基因表达的调控(1)

1、.1 基因表达的调控基因表达的调控 .2 在生物个体发育过程中，基因的表达是受到严格的时空控制。 无论原核生物还是真核生物，任一时期的细胞只有部分基因发 生表达。 在所有组织细胞中均表达的基因称之为持家基因（house keeping gene），它们为组成型（constitute）的表达； 只在部分发育时期或特定组织细胞中表达的基因为奢侈基因 （luxury gene），它们是组织特异性（tissue specific）的表达。 在原核生物中，基因的表达调控以转录水平的调控为主，主要 以操纵子为单位，在调节基因的作用下，多个结构基因转录出 一条多顺反子mRNA，并指导蛋白质合成；因转录和翻译

2、是偶 联的，很少发生mRNA的加工、修饰。 转录后水平的调控也有例证，例如反义RNA，翻译的调控， RNA开关等。 真核生物基因表达的调控十分复杂，可发生在多个层次、多个 水平：染色体、染色质、DNA、转录、RNA加工与拼接、翻 译及翻译后加工、修饰等 .3 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控 乳糖操纵子乳糖操纵子可诱导的正调控和负调控模型可诱导的正调控和负调控模型 在有乳糖无葡萄糖的情况下，由本底水平在有乳糖无葡萄糖的情况下，由本底水平 表达的透性酶可使少量乳糖进入细胞，并由半表达的透性酶可使少量乳糖进入细胞，并由半 乳糖苷酶催化转化为别构乳糖，与调节基因的乳糖苷酶催化转化为别构乳

3、糖，与调节基因的 产物结合，使该阻遏蛋白四聚体变构，从操纵产物结合，使该阻遏蛋白四聚体变构，从操纵 区脱离，解除乳糖操纵子的阻遏状态，区脱离，解除乳糖操纵子的阻遏状态，RNA 聚合酶与启动子结合，使三个结构基因发生转聚合酶与启动子结合，使三个结构基因发生转 录，再进一步翻译产生大量的蛋白产物，细胞录，再进一步翻译产生大量的蛋白产物，细胞 就可大量利用乳糖使为其碳源和能源就可大量利用乳糖使为其碳源和能源. . .4 在葡萄糖、乳糖都存在的条件下，细菌优先利在葡萄糖、乳糖都存在的条件下，细菌优先利 用葡萄糖，当其耗尽时，细菌再利用乳糖，这用葡萄糖，当其耗尽时，细菌再利用乳糖，这 个效应叫葡萄糖效应

4、个效应叫葡萄糖效应. . 在细菌的细胞膜上有一种ATP环化酶，该酶可使胞 内的ATP环化产生cAMP，该酶的活性受到环境中葡萄 糖浓度的调节，在高浓度的葡萄糖存在时，该酶的活 性被抑制，无葡萄糖时，该酶被激活，产生的大量 cAMP作为第二信使与CAP蛋白结合形成cAMP-CAP复 合物，进一步与乳糖及其它糖类的操纵子中的启动子 结合，促进RNA聚合酶与启动子区的结合、启始转录， 因而对糖类操纵子是正调控作用。事实上乳糖操纵子 的有效转录必须依赖cAMP-CAP蛋白的结合，这种蛋 白的突变，乳糖操纵子的转录水平很低。 .5 乳糖操纵子的调节模型 .6 半乳糖操纵子 Glu对gal 操纵子的调节

5、条件基因表达 有Glu 有GalP2启动，S2转录gal E（组成型） 无GalOE、OI成环，转录20nt 无Glu 有GalP1启动，转录三个基因 无GalP1不启动 .7 阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子 在有阿拉伯糖、有葡萄糖时，由于cAMP水平降低，cAMP- CRP含量下降，araC只有本底水平的表达，其调节产物结 合于O1操纵子区，阻止调节基因的转录。 但在有阿拉伯糖，无葡萄糖时，cAMP-CRP结合于， CAP 位点，阿拉伯糖与调节蛋白结合形成诱导蛋白，结合于araI （-40-78）与，cAMP-CRP蛋白一起促进RNA聚合酶结合 于+1-40区，促进araPBAD的转录，产生三

6、种酶，分解代谢 阿拉伯糖，当阿拉伯糖耗尽时，过量的调节蛋白为阻遏物， 又与araO1结合关闭操纵子，或同时结合araI和araO2使其成 环，阻止PC和PBAD的转录(见图4.2)。 .8 条件表达 有Ara 有Glu 无cAMP- CRP araC本底水平表达少量阻遏蛋 白结合O1阻止转录 无Glu 有cAMP-CRPAra+CCindaraIaraPBAD转录 无Ara C阻遏蛋白结合O1阻遏PC，结合O1、O2成环， 阻遏PC、PBAD 阿拉伯糖的调控 .9 1. The Regulation of ara Operon (1) organization 6.4 The Regulati

7、on of Other Operons P t P t araC araB araA araD Activator/ Repressor I1 I2 AraC dimer CRP O2O1 .10 阿拉伯糖操 纵子的调控 .11 Arabinose absent Negative control araB A D O1 CRP araI araC O2 PC PBAD Blocked .12 Arabinose present Positive control araB A D O1 CRP araI araC PC PBAD O2 Transcription .13 色氨酸操纵子色氨酸操纵子

8、 色氨酸操纵子属于可阻遏的操纵子，由调节 基因trpR产生的阻遏蛋白四聚体，只有与色氨 酸结合后才有活性，结合到其操纵区trpO上， 因trpP（- 40+18）包括trpO（-21+1），因 而活性阻遏蛋白的结合可以排斥RNA聚合酶的 结合，抑制色氨酸结构基因的转录。 细菌中色氨酸浓度降低时，这种阻遏就不完 全，就有一部分RNA聚合酶与启动子结合开始 trpP前导序列的转录，可通过衰减子进一步控 制色氨酸结构基因的转录 . .14 色氨酸操纵子 及衰减机制 .15 整个前导区长度只有139nt，转录的同时就偶联着这种翻译 过程，固该前导序列有四段序列（序列1、序列2、序列3、序 列4）可以配

9、对成1-2，3-4；或者2-3。 长14个氨基酸的前导肽中有两个相邻的色氨酸，前导序列是 否能被核糖体正常翻译可因细菌中色氨酸的水平而不同，当 色氨酸浓度较高时，前导肽可正常翻译，但当色氨酸浓度较 低时，核糖体在翻译到该色氨酸密码子处会停顿、等待。 当前导肽能正常翻译时，可破坏1-2的配对和2-3的配对，因 为核糖体在+70处的终止密码处停留，核糖体占据了整个序列 1和部分序列2，这时3-4序列配对，其后又是一串U，这样就 形成终止子发卡结构，于是实现了Trp转录的终止。 当体内色氨酸浓度较低时，前导肽的翻译停留在两个trp密码 子处，这时核糖体占据了序列1，而完整的序列2和3配对，转 录出的

10、序列4就是单链状态，从而不能产生发卡状的终止子结 构，转录就可以继续进行，完成BAD基因的转录. .16 受衰减子控制的氨基酸合成基因操纵子中的先导肽序列 操纵子先导肽的氨基酸序列 色氨酸Met Lys Ala Ile Phe Val Leu Lys Gly Trp Trp Arg Thr Ser 苏氨酸Met Lys Arg Ile Ser Thr Thr Ile Thr Thr Thr Ile Thr Ile Thr Thr Gly Asn Gly Ala Gly 组氨酸Met Thr Arg Val Gln Phe Lys His His His His His His His Pro

11、Asp 异亮氨酸 缬氨酸A Met Thr Ala Leu Leu Arg Val Ile Ser Leu Val Val Ile Ser Val Val Val Ile Ile IlePro Pro Cys Gly Ala Ala Leu Gly Arg Gly Lys Ala 亮氨酸Met Ser His Ile Val Arg Phe Thr Gly Leu Leu Leu Leu Asn Ala Phe Ile Val Arg GlyVal Gly Gly Ile Gln His 苯丙氨酸Met Lys His Ile Pro Phe Phe Phe Ala Phe Phe Phe T

12、hr Phe Pro 异亮氨酸 缬氨酸B Met Thr Thr Ser Met Leu Asn Ala Lys Leu Leu Pro Thr Ala Pro Ser Ala Ala Val Val Val. Val Arg Val Val Val Val Val Gly Asn Ala Pro .17 枯草杆菌中色氨酸操纵子 .18 核糖体基因操纵子的反馈调节 .19 mRNA起始位点结合区及16S rRNA结合区的比较 .20 红霉素抗性基因编码甲基化酶，可使23SrRNA的腺苷 甲基化，从而不能与红霉素结合，而未甲基化的23S rRNA可与红霉素结合可抑制蛋白质的翻译过程。 .21 当

13、细菌发生饥饿，因无足量的氨基酸会导致大量空载 tRNA产生，大部分基因的转录被关闭，细胞通过维持最低 量的活性以渡过难关，此谓严谨反应，这主要是细胞内积 累两个特殊的物质引起，即ppGpp（四磷酸鸟苷）和 pppGpp（鸟苷5-三磷酸3二磷酸），也称魔斑和魔斑 。 由于饥饿而导致大量空载的tRNA，在蛋白质翻译过程 中有可能进入A位但是不能进行肽基转移反应，这时relA基 因编码的应急因子就与核糖体结合并催化GTP和ATP产生 pppGpp，而在其它几种蛋白（例如TF-Tu和EF-G）的作用 下，可进一步转化为ppGpp。由于这两种魔斑物质的合成使 得A位空载的tRNA释放，空载tRNA连续进

14、入A位，又导致 这些魔斑物质的合成，因此发生了多次的空转反应（idling reaction），一直到负载tRNA进入才结束这种空转反应，否 则核糖体上的蛋白质合成就宣告暂停或停止. .22 核糖开关系统 核糖开关系统（riboswitches）mRNA的5先导区还可形成更 复杂的二级结构直接接受体内的小分子代谢物（例如B12，硫 氨素焦磷酸，黄素单核苷酸，S腺苷甲硫氨酸，赖氨酸，腺嘌 呤，鸟嘌呤等,见图4.8下），这些代谢物在体内的浓度不同直 接关系到与mRNA先导区的结合状态，进一步决定其后的茎环 是否为转录终止子或抗终止子的结构，或是否暴露SD序列起 始翻译过程。 现在已发现核糖开关并不

15、局限于原核生物，在古细菌、真菌、 植物中也存在类似的系统，而且通过该系统，mRNA的转录是 否进行取决于先导区是否结合了特定的代谢物，由其调控基因 的转录状态，有证据表明核糖开关还可能影响其后mRNA翻译 的起始（核糖体与SD序列的结合及起始密码的识别）真核生 物内含子切除（可变剪接过程），mRNA的稳定性（切割）， 很可能是很多生物基因表达调控重要的机制之一。 .23 B12核糖开关控制原理示意图 .24 核 糖 开 关 系 统 .25 真核生物的基因表达调控 真核生物种类多样，个体发育复杂，具有多阶段和高 度有序性，表现为多层次、高度协调有序，和一定时 空顺序的调控网络，受环境的影响较小。

16、在组织及细 胞结构以上的编程死亡、特化；亚细胞水平的染色体 加倍、丢失、失活，DNA扩增、重排等现象及表观遗 传学现象（基因的印记、甲基化修饰、组蛋白密码）； 转录水平上基因表达调控（顺式作用元件，反式作用 因子及调控网络、信号传导系统等）；转录后RNA的 加工、剪接、RNA编辑、RNA干扰等；翻译水平的调 控及翻译后产物的修饰、运输、定位及加工。 .26 真核生物转录调控的真核生物转录调控的Britten-Davidso模型模型 .27 改进的改进的BrittenDavidson模型模型 （1）多重调节基因）多重调节基因 .28 （2）多重受体基因）多重受体基因 .29 .30 .31 反式

17、作用因子的结构特点反式作用因子的结构特点 锌指结构蛋白 锌指结构域是由半胱氨酸及 /或组氨酸与锌原子结合形成一 个手指状的结构。传统的锌指蛋 白往往有多个锌指结构域，其典 型的保守序列为Cys-X2-Cys-X3- phe-X5-leu-X2-His-X2-His，每 个锌指的N端形成折叠，C端形 成螺旋。三个螺旋可进入 DNA大沟的一个转折处，每个 锌指的螺旋与DNA形成两个序 列特异性接触 。 .32 同源异型域蛋白 同源异型域 （Homehdomains）蛋白是 存在于几乎所有真核生物 基因组中含有60个氨基酸 保守序列DNA结合蛋白。 同源异型域蛋白属于螺旋 转角螺旋蛋白，可形 成三个

18、螺旋区，其中螺旋2， 螺旋3形成典型的螺旋转 角螺旋域，螺旋3为识别 螺旋与DNA大沟的结合， 其N末端臂也参与DNA小 沟的结合，同源异型域蛋 白形成二聚体后才与DNA 结合 。 .33 -Barrels结构域 -Barrels DNA结合域， 这个结合域是由多个 反向平行的折叠构 成的-Barrels结构， 每个亚基上的-识别 螺旋则与DNA大沟相 结合，两个相邻的大 沟被识别螺旋结合后 可导致DNA分子发生 45的弯曲。 .34 螺旋环螺旋结构域 螺旋环螺旋结构域 （Helix-loop-Helix，HLH） 由两个长1516个氨基酸 的亲水又亲脂的螺旋及 长度不同的环（连接区） 组成。

19、两个HLH蛋白形 成的两个-螺旋疏水面相 互作用可形成同二聚体或 异二聚体，含有碱性区的 HLH称为HLP（bHLH）， 是DNA的识别和结合所 必需的。 .35 亮氨酸拉链的结构域 由双亲螺旋疏水面的亮氨酸 与另一个平行的亮氨酸拉链 蛋白亮氨酸突出交错排列， 形成两个互相缠绕的右手螺 旋，每7个残基构成一个完整 的重复单位，两个蛋白形成 同二聚体或异二聚体。与其 相邻的是高碱性氨基酸的 DNA结合区，整个二聚体呈Y 型结构，拉链构成茎，两个 碱性区分叉形成臂，横跨在 DNA分子上并与相邻的DNA 两个大沟结合。 .36 绝缘子（Insulator） 绝缘子位于同一基因 启动子与增强子之间，

20、可抑制增强子对转录 的激活，但绝缘子并 不能抑制启动子下游 的增强子对同一启动 子的激活，也不能抑 制该增强子对另外一 段基因的激活作用。 绝缘子上可结合特定 的蛋白质，从空间阻 碍着增强子与启动子 的联系。 .37 真核生物基因表达的组合控制真核生物基因表达的组合控制 不同的反式作用因子，因蛋白和蛋白之间的相互作用， 在不同的细胞中对同一个靶基因特定DNA调控元件 可产生全新的调控活性，这些元件称为复合应答元件 （composite response element）。 小鼠TTR基因在肝实质（Hepatocytes）中的表达除了 通用转录因子（TFIIA，TFIIB， TFIID ，TFI

21、IF， TFIIE， TFIIH）、中介蛋白（srb/mediator）和RNA 聚合酶外，还需五种激活蛋白及辅助因子（C/EBP， HNF1，HNF3，HNF4，AP1）。只有在肝细胞中这 五个激活蛋白均表达时，它们与启动子的近端及远端 增强子区结合，造成DNA弯曲，然后与基础转录因 子，中介蛋白、辅激活子一起促进RNA多聚酶II的转 录，而在其它细胞中，只表达五种激活蛋白的两到三 种，TTR基因并不被激活。因此这些转录因子有很强 的协同性 。 .38 .39 在海胆的Endo-16基因5，上游2kb左右有十多个核蛋 白位点，可形成七个调节区，每个区域均与不同的转录 因子结合。不同发育时期，

22、不同细胞中该基因的表达完 全依赖于这些调节区结合转录因子的种类和数量组合。 .40 基因的转录活性不 但受到激活蛋白的 促进，也会受到阻 抑蛋白的抑制。 .41 基因表达的信号整合 多个转录因子信号的整合对真核生物基因的组 合激活和抑制还包括启动子远上游的超距离作 用，仅其转录因子结合位点的数目、类型可分 为三类，单个因子结合位点，多个串联重复结 合位点，多个不同因子结合位点。在真核生物 中其基因的表达调控最少包括三个不同的调节 网络，即转录因子调节网络、信号传导调节网 络、染色质构型及组蛋白密码调节网络。 .42 .43 .44 .45 k链可变区至少有 30043=3600种，轻 链233

23、=18种，重链 2504109=90000种， 轻重链任意组合至少应有 3.2410 8 ，其实际数量 可能还远不止此数，再加 上无模板添加和体细胞可 变区的超突变，产生抗体 的多样性。 .46 k链可变区至少有30043=3600种，轻 链233=18种，重链 2504109=90000种，轻重链任意组 合至少应有3.2410 8 ，其实际数量可能 还远不止此数，再加上无模板添加和体细 胞可变区的超突变，产生抗体的多样性 。 .47 采用复杂的剪接加工，采用多种方式选择不同的外显子 产生多种有功能的基因表达产物，称之为差别剪接或可 变剪接（Differential alternative s

24、plicing），所得到的各种 剪接产物称之为剪接变异体或剪接异构体（splice variants, splice isoforms）。 可变剪接的主要方式： 多个5转录起始点和单一的polyA位点。 相同的5转录起点，不同的polyA位点 不同外显子的利用 互斥型外显子 内含子保留。 盒子型外显子 在内含子和外显子上往往具有一些调节剪接的位点，它们 有些促进剪接，有些抑制剪接 。 .48 肌钙蛋白T基因的18个外显子，有11个外显子在所有 mRNA中共有（1-3，9-15和18），16、17互斥，而4、5、 6、7、8五个盒型外显子就有32种不同的组合方式，再加 上16、17互斥型，大鼠肌

25、钙蛋白T基因的mRNA拼接产物 就有64种之多 。 .49 .50 果蝇DSCAM基因是人类唐氏综合症致病基因的同源 基因，该基因长61.2kb，成熟mRNA长7.8kb，有24 个外显子，但在基因组中有4个外显子在RNA剪接中 有可变剪接。其中4、6、9、17中的外显子为盒子型 外显子，第4外显子有12个等位变异形式（即在基因 组中有12个外显子，转录加工后只随机保留其中一 个，为互斥型），第6外显子有48个，第9外显子有 33个，而第17外显子有2个。其它外显子均为正常组 成型剪接，如此计算果蝇DSCAM基因转录后的可变 剪接就可以产生1248332=38016个不同的 mRNA剪接变异体

26、。 .51 在雌蝇早期胚胎中最早由PE启动子起始转录的性致死基因 （sex-lethal，sxl），其产物是一种序列特异性RNA结合蛋白，该蛋 白只在早期雌蝇胚胎中存在，在雄蝇中不存在，随后雌蝇中的PE启 动的sxl基因转录被抑制。雌雄蝇中由上游晚期启动子(PL)启动的sxl 被激活，在雌蝇中早期sxl蛋白可指导早期sxl转录产物的剪接，从而 产生有功能晚期sxl蛋白；与此相反在雄蝇中由于无早期sxl蛋白的参 与，发生组成性剪接，产生无功能的晚期sxl蛋白。这是因为该基因 的四个外显子在雌蝇中由于早期sxl蛋白与第三外显子的5末端结合， 从而导致剪接产物不含第3外显子，而第3外显子中有终止密码

27、，因 而在雄蝇中含有该外显子产生了较短的不含RNP结构域的无功能多 肽，在雌蝇中却是形成行RNP的有功能产物。 在雌蝇中该蛋白又可进一步指导转化基因（transformer tra) mRNA前体的剪接，结合到该基因第2外显子5端，从而产生Tra蛋白。 雄蜂中无有功能的sxl蛋白，该基因发生组成性剪接，因第二外显子 中有终止密码，也是无功能的产物。尽管Tra蛋白无RNA结合域，但 它可与另一个含RNA结合域的转化蛋白2（Tra2）形成复合物。 在雌蝇中，该产物进一步作用于第3个基因双性基因（double- sex.dsx），与该基因第4外显子的5端结合，从而产生雌性特异的 dsx mRNA ，

28、指导合成Dsx蛋白。该蛋白可进一步抑制雄性发育所需 基因的转录。在雄性中因无功能的Tra蛋白存在，则产生另一种雄性 特异的dsx mRNA和Dsx蛋白，从而进一步抑制雌性发育所需的基因 转录 。 .52 .53 .54 内耳听觉细胞从基底到 顶端可分别感受从50Hz 到5000Hz的声音频率并 依赖于胞内Ca2+浓度的 K+ 离子通道的开放。编 码该通道的基因slo转录 剪拼变异体可感受不同 浓度的Ca2+，从而决定 K+离子通道的开放状态。 该基因八个外显子参与 可变剪接可产生576种可 能的剪接变异蛋白 .55 SR蛋白质是指含有丝氨酸、精氨酸二肽重复序列的含 SR结构域（SR motif

29、）的蛋白，其N端一般有一个RNA 识别结构域（RNA Recognition motif, RRM ），又称 RNA结合域（RNA binding domain）或RNP一致序列区 域（RNP-consensus sequence domain），有些SR蛋白具 有两个RRM。该蛋白的主要作用是早期与mRNA前体 结合，决定5剪接点，促进剪接体的组装；可能是强 化剪接元件与5剪接位点的结合，稳定U1SnRNP与 mRNA前体的结合，也可以诱导mRNA 前体的二级或 三级结构，以利于剪接体的形成或其它组分的结合。 如果5剪接位点突变，在该位点不能发生剪接体的组 装就会激活附近的5隐蔽剪接位点。

30、.56 结合于多聚嘧啶束的蛋白质包括有些SR蛋白，但还有 其它非SR蛋白的类型，如PTB和PSF，PTB即结合于多 聚的嘧啶束蛋白（poly pyrimidine tract-binding protein,PTB），PSF为PTB相关剪接因子（PTB associated splicing factor）。 另外，还有其它的难以归类剪接调节蛋白，例如帽子结 合蛋白，剪接体形成蛋白，依赖于ATP的RNA解旋酶及 SR蛋白激酶等。可以看出在mRNA 前体的可变剪接中， 各种调节蛋白几乎作用到剪接作用的各个过程，它们通 过干扰、促进特定的剪接过程直接影响剪接反应，从而 产生各种不同形式的剪接变异体。 .57 翻译和翻译后水平调控翻译和翻译后水平调控 mRNA的结构与其稳定性与翻译调控 .58 真核生物中铁的吸收和利用 转铁蛋白mRNA的3末端和转铁蛋白受体的5，末端有 非常相似的铁反应元件（iron response element，IRE）， 该区域可形成多个复杂的茎环结构中，其中转铁蛋白 受体的3，末端非翻译区有五个茎环结构， A、E环和 中间大环与铁反应无关，而