分子生物学课件：基因表达调控21060901

1、基因表达调控,Gene expression & regulation,精准医学与基因,2,2015年1月20日，奥巴马总统在国情咨文演讲中提出了“精准医学计划”（PMI），提议国会在2016年财年向该计划投入2.15亿美元，推动个体化基因组学研究，依据个人基因信息为癌症及其他疾病患者制定个体医疗方案。,精准医学与基因,3,2004年，新英格兰医学杂志发表了一篇精准医学的标志性论文，这篇文章描述了一个癌症患者的治疗过程。用基因测序的方法找到患者突变的靶标，在辅以有针对性的化疗药物治疗小细胞肺癌，即所谓的精确打击，以代替肿瘤治疗中的放疗、化疗、手术等地毯式轰炸手段，不仅可以提高治疗效率，还能降低

2、患者痛苦程度和经济负担。,精准医学与基因,4,精准医学：根据每一位患者的特点调整医学治疗措施。但并不意味着为每一位患者生产独特的药物或医疗设备，而是指能够根据患者的特定疾病易感性不同、所患疾病生物学基础和预后不同，以及对某种特定治疗的反应不同，而将患者分为不同亚群。,精准医学与基因,5,精准医学：根据每一位患者的特点调整医学治疗措施。但并不意味着为每一位患者生产独特的药物或医疗设备，而是指能够根据患者的特定疾病易感性不同、所患疾病生物学基础和预后不同，以及对某种特定治疗的反应不同，而将患者分为不同亚群。 基因检测技术对疾病进行分类 用不同的治疗方法进行治疗,基因（Gene）:,编码一个RNA或

3、蛋白质所需的DAN片段,编码结构蛋白,编码调控蛋白,tRNA,结构基因,调控基因,只转录不翻译的基因,基因（Gene）:,编码一个RNA或蛋白质所需的整个核苷酸序列,编码结构蛋白,编码调控蛋白,tRNA,结构基因,调控基因,只转录不翻译的基因,DNA:由单核苷酸组成的多核苷酸链,DNA:由单核苷酸组成的多核苷酸链,三磷酸脱氧核苷酸(dNTP),碱基,脱氧核糖,磷酸,H2O,DNA:由单核苷酸组成的多核苷酸链,三磷酸脱氧核苷酸 (dNTP),DNA:由单核苷酸组成的多核苷酸链,不同核苷酸中只有碱基是不同的,5-ATGTGTCATCGATCGATCCTCGT-3,DNA:由单核苷酸组成的多核苷酸链

4、,不同核苷酸中只有碱基是不同的,5-ATGTGTCATCGATCGATCCTCGT-3,启动子：RNA聚合酶识别和结合的位点 编码区：编码蛋白质或RNA的核苷酸序列 终止子：RNA聚合酶解离位点,启动子、终止子是调节基因转录的核苷酸序列,被称为基因转录的调控区。,基因:编码一个RNA或蛋白质所需的DAN片段,2015临床执业医师考试大纲,基因表达调控 1 基因表达调控的概述 （1）基因表达的概念及基因表达调控的意义 （2）基因表达的时空性 （3）基因的组成性表达、诱导与阻遏 （4）基因表达的多级调控 （5）基因表达调控的基本要素 2.基因表达调控的基本原理 （1）原核基因表达调控（乳糖操纵子）

5、 （2）真核基因表达调控（顺式作用元件、反式作用因子）,14,主要内容,基因表达与基因表达调控的概念与特点 原核基因表达调控 真核基因表达调控,15,第一节基因表达与基因表达调控的概念与特点,16,一、基因表达是基因转录和翻译的过程 二、基因表达具有时间特异性和空间特异性 三、基因表达的方式存在多样性 四、基因表达调控的几个层次 五、基因表达调控的特点,一、基因表达是基因转录和翻译的过程,基因表达:是指细胞将储存在DNA中的遗传信息经过转录或转录-翻译过程转变为具有生物学活性分子（RNA或蛋白质）的过程。,一、基因表达是基因转录和翻译的过程,一、基因表达是基因转录和翻译的过程,一、基因表达是基

6、因转录和翻译的过程,21,RNA聚合酶决定基因的转录,RNA聚合酶全酶由五个亚基组成 不同亚基有不同功能：,一、基因表达是基因转录和翻译的过程,一、基因表达是基因转录和翻译的过程,基因表达的时间特异性（阶段特异性）,基因表达的空间特异性（组织特异性）,根据生长、分化和发育等功能的需要，随着环境的变化，特定基因按照一定的时间顺序先后表达。（甲胎蛋白）,不同的组织或器官中，基因表达的种类和表达水平不同。（胰岛素）,二、基因表达具有时空特异性,24,三、基因表达的方式存在多样性,基因表达成为有功能的蛋白质，什么时候表达，在什么组织表达，表达多少都可能不同。,25,三、基因表达的方式存在多样性,基因表

7、达成为有功能的蛋白质，什么时候表达，在什么组织表达，表达多少都可能不同。,基因表达调控：是指在基因表达的不同阶段控制基因表达速率和产量的过程。,(一) 有些基因在所有细胞中持续表达,(二) 基因表达受到环境变化的诱导和阻遏,(三)生物体内不同基因的表达受到协同调节,26,三、基因表达的方式存在多样性,在生物体几乎全部组织中持续表达，表达水平受环境因素影响很小，这类基因表达被视为组成性基因表达 通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,(一) 有些基因在所有细胞中持续表达,27,三、基因表达的方式存在多样性,(二) 基因表达受到环境变化的诱导和阻遏,在一定的环境刺激下，基因表达

8、产物水平增强，这种现象称为诱导(induction)。 可诱导基因(inducible gene)。 例如：DNA损伤相关酶的表达,在一定的环境刺激下，基因表达产物水平降低，这种现象称为阻遏(repression)。 可阻遏基因(repressible gene)。 例如：细菌中色氨酸合成酶，在色氨酸存在时关闭,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，即为协同表达(coordinate expression)。 这种调节称为协同调节(coordinate regulation)。,（三）生物体内不同基因的表达受到协同调节,三、基因表达的方式存在多样

9、性,四、基因表达调控的几个层次,转录前调控：基因拷贝数； 转录调控：mRNA拷贝数； 转录后调控：RNA修饰及运输； 翻译调控：核糖体与mRNA结合效率； 翻译后调控：蛋白质的加工修饰。,（一）、转录起始的调控特点 转录起始是RNA聚合酶与DNA序列相互作用的结果。,五、基因表达调控的特点,（二）、翻译起始的调控特点 翻译起始是核糖体与mRNA相互作用的结果。,（三）、对转录和翻译产物的调控特点 mRNA的半衰期、加工修饰及运输； 蛋白质的折叠、修饰及运输。,3. 细胞质,0. 荚 膜,1. 细胞壁,5. 核糖体,2. 细胞膜,4. DNA,第二节 原核基因表达调控,编码区占50%以上,非编码

10、区少， 几乎全部非编码区均为调控序列。,3、多为单拷贝,rDNA(多),4、操纵子结构是原核基因的转录单位。,2、蛋白质的编码区（结构基因）是连续的, 没有内含子；,1、重复序列少，基因密度高,一条双链闭合环状的DNA分子,原核基因（组）的结构特点：,1、操纵子(operon)：是由多个结构基因及其调控序列组成，多个结构基因共用一个启动子和一个终止子。,一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位,启动子：RNA聚合酶识别和结合的位点 编码区：编码蛋白质或RNA的核苷酸序列 终止子：RNA聚合酶解离位点,启动子、终止子是调节基因转录的核苷酸序列,被称为基因转录的调控区。,基因:编码一个RNA或蛋白质

11、所需的DAN片段,35,几个结构基因串联的形式存在,产物：多顺反子RNA,一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位,几个功能相关的结构基因串联在一起，受同一个控制区调节的一段DNA序列。,调控序列包括： 阻遏蛋白(repressor, I)基因， 启动子(promoter, P)， 操纵序列(operator, O)， 终止子,一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位,（1）是RNA聚合酶识别和结合的一段DNA序列。 （2）位于结构基因的上游，一般在100bp以内。 具有方向性，只能近距离起作用。,RNA聚合酶结合区,转录开始,2、启动子：,一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位,一、操纵子是原核

12、基因转录调控的基本单位,39,ATGACGATCGATCTATCGATCGATTAGAGGTAA,Start point,Terminator,启动子 Promoter,-35区：T82T70G78A65C54A95 -10区：T80A95T45A60A50T96,Consensus sequence (共有序列),+1,转录方向,-GTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG-CACATAA CT GTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC-,+1,-10,-35,5,5,3,3,大肠杆菌的启动子：,

13、转录起始位点,结合位点,识别位点,一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位,各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称为共有序列。 E.coli及一些细菌启动序列的共有序列 在-10区域：TATAAT， 在-35区域：TTGACA 与共有序列的相似性的大小决定了启动序列的强弱。,一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位,一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位,共有序列决定启动子转录活性：,是一段与阻遏蛋白特异结合的DNA序列。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、操纵元

14、件：,一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位,是一段与阻遏蛋白特异结合的DNA序列。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、操纵元件：,一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位,一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位,4、调节基因：编码调控蛋白的基因，调控蛋白能够与操纵序列结合。 调控蛋白：DNA结合蛋白。 （1）特异因子： （2）阻遏蛋白：负调控蛋白 （3）激活蛋白：正调控蛋白,45,原核基因的操纵子学说：,弗朗索瓦雅各布 Francois Jacob (1920-2013),JL莫诺 Jacques L. Mon

15、od （19101976）,1961年初正式建立了一个多基因控制模型（操纵子理论）。其主要内容是：调节基因决定着阻遏物的生成，直接决定蛋白质结构的是结构基因。操纵基因位于调节基因和结构基因之间。当诱导物不存在时，阻遏物阻止了操纵基因的开动，结构基因不能转录出信使RNA，蛋白质的合成不能进行。加入诱导物后，阻遏物失活，操纵基因随之开动，信使RNA开始转录，蛋白质的合成开始进行。,二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控,乳糖操纵子模式图,47,乳糖操纵子的调控模式 Lac Operon,Regulatory element,CAP (Catabolite gene activator protein)

16、分解代谢物基因的活化蛋白,+,正、负调控： CAP正调控 阻遏蛋白负调控,48,CAP的正调控,半乳糖,-半乳糖苷酶,CAP,降解乳糖,缺乏葡萄糖,49,阻遏蛋白的负调控,阻遏蛋白： 结合操作子（operator） 抑制结构基因转录,transcription,No expression,50,乳糖扮演诱导剂的角色,乳糖与阻遏蛋白结合使“O”开放,-半乳糖苷酶,51,in E.coli 当没有乳糖、有葡萄糖时,No expression,葡萄糖存在，CAP不能发挥正调控； 没有乳糖，无诱导剂存在，阻遏蛋白与DNA结合，基因 处于关闭状态。,52,in E.coli 当有乳糖、没有葡萄糖时,in

17、 E.coli 当葡萄糖和乳糖都有时,乳糖的存在对转录产生诱导作用。 葡萄糖的存在，使CAP活性降低，不能结合到CAP结合位点上，“转录仍不能启动”。,in E.coli 当葡萄糖和乳糖都不存在,没有葡萄糖，CAP可以发挥正调控作用 没有乳糖，即没有诱导剂，阻遏蛋白发挥负调控作用， 转录仍不能启动。,55,由此可见， P和O双开关都开放时基因表达,乳糖操纵子：,想想看： 将乳糖操纵子的结构基因换成其他基因？,GFP转基因工程菌,56,小结：,转录水平的调控 是对RNA聚合酶活性的调节,ATGACGATCGATCTATCGATCGATTAGAGGTAA,Start point,Terminato

18、r,启动子 Promoter,结合位点,解离位点,转录模板,调控蛋白,调控RNA聚合酶活性： 空间阻碍占据位点 直接抑制,57,原核生物基因表达的翻译水平调控,相关概念,SD 序列: 位于mRNA上AUG的上游，由6个核苷酸组成的序列,与16S rRNA 3端碱基互补 。 核糖体：主要由rRNA和蛋白质构成，其功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链。,原核生物基因表达的翻译水平调控,Regulation of prokaryotic gene expression at translation level,SD序列 mRNA稳定性 翻译产物的调控作用,翻译水平的调控主要涉及：,核糖体

19、 (ribosome)： 是蛋白质-rRNA复合物 通过rRNA与mRNA互补配对结合到mRNA上,1. SD序列决定翻译起始效率,SD 序列 (Shine-Dalgarno sequence),基本特点： 一般位于mRNA上游距AUG约8-11nt位点 由6个核苷酸组成的consensus sequence,In E.coli, AGGAGG,基本功能： 负责招募核糖体定位到起始密码处，启动蛋白质的合成。,在多顺反子mRNA中， 每一个蛋白编码区都有一个AUG，在AUG上游都有一个SD序列,核糖体可直接结合到mRNA上的任何一个SD序列上，并从其后的AUG开始启动蛋白质的翻译,SD序列与AU

20、G之间的距离直接影响基因产物的翻译效率,IL-2表达最高,IL-2表达水平降低500倍,因此，SD序列的位置在基因表达调控中起重要作用,例如：,问题： SD序列与AUG之间的距离直接影响基因产物翻译效率的本质是什么？,其实： 是影响了核糖体精确定位到AUG上,问题 ： 为什么原核生物基因表达不涉及核糖体功能的调控，而抗生素则可以核糖体作为靶点？,其实： 核糖体中的rRNA是多种临床相关抗生素的作用靶点，如氯霉素、红霉素、链霉素等,2. mRNA稳定性是决定翻译产物量的重要因素,细菌mRNA通常很不稳定,In E.coli: 37时，mRNA平均寿命2min 这意味着：诱导因素一旦消失，蛋白表达

21、立即停止,影响mRNA稳定性的因素： mRNA结构：5端与核糖体结合，相对稳定 mRNA的序列：两端的发夹结构,问题 ： 从细菌中提取mRNA是否可行？ 如果答案是No，你主要考虑了哪些因素？,一般来说是不可行的 原因： mRNA的半衰期太短 mRNA的合成及降解偶联进行,3. 翻译产物：反馈调节效应,操纵子mRNA蛋白质 结合到多顺反子上游的一个特定部位 阻止核糖体结合和起始翻译,68,小结：,基因 DNA序列 基因表达：DNA RNA Protein,转录,翻译,基因表达调控： 围绕“DNA RNA Pro”流程加以控制,转录单位： DNA序列：调控序列+基因序列,69,真核基因表达调控,

22、70,真核生物基因( Eukaryotic gene),What is eukaryote?,有核膜包裹的细胞核，内有遗传物质 有膜包裹的其他细胞器,细胞分裂有两种方式： 有丝分裂：染色体复制后平均分到子代细胞中 减数分裂：二倍体细胞染色体重组复制后分裂为四个 单倍体细胞（配子）,真核生物：一般为多细胞生物，少数为单细胞生物 酵母是最简单的真核生物,71,真核生物基因 ( Eukaryotic gene),基因是断裂的，由外显子和内含子组成,一个结构基因及其调控区组成一个转录单位,72,真核基因表达的特点,1.转录在细胞核中 也就是说： mRNA要经过穿膜旅行 mRNA要有足够长的寿命,2.m

23、RNA需要剪接和运输,3.翻译在细胞浆中,73,真核基因表达的转录前调控,（一）基因重排和基因扩增,基因重排（gene rearrangement） 指在基因转录前DNA序列被重新排列的一种调控方式。是哺乳动物B淋巴细胞表达免疫球蛋白时所采用的一种调控机制。 基因扩增（gene amplification） 是通过增加基因在基因组上的数目达到增加基因表达量的一种调控方式， 机制不明。,（二）染色体变构对基因转录的影响,染色质活化： 基因组DNA和组蛋白的结合变松散，有利于转录因子接近，也利于双链DNA的解链，从而促进基因的转录； 异染色质化 ： 染色质凝集成致密结构，既不利于双链DNA的解链，

24、也不利于转录因子靠近，从而抑制基因的转录 。,（三）表观遗传修饰对基因转录的影响,DNA的甲基化修饰 ：一般甲基化程度越高，基因的转录活性越低。 组蛋白的修饰 ：组蛋白的修饰可以直接影响核小体的结构，从而影响基因的转录。 印记基因（imprinted gene）,77,转录水平的基因表达调控,对DNA的调控,78,真核基因转录水平的调控 也是对RNA聚合酶活性的调节,真核生物有三种RNA聚合酶： RNA pol I RNA pol II RNA pol III,负责mRNA的合成,真核基因转录水平的调控 主要是指对RNA聚合酶II活性的调节,79,真核生物的RNA聚合酶II 不能直接与DNA结

25、合,转录因子复合物： 为RNA pol 搭起了接近并结合DNA的“脚手架” 也是决定基因是否启动转录以及转录强度的关键因素,基因转录,80,真核生物的RNA聚合酶II 识别II类启动子,核心元件,结构基因,-GCGC-CAAT-TATA,Initiator, Inr 起始子,-3,+5,上游元件,远端调控区,+1,增强子,GC box,CAAT box,TATA box,Start point,5-Y-Y-A+1-N-T/A-Y-Y-Y-3,Y：C或T N：任意碱基 T/A：T或A,与位置、方向无关 一个基因可受多个增强子调控,转录因子复合物,RNA pol II,RNA pol II,RNA

26、 pol II,RNA pol II,81,启动子 启动子变异会发生什么？,答： RNA聚合酶不能结合 RNA聚合酶不能识别 RNA聚合酶不能启动基因的转录,注意： 启动子变异也可以是某种疾病的主要原因,82,例如，-地中海贫血,-珠蛋白链合成障碍导致血红蛋白成分组成异常引起的一组慢性溶血性贫血,血红蛋白分子结构,-珠蛋白链,-珠蛋白链相对,不稳定血红蛋白,易氧化、变性，沉积在红细胞膜上，使红细胞膜变脆易破,红细胞通过毛细血管易破,贫血,83,-地中海贫血的原因 很多 其中一种是因为启动子变异,-珠蛋白基因,-TGATAA,Initiator, Inr 起始子,-3,+5,+1,增强子,TAA

27、TAA,转录因子GATA-1 的 结合位点,GATA-1,RNA pol II,SNP (A G),GATA-1,两个GATA-1结合位点 竞争结合GATA-1转录因子,-珠蛋白表达量减少 -珠蛋白相对增多,干扰启动子的活性,84,调控RNA聚合酶活性的基本方式： 是否能结合到DNA上 是否能从DNA上解离下来 是否能顺利在模板DNA上滑行通过,有阻挡不行（如阻遏蛋白） 没梯子不行（如真核的转录因子脚手架）,85,顺式作用元件和反式作用因子共同调节,反式作用因子,-是指能与顺式作用元件和RNA聚合酶相结合的蛋白质，从而形成转录复合物来调节基因的转录活性 转录因子,*顺式作用元件（DNA）是反式

28、作用因子（Protein）的作用靶点,通用转录因子：RNA聚合酶介导转录所必需的一类辅助蛋白质，对所有基因都是必需的,特异转录因子：个别基因转录所必需，决 定其表达的时间空间特异性,86,真核生物基因转录水平的调控,转录调控的三种因素 ： RNA聚合酶 顺式作用元件 反式作用因子 RNA聚合酶的特点： RNA聚合酶负责转录能编码蛋白质的mRNA； 能识别基因的启动子，但不能直接与启动子结合； 借助蛋白质复合物，通过蛋白质-蛋白质相互作用间接结合启动子发挥转录活性。,顺式作用元件：能影响基因表达活性的DNA序列，如启动子、增强子等。 启动子：包含TATA盒、GC盒和CAAT盒等； 负责控制基因转录的频率和强度。 增强子：增强启动子的转录活性；（looping) 反式作用因子：能与顺式作用元件和RNA聚合酶相结合的蛋 白质，从而形成转录复合物来调节基因的 转录活性。,88,真核基因表达的转录后调控,（一）RNA剪接的调控作用,RNA剪接（splicing）：指真核基因的初级转录产物移除内含子并重新将外显子拼接的过程。 组成型剪接（constitutive splicing）：指经剪切后的外显子按照编码蛋白质的顺序规范地拼接成成熟mRNA，使一个基因只生成一种成熟mRNA，产生一种肽链 。 选