基因表达调控

1、v 第一节第一节 基因表达调控概述基因表达调控概述v 第二节第二节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控v 第三节第三节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控一、与基因表达相关的概念一、与基因表达相关的概念1 1、基因：负载特定遗传信息，由编码序列、非编码调节序、基因：负载特定遗传信息，由编码序列、非编码调节序列和内含子组成的列和内含子组成的DNADNA片段。片段。2 2、基因组：来自一个物种的全套遗传信息。、基因组：来自一个物种的全套遗传信息。3 3、基因表达：基因转录及翻译的过程（包括、基因表达：基因转录及翻译的过程（包括rRNArRNA、tRNAtRNA的的转录）。转录）。二、基

2、因表达的特性二、基因表达的特性1 1、时间特异性（阶段特异性）：按功能需要，某一特定基、时间特异性（阶段特异性）：按功能需要，某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。因表达严格按特定的时间顺序发生。2 2、空间特异性（细胞或组织特、空间特异性（细胞或组织特异性）：在个体生长过程中，异性）：在个体生长过程中，某种基因产物在不同组织空间某种基因产物在不同组织空间出现。出现。三、基因表达的方式三、基因表达的方式v 组成型表达组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。指不大受环境变动而变化的一类基因表达。 管家基因：在生物体生命的全过程都是必须的，且在管家基因：在生物体生命的全过程都是必须的

3、，且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。例如：一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。例如：微管蛋白基因、核糖体蛋白基因。微管蛋白基因、核糖体蛋白基因。 v 适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。分为诱导和阻遏。基因表达。分为诱导和阻遏。 奢侈基因奢侈基因协调调节（协调调节（coordinate regulationcoordinate regulation）：在一定机制控制下）：在一定机制控制下，机能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需，机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

4、表达，即为协调表达。这种调节称为协调协调一致、共同表达，即为协调表达。这种调节称为协调调节。调节。四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义v 适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖v 维持个体发育与分化维持个体发育与分化五、基因表达调控的基本原理五、基因表达调控的基本原理1 1、基因表达的多级调控、基因表达的多级调控v DNADNA水平水平v 转录水平：转录水平：转录起始转录起始v 转录后水平：转录后加工，转录后水平：转录后加工，mRNAmRNA降解，蛋白质翻译，翻译降解，蛋白质翻译，翻译后加工修饰，蛋白质降解等后加工修饰，蛋白质降解等2 2、基因转录激活调节基本要素

5、、基因转录激活调节基本要素v 特异特异DNADNA序列：操纵子（原核）、顺式作用元件（真核）序列：操纵子（原核）、顺式作用元件（真核）v 调节蛋白：调节蛋白：u原核生物：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白等原核生物：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白等DNADNA结合蛋白结合蛋白 阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在 u真核生物：转录因子（主要为反式作用因子）真核生物：转录因子（主要为反式作用因子） 正性调节机制在真核生物普遍存在正性调节机制在真核生物普遍存在 3 3、转录调节的作用机理：、转录调节的作用机理：DNA-DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质

6、- -蛋白质相互蛋白质相互作用，作用，RNARNA聚合酶活性调节聚合酶活性调节 v DNA-DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质- -蛋白质相互作用：反式作用因子与蛋白质相互作用：反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及非共价结合。顺式作用元件之间的特异识别及非共价结合。蛋白质的蛋白质的DNADNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。绝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大多数调节蛋白质结合DNADNA前，需通过蛋白质前，需通过蛋白质- -蛋白质相互蛋白质相互作用，形成二聚体作用，形成二聚体(dimer)(dimer)或多聚体或多聚体(polymer)(polyme

7、r)。v RNARNA聚合酶聚合酶uRNARNA聚合酶与原核启动序列聚合酶与原核启动序列/ /真核启动子的亲和力，影响转真核启动子的亲和力，影响转录。录。u一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过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-DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质- -蛋白质相互作用影响蛋白质相互作用影响RNARNA聚合酶活性聚合酶活性。主要发生在转录水平，多为调控转录起始主要发生在转录水平，多为调控转录起始一、一、因子：当环境发生改变后，因子：当环境发生改变后，因子替换，关闭某些基因子替换，关闭某些基因的表达，启动另外一些基因的转录。因的表达，启动另外一些

8、基因的转录。二、操纵子模型：二、操纵子模型：操纵子操纵子(operator)(operator)：原核生物中，：原核生物中，2 2个以上功能相关的编码个以上功能相关的编码序列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组中序列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成的基因调控单位。成簇串联组成的基因调控单位。v 激活蛋白：结合启动序列邻近的激活蛋白：结合启动序列邻近的DNADNA序列，促进序列，促进RNARNA聚合酶聚合酶与启动序列的结合。与启动序列的结合。v 阻遏蛋白：识别、结合特异阻遏蛋白：识别、结合特异DNADNA序列（操纵序列），抑制序列（操纵序列），抑制基因转录。基因

9、转录。1 1、乳糖操纵子（分解代谢的典型例子）、乳糖操纵子（分解代谢的典型例子）v 结构基因：结构基因：Z Z、Y Y和和A A。分别编码分别编码-半乳糖苷酶、半乳糖苷酶、-半乳半乳糖苷透过酶、糖苷透过酶、-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷乙酰基转移酶v 调控元件：调控元件： cAMP-CAPcAMP-CAP结合位点结合位点(C)(C)、启动子、启动子(P)(P)、操纵序、操纵序列列(O)(O)v 调节基因：调节基因：laclacI I，编码阻遏蛋白，编码阻遏蛋白mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时1）阻遏蛋白的负性调节）阻遏蛋白的负性调节调节基因调节基因m

10、RNA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+ + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高浓度高有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低浓度低2 2）CAPCAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPmRNA无乳糖时无乳糖时有乳糖时有乳糖时 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-polOOOO3 3）协调调节：）协调调节： laclac操纵子的功能是在阻遏蛋白和操纵子的功能是在阻遏蛋白和cAMP-CAPcAMP-CAP

11、复合物这两个相互独立的调控体系共同作用下实现的。复合物这两个相互独立的调控体系共同作用下实现的。a a葡萄糖存在，乳糖存在时：乳糖作为诱导剂和阻遏蛋白葡萄糖存在，乳糖存在时：乳糖作为诱导剂和阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵子解离。但结合，使阻遏蛋白与操纵子解离。但cAMPcAMP浓度较低，浓度较低，cAMPcAMP和和CAPCAP结合受阻，基因处于关闭状态。结合受阻，基因处于关闭状态。b b葡萄糖和乳糖都不存在时：葡萄糖和乳糖都不存在时：cAMP-CAPcAMP-CAP发挥正调控作用，发挥正调控作用，但没有诱导剂，阻遏蛋白使基因仍处于关闭状态。但没有诱导剂，阻遏蛋白使基因仍处于关闭状态。c c葡

12、萄糖存在，乳糖不存在时：无诱导剂存在，阻遏蛋白葡萄糖存在，乳糖不存在时：无诱导剂存在，阻遏蛋白与与DNADNA结合。而且由于葡萄糖的存在，结合。而且由于葡萄糖的存在，CAPCAP不能发挥正调控不能发挥正调控作用，基因处于关闭状态。作用，基因处于关闭状态。d d葡萄糖不存在，乳糖存在时：葡萄糖不存在，乳糖存在时：CAPCAP发挥正调控作用，阻遏发挥正调控作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。启动转录。2 2、色氨酸操纵子、色氨酸操纵子（合成代谢的典型例子）（合成代谢的典型例子）v 结构基因：结构基因：trpEtrp

13、E、trpDtrpD、trpCtrpC、trpBtrpB、trpAtrpA，参与色氨酸，参与色氨酸合成合成v 调控元件：启动子、操纵区、前导区（调控元件：启动子、操纵区、前导区（trpLtrpL）和衰减子（）和衰减子（trpatrpa）v 调节基因：调节基因：trpRtrpR1 1）trptrp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统vtrptrpR R基因产物称为辅阻遏蛋白（基因产物称为辅阻遏蛋白（aporepressoraporepressor），需与色氨），需与色氨酸结合形成有活性的阻遏物。酸结合形成有活性的阻遏物。v 当培养基中色氨酸含量较高时，它与游离的辅阻遏蛋白结合当培养基中色氨酸含量较高

14、时，它与游离的辅阻遏蛋白结合，并与操纵区，并与操纵区DNADNA紧紧 密结合；当培养基中密结合；当培养基中 色氨酸供应不足时，色氨酸供应不足时， 阻遏物失去色氨酸并阻遏物失去色氨酸并 从操纵区上解离，从操纵区上解离， trp trp操纵子去阻遏。操纵子去阻遏。Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子trptrp操纵子的阻遏操纵子的阻遏2 2）衰减作用）衰减作用v 前导区：在前导区：在trp trp mRNA 5mRNA 5端有一个长端有一个长162bp162bp的的mRNA

15、mRNA片段。包片段。包括起始密码子括起始密码子AUGAUG和终止密码子和终止密码子UGAUGA，能产生一个含有，能产生一个含有1414个氨个氨基酸的前导肽。基酸的前导肽。 在前导区的第在前导区的第1010和第和第1111位上有相邻的两个色氨酸密码子。位上有相邻的两个色氨酸密码子。v 衰减子：前导区内，有衰减子：前导区内，有4 4个分别以个分别以1 1、2 2、3 3和和4 4表示的片段，表示的片段，能以两种不同的方式进行碱基配对，可以能以两种不同的方式进行碱基配对，可以1-21-2和和3-43-4配对，也配对，也可以可以2-32-3方式配对。方式配对。当出现当出现3-43-4配对时，配对时，

16、由于后续碱基为多由于后续碱基为多个个U U，形成了终止子，形成了终止子结构，称为衰减子。结构，称为衰减子。UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUUv 衰减作用衰减作用u培养基中色氨酸浓度低，培

17、养基中色氨酸浓度低，trp-tRNAtrp-tRNATrpTrp就少，翻译通过两个就少，翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就慢，当相邻色氨酸密码子的速度就慢，当4 4区被转录完成时，核区被转录完成时，核糖体才进行到糖体才进行到1 1区（停留在两个相邻的区（停留在两个相邻的trptrp密码子处），前密码子处），前导区导区2-32-3配对，不形成配对，不形成3-43-4配对的终止子结构，转录继续进配对的终止子结构，转录继续进行。行。u培养基中色氨酸浓度高，核糖体顺利通过两个相邻的色氨培养基中色氨酸浓度高，核糖体顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在酸密码子，在4 4区被转录之前就到达区被转录之前就到达

18、2 2区，区，3-43-4区配对形成区配对形成终止子结构，转录停止。终止子结构，转录停止。所以，衰减子对所以，衰减子对RNARNA聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。体所处的位置。UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNARNA聚合酶聚合酶 1.1.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导

19、肽 前导前导mRNA2.2.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNARNA聚合酶聚合酶 终止终止色氨酸操纵子衰减作用色氨酸操纵子衰减作用三、原核生物翻译水平的调节三、原核生物翻译水平的调节1、蛋白质分子的自我调节、蛋白质分子的自我调节 调节蛋白作用于自身调节蛋白作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称为，抑制自身的合成，称为自我抑制。结合自我抑制。结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区。起始区。2、反义、反义RNA对翻译的调节作用对翻译的调节作用

20、 与与mRNA杂交，阻断杂交，阻断30S小亚基对起始密码子的识别及小亚基对起始密码子的识别及与与SD序列的结合，抑制翻译起始，称为反义抑制。序列的结合，抑制翻译起始，称为反义抑制。一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点1 1、真核、真核基因组结构庞大基因组结构庞大哺乳类动物基因组：哺乳类动物基因组：DNA DNA 约约 3 3 10 109 9 bp bp 编码基因约编码基因约3 3万个，占万个，占6%6%，rDNArDNA等重复基因约占等重复基因约占5%5%10%10%2 2、单顺反子单顺反子3 3、重复序列、重复序列4 4、基因不连续性：非编码序列，外显子，内含子、基因不连续性：非编

21、码序列，外显子，内含子单拷贝序列（简单重复序列，一次或数次）单拷贝序列（简单重复序列，一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（106 次）次）中度重复序列（中度重复序列（103 104次）次）多拷贝序列多拷贝序列二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点1 1、RNARNA聚合酶：聚合酶：3 3种种2 2、活性染色体结构变化、活性染色体结构变化v 对核酸酶敏感：活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结对核酸酶敏感：活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。合位点附近。v DNADNA拓扑结构变化：拓扑结构变化：v DNADNA碱基修饰变化：真核碱基修饰变化：真核DNADNA约有约有5%

22、5%的胞嘧啶被甲基化，甲的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。基化范围与基因表达程度呈反比。v 组蛋白变化：核小体结构变得不稳定或松弛组蛋白变化：核小体结构变得不稳定或松弛3 3、正性调节占主导、正性调节占主导4 4、转录与翻译分隔进行、转录与翻译分隔进行5 5、转录后修饰、加工、转录后修饰、加工三、真核基因表达调控三、真核基因表达调控 复杂的复杂的多水平调控多水平调控v DNADNA水平：水平：基因丢失、扩增，基因基因丢失、扩增，基因甲基化与激活甲基化与激活v 转录水平：转录水平：转录起始转录起始v 转录后水平：转录后水平：转录后加工，转录后加工，mRNAmRNA降解降解v 翻译

23、水平：翻译水平： 蛋白质翻译蛋白质翻译v 翻译后水平：翻译后水平： 翻译后加工修饰，翻译后加工修饰， 蛋白质降解。蛋白质降解。1 1、DNADNA水平的调控水平的调控 真核生物发育调控的一种形式，包括基因丢失、扩增、真核生物发育调控的一种形式，包括基因丢失、扩增、重排、移位和甲基化等。这种调控使基因组发生了改变。重排、移位和甲基化等。这种调控使基因组发生了改变。2 2、转录水平转录水平的调控的调控真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子的相互作用来实现的。因子的相互作用来实现的。v 顺式作用元件：影响同一顺式作用元件：影响同一

24、DNADNA分子上基因表达活性的非编分子上基因表达活性的非编码码DNADNA序列。序列。 例：启动子、增强子、沉默子等例：启动子、增强子、沉默子等v 反式作用因子：能直接或间接地识别或结合在各类顺式作反式作用因子：能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。用元件上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。 例：例：TFDTFD（TATATATA）、）、CTFCTF（CAATCAAT）、）、SP1SP1（GGGCGGGGGCGG）、）、HSFHSF（热激蛋白启动区）等转录因子。（热激蛋白启动区）等转录因子。u反式作用因子的类型反式作用因子的类型基本转录因子：基本转录因

25、子：RNARNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种子，决定三种RNA(mRNARNA(mRNA、tRNAtRNA及及rRNA)rRNA)转录的类别。转录的类别。特异转录因子：个别基因转录所必需，决定该基因的时间、特异转录因子：个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。包括转录激活因子和转录抑制因子。空间特异性表达。包括转录激活因子和转录抑制因子。u反式作用因子的结构反式作用因子的结构DNADNA结合结构域：螺旋结合结构域：螺旋- -转折转折- -螺旋结构、锌指结构、碱性亮螺旋结构、锌指结构、碱性亮氨酸拉链结构、同源结构域氨酸拉链结构、同

26、源结构域转录激活结构域：酸性激活域、谷氨酰胺富含域、脯氨酸富转录激活结构域：酸性激活域、谷氨酰胺富含域、脯氨酸富含域含域有些还有蛋白质有些还有蛋白质- -蛋白质结合结构域蛋白质结合结构域螺旋螺旋- -转折转折- -螺旋结构：螺旋结构：锌指结构：锌指结构：v mRNA mRNA 转录激活及其调节转录激活及其调节 真核真核RNARNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，形成转录起始复在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。合物。 不同的不同的DNADNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式；元件组合可产生多种类型的转录调节方式；多种转录因子又可结合相同或不同的多种转录因子又可结合相同或不同的DNADNA元

27、件。元件。3 3、其他水平的调控：、其他水平的调控：v 肿瘤：病毒、化学物质、射线等引起基因肿瘤：病毒、化学物质、射线等引起基因(DNA)(DNA)结构和表结构和表达异常，导致细胞周期调控紊乱，细胞生长达异常，导致细胞周期调控紊乱，细胞生长/ /增殖失去控增殖失去控制，最终细胞持续分裂和癌变。制，最终细胞持续分裂和癌变。u良性肿瘤：一群仅局限在自己的正常位置，且不侵染周围良性肿瘤：一群仅局限在自己的正常位置，且不侵染周围其它组织和器官的细胞。其它组织和器官的细胞。u恶性肿瘤（癌，恶性肿瘤（癌，cancercancer）：一群不受生长调控而繁殖的细）：一群不受生长调控而繁殖的细胞，具有胞，具有永生性，侵袭性，扩散性永生性，侵袭性，扩散性。一、癌基因一、癌基因能在体外引起细胞转化、在体内诱发肿瘤的基因。是一些能在体外引起细胞转化、在体内诱发肿瘤的基因。是一些插插入的病毒癌基因或异常的入的病毒癌基因或异常的细胞癌基因细胞癌基因。1 1、病毒癌基因（、病毒癌基因（v-oncv-onc）存在于病毒基因组中的癌基因，它不编码病毒的结构成分，存在于病毒基因组中的癌基因，它不编码病毒的结构成分，对病毒复制也没有作用，但可以使细胞持续增殖。例：禽对病毒复制也没