第十四章基因表達調控

1、第十六章 基因表達調控 （Regulation of Gene Expression）,本章主要內容 基本概念與原理 原核生物基因轉錄調控 真核生物基因表達調控,第一節(jié) 基因表達調控基本概念與原理 一、 基因表達的概念 二、 基因表達的特異性 三、 基因表達的方式 四、 基因表達調控的生物學意義 五、 基因轉錄激活

2、調節(jié)的基本要素,一、基因表達的概念 基因表達 是指生物體基因組種結構基因所攜帶的遺傳信息經過轉錄及翻譯等一系列過程，合成特定的蛋白質，進而發(fā)揮其特定生物學功能的全過程。 基因表達產物 各種RNA(tRNA、mRNA和rRNA)以及蛋白質、多肽。,二、基因表達的特異性,（一）時間特異性 往往與細胞或個體的特定分化、發(fā)育階段相適應，又稱階段特異性。（二）空間特異性 由

3、細胞在各組織器官的分布差異所決定的，故又稱為細胞特異性或組織特異性。,三、基因表達的方式,（一）組成性表達 管家基因 在生命全過程都是必需的、且在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因。 組成性基因表達 管家基因較少受環(huán)境因素的影響，在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數細胞中持續(xù)表達。,（二）誘導和阻遏表達誘導表達 在特定環(huán)境信號刺激下，基因表現(xiàn)為開放或增強，表達產物增加。阻遏表

4、達 在特定環(huán)境信號刺激下，基因被抑制，從而使表達產物減少。,（三）協(xié)調表達 協(xié)調表達 在一定機制控制下，功能相關的一組基因，協(xié)調一致，共同表達。,四、基因表達調控的生物學意義,（一）適應環(huán)境變化、維持細胞增殖、分化（二）維持個體生長、發(fā)育,五、基因轉錄激活調節(jié)基本要素 （一） 特異DNA序列 （二） 調節(jié)蛋白

5、 （三） RNA聚合酶,,原核生物的特異DNA序列 原核生物的基因表達與調控是通過操縱子機制實現(xiàn)的。 操縱子 是由功能上相關聯(lián)的多個編碼序列（2個以上）及其上游的調控序列（包括操縱序列、啟動序列和調節(jié)序列）等成簇串聯(lián)在一起，構成的一個轉錄協(xié)調單位。,（一）特異DNA序列,操縱子調節(jié)序列 啟動序列 操縱序列 編碼序列 表達

6、 轉錄,,,,,,,,,,,I,CAP,P,O,Z,Y,A,,,,阻遏蛋白結合部位,RNA聚合酶結合部位,,編碼序列 規(guī)定蛋白質結構，又稱結構基因；多順反子mRNA 由多個結構基因串聯(lián)在一起，受同一個啟動序列調控，轉錄生成一個mRNA, 翻譯生成多個蛋白質,稱此為多順反子mRNA.,多順反子mRNA,阻遏蛋白,,,原核生物的共有序列 原核生物的啟動序列，在距離轉錄起始點－10區(qū)和－35

7、區(qū)往往含有一些重要的保守序列（共有序列）。 －10區(qū)：含TATAAT序列，又稱Pribnow盒。 －35區(qū)：含TTGACA序列。,,,,,RNA聚合酶結合部位 決定轉錄起始點,真核生物的特異DNA序列 真核生物基因組中含有可以調控自身基因表達活性的特異DNA序列，稱為順式作用元件。 順式作用元件能夠被轉錄調節(jié)蛋白特異識別和結合，從而影響基因表達活性。

8、 啟動子 順式作用元件又分 增強子 沉默子,,（1）啟動子 是RNA聚合酶結合位點及其周圍的一組轉錄調控組件（包括轉錄起始點以及典型的TATA盒）。 （2）增強子 是增強啟動子轉錄活性的

9、DNA序列，并決定組織特異性表達。 （3）沉默子 能夠對基因轉錄起阻遏作用的DNA片段，屬于負性調控元件。,（二）調節(jié)蛋白,原核生物的調節(jié)蛋白（3類）特異因子 決定RNA聚合酶對啟動序列的特異識別和結合能力； (RNA聚合酶的?－因子)阻遏蛋白 通過與操縱序列結合，阻遏基因轉錄；（由調節(jié)基因表達的阻遏蛋白）激活蛋白 與啟動子上游DNA序列結合，促進RNA聚

10、合酶與啟動序列 結合，促進基因轉錄。（CAP—分解代謝物基因活化蛋白）,2. 真核生物的調節(jié)蛋白 反式作用因子 能直接或間接與順式作用元件相互作用，進而調控基因轉錄的一類調節(jié)蛋白，統(tǒng)稱為反式作用因子。 按其功能不同，常有以下三類： （基本）轉錄因子 轉錄調節(jié)因子：DNA-蛋白質 共調節(jié)因子：蛋白質-蛋白質,,（1）基本轉錄因

11、子 是指能夠直接或間接與啟動子核心序列TATA盒特異結合、并啟動轉錄的一類調節(jié)蛋白。 （參與構成基礎轉錄裝置所需的一類通用轉錄因子） 真核生物 RNA聚合酶Ⅱ（ RNApol Ⅱ ）識別啟動子所需的轉錄因子（TFⅡ）有多種亞類： TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I等。 其中TFⅡD最先、最直接與啟動子TATA盒結合的轉錄因子，

12、然后按一定時空順序依次結合RNApol Ⅱ和其他轉錄因子，形成一個轉錄前起始復合物（PIC）。,轉錄前起始復合體的組裝（PIC),,轉錄前起始復合物（PIC）,(2) 轉錄調節(jié)因子 這類調經蛋白能識別并結合轉錄起始點的上游激活序列和遠端的增強子元件，通過DNA－蛋白質相互作用而調節(jié)轉錄活性。 起激活轉錄作用——轉錄激活因子； 阻遏轉錄作用——轉錄阻遏因子。（3） 共調節(jié)因子 首先與轉錄因子或轉

13、錄調節(jié)因子發(fā)生蛋白－蛋白相互作用，進而影響它們的分子構象，以調節(jié)轉錄活性。 如果與轉錄激活因子有協(xié)同作用——共激活因子； 與轉錄阻遏因子有協(xié)同作用——共阻遏因子。,反式作用因子的特殊功能域 DNA結合域；轉錄激活域；結合其他蛋白質的功能域。,,鋅指結構 亮氨酸拉鏈結構,(三) RNA聚合酶 1. 啟動子與RNA聚合酶活性 啟動子核苷酸序列影響與RNA聚合酶的親和力。

14、 2. 調節(jié)蛋白與RNA聚合酶的活性 調節(jié)蛋白通過DNA-蛋白質相互作用、蛋白質-蛋白質相互作用影響RNA酶活性。,六、基因表達的多級調控,基因結構活化 轉錄水平 轉錄起始 轉錄后加工 轉錄后水平 轉錄產物的轉運 翻譯調控 翻譯水平 翻譯后加工,,,,第二節(jié)

15、 原核生物基因轉錄調控一、乳糖操縱子調節(jié)機制,控制區(qū),信息區(qū),,,結構基因(S),操縱序列（O）,啟動序列（P）,調節(jié)基因（I）,,,CPA,,,乳糖操縱子結構基因表達產物,,（一）阻遏蛋白的負性調節(jié)作用,I,,,,阻遏蛋白,,,無乳糖存在時，結構基因受阻遏,有乳糖存在時，結構基因表達,,2,CAP,,,CAP位點,-G, -Lac,阻遏蛋白,操縱序列,-G, +Lac,RNA聚合酶,無葡萄糖，無乳糖

16、 ② 無葡萄糖，有乳糖 ③ 有葡萄糖，無乳糖 ④ 有葡萄糖，有乳糖,啟動序列,cAMP,,mRNA 5',,,,,,（二） CAP的正性調節(jié)作用,③,,①,,＋G, -Lac +G, +Lac,②,④,當培養(yǎng)基中乳糖濃度降低而葡萄糖濃度升高時,,,,,,細胞中cAMP濃度降低,缺乏乳糖與阻遏蛋白結合,,,,CAP失

17、活,,,,阻抑蛋白與操縱基因結合,,CAP及RNA聚合酶不能與啟動基因結合,,,,,,基因轉錄被阻遏,,,阻遏蛋白的負性調節(jié),,,,當培養(yǎng)基中乳糖濃度升高而葡萄糖濃度降低時,,,,,細胞中cAMP濃度升高,,乳糖作為誘導劑與阻抑蛋白結合,,,,,cAMP與CRP結合并使之激合,,,,促使阻抑蛋白與操縱基因分離,,,CRP與啟動基因結合并促使RNA聚合酶與啟動基因結合,,,,,,基因轉錄激活,,,CAP的正性調節(jié),,二、色氨酸操縱子的調

18、節(jié)機制,色氨酸操縱子（trp operon）：阻遏型操縱子；主要參與調控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉錄合成。當細胞內缺乏色氨酸時，此操縱子開放；而當細胞內合成的色氨酸過多時，此操縱子被關閉。,O,阻遏蛋白 （無活性）,mRNA,,trpR,,,,,,,,,P,,,,,trpE,trpD,trpC,trpB,trpA,,前導trpL,,衰減子,,結 構 基 因,,調控區(qū),,,,,,,,,,,,,,二、色氨酸操縱子的調節(jié)

19、機制,,,,色氨酸合成的酶蛋白,,,,,O,阻遏蛋白,mRNA,,,,Trp,,,,trpR,,,,,,,,,P,,,,,trpE,trpD,trpC,trpB,trpA,,,,前導序列（L）,衰減子,,（結構基因關閉）,,,調節(jié)區(qū),,在高濃度色氨酸存在下，通過形成特殊的“衰減子”結構，對轉錄進行更精細的調控。,,,,,,,,,色氨酸的負性調控作用,有活性,,Trp操縱子的trpE基因5´－端“前導序列”,,衰減子 結

20、構,10、 11,,前導肽,核蛋白體,衰減子結構,RNA聚合酶,5',mRNA,Trp密碼子,1,2,3,4,UUUU 3',DNA,DNA,前導肽,5',1,2,3,4,Trp結構基因,MKAIFVLKG,,MKAIFVLKGWWRTS,RNA聚合酶,,Trp操縱子的轉錄衰減機制,三、原核生物基因表達調控的特點,主要在轉錄水平進行調節(jié)1） σ 因子的特異啟動作用 2） 操縱子調控機制具有普

21、遍性3） 結構基因進行多順反子轉錄4） 阻遏蛋白阻遏轉錄具有普遍性,第三節(jié) 真核生物基因表達調控一、真核生物基因組特點,（一）基因組結構龐大 人類的單倍體基因組由 3X109 的核苷酸組成，含有大約2.6 ? 3.9萬個基因。（二）形成染色體結構 真核生物的基因組是以DNA和蛋白質結合形成染色體結構形式而存在于細胞核。,（三）單順反子 真核基因的轉錄產物一般是單順反子 。 單順反

22、子 一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，并指導翻譯一條多肽鏈。（四）重復序列 真核生物基因普遍存在重復序列。 根據重復頻率不同，分為以下3類： 高度重復序列 中度重復序列 單拷貝重復序列 反向重復序列（回文序列）,,1. 高度重復序列 重復數百萬次，

23、序列簡單序列，不到10bp;稱為衛(wèi)星DNA；2. 中度重復序列 重復上千次，序列由幾百個bp構成；3. 單拷貝序列 只出現(xiàn)1次或幾次。真核生物極大多數為單一基因；反向重復序列 是指在DNA鏈某些區(qū)域，出現(xiàn)反向排列的堿基序列。如： “－－－CGTACC---/---CCATGC---”, 又稱“回文結構”。,（五）斷裂基因,外顯子 具有實際編碼意義的結構基因序列；內含子

24、不具有編碼意義的堿基序列 ，又稱插入序列。（六）大多數為非編碼區(qū)（95％左右）,（一）DNA、染色體水平的變化特點,二、真核基因表達調控的特點,1．對核酸酶極度敏感,2．DNA拓樸結構變化 天然雙鏈DNA幾乎均以負性超螺旋構象存在。 當基因激活后，則轉錄區(qū)前方的DNA拓樸結構變?yōu)檎猿菪?，有利于RNA聚合酶向前移動，進行轉錄。3. DNA甲基化 DNA甲基化程度與基因表達呈反比。4．染色

25、體結構的變化 組蛋白發(fā)生修飾，堿基暴露等原因而引起核小體結構改變，使核小體不穩(wěn)定性增加。,（二）RNA聚合酶、mRNA的轉錄激活及調節(jié) 真核生物有3種RNA聚合酶：RNA polⅠ、Ⅱ、Ⅲ。 每種RNA聚合酶有約10個亞基組成，其中TATA盒結合蛋白（TBP）為3種酶共有。 RNA polⅡ對催化mRNA的生成起主要作用。轉錄前RNA polⅡ必須與TBP、TFⅡD等各種通用轉錄因子形成轉錄前復合體

26、（PIC），從而激活或抑制RNA的轉錄。,聚合酶Ⅱ轉錄前起始復合體的組裝,聚合酶Ⅱ轉錄起始復合體的組裝,（三）正性調節(jié)占主導 真核基因一般都處于阻遏狀態(tài)，RNA聚合酶對啟動子的親和力很低。 通過利用各種轉錄因子正性激活RNA聚合酶是真核基因調控的主要機制。 采用正性調節(jié)機制更有效、經濟、特異； 采用負性調節(jié)不經濟（四）轉錄和翻譯過程分開進行 轉錄與翻譯過程分別存在于不同的