医学分子生物学上课用5基因表达调控

1,5. 基因表达调控 ( Regulation of gene expression ),分子生物学 Molecular Biology,遗传信息传递中心法则,3,基因表达 ( gene expression)的定义 生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的RNA或蛋白质的全过程。,二. 基因表达的特点 （一）时间特异性 阶段特异性 （二）空间特异性 组织细胞特异性,5,按对刺激的反应性分为两大类： 1. 基本（组成型）表达 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，或变化很少。e.g. 管家基因,三、基因表达的方式,管家基因（housekeeping gene）：某些基因在一个个体几乎所有细胞中持续表达。 常用的管家基因 -肌动蛋白 （ -actin） 甘油醛3-磷酸脱氢酶 （GAPDH） TATA盒结合蛋白 （TBP） 18s rRNA 微管蛋白 （ -tubulin）,五、基因表达调控水平,基因组 转录 转录后 翻译 翻译后,六、基因表达的调控因子 蛋白质（主要） 小分子RNA（某些环节）,11,第一节 原核生物基因表达调控,原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。 本节主要以大肠杆菌为例介绍原核生物基因表达的调控。,只有一种RNA聚合酶 基因表达以操纵子为基本单位,一、原核生物基因表达的特点,重点,操纵子学说开创了基因表达调控的研究,F. Jacob,J. L. Monod,14,操纵子模型,操纵子(operon)：指启动基因、操纵基因和一系列紧密连锁的结构基因的总称。,O,3. 转录和翻译偶联进行； 4. mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列SD序列。共有序列为AGGAGG 5. 原核生物基因表达调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。 通常有两种方式： （1）起始调控，即启动子调控 （2）终止调控（衰减子调控）,二、原核生物基因表达调控的机制 （一）转录起始的调控 （二）转录终止的调控 （三）翻译水平的调控,（一）转录起始的调控 1. 因子与转录起始的调控,（1）因子 调控RNA聚合酶与特异DNA区域结合： 确保RNA聚合酶与特异启动子序列稳定结合，而不是与其他热点结合。,最早发现的因子：70 新发现： 32、 54、 28 不同的因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动子序列的特异性识别和结合能力。,（2）启动子序列,TTGACA,TATAAT,共有序列,共有序列决定启动子序列的转录活性强弱。 某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动子序列的特异性识别和结合能力。,2. 转录起始的负调控 乳糖操纵子（lactose operon，lac）是原核生物基因转录负调控的最典型模式。,22,乳糖操纵子的结构,DNA,23,操纵子调控模式 负调控 & 正调控 效应物（effector） 操纵子的开启与关闭都受到环境因子的诱导，这种因子能与调控蛋白结合，改变调控蛋白的空间构象，从而改变其对基因转录的影响，称为效应物。 诱导物（inducer） 辅助阻遏物（co-repressor）,乳 糖 操 纵 子 的 负 调 控,调节基因,操纵基因,乳糖结构基因,P,LacZ,LacY,LacA,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,启动子,O,R,A、乳糖操纵子的结构,B、乳糖的诱导,阻遏蛋白（有活性）,无乳糖存在时,有乳糖存在时,25,操纵基因在操纵子的位置是从-7至+28，RNA聚合酶所占的区域是从-35至+20，两者有部分重叠，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶与DNA的结合是相互排斥的。,26,乳糖 1,6-别乳糖（生理诱导剂） 异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)无偿的诱导剂,乳糖操纵子的诱导物,3. 转录起始的正调控,阿拉伯糖操纵子是正调控的典型例子。,AraC对阿拉伯糖操纵子的调节,乳糖操纵子的正调控,R,LacZ,LacY,LacA,mRNA,CAP基因,结构基因,T,CAP,O,CAP结合部位,RNA聚合酶,T,cAMP -CAP,P,cAMP：环化一磷酸腺苷 CAP：分解代谢基因活化蛋白，cAMP受体蛋白,使CAP呈失活状态,30,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,乳糖操纵子中CAP的正性调节,CAP,分解代谢阻遏(catabolic repression) 由葡萄糖或其他分解产物抑制代谢其它糖的酶基因转录的现象称为分解代谢阻遏。,31,cAMP与葡萄糖相关性：葡萄糖，cAMP 葡萄糖，cAMP,CAP的活性依赖cAMP， 形成cAMP-CAP复合物，促进多种操纵子的转录起始。,乳糖操纵子中CAP的正调控,32,4. 转录起始的复合调控 在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控。 糖代谢有关的操纵子，如lac操纵子,阻遏蛋白与cAMP-CAP对操纵子转录的调控,34,乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节,乳糖操纵子结构基因转录需同时具备两个条件： 有乳糖存在：阻遏蛋白与操纵基因解离 有cAMP：CAP-cAMP与CAP结合位点结合,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/乳糖共存时，细菌首先利用葡萄糖。 葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称为分解代谢阻遏。,（二）转录终止的调控 原核生物转录终止调控方式分两大类： 依赖因子的终止调控 不依赖因子的终止调控 例如：色氨酸操纵子的表达调控 此外，核糖体也参与转录终止。,36,色氨酸操纵子的结构及调控方式,37,有Trp,无Trp,mRNA,E,D,C,B,A,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,转录衰减的调控,6700个核苷酸,140个核苷酸,色氨酸操纵子的调控机制,38,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力: 序列1/2序列2/3序列3/4,39,衰减作用 当转录从起始位点启动后，RNA pol在未到达结构基因编码区之前提前终止的现象。 衰减子(attenuator) 又称弱化子，是指原核生物操纵子中能显著减弱甚至终止转录作用的一段核苷酸序列，该区域能形成不同的二级结构，利用原核微生物转录与翻译的偶联机制对转录进行调节。,40,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 可使转录,RNA聚合酶,终止,41,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,42,衰减子的调节方式普遍存在于大肠杆菌氨基酸生物合成的操纵子中，如Trp、Phe、Ile、Val等等。,Trp操纵子是通过先导肽的合成检测环境中Trp含量的细微变化，通过转录继续和转录提前终止对环境作出响应。这种调节是建立在转录、翻译同时进行的条件下。 序列2-3之间形成的发夹结构是抗终止子。 序列3-4之间形成发夹结构是不依赖于Rho因子的转录终止信号。,(三）翻译水平的调控 翻译一般在起始和终止阶段受到调节。 调控分子：RNA、蛋白质 直接或间接决定翻译起始位点能否为核糖体所利用。,反义RNA的调控作用 反义RNA： 能与特定mRNA互补结合的RNA片段，可抑制目的基因的表达。 天然的具有功能的反义RNA分子一般在200bp以下。又称为干扰性互补RNA（micRNA）,反义RNA有三种作用方式： 与mRNA的5端非翻译区包括SD序列结合，直接抑制翻译； 与mRNA 5端编码区密码子AUG结合，抑制翻译起始； 与mRNA的非编码区互补结合，使mRNA构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制mRNA的翻译。,反义RNA在耐储藏番茄育种中的应用,ACC基因（乙烯合成途径的酶类）,反义ACC基因,ACC mRNA,反义ACC mRNA,乙烯合成被抑制,47,反义RNA在耐储藏番茄育种中的应用,2. RNA稳定性与调控的关系 mRNA稳定性与其序列和结构有关。 3. 蛋白质合成的自身控制 如：核糖体蛋白,第二节 真核生物基因表达的调控 单细胞真核生物：如酵母，基因表达的调控和原核生物表达调控基本相同。 多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组DNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。,一、真核生物基因表达的特点 1. 细胞全能性 2. 基因表达的时间性和空间性,不同发育时期 珠蛋白基因表达和血红蛋白分子类型,3. 转录和翻译分开进行 4. 初级转录产物(hnRNA)要经过转录后加工修饰 5. 部分基因为多拷贝 6. 不存在操纵子结构,53,（一）DNA和染色体水平的调控,二、真核生物基因表达调控的机制,1.染色质的丢失：不可逆的调控。 线虫 胚胎期：有1090个细胞 成 虫：959个细胞 有131个细胞在发育过程中发生凋亡。,54,2.基因扩增（gene amplification） 当细胞对某种基因产物需要量剧增，单纯靠调节其表达活性不足满足需要，只有增加这种基因的拷贝数。 不适当的基因扩增可导致疾病的发生。,55,3. 基因重排：（gene rearrangement） 指某些基因片段改变原来顺序而重新排列组合，成为一个完整的转录单位。调节表达产物多样性。,56,4. 基因的甲基化修饰 DNA上特定的CpG序列处的胞嘧啶发生甲基化修饰（5mC）。甲基化程度与基因的表达一般呈反比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降低。去甲基化，基因的表达增加。,异染色质化，可使连锁在一起的大量基因同时丧失活性，如雌性体细胞中的两条X染色体，会有随机一条出现异染色质化而失活。,57,5. 染色质结构对基因表达的调控作用 常染色质中疏松状态的活性染色质是基因转录前在染色质水平上独特的调控机制。 组蛋白与DNA结合的与解离是真核基因表达调控的重要机制之一。 非组蛋白作为反式作用因子调控基因表达,（二）转录水平的调控,真核生物基因转录调控： 以RNA pol 为例 转录起始复合物的形成 顺式作用元件（cis-acting element） 反式作用因子（trans-acting factor） 转录水平的调控机制,转录起始复合物的形成 真核生物RNA pol 识别由通用转录因子与DNA形成的蛋白质-DAN复合物。 转录因子（transcription factor，TF） TF不依赖RNA pol而独立地结合DNA。,2. 顺式作用元件(cis-acting element) 指某些影响基因表达但不编码蛋白质和RNA的DNA序列，按照功能分为启动子、增强子、负调控元件（沉默子、衰减子）等。,（1）启动子（promoter） 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）。 决定RNA pol 转录起始点和转录频率的关键元件。,（2）增强子（enhancer） 指位于启动子上游或下游并通过启动子增强目标基因转录效率的DNA序列，增强子本身不具备启动子活性。 位置距离及作用方向不固定 决定基因表达的时空特异性,（3）其他元件 沉默子（silencer） 指在真核基因内抑制基因转录的DNA序列，与反式作用因子相互结合而起作用。不受距离和方向的限制，并可对异源基因的表达起作用。 终止子：加尾信号,3. 反式作用因子(trans-acting) 能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件812bp核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质。 在结构上含有与DNA结合的结构域。,（1）反式作用因子根据作用方式分为三类： 通用转录因子。普遍存在的转录因子。, 组织特异性转录因子。与基因表达的组织特异性有很大关系。 诱导性反式作用因子。活性能被特异的诱导因子所诱导。,68,（2）转录因子结构,（如，二聚化结构域）,69,最常见的DNA结合域：,同源结构域 （homeodomain，HD） 同源盒基因家族各基因间具有一相同的保守序列，称为同源结构域。所含的至少二个螺旋中形成“转折”，第三个螺旋与DNA大沟相互作用，使同源盒蛋白与DNA结合的主要力量。,71,碱性-亮氨酸拉链,二聚体 亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成“拉链” 。 肽链氨基端2030个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合。,72,螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix，HLH),转录活化结构域 反式作用因子必须具备的结构基础 酸性-螺旋：含有较多的负电荷，能非特异性地与起始复合物相互作用发挥转录活化功能（eg. TBP） 富含谷氨酰胺的结构域：最强的转录活化域之一（eg. SP1） 富含脯氨酸结构域：eg. CTF1,4. 转录水平的调控机制 （1）反式作用因子的活性调节 真核基因转录起始的调节，首先表现为反式作用因子的功能调节，即特定的反式作用因子被激活后，可以启动特定基因的转录。,反式作用因子的激活方式： 表达式调节：根据需要合成，不能积累 共价修饰：A.磷酸化-去磷酸化 B.糖基化 配体结合：核受体超家族与配体结合，调节基因转录。 蛋白质与蛋白质相互作用,（2）反式作用因子作用方式 成环（looping） 扭曲（twisting） 滑动（sliding） Oozing,77,（3）反式作用因子的组合式调控,基因表达的调控不是由单一的反式作用因子完成而是几种因子