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基因表达调控,分子生物学实验室 张华屏,主要内容,基因表达的特点、方式 原核生物基因表达调控模型 乳糖操纵元学说 真核生物基因表达调控,重点内容,概念 组成性基因表达 适应性基因表达 顺式作用元件 反式作用因子 原核生物基因表达调控模型 乳糖操纵元学说,基因表达概述,主要内容: 1 基因表达的特点 2 基因表达的方式,基因表达(gene expression)- 基因转录及翻译的过程。 rRNA、tRNA的合成属于基因表达,1 基因表达的特点,时间特异性 temporal specificity 空间特异性 spatial specificity,时间特异性,噬菌体、病毒等侵入宿主后，呈现一定的感染阶段。随感染阶段的发展，有些基因开启，有些基因关闭。按功能的需要，某一特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，即基因表达的时间特异性。 在多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按照一定的时间顺序开启或关闭，表现为分化、发育阶段一致的时间性，又称为阶段特异性。,空间特异性,在多细胞生物个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达的量是不一样的；在同一生长阶段，不同的基因表达产物在不同的组织、器官分布也不完全相同。在人体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，即基因表达的空间特异性。 基因表达伴随时间或阶段顺序出现的这种空间分布特异性，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此，基因表达的空间特异性又称细胞特异性或组织特异性。,2 基因表达的分类,根据基因表达随环境变化的情况，将基因表达分成两类： 组成性表达 constitutive expression 适应性表达 adaptive expression,组成性表达,组成性表达指不大受环境变动而变化的一类基因表达。 其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因可称为看家基因(housekeeping gene)，这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的，可以看成是细胞基本的基因表达。,适应性表达,适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化而表达水平增高的基因称为可诱导的基因(inducible gene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。,基因组成性和适应性表达的应用举例,体外实验评价某一抗肿瘤药物的效果. 细胞培养, 药物干预, 比较药物干预前后,和肿瘤增殖有关基因的表达变化. 以组成性表达的基因作为内参照, 比较药物干预前后, 在相同的细胞数水平(或相同的总RNA水平),特定基因mRNA的相对变化.,基因表达调控的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖 维持个体发育与分化,适应环境、维持生长和增殖,原核生物、单细胞生物调节基因表达就是为了适应环境、维持生长和细胞分裂。 葡萄糖供应充足时，细菌与葡萄糖代谢有关的酶编码基因表达，其他糖类代谢有关的酶基因关闭。 高等生物也普遍存在适应性表达方式。 经常饮酒者体内醇氧化酶活性高即与相应基因表达水平升高有关。,维持个体发育与分化,在多细胞个体生长、发育的不同阶段，细胞中的蛋白质分子种类和含量差异很大；即使在同一生长发育阶段，不同组织器官蛋白质分子分布也存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。,基因表达调控的环节,基因活化 转录 转录后加工 翻译 翻译后加工,不对称转录, 3,原核基因表达调控机制,主要内容: 1 乳糖操纵元学说的提出 2 乳糖操纵元的组成 3 乳糖操纵元学说,1 乳糖操纵元（lac operon）学说的提出,细菌能随环境的变化，迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因表达调控的实验模型。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的窗口。 1961年,法国的Jocob和Monod提出原核细胞基因表达调控模型-乳糖操纵元（lac operon）学说。,2 以半乳糖操纵元为例,说明操纵元的基本的组成元件（elements）,(1) 结构基因组 (2) 启动子 (3) 操纵子 (4) 调控基因 (5) 终止子,操纵元中被调控的编码蛋白质的基因称为结构基因(structural gene, SG)。一个操纵元中含有2个以上的结构基因。,启动子（promoter,p),启动子是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。操纵元至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5侧上游，控制整个结构基因群的转录。,操纵子（operator,o）,操纵子是指能被调控蛋白特异性结合 的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启 动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵 子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。,调控基因 （regulatory gene）,调控基因是编码与操纵序列结合的调控蛋白的基因。与操纵子结合后,能减弱或阻止其基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白（repressive protein），其介导的调控方式称为负性调控（negative regulation）；与操纵子结合后能增强或起动其基因转录的调控蛋白称为激活蛋白（activating protein），所介导的调控方式称为正性调控（positive regulation）。,某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响，这些特定物质可称为效应物，其中凡能引起诱导发生的分子称为诱导剂（inducer），能导致阻遏发生的分子称为阻遏剂或辅助阻遏剂 （corepressor）。,终止子（terminator，T）,终止子是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵元中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。,lac操纵子调节 负性调节与正性调节协调合作,当大肠杆菌在没有乳糖的环境中,基因在其自身的启动子Pi控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白R，R以四聚体形式与操纵子结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的转录起动。,阻遏蛋白的负性调控(I),当有乳糖存在时，乳糖受半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，R四聚体解聚成单体，失去与的亲和力，与解离，基因转录开放，使半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍。,阻遏蛋白的负性调控(II),细菌通常优先以葡萄糖作为能源,当培养环境中有葡萄糖时,即使加入乳糖、阿拉伯糖等其它糖类,细菌也不能利用这些糖,不产生代谢这些糖的酶,直到葡萄糖消耗完毕,代谢其他糖的酶才会根据相应的糖是否存在而被诱导产生.这种现象称为“葡萄糖效应”.,在lac操纵子中,lac启动子是弱启动子,RNA聚合酶与其结合能力很弱,只有CAP结合到启动子上游的CAP结合位点后,促进RNA聚合酶和启动子结合,才能有效转录.乳糖操纵子的转录起始是由CAP 和阻遏蛋白两种调节因子来调控的.在这种调控中,CAP 起正性调控作用.,E.coli的分解代谢产物基因活化蛋白(catabolite gene activator protein, CAP),是一种基因激活蛋白,这种蛋白可以将葡萄糖的饥饿信号传递给操纵子,使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可以利用其它糖类作为能源. CAP结合DNA由cAMP调控的. cAMP结合于CAP, 诱导CAP发生构像改变,使其结合在DNA特定的结合位点,激活临近基因的转录.当cAMP水平减低,cAMP与CAP解离, CAP回到无活性的的构像,并与DNA解离,这将关闭乳糖操纵子.,CAP的正性调节（Positive Control of CAP）,葡萄糖代谢, cAMP和 CAP的关系,葡萄糖代谢产物能抑制腺苷酸环化酶和激活磷酸二酯酶,结果使细胞内cAMP水平降低, CAP解离, 返回无活性的构像,与DNA解离. 当葡萄糖耗尽时,细胞内cAMP水平升高, cAMP结合于CAP, 诱导CAP发生构像改变,使其结合在DNA特定的结合位点,激活临近基因的转录,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,葡萄糖和乳糖都存在时:乳糖的存在解除了阻遏蛋白对转录的抑制作用.但是,由于葡萄糖的存在使细胞内cAMP水平减低, cAMP-CAP复合物不能形成,CAP不能结合到CAP结合位点上,转录仍不能启动,基因处于关闭状态. 葡萄糖存在、乳糖不存在时:此时无诱导剂存在, 阻遏蛋白与DNA结合.而且,由于葡萄糖的存在CAP不能发挥正调控作用,基因处于关闭状态. 葡萄糖和乳糖都不存在时:没有葡萄糖的存在, CAP可以发挥正调控作用.但是,没有诱导剂, 阻遏蛋白的负性调控使 基因处于关闭状态. 葡萄糖不存在、乳糖存在时:没有葡萄糖的存在,CAP可以发挥正调控作用; 同时,诱导剂乳糖的存在,阻遏蛋白失去负性调控,基因被打开,启动转录.,lac操纵子协调调节(coordinate regulation) 负性调节与正性调节协调合作 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性 结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖.,真核基因表达调控,1 和原核基因表达调控相比，真核基因表达调控的特点 2 顺式作用元件 3 反式作用因子,真核基因表达调控的特点,（1）真核基因表达调控的环节更多 同原核生物一样，转录依然是真核生物基因表达调控的主要环节。但真核基因转录发生在细胞核(线粒体基因的转录在线粒体内)，翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增加了更多的环节和复杂性.,(2) 真核基因的转录与染色质的结构变化相关 真核基因组DNA绝大部分都在细胞核内与组蛋白等结合成染色质，染色质的结构、染色质中DNA和组蛋白的结构状态都影响转录。,(3)真核基因表达以正性调控为主 真核RNA聚合酶对启动子的亲和力很低，基本上不依靠自身来起始转录，需要依赖多种激活蛋白的协同作用。多数真核基因在没有调控蛋白作用时是不转录的，需要表达时就要有激活的蛋白质来促进转录。,DNA水平的调控,染色质的丢失：不可逆的调控方式 一些低等的生物(如线虫)的细胞发育过程中发现染色体丢失现象; 高等动物红细胞发育过程中也呈现染色体丢失现象,都是不可逆的调控. 基因扩增：增加基因的拷贝数 药物：诱导抗药性基因的扩增； 肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加. 基因重排： 如免疫球蛋白基因重排，多样性,DNA水平的调控,DNA甲基化： mCpG，即“CpG岛” 甲基化程度高，基因表达降低； 去甲基化：基因表达增加 染色质结构对基因表达的调控：,组蛋白与DNA结合,可以保护DNA免受损伤,维持基因组稳定性,抑制基因表达. 非组蛋白具有种属和组织特异性,与细胞的发育分化有关, 许多非组蛋白作为反式作用因子,在基因表达调控中起重要作用.,顺式作用元件 (cisacting elements),顺式作用元件:在同一条核酸链上起调控基因表达作用的核酸序列. 真核基因的顺式调控元件主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括启动子(promoter)、增强子(enhancer)；近年又发现起负性调控作用的沉寂子(silencer)。,增强子,是一种能够提高转录效率的顺式调控元件。,增强子的作用有以下特点,增强子提高同一条DNA链上基因转录效率，可以远距离作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。 增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用（而将启动子倒置就不能起作用）。,增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。 增强子一般具有组织或细胞特异性。,反式作用因子,能对不同核酸链上的基因表达起调控作用的蛋白质称反式作用因子或转录因子 (transcription factors, TF)。 RNA聚合酶是一种反式作用于转录的蛋白因子。在真核细胞中RNA聚合酶通常不能单独发挥转录作用，而需要与其他转录因子共同协作。,转录因子的结构特点,转录因子从功能上分析其结构可包含有不同区域， DNA结合域(DNa binding domain) 转录激活域(activating domain) 连接区,转录因子DNA结合域的常见形式：,与DNA结合的转录因子大多以二聚体形式起作用，与DNA结合的功能域常见有以下几种： 螺旋-转角-螺旋(helix turn helix, HTH)及螺旋-环-螺旋(helix loop helix,HLH) 锌指(zinc finger) 碱性-亮氨酸拉链(basic leucine zipper, bZIP),螺旋-转角-螺旋及螺旋-环-螺旋,这类结构至少有两个螺旋，其间由短肽段形成的转角或环连