基因表达的调控课件

1、基因表达的调控原核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控1 基因表达调控是生命必需 基因：一段DNA分子，编码一种多肽链或RNA。基因组(genome)：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)：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。第一 概述基因表达调控(gene regulation或gene control)：对基因表达过程的调节。基因表达的组织特异性(tissue specificity)：不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同。 基因表达的阶段特异性(st

2、age specificity)：细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的。 组成型表达(constitutive expression)：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因也称为看家基因(housekeeping gene)；适应型表达(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。诱导(induction)：随环境条件变化基因表达水平增高的现象，这类基因被称为可诱导基因(inducible gene)；阻遏(repression)：随环境条件变化而基因表达水平降低的现象

3、，相应的基因被称为可阻遏基因(repressible gene)。第二 原核生物基因表达的调控转录水平上的调控(transcriptional regulation)；翻译水平上的调控 (differential translation of mRNA ) 。转录水平的调控-操纵子学说二 翻译水平的调控在25种非调控蛋白中： AUU 37% Ile AUC 62% AUA 1%在dnaG中22个Ile codons AUU 36 Ile AUC 32 AUA 32%1）mRNA翻译水平差异的调控表 在不同产物中密码子使用频率不同密码子在25种非调控蛋白中(%)在引物酶中(%)在因子中(%)AU

4、U373626AUC623274AUA1320通过阻抑蛋白结合到mRNA的靶区域上阻止核糖体识别以达到阻遏的功能。自体调控：一种蛋白质或者RNA调控自身的表达。特点：每个自体调控专一，调控蛋白只作用于负责指导自身合成的mRNA。2）阻抑蛋白对翻译起始的调控表 与mRNA起始区结合抑制翻译的阻遏蛋白阻遏蛋白靶基因作用位点R17 外壳蛋白R17复制酶核糖体结合位点的发夹结合T4 RegAT4早期mRNA含有起始密码子的各种序列T4 DNA 聚合酶T4 DNA 聚合酶S-D序列T4 p32基因32单链5前导序列 3）小分子RNA调节翻译 1884年Mizuno和Iwoue发现RNA可作为调节因子，

5、与调节蛋白一样，RNA合成后，可扩散到靶位点。RNA作为调节物质的作用机制：(1) 和靶核苷酸序列形成双链区，直接阻碍其翻译的起始。(2) 在靶分子的部分区域形成双链区，改变其构象，直接影响其功能。干扰mRNA的互补RNA（mic-RNA, mRNA-interfering complementary RNA）。也称为反义RNA( antisense RNA )。反义RNA作为RNA调节物的调节方式：可与mRNA结合，结合位点是S-D, AUG, 部分N端密码子；与RNA形成双螺旋结构，作为内切酶底物；与转录产物结合，使转录提前终止。RNAi 技术 1998年2月，Andrew Fire等将单

6、链RNA纯化后注射线虫时发现，基因抑制效应变得十分微弱，而经过纯化的双链RNA却正好相反，能够高效特异性阻断相应基因的表达。将这一现象称为RNA干扰1984年，抗病毒药物的开发1988年, 转基因番茄（PG 酶的反义RNA） 4）魔斑核苷酸水平对翻译的影响-应急调控严紧反应(strigent response)：细菌在饥饿条件下，缺乏足够的氨基酸使得蛋白质合成受阻时，将关闭大量的代谢过程。抵御不良条件，保存自己的一种机制。当氨基酸缺乏时，参与蛋白翻译的RNA停止合成。ATP和GDP合成一种新的化合物，称为鸟苷四磷酸ppGpp和pppGpp。在层析谱上检出这两种化合物的斑点，称为魔斑。GTP+A

7、TPpppGpp+AMPppGpp 魔斑的主要作用：(1) ppGpp四磷酸鸟苷(魔斑I magic spot I) 调控一些反应的效应物，主要功能是： 抑制rRNA基因的启动子与RNA聚合酶与结合的专一性； 抑制多数或大多数基因转录的延伸。(2) pppGpp五磷酸鸟苷(魔斑II magic spot II)当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。 空转反应（idling reaction）空载tRNA 松驰型突变（relaxed(rel)mutants）

8、应急因子（stringent factor）：RelA 第三 真核生物基因表达的调控DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译调节mRNA降解调节翻译后加工的调节核细胞质真核基因表达调控的五个水平 DNA水平调节 转录水平调节 转录后加工的调节 翻译水平调节 翻译后加工的调节一 DNA水平的调控（一）基因丢失（二）基因扩增（三）基因重排（四） DNA的甲基化与去甲基化二 转录水平的调控 许多真核生物基因编码关键代谢酶或细胞组成成分，这些基因常在所有细胞中都处于活跃状态。这种组成型表达的基因称为持家基因(house keepin

9、g gene)。另一些基因的表达则因细胞或组织不同而异，只在某些才高效表达。这类基因表达的调控通常发生在特定的发育时期或细胞中转录水平。 （一） 顺式作用元件（二） 反式作用因子转录水平的调控 （一） 顺式作用元件启动子增强子沉默子绝缘子2 增强子(transcriptional enhancer) 转录增强子 是另一种顺式调控元件，通常位于启动子上游700-1000bp处，离转录起始点较远。1 启动子增强子可以提高转录效率，在基因中的位置不定。位于基因的上游，下游，基因序列内。增强子的作用没有方向性，可以转移到其它基因附近，加强该基因的转录。启动子是转录起始和达到基础水平所必须的，而增强子则

10、可以使转录达到最高水平。增强子的存在，使基因转录只能在有适宜的转录因子存在时才能进行。许多增强子可对细胞内外的信号作出反应3 沉默子负调控元件- 对转录起阻遏作用4 绝缘子阻止激活或阻遏作用在染色质上的传递（二）反式作用因子是识别、结合顺式作用元件，并调控基因转录的蛋白。 a -螺旋-转角-a -螺旋(HTH) 有3个螺旋，螺旋3识别并和DNA结合，一般结合于大沟；螺旋1和2和其它蛋白质结合 1 蛋白质直接和DNA结合锌指区域包括二个半胱氨酸(Cys)及二个组氨酸(His)族，其保守重复序列为Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His。其中的Cys和His残基与锌离子(Zn+

11、)形成的配位键，使氨基酸折叠成环，形成类似手指的构型。1 蛋白质直接和DNA结合亮氨酸拉链具有可形成蛋白质-蛋白质二聚体的亮氨酸拉链区(leucine zipper，LP)。1 蛋白质直接和DNA结合调节蛋白先和配基结合被活化。甾类激素如雌激素、雄激素等可以诱导某些基因表达。甾类受体蛋白一般都具有3个功能区：N-端区是激活转录所需的区域；DNA结合及转录活化区；C-端的激素结合和二聚体形成区。2 蛋白质和配基结合 真核生物转录水平的调控还有mRNA选择性加工、内含子剪接等，这实际上是转录后水平的调控。三 转录后水平的调控。 mRNA加工大多数真核生物的mRNA在转录后必须进行下面三方面的加工后

12、，才能运送到细胞质进行蛋白质的翻译 当RNA链合成大概达到30个核苷酸后，就在其5端加上一个7甲基鸟嘌呤核苷的帽子，它含有二个甲基和稀有的55三磷酸键。其作用主要是在蛋白质翻译时帮助识别起始位置以及防止被RNA酶降解。（1） 5端加帽一般前体mRNA 的转录终止于加poly A尾巴的3末端的下游10002000个核苷酸处。然后由核酸内切酶切除多余的核苷酸。一般在保守的共有序列AAUAAA的下游1130个核苷酸处停止切割。最后在poly A聚合酶的催化下加上大约200个聚腺苷酸poly A尾巴。增加mRNA的稳定性以及从细胞核向细胞质的运输（2）3端尾不同剪接方式：在剪接内切核酸酶(splici

13、ng endonuclease) 的催化下，非常精确地在内含子与外显子的交界处进行切割，并在一种特殊的剪接连接酶(splicing ligase)的催化下重新连接起来。某些mRNA前体的内含子是在RNA分子本身的催化下完成所以称为RNA自剪接(self-splicing)，这种具有自动催化活性的RNA有时也称为核酶(ribozyme)。 在核酸蛋白质复合结构核酸剪接体(spliceosome)作用下完成。(3) 内含子切除选择性mRNA切割 同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式切割加工，形成不同的成熟mRNA分子老鼠-淀粉酶的合成基因四 翻译水平的调控 （一） mRNA运输（二）mRNA

14、翻译的控制（三）mRNA的结构 （四）选择性翻译（五）反义RNA运输控制（transport control）是对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。核膜是一个基因表达的控制点。几乎只有一半的编码蛋白基因的初始转录本一直留在核里面，然后被降解掉。（一） mRNA运输翻译明显地影响到基因的表达。例如mRNA储存在动物的未受精卵中，蛋白质合成率很低；一旦受精蛋白质合成立即增加。并没有新的mRNA的合成，是一种翻译控制。在细胞质中mRNA分子的稳定性很不一致，几分钟几个月。mRNA的降解可能是一个重要控制点。降解速率和mRNA结构特点有关，如很多短寿命的mRNA 3 非翻译区（UTR）中富含

15、AU的序列（UUAAUUUAU），作用机制还不清楚。（二）mRNA翻译的控制多数mRNA的翻译活性依赖于5 端“帽”结构，只有“帽”被甲基化，方可有效翻译。起始密码子AUG的位置和其侧翼的序列影响翻译的效率。影响起始复合物的形成，进而影响翻译效率。5 UTR的长度影响翻译的效率和起始的精确性。当1780bp之间时，体外翻译效率与长度成正比。5 UTR可能形成发夹或茎环二级结构，阻止核糖体40S亚基的迁移，对翻译起始有顺式抑制作用。但若二极结构位于AUG的近下游（最佳距离为14 bp），会使40亚基停靠在AUG位点，增强起始反应(翻译起始因子使二极结构解链，翻译复合体顺利通过)。（三）mRNA的

16、结构 3端的poly A 影响mRNA的稳定性和翻译效率。有poly A的mRNA其翻译效率明显高；随着翻译次数的增加，poly A在逐步缩短，也就是说poly A越长，半衰期越长。Poly A对翻译的促进作用需要PABP（ poly A结合蛋白），PAPB结合poly A最短长度为12bp，当缺乏PAPB的结合时，裸露mRNA 3端易降解。PAPB迁移到AU序列时，导致poly A的暴露，促进mRNA的降解。（三）mRNA的结构 珠蛋白是由两条链和两条链组成的。在二倍体细胞中有4个-珠蛋白基因，如果它们相同转录和翻译的话，应是:=2:1，而实际上是1:1。是转录调控还是翻译调控？体外实验：在

17、无细胞系统中加入等量-mRNA、-mRNA、少量起始因子，合成的-珠蛋白仅占3%，说明-mRNA和起始因子的亲和性远大于-mRNA。当加入过量的起始因子时，:=1.4:1 ，接近1:1。表明是在翻译水平上存在的差异，即和翻译起始因子的亲和性不同。（四）选择性翻译来自骨髓细胞瘤病毒的癌基因myc三个外显子中的第1，2两个外显之间有部分互补。在有的细胞中，当失去外显子1时，myc基因过量表达，推测外显子1可能通过互补来抑制myc的表达。（五）反义RNA1. 蛋白质折叠 蛋白质在一定的条件下(如在伴蛋白chaperones存在时)，才能折叠成一定的空间构型，并具有生物学功能。在细胞中，许多真核生物的伴蛋白对蛋白质形成有功能的空间构型具有重要的作用。五 翻译后水平的调控 翻译后经蛋白酶(protease)加工切割的主要作用是切除氨基端或羧基端的序列，以便形成有功能的空间构型。同时将多聚蛋白质分子切割产生小分子片段，使每一个片段形成一个有功能的蛋白质。2. 蛋白酶切割最简单的化学修饰就是将一些小化学基团，如乙酰基、甲基、磷酸基加到氨基酸侧链、或蛋白质的氨基端或羧基端。这种修饰的方式是特异的，同一蛋白质的不同拷贝具有完全相同的修饰。例如，核小体的H3的乙酰化，使染色质结构发生变化，影响基因表达。复杂的修饰是蛋白质的糖基化，