复旦大学上海医学院分子生物学原理基因表达调控课件.ppt

1、Regulation of Gene Expression第十三章第十三章 基因表达调控基因表达调控 通常情况下，真核生物细胞只有通常情况下，真核生物细胞只有2-15%的基因处于有转录活性的状态。的基因处于有转录活性的状态。表达调控是研究不同的环境和条件以及表达调控是研究不同的环境和条件以及各种因素如何令基因各种因素如何令基因表达或不表达表达或不表达，而，而且按一定的时间、空间有次序高效地运且按一定的时间、空间有次序高效地运作。作。调控水平：调控水平：转录、转录后、翻译、翻译后转录、转录后、翻译、翻译后第十三章第十三章 基因表达调控基因表达调控 调控：调控：细胞代谢的调控（细胞生存、适应内环境

2、）细胞代谢的调控（细胞生存、适应内环境）基因表达的调控（生命延续、适应大环境）基因表达的调控（生命延续、适应大环境）多水平的调控、多途径的调控多水平的调控、多途径的调控 调控特点：复杂、多变、灵敏、准确调控特点：复杂、多变、灵敏、准确第一节、原核生物的操纵子调控模式第一节、原核生物的操纵子调控模式 操纵子操纵子：几个相关基因排列在一起，转录出一个几个相关基因排列在一起，转录出一个 mRNA，翻译出多种具相关功能的蛋白翻译出多种具相关功能的蛋白质，完成一个功能质，完成一个功能。有一个调控成分。有一个调控成分。是原核生物的转录单位。是原核生物的转录单位。第一节、原核生物的操纵子调控模式第一节、原核

3、生物的操纵子调控模式一、酶的诱导（一、酶的诱导（enzyme induction）二、操纵子（二、操纵子（operon）的结构与功能的结构与功能三、乳糖操纵子（三、乳糖操纵子（Lac operon）与色氨与色氨 酸操纵子（酸操纵子（Trp operon）四、四、cAMP对转录的调控对转录的调控五、原核生物转录的整体调控模式五、原核生物转录的整体调控模式induceraddedinducerremoved酶蛋白合成量酶蛋白合成量细胞孵育时间细胞孵育时间一、诱导现象一、诱导现象由底物导致利用该底物的酶的合由底物导致利用该底物的酶的合成增加。成增加。一、诱导现象一、诱导现象葡萄糖葡萄糖乳糖乳糖 无无

4、半乳糖苷酶半乳糖苷酶乳糖乳糖葡萄糖葡萄糖+半乳糖半乳糖一、诱导现象一、诱导现象 酶的诱导是生物进化中的一种合理、经酶的诱导是生物进化中的一种合理、经济地利用有限资源的本能。济地利用有限资源的本能。酶的诱导是低等生物的普遍现象。酶的诱导是低等生物的普遍现象。1961年，年，Jacob and Monod提出了操纵子提出了操纵子学说。学说。酶诱导的本质：代谢物对催化本身代谢酶诱导的本质：代谢物对催化本身代谢的酶的合成量调节。的酶的合成量调节。二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能 操纵子操纵子阻遏物基因阻遏物基因 上游启动子上游启动子 操纵基因操纵基因 一组结构基因一组结构基因 R (i)P

5、 O S inhibitor promotor operator structural gene gene二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能 启动子启动子是结合是结合RNA聚合酶的聚合酶的DNA序列序列 强：强：-35TTGACA、-10TATAAT 弱：弱：-35区共有序列区共有序列 -10Pribnow不一致不一致一般：基因工程选用强启动子，或杂交融一般：基因工程选用强启动子，或杂交融合生成新启动子合生成新启动子二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能Lac operon的启动的启动子子 Plac的的-10Trp operon的启动的启动子子Ptrp的的-35PtacPtac

6、-17二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能 操纵基因操纵基因是结合阻遏物的部位，位于启是结合阻遏物的部位，位于启动子和结构基因之间，可与启动子部分动子和结构基因之间，可与启动子部分重叠。是重叠。是RNA聚合酶是否能通过的开关。聚合酶是否能通过的开关。无阻遏物时，无阻遏物时，O区开放让酶通过并转录区开放让酶通过并转录下游的结构基因下游的结构基因 有阻遏物时酶就不能通过有阻遏物时酶就不能通过二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能 阻遏物基因阻遏物基因：产生阻遏物，位于离操纵产生阻遏物，位于离操纵子较远的上游区。子较远的上游区。负调控：起调控作用的蛋白质分子抑制负调控：起调控作用的蛋白

7、质分子抑制转录转录关闭的基因由代谢底物开放（诱导）关闭的基因由代谢底物开放（诱导）-阻遏物失活阻遏物失活开放的基因由代谢底物关闭（阻遏）开放的基因由代谢底物关闭（阻遏）-阻遏物激活阻遏物激活二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能 操纵子操纵子：结构基因、上游启动子：结构基因、上游启动子(P)和操纵基和操纵基因因(O)组成。组成。P和和O合称合称调控区调控区可诱导和可阻遏的操纵子可诱导和可阻遏的操纵子类类型型可可诱诱导导可可阻阻遏遏结结合合 O 方方式式i 基基因因产产物物i 基基因因产产物物加加上上代代谢谢终终产产物物O 的的开开放放方方式式由由代代谢谢底底物物开开放放通通常常开开放放由

8、由代代谢谢终终产产物物关关闭闭结结构构基基因因产产物物功功能能分分解解代代谢谢合合成成代代谢谢LacTrp三、乳糖操纵子和色氨酸操纵子三、乳糖操纵子和色氨酸操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子 操纵子的三个结构基因为操纵子的三个结构基因为-半乳糖苷酶、半乳糖苷酶、-半乳糖苷通透酶和半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰转半乳糖苷乙酰转移酶移酶。在无乳糖时，在无乳糖时，阻遏阻遏蛋白与蛋白与O区结合，阻区结合，阻止止RNA聚合酶的转录聚合酶的转录 在有乳糖时，乳糖与在有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白阻遏蛋白结合后，结合后，改变了阻遏蛋白的结构，使其不能与改变了阻遏蛋白的结构，使其不能与O区结合。区结合。(1kb)(1550

9、00)DDRPDDRP色氨酸操纵子色氨酸操纵子 色氨酸操纵子有色氨酸操纵子有5个结构基因个结构基因 D、E基因：共产生基因：共产生邻氨基苯甲酸合成酶邻氨基苯甲酸合成酶 C基因：产物是基因：产物是吲哚甘油磷酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶 B、A基因：共同产物是基因：共同产物是色氨酸合成酶色氨酸合成酶 这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸的合成。的合成。色氨酸合成仅限细菌。色氨酸合成仅限细菌。色氨酸操纵子调控方式色氨酸操纵子调控方式（-）（+）乳糖和色氨酸操纵子的共同点乳糖和色氨酸操纵子的共同点 以负调控方式为主：蛋白质分子（阻遏以负调控方式为主：蛋白质分子（阻遏物）对

10、受调控的区域起抑制作用。物）对受调控的区域起抑制作用。由低分子物质（底物或产物）影响蛋白由低分子物质（底物或产物）影响蛋白质对质对DNA的结合。的结合。结果：结果：既满足细胞生长需求，又不无谓浪费。既满足细胞生长需求，又不无谓浪费。乳糖和色氨酸操纵子的不同点乳糖和色氨酸操纵子的不同点 乳糖操纵子乳糖操纵子 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物R基因基因R基因基因阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物代谢物代谢物基因开放基因开放 基因关闭基因关闭四、四、cAMP对转录的调控对转录的调控 在乳糖和葡萄糖都存在时，在乳糖和葡萄糖都存在时，哪种糖被优先利用？哪种糖被优先利用？四、四、cAMP对转录的调

11、控对转录的调控 乳糖操纵子的启动子属于弱启动子乳糖操纵子的启动子属于弱启动子 正调控方式正调控方式 CAP：catabolite gene activator protein 分解代谢基因活化蛋白，受分解代谢基因活化蛋白，受cAMP激活激活 cAMP-CAP复合物复合物：结合于：结合于DNA上游的上游的CAP位点，促进分解代谢基因表达位点，促进分解代谢基因表达 CAP位点位点：位于：位于PO上游，属正调控位点上游，属正调控位点四、四、cAMP对转录的调控对转录的调控 培养基中有葡萄糖时：葡萄糖代谢引起培养基中有葡萄糖时：葡萄糖代谢引起细胞内细胞内cAMP水平下降，乳糖操纵子基因水平下降，乳糖操

12、纵子基因关闭。关闭。培养基中葡萄糖不足时：培养基中葡萄糖不足时：cAMP水平升水平升高，高，cAMP-CAP复合物生成，复合物生成，cAMP使使CAP变构，而与变构，而与CAP位点结合，促进乳位点结合，促进乳糖操纵子基因的转录，以便细胞利用乳糖操纵子基因的转录，以便细胞利用乳糖。糖。四、四、cAMP对转录的调控对转录的调控1阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子 B、A、D：编码三种酶，共催化阿拉伯编码三种酶，共催化阿拉伯糖的代谢。糖的代谢。C：R1（阻遏蛋白），变构后成阻遏蛋白），变构后成R2。起始区起始区：initiator（I）R1 和和R2在变构前后，分别执行负和正调在变构前后，分别执行负和正调

13、控功能。控功能。诱导物可以使抑制蛋白在诱导物可以使抑制蛋白在R1和和R2两种构两种构象之间转变。象之间转变。阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子五、原核生物转录的整体调控模式五、原核生物转录的整体调控模式 调节子调节子：regulon 操纵子是基因表达的基本单元，成群操纵操纵子是基因表达的基本单元，成群操纵子所组成的高一级的调控网络称为调节子子所组成的高一级的调控网络称为调节子 调节原理调节原理：内、外环境的变化通过传感器内、外环境的变化通过传感器使膜内产生信号，这种信号可同时作用于使膜内产生信号，这种信号可同时作用于多个操纵子，或激活或抑制，从而达到群多个操纵子，或激活或抑制，从而达到群体协调的目的

14、。体协调的目的。调节子模式调节子模式SOS修复系统的调节子修复系统的调节子 DNA损伤和复制受阻是刺激因子和信号。损伤和复制受阻是刺激因子和信号。LexA蛋白是一系列操纵子的阻遏物。蛋白是一系列操纵子的阻遏物。recA基因基因转录产物转录产物RecA蛋白蛋白可水解可水解LexA蛋白。蛋白。LexA阻遏阻遏recA基因，基因，RecA蛋白可水解蛋白可水解LexA蛋白，二者之间的平衡移动，使细蛋白，二者之间的平衡移动，使细胞在应急时可迅速启动大量基因的转录。胞在应急时可迅速启动大量基因的转录。SOS修复系统的调节子修复系统的调节子第二节、真核生物的基因转录调控第二节、真核生物的基因转录调控 真核生

15、物的基因转录调控更为复杂：真核生物的基因转录调控更为复杂：总量大：总量大：30亿亿bp，10万基因万基因 分散在各染色体上，分散在各染色体上，23对染色体：定位对染色体：定位 大量的内含子：比结构基因多十数倍大量的内含子：比结构基因多十数倍 大量的重复序列：重复次数可达几千大量的重复序列：重复次数可达几千百万次百万次 更多的蛋白质参与更多的蛋白质参与 基因的多态性：不同的地域、人种、个体基因的多态性：不同的地域、人种、个体一、人类基因的研究一、人类基因的研究 基因组：基因组：DNA双螺旋双螺旋 天书天书 人类基因组即将全部破译，一本书已通人类基因组即将全部破译，一本书已通读一遍，但阅读理解的任

16、务还刚开始。读一遍，但阅读理解的任务还刚开始。一、人类基因的研究一、人类基因的研究 人类基因组计划人类基因组计划：（HGP）human genomic project 对人类基因组大约对人类基因组大约30亿核苷酸对的全序亿核苷酸对的全序列测定。列测定。在完成结构分析过程中，对基因的在完成结构分析过程中，对基因的功能功能，包括其表达包括其表达调控调控，作进一步研究，以便，作进一步研究，以便彻底了解生命的奥秘。彻底了解生命的奥秘。HGP的内容的内容 建立人类基因组高分辨率的遗传图谱建立人类基因组高分辨率的遗传图谱 完成全部人类染色体的各种物理图谱及选择某完成全部人类染色体的各种物理图谱及选择某些模

17、型生物的些模型生物的DNA物理图谱。物理图谱。人类人类DNA和模型生物的和模型生物的DNA全部序列的测定。全部序列的测定。建立收集、储存、分类和分析所有有关资料和建立收集、储存、分类和分析所有有关资料和数据的工作系统。数据的工作系统。创建完成以上目标所需的新技术、新方法。创建完成以上目标所需的新技术、新方法。二、基因转录调控元件二、基因转录调控元件 分子辨认：分子辨认：molecular recognition 探讨探讨DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质之间蛋白质之间的辨认与结合的机制，以及与调控的关的辨认与结合的机制，以及与调控的关系。系。二、基因转录调控元件二、基因转录调控元件

18、TATA box：-30区区 CAAT box 启动子启动子 GC box 上游活化序列：（上游活化序列：（USA）upstream activator sequence 应答元件与可诱导因子：应答元件与可诱导因子：-200bp 八聚体八聚体TATA box：免疫球蛋白免疫球蛋白增强子的特点增强子的特点 增强子增强子：enhancer 它是在远距离影响启动的转录调控元件，它是在远距离影响启动的转录调控元件，必须被蛋白质因子结合后才能发挥增强转必须被蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的功能。录的功能。增强子影响启动子，但没有严格的专一性。增强子影响启动子，但没有严格的专一性。增强子作用无方向性。增

19、强子作用无方向性。二、基因转录调控元件二、基因转录调控元件 顺式作用元件顺式作用元件：真核生物结构基因上游：真核生物结构基因上游的调控区，有特定的相似或一致性的序的调控区，有特定的相似或一致性的序列。列。反式作用因子反式作用因子：和顺式作用元件相结合：和顺式作用元件相结合或间接影响其作用的蛋白质因子。或间接影响其作用的蛋白质因子。真核生物真核生物RNA pol II转录的基因转录的基因RNA聚合酶聚合酶II的转录因子的转录因子转录因子功能TFIIA稳定 TFIIDTFIIB促进 RNA pol II 结合TFIID辨认 TATATFIIEATPaseTFIIF解旋酶TFII-I促进 TFIID

20、 结合转录前起始复合物转录前起始复合物 TFIID是唯一与是唯一与 DNA特异位点即特异位点即TATA盒结合的转盒结合的转录因子。录因子。TATA和和TFIID、TFIIA、TFIIB、RNApolII、TFIIF和和TFIIE形形成成转录前起始复转录前起始复合物合物(PIC)。反式作用因子性质反式作用因子性质 同一同一DNA序列可被不同蛋白质识别，同一蛋白序列可被不同蛋白质识别，同一蛋白质因子也可与多种不同质因子也可与多种不同DNA序列结合序列结合。DNA与蛋白质与蛋白质的结合的结合少数是直接结合，多数是少数是直接结合，多数是蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用后再影响蛋白质相互作用后再影响DNA。

21、蛋白质蛋白质-蛋白质或蛋白质或DNA-蛋白质结合后，可导致构蛋白质结合后，可导致构象上的变化。象上的变化。反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可变性和可塑性。的可变性和可塑性。三、顺式作用元件与反式作用因子的结合三、顺式作用元件与反式作用因子的结合 反式作用因子蛋白质至少包括三个功能反式作用因子蛋白质至少包括三个功能域：域：DNA识别结合域识别结合域、转录活性域转录活性域和和结结合其它蛋白的结合域合其它蛋白的结合域。模体：（模体：（motif）在结合域中存在的一些在结合域中存在的一些局部对称二聚体。局部对称二聚体。在在DNA的的某些某些序列中，

22、也存在一定的对序列中，也存在一定的对称性。称性。顺式作用元件与反式作用因子的结合与顺式作用元件与反式作用因子的结合与这些对称区域有关。这些对称区域有关。三、顺式作用元件与反式作用因子的结合三、顺式作用元件与反式作用因子的结合 DNA结构简单：结构简单：开放或关闭开放或关闭 序列不变序列不变蛋白质因子：蛋白质因子：复杂、多变复杂、多变 二者结合二者结合基因表达调控的多变性基因表达调控的多变性螺旋螺旋-转角转角-螺旋、螺旋、螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋 两个亚基通过两个亚基通过-折折叠形成二聚体，相叠形成二聚体，相当于当于DNA的一个的一个螺距。螺距。锌指锌指 锌是很多酶的辅助因子锌是很多酶的辅助因子

23、 锌指锌指：（：（Zinc finger）锌螯合在多肽链中，锌螯合在多肽链中，以配价键和半胱氨酸残基或组氨酸残基结合。以配价键和半胱氨酸残基或组氨酸残基结合。Cys2/His2型：型：Cys-X24-Cys-X3-Phe-Leu-X2-His-X3-His Cys2/Cys2型：型：Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys 一个单位以指部伸入一个单位以指部伸入DNA双螺旋的深沟，接双螺旋的深沟，接触触5 个核苷酸。个核苷酸。锌指锌指 亮氨酸拉链亮氨酸拉链(Leu zipper)：两组平行的带亮氨酸的两组平行的带亮氨酸的螺旋形成的对称螺旋形成的对称二聚体。二聚体。DNA结合蛋白的结合蛋

24、白的C端，每隔端，每隔7个氨基酸出现个氨基酸出现一个亮氨酸。一个亮氨酸。蛋白质的蛋白质的 螺旋每圈为螺旋每圈为 3.6 个氨基酸残基。个氨基酸残基。每二圈出现的每二圈出现的亮氨酸与轴平行列在同一直线亮氨酸与轴平行列在同一直线上，构成拉链的一半。上，构成拉链的一半。亮氨酸拉链亮氨酸拉链亮氨酸拉链亮氨酸拉链常出现于常出现于真核生物真核生物 DNA结合结合蛋白的蛋白的C 端，与癌端，与癌基因表达基因表达调控功能调控功能有关。有关。第三节、癌基因第三节、癌基因 癌基因癌基因：oncogene，onc 能使细胞癌变的能使细胞癌变的DNA序列。序列。首先在致癌首先在致癌病毒中发现，现已证实它是正常存在于生

25、病毒中发现，现已证实它是正常存在于生物基因组内。物基因组内。致癌性致癌性：正常基因的不正常表达的后果：正常基因的不正常表达的后果 癌症癌症：基因以特殊形式表达后的性状：基因以特殊形式表达后的性状 原癌基因原癌基因：（：（pro-onc）正常存在于生物基因组内的癌基因。正常存在于生物基因组内的癌基因。第三节、癌基因第三节、癌基因一、病毒癌基因和细胞癌基因一、病毒癌基因和细胞癌基因二、癌基因分类二、癌基因分类三、癌基因激活三、癌基因激活四、抑癌基因四、抑癌基因 病毒癌基因：病毒癌基因：V-onco 细胞癌基因：细胞癌基因：c-onco 把致癌病毒与正常细胞一起培养，可使把致癌病毒与正常细胞一起培养

26、，可使正常细胞变为癌细胞，这个过程称为正常细胞变为癌细胞，这个过程称为 转转化。化。致癌病毒存在的某些核苷酸序列称为致癌病毒存在的某些核苷酸序列称为癌癌基因基因，即病毒癌基因。，即病毒癌基因。一、病毒癌基因和细胞癌基因一、病毒癌基因和细胞癌基因癌基因表达产物功能癌基因表达产物功能 生长因子及其类似物或生长因子的受体。生长因子及其类似物或生长因子的受体。酪氨酸蛋白激酶。酪氨酸蛋白激酶。结合结合GTP而影响细胞内的信号系统。而影响细胞内的信号系统。结合结合DNA发挥转录调控的作用，甚至影发挥转录调控的作用，甚至影响复制过程。响复制过程。二、癌基因的分类二、癌基因的分类 src家族：家族：src、a

27、bl、fes、fgr、ros 酪氨酸蛋白激酶酪氨酸蛋白激酶 ras家族：家族：Ha-ras、Ki-ras、N-ras 信息传递蛋白信息传递蛋白 myc家族：家族：C-、N-、L-myc、fos、myb DNA结合蛋白或反式作用因子结合蛋白或反式作用因子 sis家族：各类生长因子家族：各类生长因子 erb家族：家族：erbA、B、mas、trk 细胞骨架类蛋白细胞骨架类蛋白三、癌基因三、癌基因的激活的激活 点突变点突变 基因重排和放大基因重排和放大 化学致癌剂化学致癌剂 病毒感染病毒感染 GF-受受体体-信号信号-DNA表表达无限达无限循环循环癌基因的激活机制癌基因的激活机制癌基因的激活机制癌基

28、因的激活机制 正常时：正常时：onc GF 信号信号 复制、细胞生长复制、细胞生长 异常时：异常时：GF onc突变突变 GF 复制、细胞生长复制、细胞生长失控失控 GF四、抑癌基因四、抑癌基因 抑癌基因：抑癌基因：tumor suppressor gene Rb：retinoblastoma，视网膜母细胞瘤视网膜母细胞瘤 第一个分离到的抑癌基因第一个分离到的抑癌基因 Rb基因：位于基因：位于13号染色体，号染色体，200kb，27个外显子，编码个外显子，编码928个氨基酸个氨基酸 Rb基因缺失：视网膜母细胞瘤及其他多基因缺失：视网膜母细胞瘤及其他多种癌症种癌症四、抑癌基因四、抑癌基因 抑癌基因的作用机制涉及基因表达调控、抑癌基因的作用机制涉及基因表达调控、细胞分裂、分化过程，也可能与生长因细胞分裂、分化过程，也可能与生长因子、激酶、信息在胞内的传递密切相关子、激酶、信息在胞内的传递密切相关本章小结本章小结 诱导物、阻遏物诱导物、阻遏物 操纵子、调节子操纵子、调节子 启动子、增强子启动子、增强子 负调控、正调控负调控、正调控 操纵基因、结构基因操纵基因、结构基因 顺式作用元件、反式作用元件顺式作用元件、反式作用元件 癌基因、原癌基因、抑癌基因癌基因、原癌基因、抑癌基因 模体：模体：HTH，HLH、锌指、亮氨酸拉链锌指、亮氨酸拉链