分子生物学8第八章 基因表达调控课件

1、 第8章 基因表达的调控(Controlling of the Gene Expression)第一节 基因表达调控的概述（空间密码）第二节 乳糖操纵元（Lac Operon）第三节 Trp Operon及弱化作用机理第四节 基因转录的时序调控第五节 Prok.翻译水平的调控第六节 DNA序列重排对基因转录的调控第七节 Euk.基因表达调控的特异性第一节 基因表达调控的概述基因表达调控(gene regulation or gene control):任何影响基因转录过程和翻译过程的开启、关闭和这两个过程速率的较为直接的因素及其作用涉及：RNA转录的开/关，数量，选择性加工 蛋白质翻译速率，数

2、量，加工与 降解和分泌原核生物对环境的适应，相关的应答真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育 以及环境对个体表型的影响都是基因表达的结果 Prok.和Euk.的调控极其相似 调控机制：核酸分子间的互作 核酸与蛋白质分子间的互作 蛋白分子间的互作 调控层次：转录水平上的调控 mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控 翻译后水平的调控 共同的起源与共同的分子基础 内在信息 内, 外(信号分子) 结合信息 ORF only Helix , Nt seq. 遗传信息存在于模版链 三维空间结构/ DNA序列 的一级结构上 (IR, Box, paracodon) 三联体密码 空间，调控密码(

3、钥匙与锁) 简并 简并摇摆同工受体 cis 1 trans 2 cis 2trans 1 cis 1trans 3 cis 3I 类 II类 表达 specifical binding aa baseDNA RNA protein 遗传信息表达的方式（Euk.） 组成型表达（constitutive expression）Housekeeping gene 诱导型表达 （inducible expression by signaling molecular）Luxury gene 顺、反因子间互作方式的基因表达调控 正调控系统: 没有调节蛋白存在时，结构基因是关闭 的，而加入有活性的调节蛋白后

4、,结构基 因的表达活性被开启 无辅基诱导物或激活物 负控制系统: 没有调节蛋白存在时，结构基因是开启的， 加入这种有活性的调节蛋白后，结构基因表 达活性被关闭阻遏蛋白 所谓“关闭”指表达水平很低 本底水平的基因表达(12个mRNA分子细胞周期)“开启”也常有程度的差异无论是正调控还是负控制，都可以通过调节蛋白质与小分子物质（诱导物或辅阻遏物）的相互作用而达到诱导状态或阻遏状态。 二、基因表达调控的分子机制1、调控蛋白质的对称性与其识别序列的对称性 调控蛋白大多都是同种分子的多聚体二聚体、四聚体 二倍旋转对称通过单体和多聚体间的平衡迅速开启和关闭基因活性 同种二聚体要求识别序列为某种重复序列，提

5、高调控作用的特异性in major groove 特异和非特异结合力 3个helix,H1与H2平行 H2与H3形成HTH motif H3位于大沟中，与DNA特异结合 锌指结构 概念:与DNA结合的蛋白质中一小组保守AA与一个Zn2+结 合起来形成蛋白质中一个相对独立的结构域按结合的AA不同有两种类型a、Cys-His(C2/H2)锌指 经典的锌指蛋白中部芳香族氨基酸保守，加上Zn和Cys和His之间的配位结构形成疏水核经典的锌指蛋白、类固醇受体（激素）不同锌指蛋白中锌指数目多少不等锌指可以串联重复排列，两指间7-8aa TFA 有9个锌指、通用转录因子SP1有3个经典锌指的三维结构：一个发

6、卡和一个螺旋锌指上的螺旋负责与DNA作用b、Cys-Cys(C2/C2)锌指 Zn与4个Cys残基形成配位键酵母的转录激活因子GAL4、哺乳类的固醇类激素受体为典型代表。糖皮质激素受体ZYJ272 3、调控蛋白与蛋白质结合的方式 （1） HLH 结构特点：长4050个AA残基中含有两个既亲水又亲 酯的螺旋,被不同长度的连接区隔开(环) 此类蛋白借助两个螺旋对应面上疏水基团的相互作用形成 二聚体(同种或不同种亚基) 鉴定的较清楚的 蛋白质与蛋白质相互作用的结构基元有 螺旋-环-螺旋（HLH） Leu拉链HLH基元附近有个高度碱性的区段为结合DAN所必须bHLHMyoD-DNA（2）Leu拉链(L

7、eu zipper) 蛋白上含有4或5个精确的相距7个AA的Leu残基 概念：调控蛋白上富含亮氨酸残基的结构域参与形成二聚体Leu出现在-螺旋疏水的一侧，并直线排列于是，两个蛋白分子的两个螺旋之间依赖Leu残基之间的疏水作用形成一条拉链 GCN4（单体酵母转录激活因子）Leu拉链区的氨基端约30个残基的碱性区与DNA结合两个Leu拉链作用形成Y型结构，拉链为茎、碱性区分叉对称成臂拉链蛋白的目标DNA为没有间隔的反向重复第二节 乳糖操纵元 操纵元(Operon):基因表达调控的一个完整单元,包括结 构基因和控制区(O、P)以及调节基因(I) 的整个核苷酸序列 操纵元中各结构基因按一定比例协调翻译

8、 聚有极性突变效应： 操纵元中一个近基因的无义突变能够影响远基因表， 且根据距离远近呈极性梯度效应 P、O紧密连锁或彼此重叠，I基因位点不固定 顺式作用元件、反式作用因子一、 乳糖操纵元Jacob & Monod（法国）1、结构:2、 调节基因 I产物为阻遏蛋白,四聚体为活性形式转录方式为组成型转录LacI的表达效率很低,原因其启动子与RNApol的亲和性很低阻遏蛋白有两个结合位点: 操作子位点、 诱导物位点二、 Lac Operon的负调控1、 细胞内无诱导物时,呈阻遏状态阻遏蛋白和操作子的结合,影响了RNApol在-10序列上 形成开放型的启动子复合物2、 细胞内有诱导物时, 呈诱导状态诱

9、导物与阻遏蛋白迅速结合而改变其构象从O上解离RNApol3、 诱导物 别乳糖(allolactose)透性酶使乳糖进入细胞后，由-半乳糖苷酶催化产生 -半乳糖苷酶来源于乳糖操纵元的本底组成型合成RNApol利用LacO处于游离状态的瞬间进行转录(阻遏蛋白与LacO有10min20min的结合半衰期) 一个mRNA细胞周期 安慰诱导物（义务诱导物） 可诱导半乳糖苷酶产生但不是其底物* IPTG，异丙基-D硫代半乳糖苷* TMG ，巯甲基半乳糖苷* ONPG，O-硝基半乳糖苷4、阻遏蛋白与操作子的相互作用 阻遏蛋白与操作子是否发生相互作用？ 阻遏蛋白四聚体结合与膜上，可以与野生型DNA片段形 成复

10、合物。并可被IPTG抑制。 而用lacOc 突变体的DNA片段，则不能与阻遏蛋白结合硝酸纤维素膜可以和蛋白质结合而不与结合IR序列以+11为对称轴两边为两段各6bp的重复序列11+5到+17之间大部分在左侧521操作子与阻遏蛋白的结合位点被保护免于甲基化与阻遏蛋白紧密相连甲基化被加强的碱基组成型突变碱基阻遏蛋白上与操作子结合的位点LacO360160长头片段抗胰蛋白酶核心51短头片段阻遏蛋白与操作子的解离诱导物进入细胞后的可能作用方式 1.直接作用 与操作子上的阻遏蛋白结合 2.间接作用 与细胞中自由四聚体结合实验结果： 1.阻遏蛋白四聚体操作子复合物半衰期数十分钟， 而诱导作用快得多 2.阻

11、遏蛋白IPTG复合物可以与操作子结合 3.体内不存在游离的阻遏蛋白四聚体因此，直接作用是正确的解离过程 无诱导物存在时，细胞内一个阻遏蛋白四聚体结合在操作子上，其余全部随机结合在其他DNA序列上。 加入诱导物后，阻遏蛋白因变构效应使之与lacO的亲和力下降1000倍，但与非特异性序列亲和力不变。 阻遏蛋白四聚体与操作子的结合常数是随机序列的4*106倍。 操作子结合阻遏蛋白的长度26bp，因此大肠杆菌中有4.2*106/26=1.6*105个非特异性结合位点。因此，在无诱导物时，阻遏蛋白四聚体结合操作子的几率仅是结合非特异序列几率的25倍（ 4*106/1.6*105 25）三、 Lac Op

12、eron的正调控CAP-cAMP复合物cAMPcAMPCAP蛋白Low glucose = high cAMP总结lac operon transcription-control region正控制：CAP protein负控制：repressor第三节 Trp Operon及 弱化作用机理一、结构 结构基因 末端-终止子trpt(依赖)、trpt(不依赖)邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶Trp合成酶 相距很远的trpR编码阻遏蛋白 其活性形式为四聚体,并且只有结合trp时才有活性 控制区域 P、O和前导区及弱化子 trpO与tepE之间的162bp的前导区可转录到mRNA中 trpO的结

13、构* 位于trpP内，20bp,有完美的IR序列* trpP有正常的35和10区，10区完全在trpO内二、阻遏调控机制无trp时有trp时无活性二、弱化作用控制-基因转录的翻译调控通过核糖体对前导区的翻译而对转录进行调控弱化子（attenuator):Trp Operon中trpE前的一段 非结构基因的对应序列（123150）， 其中 包括不依赖因子的终止子，由于翻译的作用使 转录终止，这段序列称为(衰减子)发现缺失增加结构基因的表达，且与阻遏蛋白无关弱化子调控的表现：（与阻遏蛋白的负调控结果类似）* 无trp时，所有RNApol都能通过弱化子* 有trp时，部分逃过阻遏蛋白监督的RNApo

14、l在弱化子 处大部分被扣留，而只有10能通过1、Trp Operon mRNA的前导序列结构 下游-14aa的前导肽的ORF，其中两个相连的trp的 codonUGG 对弱化作用的实现起重要作用 下游长28bp的不依赖因子的终止子为弱化子的核心部分 前面有核糖体结合位点（SD序列）2、前导序列的二级结构 决定RNApol在弱化子处是终止转录还是继续转录1和2、3和4配对 序列1和2、3和4配对时，RNApol在3、4区的不依赖因 子的终止子处终止,其后的trpE等基因表达受到限制。 2和3配对 序列2和3配对时，RNApol继 续转录，使前导序列后的结构 基因得以转录3、弱化子弱化控制的机制

15、Prok.无核膜，转录和翻译偶联 （1）细胞缺少trp，Trp-tRNATrp水 平低，核糖体停顿在两个邻 近的Trp密码子处，此时核 糖体占据序列1，此时序列4 还没转录出来，序列2和3有 机会配对，RNApol可通过弱化子。(3) 此外,Arg饥饿时有相同的后果(2) 当细胞有Trp时,Trp-tRNATrp水平很高,核糖体顺利地翻 译出前导肽而在终止密码子处(+70,UGA位于序列1和2之 间)解离,此时,核糖体占据了序列1和部分序列2,使序列2不 能有效地和序列3配对,因而序列3和4产生终止子发夹结 构,转录终止。 实现弱化子对转录的调控关键是时间和空间上的巧妙安排空间上：两个Trp的

16、codon位置至关重要时间上：核糖体停顿在两个Trp codon上时，序列4还没 转录出来，否则这种巧妙安排的一个原因就是RNApol在转录完+90序列处时产生一次延宕给与核糖体以追赶的机会5、Prok.中弱化子（衰减子）的普遍性许多负责氨基酸合成的operon都受弱化子的控制，尤其是His operon中，弱化子是唯一的调控机制 第四节 基因转录的时序调控时序调控: Prok.在生长发育的各个阶段，基因的表达是按照 一定的时间顺序而展开的如:噬菌体的复制和颗粒的包装* 有效利用能源避免浪费* 避免了某些基因表达时机不当所带来的危害是多种蛋白质与RNApol作用的结果一、枯草杆菌嗜菌体中亚基的

17、替换1、枯草杆菌中phageSPO1早、中、晚期基因表达的转换早期基因-寄主的RNApol全酶55早期基因28编码的gp28取代55含有gp28的全酶转录中期基因中期基因33、34编码的gp33、gp34取代gp28以gp33gp34为亚基的全酶转录晚期基因2、枯草杆菌芽孢形成过程中亚基的替换二、大肠杆菌热震惊基因的表达大肠杆菌生长在较高的温度下（42-50度），某些基因则迅速的表达，这种现象称为热震惊反应。在热震惊反应中大量表达的基因称为热震惊基因为什么高温条件下热震惊基因会迅速表达？正长情况下大肠杆菌只有一种亚基(70)，是不能识别热震惊基因的启动子的。大肠杆菌中有一个rpoH基因，编码一

18、个32KD的蛋白质。这个基因在应急反应中表达，作为一个亚基识别热震惊基因的启动子-35序列前有TNNCNCNC，-10序列前有CCCC三、T4噬菌体生长中RNA聚合酶亚基的修饰和亚基的替换T4为烈性噬菌体，进入寄主后，利用寄主的RNA聚合酶转录第一批早期基因ADP核糖基转移酶(ADPRT) ADPRT与DNA一起进入寄主细胞，ADPRT将ADP核糖基连接到寄主RNA聚合酶亚基的精氨酸胍基上。修饰后的聚合酶与Mot的结合能力提高.Mot替换亚基，识别第二批早期基因。第一批早期Mot第二批早期寄主ADP核糖基四、T7噬菌体用自身RNA聚合酶代替寄主的RNA聚合酶IIIIII0.30.712TET0

19、.3寄主限制酶抑制剂0.7蛋白激酶，使寄主RNA聚合酶磷酸化失活1T7RNA聚合酶2寄主RNA聚合酶抑制剂二、phage裂解性生长和溶源状态的调控phage进入寄主体内后可能进入两种不同的周期 裂解周期-环形分子 大部分基因表达 溶源周期-以线性分 子形式整合到寄主的 染色体上,使大部分基 因不表达Phage的操纵元组织情况(一) phage裂解生长过程中的基因表达进入寄主cell的phage 的DNA上没有任何调节蛋白，因此寄主的RNApol便结合于PL和PR1、抗终止蛋白PN和调节蛋白Cro首先被转录2、PN蛋白的作用导致PL和PR控制的迟早期基因的表达 表达产物C蛋白、C蛋白、O蛋白、P

20、蛋白、Q蛋白3、PQ蛋白的作用导致PR 控制的晚期基因的表达 表达产物头尾蛋白、溶菌酶蛋白（二）溶源途径 巧妙的调控，小区段表达，整合到寄主染色体上* 此外， C促进Pint启动子转录，使int gene表达产生 整合酶1、溶源化的建立PE启动子的转录* C、C蛋白共同确立PE处C的转录（左向） PE(Establisment Promoter)* C阻遏与裂解生长有关基因的转录，其中转录出的 CmRNA含有S-D序列，因此有很高的翻译活性Pint启动子N蛋白和Cro蛋白被转录N蛋白抗终止C、C蛋白被转录C作用于PE(PRE)转录C左向转录阻遏蛋白结合于OROLC导致自身从PRM处转录 C、C

21、蛋白是C合成的正调控因子，作用于PE 处，C是关键。 Cro蛋白间接抑制C、C的转录，直接阻止C的转录。2、溶源化的维持PM启动子的转录 已产生的整合酶使整合并实现溶源化（attp、attB）。 溶源化的维持需要低水平的C转录，保持自身阻遏循 环，这个功能由PM完成。 C蛋白对PM正调控，但PM起始转录的C没有S-D 序列，因此翻译效率很低，但足以维持溶源状态。 溶源状态的维持通过C蛋白结合于OL、OR上而实现。溶源周期3、C、C蛋白对C和Cro的影响 C和Cro是phage的两种调节蛋白， 其中Cro能关闭C的表达溶源化状态的进入与否靠二者结合操作子的情况决定，数量是谁占上风的关键二者与操作

22、子的亲和次序为C蛋白 OL1OL2OL3 OR1OR2OR3Cro蛋白 OL3OL2OL1 OR3OR2OR1结合的结果阻止PL和PR的转录C、C蛋白是C和Cro蛋白谁占上风的关键因为在C、C的帮助下C表达 而Cro蛋白远早于C蛋白的表达OL1和OR1分别与PL和PR最靠近二者互相阻遏，二者的数量多少决定了寄主的命运OR3与PM接近 正常情况下，寄主的hfl基因产物大量存在导致Cro占上风 因为hfl编码一种蛋白酶水解C Cro蛋白对左右两个早期操作子亲和力较弱，使两 个操纵元初期表达一段时间才关闭 因此产生足够的O、P蛋白（复制有关）和PQ，从而使菌 4、导致溶源化的因素 （1） 营养耗竭：

23、寄主能源濒临枯竭时，导致cAMP产生等 一系列生理变化 * cAMP对hfl基因负调控，使分解C蛋白的酶大大 减少， C又能抑制该酶，因而C、CC 体走向裂解（2） MOI值过高（10）：MOI指感染时噬菌体与 细菌的比例，称感染复数 * C蛋白其作用的形式是寡聚体形式，单体不稳 定无活性 * 一两个噬菌体感染寄主时，产生的C不足以形成 寡聚体 * MOI值过高时，足够C寡聚体产生，确立从PE 转录C， CmRNA的高翻译活性导致C数量 占上风， PE活跃转录的同时抑制了Cro基因的表达 * 由于C和操作子亲和力较强，导致C、C不再 表达，但由于C对PM的正调控，产生能够维持溶 源状态数量的C

24、第五节 翻译水平的调控 翻译的调控主要发生在翻译的起始阶段，基因表达时翻译 的效率主要取决于mRNA的一级结构和高级结构 因此，mRNA的翻译起始区域往往是调控的靶位点 一、反义RNA的调控作用 反义RNA：又称干扰 mRNA 的互补 RNA，简称 micRNA （mRNA-interfering complementary RNA） 指与靶 mRNA具有互补序列的调控RNA，通过互补 的RNA序列与特定靶 mRNA结合，起负调控作用属于核酸与核酸的相互作用 作用机理 目前为止，只有原核生物发现了这种调控系统例如：1985 Hoopes等人发现的噬菌体 C抑制晚期基因的 转录就是通过micRN

25、A起作用Q基因有一个依赖于C的启动子PaQ（抗Q），其转录方向与Q基因相反，即转录产物RNA与Q基因的5端的一半完全互补，从而抑制Q基因的翻译，抑制晚期基因的表达 转录产生反义RNA的基因称为反义基因 结合位点：mRNA的SD序列、起始密码子、氨基酸N端的 部分密码子结合反义RNA调节膜蛋白的合成E.Coli的外膜中有两种膜蛋白：OmpC和OmpF。二者在外膜中的含量受渗透压的调控。当渗透压增高时， OmpCOmpF。渗透压降低时，OmpCOmpF。细胞膜上有一个渗透压感应器，EnvZ，当渗透压增高时EnvZ可以激活OmpR（一种正调控蛋白）。OmpR可以激活ompC 和micF 两个基因的转

26、录。二者紧密连锁，反向转录。调控区位于两个基因中间。micF 的转录产物即为OmpF的反义RNA二、mRNA本身的二级结构影响翻译的进行E.Coli的RNA嗜菌体（如，MS2、R17、f2）都具有相似的基因组成。A、CP、Rep、LysA:附着蛋白；CP:衣壳蛋白；Rep:复制酶；Lys:裂解蛋白Lys与CP和Rep基因重叠ACPRepLys当嗜菌体的RNA进入E.coli后，分子内形成许多碱基配对的二级结构。A基因和Rep基因的核糖体结合位点均处于二级结构中。只有CP基因可以为核糖体识别而合成衣壳蛋白。核糖体对CP基因的翻译冲开了Rep基因核糖体结合位点的二级结构，核糖体才能与之结合翻译出R

27、NA复制酶。嗜菌体的生命过程中CP蛋白的需要量要比RNA复制酶多很多。CP达到一定浓度时可以与Rep基因的核糖体集合位点结合，封闭了Rep基因的翻译。RNA复制酶与寄主RNA结合形成RNA复制酶复合体。复合体组成后，以原有的嗜菌体RNA（正链）为模板复制出负链，在以负链为模板产生更多的正链。在正链刚开始复制时，与A基因核糖体结合位点互补的序列还没有复制出来。这时候核糖体就结合上去进行翻译。当结合了12个核糖体后，互补序列就复制出来了。核糖体就无法翻译了。所以每产生一个正链，大约有12 个A蛋白产生。mRNA寿命对基因表达的调控决定mRNA寿命的许多因素都影响到基因的表达。这些因素主要有：1.核

28、糖体对mRNA具有保护作用2.mRNA分子的末端二级结构可以阻止外切酶的进攻。终止子形成的茎环结构使mRNA的稳定性增加而RNAase可以识别某些mRNA特定的二级结构，从而达到调控目的。三、蛋白质合成的自体调控* 有些蛋白质能够直接控制自身mRNA的可翻译性 主要是一些核酸结合蛋白或者是与核酸分子相互作用 为其生理功能的蛋白质*即这些蛋白质的mRNA上可能也有其结合位点1、释放因子RF2合成的自体调控 利用自身释放肽链的职能提前终止其mRNA的翻译* 当细胞内RF2供应充足时，RF2促成核糖体在上述UGA处肽链 合成的终止* 若细胞缺乏RF2，则核糖体以未知机制向前滑动一个Nt， 发生移框，

29、继续合成到最后一个密码子 RF2蛋白质340个AA codons不处于同一阅读框 5.GUU CUU AGG GGG UAU CUUU GAC UAC GAC.3NH2 Val Leu Arg Gly Tyr Leu Asp Tyr Asp COOH 20 21 22 23 24 25 26 27 282、核糖体蛋白合成的自体调控 * E.coli核糖体蛋白质的合成与rRNA（EF_Tu）合成严格协调 （数目） 通过控制翻译的起点即控制核糖体与自身mRNA的结 合而对其自身蛋白质mRNA可翻译性进行控制* 核糖体蛋白质与RNApol各亚基及延伸因子等混合编组在不 同的操纵元中 * 每个oper

30、on有一个核糖体蛋白质作为自身operon调节蛋白 * 每个操纵元的mRNA上具有与调节蛋白的结合位点 -靠近或包含SD序列* 操纵元 mRNA上与调节蛋白的结合位点与组装核糖体时与蛋白质相结合的rRNA位点高度同源，具有相似的二级结构mRNA上与调节蛋白的结合位点23SrRNA上与该蛋白的结合位点L11/L1 opreon* 调节蛋白与 rRNA的结合力高于与自身 mRNA的结合力* 调控方式当细胞内核糖体蛋白较少时，有游离的rRNA存在，调控蛋白优先结合rRNA，此时调控蛋白控制的自身操纵元mRNA继续翻译相反情况，调控蛋白结合自身mRNA，此时调控蛋白控制的自身操纵元mRNA停止翻译调控

31、实质：核酸的合成水平调节了蛋白质的合成翻译水平调节四、严谨反应调控（stringent response control） 基本概念：原核生物在不良的营养条件下（AA饥饿）， 自动停止或降低（1020倍）rRNA、tRNA 转录，从而调节蛋白质合成速度的严谨现象 相关因子： 严谨因子： 焦磷酸转移酶 由relA基因编码 正常情况下很少表达 信号分子：魔斑（magic spot）: ppGpp 魔斑（magic spot）: pppGpp 之所以称为魔斑-AA饥饿时，E.coli的薄层层析图 谱上有两种Nt与常见的Nt的迁移率不一样 调控机制 空转反应：AA饥饿时，无负载的tRNA进入核糖体的A

32、 位后，新肽键不能形成，但GTP不断消耗 空转反应导致信号分子的产生 ppGpp pppGpp ppGpp可与RNApol作用，使其不易变构.从而抑制tRNA、rRNA转录 放慢转录起始、延伸过程，放慢蛋白质合成过程，通过紧缩开支，渡过难关第六节 DNA序列重排对基因转录的调控 Prok.中研究最多的是鼠伤寒沙门氏菌的鞭毛基因的相变 过程一、沙门氏菌的、相及基因分布 onoffrh1-ponoff二、H2rh1转录单元的表达机制 * H2rh1转录单元的表达受其上游一段 995bpDNA 序列排列方向控制 * 995bp 序列两端各有一段 14bp 的 IR IRL 114 IRR 98299

33、5 * H2 基因的起始密码子与 995bp 相隔 16bp，启动子 位于 995bp 序列末端 * 995bp 序列中 hin 基因产物可催化 995bp 序列的倒位 Fla. Mov. H1 O HinH2rh1 (阻遏蛋白)IR L (1-14)IR R (982-995)PP Hin-P 转座酶H2 鞭毛蛋白 H1 阻遏蛋白Fla-P H1 O HinH2rh1 (阻遏蛋白)IR L (1-14)IR R (982-995)PPH1 鞭毛蛋白相变机制三、相变的意义逃脱寄主抗体的进攻细菌侵染寄主时处于I相,产生H1鞭毛蛋白,寄主可以针对其制造抗体,而细菌利用相变产生一定的II相后代.又可

34、以在寄主体内生存了.第七节 Euk.基因表达调控一、 Prok.与Euk.基因表达上的遗传差异 Repetitive gene Overlapping gene 非编码区 大量 少量 Splitting gene 很少出现 Post-transcription transcription & translation RNA processing 偶联Eukaryote ProkaryoteDNA DNA + histon chromatin Naked DNA Enhancer & silencer 弱化子Attenuater Monocistron polycistron (operon)

35、m5C gene off 乙酰化磷酸化甲酰化 糖基化转录因子trans factor活性形式Eukaryote Prokaryote Housekeeping gene(constitutive)Basic promoter + T.F. Luxury gene (inducible) 多种组合的Trans-Factor Positive control (mostly) 严谨性，专化性 ，复杂性(cAMP + CAP) site +35 + 10 单一类型保险性 Negative controlEukaryote Prokaryote基因表达上的主要异同以转录水平调控为主真核生物染色质的状态

36、对基因表达的调控m5C与基因表达的相关转录后多种方式的加工调节(RNA加工运输)Trans F + Cis F.Gene on /off相异：相似：个体发育的阶段和不同组织调控不同 以positive control为主Positive control的必要性与优越性a) 真核生物genome大，某一种cis-factor出现的机率高但随机出现a set of (trans-F + cis-F.) 完全相同的机率小灵活性可与多个(种)trans-Factor结合严谨性b) 特异基因表达 细胞分化如果 1000/10000(10%) 基因表达 （9000基因关闭） Negative contro

37、l; 9000 repressor requiredPositive control; 停止合成 9000 特异tran-factor 即只合成1000特异expresser经济合理有效二、Euk.DNA水平的调控1、 基因拷贝数的改变a) 基因的丢失 （DNA fragment or chromosome lose）蛔虫胚胎发育过程中有27%DNA的丢失 细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除 这些基因的活性 某些低等Euk.：原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物 体细胞内丢失整条或部分染色体 将来分化产生生殖细胞的细胞内不发生基因的丢失 高等Euk.内尚未发现b) 基因的扩增 (特定基因

38、在特定阶段的选择性扩增) 在没有发生细胞分裂情况下，细胞内某些特定基因的 拷贝数专一性大量增加的现象 细胞短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的 一种调控手段 两栖类和昆虫卵母细胞rDNA的扩增 例：非洲爪蟾 体细胞rDNA约 500copies 卵母细胞 200万copies（4000倍） chromatin 状况与基因表达相关证据1：转录活化区/ 非转录活化区染色质的结构差异 活跃转录区对 Dnase敏感 核小体结构不完整没有连接的H1常染色质gene on异染色质gene off2、 转录区染色质结构的变化对基因表达的控制量大， 进化保守， 与DNA 无专一性结合区 H2A, H2B

39、, H3, H4 modified by乙酰化、磷酸化 表达非常活跃的rDNA 转录区无nucleosome 结构 凡被Trans-factor 结合的区域 均能阻止nucleosome 形成降低组蛋白的正电荷组蛋白解聚核小体松弛 活跃转录区的组蛋白确实被乙酰化、磷酸化证据2；体外重建染色质改变转录效率Naked DNA DNA + H2A, H2B, H3, H4转录速度 转录速度转录速度 转录速度complete nucleosomeadd H1 3、 m5C对基因表达的调控a) m5C是真核生物 DNA中的主要修饰成分多发生在CpG序列中,不同细胞间m5C 相差甚大b) m5C对基因转录

40、抑制的表现 m5C 在大沟内影响DNA与T.F.间氢键的形成 大沟内m5C 导致空间的拥挤,破坏构象的平衡 使B-DNA Z-DNA T.F.结合空间的改变 降低转录因子与DNA的结合4、Euk.的基因重排啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）接合型的决定 接合型 MATa MAT单倍体细胞或a或接合型互变需要HO基因编码内切酶1、单倍体接合型受 MATa MAT控制同宗不能接合，异宗能接合a a a 2、接合型互变的匣子模型a、单倍体细胞中同时存在 MATa和MAT的遗传信息b、活跃匣子MATa或MAT 沉寂匣子HML、HMRa 在同一条染色体上c、接合型互变 HML、

41、HMRa能取代活 跃匣子而改变接合型 （不同型） 原HM位置仍保留一个拷 贝的沉寂匣子3、沉寂匣子的表达受阻遏蛋白亚基基因sir1、sir2、sir3、sir4的产物Sir蛋白的反式作用控制Sir(silent information regulator)结合在HML和HMR的启动子上游,而MAT上无结合位点三、Euk.转录水平的调控 Euk.基因表达包括的5种不同的调节点: 基因结构的激活、起始转录、加工转录物、 运输到细胞质、mRNA的翻译 起始转录RNA聚合酶与启动子相互作用决定若干Trans F + Cis F.的作用所决定 Euk.启动子的定义：包括所有那些位于转录起始位点 附近的序

42、列，这些序列都是启动 转录所必需的（实用角度） 转录因子：转录所必需的蛋白质（决定性功能指标） 识别并结合在启动子序列上并非严格定义未包括增强子a、 基本水平转录的 cis-factor ( promoter or basic factor) Core promoter (Cap site, TATA box 必需因子) UPE (Upstream Promoter Element) (CAAT box, GC box) 对于 housekeeping gene (constitutive expression) （1）启动子的组成 b、特异诱导高效表达的cis-factor Enhancer

43、 对于 luxury gene (inducible expression) 1、RNApol的启动子和转录因子（2）转录因子的分类a、基本转录水平的转录因子(Trans-factor) 基础因子Core promoter上游因子UPE所有基因表达所必须-基础转录复合体每个元件都有相应的转录因子元件名称共有序列结合DNA长度因子TATA boxTATAAAA10bpTBPCAAT boxGGCCAATCT22bpCTF/NF1GC boxGGGCGG20bpSP1OctamerATTTGCAT20bpOct-1OctamerATTTGCAT23bpOct-2kBGGGACTTTCC10bpNF

44、 kBATFGTGACGT20bpATF 真核生物必须有与基本转录相关的trans-factor 在 启动子处的先期结合,RNApol才能启动转录l TF (I, II, III) 转录因子l TAF (TBP 辅助因子)l RAP (RNApol. 结合蛋白) TIC (转录起始复合物) 等等.此外b、诱导型因子 特定时间、条件、或特定组织中合成或被活化 调控基因在不同时间、条件或不同地点表达应答元件-enhancer（3） 转录因子的DNA结合域和活化结构域是独立的 结合结构域和活化结构域之间的连接物是足够柔性的l多为变构蛋白DNA-结合 domain 二聚化 domain (在一些二聚体

45、因子中)活化 domain转录因子的结构域a DNA结合: HTH、锌指、碱性区域b 蛋白质结合： Leu拉链、HLH、 c 活化 一段包括酸性AA的保守序列（4） Enhancer 的结构与功能 双方向性，组织特异性，位点非专一性 a、由两个以上的增强子成分(Enhancer Element)组成 b、Enhancer Element 必需由两个紧密相连,具有间距效应的 增强子元 (Enhanson）组成 c、各个Enhanson(cis-factor)与激活蛋白(trans-factor)结合 增强特异性转录 促进转录的复合体 +UPE + core promoter基本转录复合体Enha

46、ncer 特异的 transc. Factor (tran-factor) 特异的transc. Factor (tran-factor) .+增强子复合物的激活区增强子复合物的激活区.Enhancer ElementEnhancer Element. (100bp) Enhanson (cis-factor) Enhanson (cis-factor) .(5bp) e.g. SV40 Enhancer (-179 -250) En. Elem.C En. Elem.B -250 -180 coreC TCII TCI sphII sphI Ap3 Ap2 Ap1 远距离控制，无方向性 mR

47、NA +1GC CAAT TATA 近启动子复合物基本转录复合体 d、增强子复合物与近启动子的转录起始复合物构型契合， 而不与RNA polymerase 结合 e、Enhancer 的两位点二元组织方式 f、 特化细胞内，具全部反式作用因子（trans-factor）才表现 增强效应即增强子的组织特异性 g、 增强子的复杂结构，以正控制方式防止基因表达的紊乱 能利用有限的trans-factor提供更多基因的表达调控因子类型一位点的二元结构： A, B factor AA, BB, AB, BA 两位点的二元结构：AA-AA, AA-BB, AA-AB, AA-BA BB-BB, BB-AA

48、, BB-AB, BB-BA AB-BB, AB-AA, AB-AB, BA-BA （5） 不同部位的反式因子相互作用假说 拧转学派、滑动学派、接力学派和噜噗学派（6） 可诱导的转录因 子活性的调控方式a、合成转录因子 b、蛋白质磷酸化 c、蛋白质脱磷酸化 d、结合配基 f、抑制剂释放 g、改变不同伴侣e、活性因子释放五、Euk.转录后水平的调控1、hnRNA的选择性加工某些基因序列在hnRNA和mRNA中的相对丰度差异很大e.g. 海胆中该调控水平的体现海胆细胞 hnRNA 成熟mRNA胚胎时期胚囊 约2万种 约13000种成体肠 约 2.5 万种 约3000种且尿胚中存在而肠细胞中没有的m

49、RNA极大多数可在 肠细胞的hnRNA中发现说明：不同组织转录水平差异不大加工运输机制目前了解很少2、mRNA前体的选择性拼接(alternative splicing)（1） 概念：有些基因产生的mRNA前体可按不同的方式 剪接，产生出两种或更多种mRNA 两种结果：结果1-差异在5和3非翻译区，产生相同的蛋白质结果2-产生不同的mRNA编码区，产生不同的蛋白质结果2又有几种情况： 情况1-同一细胞中产生多种蛋白质 情况2-同一基因在不同细胞中产生不同蛋白质 组织特异性 情况3-不同发育时期或条件下表达出不同的蛋白质以上情况均受特定调控（2） 选择性拼接方式a、不同的加尾位点（免疫球蛋白）b、不同的拼接位点 SV40的T（100KD