳糖去阻遏物,允許RNA聚合酶對(duì)下游三個(gè)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。10/16