44基因表达调控

目录第十八章基因表达调控RegulationofGeneExpression目录第一节基因表达与基因表达调控的基本概念与特点BasicConceptionsandCharactersofGeneExpressionandit’sRegulation目录一、基因表达是基因转录和翻译的过程基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的。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。目录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。目录二、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一定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporalspecificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。目录（二）空间特异性在个体生长、发育过程中，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，这就是基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布所决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性(cellspecificity)或组织特异性(tissuespecificity)。目录基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达诱导或阻遏表达协同表达三、基因表达的方式存在多样性目录（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，不易受环境条件的影响，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。管家基因的表达水平受环境因素影响较小，而是在生物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。这类基因表达被视为基本（或组成性）基因表达(constitutivegeneexpression)。目录（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，即这种基因表达是可诱导的，称为可诱导基因。可诱导基因在一定的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)。目录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，即为协同表达(coordinateexpression)，这种调节称为协同调节(coordinateregulation)。（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节目录四、基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节一般说来，调节序列与被调控的编码序列位于同一条DNA链上，称为顺式作用元件(cis-actingelement)。有一些调节序列远离被调控的编码序列，实际上是其他分子的编码基因，只能通过其表达产物来发挥作用。这些蛋白质分子称为反式作用因子(trans-actingfactor)。反式作用因子的编码基因与其作用的靶基因之间不存在结构的关联。目录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。目录五、基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达调控可发生在遗传信息传递过程的任何环节，在基因表达的任何一个环节都有控制其表达的机制。因此，基因表达的调控是多层次的复杂过程。目录（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。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。目录（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。目录（三）转录后水平的调控指转录后对转录产物进行的一系列修饰、加工过程。包括mRNA前体的加工、剪接、RNA编辑等。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。目录（四）翻译水平的调控翻译的起始调控是翻译水平调控的主要阶段。目录（五）翻译后水平的调控蛋白质合成后，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。目录六、基因表达调控是生物体生长、发育的基础（一）生物体调节基因表达以适应环境、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。目录（二）生物体调节基因表达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。目录第二节原核基因表达调控RegulationofGeneExpressioninProkaryote目录原核生物基因组结构特点①基因组中很少有重复序列；②编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷贝基因，但编码rRNA的基因仍然是多拷贝基因；③结构基因在基因组中所占的比例（约占50%）远远大于真核基因组；④许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子目录操纵子（operon）：在原核生物中，若干功能相关的结构基因串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，共同组成一个转录单位，这种基因的组织形式称为操纵子。目录原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位编码序列启动子操纵元件其他调节基因(promoter)(operator)目录启动子是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件。各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称为共有序列。E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域是TATAAT，在-35区域为TTGACA共有序列决定启动序列的转录活性大小。1、启动子目录图18-15种E.coli启动序列的共有序列目录2、操纵元件——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阻遏蛋白目录调节基因（regulatorygene）编码能够与结构基因上游的调控序列结合的调控蛋白，可以分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。调控蛋白的作用分别是①特异因子决定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；3、其他调节基因目录②阻遏蛋白可以识别、结合特异DNA序列──操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调控（negativeregulation）。阻遏蛋白介导的负性调控机制在原核生物中普遍存在；③激活蛋白可结合启动子邻近的DNA序列，提高RNA聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转录活性，是一种正调控（positiveregulation）。目录分解（代谢物）基因激活蛋白（catabolitegeneactivatorprotein,CAP）就是一种典型的激活蛋白。目录基因表达有正调控和负调控调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：阻遏蛋白----负调控因素激活蛋白----正调控因素目录二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构调控序列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：通透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI调节基因CAP：分解（代谢物）基因激活蛋白目录mRNA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的双重调节调节基因1.阻遏蛋白的负性调节目录mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶目录在实验室中研究乳糖操纵子模型，一般不用乳糖，而用异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）来替代乳糖。乳糖虽可诱导酶的合成，但又随之被细菌分解，产生很多复杂的动力学问题，给研究带来麻烦。IPTG是半乳糖的类似物，能诱导酶的合成，又不被细菌分解，称为安慰诱导物。一旦进入细胞就会产生持续长久的诱导效果。目录++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高有葡萄糖，cAMP浓度低2.CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的活性依赖cAMP,cAMP水平与葡萄糖水平相关：目录3.协同调节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，操纵子仍几乎无转录活性。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(catabolicrepression)。乳糖操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需要缺乏葡萄糖。目录图18-3CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节目录trptrp高时trp低时mRNAOPI调节区结构基因色氨酸操纵子三、色氨酸操纵子通过产物阻遏负调控基因表达目录四、原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制（一）不依赖Rho因子的转录终止（二）依赖Rho因子的转录终止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。终止子结构特点：目录五、原核基因表达在翻译水平的多个环节受到精细调节（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性衰减是转录-翻译的偶联调控色氨酸操纵子（trpoperon）除了产物阻遏负调控外，还有转录衰减（attenuation）调控方式。目录图18-4色氨酸操纵子的结构及其关闭机制目录（二）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调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称自我控制(autogenouscontrol)。目录（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的结合实现对翻译起始的调控编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或RNA）直接或间接地结合来决定翻译起始调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖体的结合目录（四）反义RNA结合mRNA翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节可调节基因表达的RNA称为调节RNA。细菌中含有与特定mRNA翻译起始部位互补的RNA，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控制(antisensecontrol)。目录（五）mRNA密码子的编码频率影响翻译速度当基因中的密码子是常用密码子时，mRNA的翻译速度快，反之，mRNA的翻译速度慢。目录第三节真核基因表达调控RegulationofGeneExpressioninEukaryote目录一、真核细胞基因表达的特点①真核基因组比原核基因组大得多②原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺乳类基因组中只有10%的序列编码蛋白质、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控③真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达调控的层次目录④原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子（monocistron），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚基也将涉及到多个基因的协调表达目录⑤真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表达；⑥真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的表达调控既相互