基因表达调控原理

目录第13章基因表达调控RegulationofGeneExpression目录第一节基因表达调控的基本概念BasicConceptionsofGeneExpressionRegulation目录一、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。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。基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的。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特定的时间顺序发生，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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(cellortissuespecificity)。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(spatialspecificity)。目录三、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诱导或阻遏表达目录（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(housekeepinggene)。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(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，这种基因称为可诱导基因(induciblegene)。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(repressiblegene)。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，即为协调表达(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。目录四、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。目录（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。目录第二节基因表达调控的基本原理BasicPrinciplesofGeneExpressionRegulation目录一、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目录二、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目录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)目录是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TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列图13-1五种E.coli启动序列的共有序列目录共有序列(consensussequence)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。目录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阻遏蛋白目录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。目录真核生物1、顺式作用元件(cis-actingelement)——可影响自身基因表达活性的DNA序列RNA聚合酶ⅡBADNA编码序列转录起始点mRNARNA聚合酶ⅡBADNA转录起始点mRNA图13-2顺式作用元件目录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盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。目录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-actingfactor)cDNAaDNA反式调节C顺式调节mRNAC蛋白质CbAmRNA蛋白质AA图13-3反式与顺式作用蛋白目录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目录（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。目录第三节原核基因表达调节RegulationofGeneExpressioninProkaryote目录——调节的主要环节在转录起始。一、原核基因转录调节特点（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性在转录起始阶段，σ因子识别特异启动序列；不同的σ因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。目录（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基因的活性来完成的。目录（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。目录二、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(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ZYAOPDNA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的双重调节阻遏基因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-半乳糖苷酶图13-4lac操纵子与阻遏蛋白的负性调节目录++++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ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP目录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(catabolicrepression)。目录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-polOOOO目录图13-5CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节（新图）目录三、原核生物具有不同的转录终止调节机制（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。终止子结构特点：目录四、原核生物在翻译水平受到多个环节的调节（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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（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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)。目录第四节真核基因表达调节RegulationofGeneExpressioninEukaryote目录一、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3×109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%。目录（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（106次）中度重复序列（103~104次）多拷贝序列目录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：具有不连续性目录二、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RNApolI、II及III，分别负责三种RNA转录。目录（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化1.对核酸酶敏感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活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。目录3.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。4.组蛋白变化富含Lys组蛋白水平降低H2A·H2B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目录图13-6组蛋白结构及其化学修饰A.组蛋白与DNA组成的核小体；B.组蛋白的氨基端伸出核小体，形成组蛋白尾巴；C.四种组蛋白组成的八聚体目录组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，以及化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了“组蛋白密码”的假说。目录组蛋白氨基酸残基位点修饰类型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色质浓缩H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys