基因表达调控

2023/3/17第十六章基因表达调控

RegulationofGeneExpression2023/3/17本章内容基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本原理原核基因表达调节真核基因表达调节2023/3/17第一节基本概念基因表达，基因，基因组基因表达的时空特异性基因表达方式组成性表达（管家基因）诱导或阻遏表达（奢侈基因,luxurygene）协调表达2023/3/17一、基因表达的概念基因：(gene)

负载特定遗传信息的DNA片段。其结构包括结构基因和非编码调控序列。

cDNA(complementaryDNA)与mRNA互补的DNA，习惯上有时也称为“基因”不含基因转录的调控序列，但含翻译调控序列和多肽链编码序列。2023/3/17概念原核生物：环状染色体全部基因基因组

(genome)

来自一个遗传体系的一整套遗传信息。2023/3/17染色体基因组，一般的定义是单倍体细胞中的全套染色体为一个基因组，或是单倍体细胞中的全部基因为一个基因组。线粒体基因组叶绿体基因组真核生物基因组每种真核生物的单倍体基因组中的全部DNA量称为C值(C-Value)。C值大小基本上反应生物进化程度的差异。C值矛盾生物体的进化程度与基因组大小不完全成比例的现象。C值矛盾主要是由于各种生物基因组的结构特征的差异造成的，低等和高等生物差别明显。基因组大小与C值矛盾N值矛盾：基因组中的基因数目与生物进化程度或复杂程度的不对称性。例：人类基因总数：3万水稻基因总数：5万生物体结构与功能的复杂程度不仅取决于一定的基因数量，更重要的是在于基因功能及其相互作用网络的复杂性和精确性。基因总数与N值矛盾2023/3/17基因表达

(geneexpression)

基因转录及翻译的过程。并非所有基因表达过程都产生蛋白质。如基因转录生成rRNA，tRNA概念2023/3/17基因表达是受调控的在某一特定时期或生长阶段，基因组中只有一小部分基因处于表达状态。个体某种功能的基因产物在细胞中的数量随着时间、环境而变化。概念2023/3/17二、基因表达的特异性（一）时间特异性(temporalspecificity)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。阶段特异性(stagespecificity)与分化、发育阶段一致2023/3/17人珠蛋白基因表达的时间特异性胚胎期血红蛋白：HbE=z2

e2

，另有a2e2和z2

g2胎儿期血红蛋白：HbF=a2g2成人血红蛋白：HbA=a2b2（95%）

HbA2=a2

d2（5%）2023/3/17（二）空间特异性(spatialspecificity)细胞或组织特异性

(cellortissuespecificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现。二、基因表达的特异性2023/3/17三、基因表达的方式（一）基本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)。

基本或组成性基因表达

(constitutivegeneexpression)。2023/3/17（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。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导

(induction)。举例：DNA损伤修复酶基因激活2023/3/17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)。（二）诱导和阻遏表达举例：色氨酸充分色氨酸合成酶编码基因抑制2023/3/17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)。（三）协调表达2023/3/17四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖原核生物：葡萄糖、乳糖代谢高等生物：常饮酒者体内醇氧化酶活性高（二）维持个体发育与分化各组织、器官的发育、分化是由特定的基因控制的。2023/3/17果蝇发育母亲效应基因分节基因2023/3/17

基因表达调控的基本原理

BasicPrinciplesofRegulationofGeneExpression

第二节2023/3/17一、基因表达调控的多层性和复杂性DNA扩增DNA重排甲基化蛋白质降解多肽链合成翻译后加工修饰

基因表达调控基本控制点：转录起始转录起始转录后加工mRNA降解2023/3/17二、基因转录激活调节基本要素特异DNA序列决定基因的转录活性

特异DNA序列：有调节功能的DNA序列。原核生物

——操纵子(operon)机制2023/3/17

通常由2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。操纵子编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)(codingsequence)2023/3/17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TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列2023/3/17——阻遏蛋白(repressor)的结合位点启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白2操纵序列2023/3/17真核生物的特异DNA序列顺式作用元件(cis-actingelement)——指与结构基因表达调控有关，能够被调控蛋白特异性识别和结合的DNA序列；或凡能激活或阻遏基因转录的DNA序列。包括启动子、增强子、沉默子等。共有序列：如TATA盒、CCAAT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。2023/3/17顺式作用元件非编码序列不一定都位于转录起始点上游真核基因的顺式作用元件分为：

启动子、增强子、沉默子2023/3/172.转录调节蛋白影响转录活性原核生物特异因子：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。即σ因子阻遏蛋白——负性调节激活蛋白——正性调节2023/3/17真核基因的调节蛋白：转录因子顺式作用顺式作用蛋白真核转录调节因子由其编码基因表达后，通过与特异的顺式作用元件的识别、结合（即DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因的转录，称反式作用蛋白或反式作用因子。反式作用因子

(trans-actingfactor)aDNA反式调节C顺式调节cDNAmRNAC蛋白质CBA

mRNA蛋白质AA2023/3/17DNA-蛋白质相互作用指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。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)。DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质的相互作用2023/3/173.RNA聚合酶⑴启动序列/启动子与RNA聚合酶活性启动序列会影响其与RNA聚合酶的亲和力，直接影响转录起动的频率。共有序列决定启动序列的转录活性大小。

2023/3/17⑵调节蛋白与RNA聚合酶活性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，从而使基础转录频率发生改变，出现表达水平变化。3.RNA聚合酶2023/3/17原核基因转录调节RegulationofProkaryoticGeneTranscription第三节2023/3/17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2023/3/17二、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ZYAOPDNA2023/3/17mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因2023/3/17（二）阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol启动转录mRNA有乳糖存在时别乳糖β-半乳糖苷酶乳糖FIGURE12.6Additionofinducerresultsinrapidinductionoflac

mRNA,andisfollowedafterashortlagbysynthesisoftheenzymes2023/3/17++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时（三）CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP2023/3/17（四）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。2023/3/17问题单纯乳糖存在时，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，细菌首先利用葡萄糖?2023/3/17mRNA低乳糖时高乳糖时

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO2023/3/17异丙基硫代半乳糖苷

异丙基硫代半乳糖苷基因工程常用诱导剂异丙基硫代半乳糖苷别乳糖（乳糖异构体）2023/3/17三、原核生物转录终止调节转录终止机制：

依赖Rho因子的转录终止

不依赖Rho因子的转录终止终止调节方式：

衰减导致RNA链的过早终止；

抗终止阻止衰减的发生，使下游基因得以表达。1)两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；2)下游含一系列T。2023/3/17调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称为自我控制（autogenouscontrol)。四、原核生物翻译水平调节（一）蛋白质分子的自我调节2023/3/17（二）反义RNA对翻译的调节作用调节RNA：可调节基因表达的RNA分子。反义RNA含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始，称为反义控制(antisensecontrol)。2023/3/17小结

概念：基因表达，看家基因，奢侈基因，操纵子，顺式作用元件，反式作用因子基因表达具有时空特异性基因表达分为组成性表达及可诱导或阻遏表达基因表达调控是多级多水平调控，尤其以转录起始调控为基本控制点原核基因表达特点σ因子决定特异基因转录操纵子结构的普遍性阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性（即负性调控为主）2023/3/17

真核基因表达调节RegulationofEukaryoticGeneExpression第四节基本内容真核基因组结构特点真核基因表达调控基本特点RNApolⅠ和polⅢ的转录调节RNApolⅡ转录起始的调节RNApolⅡ转录终止的调节转录后水平的调节翻译水平的调节2023/3/17一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大（二）真核基因为单顺反子（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。”2023/3/17（三）重复序列众多单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106

次）中度重复序列（多为103~104次）多拷贝序列反向重复序列一、真核基因组结构特点（四）真核基因编码序列的不连续性2023/3/17

真核基因组原核基因组1、基因组庞大，与组蛋白结合形成染色质2、许多DNA不转录3、单顺反子4、大量重复序列5、断裂基因（有内含子）

只有一个DNA分子或RNA分子绝大部分参与基因的表达或调控多顺反子重复序列少操纵子结构（无内含子）真核与原核基因组区别2023/3/17二、真核基因表达调控更复杂（一）三种RNA聚合酶（RNApolⅠ、Ⅱ、Ⅲ）

TATA盒结合蛋白（TBP）为共有亚基（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化1.对核酸酶敏感活化基因常有核酸酶超敏位点（hypersensitivesite)，位于调节蛋白结合位点附近。2023/3/172.DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在。RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向二、真核基因表达调控更复杂（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化2023/3/173.甲基修饰变化

真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，通常在启动子区的CpG岛上

甲基化程度与基因表达程度呈反比，处于转录活化状态的基因CpG序列一般低甲基化。二、真核基因表达调控更复杂（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化基因组印迹基因组印迹（genomicimprinting):

源于父母双方的同一对等位基因的选择性差异表达的现象。指在配子或合子发生期间，来自亲本的等位基因或染色体在发育过程中产生专一性的加工修饰，导致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达活性，又称遗传印迹或亲代印迹或配子印迹。具有这种差异的基因被称为印迹基因（imprintedgenes)与甲基化修饰尤其是CpG岛的胞嘧啶的甲基化有关基因组印迹的分子机理研究发现印迹基因与DNA中胞嘧啶甲基化尤其是CpG岛的甲基化密切相关，另外还有特殊的染色质结构和反义转录产物等可能都是基因印迹产生和维持的重要因素。基因印迹中，卵子和精子对同一基因的不同程度的甲基化，几乎所有的印迹基因都有一些序列成份在两个不同亲本来源的等位基因中仅有一方是甲基化，这些序列被称为“差异甲基化区域”2023/3/174.组蛋白修饰活化局部染色质二、真核基因表达调控更复杂

组蛋白修饰包括：乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化及ADP核糖基化等组蛋白N端赖氨酸残基的乙酰化修饰能够降低整个核小体对DNA的亲和力，有助于转录激活。（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化AcetylationofH3andH4isassociatedwithactivechromatin,whereasmethylationisassociatedwithinactivechromatin.

2023/3/17采用正性调节机制更精准采用负性调节不经济（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工二、真核基因表达调控更复杂2023/3/17（一）RNApolⅠ转录体系的控制三、RNApolⅠ和polⅢ的转录调节人rRNA基因上游调控元件和核心元件+1-100rRNA前体基因上游调控元件核心元件转录区Upstreamcontrolelement,UCECoreelementtRNA和5SrRNA基因的转录启动子位于转录起始点下游即转录区内，称内部控制区（internalcontrolregions,ICR)（二）RNApolⅢ转录体系的控制2023/3/172023/3/17四、RNApolⅡ转录起始的调节（一）顺式作用元件影响基因转录活性1.启动子真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点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。典型的启动子由TATA盒及上游的CAAT盒和/或GC盒组成。典型的真核启动子通常含有TATA盒、CAAT盒、GC盒等多种顺式反应原件的不同组合。2023/3/172.增强子(enhancer)指远离转录起始点、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，其作用方式通常与方向、距离无关。酵母中存在上游激活序列（upstreamactivatorsequences,UASs）四、RNApolⅡ转录起始的调节（一）顺式作用元件影响基因转录活性2023/3/173.沉默子(silencer)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。四、RNApolⅡ转录起始的调节（一）顺式作用元件影响基因转录活性2023/3/17（二）反式作用因子1.转录调节因子分类（按功能特性）

基本转录因子(generaltranscriptionfactors)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。TFⅡD是三种聚合酶的基本转录因子。参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ

2023/3/17特异转录因子(specialtranscriptionfactors)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。

转录激活因子：增强子结合蛋白

转录抑制因子：沉默子结合蛋白(transcriptionactivators)(transcriptioninhibitors)（二）反式作用因子2023/3/172.转录调节因子结构TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）转录激活域

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域DNA结合域锌指结构碱性α螺旋2023/3/17常见DNA结合域锌指结构(zincfinger)螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix,HTH)螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH)碱性－亮氨酸拉链(basicleucinezipper,bZIP)2023/3/17锌指结构(zincfinger)最早发现于结合GC盒的SP1因子,由30个氨基酸组成,其中有2个Cys

和2个His,四个氨基酸残基分别位于正四面体的顶角,与四面体中心的的Zn++结合,稳定锌指的结构。在Cys和His之间，有12个氨基酸残基，其中数个为保守的碱性残基。常结合GCboxC2H2型锌指结构锌指结构与DNA的结合2023/3/17螺旋-转角-螺旋及螺旋-环-螺旋这类结构至少有两个α螺旋，其间由短肽段形成的转角或环连接，两个这样的motif结构以二聚体形式相连，距离正好相当于DNA一个螺距(3.4nm)，两个α螺旋刚好分别嵌入DNA的深沟。2023/3/17螺旋-转角-螺旋motif数百种DNA结合蛋白中有这种模体结构，比如l阻遏蛋白,色氨酸阻遏蛋白,分解代谢物激活蛋白(CAP),八聚体转录因子(Oct-1)和热休克因子(HSF)l

阻遏蛋白二聚体与DNA的相互作用

2023/3/17碱性螺旋-环-螺旋碱性螺旋-环-螺旋（basichelix-loop-helix,bHLH)勿将此结构与“螺旋-转角-螺旋”混淆。虽然名称类似，这两种结构其实差别很大。螺旋-环-螺旋看起来更象“亮氨酸拉链”转录因子MyoD中的螺旋-环-螺旋2023/3/17碱性－亮氨酸拉链(bZIP)肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，这些亮氨酸残基都在α螺旋的同一个方向出现。两个相同结构的两排亮氨酸残基能以疏水键结合成二聚体该二聚体的另一端肽段富含碱性氨基酸残基，借其正电荷与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合。若不形成二聚体则对DNA的亲和结合力明显降低。转录因子AP-1与DNA结合

2023/3/17（三）mRNA转录激活需形成转录起始复合物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.TATADNATBP相关因子EBP2023/3/17（一）HIV基因组转录终止调节抗终止蛋白Tat

Tat，抗终止蛋白，与mRNA5’端结合（二）热休克蛋白基因的转录终止调节热休克时停止大多数基因的转录和翻译五、RNApolⅡ转录终止的调节2023/3/17六、转录后水平的调节（一）hnRNA加工成熟的调节

1.加帽

2.加尾

3.剪接

4.编辑2023/3/17六、转录后水平的调节（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节稳定性降解途径保证mRNA不在细胞中累积并避免合成过多的蛋白质。合成速率

降解速率2023/3/17某些mRNA分子的3’-UTR含有能影响mRNA稳定性的特殊序列，例：铁转运蛋白受体（TfR）mRNA稳定性的调节决定于mRNA分子中3´UTR特定的重复序列，称为铁反应元件（iron-responseelement,IRE)。高铁浓度时，IRE可促进TfRmRNA的降解。六、转录后水平的调节IRE-BP对转铁蛋白受体mRNA稳定性的调节低铁状态转铁蛋白受体mRNA5’编码区活化的IRE-BP3’poly(A)n翻译TfR蛋白IRE高铁状态转铁蛋白受体mRNA5’编码区铁失活的IRE-BP3’poly(A)nmRNA降解IRE2023/3/17在过去十多年里，科学家们发现了一些从不会成为蛋白质的新型RNA分子，将之称为非编码RNA（smallnoncondingRNA，ncRNA)。越来越多的证据显示，非编码RNA在基因表达的调节中扮演关键角色，例如microRNA和siRNAncRNA的主要功能有：参与mRNA的稳定及翻译的调节、参与蛋白质的运输、参与RNA的加工和修饰、影响染色体的结构等。（三）小分子RNA对基因表达的调节2023/3/17（三）小分子RNA对基因表达的调节短链非编码RNA的序列都比较短，不超过40nt。短链非编码RNA可分为三类，这些短链非编码RNA的发生机制、生理功能，及其调控作用各不相同：microRNAs(miRNAs，约22nt)、内源性的小干扰RNAs(endo-siRNA，约21nt)Piwi-interactingRNAs(piRNAs，24～

31nt)2023/3/17非编码单链RNA，长度约20~25nt。由一段具有发夹环结构，长度为70~90个碱基的发夹状单链RNA前体(pre-miRNA)在胞浆经Dicer酶剪切后形成。而pre-miRNA

又可由pri-miRNA

在核内经RNaseⅢ核酸酶Drosha

而成1．微小RNA(microRNA,miRNA)（三）小分子RNA对基因表达的调节2023/3/17miRNA的特点一般为20~25nt；不同生物普遍存在；序列有一定的保守性；表达有时间特异性、空间特异性；多位于基因间隔区与靶mRNA的3’端非编码区互补，切割或抑制该mRNA分子，从而抑制该mRNA的翻译一个miRNA可调节数百个靶基因包括转录因子、细胞因子、受体等，几种miRNAs也可以联合调控单一基因的表达，miRNAs和靶基因组成了复杂的调节网络miRNA

的生成及作用机制2023/3/17NezhahasthreeheadsandsixarmsequippedwithaswordformRNAcleavage,acosmicringfortranslationalrepression,andaflagforDNAmethylation.http:///2023/3/17当病毒基因、人工转入基因、转座子等外源性基因随机整合到宿主细胞基因组内，并利用宿主细胞进行转录时，常产生一些dsRNA。宿主细胞对这些dsRNA迅即产生反应，胞质中的核酸内切酶Dicer将dsRNA切割成多个具有特定长度和结构的小片段RNA（大约21～23bp），即siRNA。参与构成RNA诱导的沉默复合体（RISC），与特异的靶mRNA完全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。2．小干扰RNA(siRNA)2023/3/17RNA干扰概念：由siRNA介导的转录后基因表达抑制作用被称为RNA干扰(RNAinterference，RNAi)。RNAi是真核生物中普遍存在的抵抗病毒入侵、抑制