基因表达调控RegulationofGeneExpression应用分析

基因表达调控RegulationofGeneExpression应用分析第1页/共87页§1.基本概念与原理基因表达的概念、特异性、方式及生物学意义§2.基因表达调控的基本原理基因表达的多层次和复杂性基因转录激活调节基本要素§3.原核基因表达调节原核基因转录调节特点原核生物转录起始、转录终止和翻译水平调节§4.真核基因表达调节真核基因组结构特点真核基因表达调控特点转录起始、终止、转录后及翻译水平的调节主要内容第2页/共87页第一节

基本概念与原理BasicConceptionsandPrinciple基因表达的概念基因表达的特异性基因表达的方式基因表达调控的生物学意义第3页/共87页无翻译产物翻译转录无转录产物结构基因一、基因表达的概念*基因(gene)

是遗传的基本功能单位。从分子生物学角度，是指负载特定遗传信息的DNA片段。DNAtRNAmRNArRNA多肽调节基因*基因表达(geneexpression)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。第4页/共87页生物体所携带的全部遗传信息或整套基因。绝大部分生物体基因组:双链DNA病毒基因组:双链或单链DNA或RNA。不同生物基因组所含基因数目不同。基因组的大小用全部核苷酸序列的碱基对总数表示。例如：哺乳动物基因组DNA：3109bp*基因组(genome)人的23对染色体第5页/共87页﹡基因表达调控（geneexpressionregulationandcontrol）指通过生物体内的调控系统来调节和控制体内蛋白质的含量与活性，使之在特定的时间、特定的空间、并以一定的强度出现，以适应机体生长、发育和繁殖的需要。第6页/共87页光修复酶基因光修复酶DNA损伤紫外光照射第7页/共87页AB二、基因表达的特异性（一）时间特异性

在生物体不同的功能阶段，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性(temporalspecificity)。第8页/共87页

ABC（二）空间特异性在个体生长、发育全过程，某种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同组织空间出现，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分布差异，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细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。第9页/共87页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，几乎在生命的全过程和生物体的所有细胞中持续表达。这类基因表达被视为组成性(或基本)基因表达(constitutivegeneexpression)。三、基因表达的方式（一）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，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。第10页/共87页环境信号表达增强诱导表达减弱阻遏协调表达（二）诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。该过程称为诱导(induction)。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。第11页/共87页在一定机制控制下，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，即为协调表达(coordinateexpression)这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。第12页/共87页（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化四、基因表达调控的生物学意义第13页/共87页第二节基因表达调控的基本原理第14页/共87页一、基因表达的多层次和复杂性基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰转录起始第15页/共87页二、基因转录激活调节基本要素基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。特异DNA序列调节蛋白DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质的相互作用RNA聚合酶第16页/共87页原核生物蛋白质因子——

操纵子(operon)机制特异DNA序列编码序列启动序列操纵序列其他调节序列(promoter)(operator)(一)特异DNA序列某种基因特异的表达方式与基因结构有关，这里主要指具有调节功能的DNA序列。第17页/共87页是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1)启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp

tRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列共有序列(consensussequence)决定启动序列的转录活性大小。第18页/共87页2操纵序列

——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白第19页/共87页3)

其他调节序列例如:激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。第20页/共87页真核生物顺式作用元件(cis-actingelement)——可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。

第21页/共87页

根据顺式作用元件在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用的方式，可将真核生物基因的这些功能元件分为：

启动子增强子沉默子第22页/共87页原核生物RNA聚合酶特异因子阻遏蛋白激活蛋白特异因子

决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。阻遏蛋白

识别、结合操纵序列,阻遏基因转录激活蛋白与启动子附近DNA结合,促进RNA聚合酶与启动区结合，增强转录活性转录起始CAP启动序列操纵区(二)调节蛋白DNA结合蛋白第23页/共87页分解代谢物基因激活蛋白(catabolitegeneactivatorprotein,CAP)

CAP与CAP位点结合后，才能促使RNApol与启动子结合，启动基因转录，这样一个操纵子中的一组基因就有两道开关，只有两道开关同时打开时基因才能转录。第24页/共87页转录因子

P顺式作用真核生物反式作用反式作用因子(trans-actingfactor)

顺式作用蛋白第25页/共87页P反式作用因子顺式作用元件P蛋白质-蛋白质相互作用(三)DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质的相互作用通常是非共价结合绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。第26页/共87页(四)RNA聚合酶1.原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性2.调节蛋白与RNA聚合酶活性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-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。-35:T82G78A65C54A95-10:T80A95T45A60A50T96第27页/共87页一、多级调控：

基因激活、转录起始、转录后加工、mRNA降解、蛋白质翻译、翻译后加工、蛋白质降解二、基因转录激活调节基本要素

(一)特异DNA序列原核生物—操纵子（operon）

启动序列操纵序列编码序列调控区小结:第28页/共87页

真核生物—顺式作用元件启动子增强子沉默子(二)调节蛋白

原核生物：特异因子（识别启动序列）阻遏蛋白（结合操纵序列）激活蛋白（与启动子附近DNA结合）真核生物：转录因子（反式作用因子和顺式作用蛋白）第29页/共87页(三)DNA–蛋白质、蛋白质–蛋白质相互作用反式作用因子与顺式作用元件特异识别和结合蛋白质之间相互作用可直接或间接结合DNA(四)RNA聚合酶启动子序列的差别决定RNA聚合酶的活性调节蛋白影响RNA聚合酶的活性第30页/共87页第三

节

原核基因表达调节RegulationofProkaryoticGeneExpression第31页/共87页——调节的主要环节在转录起始一、原核基因转录调节特点（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性第32页/共87页二、原核生物转录起始调节（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构调控区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：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA第33页/共87页JacquesMonod,1965

FrançoisJacob,1965

1961年，Jacob和Monod提出了操纵子学说(lacoperon)，开创了基因表达调节研究的新领域。操纵子模型的提出

获1965年诺贝尔生理学和医学奖第34页/共87页mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）乳糖操纵子调节机制阻遏基因1.阻遏蛋白的负性调节第35页/共87页mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第36页/共87页IPTG(异丙基硫代半乳糖苷)极强的诱导剂第37页/共87页++++

转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时2.CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第38页/共87页乳糖操纵子结构基因转录需具备两个条件：

①阻遏蛋白与操纵基因解离②CAP与CAP结合位点结合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。结论：lac

操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖第39页/共87页mRNA低半乳糖时高半乳糖时葡萄糖低cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO第40页/共87页三、原核生物转录终止调节色氨酸操纵子的转录衰减作用是通过操纵子前导区内存在的类似终止子结构的一段DNA序列实现的，这段DNA序列称为衰减子。转录终止机制：依赖因子的转录终止不依赖因子的转录终止E.coli存在两种终止调节方式：

衰减和抗终止第41页/共87页TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶?转录衰减色氨酸操纵子第42页/共87页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

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1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……第43页/共87页UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’

trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’

RNA聚合酶终止第44页/共87页UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’

trp密码子

结构基因前导DNA

RNA聚合酶

2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构第45页/共87页意义：这种机制可以保证充分地消耗色氨酸，使其合成维持在满足需要的水平，防止色氨酸堆积和过多地消耗能量。同时，也使细菌能够优先将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。36第46页/共87页（一）蛋白质分子的自我调节（二）反义RNA对翻译的调节调节蛋白-----自身的RNA调节RNA-----反义控制四、原核生物翻译水平调节调控蛋白一般作用于自身mRNA,抑制自身的合成,这种调节方式称自我控制(autogenouscontrol)反义RNA(antisenseRNA)是指mRNA互补的RNA分子。反义控制(antisensecontrol)

------是指反义RNA抑制翻译起始的调节。第47页/共87页原核基因转录调节一、特点因子决定转录特异性操纵子模型------多顺反子阻遏蛋白调节二、乳糖操纵子调节机制结构：调控区：P、O和CAP结合位点结构基因：Z、Y、A调节：阻遏蛋白的负性调节

CAP的正性调节协调调节小结:第48页/共87页第四

节

真核基因表达调节RegulationofEukaryoticGeneExpression第49页/共87页哺乳动物基因组DNA：3109bp结构基因：6%重复基因：5%---10%其它：80%---90%（一）真核基因组结构庞大一、真核基因组结构特点第50页/共87页（二）单顺反子单顺反子(monocistron)

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。（三）重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106

次）中度重复序列（103~104次）多拷贝序列（四）基因不连续性第51页/共87页（三）重复序列高度重复顺序，中重复顺序低重复或单拷贝顺序。

重复序列有种族特异性，基因组愈大，重复序列含量愈丰富。第52页/共87页

重复DNA可分为：高度重复顺序，中重复顺序和低重复或单拷贝顺序。

第53页/共87页根据重复单位碱基顺序：正向重复、反向重复AGGTAGGTAGGTNNNNNNNAGGTACTTTTCAACTTNNNNNNNTTCAACGGCCGTTGCCGGCAACGGNNNNNNNCCGTTGCCNNNNNNNGGCA第54页/共87页基因转录区启动子终止子5’3’ATGTAA初级RNA转录本（四）基因不连续性第55页/共87页特点：在真核生物中具有普遍性。内含子长度大于外显子。包括蛋白质基因和RNA基因。

内含子外显子第56页/共87页二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚合酶（二）活性染色体结构变化（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工第57页/共87页2.DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后:RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向1.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。活性染色体结构变化对DNaseⅠ的敏感性增高第58页/共87页4.组蛋白变化①富含Lys组蛋白水平降低(H1样组蛋白减少)②H2A,H2B二聚体不稳定性增加③组蛋白修饰

(修饰后使核小体结构变得不稳定)

3.DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。磷酸化和乙酰化CpG岛第59页/共87页三、RNA聚合酶I和III转录调节

RNA聚合酶有三种：I，II，III；

都由多个亚基组成；各型都专一性转录出不同的RNA产物。

I型：

45S-rRNA

II型：

hnRNAIII型：

小分子RNA（5S-rRNA，tRNA，snRNA）

第60页/共87页（一）RNA聚合酶I转录体系控制

rRNA前体转录单位的成簇排列

启动子:

核心元件(-45--+60bp)

上游控制元件(-156---107bp)--UCE

调控因子

上游结合因子

选择性因子第61页/共87页（二）RNA聚合酶III转录体系控制III型：

5S-rRNA，tRNA，snRNA内部控制区(ICR)

----启动子位于转录起始点下游转录区内tRNA的ICR:A盒,B盒----TFⅢC和TFⅢB5SrRNA：TFⅢA，TFⅢC和TFⅢB第62页/共87页1启动子(promoter)：RNA聚合酶结合位点及周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件2增强子(enhancer)：远离转录起始点、决定基因的时间空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。3沉默子(silencer)：对基因转录起阻遏作用的负性调控元件。增强子

沉默子启动子顺式作用元件ESP结构基因TATA盒GC盒CAAT盒四、真核基因RNApolⅡ转录激活调节（一）顺式作用元件第63页/共87页沉默子与增强子对应，沉默子抑制基因的表达。增强子和沉默子的概念并不是绝对的，一个DNA元件可以是增强子也可以是沉默子。甲状腺激素受体甲状腺素增强子沉默子抑制基因转录增强基因转录水平第64页/共87页第65页/共87页感染真核细胞的病毒DNA，大多具有可被寄主细胞蛋白质激活的增强子。小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）的DNA，具有糖皮质激素基因的增强子。在能被类固醇激活的细胞（如乳腺上皮细胞）中，MMTV病毒能旺盛生长。病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异的增强子。第66页/共87页1转录因子分类（按功能特性）基本转录因子(generaltranscriptionfactors)：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白质因子。特异转录因子(specialtranscriptionfactors)：为个别基因所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。分为转录激活因子和转录抑制因子。

ESP反式作用因子（二）反式作用因子（转录调节因子）第67页/共87页2.转录调节因子结构DNA结合域转录激活域TF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碱性α-螺旋蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）亮氨酸拉链螺旋-环-螺旋第68页/共87页最常见的DNA结合域：⑴锌指(zincfinger)C——CysH——His(常结合GC盒)DNA结合域中由2个Cys和2个His与一个锌离子借配位键结合成的指状结构。如类固醇激素受体家族有2个锌指结构第69页/共87页ZnCysHis第70页/共87页123表示锌离子第71页/共87页⑵碱性α-螺旋常结合CAAT盒如CTF是结合CAAT盒的一种转录因子，其DNA结合域具有-螺旋，并富含碱性氨基酸。第72页/共87页

如:能与免疫球蛋白链基因增强子结合的反式因子E12和E47羧基端100~200aa可形成两个-螺旋，⑶螺旋-环-螺旋两螺旋之间为非螺旋的环，-螺旋氨基端有碱性区，这个碱性区对结合DNA是必须的，

-螺旋对形成二聚体是必须的。第73页/共87页

⑷亮氨酸拉链(Leucinezipper)如：C/EBP家族蛋白质，既能与CAAT盒结合，又能与病毒增强子结合，其特征就是能形成bZIP二聚体结构。结构特点:蛋白质分子的肽链上有一段高度保守的序列，N-端富含碱性氨基酸，形成DNA结合面，羧基端能形成-螺旋,每隔6个氨基酸残基有规律的出现一个亮氨酸，导致亮氨酸出现在螺旋的同一侧，称为亮氨酸拉链区。两个具有亮氨酸拉链区的螺旋以非共价键相互作用，形成稳定的亮氨酸拉链。第74页/共87页亮氨酸拉链并不直接结合DNA，肽链氨基端20~30个富含碱性氨基酸的结构域与DNA结合，若不形成二聚体，这个碱性区对DNA的亲和力显著降低，因而DNA结合域以碱性区和亮氨酸拉链结构的整体作为基础，即bzip亮氨酸拉链(leucinezipper)第75页/共87页亮氨酸拉链：这类蛋白以二聚体形式与DNA结合两分子-螺旋的亮氨酸一侧是形成二聚体的基础第76页/共87页（三）mRNA转录激活及其调节polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBP真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物TATA

DNATBP相关因子TFⅡD是唯一具有位点特异的DNA结合能力的转录因子，在上述有序的组装过程起关键性指导作用。第77页/共87页真核基因转录调节是复杂的、多样的*不同的DNA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DNA元件。*转录因子与DNA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节之分。第78页/共87页5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA······3mRNA

RNApolⅡ转录停止于polyA添加点以下0.5~2kb范围内多处可能位点，而不是想象中的理应在polyA添加点以上。五、RNApolⅡ转录终止的调控