第十章基因表达调控的分子机制第一节 概述一、基因表达调控的定义二、基因表达调控涉及的环节三、基因表达调控涉及的分子间相互作用第二节 两类遗传信息的差异 一、I类信息和类信息 二、I类信息和类信息的差别1 信息解读体系2 信息解读范围3 信息解读方式4 信息编码方式5 信息密码的简并性n三、调控密码形式的复杂性 n氨基酸残基与碱基形成氢键的复杂性n氨基酸残基与碱基之间的van der waal力作用第三节调节蛋白质的对称性与识别序列的对称性一、调节蛋白的组织形式 n高级结构n调节蛋白以多聚体形式与DNA作用的优点n二、调节蛋白质的对称性与其识别序列之间的关系n调节蛋白质多聚体可能的组合方式（图10-2）n调节蛋白二聚体可能识别的DNA序列特征第四节 噬菌体的阻遏蛋白和Cro蛋白所组成的转录开关系统 一、噬菌体由源原周期转变为裂解周期的基因表达及CI及Cro蛋白的作用二、阻遏蛋白及Cro蛋白n阻遏蛋白 n Cro蛋白三、阻遏蛋白及Cro蛋白与操作子结合的机制（一）阻遏蛋白与OR操作子结合的机制n阻遏蛋白对早期操纵元的负调控作用n阻遏蛋白的正调控作用n阻遏蛋白的表达的自身身负调控 （二）Cro蛋白与操作子结合的机制第五节调控蛋白质的结构花式及其与DNA相互作用的细微机制一、概述二、螺旋转角螺旋（一）阻遏蛋白N末端及其与操作子的结合n阻遏蛋白N末端结构域的结构（图1010）n阻遏蛋白二聚体与操作子的结合模型（图1011）（二）Cro蛋白结构及其与操作子的结合nCro蛋白的结构（图1012）n操作子上受Cro蛋白保护的基团（图1013）（三）CI、Cro蛋白及操作子相互作用的保守基团n与CI、Cro蛋白结合的操作子的保守碱基n决定CI、Cro蛋白与O位点结合亲和力的氨基酸（四） 螺旋转角螺旋结构的普遍性n其他原核生物调控蛋白的螺旋转角螺旋结构（表10-1）n识别螺旋n真核生物调控蛋白中的螺旋转角螺旋结构（1）酵母结合型调控蛋白（2）AntP及其同源蛋白（五）识别螺旋与DNA碱基序列作用的机制 n同种噬菌体阻遏蛋白及Cro蛋白识别螺旋的置换效应n异种噬菌体阻遏蛋白识别螺旋的互换效应n结论n三、锌指结构 （一）TFA转录因子的结构域n氨基酸数目nN端结构域（12-276Aa残基）nC端结构域（276-344Aa残基）（二）TFA锌指结构的组成（三）C2H2型锌指蛋白保守Aa及其形成的结构n锌指可能存在的三维结构（图1018a、b）3 TFA与5SrRNA基因启动子的结合n结合50bpn可能是锌指上的-螺旋与DNA结合（四）C2C2型锌指1 结构n配位结构：由Zn+离子与四个Cys残基形成配位结构n通常不重复n其DNA结合位点较短，且呈回文序列2 代表（1）固醇类激素受体n糖皮质激素受体和雌二醇受体都有两个锌指结构，形成-螺旋，再折叠形成一个大的球形结构。 -螺旋的芳香侧链与连接两个螺旋的折叠一起形成一个疏水中心。螺旋的N末端与DNA的大沟接触n固醇类激素受体借与DNA的结合形成二聚体n第一个锌指的右侧控制DNA的结合的特异性n第二个锌指的左侧控制二聚体的形成（2）酵母的转录激活因子GAL4n锌指交换实验证明，决定DNA识别特异性的氨基酸序列在锌指以外的部位四、Leu拉链1 Leu拉链结构（图1019d）nLeu拉链蛋白分子单体含有4-5个Leu残基，精确地相距7个氨基酸残基， 在螺旋的某个侧面每两圈出现一个Leu，排成一排。两个蛋白质单体分子的两个螺旋通过Leu残基之间的疏水作用形成一条拉链2 代表蛋白nGCN4，癌蛋白Jun，Fos，Myc，增强子结合蛋白C/EBP等3 Leu拉链蛋白的DNA结合序列nLeu拉链蛋白的DNA结合序列不在Leu拉链区nLeu拉链区相邻的氨基酸序列参与DNA的特异性结合n两个Leu拉链形成一个Y型结构，与DNA结合。这种结构称为bZIP基序4 Leu拉链的作用 n充当独立的蛋白质二聚体形成区域n拉链可以协助形成纯合或异源二聚体第六节不同结合位点上蛋白质之间的相互作用一、蛋白质相互作用的方式（一）转录激活因子的功能结构域nDNA结合结构域n转录激活结构域n多数转录激活结构域包含一段酸性氨基酸保守序列n酸性激活区在进化上是高度保守的n有的转录激活结构域富含Gln或Pro（二）转录因子激活区激活转录的机制n转录因子作用对象是保守的转录机构成分n结合于DNA的蛋白质因子之间的相互作用的机制Looping假说（1）假说n位于不同DNA结合位点上的两个蛋白质，可以通过远距离发生相互作用，实现基因转录的促进或阻遏n两者之间的DNA形成环状结构，DNA环本身不参与对基因转录的调控。但两个调节蛋白与DNA螺旋的相对空间位置对其功能至关重要（2）证据例子1：gal、ara操纵元的阻遏蛋白的作用机制例子2：SV40早期启动子调节序列上的蛋白质的相互作用例子3：阻遏蛋白与操作子结合的协同效应例子4：lac阻遏蛋白与操作子结合的协同效应3 其他假说n拧转假说n滑动假说n接力假说二、蛋白质相互作用的复杂性和正、负调控作用的相对性（一）阻遏蛋白与RNA聚合酶作用的机制nLac阻遏蛋白与RNA聚合酶的作用n阻遏RNA聚合酶与启动子复合物的异构化n不同阻遏蛋白的作用机制不同（二）调控蛋白的正、负调控作用n阻遏蛋白ncAMP-CAPnLac阻遏蛋白（三）cAMP-CAP及RNA聚合酶在lac操纵元中的正、负调控作用1 lac操纵元的双启动子结构（图1020）（1）p1启动（2）p2启动子n位于p1启动子上游22bp（3）p1，p2启动子序列的重叠关系np1的-35序列与p2的-10序列重叠np1的CAP位点与p2的-35 序列重叠2 RNA聚合酶及cAMP-CAP的双重作用（1）RNA聚合酶的双重作用n无cAMP-CAP时：p2与 RNA聚合酶有相当的结合能力， RNA聚合酶优先与p2结合，同时阻遏p1结合RNA聚合酶。从p2起始的转录效率较低。（2）cAMP-CAP的双重作用n有cAMP-CAP时： cAMP-CAP与p1的CAP位点结合，一方面成为p1的激活因子，同时成为p2的阻遏物3 lac操纵元的基因表达调控n葡萄糖 乳糖 p1 p2 效应n无（有cAMP） 有 最大转录n无（有cAMP） 无 最大阻遏n有（无cAMP） 无 低频率转录，n 转录在操作n 子处被阻断n有（无cAMP） 有 低频率转录第七节 RNA开关系统一、RNA开关nRNA分子的某一段序列，在不同条件下，可以分别与其他RNA序列（可在分子内或分子之间）形成两种不同的二级结构，从而构成一个基因表达的开关系统nRNA开关可以在不同水平起作用二、一种在翻译水平上起作用的RNA开关抗红霉素基因mRNA的RNA开关1 红霉素及抗红霉素基因的作用n红霉素：与23SrRNA结合，妨碍蛋白质的合成n抗红霉素基因产物：是一种甲基化酶，可将23SrRNA的一个腺苷酸甲基化，使红霉素不能结合2 抗红霉素基因mRNA的RNA开关n先导肽，先导肽的两种不同的二级结构3 抗红霉素基因（1）抗红霉素基因mRNA的结构n先导序列的二级结构：四段序列可以形成两种二级结构n先导肽的编码区：序列1附近（2）抗红霉素基因mRNA的翻译控制n细胞内无红霉素时：先导肽被正常翻译，序列1，2及3，4配对（RNA开关关闭）。甲基化酶mRNA的S-D序列不能和核糖体结合n细胞内有红霉素时：结合红霉素的核糖体停顿与先导肽的编码区，序列2，3配对（RNA开关开放），尚未结合红霉素的核糖体S-D序列与结合n当所有的核糖体被甲基化后：先导肽被正常翻译，RNA开关关闭三、双分子构成的RNA开关系统nU1snRNP与mRNA内元拼接点附近序列形成的RNA开关