第13章基因表达调控08级

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,目 录,第 十 三 章,基因表达调控,Regulation of Gene Expression,目 录,主要内容,一、,基因表达调控基本概念,二、,基因表达调控的基本原理,三、,原核基因表达调节,四、,真核基因表达调节,目的要求,掌握,1.,基因表达、管家基因、反式作用因子与顺式作用元件的概念。,2.,原核生物乳糖操纵子的结构及调节机制。,3.,真核基因转录调控元件,:,启动子、增强子、沉默子,。,熟悉,1,.,基因表达的时间特异性和空间特异性；基因表达的方式。,2.,基因表达调控的基本原理。,3.,原核基因转录调控特点。,4.,真核基因表达调控的特点；,RNApol,转录起始调节。,了解,1.,基因表达调控为生物体生长、发育所必需。,2.,原核生物转录终止和翻译水平调节。,3.,真核生物,RNApol,和,转录调节，,RNApol,转录终止调解，转录后及翻译后水平调节。,第 一 节基因表达调控的基本概念,Basic Conceptions of Gene Expression Regulation,本节学习主要知识点：,基因表达、管家基因的概念。,基因及基因组的概念；,基因表达的时间、空间特异性；,基因表达的方式：基本表达、诱导和阻遏、协调表达。,基因,是携带特定遗传信息的,DNA,片断,，其结构组成有：,DNA,编码序列,、,非编码调节序列,和,内含子,。,基因是生物遗传的基本单位，也就,是编码一种,RNA,进而编码一种多肽的信息单位,。,由,mRNA,反转录生成的,cDNA,也习惯上也称为“基因”，但不含有基因转录的调控序列，只含翻译调控和多肽链编码序列。,一、基因表达是指基因转录及翻译的过程,（一）基因,(gene),（二）基因组,(genome),基因组是指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,原核生物和噬菌体的基因组是其单个环状染色体所含的全部基因；真核生物基因组是指一个生物体的染色体所包含的全部,DNA,，称为染色体基因组。,（三）基因表达,(gene expression),不同生物的基因组含有不同数量的基因。细菌基因组约含,4000,个基因，人类基因组约,3,万,4,万个基因。所有基因并非同时表达，而是在某一特定时期或生长阶段，只有一小部分基因处于表达状态，大部分基因不表达。,是基因转录及翻译从而生成具有生物学功能产物的过程。,大多数基因经过激活、转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，使细胞或个体具有一定的功能或形态表型。,例如：,大肠杆菌通常只有,5%,的基因高表达，其余不表达或低表达。,平时与细菌蛋白质生物合成有关的延长因子编码基因表达活跃，而与,DNA,损伤修复有关的酶分子编码基因很少表达；,当紫外线照射引起,DNA,损伤时，修复酶编码基因表达活跃。,说明,基因表达是在一定调控机制下进行,。生物体随时调整不同基因的表达状态，适应环境，维持生长。,二、基因表达具有时间特异性和空间特异性,所有生物基因表达都表现严格的时间和空间特异性,（一）,时间特异性,多细胞生物在组织器官形成的各个不同发育阶段相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。这种基因表达的时间特异性又称,阶段特异性,(stage specificity),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，称为基因表达的,时间特异性,(temporal,specificity),。如细菌、病毒、噬菌体感染宿主后 ，随感染阶段发展，生长环境变化，有些基因开放，有些基因关闭。如,AFP,基因,-,胎儿肝,C-,成人肝,C-,肝癌肝,C,。,（二）,空间特异性,在个体生长、发育的全过程中，某种基因产物在个体的不同组织器官表达不一致，即,按不同组织空间顺序出现，称为基因表达的空间特异性,(spatial,specificity),。如编码胰岛素的基因只在胰岛的,细胞中表达；肌浆蛋白基因在肌原细胞中高表达，而在成纤维细胞中几乎不表达。,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞所在器官的分布决定的，所以基因表达的空间特异性又称为,细胞特异性或组织特异性,(cell or tissue specificity),。,三、基因表达的方式及调节存在很大差异,由于不同的基因对内、外环境信号刺激的反应不同，按对刺激的反应性，基因表达的方式分为,基本表达,和,诱导阻遏表达,。,（一）基本表达,有些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因通常被称为管家基因,(housekeeping gene),如：三羧循环途径中所有酶的编码基因,。,1.,管家基因,管家基因的,表达水平,较少受环境因素的影响，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。这类基因表达被称,为,基本表达或组成性基因表达,(constitutive gene expression),。,基本表达的调节特点是：,只受启动序列或启动子与,RNA,聚合酶相互作用的影响，不受其他机制调节。,2.,基本表达或组成性基因表达,（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏,1.,诱导：,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：,DNA,损伤时，修复酶基因被激活，修复酶被诱导增加。,表现为随着环境信号的变化其表达增强或降低。,2.,阻遏：,如果基因对环境信号应答时被抑制，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),。如：当细菌培养基中色氨酸供应充足时，细菌体内与色氨酸合成有关的酶编码基因表达被抑制。,调控特点：,可诱导或可阻遏基因既受启动子或启动序列与,RNA,聚合酶相互作用影响，又受其他机制调节。因其调控机制中通常含有特异刺激的反应元件。,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),。,（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节,例如：体内每条代谢途径中所需要的多种酶和转运作用物的多种蛋白质的编码基因被统一调节，使它们的分子比例适当，以保证代谢的正常进行。,这种调节称为协调调节,(coordinate regulation),。,协调表达,协调调节,（一）适应环境、维持生长和增殖,生物体对不断变化的内、外环境的适应能力，与某些蛋白质分子功能有关，而某些功能蛋白质的多少又取决于编码这些蛋白质分子的基因表达。通过一定的程序调控基因表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，从而适应环境，维持生长和繁殖。,四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需,在多细胞生物个体生长、发育的不同阶段，需要不同种类和数量的蛋白质。同一生长发育阶段，不同组织、器官内蛋白质分子的分布也有很大差异，这是由基因表达调控所决定的。,（二）维持个体发育与分化,高等动物各组织、器官的发育、分化都是由一些特定基因控制的，当某种基因缺陷或表达异常时，出现相应组织器官发育异常。,第 二 节 基因表达调控的基本原理,Basic Principles of Gene Expression Regulation,本节学习主要知识点：,基因表达调控最重要的环节是转录起始水平的调控；,反式作用因子与顺式作用元件的概念；,基因转录激活调节的基本要素；特异,DNA,序列的概念；操纵子的组成；启动序列和操纵序列的作用。,一、基因表达调控呈现多层次和复杂性,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,蛋白质降解等,蛋白质翻译,翻译后加工修饰,转录起始,基因表达的基本控制点,基因表达产物是蛋白质，从,DNA,到蛋白质的遗传信息传递过程要经过多个层次，每个层次都具有调控作用，称为,基因表达的多级调控,：,基因表达调控是在遗传信息传递的各个水平上进行,多级调控。其中,最重要的是转录起始水平的调控,（一）,特异,DNA,序列决定基因的转录活性,二、,基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节,与基因表达调节有关的因素包括：,基因,的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外,环境,，以及细胞内所存在的转录,调节蛋白,，其中与转录激活调节有关的要素有以下几个方面：,特异,DNA,序列主要是指具有调节功能的,DNA,序列，,它与基因特异的表达方式有关。,1.,原核生物的基因表达调控,启动序列,操纵序列,两个以上编码序列,其他调节序列,大多数基因表达调控是通过,操纵子,机制实现的。,操纵子（,operon,）组成,在基因组中成簇串联排列。,原核生物,蛋白质因子,操纵子,(operon),机制,特异,DNA,序列,编码序列,启动序列,操纵序列,其他调节序列,(,promoter,),(,operator,),是,RNA,聚合酶结合并启动转录的特异,DNA,序列,。通常含有一些相似性序列，称为共有序列,(1),启动序列,RNA,转录起始,-35,区,-10,区,TTGACA,TTAACT,TTTACA,TATGAT,TTTACA,TATGTT,TTGATA,TATAAT,CTGACG,TACTGT,N,17,N,16,N,17,N,16,N,16,N,7,N,7,N,6,N,7,N,6,A,A,A,A,A,trp,tRNA,Tyr,lac,rec,A,Ara,BAD,TTGACA,TATAAT,共有序列,(Pribnow box),共有序列,(consensus sequence),中的任一碱基突变或变异，都会影响,RNA,聚合酶与启动序列结合及转录起始。所以,共有序列决定,启动序列的转录活性大小。,(2),编码序列：编码蛋白质的,DNA,序列,结构基因。,(3),操纵序列,阻遏蛋白,(repressor),的结合位点,当,阻遏蛋白,与操纵序列结合时，会阻碍,RNA,聚合酶与启动序列的结合，或使,RNA,聚合酶不能沿,DNA,向前移动 ，阻碍转录。导致负性调节。,启动序列,编码序列,操纵序列,pol,阻遏蛋白,(4),其他调节序列,例如,:,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。导致正性调节。,2.,真核生物基因表达调控：,可结合激活蛋白的特异,DNA,序列,绝大多数真核基因的调控机制普遍涉及编码基因两侧的,DNA,序列,顺式作用元件,。,真核生物,1,、,顺式作用元件,(,cis-acting element),可影响自身基因表达活性的,DNA,序列,RNA,聚合酶,B,A,DNA,编码序列,转录起始点,mRNA,RNA,聚合酶,B,A,DNA,转录起始点,mRNA,图,13-2,顺式作用元件,A.B,序列是调节该基因转录活性的顺式作用元件,顺式作用元件的特点及种类,不,同基因具有各自不同的顺式作用元件；,在,不同真核生物的顺式作用元件中也常发现一些共有序列 ，如,TATA,盒、,CAAT,盒等；,这些共有序列就是顺式作用元件的核心序列，,是,RNA,聚合酶或特异转录因子的结合位点。,顺式作用元件根据在基因中的位置、激活作用性质及作用方式分为,启动子,、,增强子,和,沉默子,等。,TATA,盒,CAAT,盒,GC,盒,增强子,顺式作用元件,结构基因,-GCGC-CAAT-TATA,转录起始,真核生物启动子保守序列,（二）转录调节蛋白可增强或抑制转录活性,1.,原核基因调节蛋白,：分为三类：,特异因子,、,阻遏蛋白,和,激活蛋白,，都是,DNA,结合蛋白。,(1,),特异因子,：,是决定,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的蛋白因子。,如,因子,。,(2),阻遏蛋白（,repressors,）,：,可识别、结合特异,DNA,序列,操纵序列，抑制基因转录。介导负性调节,(3),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：,分解代谢物基因激活蛋白,(catabolite gene activator protein,ACP,),典型的激活蛋白。,有些基因在没有激活蛋白存在时，,RNA,聚合酶很少或完全不能结合启动序列，基因不能转录。,2.,真核基因调节蛋白,:,又叫转录调节因子或转录因子。,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，反式激活另一基因的转录，故称反式作用蛋白或反式作用因子。,(1),反式作用因子,(trans-acting factor),反式作用因子,多数是,DNA,结合蛋白。这种调节作用称为,反式作用,。,(2),顺式作用因子,：有些,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,，这些蛋白质因子称为顺式作用因子。,(3),蛋白质,-,蛋白质相互作用：有些调节蛋白不能直接结合,DNA,，通过蛋白质,-,蛋白质相互作用调节转录。,c,DNA,a,DNA,反式调节,C,顺式调节,mRNA,C,蛋白质,C,b,A,mRNA,蛋白质,A,A,图,13-3,反式与顺式作用蛋白,1. DNA -,蛋白质相互作用：,是指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。,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。,当调节蛋白进入,DNA,大沟或小沟时，通过调节蛋白的某些氨基酸残基侧链与,DNA,中的某些碱基相互联系，形成,DNA-,蛋白质复合物。,(,三,),转录调节蛋白通过与,DNA,或与蛋白质,相互作用对转录起始进行调节,2.,蛋白质,-,蛋白质相互作用：,绝大多数调节蛋白质结合,DNA,前，先通过蛋白质,-,蛋白质相互作用，形成,二聚体,(dimer),或,多聚体,(polymer),。,最常见的是二聚体，是由两个蛋白质分子单体通过一定结构域结合而成。,与,DNA,结合的能力异二聚体强于同二聚体。,由于调节蛋白的结构不同，有时形成二聚体后会丧失结合,DNA,的能力。,也有一些蛋白质，不是通过二聚化或多聚化，而是通过蛋白质,-,蛋白质相互作用间接结合,DNA,，调节基因转录。,(,四）,RNA,聚合酶活性的调节,启动序列或启动子是由转录起始点、,RNA,聚合酶结合位点及转录调节组件构成。,启动序列或启动子的核苷酸序列会影响其与,RNA,聚合酶的亲和力，影响转录起始。,如：,E.coli,的有些基因每秒转录一次，而有些基因的转录在一代细胞中可能还不到一次。这种差异就是因为启动序列不同所致。,影响,RNA,聚合酶活性的主要因素是启动序列,/,启动子结构及调节蛋白性质。,启动序列,/,启动子与,RNA,聚合酶活性,如果,E.coli,的启动序列,10,区和,35,区共有序列,TATAAT,和,TTGACA,被置换为非共有序列，转录活性会降低；启动序列的非共有序列换成共有序列，转录活性会增加。因此，,RNA,聚合酶活性与启动序列或启动子有关。,在真核细胞，,RNA,聚合酶必须先与基本转录因子结合成复合物才能与启动子结合，,RNA,聚合酶单独存在时与启动子亲和力很低。故,真核细胞,RNA,聚合酶活性与启动子和转录调节因子二者有关。,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被表达，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，改变表达水平。,诱导剂、阻遏剂等小分子信号可引起调节蛋白分子构象改变，再经,DNA-,蛋白质或蛋白质,-,蛋白质相互作用，调节,RNA,聚合酶转录活性。,例一：,例二：,热休克蛋白反应时，细菌,RNA,聚合酶全酶中通常的,70,被,32,取代，使,RNA,聚合酶改变了对常规启动序列的识别而结合另一套启动序列，启动另一套基因表达。这是因为原核特异因子,改变了,RNA,聚合酶识别启动序列的特异性。,第 三 节 原核基因表达调节,Regulation of Prokaryotic,Gene Transcription,本节学习主要知识点：,原核基因转录调节的特点。（标题）,操纵子,(operon),的概念；,乳糖操纵子的结构及调节机制。（详细）,调节的主要环节在转录起始,一、原核基因转录调节特点,原核生物,RNA,聚合酶只有一种，转录起始需要全酶。转录起始时，由,因子识别起始序列，不同的,因子决定不同特异基因的转录，从而决定三种,RNA,的转录,。,（一）,因子决定,RNA,聚合酶识别特异性,原核生物绝大多数功能相关的基因成簇串连在一起，共同组成一个转录单位,操纵子,。如乳糖操纵子，色氨酸操纵子等。,在原核基因的调控中普遍存在操纵子机制。,在一个操纵子中，只有一个启动序列，同时有多个可转录的编码基因，都受同一启动序列调控，产生协调表达，转录出多顺反子,mRNA,。,（二）操纵子模型的普遍性,（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节,在原核操纵子调控机制中，特异阻遏蛋白是调控启动序列的重要因素。,当阻遏蛋白与操纵序列结合时，特异基因受阻遏而关闭；,当阻遏蛋白脱离启动序列时，特异基因去阻遏而开放表达。,调控区,CAP,结合位点,启动序列,操纵序列,结构基因,Z,：,-,半乳糖苷酶,Y,： 透酶,A,：乙酰基转移酶,Z,Y,A,O,P,DNA,I,调节基因,二,.,原核生物转录起始调节,（重点）,原核生物的基因表达调控中，普遍存在操纵子调控机制，以乳糖操纵子为例介绍原核生物操纵子调控模型,（一）乳糖操纵子,(lac operon),的结构,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,（,二,）,乳糖操纵子受阻遏蛋白和,CAP,的双重调节,阻遏基因,1,、阻遏蛋白的负性调节,-,半乳糖苷酶,通透,酶,乙酰基,转移酶,mRNA,阻遏蛋白,有乳糖存在时,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,启动转录,mRNA,乳糖,半乳糖,-,半乳糖苷酶,半乳糖是真正的诱导剂。,+ + + +,转录,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,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,分子内有,DNA,结合区和,cAMP,结合位点。,3.,协调调节,(1),当阻遏蛋白封闭转录时，,CAP,对该系统不能发挥作用；,(2),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。,阻遏蛋白负性调节与,CAP,正性调节两种机制相互协调，相互制约，共同调节基因表达。,是指阻遏蛋白负性调节与,CAP,正性调节的协调作用。,葡萄糖对乳糖操纵子的阻遏作用,单纯有乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；,有葡萄糖或葡萄糖,/,乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,原因：葡萄糖存在时，葡萄糖通过降低,cAMP,浓度，阻碍,cAMP,与,CAP,结合，抑制乳糖操纵子转录，不能生成,-,半乳糖苷酶，细菌不能利用乳糖，只能利用葡萄糖,。,葡萄糖对乳糖操纵子的阻遏作用称为,分解代谢阻遏。,mRNA,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,RNA-pol,O,O,O,O,乳糖操纵子的强诱导作用需要有乳糖而无葡萄糖。,三、原核生物转录终止调节机制,（了解）,（,一,）不依赖,Rho,因子的转录终止,（二）依赖,Rho,因子的转录终止,常见于噬菌体中，结构特点不清楚。,两段富含,GC,的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸。,下游含一系列,T,序列。,这种结构使转录生成的,RNA,分子形成发夹结构及下游的多个,U,序列，使转录终止。,是依赖模板,DNA,上的,终止子，其序列结构特点：,E.coli,转录终止的调节有两种方式：一种是转录衰减，通过衰减子在距离转录起始点较近的位置过早终止转录，使下游基因不能被转录。另一种为抗终止，阻止转录衰减发生，使下游基因得以转录。,四,.,原核生物在翻译水平的调节,（了解）,翻译水平的调节一般也是发生在起始和终止阶段，尤其是起始阶段。调节翻译起始的物质称为,调节分子,，,调节分子可以是,蛋白质,，也可以是,RNA,。它们可以直接或间接地,影响核糖体对翻译起始点的识别和结合，,影响翻译起始。,调节蛋白一般结合于自身,mRNA,靶位点，阻止核糖体识别翻译起始区，从而阻断调节蛋白自身的合成，故称,自我调控,。,（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节,（二）反义,RNA,结合,mRNA,翻译起始部位的 互补序列对翻译进行调节,有些,RNA,分子能调节基因表达，被称为,调节,RNA,。,细菌中有种调节,RNA,，,称为反义,RNA,。,反义,RNA,含有与特定,mRNA,翻译起始部位互补的碱基序列，可与,mRNA,发生杂交，阻断核糖体小亚基对,mRNA,起始密码子的识别以及与,SD,序列的结合，抑制翻译起始，故称,反义控制,(antisense control),。,第 四 节 真核基因表达调节,Regulation of Eukaryotic,Gene Transcription,本节学习主要知识点：,真核基因表达调控的特点。（大小标题）,真核基因顺式作用元件的功能组件及其作用。,启动子,(promoter),、增强子,(enhancer),、沉默子,(silencer),的英文单词及概念。,基本转录因子、,特异转录因子的概念。,一、真核基因组具有独特的结构特点,哺乳动物基因组,DNA,约由,3 10,9,碱基对组成。,人类基因组,约 有,3,万,4,万个基因，编码序列仅占总全长的,1%,。,其中重复基因,约占,5%10%,。,其余,80%90%,的基因组没有编码功能。,真核细胞,DNA,与组蛋白结合形成复杂的染色体，使基因表达调控更加复杂。,（一）真核基因组结构庞大,（二）真核基因转录产物为单顺反子,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。,多种真核蛋白质由几条不同肽链组成，需几个基因协调表达。,（三）真核基因组含有大量的重复序列,在真核,DNA,中含有比原核更多出现的重复核苷酸序列。根据重复频率将重复序列分为：,单拷贝序列,（一次或数次）,高度重复序列,（,10,6,次）,中度重复序列,（,10,3, 10,4,次）,多拷贝序列,反转重复序列,：是由两个互补序列，在同一,DNA,链上反向排列。,某些重复序列出现在调控区，可能对,DNA,的复制、转录具有调控作用。,（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区， 故：具有不连续性,真核基因称之为断裂基因。原因是：,(1),在结构基因两侧有不被转录的非编码序列，一般是基因表达的调控区。,(2),在编码基因内有编码序列（外显子）和非编码序列（内含子）相间组成。,故真核基因是不连续的。在转录后的加工过程中切除内含子，拼接外显子，形成成熟的,mRNA,。,二、真核基因表达调控特点,真核细胞,RNA,聚合酶有三种，分别称为,RNA,聚合酶,、,、,，分别转录生成三种,RNA,。,三种酶都约由,10,个亚基组成，有些亚基在三种酶是相同的，有些亚基是每种酶所特有的。如：,TATA,盒结合蛋白,(TBP),就是三种,RNA,聚合酶共有的。,转录因子,D(TFD),在,RNAPol,催化,mRNA,转录中起核心作用。,TFD,是由,TBP,和,TBP,相关因子,(TAF),组成的多蛋白复合物，其中,TAF,起传递上游激活因子,(UAS),信息作用。,真核基因表达调控同样主要是在转录起始阶段。,（一）,真核细胞内含有多种,RNA,聚合酶,（二）,处于转录激活状态的染色质结构发生,明显变化,基因被激活时，发现染色体相应区域的结构和性质发生变化，称为活性染色体。,1.,对核酸酶敏感,活化基因对核酸酶产生极度敏感。用,DNase,处理时，染色体,DNA,常出现一些,DNase,超敏位点，通常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；,基因活化后,RNA-pol,正超螺旋,负超螺旋,转录方向,3. DNA,碱基修饰变化,真核,DNA,约有,5%,的胞嘧啶被甲基化，最常发生的部位是某些基因的,5,侧翼区,CPG,序列,(CPG,岛,),。,甲基化范围与基因表达程度呈反比。,有利于核小,体再形成,阻碍核小体形成，,促进组蛋白,H2A,、,H2B,二聚体释放,4.,组蛋白变化,富含,Lys,组蛋白水平降低，既,H1,样组蛋白减少,H2A, H2B,二聚体不稳定性增加，容易从核心组蛋白中被置换出来。, 组蛋白修饰：最常见的是,H3,、,H4,组蛋白发生乙酰化、磷酸化、甲基化。使核小体结构松弛。,基因的,转录活性,与,DNA,的,结合能力,下降,组蛋白被磷酸化、,甲基化、 乙酰化,等修饰,（,三,）,在真核基因表达调控中,以正性调节占主导,真核,RNA,聚合酶对启动子的亲和力极小，必须依赖一种或多种激活蛋白的作用，所以,正性调节机制广泛存在。相反，负性调节元件的存在并不普遍。因此，,真核生物以正性调节为主。,其原因是：,因为真核基因组庞大，造成在不适当位点出现特异结合序列的几率增加，使,DNA-,蛋白质相互作用的特异性降低。,同时采用几种负性元件不会改变特异性，因为一个负性调节元件的结合就足以阻断,RNA,聚合酶的结合。,如果采用多种正性调节元件和正性调节蛋白可提高基因表达的特异性和精确性。,采用正性调节机制更有效：,因为人类基因组,34,万个基因，需要细胞合成,34,万个阻遏蛋白。,正性调节中大多数基因不结合调节蛋白，只要细胞表达一组激活蛋白，就可使相关靶基因被激活。,采用负性调节不经济：,（四）转录与翻译分隔进行,真核细胞是有核细胞，转录在胞核，翻译在胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。,（五）转录后修饰、加工,真核基因结构复杂，故转录后剪接及修饰等过程更为复杂。,三,.RNAPol,和,Pol,转录,体系的,调节,（,了解,）,（一）,RNA,Pol,转录体系的调节,RNAPol,的转录产物只有,rRNA,前体。在基因组中存有多套,rRNA,前体转录单位。,1.,启动元件：,人,rRNA,前体基因的启动子只有两个元件，一个位于转录起始点附近，足以起始转录，称,为,核心元件,或,核心启动子,。,另一个位于起始点上游，可用于提高转录起始效率，称为,上游控制元件,(UCE),(2),选择性因子,1(SL1):,继,UBF1,后与二个元件无序列特异性结合，促进,RNAPol,结合启动子起始转录,2.,转录因子：,Pol,需二种转录因子协助起始转录,(1),上游结合因子,1,(,UBF1):,既能与上游控制元件结合，又能特异性结合核心元件。,（二）,RNAPol,转录体系的控制,RNAPol,能转录多种,RNA,的基因，生成,tRNA,、,5SrRNA,等多种,RNA,。,tRNA,和,5SrRNA,基因的结构特点是,启动子位于转录起始点下游的转录区内,，称为,内部控制区,(ICR),。,1.tRNA,的基因转录调节,(1),调控元件：,tRNA,的内部控制区主要有二种调控元件，既,A,盒,(TGGCNNAGTGG),和,B,盒,(GGTTCGANNCC),。,(2),转录因子,：,有二种。,TFC,和,TFB,帮助,RNAPol,起始转录。,(3),起始过程,：,首先由,TFC,结合,A,盒和,B,盒，然后,TFB,结合于,A,盒上游，,TFC,脱落，接着,RNA,聚合酶,结合于转录起始点附近开始转录。,2.5SrRNA,的基因转录调节,(1),调控元件,：,与,tRNA,基因相同，,A,盒和,B,盒。,(2),转录因子,：,三种：,TFA,、,TFB,和,TFC,(3),转录起始过程,：,首先由,TFA,与内部控制区结合，然后,TFC,结合，再后,TFB,结合，,TFA,、,TFC,脱落，接着,RNA,聚合酶,结合于转录起始点附近转录起始。,在转录中，真正的起始因子是,TFB,，,TFA,和,TFC,起辅助因子作用。,四、,RNA,Pol,转录起始,调节,（重点）,（,一）顺式作用元件,影响基因转录活性,1.,启动子,(promoter),真核基因启动子是指,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,。,TATA,盒,GC,盒,CAAT,盒,RNAPol,的转录产物是,mRNA,前体，其转录起始的调控和转录因子比前二者复杂。,CAAT,盒,TATA,盒,结构基因,+1,决定基因表达的基础水平,是,RNA polII,结合位点；,调控转录起始的频率及,精确性。,转录因子,TFD,结合位,点。,GC,盒,上游启动子序列（,UPS,）,-25,-30,-70,-80,-110,转录起始点,典型的启动子由,TATA,盒和上游的,GC,盒和,CAAT,盒组成。,一般只有一个转录起始点，具有较高转录活性,不典型的启动子很多不含,TATA,盒，分为二类：一类是富含,GC,的启动子，一般有多个分离的转录起始点。另一类是既不含,TATA,盒也没有,GC,盒的启动子，可有一个或多个转录起始点，大多转录活性很低或无转录活性。,CCAAT,盒,GC,盒,TATA,盒,转录起始点,高等真核生物,上游激活序,列（,UAS,）,TATA,盒,转录起始点,酵母,2.,增强子,(enhancer),指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的,DNA,序列。,由多个功能组件构成，有些功能组件既可存在于增强子，又可存在于启动子，是特异转录因子结合,DNA,的核心序列。,增强子和启动子的作用相互依存，如果没有增强子，启动子不能表现活性；如果没有启动子，增强子也不能发挥作用。,特点：,3.,沉默子,(silencer),某些基因的负性调节元件，当其与特异蛋白因子结合时，对基因转录起阻遏作用。,增强子和启动子常交错覆盖或连接，所以有时对结构密切联系，无法区分的启动子和增强子样结构统称启动子。,（,二）,反式作用因子,是重要的转录调控蛋白,1.,转录调节因子分类（按功能特性）分为两类：,(1),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,(m,RNA,、,tRNA,及,rRNA),转录的类别。,在基本转录因子中，个别成分可为三种,RNA,聚合酶所共用，如：,TFD,。,大多数成分为不同,RNA,聚合酶所特有。如：,TFA,、,B,、,D,、,E,、,F,、及,TFH,是,RNA,聚合酶,转录所有,mRNA,所必需的。,大多数转录调节因子是以反式作用调节基因转录，故称为反式作用因子。简称转录因子（,TF),。,(2),特异转录因子,(special transcription factors),为个别基因转录所必需，,决定该基因表达的时间、空间特异性。,故称特异转录因子。,转录激活因子：,起转录激活作用，通常是一些,增强子结合蛋白,(EBP,）。,转录抑制因子：,起转录抑制作用，多数是沉默子，少数是通过蛋白质,-,蛋白质相互作用，抵消转录激活因子或,TFD,，降低它们在细胞内的浓度，抑制基因转录。,特异转录因子分为,两类,：,2.,转录调节因子的结构,（了解）,DNA,结合域,转录激活域,TF,蛋白质,-,蛋白质结合域,（二聚化结构域）,谷氨酰胺富含域,酸性激活域,脯氨酸富含域,所有转录因子至少有二个结构域，,DNA,结合域,和,转录激活域，,很多转录因子还有一个介导蛋白质,-,蛋白质相互作用的结构域，最常见的是二聚化结构域。,最常见的是锌指结构及碱性,螺旋。,最常见的,DNA,结合域是：,锌指,(zinc finger),结构：,C Cys,H His,常结合,GC,盒,(1)DNA,结合域：,由,60100,个氨基酸残基组成。,由,30,个氨基酸残基组成，有,2,个,Cys,和,2,个,His,分别位于正四面体的顶角，与中心的锌离子配价结合。,Cys,和,His,之间有,12,个氨基酸残基，其中有几个保守性残基。,Zn,Cys,His,2.,碱性,-,螺旋：,常结合,CAAT,盒,类似的还有：碱性亮氨酸拉链和螺旋,-,环,-,螺旋。,识别,CAAT,盒的转录因子,CTF1,（,CAAT,盒结合因子）的,DNA,结构域是碱性,-,螺旋,3.,碱性亮氨酸拉链：是由两组平行走向的带亮氨酸的,螺旋形成的二聚体，每条链上的亮氨酸又规律的每隔,6,个氨基酸出现一次，亮氨酸侧链基团的分支，刚好互相交错排列，形成拉链状结构。,二聚体,4.,碱性螺旋,-,环,-,螺旋：,2,个,螺旋之间有一个长度可变得的连接区。,首先由基本转录因子,TFD,的成分,TATA,盒结合蛋白,(TBP),识别,TATA,盒或启动子，并有,TBP,相关因子,(TAF),参与结合，形成,TFD-,启动子复合物。,然后在,TFAF,等基本转录因子参与下，,RNA,聚合酶,与,TFB,、,TFD,聚合，形成前起始复合物,(PIC),。,（,三）,mRNA转录激活需转录起始复合物的形成,真核生物,RNA,聚合酶,不能直接识别结合启动子，而是在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物。,1.,前起始复合物,(PIC),的形成,结合了增强子的转录激活因子与前起始复合物中的,TFD,接近，或通过,TBP,相关因子,(TAF),与,TFD,联系，形成稳定的转录起始复合物，,RNA,聚合酶,启动,mRNA,转录。,2.,转录起始复合物的形成,pol,TFH,TAF,TFF,TAF,TAF,TFA,TFB,TBP,真核,RNA,聚合酶,在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物。,TATA,DNA,TBP,相关因子,EBP,增强子结合蛋白,TF,D,真核生物,RNA,聚合酶,转录起始复合物的形成,TFD-,启动子,复合物,前起,始,复合物,转录,起始,复合物,转录激活调节就是对转录起始复合物形成的调节,*,不同的,DNA,元件组合可产生多种类型的转录调节方式；,*,多种转录因子又可结合相同或不同的,DNA,元件,*,转录因子与,DNA,元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。,转录激活调节,：（了解）,*,特异转录因子不同，结合,DNA,前所形成的二聚体结合,DNA,的能力就不同。,五,.RNAPol,转录终止调节,（了解）,（,一）,HIV,基因组转录终止调节,HIV,是一种病毒基因，其表达需要一种抗终止蛋白,Tat,，,Tat,蛋白能与转录产物,5,端特异,RNA,序列结合，并与宿主蛋白质、,RNAPol,相互作用，使延长中的,RNA,形成一定的二级结构，阻止,HIV,基因过早终止转录。,调节机制目前尚不清楚。,真核细胞在受到环境温度升高或其他应急条件刺激时，可暂时停止大多数基因的转录和翻译，而启动一套热休克蛋白,(HSP),基因转录，以提高细胞生存能力。,热休克时，,HSP,的转录可在几秒钟内由极低水平提高到最高水平。,（,二）热休克蛋白的转录终止调节,六、转录后水平调节,（,一）,hnRNA,加工成熟的调节,mRNA,前体,hnRNA,在核内进行加工修饰的过程包括：加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等过程，其中剪接和编辑对某些基因的调节有一定作用。,（二）,mRNA,运输、胞浆内稳定性的调节,mRNA,的加工、运输及停留直至降解都是通过与蛋白质结合形成核糖体复合物形式而进行的。其运输及在胞浆内的稳定性与某些蛋白质成分有关。通过调节某些,RNA,的稳定性，可一定程度的控制相应蛋白质的合成量。,七、翻译水平以及翻译后阶段调节,（了解）,蛋白质合成速率的快慢变化，很大程度取决于起,始水平，通过磷酸化调节起始因子活性，对起始阶段,有重要的控制作用。,（一）翻译起始因子活性主要通过磷酸化调节,ATP,eIF,2,ADP,eIF,2,-P,（失活）,Pi,磷酸酶,蛋白激酶,转录起始受阻,例如,RNA,结合蛋白（,RBP,）是指那些能与,RNA,特异序列结合的蛋白质，基因表达的许多调节环节如：转录终止、,RNA,剪接、转运、胞浆内稳定性控制、翻译起始等 ，都有,RNA,结合蛋白参与调节。,（二）,RNA,结合蛋白参与了对翻译的调节,（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，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。,本章重点掌握的内容,:,1.,名词：管家基因,(housekeeping gene),、操纵子,(operon),顺式作用元件,(cis-acting element),、反式作用因子,(trans-acting fctors),、启动子,(promoter),、增强子,(enhancer),、,Pribnow box,2.,问题：,(1),基因表达的特异性的类型。,(2),基因激活调节的基本要素。（标题）,(3),原核基因转录调节的特点。（标题）,(4),乳糖操纵子的结构及调节机制。（详细）,(5),真核基因表达调控的特点。（大小标题）,(6),真核基因顺式作用元件的功能组件及其作用。,