生物化学课件：基因表达调控2

1、目录目录第十八章第十八章基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene ExpressionDepartment of Biochemistry and Molecular Biology , Shanghai Medical College, Fudan University目录目录Summary of Prokaryotic Gene Expression Regulation nGene expression in prokayotes is controlled by the operon modelnThe operon can be switched off by a

2、 protein repressor by bing to the operatornThe repressor is the product of a separate regulatory genenSome operons are induced when the metabolic pathway is needed-Inducible OperonsnSome operons are repressed when the metabolic pathway is no longer needed-Repressible Operons目录目录nAn inducible operon

3、is one that is usually off; a molecule called an inducer inactivates the repressor and turns on transcriptionnThe lac operon is an inducible operonnA molecule called an inducer inactivates the repressor to turn the lac operon onnThe lac operons are also subject to positive control through a stimulat

4、ory protein, such as catabolite activator protein (CAP), an activator of transcription目录目录nA repressible operon is one that is usually on; binding of a repressor to the operator shuts off transcriptionnThe trp operon is a repressible operonnThe trp operon is regulated using attenuation mechanism at

5、the translation level. 目录目录第三节第三节 真核基因表达调控真核基因表达调控Regulation of Gene Expression in Eukaryote目录目录一、真核细胞基因表达的特点一、真核细胞基因表达的特点 真核基因组比原核基因组真核基因组比原核基因组大大得多得多 原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺乳类基因组中只有乳类基因组中只有10%的序列编码的序列编码蛋白质、蛋白质、rRNA、tRNA等，其余等，其余90%的序列，包括大量的序列，包括大量的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控的重复序列功能至今还不清楚，可

6、能参与调控 真核生物编码蛋白质的基因是真核生物编码蛋白质的基因是不连续的不连续的，转录，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达调控的层次调控的层次 目录目录 原核生物的基因编码序列在操纵子中，原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制；使得几个功能相关的基因自然协调控制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一条而真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即，即mRNA是是单顺反子单顺反子（monocistron），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同，许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚

7、基也将涉及到多个基因的协调表达亚基也将涉及到多个基因的协调表达目录目录 真核生物真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构在细胞核内与多种蛋白质结合构成成染色质染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表，这种复杂的结构直接影响着基因表达；达； 真核生物的遗传信息不仅存在于真核生物的遗传信息不仅存在于核核DNA上，还上，还存在存在线粒体线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的上，核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立而又需要协调。表达调控既相互独立而又需要协调。 目录目录图图18-5 18-5 真核生物基因表达的多层次复杂调控真核生物基因表达的多层次复杂调控目录目录二、染色质结构与真核基因表达密切相

8、关二、染色质结构与真核基因表达密切相关活性染色质活性染色质 (active chromatin)(active chromatin)具有转录活性的染色质具有转录活性的染色质超敏位点（超敏位点（hypersensitive site)hypersensitive site)当染色质活化后，常出现一些对核酸酶当染色质活化后，常出现一些对核酸酶（如（如DNase I）高度敏感的位点）高度敏感的位点（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感 目录目录(二二) 转录活化染色质的组蛋白发生改变转录活化染色质的组蛋白发生改变 组蛋白结构及其化学修饰组蛋白结构及其化学修饰（a

9、 a）组蛋白与）组蛋白与DNADNA组成的核小体；（组成的核小体；（b b）组蛋白的氨基端伸出核）组蛋白的氨基端伸出核小体，形小体，形 成组蛋白尾巴；（成组蛋白尾巴；（c c）四种组蛋白组成的八聚体）四种组蛋白组成的八聚体目录目录Organization/ packaging of DNANucleus= 5-10 m (0.01mm)Diploid genome= 6.4x109 bp0.34nm/bpDNA=2 meters (2000 mm)目录目录Chromatin Remodeling In eukaryotes, binding of histones to form chroma

10、tin generally represses gene expression, making specific repressor proteins unnecessary.DNA nucleosomes must be “unwound” or remodeled to allow transcription.nChromatin remodeling complexes nAcetylation or Methylation目录目录 组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影

11、响染色质或核小体的结构，以及化学修接影响染色质或核小体的结构，以及化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了这些理论构成了“组蛋白密码组蛋白密码”的假说。的假说。目录目录组蛋白组蛋白氨基酸残基位点氨基酸残基位点修饰类型修饰类型功功 能能H3Lys-4甲基化甲基化激活激活H3Lys-9甲基化甲基化染色质浓缩染色质浓缩H3Lys-9甲基化甲基化DNA甲基化所必需甲基化所必需H3Lys-9乙酰化乙酰化激活激活H3Ser-10磷酸化磷酸化激活激活H3Lys-14乙酰化乙酰化

12、防止防止Lys-9的甲基化的甲基化H3Lys-79甲基化甲基化端粒沉默端粒沉默H4Arg-3甲基化甲基化H4Lys-5乙酰化乙酰化装配装配H4Lys-12乙酰化乙酰化装配装配H4Lys-16乙酰化乙酰化核小体装配核小体装配H4Lys-16乙酰化乙酰化Fly X激活激活组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响 目录目录Chromatin remodeling目录目录Figure 18-4Condensed chromatinDecondensed chromatinAcetyl group on histone目录目录（三三） CpG岛甲基化水平降低岛甲基化水平降低

13、CpG岛（岛（CpG island) ：甲基化胞嘧啶在基因组中并：甲基化胞嘧啶在基因组中并不是均匀分布，有些成簇的非甲基化不是均匀分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整个存在于整个基因组中，人们将这些基因组中，人们将这些GC含量可达含量可达60%，长度为，长度为300-3000bp的区段成为的区段成为CpG岛。岛。 表观遗传（表观遗传（epigenetic inheritance) ：染色质结构对：染色质结构对基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机制是细基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机制是细胞内存在着具有维持甲基化作用的胞内存在着具有维持甲基化作用的DNA甲基转移酶，甲基转移酶，可以在可以

14、在DNA复制后，依照亲本复制后，依照亲本DNA链的甲基化位置链的甲基化位置催化子链催化子链DNA在相同位置上发生甲基化在相同位置上发生甲基化目录目录DNA MethylationnDNA methylation, the addition of methyl groups to certain bases in DNA, is associated with reduced transcription in some speciesnDNA methylation can cause long-term inactivation of genes in cellular differentia

15、tion目录目录Epigenetic InheritancenAlthough the chromatin modifications just discussed do not alter DNA sequence, they may be passed to future generations of cellsnThe inheritance of traits transmitted by mechanisms not directly involving the nucleotide sequence is called epigenetic inheritance 目录目录三、基因

16、组中的顺式作用元件是转录起三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位始的关键调节部位順式作用元件順式作用元件 指可影响自身基因表达活性的指可影响自身基因表达活性的DNADNA序列序列目录目录 Sequence: TATAAAA Location: - 25 - 30 bp Function: It is the binding site for TFII D, which is required for RNA polymerase binding. It controls the veracity and frequency of transcriptional initiation

17、.TATA box目录目录nSequence: GCCAATnLocation: -70 bpnFunction: It is the binding site for CTF1 (CAAT-binding transcription factor1) and C/EBP (enhancer binding protein). CAAT box目录目录 Sequence: GGGCGGLocation: -30 -110 bpFunction: It is the binding site for a protein called Sp1. GC box目录目录图图18-718-7顺式作用元件

18、顺式作用元件A A、B B分别代表同一基因中的两段特异分别代表同一基因中的两段特异DNADNA序列。序列。B B序列通过一定机制影序列通过一定机制影响响A A序列，并通过序列，并通过A A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。A A、B B序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件目录目录（一）真核生物启动子结构和调节远较原核（一）真核生物启动子结构和调节远较原核生物复杂生物复杂真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结合位聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一点周围的一组转录控制组件，至少包括一

19、个个转录起始点转录起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒目录目录CCAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒转录起始点转录起始点高等真核生物高等真核生物上游激活序上游激活序列（列（UAS）TATA盒盒转录起始点转录起始点酵母酵母真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构目录目录（二）增强子是能够提高转录效率的顺式（二）增强子是能够提高转录效率的顺式调控元件调控元件增强子的功能及其作用特征如下：增强子的功能及其作用特征如下： 与被调控基因位于同一条与被调控基因位于同一条DNA链上，属于链上，属于顺式作用元件顺式作用元件。 是组织特异性转录因子的是组织特异

20、性转录因子的结合部位结合部位 不仅能够在基因的不仅能够在基因的上游上游或或下游下游起作用，而且起作用，而且还可以还可以远距离远距离实施调节作用实施调节作用 作用与序列的作用与序列的方向性无关方向性无关 需要有启动子需要有启动子才能发挥作用才能发挥作用目录目录nIt is a DNA sequence that can determine the temporal and spatial specificities of expression and increase the promoter activity. Enhancer目录目录（三）沉默子能够抑制基因的转录（三）沉默子能够抑制基因的转

21、录 沉默子是一类基因表达的负性调控元件，沉默子是一类基因表达的负性调控元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用阻遏作用目录目录 nIt is a negative regulation element.nIt will repress the transcription once interacted with specific proteins. Silencer目录目录四、转录因子是转录调控的关键分子四、转录因子是转录调控的关键分子真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或转录因子转录因子（transcri

22、ption factor, TF）。）。绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达后，进入细胞核，通过识别、结合特异的顺式后，进入细胞核，通过识别、结合特异的顺式作用元件而增强或降低相应基因的表达。作用元件而增强或降低相应基因的表达。转录因子也被称为反式作用蛋白或转录因子也被称为反式作用蛋白或反式作用因反式作用因子子。目录目录真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白 还有蛋白质因子可特异识别、结合自身还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列基因的调节序列，调节自身基因的表达，调节自身基因的表达，称称顺式作用顺式作用。 由某一基因表达产生的蛋白质因子，通

23、由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作用称互作用，调节其表达。这种调节作用称为为反式作用反式作用。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) 目录目录图图18-8 18-8 反式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白目录目录通用转录因子通用转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。1. 转录

24、调节因子分类转录调节因子分类（按功能特性）（按功能特性）通用转录因子通用转录因子特异转录因子特异转录因子目录目录特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。的时间、空间特异性表达。 转录激活因子转录激活因子 转录抑制因子转录抑制因子目录目录Transcription factorsnControlling the expression of eukaryotic genes requires transcription factors.general transcr

25、iption factors are required for transcription initiationnrequired for proper binding of RNA polymerase to the DNAspecific transcription factors increase transcription in certain cells or in response to signals目录目录2. 转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺

26、富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域目录目录最常见的最常见的DNA结合域：结合域：1. 锌指模体锌指模体(zinc finger)常结合常结合GC盒盒C=半胱氨酸；半胱氨酸；H=组氨酸；组氨酸；F=苯苯丙氨酸；丙氨酸；L=亮氨酸；亮氨酸；Y=酪氨酸；酪氨酸；Zn=锌离子锌离子图图18-9锌指结构锌指结构目录目录2. 2. 碱性螺旋碱性螺旋- -环环- -螺旋螺旋（basic helix-loop-helix,bHLH)（a）独立的碱性螺旋）独立的碱性螺旋-环环-螺旋模体结构示螺旋模体结构示意图；（意图；（b）bLHL模体二聚体与模体二聚体与DNA结合结合的示意图。两个的示意图。两

27、个 -螺旋的碱性区分别嵌入螺旋的碱性区分别嵌入DNA双螺旋的大沟内双螺旋的大沟内常结合常结合CAAT盒盒目录目录常结合常结合CAAT盒盒3. 3.碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链( (basic leucine zipper, Bzip) （a）碱性亮氨酸拉链模体结构示意图；（）碱性亮氨酸拉链模体结构示意图；（b）bZIP模体与模体与DNA结合的示意图结合的示意图。两个。两个 -螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨基酸残基的区域与氨基酸残基的区域与DNA骨架上的磷酸基团结合骨架上的磷酸基团结合目录目录 目录目录五

28、、转录起始复合物的动态构成是五、转录起始复合物的动态构成是转录调控的主要方式转录调控的主要方式（一）启动序列（一）启动序列/启动子与启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性（二）调节蛋白与（二）调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性启动序列或启动子的核苷酸序列会影响其与启动序列或启动子的核苷酸序列会影响其与RNA聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录起始的频率转录起始的频率真核真核RNA聚合酶聚合酶II不能单独识别、结合启动不能单独识别、结合启动子，而是先由基本转录因子与子，而是先由基本转录因子与RNA聚合酶聚合酶II形成形成一个功能性的转录前起始复合物。一个

29、功能性的转录前起始复合物。目录目录图图18-12 转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成 真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。形成转录起始复合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP目录目录Basal Transcription 目录目录Combinatorial Gene RegulationnCoactivators and Mediators are also required for the function of transcription factors.Coactivators and

30、mediators bind to transcription activators and bind to other parts of the transcription apparatusAn example of a coactivator is the mediator complex, consisting of 20 or more proteins that bind to activators and to the carboxy-terminal domain of RNA polymerase II.目录目录目录目录Combinatorial Model of Gene

31、ExpressionLiverRegulatoryTFs increasetranscriptionactivityBrainNo reg.TFs in this cell for albumin enhancer目录目录六、转录后调控主要影响真核六、转录后调控主要影响真核mRNA的结构与功能的结构与功能（一）（一）mRNA稳定性的影响真核生物基因表达稳定性的影响真核生物基因表达1. 5 -端的帽子结构可以增加端的帽子结构可以增加mRNA的稳定性的稳定性2. 3 -端的端的poly(A)尾结构防止尾结构防止mRNA降解降解 RNA无论是在核内进行加工、由胞核运至胞浆，还无论是在核内进行加工、由

32、胞核运至胞浆，还是在胞浆内停留（至降解），都是通过与蛋白质结合形是在胞浆内停留（至降解），都是通过与蛋白质结合形成成核蛋白颗粒核蛋白颗粒(ribonucleoprotein, RNP)进行的。进行的。 目录目录与原核基因表达调节一样，某些小分子与原核基因表达调节一样，某些小分子RNA也可调节真也可调节真核基因表达。核基因表达。这些这些RNA都是非编码都是非编码RNA（noncoding RNA, ncRNA）。）。如：具有催化活性的如：具有催化活性的RNA（核酶）、细胞核小分子（核酶）、细胞核小分子RNA （snRNA）以及核仁小分子）以及核仁小分子RNA（snoRNA）目前人们广泛关注的非编

33、码目前人们广泛关注的非编码RNA有有miRNA和和siRNA。小分子小分子RNA对基因表达的调节十分复杂，对基因表达的调节十分复杂， （二）一些非编码小分子（二）一些非编码小分子RNA可引起转录后可引起转录后基因沉默基因沉默目录目录（三）（三）mRNA前体的选择性剪接可以调节真前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达核生物基因表达 真核生物基因所转录出的真核生物基因所转录出的mRNA前体含有交替前体含有交替连接的内含子和外显子。通常状态下，连接的内含子和外显子。通常状态下，mRNA前体经过剔除内含子序列后成为一个成熟的前体经过剔除内含子序列后成为一个成熟的mRNA，并被翻译成为一条相应的多肽链

34、。但，并被翻译成为一条相应的多肽链。但是，参与拼接的外显子可以不按照其在基因组是，参与拼接的外显子可以不按照其在基因组内的线性分布次序拼接，内含子也可以不完全内的线性分布次序拼接，内含子也可以不完全被切除，由此产生了被切除，由此产生了选择性剪接选择性剪接目录目录七、真核基因表达在翻译以及翻译后七、真核基因表达在翻译以及翻译后仍可受到调控仍可受到调控（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行酸化修饰进行蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子决于起始水平，通过磷酸化调节翻

35、译起始因子（eukaryotic initiation factor, eIF）的活性对起）的活性对起始阶段有重要的控制作用。始阶段有重要的控制作用。1 1翻译起始因子翻译起始因子eIF-2eIF-2的磷酸化抑制翻译起始的磷酸化抑制翻译起始 目录目录2 2eIF-4EeIF-4E及及eIF-4EeIF-4E结合蛋白的磷酸化激活翻译起始结合蛋白的磷酸化激活翻译起始 帽结合蛋白帽结合蛋白eIF-4E与与mRNA帽结构的结合是翻译帽结构的结合是翻译起始的限速步骤，磷酸化修饰及与抑制物蛋白的起始的限速步骤，磷酸化修饰及与抑制物蛋白的结合均可调节结合均可调节eIF-4E的活性。的活性。磷酸化的磷酸化的e

36、IF-4E与帽结构的结合力是非磷酸化与帽结构的结合力是非磷酸化 的的eIF-4E的的4倍，因而可提高翻译的效率。倍，因而可提高翻译的效率。目录目录（二）（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节结合蛋白参与了对翻译起始的调节 RNA结合蛋白（结合蛋白（RNA binding protein, RBP），是指那些能够与是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。特异序列结合的蛋白质。 基因表达的许多调节环节都有基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如的参与，如前述转录终止、前述转录终止、RNA剪接、剪接、RNA转运、转运、RNA胞胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。浆内稳定性控制以及翻译起始等。 目

37、录目录（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达调控基因表达 新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素学功能的重要影响因素。因此，通过对新生肽。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。 许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性有功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化

38、修饰，可以达到调节蛋白质功甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。能的作用，是基因表达的快速调节方式。 目录目录RNA InterferencenRNA interference involves the use of small RNA moleculesnThe enzyme Dicer chops double stranded RNA into small pieces of RNAmicro-RNAs bind to complementary RNA to prevent translationsmall interfering RNAs deg

39、rade particular mRNAs before translation目录目录nThe phenomenon of inhibition of gene expression by RNA molecules is called RNA interference (RNAi)nsiRNAs and miRNAs are similar but form from different RNA precursors目录目录 RNA沉默沉默(RNA silencing)是普遍存在于植物、动是普遍存在于植物、动物物(RNAi)和真菌和真菌(quelling)等真核生物细胞中的一种抵等真核生物

40、细胞中的一种抵抗外源遗传因子抗外源遗传因子(病毒、转座子或转基因病毒、转座子或转基因)及调控基因及调控基因表达的防御机制，可特异而高效的降解靶表达的防御机制，可特异而高效的降解靶mRNA，以，以保持生物体自身基因组的完整和稳定。保持生物体自身基因组的完整和稳定。 目录目录 The left petunia ( 牵牛花） is wild-type; the right petunias contain transgenes that induce suppression of both transgene and endogenous gene expression, giving rise to the unpigmented white areas of the flower.目录目录是一大家族小分子非编码单链是一大家族小分子非编码单链RNA，长度约，长度约20-25个个碱基，由一段具有发夹