基因表达和调控

1、关于基因表达与调控第1页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四一、概述 每种生物在生长发育和分化的过程中，以及在对外环境的反应中，各种相关基因有条不紊的表达起着至关重要的作用。通过基因表达，DNA中的遗传信息即可用以决定细胞的表型和生物性状。 但是，基因的表达随着组织细胞及个体发育的阶段的不同，随着内外环境的变化的不同，而表现为不同的基因的表达。第2页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四基因 (gene) : 是一段DNA分子，编码一种多肽链或RNA。 基因组 (genome)： 指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。1. 几个重要的概念第3页，共6

2、9页，2022年，5月20日，8点19分，星期四基因表达 (gene expression)： 在一定调节机制控制下，基因经过转录及翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质或RNA分子的过程。简单地说，基因表达就是基因的转录和翻译过程。 大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因如tRNA和rRNA基因表达产物是RNA。第4页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四基因表达的特性 时间特异性或阶段特异性 空间特异性或组织细胞特异性第5页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四时间特异性（temporal specificity） 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时

3、间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。 如噬菌体、病毒、细菌、侵入缩主后，呈现一定的感染阶段。第6页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四阶段特异性（stage specificity） 多细胞生物基因表达表现为与分化、发育阶段一致的时间性,因此又称阶段特异性。 如在多细胞生物从受精卵到组织，器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。第7页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四空间特异性（spatial specificity）: 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，就是基因表

4、达的空间特异性。第8页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四细胞特异性（cell specificity）或组织特异性（tissue specificity）: 基因表达的空间特异性又称为细胞特异性或组织特异性，因为基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的。第9页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四2. 基因表达的方式 按对刺激的反应性，基因表达的方式分为： 基本或组成性(constitutive expression)基因表达 某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因 (house-keep

5、ing gene)。第10页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性表达。第11页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四诱导和阻遏表达 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 (inducible gene)。 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程称为诱导(induction)第12页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 如果基因对环境信号应答时被抑制

6、，这种基因是可阻遏基因 (repressible gene) 可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏(repression)第13页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 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(coordinate expression)。 这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。第14页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四3. 基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖 生物体赖以生存的外环境是在不断变化的，为了生存，所有活细胞都必须对外环境变化作出

7、适当反应，调节代谢，以适应环境变化。生物体适应环境、调节代谢的能力与蛋白质分子的生物学功能有关。而蛋白质的水平又受基因表达的调控。第15页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四维持个体发育与分化 多细胞生物调节基因的表达除为适应环境外，还有维持组织器官分化、个体发育的功能。 当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器官的发育异常。第16页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四二、原核生物基因表达的调节第17页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四1. 操纵子模型 转录调节普遍采用操纵子模式，原核生物功能相关的基因往往串联地排列在一起，在一个

8、共同的调控区的调节下，一起转录生成一个多顺反子，最终表达产物是一些功能相关的酶或蛋白质，它们一起参与某种底物的代谢或某种产物的合成。第18页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四Franois Jacob and Jacques Monod, was awarded the 1965 Nobel Prize for Physiology or Medicine for discoveries concerning regulatory activities in bacteria. 第19页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四操纵子(operon)的结构与功能

9、Inhibitor genePS1S2S3启动子结构基因1，2，3.O操纵基因PromoterOperator geneStructure gene调控区结构基因 操纵子表达阻遏蛋白 结合RNA聚合酶 结合阻遏蛋白表达功能蛋白?I阻遏物（调节）基因操纵子:基因表达的协调单位第20页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合DNA的启动子及RNA聚合酶后，转录才会进行。 在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。 在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进

10、行。2. 关于正调控与负调控第21页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白(repressor)阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。负控诱导系统阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。负控阻遏系统阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。第22页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因启动基因

11、调节基因结构基因 阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合, 结构基因可以表达阻遏蛋白(无活性)酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达代谢产物I.酶的诱导II.酶的阻遏第23页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四第24页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 以乳糖操纵子为列介绍 原核生物操纵子调控模式第25页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 乳糖操纵子的结构透

12、过酶第26页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四1.三个结构基因Z 基因： 编码-半乳糖苷酶（galactosidase），分解乳糖成为半乳糖和葡萄糖Y 基因： 编码透过酶（permease），使外界乳糖等透过大肠杆菌细胞壁进入细胞内。A 基因： 编码乙酰基转移酶（acetylase），能将乙酰CoA上的乙酰基转移到半乳糖上，形成乙酰半乳糖。第27页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四2. 三个调节序列： 在结构基因的上游还有一个启动子（P）和一个操纵基因（O），在启动子上游还有一个分解（代谢）物基因激活蛋白（catabolite gene activati

13、on protein, CAP）或腺苷酸受体蛋白（cAMP receptor protein, CRP)结合位点，以及一个调节基因（I）（又称R基因），调节基因编码阻遏蛋白。第28页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时3. 乳糖操纵子的调节机制阻遏基因I. 阻遏蛋白的负性调节第29页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖第30页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 实际上，别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物。人们发现

14、一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被-半乳糖苷酶水解的异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）起着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以IPTG常用于诱导含有使用了lac启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。 第31页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四第32页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 II. CAP的正性调节第33页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 第34页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四III. CAP的正性调节: CAP蛋白是一个同二聚体，具有DNA结

15、合域和cAMP结合位点。当没有葡萄糖存在时，由于cAMP的浓度受葡萄糖代谢的调节，cAMP浓度表现为较高，这时cAMP与CAP蛋白结合形成cAMPCAP复合物。此复合物可结合在lac启动基因上游附近的CAP位点上，从而可增强转录达50倍之多。第35页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 当培养基中有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，cAMP与CAP蛋白不能形成复合物，也就不能结合到CAP位点，lac基因的转录水平较低。 由此可见，对lac操纵子来说CAP是正性调节因素，lac阻遏蛋白是负性调节因素。第36页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四葡萄糖降解物与cA

16、MP的关系葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5-AMP抑制激活第37页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四乳糖操纵子调控方式的比较负调控正调控调节蛋白 阻遏蛋白 CAP变构物 别乳糖、乳糖 cAMP与变构物结合 无活性 有活性基因位点 O基因 CAP位点结合于基因位点 基因关闭 基因开放未结合于基因位点 基因开放 基因关闭不与变构物结合 有活性 无活性第38页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四IV. 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。 单纯乳

17、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。 葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolic repression）。 第39页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四葡萄糖效应和乳糖诱导第40页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 第41页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四4. 衰减子（attenuator）与 转录衰减作用（attenuation）衰减子:位于细菌操纵子结构基因上游前导区的终止子。原核生物中通过翻译前导肽而实现控制DNA的转录的调控方式称衰减作用。 以色

18、氨酸（Trp）操纵子为例，衰减子序列位于启动子与Trp操纵子的第一个结构基因间，其mRNA的5端有162个核苷酸的前导序列，当mRNA合成启动后，除非缺乏Trp，否则mRNA仅合成140个核苷酸即终止。 该前导序列编码一小段14肽，其终止区具有潜在的茎环构象和成串的U。第42页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制111232233444核糖体核糖体转录继续转录终止C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位， 3与4 碱基配对，转录终止。B. 缺乏色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。Trp-codon7US第43页，共69页，2022年，5

19、月20日，8点19分，星期四 阻遏和衰减机制虽然都是在转录水平上调节基因表达，但他们的作用机制完全不同，前者控制转录起始，后者控制转录起始后是否继续下去，因此，衰减作用比阻遏作用的调节更为精细。第44页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四5. 生长速度的调控 营养丰富，温度适宜时，细菌的生长速度可以很快，在两个细胞尚未分裂的情况下，新一代的DNA已经开始合成，大肠杆菌的倍增时间为25分钟时，平均每个细胞的DNA分子为4.5个，核糖体的数目也很多。 第45页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 当营养严重缺乏时，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一、二种氨基酸，而是

20、氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。细菌进入严紧控制状态，这是在困难时期获得生存的策略，被称为严紧控制（stringent control）。第46页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp（四磷酸鸟苷，魔斑I， magic spot I)或pppGpp（五磷酸鸟苷，魔斑II， magic spot II)大量合成，其浓度可增加10倍以上。 ppGpp的出现会关闭许多

21、基因，以应付这种紧急状况。当环境中出现足够的氨基酸时，pppGpp和ppGpp被迅速降解，RNA和蛋白质的合成很快恢复。 四(五）磷酸鸟苷是控制多种反应的效应分子，最显著的与RNA聚合酶结合，降低rRNA的合成。第47页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四ppGpp和pppGpp的合成与作用GDP第48页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四6. 基因表达的时序调控 噬菌体基因表达的时序调控研究较深入，其50个基因组成4个操纵子。 阻遏蛋白操纵子 左早期操纵子 右早期操纵子 晚期操纵子 第49页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 噬菌体的调

22、节基因和转录产物 cI、cro、N、Q以及cII和cIII为调节基因。pL和pR为左右启动子；oL和oR分左右操纵基因。nutL和nutR为N蛋白结合位点；qut为Q蛋白结合位点；tL1、tR1、tR2、tR3、tR4为左右中止子。L1、L2、L3、R1、R2、R3、R4和R5分别为左右操纵子的转录产物。第50页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 左向转录的为L链，右向转录的为R链。当噬菌体侵入宿主细胞后，溶原和裂解途径的最初过程一样，前早期(cro，N）和后早期的基因首先表达。 随后，若晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环，若合成阻遏蛋白，则进入溶原状态。 右早期操纵子的调节

23、基因cro可抑制溶原型阻遏蛋白cI的合成，使噬菌体进入裂解循环，噬菌体对两个生活史的的选择取决于cI和cro的拮抗。紫外线和42度高温等可钝化cI，结果进入裂解循环。 左早期操纵子的调节基因N的表达产物为抗终止子，使前早期基因的转录越过终止信号进入后早期基因，后早期基因包括左、右早期操纵子的3个调节基因，c/c与建立溶原状态的阻遏蛋白的合成有关，Q调节基因的产物亦为抗终止子，使晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环。 第51页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四7.翻译水平的调节和反义RNA 翻译水平的调节的调节包括：不同mRNA的翻译能力差异、翻译的阻遏和反义RNA的调节 某些R

24、NA分子也可调节基因表达, 这种RNA称为调节RNA. 细菌中有种称为反义RNA的调节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,这类RNA又称作干扰mRNA的互补RNA (mRNA interfering complementary RNA, micRNA), 这种调节称为反义控制(antisense control)。第52页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 Mizuno等发现在E.coli中有两个膜蛋白质OmpF、OmpC，当渗透压高时，F低而C高。两个基因受OmpR调

25、节（与渗透压感受有关），发现一种小分子RNA，micRNA，大约174核苷酸，可与OmpF的mRNA的5端互补，直接干扰模板的翻译能力，抑制后者的翻译。 EnvZ(感受器) 细胞膜 OmpC 活化 (高压) OmpR(正调控因子) micF 10 35 10 35 OmpC MicF OmpF 174b RNA mRNA interfering complementary RNA 低压时 OmpF 在E.coli中通过反义RNA来调控膜蛋白的合成 第53页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四三.真核基因表达调节第54页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四一、

26、真核基因组结构特点真核基因组结构庞大，染色体结构 具有多个复制起点. 单顺反子 含有大量重复序列 基因不连续性，内含子，外显子 非编码区较多（占8090） 转录与翻译分隔进行 转录后修饰加工1、真核基因组结构特点第55页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没有特定生物学功能的DNA片段，可占整个基因组DNA的90%。根据重复频率可将其分为高度重复序列、中度重复序列和单拷贝序列。单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（ 10 次）6中度重复序列（ 10 10 次）4 3多拷贝序列关于C值悖理（C value paradox) 生

27、物体的单倍体基因组所含DNA总量称为C值。生物进化总体趋势是C值不断增加。但生物基因组的大小同生物在进化上所处地位并不完全比例增加，如鱼类和两栖类的C值远远高于哺乳类，这种现象称为C值悖理。第56页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四2. 真核基因表达调节DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质1.转录前调节2.转录调节3.转录后加工的调节5.翻译调节6.mRNA降解调节7.翻译后加工的调节核细胞质4.转运调节真核基因表达调控的七个水平第57页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 转录前水平调节1） 染色体丢失 某些低等真核生物e.g

28、.蛔虫早期卵裂阶段分裂细胞 除一个将来成为生殖细胞外，均将异染色质部分删除。2） 基因扩增 e.g.非洲爪蟾卵的卵母细胞，在核仁周围大量积累 rDNA,拷贝数可增胚胎发育开始后，这些 rDNA逐渐消失3） 基因重排 e.g.产生抗体的淋巴细胞在发育过程中的基因重排现象。4） DNA的修饰和异染色质化 真核生物通过异染色质化关闭某些基因；非活性区甲基化 程度高，主要是5-mC，少量6-mA。第58页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 转录活性的调节 1）染色体质的活化 活化的染色质DNA会出现一些DNaseI超敏位点，常出现在调节蛋白结合位点附近。

29、在真核DNA有约5%的胞嘧啶被甲基化为5甲基胞嘧啶，这种甲基化最常发生在某些基因5侧翼区的CpG序列- CpG岛。但在转录活性区很少甲基化，DNA甲基化与基因的表达呈反比关系，管家基因富含CpG岛，不被甲基化。 染色质中与转录有关的结构变化称染色质改型（chromatin remodeling）,包括组蛋白的酶促乙酰化/脱乙酰化。一般乙酰化与基因活化有关，脱乙酰化与基因沉默有关。第59页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 顺式作用元件(cis-acting element): 指在基因调控区域中不需要通过其编码产物而直接控制基因表达的DNA片段，如:启动子、增强子、沉默子、

30、绝缘子。 启动子：RNA聚合酶结合位点周围的一 组转录控制组件，一个转录起始点有一个以 上功能组件，TATA、CAAT、GC框等， CAAT、 GC框属上游控制元件，决定基因表达的基础 水平 。对于可诱导基因，还有对细胞内外信 号作出反应的应答元件（response element)2）启动子和增强子的顺式作用元件第60页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 增强子(enhancer)：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序列。通过启动子起作用，与距离无关，无方向性，具有组织特异性。 沉默子(silencer)：负性调节元件，是负调节蛋白的结合位点。 绝缘子（insulator）：阻止激活或阻遏作用在染色体上的传递，使染色体活性限定在结构域之内。第61页，共69页，2022年，5月20日，8点19分，