核酸的生物学功能

第16章基因表达的调节,（一）基本概念及原理（二）原核生物基因表达的调节（三）真核生物基因表达的调节,（一）基本概念及原理,1.基本概念2.基因表达的规律3.基因表达的方式4.基因表达调节的基本原理,1.基本概念,基因（gene）指一段编码蛋白质多肽链或功能RNA的DNA。基因表达（geneexpression）指在某一基因指导下，合成蛋白质的过程。基因表达调节（regulationofgeneexpression）指对基因表达过程的调节。,2.基因表达的规律,一种生物含有大量的基因，基因表达表现为严格的规律性，即：时间特异性这些基因在生命活动过程中并不都是一齐开放表达，而是在有些时候，一些基因进行表达，另一些基因则关闭。空间特异性在同一时间，不同的组织器官，有些基因表达，而有些基因关闭。,例如，母牛只有在分娩小牛后开始泌乳时，乳腺中的各种蛋白质基因才开始表达，产生各种乳蛋白。,3.基因表达的方式,（1）组成性表达（2）诱导和阻遏表达,（1）组成性表达,有些基因的表达产物，在生命活动的全过程中都是必需的，通常把一个生物个体整个生命过程中几乎所有组织细胞中都持续表达的基因称为管家基因（housekeepinggene）。管家基因的表达很少受环境变化影响，这类基因的表达方式称为组成性基因表达（constitutivegeneexpression）。,（2）诱导和阻遏表达,与持家基因不同，有一些基因的表达，极易受环境变化的影响，在特定环境信号刺激下，这类基因表达水平，可呈现升高或降低的现象。诱导表达（inductionexpression）基因激活，基因表达产物增加。阻遏表达（repressionexpression）基因关闭或表达下降，表达产物减少。生物体内一般为功能相关基因的协调表达（coordinanceexpression）。,4.基因表达调节的基本原理,（1）特异DNA序列作用对基因转录激活的调节，如增强子（enhancer）、沉默子（silencer）。（2）调节蛋白的作用有特异因子（specificfactor,如转录启始因子）、阻遏蛋白（reoressor）和激活蛋白（activator）对转录起始的调节、影响RNA聚合酶活性等。,基因水平基因活化；转录水平转录起始；转录后水平转录后加工、mRNA降解速度；翻译水平蛋白质的翻译；翻译后水平翻译后加工修饰、蛋白质降解。,可以在几个水平上进行调节,（1）转录水平的调节控制从DNA模板上转录mRNA的速度,减少合成蛋白所需各种材料的浪费，十分经济。（2）翻译水平的调节控制从mRNA翻译成多肽链的速度。大多数生物多采用转录水平的调节，翻译水平调节较少。,最为有效的调节表现在两个层次上,（二）原核生物基因表达的调节,1.乳糖操纵子调节机制转录水平2.色氨酸操纵子调节机制转录水平3.翻译水平调节,操纵子调节模式,操纵子（operon）是原核生物基因组的一个表达调控序列。它包括参与同一代谢途径几个酶基因编码在一起形成的结构基因（structuralgene）、结构基因前面的调节基因（regulatorygene，R）、操纵基因（operator，O）和启动基因（promoter，P）。,乳糖操纵子（lacoperon）的结构,1.乳糖操纵子调节机制,（1）乳糖操纵子阻遏蛋白的负性调节,乳糖操纵子的诱导表达,（诱导剂）,操纵子的作用,当代谢需要结构基因表达酶时，操纵子开放，结构基因转录生成mRNA，并表达生成相关酶参加代谢。当代谢不需要结构基因表达酶时，结构基因不被转录，或以代谢以很低的速度进行。这是一个典型的转录水平调节模式。,2.色氨酸操纵子的调节机制,色氨酸操纵子（Trpoperon）的阻遏物是由距色氨酸操纵子较远的调节基因合成的一个58Ku的蛋白质，色氨酸为辅阻遏物（corepressor）。当机体色氨酸不足时，阻遏物游离存在，不能与操纵基因结合，5个结构基因得以转录和表达，编码的3种酶催化生成色氨酸。当机体生成的色氨酸过量时，色氨酸与阻遏物形成复合物，此复合物可结合操纵基因，阻止结构基因的转录。,反馈阻遏这种以终产物阻止该产物基因转录的机理称为反馈阻遏。此终产物（色氨酸）称为辅阻遏物（corepressor）。反馈阻遏的优点造成在色氨酸充足时，完全阻断转录；在色氨酸水平下降到很低时，阻遏消除，转录开放，合成色氨酸。这样易于保持细菌细胞中色氨酸水平的衡定。,3.翻译水平的调节,反义RNA（antisenceRNA）是一种与mRNA互补的RNA分子，它与mRNA结合后即阻断mRNA的翻译，从而调节基因的表达。,反义RNA的应用,反义RNA调控的特点是高度特异性，一种反义RNA抑制一种mRNA。可人工设计合成反义RNA，抑制靶基因的表达，从而达到治疗疾病的目的，即基因治疗。如乙肝病毒、爱滋病病毒（HIV）等都是单链RNA病毒，可利用反义RNA抑制其在体内的复制。再如可用反义RNA抑制癌蛋白的表达。,1.真核生物基因组的结构特点,（1）真核生物基因组约占全部DNA序列的2此外尚有5-10的rRNA等重复基因，其余80-90的哺乳类DNA序列可能没有直接的遗传学功能。,（三）真核生物基因表达的调节,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。组蛋白的许多侧链可以被乙酰化、甲基化、磷酸化修饰，改变组蛋白的电荷性质，改变染色体的基因结构，进而影响DNA的复制和转录的机会。这种组蛋白与DNA结合与解离是真核生物基因表达调节的重要机制之一。,（2）染色质的独特结构核小体结构,2.真核生物基因表达调节的特点,（1）为多级调节系统基因表达的调节可以发生在DNA水平（转录前水平）、转录水平、转录后水平、翻译水平、翻译后水平；（2）正性调节占主导采用正性调节机制更有效，采用负性调节不经济。,3.真核基因转录起始的调节,转录水平的调节是真核生物基因表达调节中最重要的环节。调节作用：主要通过调控蛋白与DNA调控序列、调控蛋白与RNA聚合酶、调控蛋白与调控蛋白的相互作用来完成。,（1）顺式作用元件,为DNA分子上的调节序列，主要有：启动子（promoter）增强子（enhancer）沉默子（silencer），当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。,（2）反式作用因子,反式作用因子的主要特点A.为能识别并结合DNA顺式作用元件的调控蛋白；B.激活和阻遏基因的表达；C.可能还要通过与RNA聚合酶结合或其它反式因子共同作用。,反式作用因子结构域模式,A.DNA结合域B.蛋白质结合域C.转录活性域,A.反式作用因子与顺式作用元件的结合,反式作用因子的DNA结合域模式主要有：锌指和螺旋-转角-螺旋。,锌指（zincfinger）是在保守的半胱氨酸和组氨酸残基形成的四面体结构中镶着一个锌原子。约23个氨基酸组成。通常成串重复排列。锌指间7-8氨基酸，不同蛋白质的锌指数目不同。含有锌指的调控蛋白在与DNA结合时，是锌指的尖端进入到DNA的大沟或小沟，以识别它特异结合的DNA序列并与之结合。迄今仅在真核生物中发现有锌指蛋白，在原核中尚未发现。,与其他蛋白质结合（RNA聚合酶、其它调控蛋白）的蛋白质结合域模式。这种与蛋白质结合的结构域也有几种，比较清楚的有亮氨酸拉链和螺旋-环-螺旋两种。,B.调控蛋白与蛋白质结合的结构域,在蛋白质的-螺旋一侧集中了许多疏水氨基酸，一般约每7个氨基酸残基出现一个亮氨酸。即亮氨酸都出现在-螺旋的疏水一侧，呈直线排列。当蛋白质-蛋白质相互作用时两个-螺旋的亮氨酸残基是肩并肩地排列起来犹如拉链，因而称为亮氨酸