基因表达的调控上海第二医科大学检验系医学分子生物学临床生物化学与

1、基因表达的调控上海第二医科大学检验系医学分子生物学临床生物化学与生物化学检验倪培华 第一节 原核生物基因表达的调控 使单个原核细胞能够根据外界环境因素变化调整本身记忆内表达，使其生长和繁殖处于较佳状态。 调控环节 转录起始 转录终止 mRNA快速转换 最关键的环节是转录水平的调控。一、转录起始的调控 与操纵子有关的负调控模式、正调控模式等。操纵子： 指一些成簇排列、相互协同的基因所组成的单位，也称基因表达的协同单位。一大肠杆菌的乳糖操纵子lac operon)1. Lac操纵子结构 Z基因-半乳糖苷酶 结构基因 Y基因-半乳糖苷透通酶 A基因-半乳糖苷转乙酰基酶 调控元件： 启动子P (pro

2、moter) 调控基因： 操纵基因O (operator) I基因： 编码Lac阻遏物不属于操纵子2.诱导剂1乳糖能诱导大量的半乳糖苷酶产生， 由于Z、Y、A以多顺反子形式存在，即 三种基因被转录到同一条mRNA上，故 乳糖能同时等量地诱导三种酶的合成。 半乳糖苷酶 通透酶：乳糖透过细菌壁 半乳糖苷转乙酰基酶：作用不清2体内生理诱导剂 1，6-别乳糖3体外诱导剂 异丙基硫代半乳糖苷IPTG3.Lac阻遏物的作用1结构： 四级结构，4个亚基相同，都有一个与诱导剂结合的位点。2无诱导剂 阻遏物与操纵基因O结合，而阻碍结构基因的转录。3有诱导剂 诱导剂与阻遏物结合后，阻遏物的构象发生变化，导致阻遏物

3、从操纵基因O上解离下来，RNA聚合酶不再受阻碍，能转录结构基因Z、Y、A。4.乳糖操纵子的复合调控1乳糖阻遏蛋白参与负调控2环化AMP受体蛋白CAP参与下的正调控分解物阻遏作用： E.coli在含有葡萄糖的培养基生长时，一些分解代谢酶半乳糖苷酶等的水平很低，这种葡萄糖对其他酶的抑制效应称为分解物阻遏作用。与cAMP有关。当细菌处于缺乏葡萄糖的培养环境中，cAMP浓度升高，而在含有葡萄糖、半乳糖的培养环境中参加cAMP，对乳糖代谢有关的基因的阻遏即被消除。cAMP通过和一种称为分解物基因激活物蛋 白质CAP形成cAMP-CAP复合物。cAMP-CAP复合物与乳糖操纵子的调控元件 结合后，促发结构

4、基因的转录，因此CAP 是一种转录起始的正调控物。cAMP-CAP对转录的激活可能是通过直接与 RNA聚合酶作用，或其与启动子的结合来 改变启动子的构象，易于形成开放的RNA 聚合酶起始复合物5.乳糖操纵子基因开关的双调控 1当培养基中葡萄糖+、乳糖- 由于乳糖阻遇蛋白负调控蛋白同操作区结合，CAP从其结合位点解离下来，导致乳糖操纵子关闭。2当培养基中葡萄糖-乳糖- 虽然CAP同DNA上的CAP-结合位点结合，但由于乳糖阻遇蛋白同操作区的结合，阻断了RNA聚合酶与启动子的结合，使乳糖操纵子依然关闭。3当培养基中葡萄糖+、乳糖+ 葡萄糖的存在使细胞中cAMP浓度降低，处于低水平，CAP不与操纵基

5、因结合，结构基因可能有少量表达。4当培养基中葡萄糖-乳糖+ 阻遏物不与操纵基因结合，cAMP处于高水平，cAMP-CAP与操纵基因结合，结构基因表达。二大肠杆菌的色氨酸操纵子trp operon)1.色氨酸操纵子结构1结构基因 E D 编码5种酶，在催化分支酸转变为 C B L-色氨酸的过程中发挥作用 A L 转录产物是先导mRNA 2调控元件 启动子P 操纵基因O2.色氨酸操纵子表达的调控 阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 衰减作用对色氨酸操纵子的调控(1)阻遏物对色氨酸操纵子的负调控阻遏物:同二聚体蛋白质阻遏物本身不能与操纵基因O结合，必须和色氨酸结合才能与O结合，而阻遏结构基因的表达色氨酸是

6、一种共阻遏物阻遏物2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控1衰减子位于L基因中，离E基因5端约30-60bp。衰减子2在无或低色氨酸环境中培养时，能转录产生具有6720bp个核苷酸的全长多顺反子mRNA，包括L基因和结构基因。3色氨酸浓度增高时，上述多顺反子mRNA合成减少，但L基因5端局部的140个核苷酸的转录产物并没有减少，称为衰减子转录产物。4此现象是由衰减子造成的，而不是阻遏物-共阻遏物的作用所致。衰减子二、真核基因表达的调控特征：1转录的激活与被转录区域的染色质结构 变化有关 2基因表达以正调控为主 3转录和翻译在不同的亚细胞区域进行。 转录:细胞核内进行， 翻译:细胞质进行。调控环节1.转

7、录前调控2.转录调控3.转录后的调控也就是初级转录物的剪接 或加工4.翻译水平的调控5.翻译后调控6.蛋白活性控制一转录前的表达调控1.定义：指发生在基因组水平上的基因结构的改变。 主要见于机体发育过程中的体细胞分化2.调控方式基因丧失 体细胞分化过程中，必须将某些基因永久性关闭。基因扩增 当发育分化或环境条件的改变，使对某些基因产物的需要量剧增，而单纯靠调节其表达活性缺乏以满足需要时，基因扩增是一有效方法。扩增的机制： 基因反复复制， 姐妹染色体单体不均等交换， 从其他死细胞中摄取DNA而占为己用。基因重排 指某些基因片段改变原来存在的顺序而重新排列组合。重排方式： 类似于mRNA加工的剪切

8、 转座子方式 染色体转位方式 外源基因序列的插入激活甲基化修饰 在脊椎动物中，DNA上特定的CpG序列处的C可发生甲基化修饰，从而阻止某些基因的转录。染色质结构对基因表达的调控作用二.真核基因表达在转录水平上的调控 RNA 聚合酶 顺式调控元件 反式作用因子1、RNA聚合酶 存在 转录产物RNA聚合酶I 核仁 rRNA RNA聚合酶II 核质 mRNARNA聚合酶III 核质 5SrRNA、tRNA2、顺式作用元件 1启动子1定义： 是与基因转录启动有关的核酸序列，位于基因转录起始位点5端，只能在近距离起作用，有方向性，空间位置较恒定。2类型Goldberg-Hogness盒Hogness盒，

9、TATA盒 离转录点较近，决定了基因转录的精确起始上游启动子元件：CAAT盒、GC盒 位于较上游的元件，决定基因的根底转录效率组织特异性启动子诱导性启动子2增强子1定义： 是一类能促进基因转录活性的顺式调控元件，但它本身不具备启动子的活性。2特点： 无方向性，距靶基因可近可远，无基因特异性组织特异性，相位性3反响元件1定义： 当真核细胞处于某一特定环境时，有反响的基因具有相同的顺式作用元件，这类顺式元件称为反响元件。2特点： 具较短的保守序列 与转录起始点的距离不固定 可位于启动子或增强子内3、反式作用元件反式因子、转录因子1定义： 是一类在细胞核内发挥作用的蛋白质因子。2特点：1识别启动子，

10、启动子近侧元件和增强子 中的靶序列，并与之结合，启动转录 例 转录因子TFIID 识别结合TATA盒 转录因子SP1 识别结合GC盒 转录因子CTF1 识别结合CAAT盒2反式因子有两个必需的结构域 与顺式元件结合的结构域 激活结构域3反式作用因子结构的模式1螺旋-转角-螺旋 螺旋-转角-螺旋 7-9AA 7-9AA 其中一个为识别螺旋，含有较多能与DNA相互作用的AA残基，进入DNA双螺旋的大沟中。2锌指 约有30个AA残基，其中4个AA残基可以是2个Cys，2个His或4个均是Cys与Zn2+以配位键相互作用，形成，与DNA双螺旋大沟结合。特点： 存在于多种真核转录因子与DNA结合的区域中

11、，并具多个锌指结构。3亮氨酸拉链a.概念 一段肽链中每隔7个氨基酸即有一个Leu，该肽段所形成的螺旋就可出现疏水及亲水二个平面，由Leu组成的疏水面即为亮氨酸拉链。b.特点 二个具亮氨酸拉链的反式因子可形成二聚体同二聚体、异二聚体 亮氨酸拉链不直接与DNA相互作用，拉链区以外结构参与DNA结合4螺旋-环-螺旋 二个螺旋-环-螺旋能形成二聚体有利于其与DNA结合。4.真核基因转录的蛋白因子：1通用转录因子:对于准确转录起始所必需的。包括： TFIIA、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF、TFIIH及TFIIJ等。特点： 通用转录因子和RNA聚合酶II在启动子处所形成的转录起始复合体，

12、起在离体条件下可表现出根底的转录活性。2启动子特异性转录激活蛋白组成：a.识别特定DNA序列的DNA结构域。 b.对于转录所需要的激活结构域特点： 通过与处在启动子附近或远离启动子的DNA分子上的调控区增强子相结合，作用于转录起始复合体组装过程，从而大大促进并增加转录速率。3辅助激活蛋白因子coactivators) 是某些激活蛋白表现功能所必需的，是转录激活因子进行转录调控作用的中介，所以又称中介子或衔接转换因子。5.真核基因转录起始复合体的分部组装 真核细胞中的RNA聚合酶II不能单独起始RNA转录，必须有通用转录因子的参加。组装步骤：(1)TFIID特异地同TATA盒序列结合。(2)TF

13、IIA、TFIIB接着进入复合体。(3)RNA聚合酶II在TFIIF参与下参加复合体。(4)TFIIE、TFIIH参加，形成转录起始复合体。(5)在ATP存在下，TFIIH将RNA聚合酶磷酸化， 从而使RNA聚合酶从通用转录因子复合体释 放出来，起始转录。6.真核基因转录起始的RNA聚合酶II全酶模型RNA polymerase II holoengyme)1RNA聚合酶II全酶组成： RNA聚合酶II、TFIIF、TFIIB、TFIIH和RNA聚合酶II抑制因子的蛋白SRB。2特点：全酶在不存在DNA的情况下具有高度稳定性，当补充TBP和TFIIE时能有效地、选择性地起始转录3组装成转录起始

14、复合体的模型过程a.TEIID包括TBP和TAFs同启动子结合。聚合酶II全酶再与TFIID结合形成起始复合体。 激活蛋白TFIIDTBPTAFspolIIRNA聚合酶 II全酶SRBsTFIIFTFIIBTFIIE以RNA聚合酶II全酶为单位组装成的RNA转录起始复合体7.真核基因调控蛋白如何发挥作用1作用机制 通用转录因子与RNA聚合酶II，在启动子处组装成转录起始复合体。不同的基因调控蛋白结合到各自的基因调控序列上，而转录起始的速率就是通过这些调控蛋白与通用转录起始复合体相互作用而得以调控。2细胞外的刺激是如何作用于转录因子蛋白偶联受体的信号转导途径b.配体激活的核受体产生的转录激活途径

15、三基因表达在其他水平上的调控1.转录后的调控 真核基因转录后，必须经过一系列的加工过程才能成为成熟的mRN。1戴“帽capping) mRNA转录不久即在其5端加上m7GPPPN 的帽子。作用： 防止降解，延长寿命 与核糖小亚基结合 为翻译起始因子识别2加尾tailing) 真核生物的mRNA均有一polyA序列。加尾信号是AAUAAA，由核酸内切酶切开RNA 3末端，然后加上polyA。polyA功能： 为mRNA进入细胞质所必需 保持mRNA稳定性，延长寿命AAUAAAAAA533甲基化修饰 主要是形成6-甲基腺嘌呤6mA)。4拼接 将hnRNA核不均-RNA中的内含子序列切除外显子局部连

16、接起来，称为RNA拼接。某些基因有多个加polyA位点，通过不同 拼接产生不同的蛋白质。有些基因有多种转录起始位点，通过不 同的拼接产生不同的蛋白质。外显子的不同拼接(5)polyA尾对mRNA稳定性及翻译效率有调控作用。 polyA对mRNA具有转运和稳定性作用。(6)mRNA/蛋白质相互作用与翻译水平的调控 某些mRNA分子的翻译能被结合到mRNA5端特定的翻译阻遏蛋白所阻断，此类型的调控机制称为负翻译调控2.翻译水平的调控 蛋白质的翻译不仅与其mRNA编码序列有关，并受5和3端的非编码区5UTR和3UTR结构的控制1AUG 真核mRNA中，作为翻译水平起始位点的AUG密码子的选择，主要由AUG密码子同mRNA分子的5端帽子结构的接近程度而决定。 5帽子是小核糖体亚基与mRNA结合并开始查寻起始AUG密码子的位点。在真核mRNA中起始密码子