分子生物学第八章基因表达调控详解演示文稿

分子生物学第八章基因表达调控详解演示文稿当前第1页\共有165页\编于星期五\17点优选分子生物学第八章基因表达调控当前第2页\共有165页\编于星期五\17点第一节基因表达调控的概述当前第3页\共有165页\编于星期五\17点基因表达调控(generegulationorgenecontrol):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当前第4页\共有165页\编于星期五\17点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当前第5页\共有165页\编于星期五\17点●生物遗传信息的概念C>cGenomeDNA10%;结构基因的编码序列tripletcodon90%;重复，间隔，调节序列…基因选择性表达指令重要的遗传信息遗传信息的两大类别II类；特定DNAseq.+特定蛋白质/核酸结合基因表达的指令geneon/offI类；DNAseq.RNAseq.(codon)tein表型(centraldogma)当前第6页\共有165页\编于星期五\17点

内在信息内,外(信号分子)结合信息

ORFonlyHelix,Ntseq….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(钥匙与锁)简并简并摇摆同工受体cis1trans2cis2trans1cis1trans3cis3I类II类表达specificalbindingaabaseDNARNAprotein当前第7页\共有165页\编于星期五\17点●遗传信息表达的方式（Euk.）组成型表达（constitutiveexpression）Housekeepinggene诱导型表达（inducibleexpressionbysignalingmolecular）Luxurygene顺、反因子间互作方式的基因表达调控当前第8页\共有165页\编于星期五\17点♫顺式作用元件（cis-actingelement）:能够影响同一条或相连DNA序列活性的特定DNA片段。例如，启动子♫反式作用因子（trans-actingfactor）:一种基因的蛋白质产物，能够影响位于基因组另一条染色体上的（或基因组别处的）另一个基因的表达活性。例如，RNApolymerase当前第9页\共有165页\编于星期五\17点★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,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(1～2个mRNA分子／细胞周期)“开启”也常有程度的差异当前第10页\共有165页\编于星期五\17点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。当前第11页\共有165页\编于星期五\17点二、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，提高调控作用的特异性inmajorgroove特异和非特异结合力当前第12页\共有165页\编于星期五\17点2、调控蛋白的DNA结合结构域的主要花式

主要有：α螺旋-转角-α螺旋（HTH）Cys-Cys锌指Cys-His锌指调控蛋白上存在与DNA和其它蛋白质相互作用的位点

★α螺旋-转角-α螺旋*两个α螺旋被一个β转角隔开*一个螺旋起识别结合DNA的作用当前第13页\共有165页\编于星期五\17点当前第14页\共有165页\编于星期五\17点3个—helix,H1与H2平行H2与H3形成HTHmotifH3位于大沟中，与DNA特异结合当前第15页\共有165页\编于星期五\17点CⅠ蛋白N端有五个螺旋，2和3与DNA相互作用C端负责二聚体形成N端负责与DNA接触当前第16页\共有165页\编于星期五\17点★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）当前第17页\共有165页\编于星期五\17点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7-8aaTFⅢA有9个锌指、通用转录因子SP1有3个当前第18页\共有165页\编于星期五\17点经典锌指的三维结构：一个β发卡和一个α－螺旋当前第19页\共有165页\编于星期五\17点锌指上的α－螺旋负责与DNA作用当前第20页\共有165页\编于星期五\17点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。当前第21页\共有165页\编于星期五\17点糖皮质激素受体ZYJ272

当前第22页\共有165页\编于星期五\17点TheDNA-bindingdomainofCys2-Cys2zincfingerproteins(Figure1.Glucocorticoidreceptor)iscomposedoftwoirregularantiparallelbeta-sheetsandanalpha-helix,followedbyanextendedloop.当前第23页\共有165页\编于星期五\17点3、调控蛋白与蛋白质结合的方式（1）HLH结构特点：长40～50个AA残基中含有两个既亲水又亲酯的α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拉链当前第24页\共有165页\编于星期五\17点HLH基元附近有个高度碱性的区段为结合DAN所必须bHLHMyoD-DNA当前第25页\共有165页\编于星期五\17点MyoD基因家族成员以肌肉特异性基因转录激活物的形式发挥作用，它们具有bHLH结构域，与肌肉特异性基因调控区常见的顺式作用元件E-box结合。例如，MyoD蛋白可以与鸡肌肉乙酰胆碱受体的一个亚基基因相结合从而启动这个基因；MyoD基因也可以自身激活，也就是其编码的MyoD蛋白可以结合至自身的上游DNA上而使其处于活化状态。当前第26页\共有165页\编于星期五\17点当前第27页\共有165页\编于星期五\17点当前第28页\共有165页\编于星期五\17点（2）Leu拉链(Leuzipper)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α-螺旋疏水的一侧，并直线排列于是，两个蛋白分子的两个α－螺旋之间依赖Leu残基之间的疏水作用形成一条拉链当前第29页\共有165页\编于星期五\17点当前第30页\共有165页\编于星期五\17点GCN4

（单体酵母转录激活因子）当前第31页\共有165页\编于星期五\17点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当前第32页\共有165页\编于星期五\17点第二节乳糖操纵元当前第33页\共有165页\编于星期五\17点★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♫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、反式作用因子当前第34页\共有165页\编于星期五\17点一、乳糖操纵元Jacob&Monod（法国）1、结构:当前第35页\共有165页\编于星期五\17点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、诱导物位点当前第36页\共有165页\编于星期五\17点二、LacOperon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当前第37页\共有165页\编于星期五\17点2、细胞内有诱导物时,呈诱导状态诱导物与阻遏蛋白迅速结合而改变其构象→→→从O上解离→→→RNApol当前第38页\共有165页\编于星期五\17点3、诱导物♫别乳糖(allolactose)透性酶使乳糖进入细胞后，由β-半乳糖苷酶催化产生♫β-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10min～20min的结合半衰期)一个mRNA／细胞周期当前第39页\共有165页\编于星期五\17点♫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-β-D硫代半乳糖苷*TMG，巯甲基半乳糖苷*ONPG，O-硝基半乳糖苷当前第40页\共有165页\编于星期五\17点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ＤＮＡ结合当前第41页\共有165页\编于星期五\17点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－5＋21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当前第42页\共有165页\编于星期五\17点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短头片段当前第43页\共有165页\编于星期五\17点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，直接作用是正确的当前第44页\共有165页\编于星期五\17点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）当前第45页\共有165页\编于星期五\17点三、LacOperon的正调控－－CAP-cAMP复合物cAMPcAMPCAP蛋白当前第46页\共有165页\编于星期五\17点Lowglucose=highcAMP当前第47页\共有165页\编于星期五\17点当前第48页\共有165页\编于星期五\17点总结lacoperontranscription-controlregion正控制：CAPprotein负控制：repressor当前第49页\共有165页\编于星期五\17点第三节TrpOperon及弱化作用机理当前第50页\共有165页\编于星期五\17点一、结构

♫结构基因♫末端---终止子trpt’(依赖ρ)、trpt(不依赖ρ)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时才有活性当前第51页\共有165页\编于星期五\17点♫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中当前第52页\共有165页\编于星期五\17点♫trpO的结构*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内当前第53页\共有165页\编于星期五\17点二、阻遏调控机制无trp时有trp时无活性当前第54页\共有165页\编于星期五\17点二、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):TrpOperon中trpE前的一段非结构基因的对应序列（123－150），其中包括不依赖ρ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RNApol在弱化子处大部分被扣留，而只有10％能通过当前第55页\共有165页\编于星期五\17点1、TrpOperonmRNA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ρ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（S－D序列）当前第56页\共有165页\编于星期五\17点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ρ因子的终止子处终止,其后的trpE等基因表达受到限制。

当前第57页\共有165页\编于星期五\17点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

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。当前第58页\共有165页\编于星期五\17点当前第59页\共有165页\编于星期五\17点(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。当前第60页\共有165页\编于星期五\17点当前第61页\共有165页\编于星期五\17点☻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codon位置至关重要时间上：核糖体停顿在两个Trpcodon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Hisoperon中，弱化子是唯一的调控机制当前第62页\共有165页\编于星期五\17点当前第63页\共有165页\编于星期五\17点第四节基因转录的时序调控当前第64页\共有165页\编于星期五\17点时序调控: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σ亚基的替换1、枯草杆菌中phageSPO1早、中、晚期基因表达的转换当前第65页\共有165页\编于星期五\17点早期基因---寄主的RNApol全酶σ55早期基因28编码的gp28取代σ55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gp33－gp34为σ亚基的全酶转录晚期基因当前第66页\共有165页\编于星期五\17点2、枯草杆菌芽孢形成过程中σ亚基的替换当前第67页\共有165页\编于星期五\17点当前第68页\共有165页\编于星期五\17点二、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σ亚基(σ70)，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，编码一个32KD的蛋白质。这个基因在应急反应中表达，作为一个σ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当前第69页\共有165页\编于星期五\17点三、T4噬菌体生长中RNA聚合酶亚基的修饰和σ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α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σ亚基，识别第二批早期基因。第一批早期Mot第二批早期寄主σADP核糖基当前第70页\共有165页\编于星期五\17点四、T7噬菌体用自身RNA聚合酶代替寄主的RNA聚合酶IIIIII0.30.712TETφ0.3－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1－T7RNA聚合酶2－寄主RNA聚合酶抑制剂当前第71页\共有165页\编于星期五\17点二、λphage裂解性生长和溶源状态的调控λphage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当前第72页\共有165页\编于星期五\17点当前第73页\共有165页\编于星期五\17点当前第74页\共有165页\编于星期五\17点λPhage的操纵元组织情况当前第75页\共有165页\编于星期五\17点(一)λphage裂解生长过程中的基因表达进入寄主cell的λphage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首先被转录当前第76页\共有165页\编于星期五\17点当前第77页\共有165页\编于星期五\17点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CⅢ蛋白、CⅡ蛋白、O蛋白、P蛋白、Q蛋白当前第78页\共有165页\编于星期五\17点当前第79页\共有165页\编于星期五\17点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、溶菌酶蛋白当前第80页\共有165页\编于星期五\17点（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，CⅡ促进Pint启动子转录，使intgene表达产生整合酶1、溶源化的建立－－PE启动子的转录*CⅢ、CⅡ蛋白共同确立PE处CⅠ的转录（左向）PE(EstablismentPromoter)*CⅠ阻遏与裂解生长有关基因的转录，其中转录出的CⅠmRNA含有S-D序列，因此有很高的翻译活性当前第81页\共有165页\编于星期五\17点Pint启动子当前第82页\共有165页\编于星期五\17点N蛋白和Cro蛋白被转录N蛋白抗终止CⅢ、CⅡ蛋白被转录当前第83页\共有165页\编于星期五\17点CⅡ作用于PE(PRE)转录CⅠ左向转录阻遏蛋白结合于OROLCⅠ导致自身从PRM处转录当前第84页\共有165页\编于星期五\17点♫CⅢ、CⅡ蛋白是CⅠ合成的正调控因子，作用于PE处，CⅡ是关键。♫Cro蛋白间接抑制CⅢ、CⅡ的转录，直接阻止CⅠ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λ整合并实现溶源化（attp、attB）。♫溶源化的维持需要低水平的CⅠ转录，保持自身阻遏循环，这个功能由PM完成。♫CⅠ蛋白对PM正调控，但PM起始转录的CⅠ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CⅠ蛋白结合于OL、OR上而实现。当前第85页\共有165页\编于星期五\17点溶源周期当前第86页\共有165页\编于星期五\17点3、CⅡ、CⅢ蛋白对CⅠ和Cro的影响CⅠ和Cro是λphage的两种调节蛋白，其中Cro能关闭CⅠ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子的亲和次序为CⅠ蛋白OL1›OL2›OL3OR1›OR2›OR3Cro蛋白OL3›OL2›OL1OR3›OR2›OR1当前第87页\共有165页\编于星期五\17点当前第88页\共有165页\编于星期五\17点结合的结果阻止PL和PR的转录CⅡ、CⅢ蛋白是CⅠ和Cro蛋白谁占上风的关键因为－－在CⅡ、CⅢ的帮助下CⅠ表达而Cro蛋白远早于CⅠ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接近当前第89页\共有165页\编于星期五\17点★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CⅡ

♦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：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CⅡ蛋白的酶大大减少，CⅡ又能抑制该酶，因而CⅡ、CⅢ→CⅠ

体走向裂解当前第90页\共有165页\编于星期五\17点（2）MOI值过高（≧10）：MOI指感染时λ噬菌体与细菌的比例，称感染复数

*CⅡ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CⅡ不足以形成寡聚体

*MOI值过高时，足够CⅡ寡聚体产生，确立从PE转录CⅠ，CⅠmRNA的高翻译活性导致CⅠ数量占上风，PE活跃转录的同时抑制了Cro基因的表达

*由于CⅠ和操作子亲和力较强，导致CⅡ、CⅢ不再表达，但由于CⅠ对PM的正调控，产生能够维持溶源状态数量的CⅠ当前第91页\共有165页\编于星期五\17点第五节翻译水平的调控当前第92页\共有165页\编于星期五\17点☻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-interferingcomplementaryRNA）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当前第93页\共有165页\编于星期五\17点♦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：1985Hoopes等人发现的λ噬菌体CⅡ抑制晚期基因的转录就是通过micRNA起作用Q基因有一个依赖于CⅡ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当前第94页\共有165页\编于星期五\17点当前第95页\共有165页\编于星期五\17点当前第96页\共有165页\编于星期五\17点反义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，OmpC>OmpF。渗透压降低时，OmpC<OmpF。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当前第97页\共有165页\编于星期五\17点当前第98页\共有165页\编于星期五\17点二、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当前第99页\共有165页\编于星期五\17点当嗜菌体的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。当前第100页\共有165页\编于星期五\17点核糖体对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RNA复制酶。当前第101页\共有165页\编于星期五\17点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。当前第102页\共有165页\编于星期五\17点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。当前第103页\共有165页\编于星期五\17点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1－2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1－2个A蛋白产生。当前第104页\共有165页\编于星期五\17点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RNAaseⅢ可以识别某些mRNA特定的二级结构，从而达到调控目的。当前第105页\共有165页\编于星期五\17点三、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的翻译当前第106页\共有165页\编于星期五\17点*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，继续合成到最后一个密码子

RF2蛋白质340个AAcodons不处于同一阅读框

5‘…..GUUCUUAGGGGGUAUCUUU

GACUACGAC…..3’NH2ValLeuArgGlyTyrLeuAspTyrAspCOOH202122232425262728当前第107页\共有165页\编于星期五\17点2、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operon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序列当前第108页\共有165页\编于星期五\17点当前第109页\共有165页\编于星期五\17点*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/L1opreon当前第110页\共有165页\编于星期五\17点*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停止翻译调控实质：核酸的合成水平调节了蛋白质的合成翻译水平调节当前第111页\共有165页\编于星期五\17点四、严谨反应调控（stringentresponsecontrol）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（10～20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Ⅰ（magicspotⅠ）:ppGpp

魔斑Ⅱ（magicspotⅡ）: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的迁移率不一样当前第112页\共有165页\编于星期五\17点当前第113页\共有165页\编于星期五\17点♦调控机制♫空转反应：AA饥饿时，无负载的tRNA进入核糖体的A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ppGpppppGpp当前第114页\共有165页\编于星期五\17点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，渡过难关当前第115页\共有165页\编于星期五\17点第六节DNA序列重排对基因转录的调控当前第116页\共有165页\编于星期五\17点☻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Ⅰ、Ⅱ相及基因分布

onoffrh1-ponoff当前第117页\共有165页\编于星期五\17点二、H2－rh1转录单元的表达机制*H2－rh1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

IRL1～14IRR982～995*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序列的倒位当前第118页\共有165页\编于星期五\17点Fla.Mov.H1O

HinH2rh1(阻遏蛋白)IRL(1-14)IR

R(982-995)PP

Hin-P转座酶H2鞭毛蛋白H1阻遏蛋白Fla-PH1

O

HinH2rh1(阻遏蛋白)IRL(1-14)IR

R(982-995)PPH1鞭毛蛋白相变机制当前第119页\共有165页\编于星期五\17点三、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.又可以在寄主体内生存了.当前第120页\共有165页\编于星期五\17点第七节Euk.基因表达调控当前第121页\共有165页\编于星期五\17点一、Prok.与Euk.基因表达上的遗传差异RepetitivegeneOverlappinggene非编码区大量少量Splittinggene很少出现Post-transcriptiontranscription&translationRNAprocessing偶联EukaryoteProkaryoteDNADNA+histonchromatinNakedDNA当前第122页\共有165页\编于星期五\17点Enhancer&silencer弱化子AttenuaterMonocistronpolycistron(operon)m5Cgeneoff

乙酰化磷酸化甲酰化糖基化转录因子transfactor活性形式EukaryoteProkaryote当前第123页\共有165页\编于星期五\17点Housekeepinggene(constitutive)Basicpromoter+T.F.Luxurygene(inducible)多种组合的Trans-FactorPositivecontrol(mostly)严谨性，专化性，复杂性(cAMP+CAP)site+－35+－10单一类型保险性NegativecontrolEukaryoteProkaryote当前第124页\共有165页\编于星期五\17点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)TransF+CisF.Geneon/off相异：相似：个体发育的阶段和不同组织调控不同以positivecontrol为主当前第125页\共有165页\编于星期五\17点Positivecontrol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asetof(trans-F+cis-F.)完全相同的机率小灵活性可与多个(种)trans-Factor结合严谨性当前第126页\共有165页\编于星期五\17点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）Negativecontrol;9000repressorrequiredPositivecontrol;停止合成9000特异tran-factor即只合成1000特异expresser经济合理有效当前第127页\共有165页\编于星期五\17点二、Euk.DNA水平的调控1、基因拷贝数的改变a)基因的丢失（DNAfragmentorchromosomelose）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.内尚未发现当前第128页\共有165页\编于星期五\17点b)基因的扩增(特定基因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）当前第129页\共有165页\编于星期五\17点♦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geneon异染色质geneoff2、转录区染色质结构的变化对基因表达的控制当前第130页\共有165页\编于星期五\17点量大，进化保守，与DNA无专一性结合区当前第131页\共有165页\编于星期五\17点H2A,H2B,H3,H4modifiedby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、磷酸化当前第132页\共有165页\编于星期五\17点证据2；体外重建染色质改变转录效率NakedDNADNA+H2A,H2B,H3,H4转录速度

＞

转录速度转录速度＞＞转录速度completenucleosomeaddH1当前第133页\共有165页\编于星期五\17点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的结合当前第134页\共有165页\编于星期五\17点4、Euk.的基因重排啤酒酵母（Saccharomycescerevisiae）接合型的决定接合型

MATa

MATα单倍体细胞或a或α接合型互变需要HO基因－－编码内切酶1、单倍体接合型受MATaMATα控制同宗不能接合，异宗能接合αa

a

ααa

当前第135页\共有165页\编于星期五\17点2、接合型互变的匣子模型a、单倍体细胞中同时存在MATa和MATα的遗传信息b、活跃匣子MATa或MATα沉寂匣子HMLα、HMRa在同一条染色体上c、接合型互变HMLα、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当前第136页\共有165页\编于星期五\17点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(silentinformationregulator)结合在HML和HMR的启动子上游,而MAT上无结合位点当前第137页\共有165页\编于星期五\17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TransF+CisF.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－－未包括增强子当前第138页\共有165页\编于星期五\17点a、

基本水平转录的cis-factor

(promoterorbasicfactor)

Corepromoter

(Capsite,TATAbox必需因子)

UPE(UpstreamPromoterElement)(CAATbox,GCbox)

对于housekeepinggene

(constitutiveexpression)

（1）启动子的组成

b、

特异诱导高效表达的cis-factor

Enhancer对于luxurygene

(inducibleexpression)

1、RNApolⅡ的启动子和转录因子当前第139页\共有165页\编于星期五\17点当前第140页\共有165页\编于星期五\17点当前第141页\共有165页\编于星期五\17点（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－－－Corepromoter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当前第142页\共有165页\编于星期五\17点元件名称共有序列结合DNA长度因子TATAboxTATAAAA~10bpTBPCAATboxGGCCAATCT~22bpCTF/NF1GCboxGGGCGG~20bpSP1OctamerATTTGCAT~20bpOct-1OctamerATTTGCAT~23bpOct-2kBGGGACTTTCC~10bpNFkBATFGTGACGT~20bpATF当前第143页\共有165页\编于星期五\17点★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……….此外当前第144页\共有165页\编于星期五\17点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

多为变构蛋白当前第145页\共有165页\编于星期五\17点DNA-结合domain二聚化domain(在一些二聚体因子中)活化domain转录因子的结构域aDNA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的保守序列当前第146页\共有165页\编于星期五\17点（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(EnhancerElement)组成

b、EnhancerElement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+corepromoter基本转录复合体当前第147页\共有165页\编于星期五\17点Enhancer

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……..EnhancerElementEnhancerElement……..

(<100bp)

Enhanson(cis-factor)

Enhanson(cis-factor)

……..(<5bp)

当前第148页\共有165页\编于星期五\17点e.g.SV40Enhancer(-179~-250)当前第149页\共有165页\编于星期五\17点

En.Elem.CEn.Elem.B

-250-180

coreCTCIITCIsphIIsphI

Ap3Ap2Ap1

远距离控制，无方向性

mRNA

+1GCCAATTATA

近启动子复合物基本转录复合体当前第150页\共有165页\编于星期五\17点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RNApolymerase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,Bfactor→AA,BB,