复旦生物化学分子生物学部分课件-基因表达调控

GeneExpressionRegulation基因表达失控会导致严重后果影响蛋白质浓度的七个环节•基因表达调控的一般原理•DNA-Protein的相互作用模式•原核生物基因的表达调控•真核生物基因的表达调控基因表达的概念基因表达（geneexpression）就是指在一定调节因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA，或由此引起特异性蛋白质合成的过程。人类基因组DNA中约含5万个基因，但在某一特定时期，只有少数的基因处于转录激活状态，其余大多数基因则处于静息状态。一般来说，在大部分情况下，处于转录激活状态的基因仅占5%。通过基因表达以合成特异性蛋白质，从而赋予细胞以特定的生理功能或形态，以适应内外环境的改变。基因表达的时间性•基因表达的时间特异性(temporalspecificity)，是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。故又称为阶段特异性。基因表达的空间性基因表达的空间特异性（spatialspecificity），是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或组织特异性。基因表达的方式•组成型（性）基因表达（constitutivegeneexpression），是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因（housekeepinggene）。诱导表达（induction）是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。阻遏表达（repression）是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。基因调控主要在三个水平上进行:①.DNA水平②.转录水平③.翻译水平四种转录起始调控的模式enhancerciselement在DNA上transactingfactor为蛋白(enhancer)典型的原核操纵子(operon)结构Enhancer和operator的位置Operon:操纵子Operator:操纵基因与蛋白质发生相互作用的碱基上的基团(用红色标识)DNA-蛋白质相互作用范例1.HTH型(Helix-turn-helix)Lacrepressor（阻抑物、阻遏物、阻抑蛋白）与DNA的结合TypicalHTH-protein:Homeodomain（HD）Homeodomain：同源（异型）域同源域(homeodomain)：同源框基因又称同源异型盒基因(homeoboxgenes)，是一类调节细胞正常分化、发育的主控基因。同源框基因的共同点是都具有183个核苷酸长度的同源区，即同源框(homeobox)。同源框基因编码的蛋白质是一类转录调节因子，都具有由相应同源框序列编码的61个氨基酸组成的结构域，通过与特异的DNA序列结合，调控下游基因的转录活性。2.Zinc-finger蛋白3.Leucine-zipper4.Helix-loop-helix原核和真核mRNA结构的比较核糖体可以不从mRNA上解离连续合成三个蛋白质•lacoperon的正与负调控•araoperon----由同一个蛋白质进行正和负的调控•trpoperon中的attenuator•SOS应急反应中的repressor•Stringentresponse•DNA重组进行的基因调控乳糖操纵子乳糖操纵子的发现:大肠肝菌能够利用乳糖：环境中乳糖作为唯一碳源→表达并合成一系列与乳糖代谢相关的酶类。环境中没有乳糖→编码上述乳糖代谢酶的基因则被关闭。乳糖代谢酶结构基因β－半乳糖苷酶LacZβ－半乳糖苷乙酰基转移酶LacAβ－半乳糖苷透性酶LacY•当诱导物不存在时，操纵子以极低的基础水平转录。•诱导物的加入激活转录，使lacmRNA水平迅速上升。•诱导物一旦除去，转录立刻停止，lacmRNA极不稳定很快降解，细胞内lacmRNA含量恢复到诱导前的基础水平。•诱导后蛋白质含量的上升相对于mRNA水平的变化存在一个滞后期。•诱导物除去后，酶的合成立即停止，但由于蛋白质较稳定，酶活性可长时间保持在诱导水平。StructureoflacoperonDNAsequencearoundlacpromotor该mRNA分子的启动子（P）位于调节基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透性酶基因的高效表达。操纵区是阻遏蛋白的结合位点。操纵区位于mRNA-5至＋21这段区域，和启动子的右侧末端重叠。当阻遏物与操纵区相结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。活性阻遏蛋白是由4个相同亚基组成的同源四聚体阻遏蛋白具有两个结合位点：操纵基因结合位点和诱导物结合位点阻遏蛋白和DNA的结合能增强RNA聚合酶结合DNA的能力，只是结合的RNA聚合酶不能起始转录。-galactosidaseisneededforhydrolysisoflactoseIPTG可以和repressor结合又不会被-半乳糖苷酶酶解LacYLacZBindingofLacrepressor(阻遏蛋白)toDNAlacoperon上共有三个repressor结合位点由N端DNA结合域、铰链区和核心区三部分组成。DNA结合域包含两个α螺旋，由一个转角分开；铰链区连接DNA结合域和核心区；核心区由核心结构域1和核心结构域2组成。诱导物结合在两个结构域之间的裂隙中。C端负责亚基间的寡聚化。HTH型的CRP蛋白的结构(cAMPreceptorprotein，或称CAP，catabolitegeneactivatorprotein)。环境中葡萄糖浓度较高时，cAMP浓度低，CRP不结合cAMP，无法激活lacpromoter.这是葡萄糖优先使用的普遍调控机制。诱导物通过与阻遏物结合，改变它的构象，使之不能与操纵区相结合，从而激活lacmRNA的转录。为什么glucose浓度高就cAMP浓度低？阿拉伯糖操纵子具有三个操纵子：•araBAD:编码阿拉伯糖代谢相关酶•araE,araFG:编码膜蛋白，与阿拉伯糖结合、转运有关。调节蛋白：C蛋白C蛋白具有双重调节功能C蛋白在阿拉伯糖操纵子上有3个不同结合部位:araI、araO1和araO2Structureofaraoperon调控过程:–没有C蛋白:转录CmRNA–有C蛋白，阿拉伯糖、cAMP含量低:一个C蛋白与araI和araO2结合，DNA成环状，c基因与BAD基因阻遏–有C蛋白，阿拉伯糖、cAMP含量高:cAMP-CAP改变C蛋白活性，C蛋白放出araO2,不再成环，C蛋白再与阿拉伯糖结合，能激活RNA聚合酶，BAD启动子活化。araoperon的调控机制大肠杆菌色氨酸操纵子的负调控色氨酸操纵子控制5种酶的合成，由trpE,D,C,B,A编码。当色氨酸缺乏时，调节基因（trpR）编码无活性的aporepressor阻遏蛋白。当细胞中色氨酸浓度较高时，色氨酸和aporepressor结合，形成有活性的色氨酸操纵子阻遏蛋白。Structureoftrpoperon大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用–TrpmRNA的5’端有139个核苷酸组成的前导序列，前导序列有4个区域彼此互补：1－2，2－3，3－4，3－4发夹结构随后为8个连续U。–TrpmRNA的5’编码14个氨基酸组成的前导肽，前导肽特点是含有两个连续Trp。–细菌中，转录和翻译偶联，RNA聚合酶刚转录出部分前导序列，核糖体就开始翻译。调控过程:Trp饥饿:核糖体停顿在两个Trp密码子上，核糖体占据1区，留下完整的2区和3区配对，形成发夹结构，这样4区转录出来后仍是单链状态，终止子不能形成，转录继续进行。有充分的色氨酸:核糖体顺利完成前导序列的合成，到达并占据1区和2区，使2区不能与3区有效配对，从而3区和4区配对产生终止子的发夹结构，转录终止。其他氨基酸饥饿:核糖体在到达序列前即停顿，1区和2区配对，然后3区和4区配对形成终止子的发夹结构，转录终止。色氨酸饥饿色氨酸丰富SOSresponse•SOS反应是指细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。SOS反应包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制以及溶源性细菌释放噬菌体等，细胞癌变也与SOS有关。•SOS反应广泛存在于原核和真核生物中，主要包括两个方面：DNA的修复和产生变异。•前者利于细胞的存活，具有重要意义，而后者可能产生不利的后果，如导致细胞的癌变。SOSresponse一个repressor控制多个基因当DNA受到严重损伤后，由于细胞内的切除修复和重组修复致使DNA单链部分在细胞中积累。RecA蛋白因与单链DNA结合而被活化，活化后的RecA蛋白再与LexA结合，引起LexA的自切，解除LexA对SOS基因的阻遏作用。严紧反应(stringentresponse)•细菌在缺乏合成蛋白质所必须的氨基酸时，停止合成核糖体RNA的反应。当细菌发现它们生长在饥饿的条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸时，它们将大部分活性区域都关闭掉--严紧反应，这是它们抵御不良条件，保存自己的一种机制。细菌通过仅仅维持最低量的活性来节约其资源，直到条件改善时，它们又恢复活动，所有代谢区域也都活跃起来。•严紧反应导致rRNA和tRNA合成大量减少（10-20倍），使RNA的总量下降到正常水平的5-10%，部分种类的mRNA的减少，导致mRNA总合成量减少约3倍。而蛋白质除解的速度增加，很多代谢进行调整，显然核苷酸、碳水化合物、肽类等的合成都随之减少。严紧反应导致两种特殊核苷酸积聚：(1)ppGpp-四磷酸鸟苷（在G的5'和3'位点各附着两个磷酸）;(2)pppGpp-五磷酸鸟苷（鸟苷5’-三磷酸-3’-二磷酸）。人们最初发现细菌在氨基酸饥饿时，出现两种特殊的核苷酸，其电泳的迁移率和一般的核酸不同，感到很奇怪，就称之为“魔斑Ⅰ”和“魔斑Ⅱ”，后来发现魔斑Ⅰ便是ppGpp，魔斑Ⅱ是pppGpp。这些鸟苷是典型的小分子效应物，预期它们的功能是和靶蛋白结合改变它们的活性，有时它们被称为(p)ppGpp。(p)ppGpp的功能是调节细胞活性大分子的协调性。它们的产物是由两种途径来控制的。在严峻的条件下严紧反应可以触发(p)ppGpp的增加。一些未知因素的调节也会出现(p)ppGpp水平与细菌生长速度之间的反向协调。StringentresponseppGpp分子可以与RNApolymerase的β亚基结合，改变转录特性，总体上降低转录水平。DNA重排对基因表达的调节•在沙门氏菌（S.typhimrium）的鞭毛合成中，通过启动子方向的改变来调节不同鞭毛蛋白的合成。•负责合成两种鞭毛的基因位于不同的染色体座位。•含有hin基因的DNA片段在IRL（左反向重复序列）和IRR（右反向重复序列）之间，其产物Hin（Hsegmentinversion）蛋白通过反向重复序列之间的交互重组来介导整个片段的倒位。沙门氏菌鞭毛基因的表达调控•真核基因表达调控一般论•酵母半乳糖代谢相关基因的调控•DNA-bindingtrans-activator的结构特征真核生物基因表达的调控作用真核基因组结构特点•真核基因组结构庞大3×109bp（人）、染色质、染色体、核膜；•单顺反子(monocistron)；•含有大量重复序列；•基因不连续性断裂基因（interruptedgene）、内含子(intron)、外显子(exon)；•非编码区较多多于编码序列(9:1)；•真核生物：分化调控(原核生物：生长调控)。•RNA聚合酶TATA盒结合蛋白;•活性染色体结构变化;•正性调节占主导;•转录与翻译间隔进行;•转录后修饰、加工。真核基因表达调控特点多层次调控原核生物真核生物操纵元调控多样化调控，更为复杂基因组小，大肠杆菌：总长4.6×106bp,编码4288个基因,每个