基因表达与基因表达调控课件

基因表达与基因表达调控第五章4/18/20231第一节基因表达的过程和特点第二节环境对基因表达的影响第三节原核生物基因表达的调控第四节真核生物基因表达的调控第五节基因表达调控异常与疾病4/18/20232基因表达（geneexpression）

是指基因所贮存的遗传信息通过转录（transcription）和翻译（translation）产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程

4/18/20233复制和转录的区别模板原料酶产物配对两股链均复制模板链转录dNTPNTPDNA聚合酶RNA聚合酶子代双链DNAmRNA,tRNA,rRNAA-T,G-CA-U,C-A,G-C复制转录4/18/20235复制和转录的比较

多核苷酸链的合成方向都是5’—3’

在3’-OH末端与加入的核苷酸形成磷酸二酯键不同点类似点

对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因的转录都受到相对独立的控制

转录是不对称的

转录时不需要引物

RNA链的合成是连续的4/18/20236

●

定义转录是以DNA为模板合成RNA的过程mRNA、tRNA、rRNA、小分子RNA●

转录产物一、基因的转录4/18/20237

1.

转录的体系●

原核细胞全酶（holoenzyme）α2ββ'σ●真核细胞RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III模板DNA

原料ATP、CTP、GTP、UTPRNA聚合酶（一）基因转录的基本方式4/18/20238E.coliRNA聚合酶全酶(holoenzyme)的结构β’βαασ决定被转录的基因识别转录起始点结合DNA模板与转录全过程有关β’βαα核心酶4/18/202310RNA-polI核仁45S-rRNA不敏感RNA-polII核质hnRNA低浓度敏感RNA-polIII核质5S-rRNA,tRNA,snRNA

高浓度敏感MtRNA-pol线粒体线粒体RNAs不敏感真核生物的RNA聚合酶种类细胞内定位转录产物对抑制剂鹅膏蕈碱反应4/18/202311DNA原核生物启动子5’3’3’5’TTGACATATAAT10bp15bpStartoftranscriptionPribnowboxRNApolymerase-35区-10区+14/18/202313DNA5’3’3’5’真核生物启动子StartoftranscriptionTATA10bpTATAboxHognessboxCCAATGCGCCAATboxGCbox-70区-25区+1RNApolymerase4/18/2023142.延伸核心酶催化

磷酸化的RNA聚合酶催化，核小体解聚●原核细胞●真核细胞4/18/202315RNA-pol5’3´ρDNARNApolyCρ因子和RNA转录产物结合RNA聚合酶构象改变引起转录终止4/18/202317（三）转录后加工●原核细胞●真核细胞tRNA和rRNA需加工，mRNA不需加工tRNA、rRNA和mRNA均需加工1.原核细胞和真核细胞的差异4/18/2023182.真核生物mRNA的转录后加工●

5'端加帽转录未终止时加入m7G5'ppp，与稳定mRNA及翻译起始有关5’pppG…5’pG…ppi5’GpppG…pppGpi甲基化酶mGpppG…磷酸酶CH34/18/202319

●剪接（splicing）

由小分子细胞核内核蛋白颗粒（snRNP）去除核不均一RNA（hnRNA）中的内含子转录序列4/18/202321

通过不同剪接方式选择性使用外显子，合成功能不同而结构只有微小差异的蛋白质选择性剪接4/18/202322

●RNA编辑（RNAediting）

RNA编辑是对mRNA前体的序列进行的改编，在mRNA前体分子的碱基序列中C被U取代，A被G取代，使成熟mRNA的序列与基因组DNA序列不同4/18/202323二、蛋白质的生物合成——翻译

以特定核苷酸序列的mRNA为模板，合成相应氨基酸序列的多肽链，即将带有遗传信息的核苷酸顺序转换为氨基酸顺序的过程组成蛋白质的氨基酸由其特定的tRNA携带和转运，在核蛋白体上按照模板mRNA所提供的编码信息合成具有特定序列的多肽链4/18/202325

(一)翻译的体系(二)翻译的基本过程(三)肽链翻译后的加工修饰(四)蛋白质的分拣与转运

4/18/202326●

连续性●简并性●

通用性●

摆动性●

方向性密码子特点遗传密码表4/18/202329由氨基酰-tRNA合成酶催化与氨基酸的连接●

氨基酸运输

tRNATC环反密码子氨基酸臂额外环(可变的)DHU环具有绝对专一性和校正功能运输氨基酸4/18/202330●肽链合成场所

核糖体（rRNA+蛋白质）●原核细胞●真核细胞30S:16SrRNA和21种蛋白质50S:5S、23SrRNA和34种蛋白质）40S:18SrRNA和33种蛋白质60S:5S、5.8S、23SrRNA和49种蛋白质70S80S4/18/202331

●蛋白质因子

名称原核细胞真核细胞IF1,IF2,IF3eIFn(10余种)

延长因子EFTu,EFTs,EFG

EF1(α,

β,γ),

EF2

释放因子RF1,RF2,RF3eRF起始因子4/18/202332●原料

20种有遗传密码的氨基酸●原核细胞●真核细胞起始氨基酸为N-甲酰蛋氨酸（密码子AUG、GUG、UUG）起始氨基酸为蛋氨酸（密码子AUG）4/18/202333氨基酸+ATP+tRNA氨基酰tRNA+AMP+PPi氨基酸的活化与转运氨基酰tRNA的表示方法ala-tRNAalamet-tRNAemetarg-tRNAargmet-tRNAimet真核细胞起始用蛋氨酰tRNA真核细胞延伸用蛋氨酰tRNAfmet-tRNAimet

原核细胞延伸用甲酰蛋氨酰tRNA4/18/202334一种氨基酸可由2-6种tRNA特异地运载tRNA的总数（40-50）大于氨基酸的数目氨基酰tRNA合成酶具有高度特异性（副密码子）氨基酰tRNA合成酶具有校读活性真核生物携带蛋氨酸的tRNA有两种，分别为tRNAimet和tRNAemet原核生物AUG只能辨认甲酰化的蛋氨酸氨基酸的活化与转运特点4/18/202335（二）翻译的基本过程1.起始

形成翻译起始复合物2.延长

指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位3.终止

●原核细胞RF1,RF2识别终止密码，RF3激活转肽酶释放肽链

●真核细胞eRF同时具有上述功能4/18/202336大小亚基的拆分mRNA与小亚基结合fmet-tRNA的结合核糖体大亚基结合翻译起始复合物形成过程1.起始4/18/20233730S·mRNA·fMet·tRNAfmet·GTP·IF2IF3·IF1+mRNA70S核糖体+IF3+IF1

30S小亚基·IF3·IF1+50S大亚基fMettRNAfmet+GTP+IF2

fMet·tRNAfmet·IF2·GTP+50SIF2IF1IF3·GDP70S·mRNA·fMet·tRNAfmet70S起始复合物的形成4/18/202338特异的起始tRNA2.mRNA有5’端帽子结构和3’尾巴。2种帽子结合蛋白（CBP）参与mRNA与核蛋白体小亚基结合3.起始阶段,eIF2与met-tRNA及GTP结合形成复合物，eIF2是翻译所必须的因子真核生物翻译起始4/18/20233940S·Met

·

tRNAimet·GTP80S核蛋白体+eIF3

40S小亚基·eIF3+60S大亚基Met·tRNAimet+GTP+eIF2

Met·tRNAfmet·eIF2·GTP80S·Met·tRNAfmet·mRNA80S起始复合物40S·mRNA·Met

·

tRNAimet·GTPeIF4C+mRNAeIF4A,4B,4E,4F+60SeIF2,3,4C,5eIF4D80S起始复合物的形成4/18/2023402.延长进位、成肽和转位三个阶段核糖体循环P位：给位或肽位DonorsiteorPeptidylsiteA位：受位或氨基酰位AcceptorsiteorAminoacylsite进位成肽转位核糖体小亚基PAmRNAAUGUUAGGUCCCAACAGCAUCUAC核糖体大亚基tRNAAAUtRNA蛋亮PAmRNAAUGUUCGGUCCCAACAGCAUCUACAAG蛋亮PAmRNAAUGUUCGGUCCCAACAGCAUCAAG亮蛋4/18/2023413.终止释放因子（RF）辨认终止码RF3激活转肽酶，催化P位上的肽与tRNA解离在释放因子（RR）的作用下，tRNA，mRNA和RF从核糖体上解离，在IF的作用下核糖体自身分解为大小亚基。4/18/202342（三）肽链翻译后的加工修饰

1.一级结构修饰●

去掉N-甲酰基、N-蛋氨酸或N端序列

●

个别氨基酸的修饰（羟化、磷酸化、形成-S-S-等）●

多蛋白（polyprotein）的水解修饰4/18/2023432.空间结构修饰●

折叠成天然构象

分子伴侣（molecularchaperon）帮助新生多肽链折叠成高级结构的一类蛋白质

●

亚基聚合

●

辅基的结合（如糖基化等）4/18/202344(四)蛋白质的分拣与转运

1.分拣（sorting）分拣信号蛋白质的一级结构或高级结构中存在被分配到目的地的信息●细胞核：

核定位信号（富含碱性氨基酸）

●各种细胞器：

细胞器定位信号

●分泌至细胞外：信号肽（signalpeptide）碱性氨基酸＋疏水氨基酸＋剪切位点4/18/202345●

翻译转运同步（如多数分泌性蛋白）●

翻译后转运（如核DNA编码的线粒体蛋白）2.转运靶向运输分泌至胞外留在胞浆内进入核内或其他细胞器穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质为分泌性蛋白4/18/202346蛋白质合成的调节四环素类，抑制原核氨基酰tRNA与核糖体结合氯霉素类，阻断延长，原核链霉素类，改变构象，原核嘌呤霉素，竞争抑制酪氨酰tRNA,原核真核放线菌酮，抑制转肽酶，真核4/18/202347抑制蛋白质合成的生物活性物质白喉毒素(DT)：对EF2进行修饰而失活干扰素(IF)：α-IF,β-IF,γ-IF

诱导并激活一种蛋白激酶，使eIF2磷酸化而失活,使病毒蛋白的合成受到抑制；此外，还可诱导产生一种RNA内切酶，破坏病毒RNA4/18/202348第二节环境对基因表达的影响

一、外环境因素对基因表达的影响二、基因表达时空调控三、基因表达调控的基本原理

4/18/202349一、外环境因素对基因表达的影响

●原核生物基因表达

●

环境压力形成了特殊的表达方式

●该表达方式对环境有高度适应性应变能力

4/18/202350大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源，葡萄糖、乳糖、果糖等等但大肠杆菌优先利用葡萄糖。当环境中的葡萄糖缺乏时，开始利用乳糖或其它糖。

1960年，法国科学家Jacob-Monod提出操纵元模型——乳糖操纵元（LactoseOperon)4/18/202351●乳糖操纵子

●组成结构基因（z、y、a）调控元件（启动子，操纵基因）●调控方式葡萄糖充足时，阻遏物与操纵基因结合,阻碍RNA聚合酶对下游三个结构基因的转录

葡萄糖不足时，利用乳糖去阻遏物,允许RNA聚合酶对下游三个结构基因的转录。4/18/202352大肠杆菌乳糖操纵子(lacoperon)的调节4/18/202353●真核生物基因表达

●

外环境比原核生物优越●

主要受内环境变化的影响

(有些细胞的基因表达也会受到环境变化的影响)4/18/202354二、基因表达的时空调控●调控对象可调节基因（regulatedgene），是特定时空条件下特异性表达的基因●调控特点阶段特异性（时间特异性）组织特异性（空间特异性）●生物学意义分化与发育适应环境4/18/202355①多细胞生物不同组织细胞中的基因组是相同的不同细胞表达不同基因同一细胞不同的发育阶段，表达不同基因同一种细胞中不同基因表达水平不同

丰富mRNA(高丰度)稀少mRNA(低丰度)基因差异表达特征基因差异表达是多细胞生物进化的结果,是细胞活动分工的基础4/18/202356三、基因表达调控的基本原理●基因表达调控的环节基因转录的调控蛋白质合成的调控4/18/202357DNA元件原核生物：启动序列、操纵序列

真核生物：启动子、增强子、抑制子

顺式作用元件特异DNA序列●

基因表达调控的因素蛋白分子真核生物：转录因子

原核生物：RNA聚合酶特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白转录因子反式作用因子基本转录因子增强子结合因子抑制子结合因子4/18/202358第三节原核生物基因表达的调控

●

特点

转录与翻译紧密偶联操纵子是主要调节机制多顺反子mRNA阻遏蛋白介导的负性调节为主转录起始是调节的关键4/18/202359调节层次

●转录水平调节●

起始调节是关键●

依靠操纵子(operon)与阻遏蛋白(负)、激活蛋白(正)的相互作用4/18/202360阻遏蛋白对大肠杆菌乳糖操纵子的负调节4/18/202361激活蛋白对阿拉伯糖启动子的正调节

无阿拉伯糖时，AraC同二聚体与O2和I1结合，BAD基因不发生转录有阿拉伯糖时，AraC用另一种方式形成二聚体与I1和I2结合，从而激活BAD基因转录4/18/202362●转录终止调节

色氨酸操纵子trpoperon依赖ρ因子或者依赖转录产物3’端发夹结构，使转录过早终止，称为衰减（attenuation）4/18/202363有色氨酸时，转录过早终止，只生成先导mRNA色氨酸操纵子（trpoperon）表达的衰减缺色氨酸时，转录完全，生成全长mRNA4/18/202364●翻译调节

●

稀有密码子对翻译影响

主要影响翻译的速度

mRNA的5′端或3′端形成发夹结构，可防止被外切酶水解，延长其寿命●

翻译阻遏反义RNA（antisenseRNA）阻碍核糖体与靶mRNA结合●

mRNA稳定性对翻译的影响

调节蛋白竞争mRNA的核糖体结合位点4/18/202365第四节真核生物基因表达的调控

一、转录前的调控二、真核基因转录激活调节三、翻译水平的调控4/18/202366真核生物转录调控的环节转录起始转录后修饰染色质结构转录起始复合物剪接加帽、加尾出核转运4/18/202367真核基因结构特点单顺反子重复序列断裂基因真核基因转录特点染色体结构变化正向调节转录与翻译分隔进行4/18/202368调控元件多而复杂，不同的基因调控元件组合不同，构成它特有的组合模式不同的基因转录除需要普通转录因子与RNA聚合酶作用外，还需要特异转录因子特异转录因子与增强子，沉默子等结合，决定基因表达的特异性基因转录调控中始终体现DNA与蛋白质、蛋白质与蛋白质的相互作用真核生物基因转录调控特点★★★★4/18/202369一、转录前的调控

●

特点多层次调控(正性调节为主)核小体结构松弛、缺失对核酸酶敏感CpG岛低甲基化组蛋白乙酰化（H1缺失）转录活跃区域的特点4/18/202370组蛋白的乙酰化和甲基化DNA的甲基化与其他蛋白的相互作用转录前调控的方式转录复合物不能进入致密染色质

▲高致密度的染色质(heterochromatin)不能转录▲染色质的致密程度依赖于4/18/202371▲属翻译后修饰▲Acetylgroup(CH3COO–)共价与组蛋白的碱性氨基酸结合▲中和正电荷▲消除组蛋白与DNA的离子键结合▲松弛染色质▲活化转录组蛋白乙酰化的作用4/18/202372二、真核基因转录调节顺式作用元件反式作用因子顺式作用元件和反式作用因子的相互作用决定基因是否转录4/18/202373DNA结构中蕴藏着调控序列顺式作用元件与基因表达cis-actingelement真核细胞编码蛋白质的基因中存在一些参与基因转录调控的非编码区域4/18/202374100~300bp位置灵活是否发挥作用取决组织细胞是否存在特异转录因子增强子位于转录起始上下游的DNA元件。与特异转录因子结合后增强启动子活性，决定基因表达时空性4/18/202375沉默子（silencer)结合特异转录因子后抑制启动子的活性，一般属于负调控元件主要取决于特异转录因子的作用4/18/202376反应元件（responseelement)举例

热休克反应元件---HSE糖皮质激素反应元件---GRE金属离子反应元件---MRETPA反应元件---TRE低氧诱导因子反应元件干扰素反应元件4/18/202377DNA结构中蕴藏着调控序列蛋白质---转录因子决定基因的开放或关闭4/18/202378

也称转录因子（transcriptionfactors，TF），是一类细胞核内蛋白质因子，通过与顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来调节转录的活性反式作用因子对基因表达的调控反式作用因子（trans-actingfactor）4/18/202379反式作用因子类型基础转录因子basaltranscriptionfactor结合RNA聚合酶和转录核心元件结合转录非核心元件和基础转录因子，激活或者抑制两类作用特异转录因子specialtranscriptionfactor4/18/202380反式作用因子的结构DNA结合域DNAbindingdomain转录激活域activationdomainDNA结合域的四种模体●

螺旋－转角－螺旋（helix-turn-helix,HTH）●

锌指（zincfinger）●

亮氨酸拉链（leucinezipper）●

螺旋－环－螺旋（helix-loop-helix,HLH）4/18/202381反式作用因子中的亮氨酸拉链模体4/18/202382反式作用因子中的螺旋-环-螺旋结构4/18/202383反式作用因子中的锌指模体4/18/20