分子生物學(xué)原理-基因表達(dá)調(diào)控課件

第十三章基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpression2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控第十三章基因表達(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2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控第十三章基因表達(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)控調(diào)控特點(diǎn)：復(fù)雜、多變、靈敏、準(zhǔn)確2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控第一節(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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控

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

cAMP對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控五、原核生物轉(zhuǎn)錄的整體調(diào)控模式2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控一、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2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控一、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年，JacobandMonod提出了操縱子學(xué)說。酶誘導(dǎo)的本質(zhì)：代謝物對催化本身代謝的酶的合成量調(diào)節(jié)。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能

操縱子阻遏物基因上游啟動子操縱基因一組結(jié)構(gòu)基因

R(i)POSinhibitorpromotoroperatorstructuralgenegene2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能啟動子是結(jié)合RNA聚合酶的DNA序列強(qiáng)：-35TTGACA、-10TATAAT弱：-35區(qū)共有序列-10Pribnow不一致一般：基因工程選用強(qiáng)啟動子，或雜交融合生成新啟動子2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能Lacoperon的啟動子Plac的-10Trpoperon的啟動子Ptrp的-35PtacPtac-172025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控二、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，位于啟動子和結(jié)構(gòu)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(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)酶就不能通過2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控二、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2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能操縱子：結(jié)構(gòu)基因、上游啟動子(P)和操縱基因(O)組成。P和O合稱調(diào)控區(qū)2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控可誘導(dǎo)和可阻遏的操縱子LacTrp2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控三、乳糖操縱子和色氨酸操縱子2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控(1kb)(155000)

DDRPDDRP2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控色氨酸操縱子調(diào)控方式（-）（+）2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控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）對受調(diào)控的區(qū)域起抑制作用。由低分子物質(zhì)（底物或產(chǎn)物）影響蛋白質(zhì)對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)。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控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2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控四、cAMP對轉(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？

2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控四、cAMP對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控乳糖操縱子的啟動子屬于弱啟動子正調(diào)控方式CAP：catabolitegeneactivatorprotein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)2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控四、cAMP對轉(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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控四、cAMP對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控12025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控阿拉伯糖操縱子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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控阿拉伯糖操縱子2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控五、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，這種信號可同時(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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控調(diào)節(jié)子模式2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控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。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(xì)胞在應(yīng)急時(shí)可迅速啟動大量基因的轉(zhuǎn)錄。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控SOS修復(fù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)子2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控第二節(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2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控一、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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控一、人類基因的研究人類基因組計(jì)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(jié)構(gòu)分析過程中，對基因的功能，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。分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控HGP的內(nèi)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(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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控二、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件分子辨認(rèn)：molecularrecognition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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控二、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件TATAbox：-30區(qū)CAATbox啟動子GCbox上游活化序列：（USA）upstreamactivatorsequence應(yīng)答元件與可誘導(dǎo)因子：-200bp八聚體TATAbox：免疫球蛋白2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控增強(qiáng)子的特點(diǎn)增強(qiáng)子：enhancer它是在遠(yuǎn)距離影響啟動的轉(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)子影響啟動子，但沒有嚴(yán)格的專一性。增強(qiáng)子作用無方向性。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控二、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)，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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控真核生物RNApolII轉(zhuǎn)錄的基因2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄因子2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控轉(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形成轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物(PIC)。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控反式作用因子性質(zhì)同一DNA序列可被不同蛋白質(zhì)識別，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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控三、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識別結(jié)合域、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(jié)合與這些對稱區(qū)域有關(guān)。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控三、順式作用元件與反式作用因子的結(jié)合DNA結(jié)構(gòu)簡單：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2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控螺旋-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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控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(jià)鍵和半胱氨酸殘基或組氨酸殘基結(jié)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(gè)單位以指部伸入DNA雙螺旋的深溝，接觸5個(gè)核苷酸。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控鋅指2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控亮氨酸拉鏈(Leuzipper)：

兩組平行的帶亮氨酸的螺旋形成的對稱二聚體。

DNA結(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2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控亮氨酸拉鏈常出現(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)。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控第三節(jié)、癌基因癌基因：oncogene，onc能使細(xì)胞癌變的DNA序列。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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控第三節(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2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控

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2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控癌基因表達(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。2025/1/19分子生物學(xué)原理--基因表達(dá)調(diào)控二、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(jié)合蛋白或反式作用因子