《生物化学与分子生物学》第13章基因表达调控课件

1、 基因表达调控 Regulation of Gene Expression南方医科大学 基因工程研究所 危 敏 副教授Institute of Genetic Engineering基本概念与原理Basic Conceptions and Principle第 一 节Institute of Genetic Engineering基因表达 (gene expression) 基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。并非所有基因表达过程都产生蛋白质。如 基因转录生成 rRNA，tRNA一、基因表达的概念Institute of Genetic Engineering基因表达

2、调控Gene expression regulation生物体通过特定的蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用来控制基因是否表达，或调节表达产物的多少以满足生物体的自身需求以及适应环境变化的过程。Institute of Genetic Engineering 在某一特定时期或生长阶段，基因组中只有 一小部分基因处于表达状态。 个体某种功能的基因产物在细胞中的数量随着时间、环境而变化。基因表达是受调控的肿瘤的特异基因表达肿瘤标志物(Tumor Marker)是反映肿瘤存在的化学类物质。它们或不存在于正常成人组织而仅见于胚胎组织，或在肿瘤组织中的含量大大超过在正常组织里的含量，提示肿瘤的性

3、质，借以了解肿瘤的组织发生、细胞分化、细胞功能，以帮助肿瘤的诊断、分类、预后判断以及治疗指导。甲胎蛋白是肝癌的特异性标志 降钙素：肺癌Institute of Genetic Engineering二、基因表达的特异性（一）时间特异性 (temporal specificity)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。阶段特异性 (stage specificity)与分化、发育阶段一致Institute of Genetic Engineering（二）空间特异性 (spatial specificity)细胞或组织特异性 (cell or tissue specificit

4、y)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体的不同组织或器官表达。二、基因表达的特异性Institute of Genetic Engineering一个基因是不是所有组织中表达？肝细胞、肾细胞等基因组是否一样？为什么功能不同？ 基因表达与空间的关系Institute of Genetic Engineering差异基因表达（differential gene expression）基因表达谱（gene expression profile）不同细胞基因表达的种类和强度，决定了细胞的分化状态和功能。Institute of Genetic Engineering三、基因表达的方式（一）基本表达某

5、些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因 (housekeeping gene)。 基本或组成性基因表达 (constitutive gene expression)。Institute of Genetic Engineering（二）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，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导 (induction)。举例：DNA损伤 修复酶基因激活 Institute of Genetic Engineering如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平

6、降低的过程称为阻遏 (repression)。举例：色氨酸充分 色氨酸合成酶编码基因抑制（二）诱导和阻遏表达Institute of Genetic Engineering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、共同表达，即为协调表达，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。（三）协调表达 (coordinate expression)Institute of Genetic Engineering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 原核生物：葡萄糖、乳糖代谢 高等生物：常饮酒者体内醇氧化酶活性高（二）维持

7、个体发育与分化 各组织、器官的发育、分化是由特定的基因控制的。Institute of Genetic Engineering分节基因（segmentation genes）果蝇发育母亲效应基因（maternal effect genes）Institute of Genetic Engineering 基因表达调控的基本原理Basic Principle of Regulation of Gene Expression 第 二 节 2010-4Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering一、基因表达调控的多层

8、性和复杂性DNA扩增DNA重排甲基化 基本控制点转录起始蛋白质降解蛋白质翻译翻译后加工修饰转录水平 转录后加工mRNA降解Institute of Genetic Engineering二、基因转录激活调节基本要素特异DNA序列 有调节功能的DNA序列。原核生物 操纵子(operon) 机制真核生物 顺式作用元件Institute of Genetic Engineering操纵子学说1961年，法国科学家莫诺（JLMonod）与雅可布（FJacob）发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学说，开创了基因调控的研究。四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理学与医学奖。 In

9、stitute of Genetic Engineering 通常由2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。操 纵 子编码序列 启动序列 操纵序列 其他调节序列(promoter)(operator)(coding sequence)Institute of Genetic Engineering是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1) 启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AA

10、AAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列Institute of Genetic Engineering阻遏蛋白 (repressor) 的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录，介导负性调节。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白2 操纵序列Institute of Genetic Engineering3) 其他调节序列、调节蛋白激活蛋白(activator)可结合原核操纵子调节序列中特异的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性，

11、使转录激活，介导正性调节。有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。Institute of Genetic Engineering真核生物的特异DNA序列顺式作用元件(cis-acting element)指与结构基因表达调控有关，能够被调控蛋白特异性识别和结合的DNA序列；或凡能激活或阻遏基因转录的DNA序列。包括启动子、增强子、沉默子等。共有序列：如TATA盒、CCAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。Institute of Genetic Engineering顺式作用元件非编码序列不一定都位于转录起始点上游真核基因的顺式作用元件

12、分为： 启动子、增强子、沉默子Institute of Genetic Engineering2. 调节蛋白原核生物特异因子：决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。阻遏蛋白负性调节激活蛋白正性调节Institute of Genetic Engineering真核基因的调节蛋白：转录因子顺式作用顺式作用蛋白真核转录调节因子由其编码基因表达后，通过与特异的顺式作用元件的识别、结合（即DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因的转录，称反式作用蛋白或反式作用因子。 反式作用因子 (trans-acting factor) 1）反式作用与反式作用因子绝大多数真核转录调节因子是DN

13、A结合蛋白，由某一个基因表达后（蛋白质）特异地与另一个基因的顺式作用元件（DNA）作用，反式激活该基因的转录。 2）顺式作用与顺式作用蛋白有些基因产物可以特异地识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启与关闭。具有这种调节方式的调节蛋白称顺式作用蛋白。Institute of Genetic EngineeringDNA-蛋白质相互作用指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。非共价结合绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。3. DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质的相互作用Institute of Genet

14、ic Engineering4. RNA聚合酶 启动序列/启动子与RNA聚合酶活性启动序列会影响其与RNA聚合酶的亲和力，直接影响转录起动的频率。共有序列决定启动序列的转录活性大小。 Institute of Genetic Engineering 调节蛋白与RNA聚合酶活性特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变，出现表达水平变化。如因子可以改变RNA聚合酶识别启动序列的特异性4. RNA聚合酶Institute of Genetic Engineering小结：基因表达调控的基本规律基因表达具有时空

15、特异性诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普遍方式基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节蛋白质-DNA以及蛋白质-蛋白质的相互作用是基因表达调控的分子基础基因表达调控是多层次的复杂调节Institute of Genetic Engineering原核基因转录调节Regulation of Prokaryotic Gene Transcription第 三 节Institute of Genetic Engineering调节的主要环节在转录起始一、原核基因转录调节特点（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性（四）多顺反子： 一个mRNA

16、分子编码多个多肽链Institute of Genetic Engineering（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构Institute of Genetic EngineeringmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因Institute of Genetic Engineering（二）阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol启动转录mRNA有乳糖存在时半乳糖-半乳糖苷酶乳糖Institute of Genetic Engineering+ + + + 转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时（三）C

17、AP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPInstitute of Genetic Engineering（四）协 调 调 节当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression） Institute of Genetic Engineering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/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖（四）协 调 调 节Institute of Genetic Engineeringm

18、RNA 低葡萄糖 cAMP浓度高 高葡萄糖cAMP浓度低RNA-polOOOO乳糖操纵子的协调调节无乳糖高乳糖 色氨酸操纵子是可阻遏操纵子 合成代谢操纵子由合成产物关闭合成代谢操纵子在基础状态下持续开放，在产物达到满足需要量时才关闭。 分解和合成代谢的操纵子操纵子基础状态调控方式分解代谢关闭由诱导物开放合成代谢开放由辅阻遏物关闭Institute of Genetic Engineering大肠杆菌色氨酸操纵子（trp operon)调节基因trpR、启动子P、操纵基因trpO、前导序列trpL和衰减子trpaTrp Trp 高时Trp 低时mRNA OPtrpR调节区 结构基因 RNA聚合酶

19、 RNA聚合酶 色氨酸操纵子的作用原理操纵子关闭Institute of Genetic Engineering三、原核生物转录终止调节转录终止机制： 依赖Rho因子的转录终止 不依赖Rho因子的转录终止终止调节方式： 衰减导致RNA链的过早终止； 抗终止阻止衰减的发生，使下游基因得以表达。1) 两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；2) 下游含一系列U。Institute of Genetic Engineering转录衰减机制（二）色氨酸操纵子的弱化机制实质是 转录与翻译调控的偶联 色氨酸操纵子(trp operon)除了产物阻遏负调控外，还有转录衰减(attenuation)调

20、控方式。 衰减是转录-翻译的偶联调控。 衰减子和前导肽在trp mRNA 5端 trpE基因的起始密码子前有一个长162bp的mRNA片段称为前导序列，其中有一短的序列可形成转录终止子结构，对操纵子的转录有减弱作用，这一短序列被称为衰减子。前导序列中含有起始密码子AUG和终止密码子UAG，对应于一个含14个氨基酸的小肽，它的合成直接影响到衰减子结构的形成，从而影响转录，此小肽称为前导肽。UUUUUUUU调节区 结构基因 trpROP前导序列 衰减子区域 UUUU前导mRNA1234衰减子结构 第10、11密码子为trp密码子 终止密码子 14aa前导肽编码区: 包含序列1 形成发夹结构能力强弱

21、： 序列1/2序列2/3序列3/4 trp 密码子 UUUUUUUU34UUUU 334核糖体 前导肽 前导mRNA当色氨酸浓度高时 转录衰减机制 125 trp 密码子 衰减子结构就是终止子可使转录前导DNA UUUU 3 RNA聚合酶 终止UUUU342423UUUU核糖体 前导肽 15 trp 密码子 结构基因前导DNA RNA聚合酶 当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关结构基因被转录 序列3、4不能形成衰减子结构 前导mRNA 在Trp操纵子中，阻遏蛋白对结构基因转录的负调控起到粗调的作用，而衰减子起到精调的作用。Institute of Genetic Engineering调节蛋白

22、结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称为自我控制（autogenous control)。四、原核生物翻译水平调节（一）蛋白质分子的自我调节Institute of Genetic Engineering（二）反义RNA对翻译的调节作用调节RNA：可调节基因表达的RNA分子。反义RNA含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始，称为反义控制 (antisense control)。Institute of Genetic Engineer

23、ing真核基因表达调节Regulation of Eukaryotic Gene Expression第 四 节Institute of Genetic Engineering一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大 编码基因；重复基因；非编码序列（二）单顺反子 （monocistron)即一个编码基因转录生成一个mRNA分子、经翻译生成一条多肽链。Institute of Genetic Engineering（三）重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106 次）中度重复序列（103 104次）多拷贝序列反向重复序列（四）基因不连续性一、真核基因组结构特点真核基因组 原核基因

24、组基因组庞大，与组蛋白结合形成染色质只有一个DNA分子或RNA分子许多DNA不转录绝大部分参与基因的表达或调控单顺反子多顺反子有重复序列重复序列少断裂基因（有内含子）操纵子结构（无内含子）Institute of Genetic Engineering真核与原核基因组区别Institute of Genetic Engineering二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚合酶（RNA pol 、） TATA盒结合蛋白（TBP）为共有亚基（二）活性染色体结构变化1. 对核酸酶敏感活化基因常有核酸酶超敏位点（hypersensitive site)，位于调节蛋白结合位点附近。Institute o

25、f Genetic Engineering2. DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在。RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向二、真核基因表达调控特点Institute of Genetic Engineering3. DNA碱基修饰变化 真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化 甲基化程度与基因表达程度呈反比，处于转录活化状态的基因CpG序列一般低甲基化。4. 组蛋白变化 组蛋白乙酰化，消除组蛋白与DNA的离子键结合 松弛染色质，活化转录二、真核基因表达调控特点表观遗传学表观遗传现象包括DNA甲基化、RNA干扰、组蛋白修饰等。与经典遗传学以研究基因序列影响生物学功能为核心相比，表观

26、遗传学主要研究这些“表观遗传现象”建立和维持的机制。其研究内容主要包括两类，一类为基因选择性转录表达的调控，有DNA甲基化、基因印记、组蛋白共价修饰和染色质重塑；另一类为基因转录后的调控，包括基因组中非编码RNA、微小RNA、反义RNA、内含子及核糖开关等。 Institute of Genetic Engineering采用正性调节机制更精准采用负性调节不经济（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工二、真核基因表达调控特点Institute of Genetic Engineering三、RNA pol转录起始的调节（一）顺式作用元件1. 启动子真核基因启动子是RN

27、A聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。典型的启动子由TATA盒及上游的CAAT盒和/或GC盒组成。Institute of Genetic Engineering真核启动子的典型结构 TATA Box CAAT Box GC Box Enhancercis-acting elements structural gene-GCGC-CAAT-TATAInitiation siteInstitute of Genetic Engineering2. 增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA

28、序列，其作用方式通常与方向、距离无关。酵母中存在上游激活序列（upstream activator sequences, UASs）3. 沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。（一）顺式作用元件 增强子的功能与特征增强子与被调控基因位于同一条DNA链上，属于顺式作用元件。增强子是组织特异性转录因子的结合部位。可以远距离实施调控，上游或下游作用与序列的方向性无关。需要启动子才能发挥作用。同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。Institute of Genetic Engineering（二）反式作用因子 1. 转录调节因子分类（按功能

29、特性） 基本转录因子(general transcription factors)RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。TFD是三种聚合酶的基本转录因子。Institute of Genetic Engineering特异转录因子(special transcription factors)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。 转录激活因子：增强子结合蛋白 转录抑制因子：沉默子结合蛋白 (transcription activators) (transcription inhibitors)（二）反式作用因子

30、Institute of Genetic Engineering2. 转录调节因子结构TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）转录激活域 谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域DNA结合域锌指结构碱性螺旋-环-螺旋亮氨酸拉链Institute of Genetic Engineering最常见的DNA结合域 1. 锌指 (zinc finger)常结合GC盒螺旋折叠Institute of Genetic Engineering 2. -螺旋常结合CAAT盒碱性氨基酸残基组成最常见的DNA结合域Institute of Genetic Engineering3. 亮氨酸拉链（leucine zi

31、pper） 蛋白质C末端每隔6个氨基酸出现一个疏水性的Leu残基形成的二聚体N末端富含碱性氨基酸，其正电荷与DNA骨架上的磷酸基团结合。Institute of Genetic Engineering4.碱性螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH） Institute of Genetic Engineering（三）mRNA 转录激活及其调节polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物.TATA DNATBP相关因子EBP基因活化蛋白质与增强子或UASs的结合；通用转录因子在启动子处的组装；辅助激

32、活子(coactivator)和/或中介子（medicator）在通用转录因子/RNA聚合酶II复合物与基因活化蛋白质之间的辅助和中介作用。 RNA聚合酶II与启动子的结合、启动转录需要诸多蛋白质因子的协同作用。这通常包括：TATA盒TF IIDRNA聚合酶II通用转录因子转录方向中介子活化蛋白活化蛋白增强子增强子DNATF IIAInstitute of Genetic Engineering真核基因转录调节是复杂的、多样的不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式；多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性

33、调节之分。Institute of Genetic Engineering（一）HIV基因组转录终止调节抗终止蛋白Tat Tat，抗终止蛋白，与mRNA5端结合（二）热休克蛋白基因的转录终止调节热休克时停止大多数基因的转录和翻译五、RNA pol转录终止的调节Institute of Genetic Engineering六、转录后水平的调节（一）hnRNA加工成熟的调节 1. 加帽 2. 加尾 3. 剪接 4. 编辑5加帽的作用在于： 有助于保护mRNA免于被核糖核酸酶降解；5帽结合蛋白复合体参与mRNA和核糖体的结合来起始翻译 。促进mRNA从细胞核运输到细胞浆；协助mRNA的剪接。在剪接

34、第一个外显子时，剪接体的形成需要帽结合蛋白的参与；poly(A)尾可结合一种或多种特殊蛋白，避免mRNA被酶降解，并在翻译过程中具有重要作用。poly(A)尾的作用：人视黄醛还原酶mRNA的选择性剪接mRNAPre-mRNA同种异型mRNAInstitute of Genetic Engineering（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节稳定性降解途径保证mRNA不在细胞中累积并避免合成过多的蛋白质。合成速率 降解速率六、转录后水平的调节不同真核基因的mRNA的降解速率大不相同。 暂时需要的基因产物：半衰期可能仅为几分钟、甚至几秒钟。 经常需要的基因产物：其mRNA 可在多代细胞中稳定存在。

35、 真核细胞mRNA降解由每种mRNA分子的序列所决定。 poly(A)的逐渐短缩：最常见的途径mRNA分子一旦进入细胞浆中，核酸外切酶会使poly(A)末端逐步短缩，当剩下约30个A时，5端发生脱帽，mRNA分子被迅速降解。一些mRNA分子的3UTR的特殊序列有助于特殊蛋白质的结合，增加或降低poly(A)短缩的速度。 Institute of Genetic Engineering RNA与蛋白质结合形成核蛋白体复合物（RNP）。 铁转运蛋白受体（TfR）mRNA稳定性的调节决定于mRNA分子中3UTR特定的重复序列， 称为铁反应元件（iron-response element, IRE)。

36、细胞内高铁浓度时，IRE可促进TfR mRNA的降解。细胞内铁不足时， TfR mRNA稳定性增加，受体蛋白合成增多。六、转录后水平的调节 IRE-BP对转铁蛋白受体mRNA稳定性的调节低铁状态转铁蛋白受体mRNA5编码区活化的IRE-BP3poly(A)n翻译TfR蛋白IRE高铁状态转铁蛋白受体mRNA5编码区铁失活的IRE-BP3poly(A)nmRNA降解IRE微小RNA（microRNA）是一种大小约2123个碱基的单链小分子RNA，是由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后形成。miRNA与其他蛋白质组成诱导沉默复合体（RISC），通过与靶mRNA

37、分子的3端非编码区互补匹配，抑制mRNA分子的翻译。Institute of Genetic Engineering（三）小分子RNA对基因表达的调节siRNA通常是一段长21个核苷酸的双股RNA（dsRNA），参与RISC组成，与特异的靶mRNA完全互补结合，导致靶mRNA降解阻断翻译过程。RNA干涉（RNA interference，RNAi）Institute of Genetic Engineering（三）小分子RNA对基因表达的调节小干扰RNA（small interference RNA）700bp左右RNA前体配对碱基DICER20-25bp miRNA5RISC靶mRNA未配

38、对区域靶mRNA降解导入的双链RNA片段siRNARDE-1DICERRISCRISCRISC5靶mRNA靶mRNA被核酸内切酶切割靶mRNA被核酸外切酶降解 miRNA 与siRNA使靶mRNA沉默机制siRNA和miRNA的差异比较siRNAmiRNA前体内源或外源长双链RNA诱导产生内源发夹环结构的转录产物结构双链分子单链分子功能降解mRNA阻遏其翻译靶mRNA结合需完全互补不需完全互补生物学效应抑制转座子活性和病毒感染发育过程的调节Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering（一）翻译起始因子（eIF）活性的调节蛋白质合成速率的快速变化