基因表达调控课件

第十七章基因表达调控

RegulationofGeneExpression主要内容一、基因表达调控的特点二、原核基因表达调控三、真核基因表达调控第一节基因表达调控的特点一、基因表达

基因表达（geneexpression）就是转录及翻译的过程，即生成具有生物学功能的产物的过程。

产物：蛋白质、rRNA、tRNA、其他小分子RNA并非所有基因表达过程都产生蛋白质按功能需要，某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporalspecificity)。

多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。如甲胎蛋白AFP的表达。在胎儿肝细胞活跃表达，成年肝细胞表达水平低，肝癌细胞表达水平高，可作为肝癌诊断重要指标。（一）基因表达具有时间特异性

血红蛋白基因的表达α链（16号染色体）β链（11号染色体）珠蛋白基因的顺序表达GA1

21

21二、基因表达具有空间特异性在个体生长全过程，各种基因表达产物在个体按不同组织或细胞空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。

基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布所决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性(cellspecificity)或组织特异性(tissuespecificity)。如：组成机体的结构蛋白；三羧酸循环中的代谢酶等基因的表达。管家基因的表达水平受环境因素影响较小，而是在生物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）基因的适应性表达诱导和阻遏

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，这些基因是可诱导基因(induciblegene)；可诱导基因表达产物水平增加的过程，称为诱导(induction)。

如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是可阻遏基因(repressiblegene)；可阻遏基因表达产物水平降低的过程，称为阻遏(repression)。协同性表达

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、共同表达，即为协调性表达(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。第二节原核基因表达调控一、转录水平的调控-----操纵子学说操纵子的概念及结构

除个别基因外，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，共同组成的一个转录单位，称为操纵子。（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性在转录起始阶段，σ因子识别特异启动序列；不同的σ因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。乳糖操纵子的结构CAP：分解物基因激活蛋白

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：通透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI基因（二）乳糖操纵子结构

编码序列

启动子

操纵元件其他调节元件(promoter)(operator)调节基因调节蛋白操纵子的结构操纵子基本序列特殊序列启动子编码序列（结构基因）终止子操纵元件其他调控元件（如CAP位点、衰减子，等等）乳糖操纵子调控机制1.阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因无葡萄糖，cAMP浓度高，CAP被cAMP激活可结合CAP位点乳糖操纵子调控机制2.CAP的正性调节++++转录ZYAOPDNACAPCAP有葡萄糖，cAMP浓度低，CAP未被激活，不能结合CAP位点CAPCAP激活RNA聚合酶示意图

没有CAP结合CAP位点，RNA聚合酶仅具有低转录起始活性；但CAP结合CAP后，能显著提高RNA聚合酶的转录起始活性。乳糖操纵子调控机制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。乳糖操纵子调控表达的结果单纯乳糖存在时，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，细菌优先利用葡萄糖作碳源，是最节省能量的。

葡萄糖对乳糖操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolicrepression）。

lac操纵子强的诱导作用：既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。色氨酸操纵子携带了细菌合成所需的关键酶基因。

通常情况下这个基因是开放表达的，有利于细菌在环境缺乏色氨酸的环境下色氨酸的合成。

但如果环境有丰富色氨酸时，这个基因关闭不表达。故该基因属于负性调控基因。色氨酸操纵子如何实现其负性调控？（三）色氨酸操纵子3.衰减子的作用UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

14aa前导肽编码区包含序列1:第10、11密码子为trp密码子终止密码子形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……3.衰减子的作用高色氨酸浓度时形成衰减子，转录提前终止。低色氨酸浓度时衰减子不能形成，转录继续进行。色氨酸操纵子调控机制（总结）1.有色氨酸存在时，阻遏蛋白激活，关闭基因表达2.阻遏蛋白关闭基因失败，可形成衰减子结构，关闭基因二、转录后水平的调控（一）mRNA稳定性加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。mRNA平均寿命不同（二）SD序列

多顺反子中通常存在多个SD序列，不同SD序列，翻译起始效率不一样（三）反义RNA（micRNA）的调节

反义RNA是指与mRNA互补的RNA分子,也包括与其它RNA互补的RNA分子。由于核糖体不能翻译双链的RNA，所以反义RNA与mRNA特异性的互补结合,即抑制了该mRNA的翻译。通过反义RNA控制mRNA的翻译是原核生物基因表达调控的一种方式。通过反义RNA控制mRNA的翻译是原核生物基因表达调控的一种方式。反义核酸作用机理示意图主要内容一、基因表达与基因表达调控的概念二、原核基因表达调控三、真核基因表达调控第三节真核基因表达调控一、真核基因表达调控特点①真核基因组比原核基因组大得多②真核哺乳动物基因组中的编码序列一般不超过10%，存在大量的重复序列③真核生物的基因是断裂基因④真核生物mRNA是单顺反子⑤染色质结构影响基因表达活性⑥含线粒体DNA，核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立而又需要相互协调真核生物基因表达的多层次复杂调控（一）染色体结构对转录激活的调控1.转录活化的染色质对核酸酶极为敏感2.转录活化时染色质的组蛋白发生改变结构基因含有很多CpG结构,胞嘧啶的5位碳原子通常被甲基化,。基因组中60%～90%的CpG都被甲基化,未甲基化的CpG成簇地组成CpG岛,位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。CpG岛（CpGisland)：甲基化胞嘧啶在基因组中并不是均匀分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整个基因组中，人们将这些GC含量可达60%，长度为300-3000bp的区段称为CpG岛。（二）DNA甲基化

启动子CpG序列中的胞嘧啶的甲基化，可以阻止某些基因的转录；而已甲基化的CpG脱甲基后，基因又可以被激活。有两类DNA甲基化酶:1.构建性甲基化酶，负责无甲基化CpG位点DNA双链上进行甲基化和发育需要的重新DNA甲基化，同时还参与异常甲基化的形成；2.维持性甲基化酶:

主要参与复制后的半甲基化，即DNA分子中未甲基化的一条子链甲基化，以保持子链与亲链有完全相同的甲基化形式哺乳动物一生中DNA甲基化水平经历了2次显著变化:①在受精卵最初几次卵裂中，去甲基化酶清除了DNA分子上几乎所有从亲代遗传来的甲基化标志；②在胚胎植入子宫时，构建性甲基化酶使DNA重新建立一个新的甲基化模式。细胞内新的甲基化模式一旦建成，即可通过甲基化以“甲基化维持”的形式将新的DNA甲基化传递给所有子细胞DNA分子。（三）基因扩增与重排三、转录水平的调控（一）顺式作用元件

順式作用元件是指可影响自身基因表达活性的DNA序列，在转录起始调控中起重要作用。

如启动子、终止子、沉默子、调节元件等等。顺式作用：顺式作用元件调控同一染色体上其他邻近基因的表达。顺式作用元件RNA聚合酶ⅡBADNA编码序列转录起始点mRNARNA聚合酶ⅡBADNA转录起始点mRNA真核生物基因中的一些调控序列（1）启动子（2）增强子（3）沉默子（4）终止子（5）绝缘子等等

（1）启动子：可与RNA聚合酶特异性结合而使转录开始的一段DNA序列。但启动子本身并不被转录,属于基因上游对转录起调控作用的5′

端非编码区。真核生物基因中的一些调控序列（2）增强子（enhancer）

是一段能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。增强子作用特点增强效应十分明显，能使转录效率提高10-200倍增强效应与增强子的位置和取向无关增强子有组织和细胞特异性，但没有基因专一性增强子的作用还可能受到其他外部信号的调控RNA聚合酶与启动子、增强子的作用（2）终止子：在转录过程中，提供转录终止信号的DNA序列。

注意：终止子和启动子不同，启动子由DNA序列来提供信号，但真正起终止作用的不是DNA序列本身，而是转录生成的RNA。注意：终止子和启动子不同，启动子由DNA序列来提供信号，但转录终止真正起作用的不是DNA序列本身，而是转录生成的RNA。5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA······3mRNA转录终止和转录后修饰密切相关

DNA读码框架下游的一组AATAAA和GT共同序列,参与转录终止过程。真核生物基因中的一些调控序列（4）沉默子（silencer）

是一段能使和它连锁的基因转录频率明显下降的DNA序列。（5）绝缘子（Insulator）

能够阻止邻近的增强子或沉默子对其界定的基因的启动子发挥调控作用的一段DNA序列。（二）反式作用因子

转录因子：指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质。

大多数真核转录调节因子由某一基因表达后，可通过另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，从而激活另一基因的转录。这种调节蛋白称反式作用因子。转录因子的分类通用转录因子是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。特异转录因子为个别基因转录所必需，决定该基因表达的时间、空间特异性。又分为：转录激活因子转录抑制因子（三）转录因子的结构

转录因子常含有三类结构域，即DNA结合域、转录激活域、蛋白质-蛋白质结合域。转录因子（TF）的结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域亮氨酸拉链锌指结构螺旋-转角-螺旋螺旋-环-螺旋（螺旋-转角-螺旋）C——CysH——His锌指(zincfinger)结构及其功能

锌指结构常结合GC盒锌指(zincfinger)结构及其功能

锌指结构常结合GC盒常结合CAAT盒碱性螺旋-环-螺旋碱性亮氨酸拉链

亮氨酸拉链（basicleucinezipper）富含谷氨酰胺激活域（四）RNA聚合酶顺式作用元件和反式作用因子对基因转录活性的调节最终是由RNA聚合酶活性来体现。RNAPolI的转录产物只有rRNA前体，经剪接修饰生成除5SrRNA外的各种rRNA。RNAPolIII的转录产物：多种小分子RNA，包括tRNA、5SrRNA和一部分小核RNA。RNA聚合酶II转录产物为hnRNA和snRNA（五）转录激活与调节顺式作用元件与反式作用因子、反式作用因子与反式作用因子间的相互识别、相互