分子生物学第四章

降钙素
降钙素基因相关肽
RNA 干扰
Dicer (specific enzyme in Drosophila)
RISC (RNA-induced silencing complex)
microRNA 的形成
与靶 mRNA 发生碱基互补配对， 抑制蛋白质翻译。
翻译水平的调控
1. 翻译起始因子 (eIF) 功 能的调控


2
1

珠蛋白基因簇位于第 16 号染色体； , 2, 1 和 基因为功能基因， 和 为假基因。

G
A



珠蛋白基因簇位于第 11 号染色体； , G, A, 和 为功能基因， 为假 基因。
胚胎发育早期的 Hb：22, 22 和 22
AGGTCAN3AGGTCA
AGGTCAN3AGGTCA AGGTCANAGGTCANAGGTCANAGGTCA
亮氨酸拉链 (leucine zipper) 模体
• 肽链 C 端的 -螺旋区域 (约含 30 个氨基酸) 中， 每间隔几个氨基酸就出现一个亮氨酸残基，形成 亮氨酸重复序列。 • 两个具有亮氨酸重复序列的蛋白质分子以亮氨酸 间的疏水作用 (即亮氨酸拉链) 形成二聚体。
妊娠 8 周后胎儿的 HbF：22
成人型 HbA： 22 和 22 (3%)
• 空间特异性 (spatial specificity)
在个体生长过程中，某种基因产物在个体中按不同组 织空间顺序出现，称为基因表达的空间特异性或组织特 异性 (tissue specificity)。
LDH 同工酶 LDH1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5 亚基 组成 H4 H3M H2M2 HM3 M4 红细胞 43 44 12 1 0 白细胞 12 49 33 6 0 血清 27.1 34.7 20.9 11.7 5.7 骨骼肌 0 0 5 16 79 心肌 73 24 3 0 0 肺 14 34 35 5 12 肾 43 44 12 1 0 肝 2 4 11 27 56 脾 10 25 10 20 5
Met-tRNA-eIF2-GTP 复合物与 40S 小亚基结 合，eIF2 亚基的磷酸 化阻碍 eIF2 的功能，从 而抑制蛋白质合成的起 始。
2. 阻遏蛋白的调控作用 翻译抑制蛋白 (如铁结合调节蛋白) 结合到 mRNA 的 5’ 端，抑制翻译。
铁反应元件
铁反应元件形成茎-环结构 • 铁结合调节蛋白未与铁结合时，可与铁反应 元件结合，抑制翻译。
在一个个体几乎所有的细胞中持续表达的基因 为管家基因 (house keeping gene)，管家基因的表 达为组成性基因表达 。
基因表达调控的一般特征
• 时间特异性 (temporal specificity)
某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序 发生，称为基因表达的时间特异性 。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段 特异性 (stage specificity)。
2. 多肽链折叠为天然的三维结构 3. 空间结构的修饰 亚基聚合； 辅基连接； 疏水脂链的共价连接。 4. 蛋白质的靶向转运
蛋白质 N 端氨基酸的组成与其稳定性的关系
亮氨酸拉链
通过亮氨酸拉 链形成二聚体
DNA
富含碱性氨基酸的 N-端与 DNA 结合
转录后调控
(一) hnRNA 的加工
• 5’ 端 “帽子” 结构
• 3’ 端多聚腺苷酸 (poly(A)) 尾
• 外显子的剪接及选择性剪接
(二) RNA 编辑 (RNA editing)
mRNA 分子发生核苷酸的插入、删除或碱基替换， 改变 DNA 模板的遗传信息，从而翻译出氨基酸序列不 同的多种蛋白质。
• 铁结合调节蛋白与铁结合时，从铁反应元件 上解离，mRNA 的翻译可提高 100 多倍。
mRNA
铁结合调节蛋白
翻译后水平的调控
从核糖体上释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必须经 过不同的翻译后加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质。
1. 多肽链一级结构的修饰 磷酸化、乙酰化、甲基化等； 无活性的蛋白质前体经蛋白酶水解，生成有活性的蛋白质、多肽。
转乙酰基酶
(异丙基 -D-硫代半乳糖苷)
2. CRP 的正调节
lacI
CRP site
P
lacO
lacZ
lacY
lacA
无葡萄糖时，cAMP 浓度高，cAMP 与 CRP 结合后与 CRP 位点结合，促 进结构基因的转录
lacI P lacO lacZ lacY lacA
CRP
CRP
cAMP-受体蛋白 (cAMP-receptor protein, CRP) 或分解代谢激活蛋白 (catabolite activator protein, CAP)
核小体核心结构与 RNA聚合酶Ⅱ的转录
3. DNA 碱基的修饰
CpG 岛 (CpG island) 常出现在管家基因及其它 常表达基因的启动子序列 中。 C 的甲基化范围与基因 表达程度呈反比关系。
Cytosine
5-methyl-cytosine
4. 组蛋白的修饰
组蛋白发生乙酰 化、磷酸化、甲基化 及泛素化等修饰，使 核小体结构变得不稳 定或松弛。
真核生物基因表达调控
细胞核
细胞质
失活的 mRNA mRNA 降解调控
DNA
RNA 转录
转录调控
mRNA RNA 转运调控
mRNA
RNA 加工调控
翻译 调控
蛋白质 活性调控
蛋白质
失活的 蛋白质
染色体结构的变化对基因表达的影响
1. 转录活Hale Waihona Puke Baidu基因对 DNase I 极度敏感
2. 核小体结构的变化 DNA 的正性超螺旋构象阻碍核小体结构形成，并促进 H2A-H2B 二聚体的解离，使 RNA 聚合酶向前移动以进行 转录。 当该核小体完成转录后，核小体恢复原有结构。
1. 启动子 (promoter) 2. 增强子 (enhancer)：增强基因表达的调控元件。 3. 沉默子或沉默基因 (silencer)：结合阻遏物的调控序列； 阻遏物与沉默子的结合导致其附近的启动子失活，靶基 因不被转录。
(二) 反式作用因子 (trans-acting factors)
直接或间接与靶基因的顺式作用元件结合，调控 RNA 转录的酶和蛋白质 (转录因子)。
第四部分
基因表达与调控
基因表达 (Gene expression)
基因经过转录、翻译产生具有特异生物学功能 的蛋白质分子的过程为基因表达。
原核细胞
真核细胞
诱导和阻遏表达
• 诱导表达 (inducible gene expression) 特定环境信号引起某一特定基因产物增加的过程。 • 阻遏表达 (repressible gene expression) 特定环境信号导致某一特定基因产物减少的过程。 组成性基因表达 (constitutive gene expression)
邻氨基苯 甲酸合酶
色氨酸合酶
2. 衰减作用
衰减子 (Attenuator) 先导 DNA 序列中可形成 转录终止子结构的一段核苷 酸，以终止 mRNA 的转录。
转录终止子
高浓度 Trp 时，核糖体阻止 1-2 发夹结构的形成，导致 3-4 形成转录终止子结构生成。
低浓度 Trp 时，核糖体停止合成先导肽，2-3 发夹结构不影 响 mRNA 的转录。
雄激素 (androgen)
糖皮质激素 (glucocorticoid) 维甲酸 (retinoic acid)
GG(A/T)ACAN2TGTTCT
GGTACAN3TGTTCT AGGTCAN5AGGTCA
维生素D (vitamin D)
甲状腺激素 (thyroid hormone) 类维生素 A (retinoid X＋)
Li, et al. (2007). The Role of Chromatin during Transcription. Cell 128, 707-719.
组蛋白的乙酰化破坏了核小体的结构，便于转录调节 因子与 DNA 结合而进行转录。
转录水平的调控
(一) 顺式作用元件 (cis-acting elements)
cAMP
色氨酸操纵子 (tryptophan operon)
1. 阻遏蛋白的调控作用 色氨酸 (Trp) 为阻遏蛋白 (TrpR) 的辅助因子，TrpR-Trp 与 操纵基因结合。 2. 衰减作用 (Attenuation)
1. 阻遏蛋白的调控作用
当低浓度 Trp 时， TrpR 不结合 Trp ，因此，TrpR 不 与操纵基因结合，trpE-A 基因转录成 trp mRNA。
lacA 基因编码乙酰基转移酶 (transacetylase)
E.coli 在含葡萄糖的培养基中生长 时，lacZ 基因不表达。 当葡萄糖耗尽而乳糖存在时， lacZ 基因表达，-半乳糖苷酶将乳糖水 解成葡萄糖和半乳糖。
1. 阻遏蛋白的负调节
lacI
CRP site
P
lacZ
lacY
lacA
• 亮氨酸拉链 (Leucine zipper) 模体 (2) 转录活化结构域 (Transactivation domain) • 带负电荷的 -螺旋结构域 • 富含谷氨酰胺的结构域
• 富含脯氨酸的结构域
• 酸性结构域：富含天冬氨酸和谷氨酸
锌指 (Zinc finger) 模体 以 Zn 原子与半胱氨酸和组氨酸络合而成的结构连接 若干其它氨基酸，形状如手指。
1 个 -螺旋结构：镶嵌 于 DNA 的大沟中
2 个反向平行的 -折叠
类固醇激素
类固醇激素受体
类固醇激素-受体复合物
类固醇激素-受体复合物与特异的 DNA 序列结合，调节特异基因的 转录。
锌指结构镶嵌于 DNA 双螺旋的大沟
类固醇激素受体的结构
与类固醇激素受体结合的 DNA 序列
受体 结合序列
增强子可在靶基因的 5’ 端上游或 3’ 端下游序列中，其作用的发挥需要 特异性 (专一性) 转录因子。
转录因子的结构域：
(1) DNA 结合结构域 (DNA binding domain)：识别并结 合顺式作用元件
• 螺旋-转角-螺旋 (Helix-turn-Helix) 模体
• 锌指 (Zinc fingers) 模体
阻遏蛋白
阻遏蛋白与操纵基因结合, 阻 止 RNA 聚合酶转录结构基因 lacZ，lacY 和 lacA
lacI
CRP site
P
lacO
lacZ
lacY
lacA
转录
诱导物
变构的阻遏蛋白不 能与操纵基因结合， RNA 聚合酶转录结 构基因
lac mRNA
变构的阻遏蛋白
-半乳糖苷酶 透过酶
诱导物：乳糖、异乳糖、 -半乳糖苷
H (心肌型)；M (骨骼肌型)
果蝇
原核生物基因表达的调控
操纵子 (operon) 结构
• 操纵子 是转录的功能单位， 由启动子 (promoter)、操纵基因 (operator gene) 和结构基因 (structural genes) 所构成。 • 操纵基因 (operator gene) 是与阻遏蛋白 (repressor) 结合的 DNA 序 列。 • 激活蛋白结合位点 (Activator binding site) 是与激活蛋白 (activator) 结合的 DNA 序列。
乳糖操纵子 (lactose operon)
cAMP 受体蛋 操纵基因 白结合位点 启动子 阻遏基因 lacI
CRP site
结构基因
P
lacO
lacZ
lacY
lacA
lacI 基因编码阻遏蛋白 (repressor)
大肠杆菌
lacZ 基因编码-半乳糖苷酶 (-galactosidase)
lacY 基因编码透过酶 (permease)