第13章基因表达调控LT.ppt

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1、第 十 三 章,基因表达调控,Gene Expression Regulation,中心法则与操纵子,第 一 节基本概念与原理,Basic Conceptions and Principle,一、基因表达的概念,*基因（gene）是遗传的基本单位，含有编码一种RNA，大多数情况是编码一种多肽的信息单位。,*cDNA(complementary DNA)是人为地由mRNA反转录而得,与mRNA序列互补的DNA。,*基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,*基因表达(gene expression),就是基因转录、翻译，生成具有生物学功能的产物的过程。,基因表达是受调

2、控的,rRNA、tRNA编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达。,二、基因表达的时间性及空间性,（一）时间特异性,按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。例如AFP,多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。,目 录,（二）空间特异性,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现

3、，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。例如胰岛素,目 录,三、基因表达的方式,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,（一）组成性表达,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被称为组成性基因表达(constitutive gene expression)。,（二）诱导和阻遏表达,在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基

4、因。,可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。,如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需,（一）以适应环境、维持生长和增殖,生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更

5、好地适应环境，维持其生长和增殖。,（二）以维持细胞分化与个体发育,在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。,第二节基因表达调控的基本原理,Basic Principles of Gene Expression Regulation,一、基因表达调控呈现多层次和复杂性,基因表达的多级调控,基因激活拷贝数重排甲基化程度,转录起始 转录后加工mRNA降解,蛋白质翻译翻译后加工修饰蛋白质降解等,转录起始,二、基因转录激活调节基本要素,基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细

6、胞内所存在的转录调节蛋白有关。,（一）特异DNA序列,指具有调控功能的DNA序列,原核生物,操纵子(operon)机制,共有序列(consensus sequence)决定启动序列的转录活性大小。,某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。,2.操纵序列 阻遏蛋白(repressor)的结合位点,当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。,真核生物,顺式作用元件(cis-acting element),可影响自身基因表达活性的DNA序列,不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列

7、，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,是指能直接或间接作用于特异DNA 序列的蛋白质因子,1.原核生物调节蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。,特异因子：决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。,阻遏蛋白(repressor)：可结合操纵序列，阻 遏基因转录。,（二）调节蛋白,激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。如分解物基因激活蛋白(catabolite gene activator protein,CAP)。,有些基因在没有激活蛋白存在时

8、，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,2.真核基因的调节蛋白,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。,由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。,反式作用因子(trans-acting factor),这种调节作用称为反式作用。,又称为转录因子(transcription factor),反式调节,顺式调节,DNA-蛋白质的相互作用指的是反式或顺式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合，形成DNA-蛋白质复合物。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。例如SP1 G

9、GGACCC,（三）DNA-蛋白质 蛋白质-蛋白质,的相互作用,大多数调节蛋白单体形式不能结合DNA序列，也有一些调节因子不能直接结合DNA序列，故需要通过蛋白质蛋白质相互作用，才能调节基因转录。,最常见的作用形式是二聚化(dimerization),即两分子单体通过一定结构域结合成二聚体(dimer),分为同源二聚体(homodimer)和异源二聚体(heterodimer)。也有多聚化(polymer),蛋白质蛋白质相互作用结果:有些增强与DNA结合能力，有些丧失DNA结合能力，有些不能直接结合DNA的蛋白质可通过相互作用间接结合DNA调节基因转录。,（三）RNA聚合酶,1.原核启动序列/

10、真核启动子与RNA聚合酶活性,RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。,2.调节蛋白与RNA聚合酶活性,一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。,第 三 节 原核基因表达调节,Regulation of Prokaryotic Gene Expression,（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性,（二）操纵子模型的普遍性,（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,Inhibitor gene,P,Z,Y,Z,启动子,结构基因1，2，3.,O,操纵基因,Promoter,Operator gene,Structure gene,调控区,结

11、构基因,操纵子,表达阻遏蛋白,结合RNA聚合酶,结合阻遏蛋白,表达功能蛋白,?,I,阻遏物基因,操纵子(operon)的结构与功能,二、原核生物转录起始调节,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,有葡萄糖存在时,1.阻遏蛋白的负性调节,（二）乳糖操纵子的调节机制,无葡萄糖存在时,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,2.CAP的正性调节,3.协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；,如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,葡

12、萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,细菌优先利用葡萄糖作为能源,有葡萄糖：,cAMP,CAP无活性,不促进转录,无葡萄糖：,cAMP,CAP有活性,促进转录,乳糖操纵子调控方式的比较,负调控,正调控,调节蛋白 阻遏蛋白 CAP,变构物 别乳糖，乳糖 cAMP,与变构物结合 无活性 有活性,基因位点 O基因 CAP位点,结合于基因位点 基因关闭 基因开放,三、原核生物转录终止调节,（一）大肠杆菌转录终止机制,1.不依赖因子的转录终止,（1）RNA单链内部接近终止区域

13、有富含G-C配对区，形成稳定的二级结构。,茎环（stemloop）或发夹（hairpin）结构,（2）在发夹结构的下游有poly U结构。,2.依赖因子的转录终止,功能,识别结合富含C的RNA链 ATPase活性 解螺旋酶活性,因子与新合成的RNA单链poly C结合，促进转录产物从转录复合物中释放出来，终止转录。,转录终止也可在距转录起始点较近的位置(约几百bp)发生，阻止下游基因的转录。这种过早终止受一定机制控制。在大肠杆菌存在两种终止调节方式，一种为衰减(attenuation)，另一种为抗终止。前者导致RNA链的过早终止，后者则阻止前者的发生，使下游基因得以表达。,（二）转录衰减,四、

14、原核生物翻译水平调节,（一）蛋白质分子的自我调节,调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，因而这种调节方式称自我控制(autogenous control)。,（二）反义RNA对翻译的调节作用,某些RNA分子也可调节基因表达，这种RNA成为调节RNA。细菌中的反义RNA含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始。这种调节成为反义控制(antisense control)。,第 四 节 真核基因表达调节,Regulation of Eukar

15、yotic Gene Expression,一、真核基因组结构特点,（一）真核基因组结构庞大,（二）单顺反子,单顺反子(monocistron)即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。,（三）重复序列,还有一种重复序列是由两个互补序列、在同一DNA链上反向排列而成，称为反转重复序列(inverted repeat)。卫星DNA(satellite DNA),可做为很好的遗传标记。,内含子（intron）与外显子（exon）相间排列,因此真核基因是不连续的。,（四）基因不连续性,二、真核基因表达调控特点,（一）RNA聚合酶,细菌的RNA聚合酶识别的是一段DNA顺序，而真核生

16、物RNA聚合酶识别的不单是DNA顺序，而是DNA-蛋白质复合物，即只有当一个或多个转录因子（transcription factor，TF）结合到DNA上，形成有功能性的启动子时，才能被RNA聚合酶分子识别、结合。,（二）活性染色体结构变化,1.对核酸酶敏感,活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。,2.DNA拓扑结构变化,天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；,负性超螺旋变成正性超螺旋，阻碍核小体形成，组蛋白解聚。,基因活化后,3.DNA碱基修饰变化,4.组蛋白变化使核小体结构变松弛,富含Lys组蛋白水平降低 H2A,H2B二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露,组蛋白修

17、饰对染色质结构与功能的影响,（三）正性调节占主导,1.采用正性调节机制更精确,2.采用负性调节不经济,（四）转录与翻译分隔进行,（五）转录后修饰、加工,真核细胞内含有多种RNA聚合酶,真核RNA聚合酶有三种，即RNA pol I、II及 III，分别负责三种RNA转录。,三、RNA pol 和 pol 的转录调节,（一）RNA pol 转录体系的控制,人rRNA前体基因的启动子只有两个元件：,核心元件（core element）：位于转录起始点附近（-45+20bp），它的存在足以起始转录；,上游控制元件（upstream control element,UCE）：位于起始点上游-156-10

18、7bp，可大大提高转录起始效率。,RNA pol需两种转录因子来正确有效的帮助起始转录：,上游结合因子1（upstream binding factor 1,UBF1）：既能与UCE结合又能与核心元件特异结合。,选择性因子1（selectivity factor 1,SL1）：继UBF1后与两个元件结合，结合无序列特异性，可能与蛋白质间的相互作用有关。,（二）RNA pol 转录体系的控制,RNA pol 转录多种RNA的基因，这里主要讨论 tRNA和5S rRNA基因的转录调节。这两类基因结构方面颇具特色，其启动子位于转录起始点下游即转录区内，称内部控制区（internal control

19、regions,ICR）。,tRNA基因的ICR：由A盒（TGGCNNAGTGG）和B盒（GGTTCGANNCC）两个元件组成。RNA pol 转录起始需两种转录因子TFC和TFB。,5S rRNA的转录起始需三种转录因子，除上述两种外，尚需TFIIIA,三、RNA pol 转录起始的调节,RNA pol II转录生成所有mRNA前体及大部分snRNA。,真核生物基因表达在转录水平上的调控，是各级调控中最重要的一步，主要涉及RNA聚合酶，顺式作用元件和反式作用因子三种因素的相互作用。,真核生物RNA聚合酶转录的基因结构与功能,其他调控元件,增强子或 沉默子,CAAT盒 GC盒,TATA 盒,结

20、构基因,+1,调节基因表达水平,决定基因表达的时空特异性等。激素，金属离子，小分子化合物等反应元件。,决定基因表达的基础水平,与RNA poly II 结合，决定转录起始点的精确定位,使转录增强或减弱,维持基本的表达水平,1.启动子,真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。,确保转录精确而有效地起始的DNA序列,（一）顺式作用元件,GC盒,TATA 盒,结构基因,+1,决定基因表达的基础水平,与RNA poly II 结合，决定转录起始点的精确定位。,CAAT盒,上游启动子序列（UPS）,-25,-35,-70,-80,-110

21、,能增强启动子活性的DNA序列。,特点：,1.能远距离增强启动子的活性；,2.在启动子的上游和下游均起作用；,3.无方向性；,4.对启动子的影响无严格的专一性。,作用机理：目前已知增强子与蛋白质因子结合后能改变染色质的结构。,含义：,2.增强子(enhancer),3.沉默子(silencer),某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。,（二）反式作用因子,1.转录调节因子分类（按功能特性）,基本转录因子(general transcription factors),是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的

22、类别。,特异转录因子(special transcription factors),为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。,转录激活因子,转录抑制因子,2.转录调节因子结构,最常见的DNA结合域,1.锌指(zinc finger),C CysH His,常结合GC盒,Zn,Cys,His,锌指的N-端部分形成折叠结构，C-端部分形成螺旋结构。每个螺旋有两处识别特异的DNA序列；3个螺旋结构与一个DNA双螺旋的深沟（major groove）结合，调控RNA的转录。,N,C,锌指,N,C,2.螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）,HTH的基本结构含有两个

23、螺旋,螺旋之间有一个转角,约有60个氨基酸。,其中一个螺旋(羧基端)识别特异的顺式作用元件上的DNA序列，另一个螺旋(氨基端)则结合在DNA上，调控基因的转录。,3.亮氨酸拉链（Leu zipper）,亮氨酸拉链是蛋白质二聚体化(蛋白质相互作用的一种方式)的一种结构基础。某些癌基因(如c-jun，v-jun，c-fos，v-fos等)表达产物通过亮氨酸拉链形成同源或异源二聚体，大大增加对DNA的结合能力，调控基因表达。,在亮氨酸拉链近N-端有富含碱性(带正电荷)氨基酸残基的区域，是DNA的结合区。,亮氨酸拉链是一个高亮氨酸组成的螺旋，每两个螺圈出现一个亮氨酸，形成拉链的一边。,两个蛋白质因子的

24、螺旋通过亮氨酸的疏水作用结合在一起形成拉链结构,亮氨酸拉链,（三）mRNA 转录激活及其调节,真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物,TBP相关因子,五、RNA Pol II转录终止的调节机制尚不清楚,（一）HIV基因组转录终止调节,（二）热休克蛋白基因的转录终止调节,病毒蛋白Tat与转录产物5端特异RNA序列结合，并与宿主蛋白质、RNA Pol II相互作用，阻止HIV基因组转录的提早终止。,在应激条件下暂时性停止大多数基因的转录和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白质即热休克蛋白(heat shock protein)的表达。,六、转录后水平的调节也是基因表达调控的重要

25、环节,（一）hnRNA加工成熟的调节,（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节,加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。,通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物(ribonucleoprotein,RNP)进行。,运铁蛋白受体(transferrin receptor TfR)通过延长mRNA的寿命进行基因表达调控,七、基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节,（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行,蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（eukaryotic initiation factor,eIF）的活性对起始阶段有重要的控

26、制作用。,（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节,RNA结合蛋白（RNA binding protein,RBP），是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如前述转录终止、RNA剪接、RNA转运、RNA胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。,（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达,新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到

27、调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。,是一大家族小分子非编码单链RNA，长度约2025个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为7090个碱基的单链RNA 前体(pre-miRNA)经Dicer酶剪切后形成。,（四）小分子RNA对基因表达的调节十分复杂,1微小RNA(microRNA,miRNA),其长度一般为2025个碱基；在不同生物体中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。,miRNA的特点：,是细胞内一类双链RNA(double-stranded RN

28、A，dsRNA)在特定情况下通过一定酶切机制，转变为具有特定长度(2123个碱基)和特定序列的小片段RNA。双链siRNA参与RISC组成，与特异的靶mRNA完全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。由siRNA介导的基因表达抑制作用被称为RNA干涉(RNA interference，RNAi)。,2小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA),30bp 双链RNA（dsRNA）,水解生成21-23nt siRNA,5,3,3,5,RISC形成,识别特异序列并使其降解,RNA干扰作用机制,siRNA 和miRNA的差异比较,基本概念:基因表达调控,基因,cDNA

29、,基因组,基因表达,管家基因,诱导表达,操纵子,顺式作用原件,反式作用因子,转录因子,启动子,核心元件,上游控制元件,P蛋白增强子,沉默子,基本转录因子,特异转录因子,微小RNA。,小结,郛糖操纵子模型(负性调节及正怀调节),原核生物,真核生物,顺式作用原件(启动子,增强子,沉默子),反式作用因子(转录调节因子包括基本转因子和特异转录因子),Gene,genome,complementary DNA,gene expression,regulation,temporal specificity,spatial specificity,housekeeping gene,induction,repression,amplification,rearrangement,methylation,operon,promoter,cis-acting element,CAP(catabolite gene activation protein),transcription factor,trans-acting factor,enhancer,英文单词,1以乳糖操纵子模式说明原核生物基因转录的负性调节及正性调节2试述真核基因表达调节特点3.比较原核与真核生物基因转录调节,思考题,