基因表达调控Regulation&controlofGeneExpression戴五星同济医学院生物化学与分子生物学系第一节SectionⅠGeneralNarration概述一、基因表达的概念本节介绍4方面内容:三、基因表达的方式四、基因表达的多级调控二、基因表达的特性基因经过转录、翻译,产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。对某些基因而言,基因的表达只有转录的过程。*基因表达(geneexpresion)基因表达是受调控的一、基因表达的概念﹡基因表达调控(geneexpressionregulationandcontrol)指通过生物体内的调控系统来调节和控制体内蛋白质的含量与活性,使之在特定的时间、特定的空间、并以一定的强度出现,以适应机体生长、发育和繁殖的需要。二、基因表达的特性(一)时间特异性在单细胞生物,按功能需要,某一特定基因的表达随时间、环境而变化,严格按特定的时间顺序发生,这就是基因表达的时间特异性。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,相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭,表现与发育阶段一致的时间性。因此,在多细胞生物,基因表达的时间特异性又称阶段特异性。(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。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,这种按一定空间顺序出现的基因表达称空间特异性。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。(housekeepinggene)(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、相互配合、共同表达,即为协调表达(coordinateexpression)这种调节称为协调调节(coordinateregulation)(三)协调表达四、基因表达的多级调控基因激活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(一)DNA水平的调控包括基因扩增(拷贝数增多)、基因重排、基因结构的活化等。真核基因组DNA与组蛋白组成核小体,核小体串联为染色质,染色质再密集为染色体,RNApol分子量500kD,核小体分子量仅260kD,核小体绕在4对组蛋白所组成的八聚体核心外两周,DNA还要围绕核小体盘旋两周。DNA必须部分暴露才能使RNApol有效的结合,转录起始前基因必须进入活性状态才能起始转录。(二)转录水平的调控转录水平的调控是基因表达调控中最重要的环节,转录的起始是基本的控制点。转录起始调控在很多基因表达中普遍发生,这是因为:①在所有生物合成途径中,第一步反应通常是最有效的调节环节,控制反应途径的第一步反应通常可减少不必要的生物合成,节约原料,合理用能;②在功能方面相互依赖的数个蛋白质编码基因串联为复合基因(如Lac操纵子),此时通过转录起始阶段调节这些基因产物的表达是最有效的。(三)转录后水平的调控指转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、加工过程。包括转录提前终止、mRNA前体的加工、剪接、RNA编辑等。对大多数基因来说,基因转录水平的调控是最重要的。但对某些基因来说,转录后水平的调控在决定细胞的表型多样化和蛋白质结构与功能上也是十分关键的。如肌钙蛋白有20种同源蛋白,这种变异是由于转录后变位剪接造成的。(四)翻译水平的调控通过特异的蛋白质阻断某些mRNA翻译起始,是一种特异性调节。翻译的起始调控是翻译水平调控的主要阶段。(五)翻译后水平的调控蛋白质合成后,使其活化并发挥生物学功能的调节过程,多数蛋白质的肽链合成后,需经一定的加工和修饰,才能成为具有特定空间构象和生物学活性的蛋白质。加工包括肽链的折叠、二硫键配对,前体激活及肽链中一些残基侧链的修饰等,这些使蛋白质活化并发挥生物学功能的调节过程称为翻译后水平的调控。第二节原核基因表达调节RegulationofgeneexpressioninprokaryotesSectionⅡ一、转录水平的调控(一)影响原核基因转录的因素1、启动子启动子是DNA链上能与RNApol结合并能有效起始RNA转录的DNA序列。它是基因表达不可缺少的调控序列,没有启动子,基因就不能转录。⑴启动子决定转录的方向及模板链5′TTGACATATATTAGGTCCACG3′-35-10+13′AACTGTATATAATCCAGGTGC5′AGGUCCACG⑵启动子决定转录的效率RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAaraBADTTGACATATAAT共有序列是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。启动序列2、因子⑴因子控制RNApol与DNA结合因子的作用是确保RNApol与特异的启动子而不是与其他位点结合核心酶coreenzyme全酶holoenzyme⑵因子对转录起始的调节因子使得RNApol选择特定的启动区起始转录。一旦一种因子被另一种因子代替,即引起原来一套基因的关闭和新的一套基因转录的开始。如环境温度升高或其它应激变化引起32与核心酶结合,RNApol全酶结合Hsp基因的启动区,起始Hsp基因转录,而原先许多基因的转录关闭。3.正调控蛋白和阻遏蛋白操纵元件又称操纵基因,是阻遏蛋白识别与结合的一小段DNA序列。阻遏蛋白指一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白。它主要通过改变启动子的可获得性而控制基因转录。操纵元件与阻遏蛋白阻遏(repression):有活性的阻遏蛋白与操纵序列结合时,阻止RNApol与启动子结合而抑制转录的作用去阻遏(derepression):一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白失活,从DNA脱落下来的作用。辅阻遏:一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白活化,抑制转录。⑴诱导去阻遏如E.colilac,当阻遏蛋白与操纵序列结合时,则抑制转录。有乳糖或乳糖类似物(IPTG)存在时,阻遏蛋白与乳糖结合而变构,变构的阻遏蛋白不能与操纵序列结合,引起结构基因转录。⑵辅阻遏如E.coliTrp,无色氨酸时,阻遏蛋白不能与操纵序列结合,RNApol与启动子结合启动基因转录。有色氨酸时,阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后与操纵序列结合,阻止RNApol与启动子结合而抑制转录。正调控蛋白和正调控蛋白结合位点正调控蛋白:一类与DNA结合后,促进基因转录的调控蛋白。它主要通过改变启动子的起始效率而控制基因的转录。分解代谢基因激活蛋白(catabolitegeneactivatorprotein,CAP)CAP与CAP位点结合后,才能促使RNApol与启动子结合,启动基因转录,这样一个操纵子中的一组基因要转录必需具备两个条件才能转录。①阻遏蛋白与操纵基因解离②CAP与CAP结合位点结合乳糖操纵子的结构调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z:β-半乳糖苷酶Y:透酶A:乙酰基转移酶ZYAOPDNA大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白(nitrogenmetabolismgeneactivatorprotein,ntrC)ntrCntrCpntrB激酶ntrB磷酸酶当谷氨酰胺丰富时,ntrB以磷酸酶活性为主,当谷氨酰胺缺乏时,ntrB以激酶活性为主。谷氨酰胺合成酶基因启动子上游有两个ntrC结合位点,既可与磷酸化的ntrC结合,又可与去磷酸化的ntrC结合。去磷酸化的ntrC与位点结合后没有调控活性,磷酸化的ntrC与DNA结合位点结合后,通过DNA的柔曲性,回折到启动子处,直接与RNApol接触,提高RNApol的解链能力,形成开放性的起始复合物。4、倒位蛋白(inversionprotein)是一种位点特异性的重组酶。可使DNA的某一段序列发生倒位。倒位蛋白可使启动子的方向发生倒位,而控制基因转录。5、转录终止子与因子⑴转录终止子(teminater)①定义:指基因的3′末端或者操纵子的3′的一段具有终止转录功能的核苷酸序列。②分类:依赖因子的转录终止子不依赖因子的转录终止子③序列特征相同点:终止点之前有一段反向重复序列,两重复序列之间有间隔序列,终止子被转录出来的RNA可形成发夹结构。不同点:不依赖因子的转录终止子反向重复序列中有较多G-C碱基对,反向重复序列下游有6-8A-T碱基对;依赖因子的转录终止子反向重复序列中G-C含量较少,反向重复序列下游没有固定特征。不依赖因子(E.coli,Trp)终止子依赖因子(TR1)的终止子发夹结构的作用:阻碍RNA链从三元复合物进一步向外释放,造成转录作用高度搁置。回文序列下游A/U序列的作用:dA和rU之间氢键力和碱基堆积力很弱,造成RNA和DNA杂交部分很容易拆开,三元复合物解体,RNApol与RNA解离,转录终止。⑵因子因子具有两种活性:①促进转录终止;②具有NTP酶活性,后一种活性是实现前一种活性必不可少的。ATP6、衰减子(attenuator)是一个受翻译控制的转录终止子结构。是一段能减弱转录作用的序列。由于翻译作用的影响,衰减子下游的基因或者继续被转录,或者在衰减子处实现转录的终止。7、RNApol抑制物当ppGpp与RNApol结合时,即改变RNApol的构象,活性降低,而影响基因转录。(二)原核基因转录的调节机制Regulationmechanismoftranscriptioninprokaryoticgenes•原核结构基因转录调控机制受操纵子控制•TheOperonisthepopularregulationmechanisminregulationofprokaryoticgeneexpression.乳糖操纵子调控模式(一)乳糖操纵子(lacoperon)的结构调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z:β-半乳糖苷酶Y:透酶A:乙酰基转移酶ZYAOPDNARegulatorymechanismofLacoperonmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol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.阻遏蛋白负性调节(Negativeregulationofrepressor)WhenlactoseisabsentmRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶Whenlactoseispresentgalactosidaserepressorlactoseallolactose当G、Lac、Ara同时存在,细菌优先利用G。原因是G的代谢产物可抑制AC,激活PDE,使cAMP水平降低。ATPcAMP5′AMPACPDEcAMP↑,CAP+cAMP→cAMP-CAP→与操纵子上CAP结合位点结合,促进RNApol与启动子结合,引起有效转录。CAP++++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(PositiveregulationofCAP)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPWhenglucoseisabsent,[cAMP]becomeshigher.Whenglucoseispresent,[cAMP]islower.3.协调调节(Coordinateregulation)※