第十八章 基因表达调控

第十八章,基因表达调控,RegulationofGeneExpression,FranoisJacobJacquesMonod(1920)(19101976)荣获1965年诺贝尔生理或医学奖,第一节基本概念与原理,BasicConceptionsandPrinciple,一、基因表达的概念,从遗传学角度讲，就是编码一种RNA、一种多肽的信息单位；从分子生物学角度看，是负载特定遗传信息的DNA片段。编码序列非编码调节序列,*基因(gene),*基因组(genome)一个细胞或生物所携带的整套遗传信息或全部基因。原核细胞：单个环状染色体真核生物：染色体基因组(染色体DNA),人类基因组含约2万2.5万个基因。,人的23对染色体,*基因表达(geneexpression)在一定调节机制控制下，基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。,基因表达就是基因转录和翻译的过程。rRNA和tRNA的转录也属于基因表达。,二、基因表达的特异性,（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表现为与生长、分化和发育阶段一致的时间性，因此又称阶段特异性(stagespecificity)。,5213,5GA3,类珠蛋白基因,类珠蛋白基因,胚胎发育早期三种Hb：22、22、22,胎儿期：22迅速增多,成人：22为主，22微量,人类编码血红蛋白的珠蛋白基因时间特异性表达。,（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、发育全过程，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，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。,胰岛素基因胰岛细胞,三、基因表达的方式多样性,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,（一）基本表达,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。这类基因表达被视为基本（或组成性）基因表达(constitutivegeneexpression)。,（二）诱导和阻遏表达（适应性表达）,在特定信号刺激下，相应基因被激活，其表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。,可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。,乳糖存在利用乳糖的酶的表达量,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。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。,色氨酸存在色氨酸合成酶系表达,一、顺式作用元件(cis-actingelement),可影响自身基因表达活性的DNA序列。通常是非编码序列。包括启动子、增强子及沉默子等。,四、基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节,某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的顺式作用元件相互作用，从而调节此基因的表达。,二、反式作用因子(trans-actingfactor),这种调节作用称为反式作用。这种蛋白质因子称反式作用因子。,反式作用与顺式作用,有些真核调节蛋白可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达。,这种调节作用称为顺式作用。这种蛋白质因子称顺式作用因子,五、基因表达的多层次和复杂性,基因激活,转录起始转录后加工mRNA降解,转录起始,基因表达在全过程的各水平上都可以受调控：,主要调节环节,第二节原核基因表达调控,（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性,（二）操纵子是原核基因转录调控的基本单位,（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,E.coli的不同因子识别不同的共同顺序,通过不同的亚基，原核细胞能协同相关基因的表达，使细胞适应其所处的环境。,原核生物操纵子操纵子(operon)：通常由2个以上的结构基因与启动子、操纵序列以及其他调节序列成簇串联组成的基因表达调控单位。,启动子,结构基因2,结构基因1,操纵序列,其它调节序列,是RNA聚合酶识别、结合并启动转录的特异DNA序列。,启动子,2)操纵序列阻遏蛋白的结合位点,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RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。,当激活蛋白结合启动子邻近DNA序列时，会增强RNA聚合酶活性，激活转录，介导正性调节。,CAP结合位点,3)调节基因编码调节蛋白与操纵序列结合,*特异因子：决定RNA-pol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：识别和结合特异的DNA序列操纵序列，阻遏基因转录，介导负性调节。激活蛋白：提高RNA聚合酶与启动子的结合能力，增强RNA聚合酶转录活性，是正调控。,特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白均为DNA结合蛋白,二、乳糖操纵子(lacoperon)调控模型,（编码阻遏蛋白）,乳糖操纵子(lacoperon),没有乳糖存在时,（二）乳糖操纵子的调节机制,1、阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,TTTACA,TATGTT,N17,N6,A,lac,乳糖操纵子是弱启动子，被RNA-pol结合后，还需cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化。,2、CAP的正性调节,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,CAP结合位点,阻遏蛋白是负性调节因素。半乳糖或IPTG是诱导剂。CAP是同二聚体，含DNA结合区和cAMP结合位点。CAP是正性调节因素。,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)。,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,无转录,无转录,低水平转录,lac操纵子强的诱导作用的条件是：乳糖存在的同时又要缺乏葡萄糖（cAMP浓度高）。,第三节真核基因转录调节,一、真核基因组结构特点,（一）真核基因组结构庞大,哺乳类动物基因组,DNA约3109碱基对,人编码基因约有2.5万个，占总基因组的1%,重复序列高达50%以上,（二）单顺反子,（三）重复序列,（四）基因不连续性（断裂基因）,5AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT33TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5,反向重复序列,(一)三类RNA聚合酶(二)活性染色体结构变化(三)正性调节占主导(四)转录与翻译分隔进行(五)转录后修饰、加工调控（六）翻译及翻译后加工调控,二、真核基因表达调控特点,真核生物的RNA聚合酶,（一）RNA聚合酶,（二）活性染色体结构变化,1.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，这是活化基因的明显特征。,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聚合酶下游的转录区为正超螺旋，阻碍核小体的形成，促进核小体的解体；RNA聚合酶上游的DNA则为负超螺旋，有利于核小体的再形成。,3.DNA碱基修饰变化,4.组蛋白变化,富含Lys组蛋白H1水平降低H2A,H2B二聚体不稳定性增加组蛋白H3、H4修饰：乙酰化、磷酸化导致核小体不稳定或松弛,（三）正性调节占主导,（四）转录与翻译分隔进行,（五）转录后修饰、加工,其原因：更有效，可提高特异性和精确性采用负性调节不经济,是指可影响自身基因表达活性的特异DNA序列。启动子增强子沉默子,三、转录起始的调节,（一）顺式作用元件,1.启动子（promoter）,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:TATAAAA位于25-30bpTFD结合位点。控制转录起始的准确性及频率。GC盒:GGGCGGCAAT盒:GCCAAT位于-30-110bp区域与相应蛋白因子结合，影响转录效率。,典型的启动子由TAAT盒和CAAT盒和/或GC盒组成，通常具有一个转录起始点及较高的转录活性。,2.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。发挥作用的方式：与方向、距离无关。无专一性，需要启动子才能发挥作用。酵母：上游激活序列（UAS）,3.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,1.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。,通用的TFD,*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,2.转录（调节）因子结构,最常见的DNA结合域,1.锌指(zincfinger),CCysHHis,常结合GC盒,Zn,Cys,His,2、螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix),由两个-螺旋肽链单体，部分相互结合形成的二聚体结构；每个-螺旋单体中靠近C-端有一