南开大学生命科学院生物化学课件

1、第十五章第十五章 基因表达的调节基因表达的调节Regulation of Gene ExpressionCentral dogma第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理 Basic Conceptions and Principle一、基因表达的概念一、基因表达的概念 * * 基因基因(gene ) 编码蛋白质或编码蛋白质或RNARNA的的DNADNA片段。片段。* * 基因组基因组(genome) 一个细胞（一个细胞（cellcell）或病毒（）或病毒（virusvirus）所携带）所携带的全部遗传信息或整套基因。的全部遗传信息或整套基因。不同细胞均携带完整的遗传信息不同细胞均携带完整

2、的遗传信息两种人类组织中蛋白表达的差异两种人类组织中蛋白表达的差异红红: 2组织共有蛋白组织共有蛋白; 蓝蓝: 组织特异性蛋白组织特异性蛋白不同人类肿瘤细胞中不同人类肿瘤细胞中mRNA表达的差异表达的差异来自于不同病人的来自于不同病人的142个肿瘤组织个肿瘤组织1800个个基基因因红红: 表达高于平均值表达高于平均值绿绿: 表达低于平均值表达低于平均值黑黑: 表达近似平均值表达近似平均值*基因表达基因表达(gene expression)基基因因表表达达是是受受调调控控的的二、基因表达的时间性及空间性二、基因表达的时间性及空间性1. 1. 时间特异性时间特异性(temporal specifi

3、city) 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。定的时间顺序发生。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段阶段特异性特异性(stage specificity)。2. 空间特异性空间特异性(spatial specificity) 在个体生长全过程，某种基因产物在个体按在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现。不同组织空间顺序出现。 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以异，实际上是由细胞在器官的分布决

4、定的，所以空间特异性又称空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。三、基因表达的方式三、基因表达的方式 1.1.组成型表达组成型表达(constitute expression) 某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为达，通常被称为持家基因持家基因(housekeeping gene)。 持家基因在个体各个生长阶段的大多数或几乎持家基因在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小（几乎不用调全部组织中持续表达，或变化很小（几乎不用调节节组成型基因表达。组成型基

5、因表达。 2.2.诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因（inducible gene）。过程。过程诱导诱导(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是因是可阻遏基因可阻遏基因（repressible gene）。可阻遏基。可阻遏基因 表 达 产 物 水 平 降 低 的 过 程 称 为因 表 达 产 物 水 平 降 低 的 过 程 称 为 阻 遏阻 遏(repression)。协调表

6、达协调表达(coordinate expression) 在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为表达，即为协调表达协调表达，这种调节称为，这种调节称为协调调节协调调节(coordinate regulation)。第二节第二节基因表达调节的原理基因表达调节的原理Basic principle of gene expression regulation基因激活基因激活activation转录起始转录起始initiation 转录后加工转录后加工post-transc

7、riptional processingmRNA降解降解degradation蛋白质合成蛋白质合成translation翻译后加工修饰翻译后加工修饰post-translation processing蛋白质降解蛋白质降解Degradation蛋白质的靶向运输蛋白质的靶向运输转录起始转录起始一、一、 基因表达的多级调控基因表达的多级调控二、基因转录激活调节基本要素二、基因转录激活调节基本要素基因自身的结构、性质基因自身的结构、性质生物个体或细胞所处的内、外环境生物个体或细胞所处的内、外环境细胞内所存在的转录调节蛋白细胞内所存在的转录调节蛋白1. 特异特异DNA序列序列nRNA聚合酶结合启动子顺

8、序聚合酶结合启动子顺序n启动子：可被启动子：可被RNA聚合酶结合并诱发转录起聚合酶结合并诱发转录起始的始的DNA序列序列nRNA聚合酶与启动子相互作用决定组成型基聚合酶与启动子相互作用决定组成型基因表达因表达n启动子序列决定非持家基因的基线（启动子序列决定非持家基因的基线（basal level）表达）表达 原核生物原核生物RNA聚合酶识别并结合于启动序列聚合酶识别并结合于启动序列共有序列共有序列(consensus sequence)决定启动序列的转录活性大小。决定启动序列的转录活性大小。Trp色氨酸色氨酸lac 乳糖乳糖recA蛋白蛋白Are 阿拉伯糖阿拉伯糖BADNA编码序列编码序列转录

9、起始点转录起始点（start point）不同真核生物的顺式作用元件中也存在一不同真核生物的顺式作用元件中也存在一些共有序列，如起始子些共有序列，如起始子(Inr)、TATA盒盒（box）、）、CAAT盒等。盒等。RNA聚合酶或特聚合酶或特异转录因子的结合位点。异转录因子的结合位点。真核生物（真核生物（Eukaryotes）顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting factor) 可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列真核生物的共有序列真核生物的共有序列 （consensus sequence)2. 转录起始受转录起始受DNA结合蛋白调节结合蛋白调节3种蛋白质调节

10、种蛋白质调节RNA聚合酶转录起始聚合酶转录起始： 特殊蛋白因子特殊蛋白因子（specific factors）决定）决定RNA聚合聚合酶酶启动序列启动序列 激活子蛋白激活子蛋白(activators) 结合启动序列邻近的结合启动序列邻近的DNA序列序列促进促进RNA聚合酶与启动序列的结合聚合酶与启动序列的结合 阻遏子阻遏子（repressors）结合操纵序列）结合操纵序列抑制基抑制基因转录。因转录。特殊蛋白因子（特殊蛋白因子（specific factors）n大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶聚合酶亚基亚基n通常情况下：通常情况下： 70，结合标准，结合标准E.coli启动子启动子n过热环境过热环

11、境: 32取代取代70，结合特殊启动子，结合特殊启动子热热休克反应休克反应阻遏子（阻遏子（repressors）n负调节（负调节（negative regulation）: 阻遏蛋白结阻遏蛋白结合于操纵序列合于操纵序列DNA阻断转录的调节方式阻断转录的调节方式n操纵序列通常靠近启动子序列或与其相交操纵序列通常靠近启动子序列或与其相交n阻遏子与操纵序列的结合受特殊小分子（诱阻遏子与操纵序列的结合受特殊小分子（诱导物）的调节导物）的调节 编码序列编码序列coding sequence 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)原核生物原核生

12、物 操纵子操纵子(operon) 机制机制调控序列调控序列Regulatory sequence启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点 当操纵序列结合有当操纵序列结合有阻遏蛋白阻遏蛋白时，会阻碍时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿聚合酶不能沿DNA向前移动向前移动 ，阻碍转录。，阻碍转录。激活子蛋白激活子蛋白(activators)n正调节（正调节（positive regulation）：激活子蛋白介）：激活子蛋白介导的调节导的调节

13、n激活子结合于启动子附近位点，加强激活子结合于启动子附近位点，加强RNA聚聚合酶活性，促进合酶活性，促进RNA聚合酶与启动子结合聚合酶与启动子结合n真核生物增强子（真核生物增强子（enhancer）n激活子受信号分子调节激活子受信号分子调节增强子增强子真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白 转录调节因子转录调节因子/转录因子转录因子反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) 由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另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（一基因的特异的顺式作用元件（cis-acting factor）相互作用，调节其表达相互作用

14、，调节其表达反式作用反式作用（trans-acting） 还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用顺式作用。 第三节第三节调节蛋白与调节蛋白与DNA的结合的结合一、调节蛋白具有独立的一、调节蛋白具有独立的DNA结合结结合结构域（构域（domains）n暴露于暴露于DNA大沟中的大沟中的4种碱基的氢供体和受体种碱基的氢供体和受体n调节蛋白侧链调节蛋白侧链Asn、Gln、Glu、Lys和和Arg残残基可与基可与DNA形成氢键形成氢键二、二、DNA结合蛋白的主要结构模体结合蛋白的主要结构模

15、体n螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（Helix-Turn-Helix，HTH）n锌指（锌指（Zinc finger）1. 螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋n 原核细胞调节蛋白的重要结构；真核有类似结构原核细胞调节蛋白的重要结构；真核有类似结构n 约约20氨基酸残基组成：氨基酸残基组成：N端端7-9第一个第一个螺旋（识螺旋（识 别螺旋），别螺旋），C段端段端7-9第二个第二个螺旋，中间几个氨螺旋，中间几个氨 基酸残基形成基酸残基形成-转角转角不同不同DNA结合蛋白中的结合蛋白中的HTH模体模体2. 锌指锌指n普遍存在于真核生物普遍存在于真核生物n约约30氨基酸残基氨基酸残基n2种形式种形式: 4Cy

16、s + Zn 2+；2Cys + 2His + Zn 2+n与与DNA结合方式多样：参与识别；促进非特结合方式多样：参与识别；促进非特异性结合异性结合nRNA结合模序功能结合模序功能: 结合结合mRNA阻遏翻译阻遏翻译第四节第四节蛋白质与蛋白质的蛋白质与蛋白质的相互作用相互作用一、调节蛋白的蛋白质一、调节蛋白的蛋白质-蛋白质相互作用结构域蛋白质相互作用结构域n与与RNA聚合酶作用聚合酶作用n与其他调节蛋白作用与其他调节蛋白作用n蛋白质亚基间的相互作用蛋白质亚基间的相互作用n转录激活因子通常一二聚体形式与转录激活因子通常一二聚体形式与DNA结合结合二、蛋白质间相互作用的主要结构模序二、蛋白质间相

17、互作用的主要结构模序n亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（Leucine Zipper）n碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋（螺旋（Basic Helix-Loop-Helix）1. 亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（Leucine Zipper）n疏水性氨基酸集中于一侧的双疏水性氨基酸集中于一侧的双螺旋螺旋n接触面由亮氨酸残基排列组成接触面由亮氨酸残基排列组成n螺旋中每螺旋中每7 7个氨基酸残基出现一次亮氨酸个氨基酸残基出现一次亮氨酸n作用作用: : 形成蛋白质二聚体形成蛋白质二聚体2. 碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋n50氨基酸残基保守区氨基酸残基保守区: 结合结合DNA, 二聚化二聚化n参与多细胞生物发育调节参与

18、多细胞生物发育调节第第 五五 节节 原核生物基因表达调节原核生物基因表达调节 Regulation of Prokaryotic Gene Expression一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点 调节的主要环节在转录起始调节的主要环节在转录起始u 因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性 u 操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性u 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 许多原核基因以操纵子许多原核基因以操纵子 (operon)为单位调节为单位调节多顺反子多顺反子顺反子顺反子n遗传学将编码一个遗传学将编码一个RNA或多肽的转录单位称或多肽的转录单位称为

19、为顺反子顺反子(cistron)。n原核原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相可编码几种功能相关的蛋白质，为关的蛋白质，为多顺反子多顺反子(polycistron) 。n真核真核mRNA只编码一种蛋白质，为只编码一种蛋白质，为单顺反子单顺反子(single cistron) 。Two Frenchmen. Francios Jacob （left）and Jaque Monod （right）won a Nobel prize fortheir work in describing how the lac

20、-operon functions. 操纵子调节模型的建立操纵子调节模型的建立 调控区调控区regulatory regionCAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因structure geneZ： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 -galactosidaseY：半乳糖苷半乳糖苷透过酶透过酶 permeaseA：巯基：巯基半乳糖苷半乳糖苷转乙酰酶转乙酰酶 transacetylaseZYAOPDNA二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制1. 乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构Function of gene Z，Y，Apermease细菌细胞

21、外细菌细胞外胞内胞内Transacetylase：not clear -galactosidase葡萄糖葡萄糖 + 半乳糖半乳糖别乳糖别乳糖乳糖乳糖mRNALac阻遏子阻遏子repressorIDNAZYAOPpol没有乳糖（没有乳糖（lactose）存在时）存在时阻遏基因阻遏基因2. 2. 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖或有乳糖或IPTG存在时存在时（inducer）IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖lactose别乳糖别乳糖allolactose-半乳糖苷酶半乳糖苷酶-galactosidase别乳糖别乳糖/异构乳糖异构乳糖 异丙基

22、巯基半乳糖异丙基巯基半乳糖3. CAP的正性调节的正性调节nCAP（catabolite gene activator protein）：分）：分解代谢基因激活蛋白解代谢基因激活蛋白 CRP（cAMP receptor protein）：）：cAMP受体受体蛋白蛋白n同亚基二聚体同亚基二聚体n螺旋螺旋-转角转角-螺旋模序螺旋模序+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP4. 4. 协调调节协调调节（ coordinate regulation）当阻遏蛋白封闭

23、转录时当阻遏蛋白封闭转录时, CAP对该系统不能发对该系统不能发 挥作用；挥作用；如无如无CAP存在存在, 即使没有阻遏蛋白与操纵序列即使没有阻遏蛋白与操纵序列 结合结合, 操纵子仍无转录活性。操纵子仍无转录活性。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。先利用葡萄糖。 三、阿拉伯糖操纵子的正调节和负调节三、阿拉伯糖操纵子的正调节和负调节L-核酮糖核酮糖激酶激酶L-阿拉伯糖阿拉伯糖异构酶异构酶5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖差向异构酶差向异构酶araBAD调节序列调节序列ar

24、aC调节序列调节序列AraC结合位点结合位点分解代谢基分解代谢基因激活蛋白因激活蛋白结合位点结合位点AreC三、阿拉伯糖操纵子的正调节和负调节三、阿拉伯糖操纵子的正调节和负调节n调节蛋白调节蛋白AraC：正、负双重调节：正、负双重调节n自调节（自调节（autoregulation）：）：AraC蛋白阻遏自蛋白阻遏自身基因转录身基因转录n远距离调节序列：蛋白质远距离调节序列：蛋白质-蛋白质相互作用，蛋白质相互作用，蛋白质蛋白质-DNA相互作用相互作用DNA环化（环化（DNA looping）L-阿拉伯糖阿拉伯糖L-核酮糖核酮糖5-磷酸磷酸L-核酮糖核酮糖 5-磷酸磷酸D-木酮糖木酮糖 L-核酮糖

25、激酶核酮糖激酶 L-阿拉伯糖阿拉伯糖异构酶异构酶 5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖 差向异构酶差向异构酶（AraC）araO1：araC调节序列调节序列araO2：araBAD调节序列调节序列araI：AraC结合位点结合位点Pc：araC启动子启动子PBAD：araBAD启动子启动子CRP binding site：cAMP受体蛋白结合位点受体蛋白结合位点AraC调节自身生物合成调节自身生物合成阿拉伯糖被除去时，阿拉伯糖被除去时，araC的转录被启动的转录被启动细胞中细胞中AraC浓度超过浓度超过40拷贝时，拷贝时， AraC结合与结合与 araO1，阻遏自身转录，阻遏自身转录高水平葡萄糖，低水平阿

26、拉伯糖，高水平葡萄糖，低水平阿拉伯糖，AraC阻止阻止araBAD转录转录210bp葡萄糖低水平，阿拉伯糖高水平，葡萄糖低水平，阿拉伯糖高水平，araC与与CAP协调促进协调促进araBAD转录转录n阿拉伯糖和葡萄糖均丰富阿拉伯糖和葡萄糖均丰富n阿拉伯糖和葡萄糖均阿拉伯糖和葡萄糖均阻遏状态阻遏状态四、色氨酸操纵子（四、色氨酸操纵子（trp operon）R（regulator gene）：调节基因）：调节基因阻遏蛋白阻遏蛋白P（promoter）：启动子）：启动子O（operator）：操纵序列）：操纵序列L（leading sequence）：前导序列）：前导序列attenuator：衰减子

27、：衰减子结构基因：结构基因：E-D：邻氨基苯甲酸合成酶（：邻氨基苯甲酸合成酶（I，II） C：邻氨基苯甲酸异构酶：邻氨基苯甲酸异构酶 B-A：色氨酸合成酶：色氨酸合成酶R邻氨基苯甲邻氨基苯甲酸合成酶酸合成酶I邻氨基苯甲邻氨基苯甲酸合成酶酸合成酶II色氨酸酸色氨酸酸合成酶合成酶 色氨酸酸色氨酸酸合成酶合成酶 邻氨基甲邻氨基甲 酸合成酶酸合成酶 邻氨基苯邻氨基苯 甲酸异构酶甲酸异构酶 色氨酸酸合成酶色氨酸酸合成酶 2 2 2 2 分支酸分支酸 L-色氨酸色氨酸 L-丝氨酸丝氨酸 1. 色氨酸操纵子的阻遏机制色氨酸操纵子的阻遏机制3. 转录衰减作用的调节转录衰减作用的调节前导肽前导肽不依赖不依赖因子

28、因子的转录终止子的转录终止子Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子转录衰减转录衰减UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/21/2序列

29、序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUUUUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1. 1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止转录衰减机制转录衰减机制UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 2. 2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结

30、构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 第第 六六 节节 真核基因表达的调节真核基因表达的调节Regulation of Eukaryotic Gene Expression一、真核基因表达调控特点一、真核基因表达调控特点1. RNA聚合酶（聚合酶（RNA polymase） RNA polymease ItRNA RNA polymerase II mRNA RNA polymerase III rRNA2. 具有转录活性的有独特具有转录活性的有独特染色质结构染色质结构n对核酸酶（对核酸酶（DNase）敏感性增加）敏感性增加 活化基因转录区上游

31、或其他部位常有活化基因转录区上游或其他部位常有DNase高敏感位点，作为调节蛋白结合区。高敏感位点，作为调节蛋白结合区。3. 染色质乙酰化和核小体置换染色质乙酰化和核小体置换 染色质重构染色质重构(chromatin remodeling): 转录相关染色质转录相关染色质结构的改变结构的改变n核小体组蛋白的乙酰化和脱乙酰化核小体组蛋白的乙酰化和脱乙酰化 组蛋白乙酰基转移酶组蛋白乙酰基转移酶(HAT)： 胞质胞质(B型型)，核，核(A)型型 部位：部位：Lys 作用：作用：降低核小体对降低核小体对DNA的亲和力；阻止或促进核小的亲和力；阻止或促进核小 体与其他转录或调节蛋白的相互作用体与其他转录或调节蛋白的相互作用 脱乙酰化：脱乙酰化：染色质恢复无转录活性状态，基因沉默染色质恢复无转录活性状态，基因沉默n核小体蛋白复合物的移动或替换：核小体蛋白复合物的移动或替换：水解水解ATP供能供能4. 正性调节占主导正性调节占主导n大部分启动子具有不可接触性大部分启动子具有不可接触性n正调节在真核大基因组条件下作用更简单、正调节在真核大基因组条件下作用更简单、高效、精细高效、精细5. 反激活蛋白和辅激活蛋白促进普通反激活蛋白和辅激活蛋白促进普通转录因子的组装转录因子的组装 RNA聚合酶聚合酶II结合启动