基因表达调控-本部-2017

1、目目 录录Regulation of Gene Expression目目 录录目目 录录第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理Basic Conceptions and Principle目目 录录* * 基因组基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。整套基因。基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。功能的蛋白质分子的过程。* * 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目目 录录蛋白质（性状）蛋白质（性状）DNA(基因

2、）基因） RNA翻译翻译转录转录逆逆录录转转DNA(基因）基因） RNA 基因表达是受调控的基因表达是受调控的目目 录录 基因表达的方式基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）组成性表达（一）组成性表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为续表达，通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。目目 录录（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激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，这种基因称为活，基因表达产物增加，

3、这种基因称为可诱导可诱导基因基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为称为诱导诱导(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。目目 录录在一定机制控制下，功能上相关的一组基在一定机制控制下，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、因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共 同 表 达 ， 即 为共 同 表 达 ， 即 为 协 调 表 达协

4、调 表 达 ( c o o r d i n a t e e x p re s s i o n ) ， 这 种 调 节 称 为 协 调 调 节这 种 调 节 称 为 协 调 调 节(coordinate regulation)。目目 录录基因表达调控为生物体生长、发育所必需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（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，以便更好生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环

5、境，维持其生长和增殖。地适应环境，维持其生长和增殖。 目目 录录（二）以维持细胞分化与个体发育（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，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。些差异是调节细胞表型的关键。 目目 录录 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 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰转录起始

6、转录起始目目 录录第第 二二 节节 原核基因转录调节原核基因转录调节Regulation of Prokaryotic Gene Transcription目目 录录调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点（一一）因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性目目 录录 操纵子操纵子 原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录地串联、密集于染色体上，共

7、同组成一个转录单位单位操纵子（操纵子（operon）。一个操纵子只含一）。一个操纵子只含一个启动序列（个启动序列（promoter）及数个可转录的编码）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。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。个启动基因的活性来完成的。 目目 录录 乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基

8、转移酶ZYAOPDNA目目 录录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因目目 录录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目目 录录+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时 CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP目目 录录 协调调节协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，

9、CAP对该系统不能对该系统不能发挥作用；发挥作用；如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。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；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若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代分解代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。 目目 录录mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄

10、糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO目目 录录n1961年，法国科学家莫诺（年，法国科学家莫诺（JLMonod，1910-1976）与雅可布（）与雅可布（FJacob）发表）发表“合成中的遗传调节机制合成中的遗传调节机制”一文，提出一文，提出操纵子学说，开创了基因调控的研究。操纵子学说，开创了基因调控的研究。四年后的四年后的1965年，莫诺与雅可布以及巴年，莫诺与雅可布以及巴斯德研究所的斯德研究所的ALwoff共同荣获诺贝尔共同荣获诺贝尔生理学与医学奖。生理学与医学奖。目目 录录 莫诺莫诺 Jacques Monod 法国法国 巴黎巴斯德研究所巴黎巴斯德研究所 1910年年-

11、1976年年 目目 录录 雅各布雅各布 Franois Jacob 法国法国 巴黎巴斯德研究所巴黎巴斯德研究所 1920年年- 目目 录录 尔沃夫尔沃夫 Andr Lwoff 法国法国 巴黎巴斯德研究所巴黎巴斯德研究所 1902年年-1994年年 目目 录录第第 三三 节节 真核基因转录调节真核基因转录调节Regulation of Eukaryotic Gene Transcription目目 录录一、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rDNA等重复基因等重复基因约约

12、占占 5% 10%目目 录录（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，经翻译生成一条多肽链。分子，经翻译生成一条多肽链。（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（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（四）基因不连续性四）基因不连续性目目 录录二、真核基因表达调控特点二、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1. 对核酸酶敏感对核酸酶敏感活

13、化基因常有超敏位点，位于调节蛋活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。白结合位点附近。目目 录录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负超螺旋转录方向转录方向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。目目 录录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 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

14、蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露（三三）正性调节占主导正性调节占主导（四四）转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工五）转录后修饰、加工目目 录录三、真核基因转录激活调节三、真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件一）顺式作用元件1. 启动子启动子真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个少包括一个转录起始点转录起始点以及一个以上以及一个以上的的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒目目 录录目目 录录2. 增强子增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间

15、、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空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序序列。列。3. 沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异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。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。目目 录录目目 录录（二）反式作用因子二）反式作用因子 1. 转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）* 基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种白因子

16、，决定三种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。目目 录录* 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因的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。时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子目目 录录2. 转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域目目 录录最常见的最常见的DNA

17、结合域结合域 1. 锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒目目 录录ZnCysHis目目 录录 2. -螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒目目 录录（三（三）mRNA 转录激活及其调节转录激活及其调节polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，形成在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物的转录起始复合物TATA DNATBP相关因子相关因子目目 录录真核基因转录调节是真核基因转录调节是复杂的、多样的复杂的、多样的*不同的不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录元件组合可产生多种类型的转录调节方式；调节方式；*

18、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DNA元元件。件。*转录因子与转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。节之分。目目 录录是一大家族小分子非编码单链是一大家族小分子非编码单链RNA。 小分子小分子RNA对基因表达的调节十分复杂对基因表达的调节十分复杂1微小微小RNA (microRNA, miRNA)目目 录录n1990年，曾有科学家给矮牵牛花插入一年，曾有科学家给矮牵牛花插入一种催生红色素的基因，希望能够让花朵种催生红色素的基因，希望能够让花朵更鲜艳。但意

19、想不到的事发生了：矮牵更鲜艳。但意想不到的事发生了：矮牵牛花完全褪色，花瓣变成了白色！科学牛花完全褪色，花瓣变成了白色！科学界对此感到极度困惑。界对此感到极度困惑。 目目 录录目目 录录目目 录录n类似的谜团，直到美国科学家安德鲁类似的谜团，直到美国科学家安德鲁法法尔和克雷格尔和克雷格梅洛发现（核糖核酸）梅洛发现（核糖核酸）干扰机制才得到科学的解释。两位科学干扰机制才得到科学的解释。两位科学家也正是因为家也正是因为1998年做出的这一发现而年做出的这一发现而荣获荣获2006年的诺贝尔生理学或医学奖。年的诺贝尔生理学或医学奖。 目目 录录n根据法尔和梅洛的发现，科学家在矮牵根据法尔和梅洛的发现，

20、科学家在矮牵牛花实验中所观察到的奇怪现象，其实牛花实验中所观察到的奇怪现象，其实是因为生物体内某种特定基因是因为生物体内某种特定基因“沉默沉默”了。导致基因了。导致基因“沉默沉默”的机制就是的机制就是干扰机制。干扰机制。 目目 录录n此前，分子只是被当作从此前，分子只是被当作从到蛋白质的到蛋白质的“中间人中间人”、将遗传信息从、将遗传信息从“蓝图蓝图”传到传到“工人工人”手中的手中的“信使信使”。但法尔和梅洛的研究让人们认识到，但法尔和梅洛的研究让人们认识到，作用不可小视，它可以使特定基因作用不可小视，它可以使特定基因开启、关闭、更活跃或更不活跃，从而开启、关闭、更活跃或更不活跃，从而影响生物

21、的体型和发育等。影响生物的体型和发育等。 目目 录录n microRNA(miRNA)是一类长度很短的非是一类长度很短的非编码调控单链小分子编码调控单链小分子RNA，约，约2024 nt(少数少数小于小于20 nt的的)，由一段具有发夹环结构的长，由一段具有发夹环结构的长度为度为7080 nt 的单链的单链RNA 前体前体(pre-miRNA)剪切后生成。它通过与其目标剪切后生成。它通过与其目标mRNA分子的分子的3端非编码区域端非编码区域(3-untranslatedregion, 3 UTR)互补结合抑制靶互补结合抑制靶mRNA翻译或启动翻译或启动其降解而降低靶基因的表达。其降解而降低靶基

22、因的表达。目目 录录 其长度一般为其长度一般为2025个碱基；个碱基； 在不同生物体中普遍存在；在不同生物体中普遍存在； 其序列在不同生物中具有一定的保守性；其序列在不同生物中具有一定的保守性； 具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性； miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。 nmiRNA的特点：的特点：目目 录录miRNA的作用的作用n翻译抑制翻译抑制n转录本的降解转录本的降解目目 录录是一大家族小分子非编码单链是一大家族小分子非编码单

23、链RNA。 小分子小分子RNA对基因表达的调节十分复杂对基因表达的调节十分复杂1微小微小RNA (microRNA, miRNA)目目 录录 是细胞内一类双链是细胞内一类双链RNA(double-stranded RNA，dsRNA)在特定情况下通过一定酶切机制，转变为在特定情况下通过一定酶切机制，转变为具有特定长度具有特定长度(2123个碱基个碱基)和特定序列的小片段和特定序列的小片段RNA。 双链双链siRNA参与参与RISC组成，与特异的靶组成，与特异的靶mRNA完完全互补结合，导致靶全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。降解，阻断翻译过程。 由由siRNA介导的基因表达抑制作用

24、被称为介导的基因表达抑制作用被称为RNA干涉干涉(RNA interference，RNAi)。2小干扰小干扰RNA (small interfering RNA, siRNA)目目 录录 RNARNA干扰干扰(RNAi(RNAi) )nRNARNA干扰干扰(RNAi(RNAi) )现象是指双链现象是指双链RNA(RNA(double-stranded RNA,double-stranded RNA,dsRNAdsRNA) ) 引发的特定基因表达受抑制的现象。引发的特定基因表达受抑制的现象。目目 录录siRNAmiRNA前体前体内源或外源长双链内源或外源长双链RNA诱导诱导产生产生内源发夹环结

25、构的转录产物内源发夹环结构的转录产物结构结构双链分子双链分子单链分子单链分子功能功能降解降解mRNA阻遏其翻译阻遏其翻译靶靶mRNA 结合结合需完全互补需完全互补不需完全互补不需完全互补生物学效应生物学效应抑制转座子活性和病毒感染抑制转座子活性和病毒感染发育过程的调节发育过程的调节siRNA 和和miRNA的差异比较的差异比较目目 录录 RNA world目目 录录2006 诺贝尔医学生理学奖诺贝尔医学生理学奖n年诺贝尔生理学或医学奖授予年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家安德鲁美国科学家安德鲁法尔和克雷格法尔和克雷格梅洛，梅洛，以表彰他们发现了（核糖核酸）以表彰他们发现了（核糖核酸）干扰机制

26、。干扰机制。目目 录录Andrew Z. Fire Craig C. Mello USA USA b. 1959 b. 1960 目目 录录n在美国马萨诸塞州医学院工作的梅在美国马萨诸塞州医学院工作的梅洛与在斯坦福大学医学院工作的法尔分洛与在斯坦福大学医学院工作的法尔分享了一千万瑞典克朗享了一千万瑞典克朗(137万美元万美元)的奖金。的奖金。目目 录录n克雷格克雷格梅洛在他位于马萨诸塞州的家中梅洛在他位于马萨诸塞州的家中表示：表示：“这令人感到惊奇。我至今仍难这令人感到惊奇。我至今仍难以相信自己获奖了。我曾想到我可能会以相信自己获奖了。我曾想到我可能会获奖，但我现在只有获奖，但我现在只有45岁，我想我可能岁，我想我可能在十年或二十年后获奖。在十年或二十年后获奖。”目目 录录n47岁的安德鲁岁的安德鲁法尔则称，诺贝尔委员会法尔则称，诺贝尔委员会的电话通知使他感到很惊讶。他在接受的电话通知使他感到很惊讶。他在接受电