基因表達調(diào)控regulationofgeneexpression

1、第6章 基因表達的調(diào)控基因表達（gene expression） 是指基因組中結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻是指基因組中結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等過程，合成蛋白質(zhì)，進而發(fā)揮其譯等過程，合成蛋白質(zhì)，進而發(fā)揮其特定的生物學功能的全過程。特定的生物學功能的全過程。RNA 的合成 4種NTP、DNA模板、RNA聚合酶 轉(zhuǎn)錄單位：結(jié)構(gòu)基因、啟動子、終止子 按堿基配對原則, 沿5-3方向 真核生物有三型RNA聚合酶 分為起始階段、延長階級和終止階段 轉(zhuǎn)錄后的產(chǎn)物經(jīng)加工成為成熟的RNA蛋白質(zhì)的合成 合成體系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖體、某些酶與蛋白質(zhì)因子、ATP、GTP、Mg mRNA編碼區(qū)的三個相鄰核苷酸組成

2、密碼子 tRNA起接合器作用，核糖體是合成場所和裝配機 核糖體循環(huán)：起始、肽鏈延長和終止 翻譯后加工：折疊、共價修飾、水解和亞單位的聚合基因表達及其調(diào)控的特點 管家基因管家基因（housekeeping gene）在一個在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因?；?。 組成性基因表達組成性基因表達（constitutive gene expression）管家基因的表達方式，較管家基因的表達方式，較少受環(huán)境影響，在個體各生長階段的幾少受環(huán)境影響，在個體各生長階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達或變化很小。乎全部組織中持續(xù)表達或變化很小。 誘導表達誘導表達（indu

3、ction expression）有一有一些基因表達極易受環(huán)境影響，在特定些基因表達極易受環(huán)境影響，在特定環(huán)境信號刺激下，基因的表達開放或環(huán)境信號刺激下，基因的表達開放或增強。增強。 阻遏表達阻遏表達（repression expression）在在特定環(huán)境信號刺激下，基因的表達關(guān)特定環(huán)境信號刺激下，基因的表達關(guān)閉或減弱。閉或減弱。 時間特異性時間特異性（temporal specificity）在在多細胞生物，從受精卵到組織、器官多細胞生物，從受精卵到組織、器官形成的各個發(fā)育階段，相應的基因嚴形成的各個發(fā)育階段，相應的基因嚴格按照一定的時間順序開啟或關(guān)閉。格按照一定的時間順序開啟或關(guān)閉。 空

4、間特異性空間特異性（spatial specificity）在個在個體生長全過程，某基因產(chǎn)物在不同組體生長全過程，某基因產(chǎn)物在不同組織空間順序出現(xiàn)?？椏臻g順序出現(xiàn)。 協(xié)調(diào)表達協(xié)調(diào)表達（coordinated expression）功功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達。又稱協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)表達。又稱協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（coordinated regulation）基因表達的調(diào)控（gene expression regulation ） 是指各種細胞中相同的遺傳信息，有是指各種細胞中相同的遺傳信息，有規(guī)律的選擇性、程序性、適度的表達規(guī)律的選擇性、程序性、適度的表達以適應機體生長、

5、發(fā)育、繁殖以及環(huán)以適應機體生長、發(fā)育、繁殖以及環(huán)境變化的需要，發(fā)揮其生理功能的調(diào)境變化的需要，發(fā)揮其生理功能的調(diào)節(jié)和控制。節(jié)和控制。基因表達調(diào)控的生理意義 適應環(huán)境、維持生長和增殖適應環(huán)境、維持生長和增殖 維持個體發(fā)育與分化維持個體發(fā)育與分化基因表達調(diào)控的基本原理 基因表達的多級調(diào)控基因表達的多級調(diào)控 基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本因素基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本因素 特異特異DNA序列序列 調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白 DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用蛋白質(zhì)相互作用 RNA聚合酶聚合酶Transcription5 GATCTGACTGACATAGACATAGAT 3 coding (= non-tem

6、plate) strand3 CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA 5 template strand 5 GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU 3 mRNA 第一節(jié)第一節(jié)原核生物基因表達的調(diào)控原核生物基因表達的調(diào)控一 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（一）影響轉(zhuǎn)錄的因素 啟動子啟動子 因子因子 阻遏蛋白阻遏蛋白 正調(diào)控蛋白正調(diào)控蛋白 倒位蛋白倒位蛋白 RNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物 衰減子衰減子操縱子操縱子調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)信息區(qū)信息區(qū)啟動子啟動子操縱基因操縱基因啟 動 子 決定轉(zhuǎn)錄方向及模板鏈：決定轉(zhuǎn)錄方向及模板鏈： E. coli的啟動子長約的啟動子長約40-60bp，至少包括三個功能區(qū)

7、。，至少包括三個功能區(qū)。 起始部位（起始部位（initiation site） 1 結(jié)合部位（結(jié)合部位（binding site） -10bp，RNA聚合聚合酶與之結(jié)合酶與之結(jié)合 T80A95T45A60A50T96 識別部位（識別部位（recognition site） -35bp，因子因子與之結(jié)合與之結(jié)合 T82G78A65C54A95因子 不同的因子不同的因子可以競爭性的結(jié)合可以競爭性的結(jié)合RNA聚聚合酶合酶,環(huán)境變化可由到產(chǎn)生特定的環(huán)境變化可由到產(chǎn)生特定的因因子，從而打開一套特定的基因。子，從而打開一套特定的基因。阻遏蛋白（阻遏蛋白（repressor） 與與DNA結(jié)合后都是抑制轉(zhuǎn)錄，

8、這種基結(jié)合后都是抑制轉(zhuǎn)錄，這種基因表達調(diào)控的方式稱為負調(diào)控。因表達調(diào)控的方式稱為負調(diào)控。正調(diào)控蛋白 與與DNA結(jié)合后結(jié)合后促進轉(zhuǎn)錄促進轉(zhuǎn)錄，這種基因表達，這種基因表達調(diào)控的方式稱為調(diào)控的方式稱為正調(diào)控正調(diào)控。 CAP蛋白蛋白(catabolic gene activator protein，CAP) 分解代謝物基因活化蛋白分解代謝物基因活化蛋白 ntrC蛋白蛋白 是大腸桿菌氮代謝基因激活蛋白，是大腸桿菌氮代謝基因激活蛋白，其自身活性可通過其自身活性可通過ntrB使其磷酸化（有活性）使其磷酸化（有活性）和去磷酸化（無活性）而被調(diào)節(jié)和去磷酸化（無活性）而被調(diào)節(jié)consensusTATA (Prib

9、now) boxE. coli Promoters 倒位蛋白（inversion protein） 是一種位點特異的重組酶。沙門菌是一種位點特異的重組酶。沙門菌H1和和H2鞭毛蛋白分別由兩個基因編碼，在一個細鞭毛蛋白分別由兩個基因編碼，在一個細菌克隆中以表達一種鞭毛抗原為主。菌克隆中以表達一種鞭毛抗原為主。衰減子（衰減子（attenuator） 又稱弱化子，位于操縱子中第一個結(jié)構(gòu)基又稱弱化子，位于操縱子中第一個結(jié)構(gòu)基因之前，是一段能減弱轉(zhuǎn)錄作用的序列。因之前，是一段能減弱轉(zhuǎn)錄作用的序列。RNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物 細菌在缺乏氨基酸的環(huán)境中，細菌在缺乏氨基酸的環(huán)境中，RNA聚聚合酶活性降低，

10、合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成減少或停止合成減少或停止 這種現(xiàn)象稱為嚴謹反應（這種現(xiàn)象稱為嚴謹反應（stringent response）Positive vs. Negative Regulation Allosteric EffectorsBinding can also be required for binding of repressor (e.g. Trp) or can block an activator.（二） 轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機制 乳糖操縱子調(diào)控的機制乳糖操縱子調(diào)控的機制 阿拉伯糖操縱子的調(diào)控機制阿拉伯糖操縱子的調(diào)控機制 色氨酸操縱子的調(diào)控機制色氨酸操縱子的調(diào)控機

11、制1.乳糖操縱子（lac operon）結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 三個結(jié)構(gòu)基因三個結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A，分別編碼，分別編碼-半乳半乳糖苷酶糖苷酶(-galactosidase)、透酶、透酶(permease)和和半乳糖苷乙酰化酶半乳糖苷乙?；?galactoside acetylase) 其上游還有一個啟動子（其上游還有一個啟動子（P）和一個操縱基）和一個操縱基因（因（O） 啟動子上游還有一個啟動子上游還有一個CAP蛋白結(jié)合位點蛋白結(jié)合位點Organization of Lac Operon and LacIOperonpromoterRibosome initiationRegulation of

12、Gene ExpressionIPTG also induces Splits lactose lactosetransport?（異丙基硫代半乳糖苷）半乳糖cAMPAMPACAdenylate cyclase and CAP mediate glucose repression of LacAdenylate cyclase (AC) is an enzyme that synthesizes cyclic AMP (cAMP) from ATPHigh glucose adenylate cyclase is inhibited (indirectly, via a catabolic p

13、roduct)Therefore cAMP levels are LOWAbsence of glucose adenylate cyclase is NOT repressedTherefore cAMP levels are HIGHcAMP forms a complex with the CAP protein, which allows it to then bind to the CAP site upstream of the Lac operon. Binding of the CAP protein is required to allow RNA polymerase to

14、 bind to the lac promoter and turn on transcription. In the absence of CAP binding, there is no (or very little) transcription of the lactose operon, even in the presence of lactose.glucoseCAP Binding Bends DNAvThis DNA bending results in more efficient RNA polymerase bindingCAP mediates glucose rep

15、ression of LacPromotes transcription調(diào)控機制 I基因編碼產(chǎn)生阻遏蛋白，阻遏蛋白為四聚基因編碼產(chǎn)生阻遏蛋白，阻遏蛋白為四聚體，在沒有乳糖的條件下，阻遏基因與操體，在沒有乳糖的條件下，阻遏基因與操縱基因結(jié)合。當有乳糖存在時，經(jīng)透酶作縱基因結(jié)合。當有乳糖存在時，經(jīng)透酶作用進入細胞，在用進入細胞，在-半乳糖苷酶催化下轉(zhuǎn)變成半乳糖苷酶催化下轉(zhuǎn)變成半乳糖，后者作為誘導劑（半乳糖，后者作為誘導劑（inducer）與阻）與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白與操縱基因解聚，遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白與操縱基因解聚，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。Lactose Glucose- +- -+ -

16、+ +LacICAP-cAMPFour States of the Lac Operon2.阿拉伯糖操縱子（ara operon）結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 B、A、D，分別編碼異構(gòu)酶，分別編碼異構(gòu)酶（isomerase）、激酶（）、激酶（kinase）、表位）、表位酶酶（epimerase），催化阿拉伯糖轉(zhuǎn)變?yōu)椋?，催化阿拉伯糖轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū) 由啟動子（由啟動子（P）、起始區(qū)（）、起始區(qū)（I）和操）和操縱基因（縱基因（O）構(gòu)成）構(gòu)成CAP調(diào)控機制 C基因是調(diào)節(jié)基因，編碼調(diào)控蛋白基因是調(diào)節(jié)基因，編碼調(diào)控蛋白AraC， AraC蛋白單獨存在時，結(jié)合到蛋白單獨存

17、在時，結(jié)合到araO1和和araO2，表現(xiàn)出負調(diào)控；阿拉伯糖使，表現(xiàn)出負調(diào)控；阿拉伯糖使AraC蛋白變構(gòu)，結(jié)合到蛋白變構(gòu)，結(jié)合到araI上，表現(xiàn)正調(diào)控。在上，表現(xiàn)正調(diào)控。在ara操縱子基因表達調(diào)控中，操縱子基因表達調(diào)控中，CAP蛋白的調(diào)蛋白的調(diào)控作用不顯著?？刈饔貌伙@著。The Arabinose Operon This loop prevents RNA transcription (NOT true for all loops)No Arabinose present, operon OFFArabinose present, Glucose absent, operon ON調(diào)控作用 有

18、葡萄糖，有或無阿拉伯糖：關(guān)閉有葡萄糖，有或無阿拉伯糖：關(guān)閉 無葡萄糖，無阿拉伯糖：關(guān)閉無葡萄糖，無阿拉伯糖：關(guān)閉 無葡萄糖，有阿拉伯糖：開放無葡萄糖，有阿拉伯糖：開放3.色氨酸操縱子（trp operon）結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 E.coli的色氨酸操縱子有五個結(jié)構(gòu)基因的色氨酸操縱子有五個結(jié)構(gòu)基因E、D、C、B、A基因編碼三種酶，用于合成基因編碼三種酶，用于合成色氨酸，色氨酸， 上游調(diào)控區(qū)由啟動子（上游調(diào)控區(qū)由啟動子（P）和操縱基因（）和操縱基因（O）組成組成 R基因編碼阻遏蛋白基因編碼阻遏蛋白Genomic Organization of the Trp Operon 調(diào)控機制 阻遏型操縱子及衰減

19、機制。衰減子位于結(jié)阻遏型操縱子及衰減機制。衰減子位于結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因E和操縱基因和操縱基因O之間的之間的L基因中?；蛑小基基因的部分轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物編碼因的部分轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物編碼14個氨基酸，其中個氨基酸，其中含兩個相鄰的色氨酸密碼子，這兩個相鄰含兩個相鄰的色氨酸密碼子，這兩個相鄰的色氨酸密碼子及原核生物中轉(zhuǎn)錄和翻譯的色氨酸密碼子及原核生物中轉(zhuǎn)錄和翻譯的偶聯(lián)是產(chǎn)生衰減的基礎(chǔ)。的偶聯(lián)是產(chǎn)生衰減的基礎(chǔ)。調(diào)控作用調(diào)控作用 將環(huán)境中的色氨酸消耗完，然后開始自身將環(huán)境中的色氨酸消耗完，然后開始自身合成。合成。Control of Gene Expression in the Trp Operon1) The enz

20、yme catalyzing the first step in the pathway is inhibited by Trp (feedback control).2) In the presence of Trp, a repressor protein binds to an operator upstream of the Trp operon and shuts off transcription3) Attenuation. There is a 160 base pair region in the Trp mRNA that causes transcription to t

21、erminate prematurely if Trp is present. Trranscriptional ControlAttenuation Control二 翻譯水平的調(diào)控 SD序列（序列（Shine-Dalgarno sequence） 原核細胞多順反子原核細胞多順反子mRNA上的一段序列，上的一段序列，位于起始密碼子上游位于起始密碼子上游 SD序列與起始密碼子的距離、蛋白質(zhì)對序列與起始密碼子的距離、蛋白質(zhì)對SD序列的作用，影響翻譯的起始序列的作用，影響翻譯的起始 mRNA二級結(jié)構(gòu)隱蔽二級結(jié)構(gòu)隱蔽SD序列的作用序列的作用 mRNA的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性 mRNA的降解速度是翻譯調(diào)控的一

22、個重的降解速度是翻譯調(diào)控的一個重要因素要因素 mRNA的穩(wěn)定與其序列和結(jié)構(gòu)（即一級的穩(wěn)定與其序列和結(jié)構(gòu)（即一級結(jié)構(gòu)與次級結(jié)構(gòu)）有關(guān)結(jié)構(gòu)與次級結(jié)構(gòu)）有關(guān) 翻譯產(chǎn)物對自身翻譯的影響翻譯產(chǎn)物對自身翻譯的影響 核糖體蛋白核糖體蛋白 50種蛋白質(zhì)分布于不同操縱種蛋白質(zhì)分布于不同操縱子各自編碼一種可結(jié)合于子各自編碼一種可結(jié)合于mRNA多順反多順反子上游特定部位的蛋白質(zhì)，阻止核蛋白子上游特定部位的蛋白質(zhì)，阻止核蛋白體結(jié)合體結(jié)合 翻譯終止因子翻譯終止因子RF2調(diào)節(jié)自身的翻譯調(diào)節(jié)自身的翻譯 前前25個密碼子與后個密碼子與后315個密碼子間的個密碼子間的UGAC在在無無RF2時框移時框移 小分子小分子RNA的調(diào)控

23、作用的調(diào)控作用 調(diào)整基因表達產(chǎn)物的類型調(diào)整基因表達產(chǎn)物的類型 mRNA干擾性干擾性互補互補RNA（mRNA interfering complementary RNA，micRNA） 低水平表達基因的調(diào)控低水平表達基因的調(diào)控 小分子小分子RNA阻遏阻遏物在翻譯水平嚴格控制低水平基因表達物在翻譯水平嚴格控制低水平基因表達第二節(jié) 真核基因的表達調(diào)控一 DNA水平的調(diào)控 染色質(zhì)丟失染色質(zhì)丟失 低等生物及動物紅細胞，不可低等生物及動物紅細胞，不可逆逆 基因擴增基因擴增 基因重排基因重排 基因片段改變原銜接順序，重排基因片段改變原銜接順序，重排為完整的轉(zhuǎn)錄單位為完整的轉(zhuǎn)錄單位 DNA甲基化甲基化 與基因

24、的表達成反比關(guān)系與基因的表達成反比關(guān)系 直接改變基因的構(gòu)型影響轉(zhuǎn)錄因子與順式作直接改變基因的構(gòu)型影響轉(zhuǎn)錄因子與順式作用元件結(jié)合用元件結(jié)合 5端調(diào)控序列甲基化后與核內(nèi)甲基化端調(diào)控序列甲基化后與核內(nèi)甲基化CG序序列結(jié)合蛋白結(jié)合列結(jié)合蛋白結(jié)合 DNase高敏感區(qū)為去甲基化的標志高敏感區(qū)為去甲基化的標志 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)改變 組蛋白與組蛋白與DNA結(jié)合與解離結(jié)合與解離 非組蛋白與組蛋白競爭結(jié)合非組蛋白與組蛋白競爭結(jié)合DNA，解除組蛋，解除組蛋白對基因表達的抑制白對基因表達的抑制二 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 (一一) 轉(zhuǎn)錄起始復合物的形成轉(zhuǎn)錄起始復合物的形成:真核生物的真核生物的RNA聚合酶識別的不是單純

25、的聚合酶識別的不是單純的DNA序列，序列，而是由一個通用轉(zhuǎn)錄因子（而是由一個通用轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor,TF）與）與DNA形成的蛋白質(zhì)形成的蛋白質(zhì)-DNA復復合物合物 TFIID結(jié)合結(jié)合TATA盒盒 RNA聚合酶結(jié)合聚合酶結(jié)合TFD，形成閉合的復合物，形成閉合的復合物 其它其它TF與與RNA聚合酶形成開放的復合物聚合酶形成開放的復合物（二）反式作用因子 真核細胞內(nèi)序列特異的真核細胞內(nèi)序列特異的DNA（8-15bp）結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白 可以使基因開放（正調(diào)控）或關(guān)閉可以使基因開放（正調(diào)控）或關(guān)閉（負調(diào)控）（負調(diào)控） 三個功能結(jié)構(gòu)域：三個功能結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合域，轉(zhuǎn)錄結(jié)合

26、域，轉(zhuǎn)錄活性域，結(jié)合其它蛋白結(jié)構(gòu)域活性域，結(jié)合其它蛋白結(jié)構(gòu)域DNA Structure Major and Minor GroovesDNA結(jié)合域（DNA-binding domain） 鋅指結(jié)構(gòu)（鋅指結(jié)構(gòu)（Zinc finger motif） 同源結(jié)構(gòu)域（同源結(jié)構(gòu)域（Homodomain） 亮氨酸拉鏈（亮氨酸拉鏈（Leucine zipper） 螺旋環(huán)螺旋螺旋環(huán)螺旋(Helix-loop-helix structure) 堿性堿性 螺旋（螺旋（Alkaline -helix）Zinc Finger MotifHelix-Turn-Helix MotifLeucine ZipperLeucin

27、e ZipperZipper: every 7th residue is a Leu Hydrophobic interfaceH-Bonding in a Protein-DNA Interaction轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域（transcriptional activation domain） 酸性酸性-螺旋結(jié)構(gòu)域（螺旋結(jié)構(gòu)域（acidic helix domain） 富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域（富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域（glutamine-rich domain） 富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域（富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域（proline-rich domain）（三）轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控 反式作用因子的活性調(diào)節(jié)反式作用因子的活性調(diào)節(jié)表達式

28、調(diào)節(jié)表達式調(diào)節(jié) 合成后即有活性，不能積累合成后即有活性，不能積累共價修飾共價修飾 磷酸化、去磷酸化，糖基化磷酸化、去磷酸化，糖基化配體結(jié)合配體結(jié)合 激素受體激素受體蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用 復合物的解離復合物的解離與形成與形成 反式作用因子與順式元件的結(jié)合反式作用因子與順式元件的結(jié)合 反式作用因子的作用方式反式作用因子的作用方式 成環(huán)成環(huán) 扭曲扭曲 滑動滑動 Oozing 反式作用因子的組合式調(diào)控作用反式作用因子的組合式調(diào)控作用 組合式基因調(diào)控（組合式基因調(diào)控（conbinatorial gene regulation）幾種反式作用因子組合而發(fā)）幾種反式作用因子組合而發(fā)揮特

29、定作用揮特定作用四 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控 加帽和加尾的調(diào)控意義加帽和加尾的調(diào)控意義 選擇剪接的調(diào)控作用選擇剪接的調(diào)控作用 選擇剪接（選擇剪接（alternative splicing）：）：exon，intron是否出現(xiàn)在成熟是否出現(xiàn)在成熟mRNA是可以選擇是可以選擇的的 Exon選擇，選擇，intron選擇，互斥選擇，互斥exon，內(nèi)部，內(nèi)部剪接位點剪接位點 mRNA運輸?shù)目刂七\輸?shù)目刂?Recent genome-wide analyses of alternative splicing indicate that 4060% of human genes have alternativesplice forms, suggesting that alternative splicing is one of the most significant components of the function