基因表达调控09课件

1、第一节 基因表达调控的基本概念2022/8/20 Department of Biochemistry( 1 )一、基因表达的基本概念基因(gene)：遗传的基本单位，是负载特定遗传信息的DNA片断。基因组(genome)：指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。基因表达(gene expression)：基因转录与翻译的过程。2022/8/20 Department of Biochemistry( 2 )广义的基因表达是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。基因表达调控(control of gene expression )：生物体内

2、基因表达的开启、关闭和表达强度的直接调节。是生物在长期进化过程中逐渐形成的精确而灵敏的生存能力和应变能力，是生物赖以生存的根本之一。二、基因表达的特征（一）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。如：受精卵发育经历不同的阶段多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。2022/8/20 Department of Biochemistry( 3 )（二）空间特异性在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spat

3、ial specificity)。即：同一基因在不同的组织器官内表达不同又称细胞特异性或组织特异性2022/8/20 Department of Biochemistry( 4 )2022/8/20 Department of Biochemistry( 5 )三、基因表达的方式（一）组成性表达(constitutive gene expression) （基本表达）指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要、必不可少的，这类基因可称为管家基因(housekeeping gene)，这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中

4、都是持续表达的，可以看成是细胞基本的基因表达。组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。2022/8/20 Department of Biochemistry( 6 )（二）诱导和阻遏表达 适应性表达(adaptive expression)：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene) 随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。（三）协调表达在

5、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(coordinate expression)这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。2022/8/20 Department of Biochemistry( 7 )四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖环境是在不断变化的。通过调控，可使生物体表达出合适的蛋白质分子。（二）维持细胞分化和个体发育生长、发育的不同阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这是调节细胞表型的关键。2022/8/20 Department of Bioch

6、emistry( 8 )2022/8/20 Department of Biochemistry( 9 )第二节 基因表达调控的基本原理不同层次上的调控一、基因表达的多级调控 基因激活 转录起始调控 转录后加工 翻译调控 翻译后加工转录起始水平的调控最为重要2022/8/20 Department of Biochemistry( 10 )二、基因转录激活受转录调节蛋白和启动子相互作用的调节（一）特异DNA序列特异DNA序列主要指具有调节功能的DNA序列。它们决定基因的转录活性。原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。真核基因调控机制普遍涉及编码基因两侧的DNA序列顺式作用元件。1.

7、原核生物：操纵子机制2022/8/20 Department of Biochemistry( 11 ) 蛋白质因子特异DNA序列编码序列 启动序列 操纵序列 其他调节序列(promoter)(operator)全图2022/8/20 Department of Biochemistry( 12 ) 操纵子（operon）：通常由2个以上的编码序列与启动序列（promotor）、操纵序列（operator）以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成。启动序列（promotor）：RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。又称启动子。各种原核启动序列特定区域内（通常在转录起始点上游-10及-35区

8、域）存在共有序列（consensus sequence）-35盒-10，TATA 盒共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）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。启动子：指RNA聚合酶识别、结合并开始转录的一段 DNA序列。原核生物启动子序列按功能的不同可分为三个部位，即起始部位、结合部位、识别部位。2022/8/20 Department of Biochemistry( 14 )2022/8/20 Department of Biochemistry( 15 )操纵序列（operator）：与启动序列毗邻或接

9、近的DNA序列，是原核阻遏蛋白的结合位点。其DNA序列常与启动序列交错、重叠。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阻遏蛋白其他调节序列、调节蛋白例如：激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的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。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。2022/8/20 Department of Biochemistry( 16 )2.真核生物不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列 ，如TA

10、TA盒、CAAT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。2022/8/20 Department of Biochemistry( 17 ) 顺式作用元件(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点补充2022/8/20 Department of Biochemistry( 18 )（二）转录调节蛋白增强或抑制转录活性原核生物基因调节蛋白（DNA结合蛋白）分为三类：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（repressor）：可结合特异DNA序列操纵序列，阻遏基因转录。激活蛋白

11、（activator）：可结合启动序列邻近的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。分解（代谢）物基因激活蛋白（catabolite gene activaton protein,CAP）就是一种激活蛋白。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。2022/8/20 Department of Biochemistry( 19 )真核生物基因转录调节蛋白又称转录因子（transcription factor）。绝大多数真核转录调节因子由某一基因表达后，通过与特异的顺式作用元件结合（ DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因的转录，称为反式

12、作用因子（trans-acting factor）。这种调节作用称为反式作用。 顺式作用蛋白还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。2022/8/20 Department of Biochemistry( 20 )cDNAaDNAC顺式调节 mRNA C蛋白质CBA mRNA蛋白质AA反式调节补充2022/8/20 Department of Biochemistry( 22 )（三）DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用转录调节蛋白对转录起始调节的方式 DNA-蛋白质相互作用（DNA-protein interaction） 主要 指反式作用因子和

13、顺式作用元件之间的特异识别。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。蛋白质-蛋白质相互作用（protein-protein interaction）某些调节蛋白在结合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)。二聚化 同二聚体异二聚体2022/8/20 Department of Biochemistry( 23 )（四）RNA聚合酶与启动序列/启动子相结合1、启动序列/启动子与RNA聚合酶活性RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。2、调节蛋白与RNA聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-

14、蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。2022/8/20 Department of Biochemistry( 24 )第三节 原核基因表达调节一、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）阻遏蛋白的负性调节是重要因素2022/8/20 Department of Biochemistry( 25 )二、原核生物转录起始调节操纵子调控模式E.coli乳糖操纵子（lac operon）包含： 三个结构基因：Z 编码-半乳糖苷酶、Y 编码通透酶、A 乙酰基转移酶 一个操纵序列O 一个启动序列 P 一个调节基因 I一个分解代谢物基因激活蛋

15、白结合位点（catabolite gene activation protein,CAP）（一）乳糖操纵子的结构乳糖操纵子结构模式2022/8/20 Department of Biochemistry( 26 ) 调控区CAP结合位点启动序列操纵序列 结构基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA2022/8/20 Department of Biochemistry( 27 )（二）阻遏蛋白的负性调节 没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻遏状态。I序列表达的lac阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序列结合，抑制转录启动。 有乳糖存在时，lac操纵子可被诱导。乳糖

16、在通透酶催化、转运进入细胞，再经-半乳糖苷酶催化，转变成半乳糖。半乳糖作为诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与O序列解离，发生转录。图解2022/8/20 Department of Biochemistry( 28 )（三）CAP的正性调节 当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP结合，这时CAP结合在lac启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA转录活性。 当有葡萄糖存在时， cAMP浓度较低， cAMP与CAP结合受阻，lac操纵子表达下降。图解2022/8/20 Department of Biochemistry( 29 )（四）协调调节Lac阻遏蛋白负性调

17、节与cAMP正性调节两种机制协调合作单独存在乳糖时，细菌利用乳糖作为能源。当葡萄糖和乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖作为能源物质。这时，葡萄糖通过降低 cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制lac操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。 图解三、原核生物转录终止调节大肠杆菌中存在两种主要的转录终止机制：依赖Rho因子的转录终止不依赖Rho因子的转录终止大肠杆菌中存在两种终止调节方式：衰减抗终止2022/8/20 Department of Biochemistry( 30 )四、原核生物翻译水平调节

18、（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，阻断翻译调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称自我控制(autogenous control)。2022/8/20 Department of Biochemistry( 31 )（二）反义RNA对翻译的调节作用调节RNA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小亚基对起始密码的识别以及与SD序列的结合，抑制翻译起始。称为反义控制(antisense control)。2022/8/20 Departmen

19、t of Biochemistry( 32 )附：其它转录调节机制转录衰减（attenuation）色氨酸操纵子是一种阻遏型操纵子当有色氨酸结合阻遏蛋白时，阻遏蛋白构象改变可结合O序列，阻断基因转录基因重组SOS反应2022/8/20 Department of Biochemistry( 33 )衰减重组SOS2022/8/20 Department of Biochemistry( 34 )第四节 真核基因表达调节一、真核基因组结构特点（一） 真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组DNA 约 3 10 9 碱基对 人基因组编码基因约有34个（22.5万），其中60存在可变剪接。编码序列仅占总

20、长的1% rDNA等重复基因约 占 5% 10%（二）单顺反子(monocistron) 2022/8/20 Department of Biochemistry( 35 )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。（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（四）基因不连续性2022/8/20 Department of Biochemistry( 36 )二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚合酶有三种，分别负责三种RNA转录。（二）转录激活状态的染色质结构明显变化1. 对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于

21、调节蛋白结合位点附近。2022/8/20 Department of Biochemistry( 37 )2. DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向3. DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。2022/8/20 Department of Biochemistry( 38 )4. 组蛋白变化 富含Lys组蛋白水平降低 H2A, H2B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 H3组蛋白巯基暴露组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：

22、组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，以及化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了“组蛋白密码”的假说。组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响2022/8/20 Department of Biochemistry( 39 )组蛋白氨基酸残基位点修饰类型功 能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色质浓缩H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙酰化激活H3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙酰化防止Lys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙酰化装配H4Lys-12乙酰化装

23、配H4Lys-16乙酰化核小体装配H4Lys-16乙酰化Fly X激活2022/8/20 Department of Biochemistry( 40 )（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工更为复杂采用正性调节机制更精确：采用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。采用负性调节不经济：在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。转录在细胞核，翻译在细胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。三、RNA pol和 pol 的转录调节（一） RNA pol转录体系

24、的控制RNA Pol I的转录产物只有rRNA前体，经剪接修饰生成除5S rRNA外的各种rRNA。启动子元件包括：核心元件(core element)或核心启动子(core promoter)和上游控制元件(upstream control element, UCE)。转录因子包括：上游结合因子（UBF1）、选择性因子1（SL1）2022/8/20 Department of Biochemistry( 41 )（二） RNA pol 转录体系的控制RNA Pol III的转录产物：多种小分子RNA，包括tRNA、5S rRNA和一部分小核RNA。启动子位于转录起始点下游（即转录区内），称内

25、部控制区(internal control regions, ICR)。转录起始需多种转录因子2022/8/20 Department of Biochemistry( 42 )四、 RNA pol 的转录起始的调节RNA pol 转录生成所有mRNA前体及大部分snRNA参与的DNA调控序列和转录因子复杂的多2022/8/20 Department of Biochemistry( 43 )按功能特性，真核基因顺式作用元件分为三种：启动子、增强子、沉默子（一） 顺式作用元件影响基因转录活性1. 启动子真核基因启动子是RNA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

26、上的功能组件。2022/8/20 Department of Biochemistry( 44 )TATA盒GC盒CAAT盒2. 增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。增强子也由若干功能元件组成。酵母中的上游激活序列（UASs）。2022/8/20 Department of Biochemistry( 45 )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。3. 沉默子(silencer)2022/8/20 Department of Biochemistry( 46

27、 )（二） 反式作用因子重要的转录调控蛋白1. 转录调节因子分类 按功能特性分为： 基本转录因子（general transcription factors）是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)转录的类别主要参与RNA聚合酶与转录起始点附近的DNA特异序列形成稳定的转录起始复合物。 特异转录因子（special transcription factors ）为个别基因转录所需，决定该基因的时间、空间特异性表达。有转录激活因子和转录抑制因子两种。2022/8/20 Department of Biochemistry( 47 )2. 转录调节

28、因子结构包括三个结构区域： DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域最常见的DNA结合域1. 锌指(zinc finger)2022/8/20 Department of Biochemistry( 48 )C CysH His常结合GC盒图示2. 碱性-螺旋2022/8/20 Department of Biochemistry( 49 )常结合CAAT盒3. 碱性亮氨酸拉链 （bZIP） 碱性螺旋-环-螺旋 （bHLH）等2022/8/20 Department of Biochemistry( 50 )图示2022/8/20 D

29、epartment of Biochemistry( 51 )（三） mRNA转录激活起始复合物形成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增强子结合蛋白真核基因转录调节是复杂的、多样的2022/8/20 Department of Biochemistry( 52 )*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，有正性调节或负性调节之分。五、 RNA pol 的转录终止的调节（

30、一）HIV基因组转录终止调节HIV基因的有效表达需要病毒蛋白Tat，它是一种抗终止蛋白。Tat与转录产物5特异RNA序列结合，并与宿主蛋白质、 RNA pol 相互作用，在延长中的RNA形成特定的二级结构，阻止HIV基因组转录提早终止。2022/8/20 Department of Biochemistry( 53 )（二）热休克蛋白基因的转录终止调节在应激条件下，细胞作出一系列反应，包括暂时性停止大多数基因的转录和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白质即热休克蛋白（heat shock protein，HSP）的基因转录等。热休克时，热休克转录因子（HSTF）转变为活性状态基因快速诱导表

31、达。2022/8/20 Department of Biochemistry( 54 )六、转录后水平的调节（一）hnRNA加工成熟的调节加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物(ribonucleoprotein, RNP)进行。高等真核细胞mRNA半寿期较原核长，一般为几小时；半寿期可影响蛋白质合成量稳定性可调节的mRNA，可能含有与特异蛋白质相互作用的反应元件，影响降解速度2022/8/20 Department of Biochemistry( 55 )七、翻译水平以及翻译后阶段的调节调节点主要在蛋白质合成

32、的起始和延长阶段；以起始阶段为主（一）翻译起始因子（eIF）活性的调节磷酸化调节（二）RNA结合蛋白（RBP）的调节RBP是指那些能与RNA特异序列结合的蛋白质RBP参与基因表达的许多调节环节，如：转录终止、RNA剪切、RNA转运、RNA胞浆稳定性的控制、翻译起始等等2022/8/20 Department of Biochemistry( 56 )（三）对翻译产物水平及活性的调节新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素。通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性。如磷酸化、甲基

33、化、酰基化修饰、等等，可以达到调节蛋白质功能的作用。2022/8/20 Department of Biochemistry( 57 )（四）小分子RNA对基因表达的调节非编码RNA（non-coding RNA, ncRNA）：微小RNA（microRNA, miRNA）小干扰RNA（small interfering RNA, siRNA）细胞核小分子RNA（snRNA）核仁小分子RNA（snoRNA）核酶（ribosome），等等RNA组学（RNomics）：研究细胞内所有小分子RNA的种类、结构和功能2022/8/20 Department of Biochemistry( 58 )1

34、微小RNA (microRNA, miRNA)是一大家族小分子非编码单链RNA，长度约2025个碱基，由一段具有发夹环结构、长度为7090个碱基的单链RNA 前体(pre-miRNA)经Dicer酶剪切后形成。成熟的miRNA与其他蛋白质一起组成RNA诱导的沉默复合体（RNA-induced silencing complex，RISC），通过与其靶mRNA分子的3非编码区域（3-UTR）互补配对，抑制该mRNA翻译。2022/8/20 Department of Biochemistry( 59 )miRNA的特点：其长度一般为2025个碱基；在不同生物体中普遍存在；其序列在不同生物中具有一

35、定的保守性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。2022/8/20 Department of Biochemistry( 60 )2小干扰RNA (small interfering RNA, siRNA)是细胞内一类双链RNA(double-stranded RNA，dsRNA)在特定情况下通过一定酶切机制，转变为具有特定长度(2123个碱基)和特定序列的小片段RNA。双链siRNA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。由siRNA介导的基因表达抑制作用被称

36、为RNA干涉(RNA interference，RNAi)。2022/8/20 Department of Biochemistry( 61 )2022/8/20 Department of Biochemistry( 62 ) 30bp 双链RNA（dsRNA）水解生成21-23nt siRNA 5335 RISC形成 识别特异序列并使其降解RNA干扰作用机制2022/8/20 Department of Biochemistry( 63 )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

37、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siRNA 和miRNA的差异比较操纵子模式图I调节基因P启动序列O操纵序列（操纵基因）Z、Y、A三种结构基因2022/8/20 Department of Biochemistry( 64 )（cis-acting element）真核生物编码基因两侧的DNA序列可影响自身基因的表达活性通常是非编码序列包括启动子、增强子、沉默子顺式作用元件（cis-acting element）基因产物特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭称为顺式调节基因产物特异识别、结合其它基因的调节序列，调节其它基因的开启或关闭称为反式调节反式与顺式2022/8/20 Department of Biochemistry( 67 )乳糖水解2022/8/20 Department of Biochemistry( 68 )阻遏蛋白的负性调节图解mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因有乳糖存在时2022/8/20 Department of Biochemistry( 69 )mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶CAP