第13章基因表达调控

,*,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,第十三章,基因表达调控,Regulation of Gene Expression,主要内容,基因表达调控的基本概念,基因表达调控的基本原理,原核基因表达调节,真核基因表达调节,第一节基因表达调控的基本概念,Basic Conceptions of Gene Expression Regulation,一、基因表达是指基因转录及翻译的过程,基因组,(genome),来自一个生物体的一整套遗传物质。,基因,(gene),基因是负载特定遗传信息的,DNA,片段，可以编码单个具有生物功能的产物，包括,RNA,和多肽链，其结构包括由,DNA,编码序列、非编码调节序列和内含子组成的,DNA,区域。,基因表达是受调控的。,基因表达,(gene expression),是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。,二、基因表达具有时间特异性和空间特异性,（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),。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称,阶段特异性,(stage specificity),。,（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，称之为基因表达的,空间特异性,(spatial specificity),。,三、基因表达的方式及调节存在很大差异,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,基本（或组成性）表达,诱导或阻遏表达,（一）基本（或组成性）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，这类基因表达被视为,组成性基因表达,(constitutive gene expression),。,（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏,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,(inducible gene),。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,(repressible gene),。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,Seven processes,that affect the steady-state concentration,of a protein,.,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,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,，以及细胞内所存在的,转录调节蛋白,有关。,（一）特异,DNA,序列决定基因的转录活性,（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性,原核生物,操纵子,(operon),机制,蛋白质因子,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。,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,图,13-1,五种,E.coli,启动序列的共有序列,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。,启动序列,编码序列,操纵序列,pol,阻遏蛋白,3,、,其他调节序列、调节蛋白,例如：,激活蛋白,(activator),可结合启动序列,上游,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。,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。,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,不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如,TATA,盒,、,CAAT,盒,、,GC,盒,等，这些共有序列是,RNA,聚合酶或转录因子的结合位点。,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。这种调节作用称为,反式作用,。,反式作用因子,(trans-acting factor),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,指的是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。,绝大多数调节蛋白质结合,DNA,前，需通过蛋白质,-,蛋白质相互作用，形成,二聚体,(dimer),或,多聚体,(polymer),。,（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,（四）,RNA,聚合酶与基因的启动序列,/,启动子相结合,1,、原核启动序列,/,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 Gene Expression in Prokaryote,调节的主要环节在,转录起始,。,一、原核基因转录调节特点,（,一,）,因子决定,RNA,聚合酶识别特异性,在转录起始阶段，,因子识别特异启动序列；不同的,因子决定特异基因的转录激活，决定,mRNA,、,rRNA,和,tRNA,基因的转录。,（二）操纵子模型的普遍性,原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位操纵子（,operon,）。一个操纵子只含一个启动序列（,promoter,）及数个可转录的编码基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子,mRNA,。原核基因的,协调表达,就是通过调控单个启动序列的活性来完成的。,（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节,原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。,当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。,二、操纵子调控模式在原核基因转录起始的调节中具有普遍性,（,一,）,乳糖操纵子,(lac operon),的结构,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,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,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,图,13-4,lac,操纵子与阻遏蛋白的负性调节,+ + + +,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,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。葡萄糖对,lac,操纵子的阻遏作用称,分解代谢阻遏,(catabolic repression),。,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,第四节 真核基因表达调节,Regulation of Gene Expression in Eukaryote,一、真核基因组具有独特的结构特点,（,一）真核基因组结构庞大,哺乳类动物基因组,DNA,约,310,9,碱基对。,人编码基因,约,4,万个，编码序列仅占总长的,1%,。,rDNA,等重复基因,约占,5%10%,。,（,二）真核基因转录产物为单顺反子,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）真核基因组含有大量的重复序列,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,真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含子（,intron,）、外显子（,exon,）之分，因此真核基因是不连续的。,（,四）真核基因中存在非编码序列和间隔区，故：具有不连续性,二、真核基因表达调控更为复杂,（,一）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。,（,二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化,对核酸酶敏感,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,活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。,DNA,碱基的甲基化修饰变化,真核,DNA,约有,5%,的胞嘧啶被甲基化，,甲基化范围与基因表达程度呈反比。,组蛋白变化,富含,Lys,组蛋白水平降低,H2AH2B,二聚体不稳定性增加,组蛋白,H3,、,H4,发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰,（,三,）在真核基因表达调控中以正性调节占主导,采用正性调节机制更精确,：一个负性调节元件的结合足可阻断,RNA,聚合酶的结合，因此同时采用几个负性调节元件一般不会改变特异性；相反，如果采用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。,采用负性调节不经济,：在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。,（,四,）在真核细胞中转录与翻译分隔进行,（,五）转录后修饰、加工更为复杂,真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同细胞部位进行，转录在细胞核，翻译在细胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。,（,一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性,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,。,TATA,盒,GC,盒,CAAT,盒,三、,RNA Pol II,转录起始的调节非常复杂,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,图,13-7,真核基因启动子的典型结构,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。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。,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）反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白,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,(m,RNA,、,tRNA,及,rRNA),转录的类别。,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,转录调节因子结构,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,最常见的,DNA,结合域：,锌指,(zinc finger),C Cys,H His,常结合,GC,盒,Zn,Cys,His,图,13-8,锌指结构,a-,螺旋,常结合,CAAT,盒,碱性螺旋,-,环,-,螺旋,碱性亮氨酸拉链,（三,）,mRNA转录激活需要转录起始复合物的形成,真核,RNA,聚合酶,在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。,Pol,TFH,TAF,TFF,TAF,TAF,TFA,TFB,TBP,DNA,TATA,EBP,TBP,图,13-9,转录起始复合物的形成,POL-,TFF,A,B,由,RNA-Pol,催化转录的,PIC,POL-,TFF,H,E,TBP,TAF,TF,D-A-B-DNA,复合物,TATA,A,B,TBP,TAF,TATA,H,E,CTD-,P,PIC,组装完成后，,TF,H,使,CTD,磷酸化,Note,carboxyl-terminal domain (CTD),羧基末端结构域,Eukaryotic promoters and regulatory proteins.,Note,High mobility group (HMG) proteins (“high mobility” refers to their electrophoretic mobility in polyacrylamide gels) play an important structural role in,chromatin remodeling,and,transcriptional activation,.,真核基因转录调节是,复杂的,、,多样的,：,* 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。,思考题, 基因组、基因表达。, 原核基因转录调节的特点。, 可诱导可阻遏型操纵子。, 试述乳糖操纵子的组成成分及其功能。, 乳糖操纵子的负性调节正性调节协调调节。, 真核基因组结构特点。, 真核基因表达调控特点。, 顺式作用元件及其分类。, 反式作用因子及其分类。, 真核启动子与原核启动序列的比较。,End,基因表达调控,