《生物化學(xué)課件》PPT課件

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1、13 基因表達(dá)的調(diào)節(jié),13.1基因表達(dá)調(diào)節(jié)的基本概念及原理 13.2 原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié) 13.3真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié),13.1 基因表達(dá)調(diào)節(jié)的基本概念及原理,13.1.1 基本概念 13.1.2 基因表達(dá)的規(guī)律 13.1.3 基因表達(dá)的方式 13.1.4 基因表達(dá)調(diào)節(jié)的基本原理,13.1.1 基本概念,基因（gene）是指一段編碼蛋白質(zhì)多肽鏈和功能RNA的DNA。 基因表達(dá)（gene expression）是指在某一基因指導(dǎo)下蛋白質(zhì)的合成過程。 對這個過程的調(diào)節(jié)即為基因表達(dá)調(diào)節(jié)（regulation of gene expression）。,13.1.2 基因表達(dá)的規(guī)律,一種生物含有大量的基因，這

2、些基因在生命活動過程中并不都是一齊開放表達(dá)，而是在有些時(shí)候，一些基因進(jìn)行表達(dá)，另一些基因則關(guān)閉。 基因表達(dá)表現(xiàn)為嚴(yán)格的規(guī)律性，即時(shí)間特異性、空間特異性。 按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按照特定的時(shí)間順序發(fā)生，這就是基因表達(dá)的時(shí)間特異性。在個體生長全過程某種基因產(chǎn)物在個體內(nèi)按不同組織空間順序地出現(xiàn)，這就是基因表達(dá)的空間特異性。,例如：母牛只有在分娩小牛后才開始泌乳時(shí)，乳腺中的各種蛋白質(zhì)基因也只有在這時(shí)才開始表達(dá)產(chǎn)生各種乳蛋白。 生長發(fā)育過程中更為明顯，許多基因只有在特定的時(shí)間和空間才進(jìn)行表達(dá)，其余時(shí)間或空間這些基因則關(guān)閉。,13.1.3 基因表達(dá)的方式,13.1.3.1 組成性表達(dá) 13.

3、1.3.2 誘導(dǎo)和阻遏表達(dá),13.1.3.1 組成性表達(dá),有些基因產(chǎn)物在生命全過程都是必需的，通常把在一個生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因稱為管家基因（housekeeping gene）。 管家基因很少受環(huán)境變化影響，在個體各個生長階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)或變化很小，這類基因的表達(dá)方式稱為組成性基因表達(dá)（constitutive gene expression）。 這類基因表達(dá)只受啟動子序列或啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響，而不受其他機(jī)制調(diào)節(jié)。組成性基因表達(dá)水平的“不變”是相對的。,13.1.3.2 誘導(dǎo)和阻遏表達(dá),有一些基因表達(dá)極易受環(huán)境變化的影響，在特定環(huán)境信號刺激下，這類

4、基因表達(dá)水平可呈現(xiàn)升高或降低的現(xiàn)象。 在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種表達(dá)方式稱為誘導(dǎo)表達(dá)（induction expression）。反之，有些基因的表達(dá)表現(xiàn)為關(guān)閉或下降，稱為阻遏表達(dá)（repression expression）。 在生物體內(nèi)，各種代謝途徑有條不紊地進(jìn)行，則是在一定機(jī)制控制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)，稱為協(xié)調(diào)表達(dá)（coordinance expression）。,13.1.4 基因表達(dá)調(diào)節(jié)的基本原理,13.1.4.1 特異DNA序列對基因轉(zhuǎn)錄激活 的調(diào)節(jié) 13.1.4.2 調(diào)節(jié)蛋白對轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié) 13.1.4.3 影響

5、RNA聚合酶活性 對于一個基因編碼產(chǎn)物蛋白質(zhì)來說，可以在7個水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)：基因活化、轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄后加工、mRNA降解、蛋白質(zhì)的翻譯、翻譯后加工修飾及蛋白質(zhì)的降解。,基因的表達(dá)最為有效的調(diào)控表現(xiàn)在兩個層次上： 第一：是控制從 DNA 模板上轉(zhuǎn)錄 mRNA 的速度。 從而免去從 mRNA 合成蛋白所需的各種材料，是十分經(jīng)濟(jì)的。這種調(diào)控通常稱為轉(zhuǎn)錄水平（transcription level）的調(diào)控。 第二：是控制從 mRNA 翻譯成 多肽鏈 的速度。 稱為 翻譯水平（translational level）的調(diào)控。大多數(shù)生物多采用轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控，翻譯水平調(diào)控較少。,13.2 原核基

6、因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié),13.2.1 原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的特點(diǎn) 13.2.2 乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制 13.2.3 其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制,13.2.1 原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的特點(diǎn),（1）因子決定RNA聚合酶識別特異性。 （2）操縱子模型的普遍性。 （3）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性 。,操縱子（operon）：是指原核生物基因組的一個表達(dá)調(diào)控序列，它包括參與同一代謝途徑的幾個酶的基因，編碼在一起形成一個特殊轉(zhuǎn)錄單位（結(jié)構(gòu)基因，structural gene），及在結(jié)構(gòu)基因前面的調(diào)節(jié)基因（regulatory gene，R）、操縱基因（operator，O）和啟動基因（promoter，P）。,操縱子的作用: 當(dāng)

7、代謝需要 結(jié)構(gòu)基因 表達(dá)酶時(shí)，操縱子即開放，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成 mRNA 并表達(dá)為 酶 參加代謝。如果不需要時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不被轉(zhuǎn)錄，或以很低的速度進(jìn)行。這是一個典型的轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控模式。,13.2.2 乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制,乳糖操縱子的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象: 當(dāng)大腸桿菌在葡萄糖培養(yǎng)基中生長時(shí)，它不能代謝乳糖。因?yàn)槿鄙偎匦璧拿?。?dāng)生長在沒有葡萄糖而只有乳糖的培養(yǎng)基中時(shí)，代謝乳糖的酶量增加近1000倍，可代謝乳糖。 如果此時(shí)在培養(yǎng)基中又加入一些葡萄糖，培養(yǎng)基中既有乳糖又有葡萄糖，則乳糖的代謝又停止，大腸桿菌又轉(zhuǎn)向利用葡萄糖而不利用乳糖。只有葡萄糖消耗殆盡，大腸桿菌才能又利用乳糖。,（1）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和阻

8、遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié),,（2） CAP的正性調(diào)節(jié),在乳糖操縱子中，其啟動子是弱啟動子，RNA聚合酶與之結(jié)合的能力很弱，只有降解物基因活化蛋白（catabolitegene activator protein，CAP）結(jié)合到啟動子上游的CAP結(jié)合位點(diǎn)，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動子結(jié)合后，才能有效轉(zhuǎn)錄。,但游離的 CAP 是不能與啟動子上游的 CAP 結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合的，在細(xì)胞內(nèi)有足夠的cAMP時(shí)，CAP 首先與 cAMP 形成復(fù)合物，此復(fù)合物才能與啟動子結(jié)合。因此CAP也稱做cAMP受體蛋白。 葡萄糖的降解產(chǎn)物能降低細(xì)胞內(nèi)cAMP的含量，因而當(dāng)向乳糖培養(yǎng)基中加入葡萄糖時(shí)，造成cAMP濃度降低，CAP便不能結(jié)

9、合在CAP結(jié)合位點(diǎn)上。此時(shí)即使有乳糖存在，已解除了對操縱基因的阻遏，也不能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，所以仍不能利用乳糖。 這就是在含葡萄糖的培養(yǎng)基中大腸桿菌不能利用乳糖，只有改用乳糖時(shí)才能利用乳糖的調(diào)節(jié)機(jī)理。,（3）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié),阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)與CAP的正性調(diào)節(jié)兩種機(jī)制協(xié)調(diào)合作，相輔相成、互相協(xié)調(diào)、相互制約。協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)后的4 種不同的情況： （1）葡萄糖存在而乳糖不存在時(shí)，無誘導(dǎo)劑存在，阻遏蛋白與DNA結(jié)合。而且由于葡萄糖的存在，CAP 也不能發(fā)揮正調(diào)節(jié)作用，基因處于關(guān)閉狀態(tài)。 （2）葡萄糖和乳糖都不存在時(shí)，沒有葡萄糖存在的情況下，CAP 可以發(fā)揮正調(diào)節(jié)作用。但由于沒有誘導(dǎo)劑，阻遏蛋白的負(fù)調(diào)節(jié)作用使基因仍然處于

10、關(guān)閉狀態(tài)。,（3）葡萄糖和乳糖都存在時(shí)，乳糖的存在對基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生誘導(dǎo)作用。但由于葡萄糖的存在使細(xì)胞內(nèi)cAMP水平降低，cAMPCAP復(fù)合物不能形成，CAP不能結(jié)合到CAP結(jié)合位點(diǎn)上，轉(zhuǎn)錄仍不能啟動，基因處于關(guān)閉狀態(tài)。 （4）葡萄糖不存在而乳糖存在時(shí)，CAP可以發(fā)揮正調(diào)節(jié)作用，阻遏蛋白由于誘導(dǎo)劑的存在而失去負(fù)調(diào)節(jié)作用，基因被打開，轉(zhuǎn)錄啟動。,13.2.3 其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制,（1）阿拉伯糖操縱子 （2）色氨酸操縱子,（1）阿拉伯糖操縱子（ara operon）,這是一個利用同一調(diào)節(jié)蛋白的不同結(jié)構(gòu)形式，活化或抑制操縱子的調(diào)節(jié)方式。 阿拉伯糖操縱子含有3個結(jié)構(gòu)基因：B、A、D基因，分別編碼異構(gòu)酶、激

11、酶、表位酶，催化阿拉伯糖轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸木酮糖，后者進(jìn)入磷酸戊糖途徑。也包括調(diào)節(jié)基因（araC）、操縱基因（araO）、啟動子（araI）。,,操縱基因被araC的產(chǎn)物所調(diào)節(jié)，它是一個具有2種不同功能構(gòu)象（P1和P2）的蛋白質(zhì)。 無阿拉伯糖存在時(shí)，它以P1型存在，P1型為阻遏物，P1與操縱基因結(jié)合而阻止操縱子的轉(zhuǎn)錄（負(fù)性調(diào)節(jié)）。 在有阿拉伯糖存在時(shí)，阿拉伯糖可將P1從操縱基因移開，并使構(gòu)象間的平衡移向P2。P2是激活物，能與CAPcAMP復(fù)合物一起結(jié)合到啟動子上，促進(jìn)RNA聚合酶開始轉(zhuǎn)錄（正性調(diào)節(jié)）。,（2）色氨酸操縱子,trp 操縱子的阻遏物是由距 trp 操縱子較遠(yuǎn)的 R 基因合成的一個 5

12、8 KD 的蛋白質(zhì)。 當(dāng)機(jī)體色氨酸不足時(shí)，阻遏物游離存在，不能與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因得以轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，生成色氨酸。 當(dāng)機(jī)體生成的色氨酸過量時(shí)，色氨酸與阻遏物形成復(fù)合物，此復(fù)合物可結(jié)合操縱基因，阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。,反饋?zhàn)瓒簦哼@種以終產(chǎn)物阻止該產(chǎn)物基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理稱為反饋?zhàn)瓒?。此終產(chǎn)物（色氨酸）稱為輔阻遏物（Corepressor）。 反饋?zhàn)瓒舻膬?yōu)點(diǎn)： 造成在色氨酸充足時(shí)，完全阻斷轉(zhuǎn)錄；在色氨酸水平下降很低時(shí)，阻遏消除，轉(zhuǎn)錄開放，合成色氨酸。這樣易于保持細(xì)菌細(xì)胞中色氨酸水平的衡定。,衰減子：,另外，色氨酸操縱子中還存在一個輔助調(diào)控結(jié)構(gòu)，可用以終止 和減弱轉(zhuǎn)錄，這個調(diào)控結(jié)構(gòu)稱為衰減子（attenu

13、ator，a） 。 結(jié)構(gòu)基因 起始密碼子前，有長 162 個核苷酸的前導(dǎo)序列（leader Sequence，L）。該前導(dǎo)序列編碼一小段 14 肽（前導(dǎo)肽）。在 14 肽里有兩個色氨酸（UGG）密碼子，它們在調(diào)節(jié)中起著重要的作用。,衰減子起作用的方式： 前導(dǎo)序列的終止區(qū)與一般轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)的特征相同，具有潛在的二重對稱結(jié)構(gòu)能形成莖環(huán)，具有成串的 U。完整的前導(dǎo)序列分為1、2、3、4個區(qū)域，這 4 個區(qū)可根據(jù)需要彼此互補(bǔ)，形成奇特的二級結(jié)構(gòu)，達(dá)到調(diào)節(jié)基因表達(dá)的目的。,當(dāng)色氨酸充足時(shí)，完整的前導(dǎo)肽（14肽）可被合成，這時(shí)在核糖體參與下，前導(dǎo)序列形成終止信號，RNA 聚合酶不能通過，阻止轉(zhuǎn)錄進(jìn)行，

14、減少結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。,當(dāng)色氨酸不足時(shí)，由于色氨酸 - tRNA不能形成，前導(dǎo)肽翻譯 至 色氨酸密碼子（UGG）處即終止，在核糖體參與下，前導(dǎo)序列不能形成終止信號，RNA 聚合酶可以超越衰減子而繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，結(jié)構(gòu)基因得到表達(dá)，產(chǎn)生色氨酸 。,衰減子調(diào)控的意義： 衰減子調(diào)控，是一種翻譯與轉(zhuǎn)錄相偶聯(lián)的調(diào)控機(jī)制。在這里可以看到核酸分子和蛋白質(zhì)分子一樣，能以構(gòu)象的改變起到調(diào)節(jié)作用。 衰減子調(diào)節(jié)在大腸桿菌的其它氨基酸合成操縱子中也普遍存在。,翻譯水平調(diào)節(jié)反義 RNA,反義 RNA： 就是一種與 mRNA 互補(bǔ)的 RNA 分子，它是 反義基因或基因的反義鏈轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物。它與 mRNA 結(jié)合后即阻斷

15、mRNA 的翻譯，從而調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。,反義的 RNA的應(yīng)用：基因治療 反義 RNA 調(diào)控的特點(diǎn)是高度的特異性，一種反義 RNA 抑制一種 mRNA ?，F(xiàn)在根據(jù)原理可人工設(shè)計(jì)合成反義 RNA，抑制靶基因的表達(dá)，從而達(dá)到治療疾病的目的，稱為基因治療。 如乙肝病毒、口蹄疫病毒、脊髓灰質(zhì)炎病毒及人的愛滋病病毒（HIV）等都是 單鏈 RNA 病毒，可利用反義 RNA 抑制其在體內(nèi)的復(fù)制。 再如可用反義 RNA 抑制癌蛋白的表達(dá)。,13.3 真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié),13.3.1 真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 13.3.2 真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)的特點(diǎn) 13.3.3 真核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié),13.3.1 真核基

16、因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn),13.3.1.1 龐大的真核基因組結(jié)構(gòu) 13.3.1.2 染色質(zhì)的獨(dú)特結(jié)構(gòu) 13.3.1.3 單順反子 13.3.1.4 重復(fù)序列 13.3.1.5 基因不連續(xù)性 13.3.1.6 基因家族,13.3.1.1 龐大的真核基因組結(jié)構(gòu) 真核生基因組約占全部DNA序列的6。此外尚有510的rRNA等重復(fù)基因，其余8090的哺乳類DNA序列可能沒有直接的遺傳學(xué)功能。,13.3.1.2 染色質(zhì)的獨(dú)特結(jié)構(gòu) 真核生物的DNA是由DNA與組蛋白、非組蛋白和少量RNA及其他物質(zhì)結(jié)合而形成的核小體結(jié)構(gòu)。 組蛋白與DNA結(jié)合，可保護(hù)DNA免受損傷，維持基因組穩(wěn)定性，抑制基因的表達(dá)，去除組蛋

17、白則基因轉(zhuǎn)錄活性增高。 組蛋白的許多側(cè)鏈可以被 乙?；?、甲基化、ADP-核糖化 及磷酸化所修飾 。這種修飾可以改變組蛋白的電荷性質(zhì)，改變?nèi)旧w的基因結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響 DNA 的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的機(jī)會。,13.3.1.3 單順反子 即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。有很多真核蛋白質(zhì)由幾條不同的多肽鏈組成，因此存在多個基因協(xié)調(diào)表達(dá)的問題。 13.3.1.4 重復(fù)序列 重復(fù)序列及基因重組均與生物進(jìn)化有關(guān)。某些重復(fù)序列發(fā)生在調(diào)節(jié)區(qū)，如轉(zhuǎn)錄終止區(qū)、衰減調(diào)節(jié)區(qū)及某些酶或蛋白因子結(jié)合位點(diǎn)，則可能對DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)具有重要意義。,13.3.1.5 基因不連續(xù)性 真核生物的

18、結(jié)構(gòu)基因是不連續(xù)的，編碼氨基酸的序列被非編碼序列打斷，因而被稱為斷裂基因（split gene）。在編碼基因內(nèi)部尚有一些不為蛋白質(zhì)編碼的間隔序列，稱為內(nèi)含子（intron），被分隔開的編碼序列稱為外顯子（exon）。 內(nèi)含子與外顯子在轉(zhuǎn)錄時(shí)被同時(shí)轉(zhuǎn)錄下來。內(nèi)含子在轉(zhuǎn)錄后經(jīng)一定規(guī)律的剪接機(jī)制從轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中去除，使外顯子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物連接在一起，形成成熟的mRNA。,13.3.1.6 基因家族 基因家族（gene family）就是指核苷酸序列或編碼產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)具有一定程度同源性的一組基因。同一個家族的基因成員是由同一祖先基因進(jìn)化而來，同源性最高的可達(dá)100（即多拷貝基因）。同源性也可以很低，只有一小段序

19、列相同。在基因家族中的基因，其編碼產(chǎn)物常常具有相似的功能。 假基因（pseudogene），用表示。,13.3.2 真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)的特點(diǎn),13.3.2.1 組織特異性表達(dá)和時(shí)相性 13.3.2.2 活性染色體結(jié)構(gòu)變化 13.3.2.3 正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo) 13.3.2.4 多級調(diào)節(jié)系統(tǒng),13.3.2.1 組織特異性表達(dá)和時(shí)相性, 時(shí)間特異性/ 階段特異性 在多細(xì)胞生物從受精卵到組織、器官形成的各個不同發(fā)育階段，相應(yīng)基因嚴(yán)格按照一定時(shí)間順序開啟或關(guān)閉，這就是基因表達(dá)的時(shí)間特異性（temporal specificity）。 同時(shí)對于多細(xì)胞生物而言，這種特異性與分化、發(fā)育階段相一致，故

20、又稱階段特異性（stage specificity）。,空間特異性細(xì)胞特異性組織特異性 在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，即某些基因僅特異地在某種細(xì)胞中表達(dá)，這就是基因表達(dá)的空間特異性（spatial specificity）。 基因表達(dá)伴隨時(shí)間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，因此基因表達(dá)的空間特異性又稱細(xì)胞特異性（cell specificity）或組織特異性（tissue specificity）。,13.3.2.2 活性染色體結(jié)構(gòu)變化,當(dāng)基因被激活時(shí)，可觀察到染色體相應(yīng)區(qū)域發(fā)生某些結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化。 核酸

21、酶敏感 DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化 DNA堿基修飾變化 組蛋白變化,13.3.2.3 正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo), 采用正性調(diào)節(jié)機(jī)制更有效 采用負(fù)性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟(jì),13.3.2.4 多級調(diào)節(jié)系統(tǒng),真核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)可以發(fā)生DNA水平（轉(zhuǎn)錄前水平）、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平和翻譯后水平。 DNA水平的調(diào)節(jié)主要通過下列幾種方式： 染色質(zhì)的丟失 基因擴(kuò)增 基因重排 DNA甲基化, 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié),真核生物的基因調(diào)節(jié)主要表現(xiàn)在對基因轉(zhuǎn)錄活性的控制上。而基因轉(zhuǎn)錄活性由激活蛋白和阻遏蛋白或其他調(diào)節(jié)物影響基因活性。, mRNA前體加工對基因表達(dá)調(diào)節(jié)的影響 mRNA的剪接

22、對基因表達(dá)調(diào)節(jié)的影響 mRNA運(yùn)輸?shù)目刂? 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié), 翻譯水平的調(diào)節(jié), 翻譯起始的調(diào)節(jié) A. 阻遏蛋白的調(diào)節(jié)作用 B. 翻譯起始因子的功能調(diào)節(jié) C. 5AUG對翻譯的調(diào)節(jié)作用 D. mRNA5端非編碼區(qū)長度對翻譯的影響 mRNA穩(wěn)定性調(diào)節(jié) 小分子RNA對翻譯水平的影響, 翻譯后水平的調(diào)節(jié),對翻譯后水平的調(diào)節(jié)尚了解很少，調(diào)節(jié)方式主要包括肽鏈合成后的加工，新生肽鏈的水解速度，信號肽的分揀、運(yùn)輸、定位等。,13.3.3 真核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)是真核生物基因表達(dá)調(diào)節(jié)中最重要的環(huán)節(jié)。 調(diào)節(jié)作用主要是通過反式作用因子、順式作用元件和RNA聚合酶的相互作用來完成

23、的。,13.3.3.1 順式作用元件, 啟動子 增強(qiáng)子 沉默子 某些基因含有負(fù)性調(diào)節(jié)元件-沉默子（silencer），當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。,13.3.3.2 反式作用因子, 反式作用因子的主要特點(diǎn) 一般具有3個功能結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合域、蛋白質(zhì)結(jié)合結(jié)構(gòu)域和轉(zhuǎn)錄活性域。這些功能區(qū)含有幾十到幾百個氨基酸殘基。 能識別并結(jié)合上游調(diào)節(jié)區(qū)中的順式作用元件。 對基因表達(dá)有正性和負(fù)性調(diào)節(jié)作用，即激活和阻遏基因的表達(dá)。具有正性調(diào)節(jié)作用的反式因子和相應(yīng)的順式元件結(jié)合后，可能還要通過與RNA聚合酶或其它反式因子與相應(yīng)的順式元件結(jié)合后才能產(chǎn)生效應(yīng)。, 反式作用因子結(jié)構(gòu)域模

24、式, DNA結(jié)合域 蛋白質(zhì)結(jié)合域 轉(zhuǎn)錄活性域,13.3.3.3 轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié),真核基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)機(jī)制涉及反式作用因子的激活、反式作用因子的作用等。 反式作用因子的活性調(diào)節(jié) 反式作用因子的激活通過以下幾種方式進(jìn)行： 表達(dá)式調(diào)節(jié) 共價(jià)修飾 配體結(jié)合 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用, 反式作用因子與順式作用元件的結(jié)合,反式作用因子被激活后，即可識別并結(jié)合上游啟動子元件和增強(qiáng)子中的保守性序列。, 反式作用因子的作用方式, 成環(huán)：反式作用因子結(jié)合于增強(qiáng)子后，利用DNA的柔曲性，彎曲成環(huán)，使增強(qiáng)子區(qū)域與RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)靠近，直接接觸而發(fā)揮作用。 扭曲：通過DNA結(jié)合蛋白與變形

25、的DNA（如左旋DNA）結(jié)合或者結(jié)合蛋白使DNA構(gòu)象改變（如解旋等）而發(fā)揮作用。 協(xié)同 ：一種反式作用因子與其順式作用元件結(jié)合，促進(jìn)另一種反式作用因子與鄰近的順式作用元件結(jié)合，后者又促進(jìn)下一個反式作用因子與其順式作用元件的結(jié)合，直到基因的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)，進(jìn)而影響基因的轉(zhuǎn)錄。, 反式作用因子的組合式調(diào)節(jié)作用,每一種反式作用因子結(jié)合順式作用元件后雖然可發(fā)揮促進(jìn)或抑制作用，但反式作用因子對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)不是由單一因子完成的，而是幾種因子組合，發(fā)揮特定的作用，稱為組合式基因調(diào)節(jié)（combinatorial gene regulation）。,調(diào)控蛋白結(jié)構(gòu)域中與 DNA 接觸的 結(jié)構(gòu)基元 ，主要有 ： 鋅指

26、基元 和 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋 。,,鋅指基元（zinc finger）是：在保守的半胱氨酸和組氨酸殘基形成的四面體結(jié)構(gòu)中鑲著一個鋅原子。鋅指基元由約 23 個氨基酸組成。在含鋅指的蛋白中鋅指通常是成串的重復(fù)排列。鋅指間的聯(lián)接物通常是7 - 8 氨基酸。不同蛋白質(zhì)的鋅指數(shù)目不同。含有鋅指的調(diào)控蛋白在與 DNA 結(jié)合時(shí)，是鋅指的尖端進(jìn)入到 DNA 的大溝或小溝，以識別它特異結(jié)合的 DNA 序列并與之結(jié)合。迄今僅在真核生物中發(fā)現(xiàn)有鋅指蛋白，在原核中尚未發(fā)現(xiàn)。,螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix）基元： 基本組成： 兩個 -螺旋 之間被 -轉(zhuǎn)角 隔開。本身通常不穩(wěn)定，但它是較大的

27、結(jié)合 DNA 的結(jié)構(gòu)域的活性部分。其中的一個-螺旋通常含有多個與 DNA 相互作用的氨基酸殘基，起識別的作用，并且被安置在大溝中。 含有螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋基元的結(jié)合蛋白最先在原核中發(fā)現(xiàn)，目前許多真核調(diào)控蛋白也含有非常相似的基元。,調(diào)控蛋白與蛋白質(zhì)結(jié)合的結(jié)構(gòu)域 調(diào)控蛋白除了與 DNA 結(jié)合的結(jié)構(gòu)域外，通常還有與蛋白質(zhì)結(jié)合的結(jié)構(gòu)域，用以和 RNA 聚合酶及其它調(diào)控蛋白相互作用，也用于相同調(diào)控蛋白分子之間的作用，共同調(diào)節(jié)基因表達(dá)。 這種與蛋白質(zhì)結(jié)合的結(jié)構(gòu)域也含有幾種結(jié)構(gòu)基元。比較清楚的有 螺旋-環(huán)-螺旋 和 亮氨酸拉鏈 兩種。,螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix，HLH）

28、 ： 結(jié)構(gòu)： 在一個 40 - 50 個氨基酸殘基的片段中有兩個雙親- 螺旋，每個螺旋區(qū)為 15-16 個氨基酸長，其中含有幾個保守殘基。兩個螺旋間用長短不等的聯(lián)結(jié)區(qū)（環(huán)）聯(lián)起來。 含有 HLH 基元的蛋白質(zhì)用兩個螺旋相應(yīng)面上的疏水基團(tuán)相互作用的方式形成二聚體發(fā)揮作用。,亮氨酸拉鏈（leucine zipper） ： 在蛋白質(zhì)的- 螺旋一側(cè)集中了許多疏水氨基酸，一般約每 7 個氨基酸殘基出現(xiàn)一個亮氨酸。 即 亮氨酸都出現(xiàn)在- 螺旋 的疏水一側(cè)，呈直線排列。當(dāng) 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì) 相互作用時(shí)兩個- 螺旋的亮氨酸殘基是肩并肩地排列起來有如拉鏈，因而稱為亮氨酸拉鏈。,增強(qiáng)子與轉(zhuǎn)座子： 真核轉(zhuǎn)錄中除調(diào)控蛋白外，在 DNA 上還有一些序列對轉(zhuǎn)錄有顯著的影響。 最突出的是增強(qiáng)子（enhancer）。此外， 基因中還發(fā)現(xiàn)有轉(zhuǎn)座子。,增強(qiáng)子（enhancer）示意圖,,轉(zhuǎn)座子： 另外一類有特定結(jié)構(gòu)的 DNA 順序，這些順序不斷地改變它們在細(xì)胞基因組內(nèi)的位置，或從一個基因組移動到另一個基因組上，它起著多方面的基因表達(dá)調(diào)控作用，稱為可轉(zhuǎn)座的遺傳因子（transposable genetic elements）或簡稱轉(zhuǎn)座子。,