生物化学14翻译、15基因表达的调控及动画15xu

第十五章基因表达的调控2基因表达=基因转录+翻译基因表达的调控:生物体随时调整不同基因的表达状态,以适应环境、维持生长和发育需要。主要是转录水平的调控基因转录的调节：1.DNA序列2.调控蛋白RNA聚合酶3.DNA-蛋白质相互作用活性的影响3基因表达的调控方式:

阻遏负调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达

(相应蛋白质降低)

诱导正调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达

(相应蛋白质增加)4第一节原核生物基因表达的调控方式特点调控机制

--操纵子正调控负调控转录翻译偶联快速乳糖操纵子--负、正调控

转录起始的调控

色氨酸操纵子--负调控

转录起始、终止的调控5一、乳糖操纵子(lactoseoperon)操纵子（operon）：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）.一个操纵子

=编码序列（2-6）

+启动序列+操纵序列+(其他调节序列)6乳糖操纵子的发现：细菌以葡萄糖为能量来源葡萄糖充分时：

与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达

与其他糖代谢有关的酶基因---关闭葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：

与乳糖代谢有关的酶基因

---表达

与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭7细菌对乳糖的利用及其相关的酶:

乳糖(在通透酶作用下进入细菌）

β半乳糖苷酶

（细菌中少量存在）别位乳糖

β半乳糖苷酶

（细菌中少量存在）

葡萄糖+半乳糖

β半乳糖苷酶（细菌中少量存在）转乙酰基酶--功能未详8IPOZYa

控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶（一）乳糖操纵子（lactoseopron）结构RNA聚合酶结合位点调控基因9（二）Lac阻遏物的作用---负调控Lac阻遏物结构特点调控机制（负调控）由基因I编码生成的蛋白质具有四级结构的蛋白质具有4个相同亚基每个亚基中都有一与诱导剂结合的位点Lac阻遏物与O基因结合：结构基因关闭Lac阻遏物与诱导剂结合：不与O基因结合，结构基因开放

RNA聚合酶结合，转录开始10生理性诱导剂实验常用诱导剂别位乳糖异丙基硫代半乳糖（IPTG）Lac操纵子诱导剂IOOσ诱导剂乳糖操纵子的负调控图15-412（三）CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中

的作用----乳糖操纵子的正调控低葡萄糖、高乳糖、高cAMP时：

Lac阻遏蛋白不封闭转录,CAP+cAMP加强转录。13葡萄糖存在时：优先利用葡萄糖为能源。与阻遏蛋白的存在有关

--乳糖操纵子的负调控与cAMP有关：葡萄糖

cAMPLac操纵子（-）只有乳糖存在时：只能利用乳糖解除阻遏蛋白的作用CAP-cAMP复合物的激活作用

CAP+cAMP

乳糖操纵子导致结构基因转录(正调控)cAMP

在原核生物中的作用（饥饿信号）CAP(分解物基因激活物蛋白,Catabolitegeneactivatorprotein):有二个相同亚基的蛋白质一个与DNA结合的domain

一个与cAMP结合的domain14IPOZYa调控基因控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列cAMP-CAP结合位点操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶乳糖操纵子（lactoseopron）结构RNA聚合酶结合位点15

CAP-cAMP复合物

在乳糖操纵子表达中的作用---正调控条件2:低乳糖条件3:低乳糖条件4:高葡萄糖低cAMP高乳糖

Lac阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不发挥作用条件1:低葡萄糖高cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白不封闭转录时,没有CAP存在,也无高效转录活性。Lac阻遏蛋白不封闭转录,CAP+cAMP加强转录。OOOOO图15-5

CoordinateexpressionNoglucoseGlucose17原核生物基因表达的一般情况

（乳糖操纵子）环境条件的变化是相关基因表达的外界信号基因表达的负调控基因表达的正调控正、负调控协同表达葡萄糖、乳糖浓度的变化Lac阻遏物与操纵基因cAMP+CAP与相应的DNA序列18二、色氨酸操纵子(利用色氨酸作为能量来源)

1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控(转录起始)

调控基因结构基因

催化分支酸转变为色氨酸

的酶

trpRtrp1920阻遏物对色氨酸操纵子的负调控

阻遏物+Trp结合操纵基因相同二个共阻遏物亚基组成的蛋白质高Trp时：阻遏物+Trp结合操纵基因低Trp时：阻遏物不结合操纵基因212.衰减作用对色氨酸操纵子的调控(转录的终止）衰减子（attenuator）---DNA位于L基因中,离E基因5’端约30-60bp,长度140bp左右.衰减子可转录形成转录终止结构，使转录终止，同时产生前导肽。衰减作用：

高Trp时：衰减子（DNA）起作用。

形成转录终止结构，产生“前导RNA”（衰减子转录产物）转录、翻译偶联，同时产生“前导肽”

前导肽转录终止结构图15-6原核生物转录、翻译偶联图15-8衰减作用的基础转录终止结构高色氨酸时低色氨酸时图15-7发夹结构环茎多个U26高Trp时：Trp-tRNATrp存在

核糖体通过片段1(2个Trp密码子)

封闭片段2

片段3，4形成发夹结构类似于不依赖ρ因子的转录终止序列

RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物转录、翻译偶联,产生前导肽27低Trp时：Trp-tRNATrp没有供应核糖体翻译停止在片段1

（2个Trp密码子）片段2，3

形成发夹结构

转录不终止

RNA聚合酶继续转录28

第二节真核生物基因表达的调控

一.真核生物调控的特征：真核生物基因表达的调控核心途径：环境信号转导染色质活化转录的激活基因表达以正调控为主（激活蛋白激活靶基因）转录与翻译在不同的亚细胞区域进行29真核基因组结构特点基因组结构庞大单顺反子重复序列基因不连续（断裂基因）真核基因表达调控特点多层次上进行转录、转录后翻译、翻译后mRNA降解蛋白质分选RNA聚合酶活性染色体结构表化正性调节占主导转录与翻译分开进行转录后修饰、加工真核基因表达的调控30对核酸酶敏感活化基因常有高敏位点，位于调节蛋白结合位点附近DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋存在基因活化后:负超螺旋RNAP正超螺旋DNA碱基的甲基化修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化甲基化范围与基因表达程度呈反比组蛋白变化富含Lys组蛋白水平降低H2A·H2B二聚体不稳定性增加组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰基因的转录活性与DNA和染色质的结构有关31对核酸酶敏感高敏位点具有转录活性的染色质区域对DNaseⅠ核酸酶降解特别的位点在启动子/增强子等调控区结合各种调节因子没有核小体结构甲基化程度低高敏位点高敏位点34DNA碱基的甲基化甲基化的碱基C5-mCA6-mA甲基化范围与基因表达程度呈反比异染色质的DNA凝集状态高DNA甲基化程度高缺乏转录活性常染色质的DNA凝集状态低DNA甲基化程度低具有转录活性真核生物通过形成异染色质关闭某些基因的表达CpG岛(5-mCT)长度1～2Kb，密度高，G/C含量～60%CpG非甲基化存在高敏位点（启动子）抑癌基因CpG岛甲基化—肿瘤发生DNA碱基的甲基化修饰变化36组蛋白变化染色质重塑染色质中与转录活性相关的结构变化组蛋白密码H3/H4被乙酰化---染色质有转录活性基因开始转录H3/H4去乙酰化---基因停止转录染色质无转录活性组蛋白密码--乙酰化/去乙酰化的H3/H4

染色质活化状态的标志特异的蛋白质识别/结合组蛋白密码调节特定的基因表达真核生物启动子的激活转录因子结合在特殊的序列重塑复合物通过转录因子结合转录因子释放重塑复合物导致染色质重塑乙酰化复合物通过重塑复合物结合组蛋白被乙酰化38二、参与基因调控的顺式作用元件和

反式作用因子（一）顺式作用元件(Cis-actingelements)

真核生物DNA序列和被转录的结构基因距离较近包括：启动子（启动子上游近侧序列）

增强子和转录调控有关

(可影响自身编码基因表达活性)391.启动子和启动子上游近侧序列是RNA聚合酶结合位点周围的DNA序列位于转录起始点的上游按其对RNA聚合酶的影响分为两类:位于较上游的元件，强烈影响转录起始

CAATbox，GCbox（proximalsequenceelementPSE）离转录点较近，起转录起始调控作用

TATAbox(核心启动子）412.增强子(enhancer)一类能增强真核生物启动子功能的顺式作用元件（DNA序列）增强子、启动子交错覆盖/连续没有增强子启动子不表现活性没有启动子增强子无法发挥作用增强子作用不受序列方向的制约有组织特异性

433.反应元件(responseelement)真核细胞处于某一特定环境时有反应的基因具有相同的顺式作用元件这一类顺式作用元件--反应元件(DNA序列)

特点：（１）具较短的保守序列

（２）与转录起始点的距离不固定

（３）可位于启动子或增强子内举例：激素反应元件（HRE）当糖皮质激素作用时,真核细胞中有反应的基因具有此类顺式作用元件GRE=glucocorticoidresponseelements46（二）反式作用因子(trans-actingfactors)（转录因子，transcriptionfactor）一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子反式作用因子

识别/结合顺式作用元件中的靶序列启动转录例：转录因子TFⅡD识别结合

TATAbox

转录因子SP1识别结合

GCbox

转录因子CTF1识别结合

CCAATbox47反式因子有两个必需的结构域

DNA结合结构域：与顺式元件识别、结合转录激活结构域：与RNA聚合酶结合蛋白质图15-948反式作用因子（DNA结合域）结构模式

--蛋白质Helix-turn-helixα螺旋-β转角-α螺旋最常见DNA结合域之一例：CAP(最早在原核生物中发现）α螺旋识别、进入DNA双螺旋结构的大沟

Hel