基因表达调控课件

1、主要内容 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本原理原核基因表达调节真核基因表达调节第一节基因表达调控的基本概念Basic Conceptions of Gene Expression Regulation一、基因表达的概念基因(gene)：编码生物活性产物(RNA和蛋 白质) 的DNA片段。基因组(genome)：生物体的全套基因。基因表达(gene expression) ：基因转录和翻译基因表达不一定产生蛋白质 tDNAtRNA, rDNArRNA基因表达是受调控的二、基因表达的时间性和空间性时间特异性(temporal specificity)：某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序

2、发生。Hb: 22 22 22AFP: 胎儿、肝癌 多细胞生物：又称为阶段特异性。空间特异性(spatial specificity)：又称为细胞特异性或组织特异性。指多细胞生物在某一特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同。三、基因表达的方式 基本/组成性表达 诱导和阻遏表达 协调表达（一）基本/组成性表达 管家基因(housekeeping gene): 在生物体几乎所有细胞中持续表达的基因，其表达产物对生命的全过程都是必不可少的。 基本/组成性表达(constitutive gene expression): 管家基因的表达。表达水平受环境因素的影响较小 （二）诱导和阻遏表达

3、可诱导基因(inducible gene): 在特定环境信号刺激下，表达被激活，表达产物增加的基因。诱导(induction)：可诱导基因在特定环境中表达增强的过程。 可阻遏基因(repressible gene)：在特定环境信号刺激下，表达被抑制，表达产物减少的基因。 阻遏(repression)：阻遏基因表达降低的过程。 （三）协调表达(coordinate expression)功能相关的一组基因，协调一致地表达，共同完成某种调节。如：代谢途径的调节 四、基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖 维持细胞分化与个体发育 第二节基因表达调控的基本原理Basic Principles

4、 of Gene Expression Regulation一、基因表达的多级调控 多水平/多层次调控 基因 转录（转录起始、转录后加工）*转录起始是基因表达的基本控制点。 翻译（翻译、翻译后修饰）二、基因转录起始/激活调节的基本要素特异DNA序列转录调节蛋白DNA-蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用RNA聚合酶（一）特异DNA序列 原核启动序列的共有序列： -35区：TTGACA -10区：TATAAT(Pribnow box) 真核顺式作用元件 (cis-acting element): 调节自身基因转录活性的DNA序列。启动子的共有序列: TATA盒，CCAAT盒，GC盒 非编码序列，并非都

5、位于转录起始点上游 决定基因的转录活性RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列图13-1 五种E.coli启动序列的共有序列图13-2 顺式作用元件RNA聚合酶BADNA编码序列转录起始点mRNARNA聚合酶BADNA转录起始点mRNAE1E2（二）转录调节蛋白 原核生物的转录调节蛋白 特异因子： RNA-pol的亚基(因子) 决定RNA-p

6、ol识别、结合启动序列的特异性 70， 32（热休克基因） 阻遏蛋白(repressor)：抑制基因转录 激活蛋白(activator)：增强基因转录(与启动序列邻近的DNA序列结合，促进RNA-pol与启动序列的结合)核心酶 (core enzyme)全酶 (holoenzyme)转录起始阶段转录延长阶段 阻遏蛋白与操纵序列结合时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白的作用机制真核生物的转录调节蛋白：又称为转录因子(transcription factor)或反式作用因子/蛋白(trans-act

7、ing factor)：与顺式作用元件相互作用，调节另一基因转录的蛋白质(反式调节)。 顺式调节：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。 真核生物的转录调节蛋白顺式作用蛋白反式作用蛋白 cDNAaDNA反式调节C顺式调节 mRNA C蛋白质CbA mRNA蛋白质AA图13-3 反式与顺式作用蛋白（三）DNA-蛋白质或蛋白质-蛋白质相互作用 DNA-蛋白质相互作用 原核：RNA-pol-启动序列真核：顺式作用元件-反式作用因子 蛋白质-蛋白质相互作用：转录调节蛋白之间的相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。（四）RNA聚合酶 影响RNA聚合酶活性的因素

8、原核：启动序列；真核：启动子 + 转录因子 调节蛋白DNA-蛋白质蛋白质-蛋白质 E.coli的转录起始和延长 第三节 原核基因表达调节Regulation of Gene Expression in Prokaryote 一、原核基因转录调节特点 因子决定RNA聚合酶识别特异性 操纵子模型的普遍性 操纵子受到阻遏蛋白的负性调节 操纵子模型的普遍性操纵子(operon)的概念：原核生物功能相关基因串联组成的转录单位。因此操纵子是原核生物的转录单位。举例：lac ara trp操纵子操纵子的结构：调节序列 + 启动序列 + 操纵序列 + 多个编码序列（结构基因）编码序列 启动序列 操纵序列 其他

9、调节序列(promoter)(operator)操纵子(operon) 结构操纵子受到阻遏蛋白的负性调节 阻遏蛋白与操纵序列结合，阻遏特异基因的转录，使基因关闭；阻遏蛋白与操纵序列分离，特异基因的转录去阻遏，使基因开启。二、操纵子调控模式：乳糖操纵子（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构(E. coli) 调控区I：调节基因-编码阻遏蛋白P：启动序列-结合RNA聚合酶CAP位点：CAP-分解代谢物基因激活蛋白(catabolite gene activation protein)-结合cAMP/CAPO：操纵序列-结合阻遏蛋白结构基因：Z，Y，APOZYA结构基因调节基因启动序列操纵序

10、列编码阻遏蛋白结合RNA-pol结合阻遏蛋白IcAMP-CAPPOTTGACA -35区TATAAT -10区CAP位点5-ATTAATGTGAGTTAGCTCACTCATTAGG-3PIZ： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基转移酶乳糖葡萄糖半乳糖（二）乳糖操纵子的调节机制阻遏蛋白的负性调节CAP的正性调节 协调调节 1. 阻遏蛋白的负性调节 没有乳糖时，操纵子处于阻遏状态 有乳糖时，操纵子去阻遏/被诱导 mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时调节基因阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶阻遏蛋白的负性调节I

11、PTG2. CAP的正性调节当无Glu(cAMP浓度高)时：转录活性当有Glu(cAMP浓度低)时：抑制转录 ATPACcAMPGlu的分解代谢产物-+ + + + 转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3. 协调调节指阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节的协调 有葡萄糖，无乳糖：阻遏, CAP不发挥作用, 无转录有葡萄糖，有乳糖：去阻遏， CAP不发挥作用 分解代谢阻遏：葡萄糖对lac 操纵子的阻遏作用。细菌首先利用葡萄糖 无葡萄糖，有乳糖：去阻遏， CAP发挥作用 lac 操纵子强诱导作用无葡萄糖，无乳糖： 阻遏，无转录 m

12、RNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol调节基因有葡萄糖，无乳糖无转录有葡萄糖，有乳糖无葡萄糖，有乳糖三、原核生物转录终止调节依赖因子的转录终止：常见于噬菌体中，结构特点不清楚。 不依赖因子的转录终止 终止子结构特点：两段富含GC的反向互补序列，中间间隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。 5 GCCCGC 33 CGGGCG 5 反向互补序列四、原核生物翻译水平的调节 起始和终止，尤其是起始阶段 起始的调节主要依靠调节分子，调节分子有蛋白质和RNA两类 调节方式自我控制/调节反义控制/调节 1.自我控制/调节调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核糖体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身

13、mRNA，抑制自身的合成，称自我控制(autogenous control)。 2.反义控制/调节调节RNA：调节基因表达的RNA。 例：细菌中的反义RNA-与特定mRNA翻译起始部位互补的RNA，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与S-D序列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控制(antisense control)。第四节 真核基因表达调节Regulation of Gene Expression in Eukaryote一、真核基因组结构特点（一）结构庞大数目多：E.coli: 4000个基因，4.6106bp；人：34万个基因，3x109bp，其中1%编码蛋白质

14、，510%编码tRNA，8090%不能编码结构复杂：真核DNA与组蛋白结合形成染色质(二)转录产物为单顺反子原核转录产物：多顺反子mRNA真核转录产物：单顺反子mRNA-一个编码基因转录成一条mRNA, 经翻译生成一条多肽链 （三）真核基因组含有大量的重复序列多拷贝序列高度重复序列：重复频率106次中度重复序列：重复频率:103104 次单拷贝序列：一次或几次（四）真核基因的不连续性 转录区外显子：编码序列内含子：非编码序列非转录区/间隔区（调控区）二、真核基因表达调控更为复杂 （一）真核细胞内含有多种RNA聚合酶RNA pol I：rRNA前体RNA pol II：mRNA前体RNA pol

15、 III：tRNA前体（二）活性染色质结构发生明显变化 活性染色质：具有转录活性的染色质活性染色质的变化对核酸酶敏感 DNA拓扑结构变化 DNA碱基甲基化修饰组蛋白变化DNA拓扑结构变化 RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向DNA碱基甲基化修饰 真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化：CmC甲基化范围与基因表达程度呈反比组蛋白变化富含Lys组蛋白(H1)水平降低H2AH2B二聚体不稳定性增加组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰（三）正性调节占主导 采用正性调节机制更精确 采用负性调节不经济 （四）转录与翻译分区进行转录-细胞核翻译-胞浆（五）转录后修饰、加工更复杂三、RNA Pol I

16、I转录起始的调节 顺式作用元件 反式作用因子 mRNA转录激活 （一）顺式作用元件 作用：影响转录活性 分类启动子(promoter) 增强子(enhancer) 沉默子(silencer) 1.启动子 概念：是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件。 结构转录起始点 功能元件(1) ：TATA盒,GC盒,CAAT盒最简单的启动子：转录起始点 + TATA盒典型的启动子：转录起始点 + TATA盒 + GC盒+CAAT盒（转录活性高） CCAAT盒GC盒TATA盒转录起始点高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒转录起始点酵母图13-7 真核基因启动子的典型结构2.增强子 概念：远离转

17、录起始点（130kb）,决定基因表达的时空特异性，增强启动子转录活性的DNA序列。 特点 无方向性（上游，下游，内部） 远距离作用3.沉默子 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。（二）反式作用因子 1转录因子分类基本转录因子(general transcription factors):RNA聚合酶结合启动子所必需的蛋白因子，决定三种RNA(tRNA,mRNA, rRNA)的转录类别。 特异转录因子(special transcription factors):是特异基因转录所必需，决定该基因表达的时空特异性。 转录激活因子：增强子结合蛋白(enhancer

18、binding protein, EBP)转录抑制因子: 沉默子结合蛋白2.转录因子结构 DNA结合域 转录激活域 二聚化结构域 DNA结合域 介导DNA-蛋白质相互作用 最常见的结构形式 锌指(zinc finger)结构 碱性AA残基形成的-螺旋 锌指(zinc finger)结构 常结合GC盒 C-Cys H-His 结合在DNA的大沟锌指结构与DNA的结合 碱性-螺旋 常结合CAAT盒碱性螺旋-环-螺旋碱性亮氨酸拉链 转录激活域30100AA酸性激活域谷氨酰胺富含域脯氨酸富含域二聚化结构域介导蛋白质-蛋白质相互作用碱性亮氨酸拉链结构参与二聚化作用（三）mRNA转录激活 mRNA转录激活

19、：形成稳定的转录起始复合物 TFII D的亚基TATA结合蛋白(TATA binding protein,TBP)：结合TATA盒TBP相关因子(TBP-associated factors, TAF)：TBP的辅因子，辅助TBP-TATA结合 mRNA转录激活过程：PIC稳定的转录起始复合物 调节：复杂多样DNA蛋白质相互作用 蛋白质-蛋白质相互作用 转录起始复合物的形成PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP四、小分子RNA对真核基因表达的调节 微小RNA (microRNA, miRNA)小干扰RNA (small interfering RNA, siRNA)miRNA 概念：是一大家族小分子非编码单链RNA，长度约2025个碱基，由一段具有发夹结构，长度为7090个碱基的单链RNA 前体(pre-miRNA)经Dicer酶切后形成。 作用机制：miRNA+ 蛋白质RNA诱导的沉默复合体(RNA-induced silencing com