基因表达调控

,主要内容：,一、基因表达调控基本概念与原理,二、原核基因转录调节,三、真核基因转录调节,目的要求：,1、掌握基因表达调控基本概念与原理,2、熟悉原核基因转录调节,3、了解真核基因转录调节,前言,1 介绍：基因表达的概念,1.1基因（gene),编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所需的全部核苷酸序列（通常DNA,也有RNA),是一个功能性的遗传单位，也是突变或重组单位,1.2 基因组(genome),细胞或生物体内一整套的遗传物质。,2、原核基因的结构特征,原核基因组常以操纵子（operon）的形式作为表达和调控的基本单元，它包括功能上彼此相关的结构基因和调控部位，受调节基因产物的调节，转录产物为单个多顺反子。,大肠杆菌乳糖操纵子结构,lacI,lacY,P,lacO,lacZ,lacA,启动子,阻遏蛋白基因,结构基因,操纵基因,操纵子：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）。,大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所分隔，以不连续的方式排列在DNA上，因此这类基因也叫,断裂基因（split gene）,。,隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列,称内含子（,intron）,，,在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列,叫外显子（,exon,）。,3、真核基因的结构特征,4.遗传信息的表达,各种生物基因中，绝大部分基因贮存的遗传信息都是蛋白质的一级结构信息，部分基因贮存的是tRNA、rRNA等RNA的一级结构信息。除少数RNA病毒可将遗传信息直接从RNA输出以外，大部分生物（包括逆转录病毒）的遗传信息都是从DNA分子中输出的。遗传信息的表达，就是贮存于DNA中的信息转变成具体的RNA分子或蛋白质分子。通过这些生物大分子的功能活动使生物体表现出各种各样的生理功能及千差万别的生物性状。,DNA可以作为模板直接指导RNA分子的生物合成，这一过程称为,转录,。DNA不能作为直接模板将其携带的信息转移到蛋白质分子中，需要先通过转录过程将遗传信息传递到RNA分子中，再通过翻译过程将RNA分子上的核苷酸序列信息转变为蛋白质分子中的氨基酸序列。对于编码蛋白质的基因来说，其遗传信息的表达包括,转录和翻译,两个阶段。,5 转录模板,DNA,分子上转录出,RNA,的区段，称为结构基因,(structural gene),。,DNA,双链中按碱基配对规律能指引转录生成,RNA,的一股单链，称为模板链,(template strand),，也称作有意义链或,Watson,链。相对的另一股单链是编码链,(coding strand),，也称为反义链或,Crick,链。,5,GCAGTACATGTC,3,3, c g t g a t g t a c a g,5,5,GCAGUACAUGUC,3,N,Ala,Val,His,Val,C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,5,3,3,5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,转录方向,转录方向,不对称转录,(asymmetric transcription),在,DNA,分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录 ；,模板链并非永远在同一条单链上。,mRNA,是遗传信息的携带者,遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子,(,cistron,),。,原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的,mRNA,可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子,(,polycistron,),。,真核,mRNA,只编码一种蛋白质，为单顺反子,(single,cistron,),。,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,非编码序列,核蛋白体结合位点,起始密码子,终止密码子,编码序列,PPP,5,3,蛋白质,PPP,m,G -,5,3,蛋白质,6 小 结,（,中心法则）,复 制,DNA,DNA,RNA,Prion,转录,逆转录,翻译,?,?,改 变,构象,复制,RNA,罗忠礼,Chongqing Medical University,Chongqing,China,2012-Mar-01,Zhongli Luo,第二章,基因表达调控,Regulation of Gene Expression,第 一 节基本概念与原理,（一）基因表达（Gene Expression）,基因携带的遗传信息，经过一系列的生化反应，最终产生具有生物学功能的产物的过程, 也就是基因的转录和翻译过程Process of transcription and translation （产物可以是蛋白质、tRNA、rRNA） 。,DNA,转录,mRNA,翻译,蛋白质,（二）顺式作用元件是调节转录的DNA片段,启动子（,Promoter,）,位于转录起始单位点上游并为,RNA,聚合酶识别、结合和启动赚率的,DNA,序列。,1.1,原核启动子（,promoter,）,启动子是基因,5,端上游的一段启动基因转录的核苷酸序列，是,RNA,pol,和其他转录因子结合的部位。,原核基因的启动子定位在转录起始位点（,initiation site,，,IS,）上游,5-10bp,处，由,-35,区和,-10,区组成，从启动子到终止子（,terminator,）为一个转录单位。,-10,区的碱基序列较保守，由,T,和,A,组成，大肠杆菌的,-10,区为,TATAAT,，故称,TATA box,或,Pribnow,-now,。,-35,区的碱基序列以,TTG,最为保守，肠杆菌的,-35,区为,TTGACA,，,因子识别并结合,-35,区，,RNA,聚合酶的特异性由,因子决定，而启动子的强弱则由,-35,区和,因子的特异性和亲和力,决定。,从,IS,到,-10,区之间的,5-10bp,间隔称,5 -leader,序列。,大肠杆菌基因启动子图示,-35,-10,IS,5-leader,+1,上游,下游,5,启动子,1.2、真核生物的启动子,真核基因的,型启动子,（promoter）,真核基因的TATA为,，,并且距离较远。,没有-区。,在上游还有、和（八聚体）等结构，并与盒一起组成,型基因的启动子,。必须明确，并不是所有的,型基因都具备这种调控元件，有的基因就没有盒（如的早期基因）。,由于,型启动子无-35区，也没有,因子，因此，RNA pol,与,启动子的结 合至少与4种转录因子（,TF,AD,）有关。,1.3 哺乳类RNA聚合酶启动子中的元件序列,元件名称,共同序列,结合的蛋白因子,名 称,分子量,结合DNA长度,TATAbox,TATAAAA,TBP,30,000,10bp,GC box,GGGCGG,SP-1,105,000,20bp,CAAT box,GGCCAATCT,CTF/NF1,60,000,22bp,Octamer,ATTTGCAT,Oct-1,76,000,10bp,Oct-2,53,000,20bp,kB,GGGACTTTCC,NFkB,44,000,10bp,ATF,GTGACGT,AFT,?,20bp,1.4 启动子中的元件的分类,可以分为两种：,核心启动子元件,(core promoter element)指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括转录起始点及其上游25/30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。,上游启动子元件,(upstream promoter element)包括通常位于70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件，其位置也不相同，这使得不同的基因表达分别有不同的调控。,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。,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。,4. 转录终止子,(Terminator of transcription),5. 其他,三、基因表达调控的基本,的规律,（一）、基因表达具有时间性及空间性,1. 时间特异性,Temporal specificity,or 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。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。,2.,空间特异性,Spatial specificity,or cell specificity,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，又称细胞特异性或组织特异性。,（二）、基因表达的方式,1. 组成性表达,管家基因,housekeeping gene,有些基因在生命全过程都是必需的，如果缺少、细胞不能正常生存，这类基因被称为管家基因。,组成性基因表达,constitutive gene expression,管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达,。,2. 适应性表达（Adaptive expression）,诱导表达,induction,有些基因在特定环境信号刺激下， 表达增强，称为诱导表达。,阻遏表达,repression,另有一些基因在特定环境信号刺激下，表达水平下降， 称为阻遏表达,。,3.协调表达,在一定机制控制下，使功能相关联的一组基因协调一致、共同表达，称此为协调表达,(coordinate expression),。,这种调节称为协调调节(coordinate regulation),1 反式作用因子,类别,（后面讲）,概念：凡直接或者间接与顺式元件相互作用并影响基因表达的蛋白质,类别,A 普通转录因子,（三）、基因表达调控的分子基础是DNA/蛋白质的相互作用,B 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,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,锌指(zinc finger),-螺旋,其他,四、基因表达调控的生物学意义,1） 使细胞能适应环境变化，以维持其增殖、分化,2） 促进个体生长、发育,原核生物和真核生物在基因表达调控的细节上尽管差异很大，但两者的调控模式却具有惊人的相似性和可比性，除此之外，原核生物和真核生物的基因表达调控元件也具有统一性。然而，不管是原核生物还是真核生物，,转录环节是最主要的调控位点,。基因调控元件按其属性可分为核酸和蛋白质两大类，所有基因表达调控模式的,实质无非是,两者之间的相互作用，包括核酸分子内或分子间的相互作用、,核酸分子与蛋白分子之间的相互作用,以及蛋白分子内或分子间的相互作用。其中第二种作用尤为重要。,第二节原核生物基因表达的调控,一、转录水平的调控,（一）影响转录的因素,二、翻译水平的调控,（二）转录的调控机制,（一）SD序列对翻译的影响,（二）mRNA的稳定性,（三）翻译产物对翻译的调控,（四）小分子RNA的调控作用,介绍：,原核生物mRNA结构的特点：,（1）原核生物mRNA往往是,多顺反子,的，即每分子mRNA,带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。,在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核,糖体识别、结合部位。在,5端,和,3端,也有非编码区。,（2） mRNA,5端,无帽子结构,， 3,端,一般,无多聚A尾巴,。,（3） mRNA一般,没有修饰碱基,，即这类mRNA的分子链,完全不被修饰。,原核生物基因多以操纵子（,operon,）的形式存在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同,RNA,聚合酶结合并启动转录的特异性,DNA,序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。,原核生物基因表达调控的环节，主要在转录水平，其次是翻译水平。,一、转录水平的调控,1、启动子,2、因子,3、阻遏蛋白,4、正调控蛋白,5、倒位蛋白（,inversion protein,）,（一）影响转录的因素,6、,RNA,聚合酶抑制物,7、衰减子,不讲,（,1,）启动子决定转录方向及模板链,1、启动子,基因转录时，,因子识别并结合-35区，而RNA聚合酶结合于-10区，全酶结合DNA后覆盖的区域是-40+20。开始合成RNA后，RNA聚合酶是沿着信息链的,5 3方向移动，只能以信息链的互补链为模板合成RNA。,5,TAGTGA,TTGAC,ATGATAGAAGCACTCTAC,TATATT,CTCAAT,A,GG,T,CCACG3,-35,-10,+1,3,ATCACTAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC5,A,GG,U,CCACG,RNA,3,转 录,5,RNA聚合酶,因子,+1，不是从起始密码子AUG开始。,（,2,）启动子决定转录效率,在,E,.,coli,启动子中，在-35和-10的两个序列称为一致性序列（consensus sequences）。两个序列中各碱基的出现频率为：,-35：T,82,G,78,A,65,C,54,A,95,；-10：T,80,A,95,T,45,A,60,T,96,。,一般说来，强启动子的序列与上述序列最接近，弱启动子（基因表达较少量的mRNA）则与上述序列相差较大,，这种调控作用与因子的作用有关。识别,E,.,coli,启动子中一致性序列的因子主要是70亚单位。启动子序列与上述序列越接近，70与之结合的能力越强。,因子与,RNA,聚合酶紧密结合,，转录启动后，大约合成至,8,个核苷酸时，因子解离，,游离的因子本身并不直接结合特定的,DNA,。,不同的因子可以竞争结合,RNA,聚合酶。环境变化可诱导产生特定的因子，从而打开一套特定的基因。,2、因子,Note：,因子是一种非专一性蛋白，作为所有RNA聚合酶的辅助因子起作用。 因子是 DNA依赖的RNA聚合酶的固有组分，它识别启动子共有序列且与全酶结合。因子通常与 DNA结合，且沿着 DNA搜寻，直到在启动子碰到核心酶。它与DNA的结合不需依靠核心酶。,阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生,负调控作用,的蛋白质。阻遏蛋白,在一定的条件下与,DNA,结合,。在,E,.,coli,中，主要有诱导（,induction,）和阻遏（,repression,）两种类型。在这两种类型中，阻遏蛋白都可以与特定的信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与,DNA,结合，或者与,DNA,解离。,3、阻遏蛋白（,repressor,）,与负调控相反，当调控蛋白结合于特异,DNA,序列后促进基因的转录，这种基因表达调控的方式称为,正调控,。,E,.,coli,中的一些弱启动子，本身结合,RNA,聚合酶的作用很弱,对于这些启动子来说,正调控作用是很重要的,CAP,蛋白,（分解代谢物基因活化蛋白,catabolite gene activator protein）：这种蛋白可将葡萄糖饥饿信号传递给许多操纵子，使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可以利用其他碳源。CAP结合DNA由cAMP控制。,4、正调控蛋白,乳糖操纵子调控的机制,（二）转录的调控机制,在含有葡萄糖和半乳糖的培养基中，,E.coli,和某些肠道菌优先利用葡萄糖生长，当葡萄糖耗尽后，细菌暂时停止生长，开始合成与半乳糖利用有关的酶，然后细胞又恢复生长，这就是,细胞二度生长现象,。这种分解代谢产物阻遏有时也称为,葡萄糖效应,。,在葡萄糖不存在、乳糖存在时，CAP发挥正调控作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。其他几种情况，基因都处于关闭状态。,葡萄糖,cAMP,cAMP,cAMP,CAP,CAP,DNA,乳糖代谢 操纵子,cAMP,CAP,转录,CAPDNA,二、乳糖操纵子调节机制,（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,I,P,O,Z,Y,A,调控基因 控制位点 结构基因,DNA,阻遏蛋白,启动序列,cAMP-CAP结合位点,操纵序列,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,乳糖操纵子（lactose opron） 结构,RNA聚合酶,结合位点,（67,59）,（7,28,）,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,（二）阻遏蛋白的负性调节,阻遏基因,在没有乳糖存在时，Lac操纵子处于阻遏 状态。阻遏蛋白与O序列结合，阻遏RNA 聚合酶与P序列结合，抑制转录起动。,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,当乳糖存在时，Lac操纵子即可被诱导。乳糖，半乳糖（诱导剂）与结合阻遏蛋白，使阻遏蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与O序列解离，发生转录。,（三）,CAP的正性调节。,CAP（也称CRP、CGP)是同二聚体，在其分子内有DNA结合区及cAMP结合位点。,s,CAP是同二聚体,当,没有,葡萄糖存在时cAMP，cAMP与CAP结合，CAP结合在lac启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA聚合酶活性，表达 。,当,有,葡萄糖存在时，cAMP、cAMP与CAP结合受阻，lac操纵子表达。,（四）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),。,CAP,High glucose,Low cAMP,Low lactose,P,O,z,y,a,DNA,promoter,operator,repressor,CAP site,No transcription,Low glucose,High cAMP,Low lactose,P,O,z,y,a,DNA,repressor,No transcription,cAMP,P,O,z,y,a,DNA,promoter,operator,repressor,CAP site,No transcription,CAP,High glucose Low cAMP,High lactose,P,O,z,y,a,DNA,Transcription,Low level transcription：polymerase does not bind promoter efficiently.,Maximal level of transcription:CAP enhances polymerase binding.,Low glucose,High cAMP,High lactose,P,O,z,y,a,DNA,cAMP,Transcription,RNA polymerase,z,y,a,z,y,a,z,y,a,z,y,a,z,y,a,CAP,乳糖操纵子的实际应用,lacZ,基因作为转录和翻译融合体中的报告基因得到广泛应用，从细菌到果蝇甚至人类细胞。该基因的产物,-半乳糖苷酶可以将X-gal分解产生显示出蓝色的反应,，利用这一特性可在基因克隆中进行蓝白菌落筛选。含有,重组DNA的菌落为无色,，而含,非重组DNA的菌落为蓝色。,1、SD序列（SD sequence）的顺序及位置对翻译的影响,SD序列，在mRNA的翻译起始信号（AUG）前的核糖体结合部位，它是与核糖体16S rRNA 3末端序列互补的核苷酸序列。一般与核糖体结合强的SD序列翻译效率较高。,不同的SD序列有一定的差异，因而翻译起始效率不一样。SD序列与起始密码子之间的距离，也是影响mRNA翻译效率的重要因素之一。另外，某些蛋白质与SD序列的结合也会影响mRNA与核糖体的结合，从而影响蛋白质的翻译。,二、翻译水平的调控,（一）SD序列对翻译的影响,2、,mRNA,二级结构隐蔽SD序列的作用,在某些mRNA分子中，核糖,体结合位点在一个二级结构（茎环）中，使核糖体无法结合，,只有打破茎环结构，核糖体才能结合。,细菌mRNA通常是不稳定的,。,mRNA的降解速度是翻译调控,的另一个重要机制。蛋白质合成速率的快速改变，不仅是因为mRNA不断合成以及mRNA合成与蛋白质翻译偶联，更重要的是，许多细菌mRNA降解很快。,E,.,coli,的许多mRNA在37,0,C时的平均寿命大约为2min，很快被酶解。,（二）mRNA的稳定性,细菌的生理状态和环境因素都会影响mRNA的降解速度,。另外，,mRNA的一级结构和次级结构对mRNA的稳定性也有很大的影响，,一般在其5端和3端的发夹结构可保护其不被外切酶迅速水解。mRNA的5端与核糖体结合，可明显提高其稳定性。,不同操纵子转录出的mRNA分子的平均寿命是不同的,，有些mRNA编码的蛋白质是持续存在的,mRNA也较稳定.如:RNase识别一种特殊的发夹结构，将其裂解，使RNA能够被其它RNA酶降解。而这种发夹结构可能是其它RNA酶所不能破坏的。如果这种发夹结构被保护，mRNA的寿命就延长了。,有些mRNA编码的蛋白质，本身就在蛋白质翻译过程中发挥作用的因子。这些因子可对自身的翻译产生调控作用。,1、核糖体蛋白,在细菌中，每个核糖体含有约50种不同的蛋白质，必须以同样的速率合成，而且，合成这些蛋白质的速率是与细胞增殖相适应的。生长条件的改变，可以导致所有核糖体组分的迅速增加或降低，翻译水平调控在这些协调控制中起着关键作用。,（三）翻译产物对翻译的调控,1、调整基因表达产物的类型,2、低水平表达基因的控制,（四）小分子RNA的调控作用,主要有两种类型：,自我挑战设计：,学习了,乳糖操纵子，那么您使用它来挑战什么医学问题呢？,帮助网站：,.,能否,第三节 真核生物基因表达的调控,真核生物比原核生物基因表达的调控复杂得多。单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同，主要通过及时调整酶系统基因的表达来适应环境变化。而多细胞真核生物的机体只有少数基因的表达调控与外界环境变化直接有关，绝大多数的基因表达与生物体的发育、分化等生命现象密切相连。真核细胞是有核的细胞，其转录主要在核内，翻译则在细胞质中有规律地进行，而翻译产物的分布、定位及功能活性调节也都是可控制的环节。,真核生物基因表达的调控可以发生DNA水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平。,真核生物基因表达在不同水平上进行调节,介绍,1 ：,真核基因组结构特点,（一）,真核基因组结构的庞大，大多为非编码区,（二）,形成染色体结构，数目一定，二倍体,（三）单顺反子：,一个基因只编码一条多肽。,（四）重复序列,（五）断裂基因（不连续性）:内含子与外显子,有三种，分工不同，结构复杂，调节的因子较多。,2、,真核基因表达调控特点,转录起始仍是最基本环节。,（一）,RNA聚合酶,（二）,基因激,活与染色体结构变化,（三）,正性调节占主导,（四）转录与翻译分隔进行,（五）,转录后修饰、加工,（六）瞬时调控（可逆）和发育调控（不可逆）,1、,对核酸酶敏感,2、,DNA拓扑结构的变化,3、,DNA碱基修饰变化,4、组蛋白变化,原因有二：,1、采用正性调,节机制更有效,2、采用负性调,节不经济,真核细胞有,细胞核及胞浆等,区间分布，转录,与翻译在不同亚,细胞结构中进行。,3、真核生物mRNA结构的特点：,（1）,5,末端有帽子结构。,（2） 3,端绝大多数均带有多聚腺苷酸尾巴，其长度,为2030个腺苷酸。,（3）分子中可能有修饰碱基，主要有甲基化。,（4）分子中有编码区与非编码区。,一、DNA水平的调控,二、转录水平的调控,三、转录后水平的调控,四、翻译水平的调控,五、翻译后水平的调控,六、组织特异性表达和时相性,本节 学习的主要内容,真核生物基因表达在DNA水平的调控主要通过一列几种方式：,1、染色质的丢失,一些低等生物（如线虫等）的细胞发育过程中发现染色质丢失现象及高等动物红细胞在发育成熟过程中也有染色质的丢失，都是一些不可逆的调控。,2、基因扩增（gene amplification）,细胞在发育分化或环境改变时，对某种基因产物的需要量剧增，而单纯靠调节其表达活性不足以满足需要，只有增加这种基因的拷贝数（即基因的扩增或基因放大）来满足需要。这是调控基因表达活性的一种有效方式。,非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增4000倍，达1012个核糖体。,一、DNA水平的调控,3、基因重排（gene rearrangement）,基因重排是指基因片段改变原来存在顺序，通过调整有关基因片段的衔接顺序，再重排成为一个完整的转录单位。基因重排是DNA水平调控的重要方式之一。,如免疫球蛋白基因重排，多样性,4、DNA甲基化(DNA methylation)：,甲基化(methylated)程度高，基因表达降低；,去甲基化(undermethylated)：基因表达增加,5、染色质结构对基因表达的调控作用,组蛋白与DNA结合，可保护DNA免受损伤，维持基因组稳定性，抑制基因的表达。去除组蛋白则基因转录活性增高。这种组蛋白与DNA结合与解离是真核基因表达调控的重要机制之一。,转录水平的调控是真核生物基因表达调控中重要的环节。调控作用主要是通过反式作用因子、顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来完成的。调控作用主要是反式作用因子结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成。了解真核生物基因表达在转录水平的调控，主要是了解反式作用因子的特点以及反式作用因子对转录起始的调控。,二、转录水平的调控,顺式作用元件,：,指那些与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的DNA序列。包括：启动子、上游启动子元件、增强子、终止子、沉默子、隔离子、加尾信号和一些反应元件等。,增强子,是一种能够提高转录效率的顺式调控元件，最早是在SV40病毒中发现的长约200bp的一段DNA，可使旁侧的基因转录提高100倍，其后在多种真核生物，甚至在原核生物中都发现了增强子。增强子通常占100200bp长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为812bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。,增强子的作用有以下特点,增强子提高同一条DNA链上基因转录效率,，,可以远距离作用，通常可距离14kb、个别情况下离开所调控的基因30kb仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。,增强子作用与其序列的正反方向无关,，将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒就不能起作用，可见增强子与启动子是很不相同的。,增强子要有启动子才能发挥作用,，没有启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。例如当含有增强子的病毒基因组整合入宿主细胞基因组时，能够增强整合区附近宿主某些基因的转录；当增强子随某些染色体段落移位时，也能提高移到的新位置周围基因的转录。使某些癌基因转录表达增强，可能是肿瘤发生的因素之一。,增强子的作用机理虽然还不明确,，但与其他顺式调控元件一样，,必须与特定的蛋白质因子结合,后才能发挥增强转录的作用。增强子一般具有组织或细胞特异性，许多增强子只在某些细胞或组织中表现活性，是由这些细胞或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定的。,沉默子（silencer）,：与增强子作用相反，能抑制上游或下游基因转录的DNA序列。,隔离子（insulators）,：真核基因组内能限定独立转录活性结构域的DNA元件。,无论是原核生物还是真核生物，在转录起始复合物形成过程中，RNA聚合酶（RNA pol）与启动子的结合都是关键的一步。,真核生物的RNA pol 、，识别不同的启动子，需要不同的转录因子（transcription factor, TF）：TF、TF、TF。每一类又依发现先后命名为A、B，如TFA、TFB等。,真核生物的转录起始复合物的形成过程有三步：TFD结合TATA盒；RNA pol识别并结合TFD-DNA复合物，形成的是闭合的复合物，DNA双链没有打开，尚不能启动转录；其它转录因子与RNA pol结合，转录起始部位的DNA解链，形成转录起始复合物，或称开放的复合物（open complex），开始转录。,在转录调控过程中，反式作用因子的作用主要是促进或抑制TFD与TATA盒结合、RNA pol与TFD-DNA复合物结合以及转录起始复合物的形成。,（一）转录起始复合物的形成,1、反式作用因子（trans-acting factor）,真核细胞内含有大量的序列特异性的DNA结合蛋白，其中一些蛋白的主要功能是使基因开放或关闭，称为反式作用因子，简称反式因子,，这是一类细胞核内蛋白因子。在结构上含有与DNA结合的结构域，是结合特异的DNA序列所必需的。,反式作用因子在细胞中的数量很小，大约每3000个核小体中有一个分子，或每个哺乳类细胞中有10,4,个左右。这些蛋白质识别特定的DNA序列（通常815个核苷酸），与DNA结合后，可以促进（正调控）或抑制（负调控）一个邻近基因的转录。在多细胞有机体中，不同的细胞类型具有不同的反式作用因子群体，引起每一细胞类型表达不同的成套基因。,（二）反式作用因子,一般具有三个功能结构域：DNA识别结合域，转录活性,域，结合其它蛋白的结合域。这些功能区含有几十到几,百个氨基酸残基。,能识别并结合上游调控区中的顺式作用元件。,对基因表达有正性和负性调控作用，即激活和阻遏基因,的表达。具有正性调节作用的反式因子和相应的顺式元,件结合后，可能还要通过与RNA聚合酶或其它反式因子,与相应的顺式元件结合后才能产生效应。,2、,反式作用因子的主要特点,3、反式作用因子结构域的模式,（1）DNA结合域（DNA-binding domain）,锌指结构（zinc finger motif）,指在结合DNA的结构域中含有较多的半胱氨酸和组氨酸的区域，借肽链的弯曲使2个Cys和2个His或4个Cys与一个锌离子络合成的指状结构。,同源结构域（homodomain, HD）,指在结合DNA的结构域中的一段保守序列，由60个左右氨基酸组成的螺旋-回折-螺旋结构。,亮氨酸拉链结构,在结合DNA结构域中有一段约由30个氨基酸组成的核心序列，可形成两性-螺旋。在螺旋的一侧以带电荷的氨基酸残基为主，具有亲水性，另一侧是排列成行的亮氨酸，具有疏水性，称为亮氨酸拉链区。两个具有亮氨酸拉链区的反式作用因子以疏水力作用形成亮氨酸拉链。,螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix, HLH）结构,100 200个氨基酸的肽段，具有两个能形成两性-螺旋的区域。,螺旋-环-螺旋,螺旋-转角-螺旋,（2）转录活化结构域（transcriptional activation domain）,富含谷氨酰胺结构域（glatamine-rich domain）,碱性-螺旋（alkaline -helix）,指DNA结合域具有-螺旋结构，并含有高密度的碱性氨基酸，无锌指结构、同源结构域及亮氨酸拉链结构。,酸性-螺旋结构域（acidic -helix domain）,含有较多的负电荷，能形成亲脂性-螺旋。,富含脯氨酸结构域（proline-rich domain）,1、反式作用因子的活性调节,（三）转录起始的调控,2、反式作用因子与顺式元件的结合,3、反式作用因子的作用方式,4、反式作用因子的组合式调控作用,表达式调节、共价修饰、配体结合、蛋白质间作用,识别并结合上游启动子元件和增强子中的保守序列,成环、扭曲、滑动、Oozing,几种因子共同对基因的表达发挥调控作用,mRNA通过外显子选择、内含子选择、互斥外显子、内部剪接位点等选择剪接方式，对前体mRNA进行剪接，即一个外显子或内含子在成熟的mRNA中是可以选择的。,选择剪接对基因的调控作用有两个方面：（1）Bax基因转录产物的选择剪接：Bax基因的编码产物是与细胞凋亡有关的分子。（2）选择剪接产生IB（一种调控蛋白）。,三、转录后水平的调控,（一）5端加帽和3端多聚腺苷酸化的调控意义,加帽（5端的帽子结构）和poly（A）尾不是mRNA稳定的唯一因素，但是十分重要的因素。至少以保证mRNA在转录过程中不被降解。,（二）mRNA的选择剪接对基因表达的调控作用,（三）mRNA的运输是受到控制的。,成熟的mRNA并不是全部进入细胞质。,RNA编辑（RNA editing）,：,定义：转录前体加工使个别核苷酸变换（插入或缺失），导致RNA序列与基因原编码的遗传信息不同，此过程称为RNA编辑。,意义：纠正某些移码突变；构建或删除起始密码子、终止密码子；增减核苷酸扩充遗传信息。,四、翻译水平的调控,（一）翻译起始的调控,1、阻遏蛋白的调控作用,2、翻译起始因子的功能调控,3、5AUG对翻译的调控作用,4、mRNA 5端非编码区长度对翻译的影响,（二）mRNA稳定性调节,（三）小分子RNA对翻译水平的影响,（一）新生肽链的水解,新合成的蛋白质的半衰的长短，也是决定蛋白质总的生物学功能强弱、持续时间长短的重要影响因素。因此，对新生肽链的水解，也是基因表达调控的一个重要环节。,（二）肽链中氨基酸的共价修饰,蛋白质的翻译后修饰中，一些可逆的共价修饰对调节蛋白的活性有重要作用。如可逆的磷酸化、甲基化、酰基化等。,（三）通过信号肽分拣、运输、定位,五、翻译后水平的调控,蛋白质内含子：,同mRNA一样，一些前体蛋白质具有内含子(intein)序列，位于多肽序列的中间，经加工切除后，两端的蛋白质外显子 (extein)连接为成熟蛋白质分子。,在多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按照一定时间顺序开启或关闭，这就是基因表达的时间特异性。,在个体生长全过程中，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性。,六、组织特异性表达和时相性,基本概念与原理,真核基因转录调节,原核基因转录调节,总结,基因表达的规律,基因表达的方式,组成性表达,适应性表达,生物学意义,基本要素,时间性,空间性,DNA序列,调节蛋白,RNA聚合酶,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,转录衰减,顺式作用元件,反式作用因子,复习思考题,1.什么是基因表达?试述基因表达变化的特,点及其调控对生物体的重要性。,2.举实际例子说明操纵元的组成元件及其作用，,并分析可阻遏的操纵元和可诱导的操纵元的调,控方式。,3.比较真核和原核生物的基因表达和基因表达调,控相似和不同之处。,Thank you,