第十三章-基因表达调控.ppt

第十三章,基因表达调控,RegulationofGeneExpression,第一节基因表达调控的基本概念,BasicConceptionsofGeneExpressionRegulation,基因(gene)从遗传学讲，基因是位于染色体上的遗传基本单位或单元，具有编码RNA或多数情况下编码多肽功能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗传信息的DNA片段。,基因表达(geneexpression)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。,基因表达是受调控的。,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。从分子意义上说，是指全部DNA序列。,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)。,甲肽蛋白（AFP）的基因在胎儿肝细胞中活跃表达，成人中表达很低。肝癌细胞AFP的基因又重新被激活。血浆中AFP的水平作为肝癌早期诊断的重要指标。,（二）空间特异性,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、发育过程中，某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，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。,三、基因表达的方式及调节存在很大差异,基本（或组成性）表达诱导或阻遏表达,基因表达调控(regulationofgeneexpression)：细胞或生物体接受环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制。按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,（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)。,（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)。,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)。,（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节,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。,（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。,第二节基因表达调控的基本原理,BasicPrinciplesofGeneExpressionRegulation,基因表达的调控对生物是极端重要的。1.真核生物：各种不同类型的细胞能阻遏不同类型基因的表达。2.细菌具有阻遏基因表达的能力。在进化中，细胞具备了一套机制，它能抑制那些并非必需的酶的基因，并激活那些在某一时间内明显必需的酶的基因。达到这一目的的二个条件：（1）必须具备关闭或打开每种特定基因的方法；（2）对应该激活一种特定基因或一组基因的特定环境具备正确识别的能力。,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,DNA,RNA,蛋白质,转录,翻译,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。,原核生物,操纵子(operon)机制,（一）特异DNA序列决定基因的转录活性,是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。,启动序列,五种E.coli启动序列的共有序列,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。,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。,真核生物,RNA聚合酶,mRNA,RNA聚合酶,B,A,DNA,转录起始点,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。,（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性,原核生物基因转录调节蛋白：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）阻遏蛋白（结合操纵序列，抑制转录）激活蛋白（结合启动序列附近序列，增强RNA聚合酶活性）,真核基因转录调节蛋白（转录因子）,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),反式调节,真核基因转录调节蛋白（转录因子）,还有的蛋白质因子（顺式作用蛋白）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。,顺式调节,DNA与蛋白质相互作用指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别和结合。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,（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。,第三节原核基因表达调节,RegulationofGeneExpressioninProkaryote,调节的主要环节在转录起始。,一、原核基因转录调节特点,（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性,在转录起始阶段，因子识别特异启动序列；不同的因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。,（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。,（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。,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,乳糖代谢中的酶和基因:（1）-半乳糖苷酶(-galactosidase)：水解乳糖为葡萄糖和半乳糖（Z）（2）半乳糖苷透性酶(permease)：能使乳糖进入细胞（Y）（3）-半乳糖苷转乙酰基酶(transacetylase)（A）三种酶的基因转录成一条mRNA，称多顺反子的mRNA(polycistronicmRNA)。,-半乳糖苷酶能催化乳糖的两种反应,别乳糖,1961年法国科学家Jacob和Monod发现大肠杆菌在含有乳糖的培养基中会合成大量的-半乳糖苷酶，使乳糖水解，在没有乳糖的环境中不产生-半乳糖苷酶，从而提出了乳糖操纵子学说来解释-半乳糖苷酶基因表达调控的问题。,（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,Z,Y,A,O,P,DNA,I,PI,调节基因,启动区,调控元件,乳糖操纵子结构和功能,结构基因,-半乳糖苷透性酶,分解乳糖,半乳糖和葡萄糖,运送乳糖透过细胞壁,乙酰辅酶A,乙酰半乳糖,调节基因,A,Y,Z,操纵区,分解X-gal,蓝色,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,1、阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,异乳糖,安慰诱导物IPTG,导致lac基因表达的乳糖类似物（诱导物）：异丙基-D-硫代半乳糖苷(IPTG),CAP结构特点:结构域:同源二聚体组成DNA结合域：与DNA调控元件结合位点结合cAMP结合域：结合胞内cAMP后，能激活CAP,2、CAP的正性调节,当葡萄糖缺乏时,大肠杆菌内的cAMP的水平上升,CAP结合到cAMP上.CAPcAMP复合物可结合到紧邻RNA聚合酶结合位点上游的乳糖操纵子的启动子Plac上.CAP的结合引起DNA链发生90的弯曲,增强了RNA聚合酶与启动子的结合,使转录效率提高50倍.,CAP正性调节,无葡萄糖，cAMP浓度高,有葡萄糖，cAMP浓度低,CAP的正性调节,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。,若无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍几无转录活性。,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)。,Z,Y,A,O,P,DNA,I,PI,无转录,有葡萄糖，无乳糖，cAMP浓度低，阻遏,Z,Y,A,O,P,DNA,I,PI,有葡萄糖，有乳糖，去阻遏，cAMP浓度低,Z,Y,A,O,P,DNA,I,PI,CAP,大量mRNA转录,无葡萄糖，有乳糖，去阻遏，cAMP浓度高,协调调节,CAP的正性调节与阻遏蛋白的负性调节是相互协调的。当阻遏蛋白封闭O序列时，CAP对lac操纵子系统是不发挥作用的；当阻遏蛋白与O序列解聚时，lac操纵子依然活性很低，此时必须有CAP的正性调节才能有效转录。,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。,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：,色氨酸阻抑物,mRNA,原核生物转录终止调控：衰减子介导色氨酸操纵子,色氨酸操纵子结构,Trp高时,Trp低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,转录衰减(transcriptionattenuation),色氨酸操纵子(trpoperon),第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力强弱：序列1/2序列2/3序列3/4,前导RNA的结构,衰减子,衰减子:一段可以导致转录效率降低的mRNA序列,该位点称为弱化子.特点:含有典型的终止子的特点.1）茎环结构;2）GC丰富的反向重复序列;3）4个以上的U.,非依赖因子的转录终止,色氨酸含量高的时候:,色氨酸含量低的时候:,色氨酸操纵子转录的衰减调节,UUUU3,前导肽,前导mRNA,色氨酸浓度高时,衰减子结构就是终止子可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,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,衰减子介导的调节,衰减作用的生物学意义从衰减机制的分析来看，它不仅能够把几种水平如：DNA和RNA的构象变化、mRNA上内部终止(衰减)子的重建以及核糖体上tRNA对终止密码的识别等统一起来，严格控制表达；衰减子还可依细胞内某一氨基酸水平的高低而行止。所以它是一种应答灵敏、调节灵活的多重调控方式。,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，阻止核糖体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称自我控制(autogenouscontrol)。,（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)。,第四节真核基因表达调节,RegulationofGeneExpressioninEukaryote,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3109bp人类基因组约含22.5万个基因1%的序列编码蛋白质rDNA等重复基因约占5%10%非编码序列中包括内含子、调控序列、重复序列等,（二）真核基因转录产物为单顺反子(monocistron),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,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,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。,（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化,对核酸酶敏感,当用DNaseI处理时，活化的染色质DNA会出现一些DNaseI超敏位点，常出现在调节蛋白结合位点附近。,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:,DNA碱基的甲基化修饰变化,真核DNA约有5%的C被甲基化（CpG岛）甲基化范围与基因表达程度呈反比,例：基因组印记：同一等位基因在根据其母方还是父方的来源进行选择性差异表达的现象。,亲本印记(imprinting),印记:来源于父母本的一对等位基因表达不同。如源于父本的IGF-(胰岛素样生长因子)基因可表达，而源于母本的则不能表达。此是由于卵母细胞中的IGF-已被甲基化，而精子中的IGF-未被甲基化，所以这一对等位基因在合子中表现不同。,组蛋白变化,富含Lys组蛋白(H1)水平降低H2AH2B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,组蛋白修饰对于基因表达影响的机制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；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。,组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响,（三）在真核基因表达调控中以正性调节占主导,采用正性调节机制更精确：采用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。采用负性调节不经济：正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，是没有活性的；细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。,（四）在真核细胞中转录与翻译分隔进行,（五）转录后修饰、加工更为复杂,真核细胞转录与翻译在不同细胞部位进行。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。,三、RNAPolI和PolIII转录体系的调节相对简单,（一）RNAPolI转录体系,RNAPolI的转录产物只有rRNA前体，经剪接修饰生成除5SrRNA外的各种rRNA。启动子元件包括：核心元件(coreelement)或核心启动子(corepromoter)和上游控制元件(upstreamcontrolelement,UCE)。,（二）RNAPolIII转录体系,RNAPolIII的转录产物：多种小分子RNA，包括tRNA、5SrRNA和一部分小核RNA。启动子位于转录起始点下游，称内部控制区(internalcontrolregions,ICR)。,（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性,启动子,真核基因启动子是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）。,四、RNAPolII转录起始的调节非常复杂,(CAAT),珠蛋白基因启动子点突变效应,真核基因启动子典型结构,增强子(enhancer),指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。增强子也由若干功能组件组成，有些组件既可在增强子、也可在启动子中出现。,当增强子远离启动子或转录起始位点时，它们是怎样调控转录作用的？增强子可以被转录因子结合，改变染色质的构型（通过DNA弯曲或环化），这样就可能使远距离的增强子和启动子变得邻近，从而组成有活性的转录复合体，在这样一种新的构型中，转录活性就会高于基础水平，从而增加了RNA合成的总体效率。,沉默子(silencer),某些基因的负性调节元件。当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。,（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白,转录调节因子分类（按功能特性）,基本转录因子(generaltranscriptionfactors),是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA（mRNA、tRNA及rRNA）转录的类别。,特异转录因子(specialtranscriptionfactors),为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。,转录激活因子（增强子结合蛋白，EBP）转录抑制因子（沉默子结合蛋白）,转录调节因子结构,最常见的DNA结合域：,锌指(zincfinger),CCysHHis,常结合GC盒,Cys和His残基与锌原子共价结合形成锌指结构。锌指能与DNA双螺旋的大沟结合并且环绕着DNA。在大沟中，锌指能与DNA的一组碱基结合并形成氢键。,碱性a-螺旋（常结合CAAT盒）,碱性螺旋-环-螺旋,碱性亮氨酸拉链,（三）mRNA转录激活需要转录起始复合物的形成,由RNApolII转录的真核基因为II型基因，可作为mRNA合成启动的模型。该模型的中心是促进模板与RNApolII结合的各种反式作用因子。TFIID是多亚基蛋白复合体，其中一个蛋白能直接与启动子的TATA盒结合，称为TATA结合蛋白(TATA-bindingprotein,TBP)，此外，TAF（TBP辅因子）辅助TBP的结合。,TBP结合到TATA框。在启动转录前，一组转录因子（TFIIA、B、F、E、H）和RNA聚合酶II结合上去。,一些转录激活因子（增强子结合蛋白）结合到增强子上，然后再结合到转录复合体上，会极大地提高转录的水平。,转录起始复合物的形成,五、RNAPolII转录终止的调节机制尚不清楚,（一）HIV基因组转录终止调节,（二）热休克蛋白基因的转录终止调节,病毒蛋白Tat与转录产物5端特异RNA序列结合，并与宿主蛋白质、RNAPolII相互作用，阻止HIV基因组转录的提早终止。,在应激条件下暂时性停止大多数基因的转录和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白质即热休克蛋白(heatshockprotein)的表达。,六、转录后水平的调节也是基因表达调控的重要环节,（一）hnRNA加工成熟的调节,（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节,加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。,七、基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节,（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修