,單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,*,分子生物學原理,*,第 十 三 章,基因表達調控,Regulation of Gene Expression,2024/12/12,分子生物學原理,第十三章 基因表達調控,通常情況下，真核生物細胞只有2-15%的基因處于有轉錄活性的狀態(tài)。,,表達調控是研究不同的環(huán)境和條件以及各種因素如何令基因,表達或不表達,，而且按一定的時間、空間有次序高效地運作。,,調控水平： 轉錄、轉錄后、翻譯、翻譯后,2024/12/12,分子生物學原理,第十三章 基因表達調控,調控： 細胞代謝的調控（細胞生存、適應內環(huán)境）基因表達的調控（生命延續(xù)、適應大環(huán)境）,,多水平的調控、多途徑的調控,,調控特點：復雜、多變、靈敏、準確,2024/12/12,分子生物學原理,第一節(jié)、原核生物的操縱子調控模式,操縱子,： 幾個相關基因排列在一起，轉錄出一個,mRNA，,翻譯出多種具相關功能的蛋白質，完成一個功能 。,,有一個調控成分。,,是原核生物的轉錄單位。,,2024/12/12,分子生物學原理,,第一節(jié)、原核生物的操縱子調控模式,一、酶的誘導（,enzyme induction）,,二、操縱子（,operon,）,的結構與功能,,三、乳糖操縱子（,Lac,operon,）,與色氨 酸操縱子（,Trp,,operon,）,,四、,,cAMP,對轉錄的調控,,五、原核生物轉錄的整體調控模式,2024/12/12,分子生物學原理,,inducer,,added,inducer,,removed,酶蛋白合成量,細胞孵育時間,一、誘導現(xiàn)象,由底物導致利用該底物的酶的合,,成增加。,2024/12/12,分子生物學原理,,,一、誘導現(xiàn)象,葡萄糖,乳糖,,無,半乳糖苷酶,乳糖,葡萄糖+半乳糖,2024/12/12,分子生物學原理,一、誘導現(xiàn)象,酶的誘導是生物進化中的一種合理、經(jīng)濟地利用有限資源的本能。,,酶的誘導是低等生物的普遍現(xiàn)象。,,1961年，,Jacob and Monod,提出了操縱子學說。,,酶誘導的本質：代謝物對催化本身代謝的酶的合成量調節(jié)。,2024/12/12,分子生物學原理,二、操縱子的結構與功能,,,操縱子,,,阻遏物基因 上游啟動子 操縱基因 一組結構基因,,,R ( i ) P O S,,,inhibitor,promotor,,operator,structural gene,,gene,2024/12/12,分子生物學原理,二、操縱子的結構與功能,啟動子,是結合,RNA,聚合酶的DNA序列,,強：-35TTGACA、-10TATAAT,,弱：-35區(qū)共有序列,,-10Pribnow,不一致,一般：基因工程選用強啟動子，或雜交融合生成新啟動子,2024/12/12,分子生物學原理,二、操縱子的結構與功能,Lac,operon,的啟動子,Plac,的-10,Trp,,operon,的啟動子,Ptrp,的-35,Ptac,Ptac-17,2024/12/12,分子生物學原理,二、操縱子的結構與功能,操縱基因,是結合阻遏物的部位，位于啟動子和結構基因之間，可與啟動子部分重疊。是RNA聚合酶是否能通過的開關。,,無阻遏物時，O區(qū)開放讓酶通過并轉錄下游的結構基因,,有阻遏物時酶就不能通過,,2024/12/12,分子生物學原理,二、操縱子的結構與功能,阻遏物基因,：,產(chǎn)生阻遏物，位于離操縱子較遠的上游區(qū)。,,負調控：起調控作用的蛋白質分子抑制轉錄,關閉的基因由代謝底物開放（誘導）-----阻遏物失活,開放的基因由代謝底物關閉（阻遏）-----阻遏物激活,2024/12/12,分子生物學原理,二、操縱子的結構與功能,操縱子,：結構基因、上游啟動子(,P),和操縱基因(,O),組成。,P,和,O,合稱,調控區(qū),2024/12/12,分子生物學原理,可誘導和可阻遏的操縱子,Lac,Trp,2024/12/12,分子生物學原理,三、乳糖操縱子和色氨酸操縱子,2024/12/12,分子生物學原理,乳糖操縱子,操縱子的三個結構基因為,?-半乳糖苷酶、?-半乳糖苷通透酶和?-半乳糖苷乙酰轉移酶,。,,在無乳糖時，,阻遏,蛋白與,O,區(qū)結合，阻止RNA聚合酶的轉錄,,在有乳糖時，乳糖與,阻遏蛋白,結合后，改變了阻遏蛋白的結構，使其不能與O區(qū)結合。,2024/12/12,分子生物學原理,,(,1,kb),(155000),?,,DDRP,,DDRP,2024/12/12,分子生物學原理,色氨酸操縱子,色氨酸操縱子有5個結構基因,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,,這些基因一起轉錄翻譯后可進行色氨酸的合成。,,色氨酸合成僅限細菌。,2024/12/12,分子生物學原理,色氨酸操縱子調控方式,（-）,（+）,2024/12/12,分子生物學原理,乳糖和色氨酸操縱子的共同點,以負調控方式為主：蛋白質分子（阻遏物）對受調控的區(qū)域起抑制作用。,,由低分子物質（底物或產(chǎn)物）影響蛋白質對,DNA,的結合。,,結果： 既滿足細胞生長需求，又不無謂浪費。,2024/12/12,分子生物學原理,乳糖和色氨酸操縱子的不同點,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 基因關閉,2024/12/12,分子生物學原理,四、,cAMP,對轉錄的調控,在乳糖和葡萄糖都存在時，哪種糖被優(yōu)先利用？,,,,2024/12/12,分子生物學原理,四、,cAMP,對轉錄的調控,乳糖操縱子的啟動子屬于弱啟動子,,正調控方式,,CAP,：catabolite,gene activator protein,分解代謝基因活化蛋白，受,cAMP,激活,,cAMP,-CAP,復合物,：結合于,DNA,上游的,CAP,位點，促進分解代謝基因表達,,CAP,位點,：位于,PO,上游，屬正調控位點,2024/12/12,分子生物學原理,四、,cAMP,對轉錄的調控,培養(yǎng)基中有葡萄糖時：葡萄糖代謝引起細胞內,cAMP,水平下降，乳糖操縱子基因關閉。,,培養(yǎng)基中葡萄糖不足時：,cAMP,水平升高，,cAMP,-CAP,復合物生成，,cAMP,使,CAP,變構，而與,CAP,位點結合，促進乳糖操縱子基因的轉錄，以便細胞利用乳糖。,2024/12/12,分子生物學原理,四、,cAMP,對轉錄的調控,1,2024/12/12,分子生物學原理,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,：R,1,（,阻遏蛋白），變構后成,R,2。,,起始區(qū),：initiator（I）,,R,1,和,R,2,在變構前后，分別執(zhí)行負和正調控功能。,,誘導物可以使抑制蛋白在,R,1,和,R,2,兩種構象之間轉變。,,2024/12/12,分子生物學原理,阿拉伯糖操縱子,2024/12/12,分子生物學原理,五、原核生物轉錄的整體調控模式,調節(jié)子,：,regulon,,操縱子是基因表達的基本單元，成群操縱子所組成的高一級的調控網(wǎng)絡稱為調節(jié)子,,調節(jié)原理,： 內、外環(huán)境的變化通過傳感器使膜內產(chǎn)生信號，這種信號可同時作用于多個操縱子，或激活或抑制，從而達到群體協(xié)調的目的。,2024/12/12,分子生物學原理,調節(jié)子模式,2024/12/12,分子生物學原理,SOS,修復系統(tǒng)的調節(jié)子,,DNA,損傷和復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,轉錄產(chǎn)物,R,ecA,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，使細胞在應急時可迅速啟動大量基因的轉錄。,2024/12/12,分子生物學原理,SOS,修復系統(tǒng)的調節(jié)子,2024/12/12,分子生物學原理,第二節(jié)、真核生物的基因轉錄調控,,真核生物的基因轉錄調控更為復雜：,,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,,大量的內含子：比結構基因多十數(shù)倍,,大量的重復序列：重復次數(shù)可達幾千~百萬次,,更多的蛋白質參與,,基因的多態(tài)性：不同的地域、人種、個體,2024/12/12,分子生物學原理,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，但閱讀理解的任務還剛開始。,2024/12/12,分子生物學原理,一、人類基因的研究,人類基因組計劃,：,（,HGP）,,,human genomic project,,對人類基因組大約30億核苷酸對的全序列測定。,,在完成結構分析過程中，對基因的,功能,，包括其表達,調控,，作進一步研究，以便徹底了解生命的奧秘。,,2024/12/12,分子生物學原理,HGP,的內容,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資料和數(shù)據(jù)的工作系統(tǒng)。,,創(chuàng)建完成以上目標所需的新技術、新方法。,2024/12/12,分子生物學原理,二、基因轉錄調控元件,分子辨認：,molecular recognition,探討,DNA-,蛋白質、蛋白質-蛋白質之間的辨認與結合的機制，以及與調控的關系。,2024/12/12,分子生物學原理,二、基因轉錄調控元件,TATA box：-30,區(qū),,CAAT box,啟動子,,GC box,,上游活化序列：（,USA） upstream activator sequence,,應答元件與可誘導因子：-200,bp,,八聚體,TATA box：,免疫球蛋白,2024/12/12,分子生物學原理,增強子的特點,增強子,：,enhancer,它是在遠距離影響啟動的轉錄調控元件，必須被蛋白質因子結合后才能發(fā)揮增強轉錄的功能。,,增強子影響啟動子，但沒有嚴格的專一性。,,增強子作用無方向性。,2024/12/12,分子生物學原理,二、基因轉錄調控元件,順式作用元件,：真核生物結構基因上游的調控區(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合或間接影響其作用的蛋白質因子。,2024/12/12,分子生物學原理,真核生物,RNA,pol,II,轉錄的基因,2024/12/12,分子生物學原理,RNA,聚合酶II的轉錄因子,2024/12/12,分子生物學原理,轉錄前起始復合物,TFIID,是唯一與 DNA特異位點即TATA盒結合的轉錄因子。,,TATA和TFIID、TFIIA、TFIIB、,RNApolII、TFIIF,和,TFIIE形成,轉錄前起始復合物,(,PIC)。,2024/12/12,分子生物學原理,反式作用因子性質,同一,DNA,序列可被不同蛋白質識別，同一蛋白質因子也可與多種不同DNA序列結合 。,,DNA,與蛋白質,的結合,少數(shù)是直接結合，多數(shù)是蛋白質,-,蛋白質相互作用后再影響,DNA。,,蛋白質-蛋白質或,DNA-,蛋白質結合后，可導致構象上的變化。,,反式作用因子在自身生物合成過程中，有相當大的可變性和可塑性。,2024/12/12,分子生物學原理,三、順式作用元件與反式作用因子的結合,反式作用因子蛋白質至少包括三個功能域：,DNA,識別結合域,、,轉錄活性域,和,結合其它蛋白的結合域,。,,模體：（motif）,在結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合與這些對稱區(qū)域有關。,2024/12/12,分子生物學原理,三、順式作用元件與反式作用因子的結合,DNA,結構簡單：開放或關閉 序列不變,蛋白質因子：復雜、多變,二者結合,基因表達調控的多變性,2024/12/12,分子生物學原理,螺旋-轉角-螺旋、螺旋-環(huán)-螺旋,兩個亞基通過,?-折疊形成二聚體，相當于,DNA,的一個螺距。,2024/12/12,分子生物學原理,鋅指,鋅是很多酶的輔助因子,,鋅指,：（,Zinc finger）,鋅螯合在多肽鏈中，以配價鍵和半胱氨酸殘基或組氨酸殘基結合。,,Cys2/His2,型：,Cys,-X,2~4,-,Cys,-X,3,-Phe-Leu- X,2,-,His,- X,3,-,His,,Cys2/ Cys2,型：,Cys,-X,2,-,Cys,-X,13 -,Cys,-X,2,-,Cys,,一個單位以指部伸入,DNA,雙螺旋的深溝，接觸5 個核苷酸。,2024/12/12,分子生物學原理,鋅指,2024/12/12,分子生物學原理,亮氨酸拉鏈(,Leu,zipper),：,,兩組平行的帶亮氨酸的,??螺旋形成的對稱二聚體。,,,DNA,結合蛋白的,C,端，每隔7個氨基酸出現(xiàn)一個亮氨酸。,,蛋白質的,?螺旋每圈為,3.6 個氨基酸殘基。每二圈出現(xiàn)的,亮氨酸與軸平行列在同一直線上，構成拉鏈的一半。,亮氨酸拉鏈,2024/12/12,分子生物學原理,亮氨酸拉鏈,常出現(xiàn)于真核生物,DNA,結合蛋白的C 端，與癌,,基因表達調控功能,,有關。,2024/12/12,分子生物學原理,第三節(jié)、癌基因,癌基因,：,oncogene，onc,,能使細胞癌變的,DNA,序列。 首先在致癌病毒中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)已證實它是正常存在于生物基因組內。,,,致癌性,：正?；虻牟徽１磉_的后果,,癌癥,：基因以特殊形式表達后的性狀,,原癌基因,：（,pro-,onc,）,正常存在于生物基因組內的癌基因。,2024/12/12,分子生物學原理,第三節(jié)、癌基因,一、病毒癌基因和細胞癌基因,,二、癌基因分類,,三、癌基因激活,,四、抑癌基因,2024/12/12,分子生物學原理,,,,病毒癌基因：,V-,onco,,細胞癌基因：,c-onco,,把致癌病毒與正常細胞一起培養(yǎng)，可使正常細胞變?yōu)榘┘毎?，這個過程稱為,轉化。,,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、病毒癌基因和細胞癌基因,2024/12/12,分子生物學原理,癌基因表達產(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。,,結合,GTP,而影響細胞內的信號系統(tǒng)。,,結合DNA發(fā)揮轉錄調控的作用，甚至影響復制過程。,2024/12/12,分子生物學原理,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：,C-、N-、L-,myc、fos、myb,DNA,結合蛋白或反式作用因子,,sis,家族：各類生長因子,,erb,家族：,erbA、B、mas、trk,,細胞骨架類蛋白,2024/12/12,分子生物學原理,三、癌基因的激活,點突變,,基因重排和放大,,化學致癌劑,,病毒感染,2024/12/12,分子生物學原理,,,GF-,受體-信號-,DNA,表達無限循環(huán),癌基因的激活機制,2024/12/12,分子生物學原理,癌基因的激活機制,正常時：,onc,,? GF ?,信號 ? 復制、細胞生長,,異常時：,,,GF,,,onc,突變,GF,復制、細胞生長,失控,,,,GF,2024/12/12,分子生物學原理,四、抑癌基因,抑癌基因：,tumor suppressor gene,,Rb：retinoblastoma,，,視網(wǎng)膜母細胞瘤 第一個分離到的抑癌基因,,Rb,基因：位于13號染色體，200,kb，27,個外顯子，編碼928個氨基酸,,Rb,基因缺失：視網(wǎng)膜母細胞瘤及其他多種癌癥,2024/12/12,分子生物學原理,四、抑癌基因,抑癌基因的作用機制涉及基因表達調控、細胞分裂、分化過程，也可能與生長因子、激酶、信息在胞內的傳遞密切相關,2024/12/12,分子生物學原理,本章小結,誘導物、阻遏物,,操縱子、調節(jié)子,,啟動子、增強子,,負調控、正調控,,操縱基因、結構基因,,順式作用元件、反式作用元件,,癌基因、原癌基因、抑癌基因,,模體：,HTH，HLH、,鋅指、亮氨酸拉鏈,2024/12/12,分子生物學原理,