代谢与能量第15章基因表达调控56

1、第十五章第十五章 基因表达调控基因表达调控第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理一、基因表达的概念一、基因表达的概念一个细胞或病毒所携带的全部一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息遗传信息或整套基因。或整套基因。编码蛋白质或编码蛋白质或RNARNA所必需的全部所必需的全部DNADNA序列。序列。 ( (包括编码序列包括编码序列/ /内含子和调控序列内含子和调控序列) )基因（基因（genegene）基因组（基因组（genomegenome）如：原核生物如：原核生物 单条环状单条环状DNADNA分子分子 真核生物真核生物 染色体染色体基因表达基因表达基因经过转录、翻译，产生具有生物学基因经过转

2、录、翻译，产生具有生物学功能的蛋白质功能的蛋白质/ RNA分子的过程。分子的过程。如：编码序列如：编码序列A A mRNA mRNA proteinprotein编码序列编码序列B rRNA/tRNA B rRNA/tRNA 转录转录转录转录翻译翻译二、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（一）时间特异性（一）时间特异性按功能需要，某些特定基因的表达严格按按功能需要，某些特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，称之为基因表达的一定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性。特异性。如：果蝇如：果蝇 蛹蛹 分节基因分节基因人人 胎儿胎儿 甲胎蛋白基因甲胎蛋白基因（二）空间特异

3、性（二）空间特异性真核生物真核生物在个体生长发育过程中，某种基在个体生长发育过程中，某种基因在个体的不同细胞或组织表达，称之为基因因在个体的不同细胞或组织表达，称之为基因表达的表达的空间特异性，空间特异性，又称又称细胞或组织特异性。细胞或组织特异性。如：人如：人 肝癌细胞肝癌细胞 甲胎蛋白基因甲胎蛋白基因三、基因表达的方式三、基因表达的方式（一）组成性表达（一）组成性表达某些基因在一个生物体的几乎所有细胞中持续某些基因在一个生物体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为表达，通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)(housekeeping gene)。如：参与三羧酸循环的

4、各种酶类如：参与三羧酸循环的各种酶类细胞骨架蛋白细胞骨架蛋白 -actin-actin（二）诱导（二）诱导/ /阻遏性表达阻遏性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/ /抑制，基因表达产物增加抑制，基因表达产物增加/ /减少，这种基因称为减少，这种基因称为可可诱导诱导/ /可阻遏基因可阻遏基因。可诱导可诱导/ /可阻遏基因对特定环境信号应答表现为可阻遏基因对特定环境信号应答表现为表达增强表达增强/ /减弱的过程，称为减弱的过程，称为诱导诱导(induction)/(induction)/阻遏阻遏(repression)(repression)。四、基

5、因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（一）适应环境、维持生长和增殖 如如: :大肠杆菌大肠杆菌 乳糖操纵子乳糖操纵子（二）维持个体发育与分化（二）维持个体发育与分化 如如: :真核生物真核生物 多组织多细胞多组织多细胞酗酒者酗酒者 醇氧化酶醇氧化酶细胞蛋白质谱不同细胞蛋白质谱不同 细胞表型不同细胞表型不同五、基因表达调控的控制点五、基因表达调控的控制点基因表达的基因表达的多级调控多级调控基因激活基因激活转录转录（转录起始）（转录起始）转录后加工转录后加工mRNAmRNA降解降解翻译翻译翻译后加工翻译后加工蛋白质降解等蛋白质降解等六、基因表达调控的基本

6、要素六、基因表达调控的基本要素1. 1. 特异特异DNADNA序列和调节蛋白质序列和调节蛋白质2. DNA-2. DNA-蛋白质蛋白质/ /蛋白质蛋白质- -蛋白质蛋白质的相互作用的相互作用3. RNA3. RNA聚合酶聚合酶是是RNARNA聚合酶结合并启动转录的特异聚合酶结合并启动转录的特异DNADNA序列。序列。1) 1) 启动序列启动序列RNARNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTtrp genetRNATyr genelac generecA geneAra BA

7、D genetrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列1. 1. 特异特异DNADNA序列和调节蛋白质序列和调节蛋白质原核生物原核生物启动序列与共有序列启动序列与共有序列(consensus sequence)(consensus sequence)的差异决定的转录活性大小。的差异决定的转录活性大小。2 2 操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白/ /阻遏物阻遏物(repressor)(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/ /阻遏物阻遏物时，时，阻碍阻碍RNARNA聚合酶与启动序列的结合，或是

8、聚合酶与启动序列的结合，或是RNARNA聚聚合酶不能沿合酶不能沿DNADNA向前移动向前移动 ，阻碍转录。，阻碍转录。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阻遏蛋白阻遏蛋白负调控负调控3 3) ) 其他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白激活蛋白激活蛋白(activator)(activator)可结合启动序列邻可结合启动序列邻近的近的DNADNA序列，促进序列，促进RNARNA聚合酶与启动序列的聚合酶与启动序列的结合，增强结合，增强RNARNA聚合酶活性。聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时有些基因在没有激活蛋白存在时，RNARNA聚聚合酶很少或完全不能结合启动序列。

9、合酶很少或完全不能结合启动序列。正调控正调控真核生物真核生物1 1) ) 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNADNA序列序列 B BA ADNADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点 转录精确性转录精确性 转录频率转录频率启动子启动子是是RNARNA聚合酶或特异转录因子的结合位点聚合酶或特异转录因子的结合位点 ，如如TATATATA盒、盒、CAATCAAT盒等。盒等。B B启动子启动子DNADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点由由某一某一基因表达产生的蛋白质因子，

10、基因表达产生的蛋白质因子，通过与通过与另一另一基因的特异的顺式作用元件相基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。如：转录因子。互作用，调节其表达。如：转录因子。 2)2)反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)(trans-acting factor) 真核生物的调节蛋白真核生物的调节蛋白反式作用因子与顺式作用元件之间的特反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。异识别及结合。绝大多数调节蛋白结合绝大多数调节蛋白结合DNADNA序列前，需通序列前，需通过蛋白质过蛋白质- -蛋白质相互作用，形成二聚体蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)(dimer)或多

11、聚体或多聚体(polymer)(polymer)。2. DNA-2. DNA-蛋白质蛋白质/ /蛋白质蛋白质- -蛋白质蛋白质的相互作用的相互作用B B启动子启动子DNADNA编码序列编码序列转录因子转录因子1 1转录转录因子因子2 23. RNA3. RNA聚合酶聚合酶 原核启动序列原核启动序列/ /真核启动子与真核启动子与RNARNA聚合酶活性聚合酶活性 RNARNA聚合酶与这些序列的亲和力不同聚合酶与这些序列的亲和力不同，影响转录。影响转录。 调节蛋白与调节蛋白与RNARNA聚合酶活性聚合酶活性一些调节蛋白在适当环境信号刺激下表达一些调节蛋白在适当环境信号刺激下表达， 然后然后 通过通过

12、DNA-DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质- -蛋白质相互作用影响蛋白质相互作用影响RNARNA聚合聚合酶活性。酶活性。rpoH 基因基因 32 热激状态热激状态启动子启动子 hsp基因基因53Hsp（heat shock proteins）5533第第 二二 节节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控一、一、原核生物基因表达调控特点原核生物基因表达调控特点（一）（一）因子决定因子决定RNARNA聚合酶识别特异基因聚合酶识别特异基因（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性 操纵子：原核生物中，多个功能相关的结构操纵子：原核生物中，多个功能相关的结构基因串联排列，由其上游的调控序列

13、控制转录，由基因串联排列，由其上游的调控序列控制转录，由此构成的转录单元称为操纵子（此构成的转录单元称为操纵子（operonoperon）。）。编码序列编码序列 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)操纵子模型操纵子模型A AB B（三）快速，能对环境的突然变化迅速作出反应。（三）快速，能对环境的突然变化迅速作出反应。翻译和转录过程偶联翻译和转录过程偶联迅速合成需要的蛋白迅速合成需要的蛋白mRNAmRNA降解过程很快降解过程很快迅速中止不需要的基因表达迅速中止不需要的基因表达二、乳糖操纵子二、乳糖操纵子(lactose operon

14、)(lactose operon)（一）乳糖操纵子的结构（一）乳糖操纵子的结构 调控序列调控序列CAPCAP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Z Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y： 通透酶通透酶A A： 乙酰基转移酶乙酰基转移酶ZYAOPDNA（二）（二） Lac Lac 阻遏物阻遏物的负性调控的负性调控mRNAmRNALac Lac 阻遏物阻遏物IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时乳糖乳糖mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpolpol启动转录启动转录mRNAmRNA别位乳糖别位乳糖 - -半乳糖苷酶半乳

15、糖苷酶（三）（三）CAPCAP和和cAMPcAMP复合物的正性调控复合物的正性调控分解物基因激活蛋白分解物基因激活蛋白CAP cAMPCAP cAMP结合结构域结合结构域 DNADNA结合结构域结合结构域cAMP cAMP 高浓度葡萄糖高浓度葡萄糖 低浓度低浓度cAMPcAMP 低浓度葡萄糖低浓度葡萄糖 高浓度高浓度cAMPcAMP+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMPcAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMPcAMP浓度低时浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPcAMPcAMP转录效率提高转录效率提高5050倍（）倍（）低水平的基

16、础转录（低水平的基础转录（/-/-）（四）协调调节（四）协调调节mRNA低乳糖时低乳糖时高乳糖时高乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMPcAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMPcAMP浓度低浓度低RNA-polOOOOP PP PP PP PmRNA当当LacLac阻遏物阻遏物封闭转录时，封闭转录时，CAPCAP对该系统不能对该系统不能发挥作用发挥作用如无如无CAPCAP存在，即使没有存在，即使没有LacLac阻遏物阻遏物与操纵序与操纵序列结合，操纵子仍几乎无转录活性列结合，操纵子仍几乎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 葡萄糖葡萄糖/ /乳糖共存

17、时，细菌优先利用葡萄糖乳糖共存时，细菌优先利用葡萄糖乳糖操纵子乳糖操纵子可诱导操纵子可诱导操纵子 乳糖乳糖调控位点调控位点 转录起始转录起始三、色氨酸操纵子三、色氨酸操纵子（一）（一）色氨酸操纵子色氨酸操纵子的结构的结构E ED DC CB BA A调控序列调控序列 结构基因结构基因 trpRO OP PL L色氨酸操纵子色氨酸操纵子trptrp阻遏物阻遏物高色氨酸高色氨酸低色氨酸低色氨酸140140前导前导mRNAmRNA67206720E ED DC CB BA A调控序列调控序列 结构基因结构基因 trpRO OP PL L色氨酸操纵子色氨酸操纵子（二）（二）trptrp阻遏物对阻遏物对

18、色氨酸操纵子的调控色氨酸操纵子的调控 RNA RNA聚合酶聚合酶 Trp （三）（三）转录衰减对转录衰减对色氨酸操纵子的调控色氨酸操纵子的调控UUUUUUUUtrpROP衰减子区域衰减子区域 UUUU140前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区:位于序列位于序列1 1中，中，第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 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 序列序列2/32/3序列序列3/43/4 trp 密码子密码子 UUUUL L基因基因UUUU34UUUU 334核糖体核

19、糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA色氨酸浓度高时色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 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前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 完整完整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 色氨酸浓度低时色氨酸浓度低时 TrpTrp合成酶系相关结构基因被转录合成酶系相关结构基因被转录 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 转录衰减机制的作用基础转录衰减机制的作用基础1.1.原核生物翻

20、译和转录偶联。原核生物翻译和转录偶联。2.2.前导肽编码序列中含有前导肽编码序列中含有2 2个相邻的色氨酸密码子。个相邻的色氨酸密码子。色氨酸操纵子色氨酸操纵子可阻遏操纵子可阻遏操纵子 色氨酸色氨酸调控位点调控位点 转录终止转录终止第第 三三 节节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控特点真核生物基因表达调控特点1.1.基因需活化、基因活化与染色体结构相关。基因需活化、基因活化与染色体结构相关。2.2.基因表达调控以正调控为主。基因表达调控以正调控为主。1. 1. 对核酸酶敏感对核酸酶敏感一、基因活化一、基因活化活性染色体结构变化活性染色体结构变化部位：大多位于基因的部

21、位：大多位于基因的55侧翼侧翼1000bp1000bp范围内，范围内，跨跨100100200bp200bp。也可位于基因的。也可位于基因的33侧翼，甚至侧翼，甚至基因内部。基因内部。调节蛋白结合位点。调节蛋白结合位点。命名：命名：DNADNA酶酶高敏感区高敏感区CHCH3 32.DNA2.DNA胞嘧啶去甲基化胞嘧啶去甲基化部位：基因的部位：基因的55侧翼（转录起始点上游侧翼（转录起始点上游1000bp1000bp范围内，跨范围内，跨202050bp50bp。）。）位点：位点：CpGCpG岛，富含岛，富含C C和和G G的序列。的序列。意义：甲基化程度与基因活化程度呈反比。意义：甲基化程度与基因

22、活化程度呈反比。3. 3. 组蛋白变化组蛋白变化 连接组蛋白连接组蛋白H1H1缺如缺如 核心组蛋白核心组蛋白H2A, H2BH2A, H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 核心组蛋白核心组蛋白H3H3、H4H4乙酰化、泛素化乙酰化、泛素化H2AH2AH2AH2AH2BH2BH2BH2BH3H3H3H3H4H4H4H4H1H1H2AH2AH2AH2AH2BH2BH2BH2BH3H3H3H3H4H4H4H4H1H1H2AH2AH2AH2AH2BH2BH2BH2BH3H3H3H3H4H4H4H4二、转录激活二、转录激活（一）顺式作用元件（一）顺式作用元件1. 1. 启动子启动子( (原核生物中

23、，启动序列的同意语原核生物中，启动序列的同意语) )真核基因启动子是真核基因启动子是RNARNA聚合酶结合聚合酶结合位点周围的一组控制转录起始的位点周围的一组控制转录起始的DNADNA序序列。列。TATATATA盒盒GCGC盒盒CAATCAAT盒盒CpGCpG岛岛决定转录起始点决定转录起始点决定转录强度决定转录强度去甲基化是转录起始必需的去甲基化是转录起始必需的2. 2. 增强子增强子(enhancer)(enhancer)真核生物中，远离转录起始点、增强启动子转真核生物中，远离转录起始点、增强启动子转录活性的录活性的DNADNA序列。序列。增强子的功能与位置、距离、方向无关。增强子的功能与位

24、置、距离、方向无关。基因基因1 1基因基因2 2启动子启动子1 1启动子启动子2 2基因基因1 1启动子启动子1 1增强子增强子增强子增强子增强子增强子3 3、反应元件、反应元件对某一特定的环境刺激信号，作出反应的对某一特定的环境刺激信号，作出反应的DNADNA序列序列例如：真核生物，热激反应元件例如：真核生物，热激反应元件 （heat shock elementheat shock element，HSEHSE）热激蛋白基因热激蛋白基因HSEHSETFTFTFTF TFTF热激蛋白基因热激蛋白基因sigma32sigma32RNARNA聚合酶核心酶聚合酶核心酶原核生物原核生物（二）反式作用因子（二）反式作用因子 是是RNARNA聚合酶