第一讲 基因的表达与调控

1、1Disease2?4一致的遗传信息一致的遗传信息一致的表型？一致的表型？5l 基因转录后的调控基因转录后的调控u基因组中非编码基因组中非编码RNARNAu微小微小RNARNA（miRNAmiRNA）u反义反义RNARNAu内含子、核糖开关等内含子、核糖开关等l 基因选择性转录表达基因选择性转录表达的调控的调控uDNADNA甲基化甲基化u基因印记基因印记u组蛋白共价修饰组蛋白共价修饰u染色质重塑染色质重塑6* 第一讲基因表达调控的机制第一讲基因表达调控的机制 基因表达基因表达是基因经过转录、翻译、产是基因经过转录、翻译、产生有生物活性的蛋白质的整个过程。生有生物活性的蛋白质的整个过程。 基因的

2、调控基因的调控是一个蛋白质和是一个蛋白质和DNADNA相互作相互作用的过程。特异的用的过程。特异的DNADNA序列作为相应的基序列作为相应的基因的开关，一些调控蛋白结合上去打开或因的开关，一些调控蛋白结合上去打开或关闭这些开关。关闭这些开关。原核基因的表达调控原核基因的表达调控操纵子（操纵子（operonoperon）：原核生物基因表达和调控：原核生物基因表达和调控的一个完整单元，包括的一个完整单元，包括调节基因调节基因、启动子启动子、操操作子、一个或几个结构基因和终止子作子、一个或几个结构基因和终止子。乳糖操纵子结构 ( (一一) )结构基因群结构基因群 ( (二二) )启动子启动子(pro

3、moter(promoter，P)P)是指是指能被能被RNARNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段一段DNADNA序列。序列。操纵子至少有一个启动子，一般在操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基因第一个结构基因55侧上游，控制整个结构基因群侧上游，控制整个结构基因群的转录。的转录。 原核生物基因转录起始区原核生物基因转录起始区操纵子操纵子(operon)(operon)的基本组成的基本组成 ( (三三) )操作子操作子操作子操作子(operator)(operator)是指是指能被调控蛋白特异能被调控蛋白特异性结合的一段性结合的一段DNADNA序列序列，

4、常与启动子邻近或与，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作子启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操作子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。序列上，会影响其下游基因转录的强弱。( (四四) )调节基因调节基因调节基因调节基因(regulatory gene)(regulatory gene)是编码能与操是编码能与操作子结合的调控蛋白的基因。作子结合的调控蛋白的基因。某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间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定物质可称为效应物

5、效应物(effector)(effector)，其中凡能引起诱导发，其中凡能引起诱导发生的分子称为生的分子称为诱导剂诱导剂(inducer)(inducer)，能导致阻遏发生的分，能导致阻遏发生的分子称为子称为阻遏剂或辅助阻遏剂阻遏剂或辅助阻遏剂(corepressor)(corepressor)。 （五（五) )终止子终止子 终止子终止子(terminator T)(terminator T)是给予是给予RNARNA聚合酶聚合酶转录终止信号的转录终止信号的DNADNA序列序列。在一个操纵子中。在一个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。

6、个终止子。一、染色质水平的调控一、染色质水平的调控二、转录水平的调控二、转录水平的调控三、转录后水平的调控三、转录后水平的调控四、翻译水平的调控四、翻译水平的调控五、翻译后水平的调控五、翻译后水平的调控真核基因的表达调控真核基因的表达调控一、染色质水平的调控染色质水平的调控基因突变、易位、重排基因突变、易位、重排基因扩增、染色质削减基因扩增、染色质削减 DNADNA的甲基化、染色质的异染色质化的甲基化、染色质的异染色质化转录前染色质结构发生的一系列重要变化是转录前染色质结构发生的一系列重要变化是转录的前提。因此染色质的活化也称为转录的前提。因此染色质的活化也称为转录转录前的基因调整前的基因调整

7、。 间期细胞核间期细胞核中期细胞中期细胞核小体的修饰核小体的修饰组蛋白乙酰化伴随着转录活性的增强，组蛋白乙酰化伴随着转录活性的增强， 甲基化伴随转录活性的减弱。甲基化伴随转录活性的减弱。染色质削减染色质削减 在细胞分化过程中，可以通过丢掉某些基因在细胞分化过程中，可以通过丢掉某些基因而去除这些基因的活性（体细胞丢失，生殖而去除这些基因的活性（体细胞丢失，生殖细胞保存完整）。细胞保存完整）。 马蛔虫受精卵，线虫马蛔虫受精卵，线虫DNADNA的甲基化的甲基化DNADNA分子的化学修饰主要是甲基化分子的化学修饰主要是甲基化哺乳动物基因组中哺乳动物基因组中80-90%CpG80-90%CpG的的C C

8、发生甲基化发生甲基化基因的甲基化程度与基因表达呈反平行的关系基因的甲基化程度与基因表达呈反平行的关系基因组的甲基化模式可影响表型并且是可以遗基因组的甲基化模式可影响表型并且是可以遗传的，但不改变细胞的基因型传的，但不改变细胞的基因型染色质的异染色质化染色质的异染色质化真核细胞可以通过常染色质的异染色质化在更广真核细胞可以通过常染色质的异染色质化在更广泛的遗传范围内调控基因的表达。泛的遗传范围内调控基因的表达。如：雌性哺乳动物细胞中如：雌性哺乳动物细胞中X X染色质异染色质化在性染色质异染色质化在性 别决定中呈剂量平衡效应。别决定中呈剂量平衡效应。说明：异染色质化是功能性的，具有调控基因表说明：

9、异染色质化是功能性的，具有调控基因表达的功能。达的功能。二、转录水平的调控二、转录水平的调控顺式作用元件：顺式作用元件：与结构基因串联的特定的与结构基因串联的特定的DNADNA顺顺序（启动子，增强子，沉默子）。序（启动子，增强子，沉默子）。反式作用因子：反式作用因子：直接或间接识别或结合在各顺直接或间接识别或结合在各顺式作用元件的核心序列上，参与调控靶基因表式作用元件的核心序列上，参与调控靶基因表达的一组达的一组蛋白质蛋白质。反式作用因子的结构特征反式作用因子的结构特征螺旋螺旋- -转折转折- -螺旋螺旋锌指结构锌指结构亮氨基酸拉链亮氨基酸拉链螺旋螺旋- -环环- -螺旋螺旋由相同或不同的各个

10、氨基酸，按照一定的排列顺序，以特定的化学键方式连接，由相同或不同的各个氨基酸，按照一定的排列顺序，以特定的化学键方式连接，从而组成蛋白质的基本结构。从而组成蛋白质的基本结构。肽肽 键键肽肽 键键侧链侧链侧链侧链侧链侧链侧链侧链主链主链螺旋-转折-螺旋锌 指 结 构亮氨基酸拉链螺旋-环-螺旋 三、转录后水平调控三、转录后水平调控1 1、戴帽、加尾、戴帽、加尾2 2、RNARNA剪接剪接3 3、mRNAmRNA的选择性运输的选择性运输1、hnRNA的戴帽、加尾戴帽、加尾(1)5末端“戴帽”：即在5末端的鸟嘌呤的N-7位上产生甲基化，变成7-甲基鸟苷（M7G），使5末端成为5-M7G-PPP。生物学

11、意义：可能阻止5末端继续添加核苷酸，不受磷酸酶和核酸酶降解，起稳定mRNA的作用，并利于同核糖体小亚基结合，形成起始复合物。(2)3-末端加“尾”：即在3末端加上多个（200-250个）腺苷酸，形成PolyA“尾”。生物学意义：促使3末端与内质网结合，从而使3末端稳定，另外可能有延长mRNA寿命的作用。利于从核孔中输出。(3)部分核苷酸甲基化：某些腺苷酸的第6位碳被甲基化形成m6A，功能不清。2 2、RNARNA剪接剪接拼接方式有两种：一是切除内含子后，将外显子规范地拼接成成熟的mRNA，称为组成型拼接。这样一个基因只产生一种成熟的mRNA，也只产生一种蛋白质产物。另一种拼接方式，是可调控的选

12、择性拼接，因而产生不同的成熟mRNA，翻择产生不同的蛋白质。指切去内含子，将外显子连接的过程。细胞可以在不同情况下选择性地将不同的hnRNA加工成mRNA，并把它们运至细胞质，这便是mRNA的选择性加工运输。这种运输是一种通过核孔的主动运输方式。3、mRNA的选择性运输四、翻译水平调控四、翻译水平调控1、mRNA的稳定性2、mRNA翻译起始调控真核细胞的mRNA相对来说稳定的多，影响mRNA的稳定性除mRNA分子3端特殊信号序列外，某些mRNA的稳定性还受细胞外信号的影响，如激素。在3端非翻译区含有一长段含A和U的核苷酸序列（ARE元件），与其不稳定性有关。1 1、mRNAmRNA的稳定性的稳

13、定性2 2、mRNAmRNA翻译起始的调控翻译起始的调控在在ATGATG起始密码子周围要有起始密码子周围要有5 5-CCACC-CCACCATGATGG-3G-3保保守序列，以利守序列，以利mRNAmRNA翻译起始，若发生突变，其翻译起始，若发生突变，其翻译水平可下降翻译水平可下降1010倍。在起始倍。在起始AUGAUG上游若有比上游若有比较多的二级结构序列，也会影响翻译，建议外较多的二级结构序列，也会影响翻译，建议外源基因的源基因的5 5端端AUGAUG上游序列不宜过长。上游序列不宜过长。若将第一个ATG中的碱基A，T，G分别标为1、2、3位，则Kozak规则可描述如下：(1)第4位的偏好碱基为G；(2)ATG的5端约15bp范围的侧翼序列内不含碱基T；(3)在-3，-6和-9位置，G是偏好碱基；(4)除-3，-6和-9位，在整个侧翼序列区，C是偏好碱基。蛋白质合成后通常还需加工、修饰和正确折叠才能成为有功能活性的蛋白质。因此，在此水平上也存在表达的调控问题。五、翻译后水平的调控五、翻译后水平的调控 蛋白质的折叠蛋白质的折叠蛋白质在一定的条件下（如伴侣