基因表达的调控4

1、会计学1基因表达的调控基因表达的调控4第1页/共102页n 基因组：基因组：一个细胞或生物体所携带的一套完整的单个遗传一个细胞或生物体所携带的一套完整的单个遗传物质或整套基因物质或整套基因n 基因表达：基因表达：生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录和翻译等一系列过程，合成特定的转录和翻译等一系列过程，合成特定的RNA和蛋白质，和蛋白质，进而发挥其特定的生物功能的全过程。进而发挥其特定的生物功能的全过程。n 根据不同的组织细胞及不同的功能状态、根据生物体生长根据不同的组织细胞及不同的功能状态、根据生物体生长、发育和繁殖的需要，生物基因组有规律地、有

2、选择性地、发育和繁殖的需要，生物基因组有规律地、有选择性地和程序性地适度表达。和程序性地适度表达。生物体通过改变基因表达来适应环生物体通过改变基因表达来适应环境的变化。境的变化。在生物体和细胞的发育及分化的阶段，在生物体和细胞的发育及分化的阶段，基因表基因表达必须受到遗传信息的严格调控。达必须受到遗传信息的严格调控。第2页/共102页第3页/共102页n有些基因参与生命的全过程，需要在一个生物体有些基因参与生命的全过程，需要在一个生物体中所有细胞中持续地表达。这样的基因被称为中所有细胞中持续地表达。这样的基因被称为管管家基因（家基因（housekeeping gene）。n管家基因的表达只与启

3、动序列（或称为启动子）管家基因的表达只与启动序列（或称为启动子）和和RNA聚合酶有关，基本上不受环境因素和其他聚合酶有关，基本上不受环境因素和其他因素的影响。管家基因的表达方式称为因素的影响。管家基因的表达方式称为组成性表组成性表达（达（constitutive expression）。第4页/共102页n有一类基因极易受到外界环境因素的影响。有一类基因极易受到外界环境因素的影响。n在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或增强性的表达，而另一些则表现出关闭性或抑制增强性的表达，而另一些则表现出关闭性或抑制性的表达。因此它们分别称为性的表达。因此它们分

4、别称为诱导表达（诱导表达（induction expression）和和阻遏表达（阻遏表达（repression expression）。这些基因分别称为。这些基因分别称为可诱导（可诱导（inducible）基因）基因和和可阻遏（可阻遏（repressible）基因）基因。n诱导性表达和阻遏性表达是生物体为适应外界环诱导性表达和阻遏性表达是生物体为适应外界环境的改变而做出的两种表现形式。境的改变而做出的两种表现形式。 第5页/共102页n基因表达是一个多步骤的过程。因此，基因表达基因表达是一个多步骤的过程。因此，基因表达调控可以在多个层次上进行，包括染色质水平的调控可以在多个层次上进行，包括染

5、色质水平的调控，转录水平的调控，转录后水平的调控，翻调控，转录水平的调控，转录后水平的调控，翻译水平的调控和翻译后水平的调控。译水平的调控和翻译后水平的调控。n转录水平的调控是最主要和最重要的调控步骤。转录水平的调控是最主要和最重要的调控步骤。 第6页/共102页n时间时间特异性特异性 (temporal specificity) ：在细胞的生：在细胞的生长、发育过程中，相应的基因按一定的时间顺序长、发育过程中，相应的基因按一定的时间顺序开启或关闭，决定细胞向特定的方向分化和发育开启或关闭，决定细胞向特定的方向分化和发育。n多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶

6、段特异阶段特异性性 (stage specificity)。 第7页/共102页第8页/共102页第9页/共102页n空间特异性（即组织特异性）空间特异性（即组织特异性）：在个体生长全过在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的现，称之为基因表达的空间特异性空间特异性 (spatial specificity)。n基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异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，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间特异性又称细胞或组织特异性

7、细胞或组织特异性 (cell or tissue specificity)。第10页/共102页在胰腺和肝脏细胞中高表达的蛋白在胰腺和肝脏细胞中高表达的蛋白级别级别胰腺胰腺% %肝脏肝脏% %1 1羧肽酶原 A17.67.6白蛋白3.53.52 2 胰蛋白酶原 25.55.5载脂蛋白 A-I2.82.83 3 糜蛋白酶原4.44.4载脂蛋白 C-I2.52.54 4 胰蛋白酶 1 3.73.7载脂蛋白 C-III2.12.15 5 弹性蛋白酶 IIIB2.42.4ATP 酶 6/81.51.56 6 蛋白酶 E1.91.9细胞色素氧化酶 31.11.17 7 胰脂肪酶1.91.9细胞色素氧化酶

8、 21.11.18 8 羧肽酶原 B1.71.7a-1-抗胰蛋白酶1.01.09 9 胰淀粉酶1.71.7细胞色素氧化酶 10.90.91010 胆盐刺激脂酶1.41.4载脂蛋白 E0.90.9第11页/共102页n一个基因是否表达和表达多少与一个基因是否表达和表达多少与调节序列（调节序列（regulatory sequence）密切相关。调节序列位于密切相关。调节序列位于被调控的被调控的结构基因（结构基因（structural gene）的上游，具的上游，具有特定的核苷酸序列。有特定的核苷酸序列。n根据调节序列与结构基因的相对位置关系，人们根据调节序列与结构基因的相对位置关系，人们将这些将这

9、些调节序列调节序列称为称为顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element），），包括启动子（包括启动子（promoter）、增强子（）、增强子（enhancer）、沉默子（）、沉默子（silencer）等。）等。 第12页/共102页n有一些蛋白分子可以有一些蛋白分子可以与靶基因的顺式作用元件结与靶基因的顺式作用元件结合合，共同实现，共同实现调节基因表达的目的，它们被调节基因表达的目的，它们被称为称为反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor）。）。 第13页/共102页n维持细胞增殖、分化维持细胞增殖、分化n维持个体生长、发育维持个体生长、发育 n适

10、应环境变化适应环境变化第14页/共102页n原核生物基因组是一个闭合环状的原核生物基因组是一个闭合环状的DNA分子。分子。n原核生物的细胞结构也比较简单，它的全部物质原核生物的细胞结构也比较简单，它的全部物质（DNA，RNA和蛋白质）都包容在细胞膜内。和蛋白质）都包容在细胞膜内。n原核生物基因组的转录和翻译在同一空间内完成原核生物基因组的转录和翻译在同一空间内完成，时间上的差异不大。在转录过程终止之前，时间上的差异不大。在转录过程终止之前，mRNA就已经结合在由就已经结合在由rRNA和核蛋白体蛋白共和核蛋白体蛋白共同构成的核蛋白体上，开始了蛋白质的生物合成同构成的核蛋白体上，开始了蛋白质的生物

11、合成。第15页/共102页n1960年，法国巴黎巴斯德研究所的年，法国巴黎巴斯德研究所的 F. Jacob 和和 J. L. Monod 发现大肠杆菌在不含乳糖只含葡萄糖发现大肠杆菌在不含乳糖只含葡萄糖的培养基中不分泌的培养基中不分泌 b b-半乳糖苷酶，只有在只含乳半乳糖苷酶，只有在只含乳糖的培养基中才能分泌糖的培养基中才能分泌 b b-半乳糖苷酶。分析表明半乳糖苷酶。分析表明这是由于在不含乳糖的培养基中不产生编码这是由于在不含乳糖的培养基中不产生编码 b b-半半乳糖苷酶的乳糖苷酶的mRNA的结果。的结果。n1961年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由此年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由

12、此贡献，他们分享了贡献，他们分享了1965年度的年度的Noble生理医学奖生理医学奖。第16页/共102页n1969年，年，J. R. Beckwith 从大肠杆菌的从大肠杆菌的DNA中分离中分离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。 第17页/共102页n结构基因结构基因 lacZ、lacY、lacA: 分别编码分别编码 b-半乳糖苷酶，通透半乳糖苷酶，通透酶和乙酰基转移酶。这些相连的基因呈多顺反子转录。酶和乙酰基转移酶。这些相连的基因呈多顺反子转录。 n操纵序列（操纵序列（operator，o）: 阻遏蛋白的结合位点。当阻遏阻遏蛋白的结合位点。当阻遏蛋

13、与操纵基因结合时，蛋与操纵基因结合时，lac 的转录将受到阻遏。的转录将受到阻遏。n阻遏基因阻遏基因 lacI: 编码与操纵序列结合的阻遏蛋白。编码与操纵序列结合的阻遏蛋白。n启动子（启动子（promoter）: 位于位于 lacI 和和 lacO 之间。之间。第18页/共102页n能够被由能够被由s s70组成的组成的RNA聚合酶全酶所识别的大肠聚合酶全酶所识别的大肠杆菌启动子的保守序列杆菌启动子的保守序列第19页/共102页第20页/共102页第21页/共102页第22页/共102页OOHOHOHCH2OHOOHOHOHCH2OHOOOHOHOHOHCH2OHOOHOHCH2OHOOHOH

14、CH2OHOHOOH第23页/共102页第24页/共102页第25页/共102页第26页/共102页第27页/共102页第28页/共102页第29页/共102页第30页/共102页第31页/共102页第32页/共102页第33页/共102页第34页/共102页第35页/共102页第36页/共102页第37页/共102页第38页/共102页第39页/共102页第40页/共102页第41页/共102页第42页/共102页第43页/共102页第44页/共102页第45页/共102页染色质水平调节主要依赖于辅助调节因子对染色质结构进行修饰。辅助调节子通过三种方式对染色质结构起调节作用：1）依赖于依赖于

15、ATP ATP 的核小体重建复合体（的核小体重建复合体（ADRCADRC）：它们依靠水解ATP 所产生的能量来改变核小体的相对位置，将DNA 序列暴露出来，使转录因子能够与之结合。这是一个物理过程，染色质本身的结构并没有变化，只改变核小体的相对位置。2）组蛋白修饰组蛋白修饰：主要通过共价修饰组蛋白的末端来改变染色质结构。当构成染色质的组蛋白发生修饰时，就会影响染色质的构型，而结构的变化引起基因转录活性的变化。3）DNADNA甲基化甲基化：真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化。一般而言，DNA甲基化抑制基因表达。 第46页/共102页第47页/共102页第48页/共102页第49页/共102页基因

16、表达时，调节蛋白结合位点附近基因表达时，调节蛋白结合位点附近常常常常对核酸酶极对核酸酶极度敏感度敏感第50页/共102页第51页/共102页第52页/共102页n在组蛋白在组蛋白H3和和H4 N-末端的丝氨酸可被磷酸化，末端的丝氨酸可被磷酸化，降低了整个核小体与降低了整个核小体与DNA的结合能力。组蛋白的结合能力。组蛋白H1的赖氨酸乙酰化和精氨酸乙酰化也可使其正的赖氨酸乙酰化和精氨酸乙酰化也可使其正电荷减少，与电荷减少，与DNA结合的能力降低，核小体的结合的能力降低，核小体的脱落有利于转录调控因子的结合。脱落有利于转录调控因子的结合。 n组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体组蛋白发生修饰

17、，碱基暴露等原因而引起核小体结构改变，使核小体不稳定性增加。结构改变，使核小体不稳定性增加。第53页/共102页第54页/共102页 5 m7Gppp增强子增强子衰减子内含子1外显子1外显子n+1内含子nGC盒TATA盒CAAT盒AAAAA3 转录起始点第55页/共102页第56页/共102页聚合酶类型聚合酶类型顺式作用元件顺式作用元件核心序列核心序列位置位置结合的转录因子结合的转录因子RNA聚合聚合酶酶核心元件核心元件（CE）45 20选择性因子选择性因子1（SL1）上游调控元件上游调控元件（UCE）156 110上游结合因子（上游结合因子（UBF）RNA聚合酶聚合酶TATA盒盒TATAAA

18、A25 35TFD（TBP）CAAT盒盒GCCAAT70 80C/EBP家族，家族，NF-Y家家族族GC盒盒GGGCGG80 110Sp1RNA聚合聚合酶酶A盒盒*10 20B盒盒*50 60第57页/共102页第58页/共102页第59页/共102页第60页/共102页第61页/共102页第62页/共102页第63页/共102页第64页/共102页 第65页/共102页第66页/共102页第67页/共102页第68页/共102页第69页/共102页第70页/共102页第71页/共102页第72页/共102页 第73页/共102页第74页/共102页第75页/共102页第76页/共102页第7

19、7页/共102页第78页/共102页第79页/共102页第80页/共102页第81页/共102页第82页/共102页。第83页/共102页 第84页/共102页 第85页/共102页第86页/共102页第87页/共102页 第88页/共102页第89页/共102页90enhancerorsilencer5 UTR3 UTR第90页/共102页组蛋白修饰组蛋白修饰DNA甲基化甲基化转录调控转录调控转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质合成蛋白质合成翻译后修饰翻译后修饰蛋白质降解蛋白质降解第91页/共102页图图8-1 8-1 真核基因表达调控的主要步骤真核基因表达调控的主要步骤 染色质去组装

20、去组装蛋白质修饰生化功能生化功能第92页/共102页Francois JacobFrancois Jacob方斯华方斯华贾克贾克Francois Jacob 于于1920年出生于法国。他是年出生于法国。他是一位犹太裔生物学家。一位犹太裔生物学家。 19501950年开始细胞基因年开始细胞基因学的研究，主要致力于细菌和噬菌体的基因学的研究，主要致力于细菌和噬菌体的基因机制的研究。他首先研究了溶源菌的特性，机制的研究。他首先研究了溶源菌的特性，表明细菌内存在抑制基因表达活性的机制。表明细菌内存在抑制基因表达活性的机制。19581958年他与年他与Jacques MonodJacques Monod

21、合作，研究基因信合作，研究基因信息的转移及调节途径，他们提出了信使息的转移及调节途径，他们提出了信使RNARNA、调节基因、操纵子及可变蛋等一系列新的概调节基因、操纵子及可变蛋等一系列新的概念。后来他与念。后来他与Sydney BrennerSydney Brenner提出提出“复制子复制子” ” 假说，表明细胞分裂的机制。假说，表明细胞分裂的机制。Francois Jacob第93页/共102页他与贾克他与贾克莫诺（莫诺（Jacques Monod）发现了酶在原核生）发现了酶在原核生物转录作用调控中的作用，即操纵子。两人与安德列物转录作用调控中的作用，即操纵子。两人与安德列利利沃夫（沃夫（A

22、ndr Lwoff）共同获得了）共同获得了1965年的诺贝尔生理医年的诺贝尔生理医学奖。学奖。1996年，贾克柏成为法兰西学院院士。年，贾克柏成为法兰西学院院士。 贾克柏后来又与悉尼贾克柏后来又与悉尼布伦纳（布伦纳（2002年因线虫研究而获年因线虫研究而获得诺贝尔奖）提出了核糖体进行翻译时的作用方式假说，得诺贝尔奖）提出了核糖体进行翻译时的作用方式假说，并由后来的实验证实。并由后来的实验证实。第94页/共102页贾克贾克莫诺，莫诺，19101910年出生于法国。他与方斯年出生于法国。他与方斯华华贾克柏共同发现了蛋白质在转录作用中所贾克柏共同发现了蛋白质在转录作用中所扮演的调节角色，即著名的乳糖

23、操纵子。两人扮演的调节角色，即著名的乳糖操纵子。两人因此与安德列因此与安德列利沃夫共同获得了利沃夫共同获得了19651965年的诺年的诺贝尔生理医学奖。此外，他曾预测在基因信息贝尔生理医学奖。此外，他曾预测在基因信息与蛋白质产物之间，具有与蛋白质产物之间，具有mRNAmRNA分子作为中介分子作为中介者，此理论后来获得证实。者，此理论后来获得证实。莫诺同时也是一位科学哲学作家与音乐家。莫诺同时也是一位科学哲学作家与音乐家。 Jacques MonodJacques Monod贾克贾克莫诺莫诺Jacques Monod第95页/共102页n 基因组：基因组：一个细胞或生物体所携带的一套完整的单个遗

24、传一个细胞或生物体所携带的一套完整的单个遗传物质或整套基因物质或整套基因n 基因表达：基因表达：生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录和翻译等一系列过程，合成特定的转录和翻译等一系列过程，合成特定的RNA和蛋白质，和蛋白质，进而发挥其特定的生物功能的全过程。进而发挥其特定的生物功能的全过程。n 根据不同的组织细胞及不同的功能状态、根据生物体生长根据不同的组织细胞及不同的功能状态、根据生物体生长、发育和繁殖的需要，生物基因组有规律地、有选择性地、发育和繁殖的需要，生物基因组有规律地、有选择性地和程序性地适度表达。和程序性地适度表达。生物体通过改变基因表达来适应环生物体通过改变基因表达来适应环境的变化。境的变化。在生物体和细胞的发育及分化的阶段，在生物体和细胞的发育及分化的阶段，基因表基因表达必须受到遗传信息的