第16章基因表达调控

1、第16章基因表达调控基因表达调控基因表达调控 Regulation of Gene Expression第十六章第十六章polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBPTATA DNA第16章基因表达调控第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理Basic Conceptions and Principle第16章基因表达调控含有生物信息的含有生物信息的DNADNA片断，根据这些信息片断，根据这些信息可以编码具有生物功能的产物，包括可以编码具有生物功能的产物，包括RNARNA和多肽链。和多肽链。1. 基因基因(gene)2. 基因组基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信

2、息或整一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。套基因。结构基因组学（结构基因组学（structural genomicsstructural genomics）功能基因组学（功能基因组学（functional genomicsfunctional genomics）第16章基因表达调控3. 基因表达基因表达(gene expression)基因表达是受调控的。基因表达是受调控的。就是指在一定调节因素的作用下，就是指在一定调节因素的作用下，DNA分子上分子上特定的基因被激活并转录生成特定的特定的基因被激活并转录生成特定的RNA，或，或由此引起特异性蛋白质合成的过程。由此引起特异性蛋白质合成

3、的过程。基因转录和翻译的过程。基因转录和翻译的过程。第16章基因表达调控基因表达的产物基因表达的产物Proteins and polypeptidesRNAs (mRNA, tRNA, rRNA etc)第16章基因表达调控4. 基因表达的时间性及空间性基因表达的时间性及空间性u 时间特异性时间特异性(temporal specificity) 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定按功能需要，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的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性，又称为阶段特异性性，又称为阶段特异性(stage specificity) 。第16章基

4、因表达调控u 空间特异性空间特异性(spatial specificity)在个体生长全过程，某种基因产物在个体按在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称为空间特异性，不同组织空间顺序出现，称为空间特异性，又称为细胞或组织特异性又称为细胞或组织特异性(cell or tissue specificity) 。第16章基因表达调控5. 基因表达的方式基因表达的方式u 组成性表达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，某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，被称为管家基因。被称为管家基因。无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，无论表达水平高低，管家基

5、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基因表达被视为组成性基因表达(constitutive (constitutive gene expression)gene expression)。第16章基因表达调控u 诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表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。达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基

6、因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导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基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏遏(repression) 。第16章基因表达调控6. 基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义l 适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖l 维持个体发育与分化维持个体发育与分化第16章基因表达调控7. 基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因基因激活激活转录起始转录起始转录后加工转录

7、后加工mRNA降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等第16章基因表达调控8. 决定基因转录的要素决定基因转录的要素l 顺式作用元件顺式作用元件l 反式作用因子反式作用因子l RNA聚合酶聚合酶l 染色质构象染色质构象第16章基因表达调控顺式作用元件顺式作用元件第二节第二节第16章基因表达调控能调节能调节(激活或阻遏）基因转录的激活或阻遏）基因转录的DNA序列。序列。顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element)第16章基因表达调控cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CBA mRNA蛋白质蛋白质

8、AA第16章基因表达调控一、顺式元件调节模式一、顺式元件调节模式正调控元件正调控元件(positive control element)负调控元件负调控元件(negative control element)第16章基因表达调控二、主要顺式元件类别二、主要顺式元件类别l 启动子启动子(promoter)l 增强子增强子(enhancer)l 沉默子沉默子(silencer)l 转录终止子转录终止子(terminator)l 隔离子（隔离子（insulators)第16章基因表达调控(一）启动子一）启动子 (Promotor)位于基因编码区上游，与位于基因编码区上游，与RNA聚合酶识聚合酶识别、

9、结合并启动转录的别、结合并启动转录的DNA序列。序列。第16章基因表达调控1. 原核启动子原核启动子保守序列或一致性序列保守序列或一致性序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列第16章基因表达调控l 决定转录方向决定转录方向l 决定转录的起始效率决定转录的起始效率作用作用:第16章基因表达调控2. 真核启动子真核启动子

10、l 核心启动子核心启动子 -25 -30: TATA box Goldberg-Hogness boxl 上游启动子元件上游启动子元件(GC盒、盒、CAAT盒等盒等) 地中海贫血：地中海贫血： ATAAAATGAA， 珠蛋白产量下降珠蛋白产量下降第16章基因表达调控第16章基因表达调控(二二) 增强子增强子 (enhancer)能加强上游或下游基因转录的能加强上游或下游基因转录的DNA序列，序列，又称远端增强子元件又称远端增强子元件增强转录效率增强转录效率 (100 folds)The first identified enhancer: SV40 virus第16章基因表达调控增强子的特性：

11、增强子的特性：存在于真核细胞或某些病毒基因组内存在于真核细胞或某些病毒基因组内与特异反式因子结合，使同一与特异反式因子结合，使同一DNA链上链上 启动子活性增强启动子活性增强序列较长序列较长(数百个数百个bp)远端增强子元件远端增强子元件距离、方向非依赖性距离、方向非依赖性组织细胞特异性，无基因特异性组织细胞特异性，无基因特异性第16章基因表达调控Enhancer Looping Theory第16章基因表达调控(三三) 沉默子沉默子 (silencer)能抑制上游或下游基因转录的能抑制上游或下游基因转录的DNA序列。序列。负调控元件负调控元件 距离、方向非依赖性距离、方向非依赖性 无基因特异

12、性、常与增强子并存无基因特异性、常与增强子并存当其结合特异蛋白因子时，对基因转录当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。起阻遏作用。第16章基因表达调控（四）终止子（四）终止子（terminatorterminator） 提供转录停止信号的提供转录停止信号的DNADNA序列序列第16章基因表达调控原核生物原核生物 （与回文序列有关）（与回文序列有关） 上海自来水来自海上上海自来水来自海上1 1、依赖于、依赖于rho(rho( ) )：与：与RNARNA聚合酶结合，阻止聚合酶结合，阻止RNARNA 聚合酶越过终止信号使转录停止，并与聚合酶越过终止信号使转录停止，并与RNARNA自自 DNA

13、DNA模板解离有关。模板解离有关。2 2、不依赖、不依赖rho(rho( )()(简单的终止子简单的终止子):):回文区富含回文区富含 G-CG-C序列使序列使RNARNA形成发夹结构，终点前一系列形成发夹结构，终点前一系列U U （6 6个），使个），使RNA-polRNA-pol脱离模板。脱离模板。第16章基因表达调控依赖于依赖于rho(rho( ) )：第16章基因表达调控不依赖不依赖rho(rho( ):):第16章基因表达调控第16章基因表达调控（五）隔离子（五）隔离子 真核基因组内能限定独立转录活性真核基因组内能限定独立转录活性结构域的结构域的DNADNA元件元件抗增强子抗增强子抗

14、沉默子抗沉默子第16章基因表达调控反式作用因子反式作用因子第三节第三节第16章基因表达调控与顺式作用元件直接或间接相互作用，与顺式作用元件直接或间接相互作用，影响基因表达的蛋白质因子。影响基因表达的蛋白质因子。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)第16章基因表达调控一、反式因子的类别一、反式因子的类别l基本转录因子基本转录因子(general transcription factor)l转录激活因子转录激活因子(transcription activator)l转录阻遏因子转录阻遏因子(transcription repressor)1. RNA聚合酶聚合酶 (R

15、NA polymerase)2. 转录因子转录因子(transcription factor；TF)第16章基因表达调控（一）（一）RNA聚合酶聚合酶 (RNA polymerase)1. 原核生物原核生物RNA聚合酶聚合酶全酶全酶 = 核心酶核心酶( 2 ) + 亚基亚基 亚基亚基: 起始亚基起始亚基 亚基亚基: 催化亚基催化亚基全酶分子可完成转录全过程全酶分子可完成转录全过程第16章基因表达调控第16章基因表达调控2. 真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶l 需多种转录因子的协同作用需多种转录因子的协同作用RNApol II的亚基组成：的亚基组成：l CTD(C-terminal domai

16、n)：羧基末端结构域：羧基末端结构域重复序列：重复序列：Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser第16章基因表达调控（二）基本转录因子（二）基本转录因子 (general transcription factor)与核心启动子元件特异结合，构成基础转与核心启动子元件特异结合，构成基础转录装置所必需的转录因子录装置所必需的转录因子TF-II D TF-II F直接结合直接结合间接结合间接结合第16章基因表达调控 转录起始前复合物转录起始前复合物 （pre-initiation complex，PIC）第16章基因表达调控二、反式作用因子的结构二、反式作用因子的结构l 蛋白质蛋白质-

17、蛋白质相互作用结构域蛋白质相互作用结构域 (Protein-protein interaction domain)l DNA结合域结合域(DNA binding domain)l 转录活性调节结构域转录活性调节结构域 (Transcriptional activity domain ： activator domain / repressor domain)第16章基因表达调控DNA与蛋白质与蛋白质相互作用的结构特征相互作用的结构特征第四节第四节第16章基因表达调控结构域与基序结构域与基序结构域（结构域（Functional domains） 大分子内部相对独立并与其功能特性相大分子内部相对独

18、立并与其功能特性相关的结构单位。关的结构单位。基序基序(motifs) 具有功能意义的亚（小）结构域。具有功能意义的亚（小）结构域。 二级结构的聚集体二级结构的聚集体(超二级结构超二级结构)第16章基因表达调控l 螺旋螺旋-转角转角-螺旋基序螺旋基序(helix-turn-helix; HTH )l 碱性区碱性区/亮氨酸拉链基序亮氨酸拉链基序 (basic region/leucine zipper; bZIP)l 锌指基序锌指基序(zinc finger)l “溴溴”结构域（结构域（bromodomain)结构域与模体主要有：结构域与模体主要有：第16章基因表达调控1. 螺旋螺旋-转角转角-

19、螺旋基序螺旋基序(helix-turn-helix; HTH )常结合常结合CAAT盒盒如转录调节蛋白如转录调节蛋白CAP(降降解产物激活蛋白）典型解产物激活蛋白）典型含有含有HTH模体模体 第16章基因表达调控识别螺旋识别螺旋(recognition helix)分解产物基因激活蛋白（分解产物基因激活蛋白（CAP）为同二聚体分子结构中含）为同二聚体分子结构中含HTH模体，该模体由两段模体，该模体由两段-螺旋和一段螺旋和一段-转角构成（但需转角构成（但需要另外伸出的第三个要另外伸出的第三个-螺旋才能稳定），第二个螺旋才能稳定），第二个-螺旋负螺旋负责识别责识别DNA大沟序列，故称为识别螺旋大沟

20、序列，故称为识别螺旋 第16章基因表达调控2. 碱性区碱性区/亮氨酸拉链基序亮氨酸拉链基序 N-端：碱性区端：碱性区 与特异碱基序列相互作用与特异碱基序列相互作用 C-端：端：Leucine zipper 使使bZIP家族蛋白形成同源或异源二聚体家族蛋白形成同源或异源二聚体第16章基因表达调控H O C2C O2HP P r ro oG G l l y yP P r ro o C C / / E E B B P P C C H H O O P P - -1 1 0 0 Jun/FosJun/Fos二聚体（二聚体（APAP1 1）含）含bLZ,bLZ,与与5 5ATGACTCATATGACTCA

21、T3 3（回文结构）结合（回文结构）结合第16章基因表达调控3. 锌指基序锌指基序(zinc finger)常结合常结合GC盒盒C CysH His类锌指蛋白类锌指蛋白第16章基因表达调控 由约由约30个氨基酸残基组成，序列特征为：个氨基酸残基组成，序列特征为：Cys-X2-5-Cys-X12-His-X2-5-His。由。由12个残基构成的个残基构成的-螺旋，靠螺旋，靠Zn2+与与相对的相对的-折叠结构相连。其连续存在的锌指模体识别螺旋折叠结构相连。其连续存在的锌指模体识别螺旋位于位于DNA的大沟的大沟第16章基因表达调控类锌指蛋白类锌指蛋白DNA结合域（结合域（DBD)由由7080个氨基酸

22、残基构成，其中包含个氨基酸残基构成，其中包含两个串联的锌指模体变体；两个模体之两个串联的锌指模体变体；两个模体之N端端-识别螺旋，识别螺旋，模体另一个端则是不规则的环，为二聚化作用界面模体另一个端则是不规则的环，为二聚化作用界面 第16章基因表达调控4、 “溴溴”结构域结构域 （bromodomain) 在许多（在许多（100种）转录因子或转录共激活种）转录因子或转录共激活/阻遏阻遏因子中存在的螺旋束样的结构域，称为因子中存在的螺旋束样的结构域，称为“溴溴”结构域。结构域。“溴溴”结构域可特异性识别组蛋白的结构域可特异性识别组蛋白的乙酰化赖氨酸残基，故具有乙酰化赖氨酸残基，故具有“溴溴”结构域

23、的蛋结构域的蛋白质白质/酶通常与组蛋白的乙酰化酶通常与组蛋白的乙酰化-去乙酰化修饰去乙酰化修饰作用相关作用相关 第16章基因表达调控“溴溴”结构域中的一致性序结构域中的一致性序列列 第16章基因表达调控原核基因表达调控原核基因表达调控(Prokaryotic Gene Control)第五节第五节第16章基因表达调控一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点1. 多顺反子多顺反子mRNA第16章基因表达调控2. 转录水平调控转录水平调控3. 负调控为主负调控为主4. 操纵子为主要转录调节模式操纵子为主要转录调节模式第16章基因表达调控乳糖操纵子模型的提出乳糖操纵子模型的提出二、乳糖操纵子

24、调节机制二、乳糖操纵子调节机制1960年，年，Jacob和和Monod首次发现首次发现第16章基因表达调控（一）乳糖操纵子的结构（一）乳糖操纵子的结构第16章基因表达调控lacZ编码编码-半乳糖苷酶，半乳糖苷酶，500kd，切断乳糖的，切断乳糖的半乳糖苷键，而产生半乳糖和葡萄糖半乳糖苷键，而产生半乳糖和葡萄糖 lacY编码编码一半乳糖苷透性酶，一半乳糖苷透性酶，30kDd，构成，构成转运系统，将半乳糖苷运入到细胞中转运系统，将半乳糖苷运入到细胞中 lacA编码硫半乳糖苷乙酰转移酶，乙酰编码硫半乳糖苷乙酰转移酶，乙酰-辅辅酶酶A上的乙酰基转移到上的乙酰基转移到-半乳糖苷上半乳糖苷上 第16章基因

25、表达调控操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点 操纵子操纵子(Operon)：原核生物结构基因及其表：原核生物结构基因及其表达调控序列共同组成的基因表达调控单元。达调控序列共同组成的基因表达调控单元。第16章基因表达调控mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二）阻遏蛋白的负性调节（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因第16章基因表达调控mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶第16章基因表达调控 异半乳糖异半乳糖(al

26、lolactose)诱导剂诱导剂第16章基因表达调控强诱导剂强诱导剂: IPTGIPTG：isopropyl-D-thiogalactoside异丙基异丙基-D-硫代半乳糖苷硫代半乳糖苷 第16章基因表达调控l cAMP结合位点结合位点l DNA结合域结合域(HTH)CAP ：catabolic activator proteinCAP与与cAMP的结合，使的结合，使DNA结合域得以暴露结合域得以暴露cAMP-CAP与与CAP位点的结合，使位点的结合，使DNA双螺旋链稳双螺旋链稳定性降低，有利于定性降低，有利于RNA聚合酶与启动子的相互作用聚合酶与启动子的相互作用（三）（三） CAP的正性调节

27、的正性调节第16章基因表达调控AYZOPIcAMPRNA polCAP无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时第16章基因表达调控AYZOPIRNA pol有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时CAP第16章基因表达调控葡萄糖对葡萄糖对cAMP浓度的调节主要是葡萄糖浓度的调节主要是葡萄糖代谢产物代谢产物G-6-P抑制抑制AC(腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶)的的活性，激活磷酸二酯酶，而使活性，激活磷酸二酯酶，而使cAMP生成生成减少。减少。第16章基因表达调控（四）协调调节（四）协调调节l 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；l 若有葡萄糖或葡萄糖若有葡

28、萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，乳糖共同存在时， 细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。第16章基因表达调控mRNA低异乳糖时低异乳糖时高异乳糖时高异乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO第16章基因表达调控色氨酸操纵子色氨酸操纵子 负调控负调控Trp丰富丰富 Trp-阻遏蛋白（复合物）阻遏蛋白（复合物） 复合物和复合物和O区结合区结合 RNA-plo与与P结合减少结合减少阻止阻止RNA-plo通过通过O区区 Trp第16章基因表达调控Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构

29、基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子第16章基因表达调控阿拉伯糖操纵子（双向调节）阿拉伯糖操纵子（双向调节）第16章基因表达调控第第 六六 节节 真核基因转录调节真核基因转录调节Regulation of Eukaryotic Gene Transcription第16章基因表达调控一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大（一）真核基因组结构庞大哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNA 约约 3 10 9 碱基对碱基对编码基因约编码基因约 有有 40000 个，占总长的个，占总长的6 %rDNA等重复基因约等重复基因约

30、 占占 5% 10%第16章基因表达调控（二）单顺反子（二）单顺反子单顺反子单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成一个即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，分子，经翻译生成一条多肽链。经翻译生成一条多肽链。第16章基因表达调控（三）重复序列（三）重复序列单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（10106 6 次）次）中度重复序列（中度重复序列（10103 3 10 104 4次）次）多拷贝序列多拷贝序列第16章基因表达调控（四）基因不连续性（四）基因不连续性第16章基因表达调控染色体水平染色体水平DNA的活化的活化转录的起始转录的起始h

31、nRNA 的剪切和加工的剪切和加工mRNA 转移到胞浆转移到胞浆翻译翻译二、真核基因表达多级调控二、真核基因表达多级调控第16章基因表达调控第16章基因表达调控 真核基因表达调控特点：真核基因表达调控特点：（一）（一）RNA聚合酶聚合酶（二）活性染色体结构变化（二）活性染色体结构变化（三）正性调节占主导（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工（五）转录后修饰、加工第16章基因表达调控2. DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋

32、负超螺旋转录方向转录方向1. 对核酸酶敏感对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近结合位点附近 第16章基因表达调控3. DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。第16章基因表达调控第16章基因表达调控4. 组蛋白变化组蛋白变化富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低 活性的核小体常缺乏活性的核小体常缺乏H1，但却结合有非组蛋白存，但却结合有非组蛋白存在在 H2A, H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加组蛋白修饰组蛋白修

33、饰 H1组蛋白磷酸化，对组蛋白磷酸化，对DNA亲和力低亲和力低 核心组蛋白的修饰，乙酰化，磷酸化核心组蛋白的修饰，乙酰化，磷酸化 H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露第16章基因表达调控三、三、RNA pol I 和和pol 的转录调节的转录调节 RNA pol I转录产物只有转录产物只有rRNA前体，有前体，有2个顺式作用元个顺式作用元件（件（-45+20bp核心元件，核心元件，-156-107bp上游控制元件上游控制元件UCE），需两种转录因子来正确有效地帮助起始转录），需两种转录因子来正确有效地帮助起始转录（上游结合因子（上游结合因子1和选择性因子和选择性因子1）。）。 RNA pol 对对