医学分子生物学上课用基因表达调控详解演示文稿

医学分子生物学上课用基因表达调控详解演示文稿第一页，共七十九页。（优选）医学分子生物学上课用基因表达调控第二页，共七十九页。3基因表达(geneexpression)的定义生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的RNA或蛋白质的全过程。第三页，共七十九页。二.基因表达的特点

（一）时间特异性

阶段特异性

（二）空间特异性

组织细胞特异性第四页，共七十九页。5

按对刺激的反应性分为两大类：1.基本（组成型）表达

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，或变化很少。e.g.管家基因三、基因表达的方式第五页，共七十九页。管家基因（housekeepinggene）：某些基因在一个个体几乎所有细胞中持续表达。

常用的管家基因

β-肌动蛋白（β-actin）

甘油醛3-磷酸脱氢酶（GAPDH）TATA盒结合蛋白（TBP）18srRNA

微管蛋白α

（α-tubulin）

第六页，共七十九页。2.诱导和阻遏表达

诱导表达（inductionexpression）

阻遏表达（repressionexpression）e.g.奢侈基因在一定机制控制下，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(coordinateexpression)。第七页，共七十九页。四、基因表达调控的概念机体各种细胞中含有的相同遗传信息（相同的结构基因），根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因的过程。第八页，共七十九页。五、基因表达调控水平

基因组

转录

转录后

翻译

翻译后第九页，共七十九页。六、基因表达的调控因子

蛋白质（主要）

小分子RNA（某些环节）第十页，共七十九页。11第一节

原核生物基因表达调控

原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。本节主要以大肠杆菌为例介绍原核生物基因表达的调控。第十一页，共七十九页。只有一种RNA聚合酶基因表达以操纵子为基本单位一、原核生物基因表达的特点重点第十二页，共七十九页。操纵子学说开创了基因表达调控的研究F.JacobJ.L.Monod第十三页，共七十九页。14操纵子模型操纵子(operon)：指启动基因、操纵基因和一系列紧密连锁的结构基因的总称。O第十四页，共七十九页。3.转录和翻译偶联进行；4.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列——SD序列。共有序列为AGGAGG5.原核生物基因表达调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。

通常有两种方式：

（1）起始调控，即启动子调控

（2）终止调控（衰减子调控）第十五页，共七十九页。二、原核生物基因表达调控的机制（一）转录起始的调控（二）转录终止的调控（三）翻译水平的调控第十六页，共七十九页。（一）转录起始的调控1.σ因子与转录起始的调控第十七页，共七十九页。（1）σ因子调控RNA聚合酶与特异DNA区域结合：

确保RNA聚合酶与特异启动子序列稳定结合，而不是与其他热点结合。最早发现的σ因子：σ70新发现：σ32、σ54、σ28

不同的σ因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动子序列的特异性识别和结合能力。第十八页，共七十九页。（2）启动子序列TTGACATATAAT共有序列第十九页，共七十九页。

共有序列决定启动子序列的转录活性强弱。

某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动子序列的特异性识别和结合能力。第二十页，共七十九页。2.转录起始的负调控乳糖操纵子（lactoseoperon，lac）是原核生物基因转录负调控的最典型模式。第二十一页，共七十九页。22

乳糖操纵子的结构结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：半乳糖通透酶A：乙酰基转移酶调控基因I调控区CAP结合位点启动子操纵基因ZYAOPDNA第二十二页，共七十九页。23操纵子调控模式负调控&正调控

效应物（effector）

操纵子的开启与关闭都受到环境因子的诱导，这种因子能与调控蛋白结合，改变调控蛋白的空间构象，从而改变其对基因转录的影响，称为效应物。

——诱导物（inducer）

——辅助阻遏物（co-repressor）第二十三页，共七十九页。乳

糖

操

纵

子

的

负

调

控调节基因操纵基因乳糖结构基因PLacZLacYLacAmRNA

阻遏蛋白（有活性）基因关闭启动子ORPLacZLacYLacA调节基因操纵基因乳糖结构基因启动子ORmRNAzmRNAymRNAa

阻遏蛋白（无活性）基因表达mRNAA、乳糖操纵子的结构

B、乳糖的诱导

别乳糖或IPTG

阻遏蛋白（有活性）

Z：β-半乳糖苷酶Y：半乳糖苷透过酶A：乙酰基转移酶无乳糖存在时有乳糖存在时第二十四页，共七十九页。25

操纵基因在操纵子的位置是从-7至+28，RNA聚合酶所占的区域是从-35至+20，两者有部分重叠，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶与DNA的结合是相互排斥的。

第二十五页，共七十九页。26乳糖1,6-别乳糖（生理诱导剂）异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)——无偿的诱导剂

乳糖操纵子的诱导物第二十六页，共七十九页。3.转录起始的正调控阿拉伯糖操纵子是正调控的典型例子。第二十七页，共七十九页。AraC对阿拉伯糖操纵子的调节第二十八页，共七十九页。乳糖操纵子的正调控RLacZLacYLacAmRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表达CAP基因结构基因TCAPOCAP结合部位

RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系cAMPcAMP：环化一磷酸腺苷CAP：分解代谢基因活化蛋白，cAMP受体蛋白降低cAMP浓度使CAP呈失活状态第二十九页，共七十九页。30转录活性提高50倍无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时乳糖操纵子中CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP分解代谢阻遏(catabolicrepression)

由葡萄糖或其他分解产物抑制代谢其它糖的酶基因转录的现象称为分解代谢阻遏。第三十页，共七十九页。31

cAMP与葡萄糖相关性：葡萄糖↑，cAMP↓葡萄糖↓，cAMP↑

CAP的活性依赖cAMP，形成cAMP-CAP复合物，促进多种操纵子的转录起始。乳糖操纵子中CAP的正调控第三十一页，共七十九页。324.转录起始的复合调控

在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控。

糖代谢有关的操纵子，如lac操纵子第三十二页，共七十九页。阻遏蛋白与cAMP-CAP对操纵子转录的调控第三十三页，共七十九页。34乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节乳糖操纵子结构基因转录需同时具备两个条件：①有乳糖存在：阻遏蛋白与操纵基因解离②有cAMP：CAP-cAMP与CAP结合位点结合单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共存时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称为分解代谢阻遏。第三十四页，共七十九页。（二）转录终止的调控原核生物转录终止调控方式分两大类：依赖ρ因子的终止调控不依赖ρ因子的终止调控

例如：色氨酸操纵子的表达调控

此外，核糖体也参与转录终止。第三十五页，共七十九页。36色氨酸操纵子的结构及调控方式第三十六页，共七十九页。37Trp有Trp无TrpmRNAEDCBAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?转录衰减的调控6700个核苷酸140个核苷酸色氨酸操纵子的调控机制阻遏蛋白第三十七页，共七十九页。38UUUU……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:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子UUUU……1-2和3-4茎环2-3茎环第三十八页，共七十九页。39

衰减作用

当转录从起始位点启动后，RNApol在未到达结构基因编码区之前提前终止的现象。

衰减子(attenuator)

又称弱化子，是指原核生物操纵子中能显著减弱甚至终止转录作用的一段核苷酸序列，该区域能形成不同的二级结构，利用原核微生物转录与翻译的偶联机制对转录进行调节。第三十九页，共七十九页。40UUUU……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密码子衰减子结构可使转录前导DNAUUUU3’

RNA聚合酶

终止第四十页，共七十九页。41UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA

15’trp密码子结构基因前导DNA

RNA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第四十一页，共七十九页。42衰减子的调节方式普遍存在于大肠杆菌氨基酸生物合成的操纵子中，如Trp、Phe、Ile、Val等等。

Trp操纵子是通过先导肽的合成检测环境中Trp含量的细微变化，通过转录继续和转录提前终止对环境作出响应。这种调节是建立在转录、翻译同时进行的条件下。序列2-3之间形成的发夹结构是抗终止子。

序列3-4之间形成发夹结构是不依赖于Rho因子的转录终止信号。第四十二页，共七十九页。(三）翻译水平的调控翻译一般在起始和终止阶段受到调节。调控分子：RNA、蛋白质直接或间接决定翻译起始位点能否为核糖体所利用。第四十三页，共七十九页。反义RNA的调控作用反义RNA：能与特定mRNA互补结合的RNA片段，可抑制目的基因的表达。

天然的具有功能的反义RNA分子一般在200bp以下。又称为干扰性互补RNA（micRNA）第四十四页，共七十九页。反义RNA有三种作用方式：①与mRNA的5’端非翻译区包括SD序列结合，直接抑制翻译；②与mRNA5’端编码区密码子AUG结合，抑制翻译起始；③与mRNA的非编码区互补结合，使mRNA构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制mRNA的翻译。第四十五页，共七十九页。反义RNA在耐储藏番茄育种中的应用ACC基因（乙烯合成途径的酶类）（-）53mRNA（-）53（+）35cDNA

pCaMV35s-反义ACC基因

pCaMV35s-ACCmRNA反义ACCmRNA5335乙烯合成被抑制第四十六页，共七十九页。47反义RNA在耐储藏番茄育种中的应用第四十七页，共七十九页。2.RNA稳定性与调控的关系mRNA稳定性与其序列和结构有关。3.蛋白质合成的自身控制

如：核糖体蛋白第四十八页，共七十九页。第二节真核生物基因表达的调控

单细胞真核生物：如酵母，基因表达的调控和原核生物表达调控基本相同。

多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组DNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。第四十九页，共七十九页。一、真核生物基因表达的特点1.细胞全能性2.基因表达的时间性和空间性第五十页，共七十九页。不同发育时期珠蛋白基因表达和血红蛋白分子类型第五十一页，共七十九页。3.转录和翻译分开进行4.初级转录产物(hnRNA)要经过转录后加工修饰5.部分基因为多拷贝6.不存在操纵子结构第五十二页，共七十九页。53（一）DNA和染色体水平的调控二、真核生物基因表达调控的机制1.染色质的丢失：不可逆的调控。

线虫胚胎期：有1090个细胞

成虫：959个细胞

有131个细胞在发育过程中发生凋亡。第五十三页，共七十九页。542.基因扩增（geneamplification）当细胞对某种基因产物需要量剧增，单纯靠调节其表达活性不足满足需要，只有增加这种基因的拷贝数。

不适当的基因扩增可导致疾病的发生。第五十四页，共七十九页。553.基因重排：（generearrangement）指某些基因片段改变原来顺序而重新排列组合，成为一个完整的转录单位。调节表达产物多样性。第五十五页，共七十九页。564.基因的甲基化修饰

DNA上特定的CpG序列处的胞嘧啶发生甲基化修饰（5mC）。甲基化程度与基因的表达一般呈反比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降低。去甲基化，基因的表达增加。

GCGCGCGCGene第五十六页，共七十九页。异染色质化，可使连锁在一起的大量基因同时丧失活性，如雌性体细胞中的两条X染色体，会有随机一条出现异染色质化而失活。575.染色质结构对基因表达的调控作用

常染色质中疏松状态的活性染色质是基因转录前在染色质水平上独特的调控机制。

组蛋白与DNA结合的与解离是真核基因表达调控的重要机制之一。

非组蛋白作为反式作用因子调控基因表达第五十七页，共七十九页。（二）转录水平的调控第五十八页，共七十九页。真核生物基因转录调控：

以RNApolⅡ为例转录起始复合物的形成顺式作用元件（cis-actingelement）反式作用因子（trans-actingfactor）转录水平的调控机制第五十九页，共七十九页。转录起始复合物的形成真核生物RNApol识别由通用转录因子与DNA形成的蛋白质-DAN复合物。转录因子（transcriptionfactor，TF）TF不依赖RNApol而独立地结合DNA。第六十页，共七十九页。2.顺式作用元件(cis-actingelement)指某些影响基因表达但不编码蛋白质和RNA的DNA序列，按照功能分为启动子、增强子、负调控元件（沉默子、衰减子）等。第六十一页，共七十九页。（1）启动子（promoter）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）。决定RNApolⅡ转录起始点和转录频率的关键元件。第六十二页，共七十九页。（2）增强子（enhancer）指位于启动子上游或下游并通过启动子增强目标基因转录效率的DNA序列，增强子本身不具备启动子活性。位置距离及作用方向不固定决定基因表达的时空特异性第六十三页，共七十九页。（3）其他元件①沉默子（silencer）指在真核基因内抑制基因转录的DNA序列，与反式作用因子相互结合而起作用。不受距离和方向的限制，并可对异源基因的表达起作用。②终止子：加尾信号第六十四页，共七十九页。3.反式作用因子(trans-acting)能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件8～12bp核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质。在结构上含有与DNA结合的结构域。第六十五页，共七十九页。（1）反式作用因子根据作用方式分为三类：①通用转录因子。普遍存在的转录因子。元件名称共有序列转录因子及其结合DNA的长度TATAbox TATAAAATBP~10bpGCbox GGGCGGSP-1~20bp CAATbox GGCCAATCTCTF/NF1～22bp第六十六页，共七十九页。②组织特异性转录因子。与基因表达的组织特异性有很大关系。③诱导性反式作用因子。活性能被特异的诱导因子所诱导。第六十七页，共七十九页。68（2）转录因子结构DNA结合域转录激活域TF结合其它蛋白质结构域（如，二聚化结构域）第六十八页，共七十九页。69①最常见的DNA结合域：第六十九页，共七十九页。同源结构域（homeodomain，HD）

同源盒基因家族各基因间具有一相同的保守序列，称为同源结构域。所含的至少二个α螺旋中形成“转折”，第三个α螺旋与DNA大沟相互作用，使同源盒蛋白与DNA结合的主要力量。第七十页，共七十九页。71碱性-亮氨酸拉链二聚体亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成“拉链”。肽链氨基端20～30个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合。第七十一页，共七十九页。72螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix，HLH)第七十二页，共七十九页。②转录活化结构域——反式作用因子必须具备的结构基础