基因表达调控课件

医学分子生物学

参考书目:

生物化学(6版)周爱儒查锡良人民卫生出版社医学分子生物学冯作化人民卫生出版社RegulationofGeneExpression第一讲

基因表达调控第一节

基本概念与原理BasicConceptionsandPrinciple一、基因表达的概念*基因组(genome)

一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息（核苷酸排列顺序）或整套基因。*基因(gene)DNA双螺旋上的一个片断，载有相对独立而完整的遗传信息，特定条件下可表达生成一种产物。

基因经过基因激活，转录、翻译及相关加工，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或功能RNA，赋予细胞一定的功能或表型的过程。*基因表达(geneexpression)基因表达是为了特定目的、受调控进行的过程。二、基因表达的时间性及空间性（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(temporalspecificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）组成性(基本)表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。不同的管家基因表达水平高低不同，较少受环境因素影响，只受RNApol与启动序列(启动子)相互作用的影响。这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutivegeneexpression)。（二）诱导和阻遏表达诱导(induction):在特定环境信号刺激下，相应的基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。阻遏(repression):基因对环境信号应答是表达产物减少，这种基因是可阻遏基因。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（二）维持个体发育与分化第二节基因表达调控的基本原理*基因表达的多级调控基因激活转录起始

转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰一、基因转录激活调节基本要素关键在于RNApol与启动序列（启动子）形成有效的转录起始复合物。（一）特异DNA序列与调节蛋白以原核生物为主。真核生物以蛋白基因（RNApolⅡ）为主。*

原核生物

蛋白质因子——操纵子(operon)

机制特异DNA序列编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1.启动序列+1-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6GGGGGtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列共有序列(consensussequence)

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。2.

操纵序列—阻遏蛋白(repressor)的结合位点

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。与启动序列部分重叠。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白3.其他调节序列与调节蛋白

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。2.真核基因的调节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。

由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达，称为反式作用。

反式作用因子(trans-actingfactor)

cDNAaDNA

反式调节C顺式调节

mRNA

C蛋白质CbAmRNA蛋白质AA（三）RNA聚合酶1.原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶起动活性RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录起始原核：启动序列是否为（或）接近共有序列是关键。2.

调节蛋白与RNA聚合酶活性特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶起动活性。(1)改变基础转录频率。量的改变。(2)使RNA聚合酶识别不同的启动序列。质的变化。第二节

原核基因转录调节RegulationofProkaryoticGeneTranscription——调节的主要环节在转录起始一、原核基因转录调节特点（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性（二）操纵子模式的普遍性（协调调节）（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性（四）mRNA不需转录后加工*

操纵子调节机制1.操纵子即一个转录单位。启动序列2.操纵子包括调控区和编码区。操纵序列+1

调控区

结构基因123OPDNAI阻遏蛋白二、乳糖操纵子调节机制*

乳糖操纵子(lacoperon)的结构CAP结合位点启动序列操纵序列Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶

调控区

结构基因ZYAOPDNAImRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（一）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶++++转录（二）CAP的正性调节ZYAOPDNA无葡萄糖，cAMP浓度高CAPCAPCAPCAP启动转录mRNApolCAPcAMP有葡萄糖，cAMP浓度低CAP低半乳糖时高半乳糖时

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低mRNARNA-polOOOO（三）协调调节β-半乳糖苷酶活性增加100倍TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶?三、原核生物转录终止调节（一）转录衰减色氨酸操纵子UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子

终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1

形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时

转录衰减机制

125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子

结构基因前导DNARNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时

Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构四、原核生物翻译水平调节*起始阶段为主，关键在于起始位点能否被核蛋白体所作用。Pr和RNA均可为调节分子。1.

调节Pr：多作用于自身mRNA，结合于特定部位，阻止核蛋白体。2.

调节RNA：如反义RNA，与mRNA起始部位互补结合，阻断mRNA与小亚基结合。第三节

真核基因表达调节RegulationofEukaryoticGeneTranscription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3×109

碱基对编码基因约有40000个，占总长的6%rDNA等重复基因约占5%~10%（二）单顺反子（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

内含子的不同方式剪接，可形成不同的mRNA。二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚合酶多个亚基，有的共用，有的独有

TFⅡD：共用，通常是必需的。

TBP：TATA盒子结合蛋白

TAF：TBP相关因子（二）活性染色体结构变化1.对核酸酶敏感

活化基因常有DNaseⅠ超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。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4.组蛋白变化①富含Lys组蛋白水平降低②H2A,H2B二聚体不稳定性增加③组蛋白修饰④H3组蛋白巯基暴露（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工三、RNApolⅠ

和RNApolⅢ转录激活调节（一）RNApolⅠ（元件与因子较少）

核心元件与上游控制元件。

两种转录（调节）因子。（二）RNApolⅢ转录激活调节启动子位于转录区域内，称内部控制区（ICR），A盒与B盒。

TFⅢB为必需转录因子。四、RNApolⅡ转录激活调节（一）顺式作用元件1.启动子真核基因经典启动子是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上的功能组件。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。3.沉默子(silencer)

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.转录调节因子分类（按功能特性）*

基本转录因子(generaltranscriptionfactors)

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。*特异转录因子(specialtranscriptionfactors)为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录抑制因子含量2.转录调节因子结构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(zincfinger)C——CysH——His常结合GC盒ZnCysHis

2.螺旋-环-螺旋常结合CAAT盒（三）mRNA转录激活及其调节polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBP真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的转录前起始复合物（PIC）。TATADNATBP相关因子起始复合物（IC）

增强子DNA环EBPEBPTFⅡHP真核基因转录调节是复杂的、多样的*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、RNApolⅡ转录终止调节真核细胞及病毒在宿主中的表达。特点：抗终止。5'3'RNAHIVTat宿主蛋白RNApolⅡ六、转录后水平调节

mRNA在细胞的各个部位均与蛋白结合为RNP。稳定性降解运铁蛋白受体(TfR)mRNA的降解调节