基因表达调控regulationofgeneexpression

1、基因表达调控 regulationofgeneexpression 第6章 基因表达的调控 基因表达调控 regulationofgeneexpression 基因表达调控 regulationofgeneexpression 基因表达调控 regulationofgeneexpression 基因表达（gene expression） 是指基因组中结构基因经过转录、翻是指基因组中结构基因经过转录、翻 译等过程，合成蛋白质，进而发挥其译等过程，合成蛋白质，进而发挥其 特定的生物学功能的全过程。特定的生物学功能的全过程。 基因表达调控 regulationofgeneexpression RNA

2、 的合成 4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶 转录单位：结构基因、启动子、终止子 按碱基配对原则, 沿5-3方向 真核生物有三型RNA聚合酶 分为起始阶段、延长阶级和终止阶段 转录后的产物经加工成为成熟的RNA 基因表达调控 regulationofgeneexpression 蛋白质的合成 合成体系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖 体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP、 Mg mRNA编码区的三个相邻核苷酸组成密码子 tRNA起接合器作用，核糖体是合成场所和 装配机 核糖体循环：起始、肽链延长和终止 翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚 单位的聚合 基因表达调控 regulationo

3、fgeneexpression 基因表达及其调控的特点 管家基因管家基因（housekeeping gene）在一个在一个 生物个体的几乎所有细胞中持续表达的生物个体的几乎所有细胞中持续表达的 基因。基因。 组成性基因表达组成性基因表达（constitutive gene expression）管家基因的表达方式，较管家基因的表达方式，较 少受环境影响，在个体各生长阶段的几少受环境影响，在个体各生长阶段的几 乎全部组织中持续表达或变化很小。乎全部组织中持续表达或变化很小。 基因表达调控 regulationofgeneexpression 诱导表达诱导表达（induction expressi

4、on）有一有一 些基因表达极易受环境影响，在特定些基因表达极易受环境影响，在特定 环境信号刺激下，基因的表达开放或环境信号刺激下，基因的表达开放或 增强。增强。 阻遏表达阻遏表达（repression expression）在在 特定环境信号刺激下，基因的表达关特定环境信号刺激下，基因的表达关 闭或减弱。闭或减弱。 基因表达调控 regulationofgeneexpression 时间特异性时间特异性（temporal specificity）在在 多细胞生物，从受精卵到组织、器官多细胞生物，从受精卵到组织、器官 形成的各个发育阶段，相应的基因严形成的各个发育阶段，相应的基因严 格按照一定的

5、时间顺序开启或关闭。格按照一定的时间顺序开启或关闭。 空间特异性空间特异性（spatial specificity）在个在个 体生长全过程，某基因产物在不同组体生长全过程，某基因产物在不同组 织空间顺序出现。织空间顺序出现。 基因表达调控 regulationofgeneexpression 协调表达协调表达（coordinated expression）功功 能相关的一组基因，协调一致，共同能相关的一组基因，协调一致，共同 表达。又称协调调节表达。又称协调调节（coordinated regulation） 基因表达调控 regulationofgeneexpression 基因表达的调控（

6、gene expression regulation ） 是指各种细胞中相同的遗传信息，有是指各种细胞中相同的遗传信息，有 规律的选择性、程序性、适度的表达规律的选择性、程序性、适度的表达 以适应机体生长、发育、繁殖以及环以适应机体生长、发育、繁殖以及环 境变化的需要，发挥其生理功能的调境变化的需要，发挥其生理功能的调 节和控制。节和控制。 基因表达调控 regulationofgeneexpression 基因表达调控的生理意义 适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖 维持个体发育与分化维持个体发育与分化 基因表达调控 regulationofgeneexpression 基因表达

7、调控的基本原理 基因表达的多级调控基因表达的多级调控 基因转录激活调节基本因素基因转录激活调节基本因素 特异特异DNA序列序列 调节蛋白调节蛋白 DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用 RNA聚合酶聚合酶 基因表达调控 regulationofgeneexpression Transcription 5 GATCTGACTGACATAGACATAGAT 3 coding (= non- template) strand 3 CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA 5 template strand 5 GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU 3

8、mRNA 基因表达调控 regulationofgeneexpression 第一节第一节 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控 基因表达调控 regulationofgeneexpression 一 转录水平的调控 （一）影响转录的因素 启动子启动子 因子因子 阻遏蛋白阻遏蛋白 正调控蛋白正调控蛋白 倒位蛋白倒位蛋白 RNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物 衰减子衰减子 基因表达调控 regulationofgeneexpression 操纵子操纵子 调控区调控区信息区信息区 启动子启动子操纵基因操纵基因 基因表达调控 regulationofgeneexpression 启 动 子 决定转

9、录方向及模板链：决定转录方向及模板链： E. coli的启动子长约的启动子长约 40-60bp，至少包括三个功能区。，至少包括三个功能区。 起始部位（起始部位（initiation site） 1 结合部位（结合部位（binding site） -10bp，RNA聚合聚合 酶与之结合酶与之结合 T80A95T45A60A50T96 识别部位（识别部位（recognition site） -35bp，因子因子 与之结合与之结合 T82G78A65C54A95 基因表达调控 regulationofgeneexpression 因子 不同的因子不同的因子可以竞争性的结合可以竞争性的结合RNA聚聚

10、合酶合酶,环境变化可由到产生特定的环境变化可由到产生特定的因子，因子， 从而打开一套特定的基因。从而打开一套特定的基因。 阻遏蛋白（阻遏蛋白（repressor） 与与DNA结合后都是抑制转录，这种基结合后都是抑制转录，这种基 因表达调控的方式称为负调控。因表达调控的方式称为负调控。 基因表达调控 regulationofgeneexpression 正调控蛋白 与与DNA结合后促进转录，这种基因表达结合后促进转录，这种基因表达 调控的方式称为正调控。调控的方式称为正调控。 CAP蛋白蛋白(catabolic gene activator protein， CAP) 分解代谢物基因活化蛋白分解

11、代谢物基因活化蛋白 ntrC蛋白蛋白 是大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白，是大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白， 其自身活性可通过其自身活性可通过ntrB使其磷酸化（有活性）使其磷酸化（有活性） 和去磷酸化（无活性）而被调节和去磷酸化（无活性）而被调节 基因表达调控 regulationofgeneexpression consensus TATA (Pribnow) box E. coli Promoters 基因表达调控 regulationofgeneexpression 倒位蛋白（inversion protein） 是一种位点特异的重组酶。沙门菌是一种位点特异的重组酶。沙门菌H1和和H2 鞭毛蛋白

12、分别由两个基因编码，在一个细鞭毛蛋白分别由两个基因编码，在一个细 菌克隆中以表达一种鞭毛抗原为主。菌克隆中以表达一种鞭毛抗原为主。 衰减子（衰减子（attenuator） 又称弱化子，位于操纵子中第一个结构基又称弱化子，位于操纵子中第一个结构基 因之前，是一段能减弱转录作用的序列。因之前，是一段能减弱转录作用的序列。 基因表达调控 regulationofgeneexpression RNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物 细菌在缺乏氨基酸的环境中，细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA聚聚 合酶活性降低，合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA） 合成减少或停止合成减少或停止 这种现象称为严谨反应（这种现

13、象称为严谨反应（stringent response） 基因表达调控 regulationofgeneexpression Positive vs. Negative Regulation 基因表达调控 regulationofgeneexpression Allosteric Effectors Binding can also be required for binding of repressor (e.g. Trp) or can block an activator. 基因表达调控 regulationofgeneexpression （二） 转录的调控机制 乳糖操纵子调控的机制乳糖

14、操纵子调控的机制 阿拉伯糖操纵子的调控机制阿拉伯糖操纵子的调控机制 色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制 基因表达调控 regulationofgeneexpression 1.乳糖操纵子（lac operon） 结构特点结构特点 三个结构基因三个结构基因Z、Y、A，分别编码，分别编码-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酰化酶(galactoside acetylase) 其上游还有一个启动子（其上游还有一个启动子（P）和一个操纵基）和一个操纵基 因（因（O） 启动子上游还有一个启动子上游还有一个CAP

15、蛋白结合位点蛋白结合位点 基因表达调控 regulationofgeneexpression Organization of Lac Operon and LacI Operon promoter Ribosome initiation 基因表达调控 regulationofgeneexpression Regulation of Gene Expression IPTG also induces Splits lactose lactose transport ? （异丙基硫代半乳糖苷） 半乳糖 基因表达调控 regulationofgeneexpression 基因表达调控 regulat

16、ionofgeneexpression cAMPAMP AC Adenylate cyclase and CAP mediate glucose repression of Lac Adenylate cyclase (AC) is an enzyme that synthesizes cyclic AMP (cAMP) from ATP High glucose adenylate cyclase is inhibited (indirectly, via a catabolic product) Therefore cAMP levels are LOW Absence of glucos

17、e adenylate cyclase is NOT repressed Therefore cAMP levels are HIGH cAMP 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 bind to the lac promoter and turn on transcription

18、. In the absence of CAP binding, there is no (or very little) transcription of the lactose operon, even in the presence of lactose. glucose 基因表达调控 regulationofgeneexpression CAP Binding Bends DNAv This DNA bending results in more efficient RNA polymerase binding 基因表达调控 regulationofgeneexpression CAP

19、 mediates glucose repression of Lac Promotes transcription 基因表达调控 regulationofgeneexpression 调控机制 I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚 体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操 纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶作纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶作 用进入细胞，在用进入细胞，在-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖苷酶催化下转变成 半乳糖，后者作为诱导剂（半乳糖，后者作为诱导剂（inducer）与阻）与阻 遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵

20、基因解聚，遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚， 结构基因转录。结构基因转录。 基因表达调控 regulationofgeneexpression Lactose Glucose - + - - + - + + LacI CAP-cAMP Four States of the Lac Operon 基因表达调控 regulationofgeneexpression 2.阿拉伯糖操纵子（ara operon） 结构特点结构特点 结构基因结构基因 B、A、D，分别编码异构酶，分别编码异构酶 （isomerase）、激酶（）、激酶（kinase）、表位）、表位 酶（酶（epimerase），催化阿拉

21、伯糖转变为），催化阿拉伯糖转变为5- 磷酸木酮糖磷酸木酮糖 调控区调控区 由启动子（由启动子（P）、起始区（）、起始区（I）和操）和操 纵基因（纵基因（O）构成）构成 基因表达调控 regulationofgeneexpression CAP 基因表达调控 regulationofgeneexpression 调控机制 C基因是调节基因，编码调控蛋白基因是调节基因，编码调控蛋白AraC， AraC蛋白单独存在时，结合到蛋白单独存在时，结合到araO1和和 araO2，表现出负调控；阿拉伯糖使，表现出负调控；阿拉伯糖使AraC蛋蛋 白变构，结合到白变构，结合到araI上，表现正调控。在上，表现正

22、调控。在 ara操纵子基因表达调控中，操纵子基因表达调控中，CAP蛋白的调蛋白的调 控作用不显著。控作用不显著。 基因表达调控 regulationofgeneexpression The Arabinose Operon This loop prevents RNA transcription (NOT true for all loops) No Arabinose present, operon OFF Arabinose present, Glucose absent, operon ON 基因表达调控 regulationofgeneexpression 调控作用 有葡萄糖，有或无阿

23、拉伯糖：关闭有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭 无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭 无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放 基因表达调控 regulationofgeneexpression 3.色氨酸操纵子（trp operon） 结构特点结构特点 E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因的色氨酸操纵子有五个结构基因E、 D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成基因编码三种酶，用于合成 色氨酸，色氨酸， 上游调控区由启动子（上游调控区由启动子（P）和操纵基因（）和操纵基因（O） 组成组成 R基因编码阻遏蛋白基因编码阻遏蛋白 基因表达调控 regulationofge

24、neexpression 基因表达调控 regulationofgeneexpression Genomic Organization of the Trp Operon 基因表达调控 regulationofgeneexpression 调控机制 阻遏型操纵子及衰减机制。衰减子位于结阻遏型操纵子及衰减机制。衰减子位于结 构基因构基因E和操纵基因和操纵基因O之间的之间的L基因中。基因中。L基基 因的部分转录产物编码因的部分转录产物编码14个氨基酸，其中个氨基酸，其中 含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻 的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的色氨酸密码子及原

25、核生物中转录和翻译 的偶联是产生衰减的基础。的偶联是产生衰减的基础。 调控作用调控作用 将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身 合成。合成。 基因表达调控 regulationofgeneexpression Control of Gene Expression in the Trp Operon 1) The enzyme catalyzing the first step in the pathway is inhibited by Trp (feedback control). 2) In the presence of Trp, a repressor

26、 protein binds to an operator upstream of the Trp operon and shuts off transcription 3) Attenuation. There is a 160 base pair region in the Trp mRNA that causes transcription to terminate prematurely if Trp is present. 基因表达调控 regulationofgeneexpression Trranscriptional Control 基因表达调控 regulationofgen

27、eexpression Attenuation Control 基因表达调控 regulationofgeneexpression 二 翻译水平的调控 SD序列（序列（Shine-Dalgarno sequence） 原核细胞多顺反子原核细胞多顺反子mRNA上的一段序列，上的一段序列， 位于起始密码子上游位于起始密码子上游 SD序列与起始密码子的距离、蛋白质对序列与起始密码子的距离、蛋白质对 SD序列的作用，影响翻译的起始序列的作用，影响翻译的起始 mRNA二级结构隐蔽二级结构隐蔽SD序列的作用序列的作用 基因表达调控 regulationofgeneexpression mRNA的稳定性的稳

28、定性 mRNA的降解速度是翻译调控的一个重的降解速度是翻译调控的一个重 要因素要因素 mRNA的稳定与其序列和结构（即一级的稳定与其序列和结构（即一级 结构与次级结构）有关结构与次级结构）有关 基因表达调控 regulationofgeneexpression 翻译产物对自身翻译的影响翻译产物对自身翻译的影响 核糖体蛋白核糖体蛋白 50种蛋白质分布于不同操纵种蛋白质分布于不同操纵 子各自编码一种可结合于子各自编码一种可结合于mRNA多顺反多顺反 子上游特定部位的蛋白质，阻止核蛋白子上游特定部位的蛋白质，阻止核蛋白 体结合体结合 翻译终止因子翻译终止因子RF2调节自身的翻译调节自身的翻译 前前2

29、5 个密码子与后个密码子与后315个密码子间的个密码子间的UGAC在在 无无RF2时框移时框移 基因表达调控 regulationofgeneexpression 小分子小分子RNA的调控作用的调控作用 调整基因表达产物的类型调整基因表达产物的类型 mRNA干扰性干扰性 互补互补RNA（mRNA interfering complementary RNA，micRNA） 低水平表达基因的调控低水平表达基因的调控 小分子小分子RNA阻遏阻遏 物在翻译水平严格控制低水平基因表达物在翻译水平严格控制低水平基因表达 基因表达调控 regulationofgeneexpression 第二节 真核基因的

30、表达调控 基因表达调控 regulationofgeneexpression 一 DNA水平的调控 染色质丢失染色质丢失 低等生物及动物红细胞，不可低等生物及动物红细胞，不可 逆逆 基因扩增基因扩增 基因重排基因重排 基因片段改变原衔接顺序，重排基因片段改变原衔接顺序，重排 为完整的转录单位为完整的转录单位 基因表达调控 regulationofgeneexpression DNA甲基化甲基化 与基因的表达成反比关系与基因的表达成反比关系 直接改变基因的构型影响转录因子与顺式作直接改变基因的构型影响转录因子与顺式作 用元件结合用元件结合 5端调控序列甲基化后与核内甲基化端调控序列甲基化后与核内

31、甲基化CG序列序列 结合蛋白结合结合蛋白结合 DNase高敏感区为去甲基化的标志高敏感区为去甲基化的标志 染色质结构改变染色质结构改变 组蛋白与组蛋白与DNA结合与解离结合与解离 非组蛋白与组蛋白竞争结合非组蛋白与组蛋白竞争结合DNA，解除组蛋，解除组蛋 白对基因表达的抑制白对基因表达的抑制 基因表达调控 regulationofgeneexpression 二 转录水平的调控 (一一) 转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成:真核生物的真核生物的 RNA聚合酶识别的不是单纯的聚合酶识别的不是单纯的DNA序列，序列， 而是由一个通用转录因子（而是由一个通用转录因子（transcription

32、 factor,TF）与）与DNA形成的蛋白质形成的蛋白质-DNA复复 合物合物 TFIID结合结合TATA盒盒 RNA聚合酶结合聚合酶结合TFD，形成闭合的复合物，形成闭合的复合物 其它其它TF与与RNA聚合酶形成开放的复合物聚合酶形成开放的复合物 基因表达调控 regulationofgeneexpression （二）反式作用因子 真核细胞内序列特异的真核细胞内序列特异的DNA（8-15bp） 结合蛋白结合蛋白 可以使基因开放（正调控）或关闭可以使基因开放（正调控）或关闭 （负调控）（负调控） 三个功能结构域：三个功能结构域：DNA结合域，转录结合域，转录 活性域，结合其它蛋白结构域活性

33、域，结合其它蛋白结构域 基因表达调控 regulationofgeneexpression DNA Structure Major and Minor Grooves 基因表达调控 regulationofgeneexpression DNA结合域（DNA-binding domain） 锌指结构（锌指结构（Zinc finger motif） 同源结构域（同源结构域（Homodomain） 亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（Leucine zipper） 螺旋环螺旋螺旋环螺旋(Helix-loop-helix structure) 碱性碱性 螺旋（螺旋（Alkaline -helix） 基因表达调控

34、regulationofgeneexpression Zinc Finger Motif 基因表达调控 regulationofgeneexpression Helix-Turn-Helix Motif 基因表达调控 regulationofgeneexpression Leucine Zipper 基因表达调控 regulationofgeneexpression Leucine Zipper Zipper: every 7th residue is a Leu Hydrophobic interface 基因表达调控 regulationofgeneexpression H-Bonding

35、 in a Protein-DNA Interaction 基因表达调控 regulationofgeneexpression 转录活化结构域（transcriptional activation domain） 酸性酸性-螺旋结构域（螺旋结构域（acidic helix domain） 富含谷氨酰胺结构域（富含谷氨酰胺结构域（glutamine-rich domain） 富含脯氨酸结构域（富含脯氨酸结构域（proline-rich domain） 基因表达调控 regulationofgeneexpression （三）转录起始的调控 反式作用因子的活性调节反式作用因子的活性调节 表达式调节

36、表达式调节 合成后即有活性，不能积累合成后即有活性，不能积累 共价修饰共价修饰 磷酸化、去磷酸化，糖基化磷酸化、去磷酸化，糖基化 配体结合配体结合 激素受体激素受体 蛋白质与蛋白质相互作用蛋白质与蛋白质相互作用 复合物的解离复合物的解离 与形成与形成 基因表达调控 regulationofgeneexpression 反式作用因子与顺式元件的结合反式作用因子与顺式元件的结合 反式作用因子的作用方式反式作用因子的作用方式 成环成环 扭曲扭曲 滑动滑动 Oozing 反式作用因子的组合式调控作用反式作用因子的组合式调控作用 组合式基因调控（组合式基因调控（conbinatorial gene re

37、gulation）几种反式作用因子组合而发）几种反式作用因子组合而发 挥特定作用挥特定作用 基因表达调控 regulationofgeneexpression 四 转录后水平的调控 加帽和加尾的调控意义加帽和加尾的调控意义 选择剪接的调控作用选择剪接的调控作用 选择剪接（选择剪接（alternative splicing）：）：exon， intron是否出现在成熟是否出现在成熟mRNA是可以选择是可以选择 的的 Exon选择，选择，intron选择，互斥选择，互斥exon，内部，内部 剪接位点剪接位点 mRNA运输的控制运输的控制 基因表达调控 regulationofgeneexpression 基因表达调控 regulationofgeneexpression 基因表达调控 regulationofgeneexpression 基因表达调控 regulationofgeneexpression Recent genome-wide analyses of alternative splicing indicate that 4060% of human genes have alternativesplice forms, suggesting that alternative splicing