《生物化学》教学课件：基因表达调控2014TXW0603A

1、基因表达调控,Gene regulation and expression,目 录,第四篇,Introduction,基因表达调控的基本概念,一、基因表达的概念,* 基因组(genome) 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,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。,* 基因表达(gene expression),基因表达是受调控的,目 录,二、基因表达的时间性及空间性,（一）时间特异性,目 录,（二）空间特异性,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，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue sp

2、ecificity)。,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现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,目 录,以青蛙为例，受精后的蛙卵到成熟青蛙的整个发育过程都需要甲状腺素。 甲状腺素与其受体结合促进了激素受体与相关的DNA结合，启动基因的表达；,卵母细胞 受精 受精卵,尽管肌细胞和神经细胞都含有相同的遗传信息，但无论是外形上还是功能上都有很大的差别。这些差异就是因为基因表达不同所致。,图示细胞外形差异,肌细胞,神经细胞,我们如果分析并比较一下胰腺和肝脏的蛋白质组成，不难看出因功能不同组织间蛋白质表达的差异。,胰腺的主要功能是分泌消化酶，而

3、肝脏则主要是脂质运输和能量运输,（胰腺）,（肝脏）,消化酶 脂质运输和能量运输,三、基因表达的方式,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,（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(housekeeping gene)。,无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个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。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutive gene expression)。,（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

4、基因在特定环境中表达增强的过程，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)。,环境对细菌的生长也有很大的影响。在营养或生长环境发生改变的情况下，有些蛋白质的表达会发生很大的改变，表达量会有上1000倍的差异； 多细胞生物的生长也会随着环境的改变而改变。这些生物或细胞在激素和生长因子的作用下在形状、生长速度等生物学特征或表型上发生改变；,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(coordinate expression)，这种调

5、节称为协调调节(coordinate regulation)。,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,（二）维持个体发育与分化,五、基因表达调控的基本原理,（一）多层次性和复杂性。基因表达的多级调控从基因表达的定义可以看出，基因表达在转录和翻译水平都受到了严格的控制，最重要的调控是发生在转录水平。蛋白质通过与特异的DNA序列相互作用以及与DNA结合位点相互作用而实现。,基因激活,转录起始 转录后加工 mRNA降解,（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。,1. 特异DNA序列和

6、调节蛋白质,特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础 在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合，这些特定的DNA序列称为顺式作用元件（cis-acting elements），亦称为顺式调控元件。在原核生物中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合位点、增强子等。,特异DNA序列,E.coli的启动子区,调控蛋白具有结合DNA所需的结构特征,基因特异性转录因子（gene specific transcription factors）:能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质 激活蛋白或正调控蛋白:

7、对基因表达有激活作用的 蛋白质 阻遏蛋白:对基因表达有抑制作用的蛋白质,最常见的DNA结合域：,1. 锌指(zinc finger),C Cys H His,常结合GC盒,2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH）,usually binds to CAAT box,（三）、特定蛋白质与DNA结合后控制转录起始,因子和启动子决定转录是否能够起始,启动子及其与转录的关系,阻遏蛋白结合操纵元件对转录起始进行负调控 阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与DNA结合后，RNA聚合酶仍有可能

8、与启动子结合，但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种作用称为阻遏（repression），特定的信号分子与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA 上脱落下来，称为去阻遏，或脱阻遏（derepression）。,阻遏蛋白都可以与信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与DNA结合，或者与DNA解离。在可诱导型操纵子中，信号分子使阻遏物从DNA释放下来，解除对转录的抑制作用；在可阻遏型操纵子中，信号分子使阻遏物结合DNA，抑制转录。在两种情况下，阻遏蛋白结合于DNA后都是抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。,第 二十 章 原核基因表达调控,Regulation of Gen

9、e Expression In Prokaryotic,第一节 原核生物基因表达特点Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes,具有普遍性； 真核生物研究的借鉴； 开拓了分子识别（molecular recognition)的研究； 研究成果应用于实践，具有指导意义。,一、操纵子是原核生物的基因转录单元,乳糖操纵子模型发现的背景,Lactose: 乳糖 Galactose: 半乳糖 Glucose:葡萄糖 Galactosidase:半乳糖苷酶,观察结果：,-galactosidase, galactoside permease (半乳糖

10、苷透酶) and thiogalactoside transacetylase(硫代半乳糖苷转乙酰基酶)的表达都增加了 galactoside permease (半乳糖苷透酶) 对运输Lactose到细菌内起很重要的作用 硫代半乳糖苷转乙酰基酶尽管对半乳糖代谢不起作用但对细菌脱毒起一定作用，因为透酶会带一些对细菌有毒的物质进入菌内,推测的结论：,某些环境的改变会导致一些功能相关的酶同时表达 基因按功能相关性串联、共同组成转录单位-操纵子,如乳糖操纵子,Francois Jacob and Jacques Monod提出了操纵子，模型要点：,有些基因不是作为合成蛋白质的模版发挥作用，而只是起调

11、节或操纵作用。因此基因在功能上分为结构基因、调节基因和操纵基因。他们因此而获1965年诺贝尔生理和医学奖。1969年，Beckwith JR从大肠杆菌中分离出了乳糖操纵子，证实了操纵子的模型及理论。,Lac Operon的结构,P-Promoter P O-Operator O I-调节基因 I,二、乳糖操纵子调节机制,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,The lac operator. The nucleotide sequence of the lac operator shows a nearly perfect inverted repeat,操纵子理论实验依据,实验模型

12、：细菌的乳糖代谢酶类诱导 突破点: 乳糖阻遏蛋白基因lac I的发现 lac I 是组成型表达基因，其突变(lac I-)引起管辖的基因族也发生组成型表达 用噬菌体转导方法把野生型(lac I+)转入突变株(lac I-)，逆转了组成型突变,操纵子(operon)是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元，结构基因转录受调控序列控制。 调控序列包括远端的阻遏蛋白(repressor)基因I，近端的启动子(promoter, P)和操纵序列(operator, O)。,蛋白质因子,特异DNA序列,启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。,操纵序列是阻遏蛋白的结合位点,当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会

13、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。,二、原核生物中mRNA的转录、翻译和降解偶联进行,三、mRNA所携带的信息差别很大,细菌mRNA所编码的蛋白质数量有很大差异。有的mRNA只带有一个结构基因的信息（编码一个蛋白质），称为单顺反子mRNA（monocistronic mRNA）； 大部分mRNA都是从操纵子转录而成，带有编码几个甚至十几个蛋白质的序列信息，这种mRNA是从几个首尾相连的结构基因（存在于一个操纵子中）一次转录而成，称为多顺反子mRNA（polycistronic mRNA）。,第二节 原核生物基因表达的 转录水平调控 Regula

14、tion of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level,一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋白质结构为基础,二、特定蛋白质与DNA结合后控制转录起始,（一）因子和启动子决定转录是否能够起始,（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起始进行负调控,1. 乳糖操纵子是可诱导型操纵子,乳糖操纵子的结构,没有乳糖存在时,乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭,有乳糖存在时,乳糖操纵子被诱导物开放,2. 色氨酸操纵子是可阻遏操纵子,合成代谢操纵子由合成产物关闭,合成代谢操纵子在基础状态下持续开放，在产物达到满足需要量时才关闭。,分解和合成代谢的操纵子,Trp 高时

15、,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,色氨酸操纵子的作用原理,操纵子关闭,（三）激活蛋白结合正调控元件而对转录起始进行正调控,1正调控蛋白可结合启动子邻近序列进行 调控,2激活蛋白结合增强子可远距离进行转录 起始正调控,ntrC蛋白对转录的正调控作用,三、原核基因表达的转录过程可通过不同模式进行调控,（一）去阻遏和正调控机制对转录起始进行 双重调控 1乳糖操纵子受阻遏蛋白（负性调节）和 CAP（正性调节）的协调调节,乳糖操纵子由cAMP-CAP系统进行正调控,TTTACA,TATGTT,N17,N6,A,lac,乳糖操纵子是弱启动子，被RNA

16、-pol结合后，还需cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,CAP,CAP结合位点,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,无转录,无转录,低水平转录,2AraC的别构调节使阿拉伯糖操纵子调控更精细,阿拉伯糖操纵子的转录起始调控,（二）色氨酸操纵子的弱化机制实质是 转录与翻译调控的偶联,色氨酸操纵子(trp operon)除了产物阻遏负调控外，还有转录衰减(attenuation)调控方式。 衰减是转录-翻译的偶联调控。,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,R

17、NA聚合酶,RNA聚合酶,?,色氨酸操纵子的作用原理,前导序列,第10、11密码子为trp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,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,RNA聚合酶,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,前导mRNA,（三）DNA片段倒位和阻遏蛋白的协同作用,沙门菌鞭毛素基因的调节,原核生物基因 表达的翻译水平调控,Regulation of Prokaryotic Gene Exp

18、ression at Translation Level,第三节,一、SD序列决定翻译起始效率,（一）SD序列的碱基序列影响翻译起始的效率 （二）SD序列的定位影响翻译起始的效率,红霉素甲基化酶mRNA的翻译调控,二、mRNA的稳定性是决定翻译产物量的重要因素,原核生物mRNA分子某些片段，例如发夹有RNase抗性。 细胞内有结合RNA、使之免受RNase降解的保护蛋白。 近年发现，内源或外源的小分子RNA可特异互补结合细胞RNA，使其失去功能。,与减少表达量一样，降低mRNA稳定性也是基因表达调控方式,三、翻译产物可对翻译过程产生反馈 调节效应,核糖体蛋白控制多顺反子mRNA的翻译 翻译终止

19、因子RF-2调节自身的翻译,核糖体蛋白与rRNA 合成是互相协调的,原核生物的16S rRNA与21种核糖体蛋白(ribosomal proteins)，简称r-蛋白，组成核糖体小亚基；5S和23S rRNA与31种r-蛋白组成大亚基。大、小亚基在翻译起始组合为70S核糖体。,蛋白质合成是生存的最基本需要，细胞必然要严格控制rRNA和r-蛋白的比例。,核糖体蛋白基因与RNA pol 亚基基因的多顺反子,r-蛋白基因在各个操纵子上转录为多顺反子,这类操纵子有转录-翻译偶联调控现象，称为自我调节（autogenous control）。,四、小分子反义RNA参与调节蛋白质合成,（一）小分子RNA参

20、与基因表达产物类型转 换的调控 （二）小分子RNA参与维持极低水平的基因 表达,大肠杆菌渗透压调节中mic RNA的调节作用,小分子RNA 在翻译水平的调控作用,第 二 节 原核基因转录调节,Regulation of Gene Transcription In Prokaryotic,（一）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,原核生物, 操纵子(operon) 机制,共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小。,某些特异因子（蛋白质）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。,2 操纵

21、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。,3) 其他调节序列、调节蛋白,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。,2. RNA聚合酶, 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性,RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。, 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-

22、蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。,因子决定RNA聚合酶识别特异性,操纵子模型的普遍性,阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,因子决定RNA聚合酶识别特异性,原核生物细胞仅含有一种RNA聚合酶。 因子的作用是识别启动序列；不同的因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。,操纵子模型的普遍性,乳糖操纵子,Structure of the lac repressor (阻遏蛋白). A lac repressor dimer is shown bound to DNA,A lac repressor DNA interactions. The lac repressor (阻

23、遏蛋白) DNA-binding domain inserts a helix into the major groove of operator DNA. A specific contact between an arginine residue of the repressor and a G-C base pair is shown at the right.,Effect of IPTG on lac repressor (阻遏蛋白)structure.,IPTG是半乳糖相似的化合物,Binding site for catabolite activator protein(CAP),Structure of a dimer of CAP bound to DNA,乳糖操纵子学习相关内容背景知识,当无葡萄糖时， E.coli也能利用乳糖作为碳源供能。但E.coli体内糖代谢并没有乳糖合成。乳糖经半乳糖苷酶催化形成葡萄糖和半乳糖并被细菌利用。,象E.coli这样的细菌一般是利用葡萄糖供能及碳源。,功能相关基因的表达是为了使E.coli更好地适应环境,乳糖能诱导半乳糖苷酶的合成。半乳糖苷酶是经乳糖诱导后合成的，并不是经无活性的前体转化而成。,合成半乳糖苷酶时，也发现合成了半乳糖苷透酶和硫代半乳糖苷转乙酰基酶，半乳糖苷透酶的作用是转运乳糖，转乙酰基酶的作用是脱毒。这些功能相关