第十四章基因表達調(diào)控

1、第十六章 基因表達調(diào)控 （Regulation of Gene Expression）,本章主要內(nèi)容 基本概念與原理 原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控 真核生物基因表達調(diào)控,第一節(jié) 基因表達調(diào)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(diào)控的生物學意義 五、 基因轉(zhuǎn)錄激活

2、調(diào)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(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄及翻譯等一系列過程，合成特定的蛋白質(zhì)，進而發(fā)揮其特定生物學功能的全過程。 基因表達產(chǎn)物 各種RNA(tRNA、mRNA和rRNA)以及蛋白質(zhì)、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(shù)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(chǎn)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(chǎn)物減少。,（三）協(xié)調(diào)表達 協(xié)調(diào)表達 在一定機制控制下，功能相關的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達。,四、基因表達調(diào)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(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素 （一） 特異DNA序列 （二） 調(diào)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(diào)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(diào)控序列（包括操縱序列、啟動序列和調(diào)節(jié)序列）等成簇串聯(lián)在一起，構(gòu)成的一個轉(zhuǎn)錄協(xié)調(diào)單位。,（一）特異DNA序列,操縱子調(diào)節(jié)序列 啟動序列 操縱序列 編碼序列 表達

6、 轉(zhuǎn)錄,,,,,,,,,,,I,CAP,P,O,Z,Y,A,,,,阻遏蛋白結(jié)合部位,RNA聚合酶結(jié)合部位,,編碼序列 規(guī)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，又稱結(jié)構(gòu)基因；多順反子mRNA 由多個結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，受同一個啟動序列調(diào)控，轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA, 翻譯生成多個蛋白質(zhì),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(zhuǎn)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(jié)合部位 決定轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白特異識別和結(jié)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(jié)合位點及其周圍的一組轉(zhuǎn)錄調(diào)控組件（包括轉(zhuǎn)錄起始點以及典型的TATA盒）。 （2）增強子 是增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的

9、DNA序列，并決定組織特異性表達。 （3）沉默子 能夠?qū)蜣D(zhuǎn)錄起阻遏作用的DNA片段，屬于負性調(diào)控元件。,（二）調(diào)節(jié)蛋白,原核生物的調(diào)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(jié)合能力； (RNA聚合酶的?－因子)阻遏蛋白 通過與操縱序列結(jié)合，阻遏基因轉(zhuǎn)錄；（由調(diào)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(jié)合，促進RNA聚

10、合酶與啟動序列 結(jié)合，促進基因轉(zhuǎn)錄。（CAP—分解代謝物基因活化蛋白）,2. 真核生物的調(diào)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(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的一類調(diào)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(zhuǎn)錄因子 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子：DNA-蛋白質(zhì) 共調(diào)節(jié)因子：蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì),,（1）基本轉(zhuǎn)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(jié)合、并啟動轉(zhuǎn)錄的一類調(diào)節(jié)蛋白。 （參與構(gòu)成基礎轉(zhuǎn)錄裝置所需的一類通用轉(zhuǎn)錄因子） 真核生物 RNA聚合酶Ⅱ（ RNApol Ⅱ ）識別啟動子所需的轉(zhuǎn)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(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，

12、然后按一定時空順序依次結(jié)合RNApol Ⅱ和其他轉(zhuǎn)錄因子，形成一個轉(zhuǎn)錄前起始復合物（PIC）。,轉(zhuǎn)錄前起始復合體的組裝（PIC),,轉(zhuǎn)錄前起始復合物（PIC）,(2) 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子 這類調(diào)經(jīng)蛋白能識別并結(jié)合轉(zhuǎn)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(zhì)相互作用而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性。 起激活轉(zhuǎn)錄作用——轉(zhuǎn)錄激活因子； 阻遏轉(zhuǎn)錄作用——轉(zhuǎn)錄阻遏因子。（3） 共調(diào)節(jié)因子 首先與轉(zhuǎn)錄因子或轉(zhuǎn)

13、錄調(diào)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(gòu)象，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性。 如果與轉(zhuǎn)錄激活因子有協(xié)同作用——共激活因子； 與轉(zhuǎn)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(jié)合域；轉(zhuǎn)錄激活域；結(jié)合其他蛋白質(zhì)的功能域。,,鋅指結(jié)構(gòu) 亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu),(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(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶的活性 調(diào)節(jié)蛋白通過DNA-蛋白質(zhì)相互作用、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA酶活性。,六、基因表達的多級調(diào)控,基因結(jié)構(gòu)活化 轉(zhuǎn)錄水平 轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工 轉(zhuǎn)錄后水平 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運 翻譯調(diào)控 翻譯水平 翻譯后加工,,,,第二節(jié)

15、 原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控一、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制,控制區(qū),信息區(qū),,,結(jié)構(gòu)基因(S),操縱序列（O）,啟動序列（P）,調(diào)節(jié)基因（I）,,,CPA,,,乳糖操縱子結(jié)構(gòu)基因表達產(chǎn)物,,（一）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)作用,I,,,,阻遏蛋白,,,無乳糖存在時，結(jié)構(gòu)基因受阻遏,有乳糖存在時，結(jié)構(gòu)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(diào)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(jié)合,,,,CAP失

17、活,,,,阻抑蛋白與操縱基因結(jié)合,,CAP及RNA聚合酶不能與啟動基因結(jié)合,,,,,,基因轉(zhuǎn)錄被阻遏,,,阻遏蛋白的負性調(diào)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(jié)合,,,,,cAMP與CRP結(jié)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(jié)合并促使RNA聚合酶與啟動基因結(jié)合,,,,,,基因轉(zhuǎn)錄激活,,,CAP的正性調(diào)節(jié),,二、色氨酸操縱子的調(diào)

18、節(jié)機制,色氨酸操縱子（trp operon）：阻遏型操縱子；主要參與調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。當細胞內(nèi)缺乏色氨酸時，此操縱子開放；而當細胞內(nèi)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(jié) 構(gòu) 基 因,,調(diào)控區(qū),,,,,,,,,,,,,,二、色氨酸操縱子的調(diào)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(jié)構(gòu)基因關閉）,,,調(diào)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(jié)構(gòu)，對轉(zhuǎn)錄進行更精細的調(diào)控。,,,,,,,,,色氨酸的負性調(diào)控作用,有活性,,Trp操縱子的trpE基因5´－端“前導序列”,,衰減子 結(jié)

20、構(gòu),10、 11,,前導肽,核蛋白體,衰減子結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)基因,MKAIFVLKG,,MKAIFVLKGWWRTS,RNA聚合酶,,Trp操縱子的轉(zhuǎn)錄衰減機制,三、原核生物基因表達調(diào)控的特點,主要在轉(zhuǎn)錄水平進行調(diào)節(jié)1） σ 因子的特異啟動作用 2） 操縱子調(diào)控機制具有普

21、遍性3） 結(jié)構(gòu)基因進行多順反子轉(zhuǎn)錄4） 阻遏蛋白阻遏轉(zhuǎn)錄具有普遍性,第三節(jié) 真核生物基因表達調(diào)控一、真核生物基因組特點,（一）基因組結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) 真核生物的基因組是以DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體結(jié)構(gòu)形式而存在于細胞核。,（三）單順反子 真核基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一般是單順反子 。 單順反

22、子 一個編碼基因轉(zhuǎn)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(jù)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(shù)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(gòu)成；3. 單拷貝序列 只出現(xiàn)1次或幾次。真核生物極大多數(shù)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(jié)構(gòu)”。,（五）斷裂基因,外顯子 具有實際編碼意義的結(jié)構(gòu)基因序列；內(nèi)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(shù)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(diào)控的特點,1．對核酸酶極度敏感,2．DNA拓樸結(jié)構(gòu)變化 天然雙鏈DNA幾乎均以負性超螺旋構(gòu)象存在。 當基因激活后，則轉(zhuǎn)錄區(qū)前方的DNA拓樸結(jié)構(gòu)變?yōu)檎猿菪?，有利于RNA聚合酶向前移動，進行轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)改變，使核小體不穩(wěn)定性增加。,（二）RNA聚合酶、mRNA的轉(zhuǎn)錄激活及調(diào)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(jié)合蛋白（TBP）為3種酶共有。 RNA polⅡ?qū)Υ呋痬RNA的生成起主要作用。轉(zhuǎn)錄前RNA polⅡ必須與TBP、TFⅡD等各種通用轉(zhuǎn)錄因子形成轉(zhuǎn)錄前復合體

26、（PIC），從而激活或抑制RNA的轉(zhuǎn)錄。,聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄前起始復合體的組裝,聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄起始復合體的組裝,（三）正性調(diào)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(zhuǎn)錄因子正性激活RNA聚合酶是真核基因調(diào)控的主要機制。 采用正性調(diào)節(jié)機制更有效、經(jīng)濟、特異； 采用負性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟（四）轉(zhuǎn)錄和翻譯過程分開進行 轉(zhuǎn)錄與翻譯過程分別存在于不同的