基因表達(dá)調(diào)控課件

第十七章基因表達(dá)調(diào)控

RegulationofGeneExpression主要內(nèi)容一、基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)二、原核基因表達(dá)調(diào)控三、真核基因表達(dá)調(diào)控第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)一、基因表達(dá)

基因表達(dá)（geneexpression）就是轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程，即生成具有生物學(xué)功能的產(chǎn)物的過(guò)程。

產(chǎn)物：蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA、其他小分子RNA并非所有基因表達(dá)過(guò)程都產(chǎn)生蛋白質(zhì)按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按一定的時(shí)間順序發(fā)生，稱(chēng)之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporalspecificity)。

多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱(chēng)階段特異性(stagespecificity)。如甲胎蛋白AFP的表達(dá)。在胎兒肝細(xì)胞活躍表達(dá)，成年肝細(xì)胞表達(dá)水平低，肝癌細(xì)胞表達(dá)水平高，可作為肝癌診斷重要指標(biāo)。（一）基因表達(dá)具有時(shí)間特異性

血紅蛋白基因的表達(dá)α鏈（16號(hào)染色體）β鏈（11號(hào)染色體）珠蛋白基因的順序表達(dá)GA1

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21二、基因表達(dá)具有空間特異性在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，各種基因表達(dá)產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織或細(xì)胞空間順序出現(xiàn)，稱(chēng)之為基因表達(dá)的空間特異性(spatialspecificity)。

基因表達(dá)伴隨時(shí)間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布所決定的，因此基因表達(dá)的空間特異性又稱(chēng)細(xì)胞特異性(cellspecificity)或組織特異性(tissuespecificity)。如：組成機(jī)體的結(jié)構(gòu)蛋白；三羧酸循環(huán)中的代謝酶等基因的表達(dá)。管家基因的表達(dá)水平受環(huán)境因素影響較小，而是在生物體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)、或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。這類(lèi)基因表達(dá)被視為基本（或組成性）基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)。（二）基因的適應(yīng)性表達(dá)誘導(dǎo)和阻遏

在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這些基因是可誘導(dǎo)基因(induciblegene)；可誘導(dǎo)基因表達(dá)產(chǎn)物水平增加的過(guò)程，稱(chēng)為誘導(dǎo)(induction)。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegene)；可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程，稱(chēng)為阻遏(repression)。協(xié)同性表達(dá)

在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無(wú)論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)性表達(dá)(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱(chēng)為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。第二節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控一、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控-----操縱子學(xué)說(shuō)操縱子的概念及結(jié)構(gòu)

除個(gè)別基因外，原核生物絕大多數(shù)基因按功能相關(guān)性成簇地串聯(lián)、密集于染色體上，共同組成的一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，稱(chēng)為操縱子。（一）σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性在轉(zhuǎn)錄起始階段，σ因子識(shí)別特異啟動(dòng)序列；不同的σ因子決定特異基因的轉(zhuǎn)錄激活，決定mRNA、rRNA和tRNA基因的轉(zhuǎn)錄。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)CAP：分解物基因激活蛋白

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：通透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI基因（二）乳糖操縱子結(jié)構(gòu)

編碼序列

啟動(dòng)子

操縱元件其他調(diào)節(jié)元件(promoter)(operator)調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)蛋白操縱子的結(jié)構(gòu)操縱子基本序列特殊序列啟動(dòng)子編碼序列（結(jié)構(gòu)基因）終止子操縱元件其他調(diào)控元件（如CAP位點(diǎn)、衰減子，等等）乳糖操縱子調(diào)控機(jī)制1.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒(méi)有乳糖存在時(shí)阻遏基因無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高，CAP被cAMP激活可結(jié)合CAP位點(diǎn)乳糖操縱子調(diào)控機(jī)制2.CAP的正性調(diào)節(jié)++++轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAP有葡萄糖，cAMP濃度低，CAP未被激活，不能結(jié)合CAP位點(diǎn)CAPCAP激活RNA聚合酶示意圖

沒(méi)有CAP結(jié)合CAP位點(diǎn)，RNA聚合酶僅具有低轉(zhuǎn)錄起始活性；但CAP結(jié)合CAP后，能顯著提高RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄起始活性。乳糖操縱子調(diào)控機(jī)制3.協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；如無(wú)CAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。乳糖操縱子調(diào)控表達(dá)的結(jié)果單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖作碳源，是最節(jié)省能量的。

葡萄糖對(duì)乳糖操縱子的阻遏作用稱(chēng)分解代謝阻遏（catabolicrepression）。

lac操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用：既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。色氨酸操縱子攜帶了細(xì)菌合成所需的關(guān)鍵酶基因。

通常情況下這個(gè)基因是開(kāi)放表達(dá)的，有利于細(xì)菌在環(huán)境缺乏色氨酸的環(huán)境下色氨酸的合成。

但如果環(huán)境有豐富色氨酸時(shí)，這個(gè)基因關(guān)閉不表達(dá)。故該基因?qū)儆谪?fù)性調(diào)控基因。色氨酸操縱子如何實(shí)現(xiàn)其負(fù)性調(diào)控？（三）色氨酸操縱子3.衰減子的作用UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū)包含序列1:第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……3.衰減子的作用高色氨酸濃度時(shí)形成衰減子，轉(zhuǎn)錄提前終止。低色氨酸濃度時(shí)衰減子不能形成，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行。色氨酸操縱子調(diào)控機(jī)制（總結(jié)）1.有色氨酸存在時(shí)，阻遏蛋白激活，關(guān)閉基因表達(dá)2.阻遏蛋白關(guān)閉基因失敗，可形成衰減子結(jié)構(gòu)，關(guān)閉基因二、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控（一）mRNA穩(wěn)定性加工過(guò)程包括加帽、加尾、剪接、堿基修飾和編輯等。mRNA平均壽命不同（二）SD序列

多順?lè)醋又型ǔ４嬖诙鄠€(gè)SD序列，不同SD序列，翻譯起始效率不一樣（三）反義RNA（micRNA）的調(diào)節(jié)

反義RNA是指與mRNA互補(bǔ)的RNA分子,也包括與其它RNA互補(bǔ)的RNA分子。由于核糖體不能翻譯雙鏈的RNA，所以反義RNA與mRNA特異性的互補(bǔ)結(jié)合,即抑制了該mRNA的翻譯。通過(guò)反義RNA控制mRNA的翻譯是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的一種方式。通過(guò)反義RNA控制mRNA的翻譯是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的一種方式。反義核酸作用機(jī)理示意圖主要內(nèi)容一、基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控的概念二、原核基因表達(dá)調(diào)控三、真核基因表達(dá)調(diào)控第三節(jié)真核基因表達(dá)調(diào)控一、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)①真核基因組比原核基因組大得多②真核哺乳動(dòng)物基因組中的編碼序列一般不超過(guò)10%，存在大量的重復(fù)序列③真核生物的基因是斷裂基因④真核生物mRNA是單順?lè)醋英萑旧|(zhì)結(jié)構(gòu)影響基因表達(dá)活性⑥含線(xiàn)粒體DNA，核內(nèi)基因與線(xiàn)粒體基因的表達(dá)調(diào)控既相互獨(dú)立而又需要相互協(xié)調(diào)真核生物基因表達(dá)的多層次復(fù)雜調(diào)控（一）染色體結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)錄激活的調(diào)控1.轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)對(duì)核酸酶極為敏感2.轉(zhuǎn)錄活化時(shí)染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變結(jié)構(gòu)基因含有很多CpG結(jié)構(gòu),胞嘧啶的5位碳原子通常被甲基化,。基因組中60%～90%的CpG都被甲基化,未甲基化的CpG成簇地組成CpG島,位于結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子的核心序列和轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)。CpG島（CpGisland)：甲基化胞嘧啶在基因組中并不是均勻分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整個(gè)基因組中，人們將這些GC含量可達(dá)60%，長(zhǎng)度為300-3000bp的區(qū)段稱(chēng)為CpG島。（二）DNA甲基化

啟動(dòng)子CpG序列中的胞嘧啶的甲基化，可以阻止某些基因的轉(zhuǎn)錄；而已甲基化的CpG脫甲基后，基因又可以被激活。有兩類(lèi)DNA甲基化酶:1.構(gòu)建性甲基化酶，負(fù)責(zé)無(wú)甲基化CpG位點(diǎn)DNA雙鏈上進(jìn)行甲基化和發(fā)育需要的重新DNA甲基化，同時(shí)還參與異常甲基化的形成；2.維持性甲基化酶:

主要參與復(fù)制后的半甲基化，即DNA分子中未甲基化的一條子鏈甲基化，以保持子鏈與親鏈有完全相同的甲基化形式哺乳動(dòng)物一生中DNA甲基化水平經(jīng)歷了2次顯著變化:①在受精卵最初幾次卵裂中，去甲基化酶清除了DNA分子上幾乎所有從親代遺傳來(lái)的甲基化標(biāo)志；②在胚胎植入子宮時(shí)，構(gòu)建性甲基化酶使DNA重新建立一個(gè)新的甲基化模式。細(xì)胞內(nèi)新的甲基化模式一旦建成，即可通過(guò)甲基化以“甲基化維持”的形式將新的DNA甲基化傳遞給所有子細(xì)胞DNA分子。（三）基因擴(kuò)增與重排三、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（一）順式作用元件

順式作用元件是指可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列，在轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控中起重要作用。

如啟動(dòng)子、終止子、沉默子、調(diào)節(jié)元件等等。順式作用：順式作用元件調(diào)控同一染色體上其他鄰近基因的表達(dá)。順式作用元件RNA聚合酶ⅡBADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)mRNARNA聚合酶ⅡBADNA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)mRNA真核生物基因中的一些調(diào)控序列（1）啟動(dòng)子（2）增強(qiáng)子（3）沉默子（4）終止子（5）絕緣子等等

（1）啟動(dòng)子：可與RNA聚合酶特異性結(jié)合而使轉(zhuǎn)錄開(kāi)始的一段DNA序列。但啟動(dòng)子本身并不被轉(zhuǎn)錄,屬于基因上游對(duì)轉(zhuǎn)錄起調(diào)控作用的5′

端非編碼區(qū)。真核生物基因中的一些調(diào)控序列（2）增強(qiáng)子（enhancer）

是一段能使和它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列。增強(qiáng)子作用特點(diǎn)增強(qiáng)效應(yīng)十分明顯，能使轉(zhuǎn)錄效率提高10-200倍增強(qiáng)效應(yīng)與增強(qiáng)子的位置和取向無(wú)關(guān)增強(qiáng)子有組織和細(xì)胞特異性，但沒(méi)有基因?qū)Ｒ恍栽鰪?qiáng)子的作用還可能受到其他外部信號(hào)的調(diào)控RNA聚合酶與啟動(dòng)子、增強(qiáng)子的作用（2）終止子：在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，提供轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的DNA序列。

注意：終止子和啟動(dòng)子不同，啟動(dòng)子由DNA序列來(lái)提供信號(hào)，但真正起終止作用的不是DNA序列本身，而是轉(zhuǎn)錄生成的RNA。注意：終止子和啟動(dòng)子不同，啟動(dòng)子由DNA序列來(lái)提供信號(hào)，但轉(zhuǎn)錄終止真正起作用的不是DNA序列本身，而是轉(zhuǎn)錄生成的RNA。5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)55333加尾AAAAAAA······3mRNA轉(zhuǎn)錄終止和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)

DNA讀碼框架下游的一組AATAAA和GT共同序列,參與轉(zhuǎn)錄終止過(guò)程。真核生物基因中的一些調(diào)控序列（4）沉默子（silencer）

是一段能使和它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯下降的DNA序列。（5）絕緣子（Insulator）

能夠阻止鄰近的增強(qiáng)子或沉默子對(duì)其界定的基因的啟動(dòng)子發(fā)揮調(diào)控作用的一段DNA序列。（二）反式作用因子

轉(zhuǎn)錄因子：指能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各類(lèi)順式作用元件核心序列上參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì)。

大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由某一基因表達(dá)后，可通過(guò)另一基因的特異的順式作用元件相互作用，從而激活另一基因的轉(zhuǎn)錄。這種調(diào)節(jié)蛋白稱(chēng)反式作用因子。轉(zhuǎn)錄因子的分類(lèi)通用轉(zhuǎn)錄因子是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類(lèi)別。特異轉(zhuǎn)錄因子為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因表達(dá)的時(shí)間、空間特異性。又分為：轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子（三）轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄因子常含有三類(lèi)結(jié)構(gòu)域，即DNA結(jié)合域、轉(zhuǎn)錄激活域、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域。轉(zhuǎn)錄因子（TF）的結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域亮氨酸拉鏈鋅指結(jié)構(gòu)螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋螺旋-環(huán)-螺旋（螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋）C——CysH——His鋅指(zincfinger)結(jié)構(gòu)及其功能

鋅指結(jié)構(gòu)常結(jié)合GC盒鋅指(zincfinger)結(jié)構(gòu)及其功能

鋅指結(jié)構(gòu)常結(jié)合GC盒常結(jié)合CAAT盒堿性螺旋-環(huán)-螺旋堿性亮氨酸拉鏈

亮氨酸拉鏈（basicleucinezipper）富含谷氨酰胺激活域（四）RNA聚合酶順式作用元件和反式作用因子對(duì)基因轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)節(jié)最終是由RNA聚合酶活性來(lái)體現(xiàn)。RNAPolI的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物只有rRNA前體，經(jīng)剪接修飾生成除5SrRNA外的各種rRNA。RNAPolIII的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物：多種小分子RNA，包括tRNA、5SrRNA和一部分小核RNA。RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為hnRNA和snRNA（五）轉(zhuǎn)錄激活與調(diào)節(jié)順式作用元件與反式作用因子、反式作用因子與反式作用因子間的相互識(shí)別、相互