分子生物学 第5章基因表达的调控课件

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基因表达的调控

GeneRegulation

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什么是基因表达？

基因是遗传信息的功能单位。基因表达就是基因经过转录和翻译合成mRNA和蛋白质，导致生物体功能表达的过程。基因表达的过程是十分复杂的，具有不同的形式和精确的调控。3基因表达中心法则4

什么是基因表达的调控？

是指基因在相应调控系统控制下有选择性、有序地、适量表达以适应机体生长、发育、繁殖以及环境变化的需要，以发挥其正常生理功能。转录水平，转录后加工翻译水平，翻译后加工5基因表达调控的特点是什么？

看家基因：

在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。较少受环境影响，在个体各生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小。Beta-actin,Tubulin,GAPDH.时间特异性:

在多细胞生物，从受精卵到组织、器官形成的各个发育阶段，相应的基因严格按照一定的时间顺序开启或关闭。（肿瘤干细胞）空间特异性:

在个体生长全过程，某基因产物在不同组织空间出现。（组织特异性表达）。6诱导表达：

有一些基因表达极易受环境影响，在特定环境信号刺激下，基因的表达开放或增强。阻遏表达：

在特定环境信号刺激下，基因的表达关闭或减弱。协同表达：

功能相关的基因共同表达

7基因表达调控的生理意义

适应环境、维持生长、发育、分化、凋亡、DNA修复和增殖等。8表达异常（过多或过少）产生疾病Oncogenes,TumorSuppressorgenes9

基因表达的调控原核生物（Prokaryote）真核生物（Eukaryote）10

原核生物基因表达的调控11一转录水平的调控

（一）影响转录的因素启动子σ因子阻遏蛋白正调控蛋白倒位蛋白RNA聚合酶抑制物衰减子12什么是操纵子？

大多数细菌基因转录单位为多顺反子，即多个基因串联构成一个转录单位，编码一个多肽链。这个含有调控基因和结构基因（编码区）的转录单位就是操纵子。13操纵子（operon）调控区信息区启动子操纵基因14启动子

和RNA聚合酶结合启动转录的区域

决定转录方向及模板链：E.coli的启动子长约40-60bp，至少包括三个功能区。起始部位（initiationsite）＋1结合部位（bindingsite）-10bp，RNA聚合酶与之结合识别部位（recognitionsite）-35bp，σ因子与之结合15σ因子：

识别启动子区，与RNA聚合酶形成转录复合体。不同的因子σ可以竞争性的结合RNA聚合酶,环境变化可由到产生特定的σ因子，从而打开一套特定的基因。阻遏蛋白（repressor）与DNA结合后都是抑制转录，这种基因表达调控的方式称为负调控。16正调控蛋白与DNA结合后促进转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。CAP蛋白(catabolicgeneactivatorprotein，CAP)分解代谢物基因活化蛋白ntrC蛋白是大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白，其自身活性可通过ntrB使其磷酸化（有活性）和去磷酸化（无活性）而被调节17consensusTATA(Pribnow)boxE.coliPromoters

18倒位蛋白（inversionprotein）是一种位点特异的重组酶。沙门菌H1和H2鞭毛蛋白分别由两个基因编码，在一个细菌克隆中以表达一种鞭毛抗原为主。衰减子（attenuator）又称弱化子，位于操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。19RNA聚合酶抑制物

细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA聚合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成减少或停止这种现象称为严谨反应（stringentresponse）20Positivevs.NegativeRegulation

21AllostericEffectorsBindingcanalsoberequiredforbindingofrepressor(e.g.Trp)orcanblockanactivator.22（二）转录的调控机制乳糖操纵子调控的机制阿拉伯糖操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制231.乳糖操纵子（lacoperon）结构特点三个结构基因Z、Y、A，分别编码β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)、透酶(permease)和半乳糖苷乙酰化酶(galactosideacetylase)其上游还有一个启动子（P）和一个操纵基因（O）启动子上游还有一个CAP蛋白结合位点24OrganizationofLacOperonandLacIOperonpromoterRibosomeinitiation25RegulationofGeneExpressionIPTGalsoinducesSplitslactoselactosetransport??（异丙基硫代半乳糖苷）半乳糖2627cAMPAMPACAdenylatecyclaseandCAPmediateglucoserepressionofLacAdenylatecyclase(AC)isanenzymethatsynthesizescyclicAMP(cAMP)fromATPHighglucose

adenylatecyclaseisinhibited(indirectly,viaacatabolicproduct)

ThereforecAMPlevelsareLOWAbsenceofglucoseadenylatecyclaseisNOTrepressed

ThereforecAMPlevelsareHIGHcAMPformsacomplexwiththeCAPprotein,whichallowsittothenbindtotheCAPsiteupstreamoftheLacoperon.BindingoftheCAPproteinisrequiredtoallowRNApolymerasetobindtothelacpromoterandturnontranscription.IntheabsenceofCAPbinding,thereisno(orverylittle)transcriptionofthelactoseoperon,eveninthepresenceoflactose.glucose28CAPBindingBendsDNAvThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding29CAPmediatesglucoserepressionofLacPromotestranscription30调控机制I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶作用进入细胞，在β-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构基因转录。31Lactose

Glucose-+--+-++LacICAP-cAMPFourStatesoftheLacOperon322.阿拉伯糖操纵子（araoperon）结构特点结构基因B、A、D，分别编码异构酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮糖调控区由启动子（P）、起始区（I）和操纵基因（O）构成33CAP34调控机制C基因是调节基因，编码调控蛋白AraC，AraC蛋白单独存在时，结合到araO1和araO2，表现出负调控；阿拉伯糖使AraC蛋白变构，结合到araI上，表现正调控。在ara操纵子基因表达调控中，CAP蛋白的调控作用不显著。35TheArabinoseOperon

ThislooppreventsRNAtranscription(NOTtrueforallloops)NoArabinosepresent,operonOFFArabinosepresent,Glucoseabsent,operonON36调控作用有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放373.色氨酸操纵子（trpoperon）结构特点E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色氨酸，上游调控区由启动子（P）和操纵基因（O）组成R基因编码阻遏蛋白3839GenomicOrganizationoftheTrpOperon

40调控机制阻遏型操纵子及衰减机制。衰减子位于结构基因E和操纵基因O之间的L基因中。L基因的部分转录产物编码14个氨基酸，其中含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的偶联是产生衰减的基础。调控作用将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。41ControlofGeneExpressionintheTrpOperonTheenzymecatalyzingthefirststepinthepathwayisinhibitedbyTrp(feedbackcontrol).InthepresenceofTrp,arepressorproteinbindstoanoperatorupstreamoftheTrpoperonandshutsofftranscriptionAttenuation.Thereisa160basepairregionintheTrpmRNAthatcausestranscriptiontoterminateprematurelyifTrpispresent.42TrranscriptionalControl43AttenuationControl44二翻译水平的调控SD序列（Shine-Dalgarnosequence）原核细胞多顺反子mRNA上的一段序列，位于起始密码子AUG上游，共有AGGAGG。SD序列与起始密码子的距离、蛋白质对SD序列的作用，影响翻译的起始mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用45mRNA的稳定性mRNA的降解速度是翻译调控的一个重要因素mRNA的稳定与其序列和结构（即一级结构与次级结构）有关46翻译产物对自身翻译的影响核糖体蛋白50种蛋白质分布于不同操纵子各自编码一种可结合于mRNA多顺反子上游特定部位的蛋白质，阻止核蛋白体结合翻译终止因子RF2调节自身的翻译前25个密码子与后315个密码子间的UGAC在无RF2时框移47小分子RNA的调控作用调整基因表达产物的类型mRNA干扰性互补RNA（mRNAinterferingcomplementaryRNA，micRNA）低水平表达基因的调控小分子RNA阻遏物在翻译水平严格控制低水平基因表达48

真核生物基因表达的调控4950真核生物和原核生物的比较一、高等真核生物基因组远比原核生物基因组大

E.coli4.6×106bp，4288个基因，平均每个基因约1100bp。真核生物啤酒酵母1.2×107bp，5885个基因，平均每个基因约2000bp

拟南芥1×108bp

水稻3.89×108bp

人3.3×109bp

小麦1.6×1010bp51真核生物和原核生物的比较二、真核生物有复杂的染色体结构DNA与组蛋白等结合形成染色质，染色质结构的变化可以调控基因表达

基因组分散在多个染色体上52真核生物和原核生物的比较三、在真核生物中，不同组织的细胞在功能上是高度分化的在动物胰脏细胞中不会产生视网膜色素，而在视网膜细胞中也会不产生胰岛素。真核细胞具有选择性激活和抑制基因表达的机制。53真核生物和原核生物的比较四、真核生物细胞的转录和翻译在时间和空间上是分开的

转录在细胞核中翻译在细胞质中54一

DNA水平的调控染色质丢失低等生物及动物红细胞，不可逆基因扩增基因重排基因片段改变原衔接顺序，重排为完整的转录单位551、基因剂量基因产物的需要量大，基因的拷贝数就多组蛋白是染色质的组成成分，需要量大，多数物种的基因组含有数百个组蛋白基因拷贝

562、基因扩增两栖动物蟾蜍的卵母细胞很大，是正常体细胞的100倍，需要合成大量蛋白质，所以需要大量核糖体。rRNA基因数目远远不能满足需要。在卵母细胞发育过程中，rRNA基因数目临时增加4000倍。卵母细胞的前体同其它细胞一样，含有600个18S和28SrRNA基因。基因扩增后rRNA基因拷贝数高达2×106。57一DNA水平的调控DNA水平上的调控是通过改变基因组中有关基因的数量和结构顺序而控制基因的表达。包括基因扩增基因丢失基因重排基因的化学改变其中有些改变是可逆的58基因扩增常发生在异常的细胞中。人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，导致细胞生长失控。癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。593、基因丢失马蛔虫2n＝2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。一部分细胞总是保留完整的基因组，将来发育为生殖细胞；丢失了部分染色体的细胞分化为体细胞。604、基因重排基因重排(generearrangement)是指DNA分子中核苷酸序列的重新排列。序列重排可以形成新的基因，也可以调节基因的表达。重排是由基因组中特定的遗传信息决定的，重排后的基因序列转录成mRNA，翻译成新的蛋白质。尽管基因组中的DNA序列重排并不是一种普通方式，但它是有些基因调控的重要机制，在真核生物细胞生长发育中起关键作用。

615、DNA的甲基化在真核生物DNA分子中，少数胞嘧啶碱基第5碳上的氢可以在甲基化酶的催化下被一个甲基取代，使胞嘧啶甲基化(methylation)。甲基化多发生在5′－CG－3′二核苷酸对上。有时CG二核苷酸对上的两个C都甲基化，称为完全甲基化，只有一个C甲基化称为半甲基化。甲基化酶可识别半甲基化DNA分子，使另一条链上的胞嘧啶也甲基化。62甲基化可以调控基因表达DNA的甲基化可以引起基因的失活。活跃表达的基因都是甲基化不足的基因。表达活性与甲基化程度呈负相关。甲基化的程度可以在转录的充分激活和完全阻遏之间起调节作用。把甲基化和未甲基化的病毒DNA或细胞核基因分别导入活细胞，已甲基化的基因不表达，而未甲基化的能够表达。

63DNA甲基化与基因的表达成反比关系直接改变基因的构型影响转录因子与顺式作用元件结合5′端调控序列甲基化后与核内甲基化CG序列结合蛋白结合DNaseⅠ高敏感区为去甲基化的标志染色质结构改变组蛋白与DNA结合与解离非组蛋白与组蛋白竞争结合DNA，解除组蛋白对基因表达的抑制64二转录水平的调控

(一)转录起始复合物的形成:真核生物的RNA聚合酶识别的不是单纯的DNA序列，而是由一个通用转录因子（transcriptionfactor,TF）与DNA形成的蛋白质-DNA复合物TFIID结合TATA盒RNA聚合酶结合TFⅡD，形成闭合的复合物其它TF与RNA聚合酶形成开放的复合物65在原核生物中，当几种酶参与同一个代谢途径时，往往编码这几个酶的基因同时被转录为一个mRNA，称为多顺反子mRNA。而真核生物基因都是转录成单顺反子mRNA的。

单顺反子和多顺反子66真核基因表达调控的顺式作用元件顺式作用元件(cis-actingelement)是指DNA分子上对基因表达有调节活性的特定核苷酸序列。顺式作用元件多位于基因上游或内含子中，只影响同一DNA分子上的基因。真核基因的顺式作用元件按其功能可以分为：启动子增强子静止子67增强子的结构增强子（enhancer）又称强化子（transcriptionalenhancer），是一种远端调控元件，通常位于－700～－1000bp处，所以又称为上游激活序列(upstreamactivatorsequence,UAS)。增强子区的跨度一般有100－200bp，和启动子一样，由一个或多个各具特征的DNA序列组成，常由8－12bp的核心序列和其他序列相间排列。增强子也要通过与特定的蛋白质因子(转录因子)结合而实现其对转录的增强作用。

68增强子的功能

与转录激活子（增强子结合蛋白）结合，改变DNA分子的构型；使DNA弯曲形成环状结构，使增强子与启动子直接接触，以便于转录复合体的形成69Organizationofthealphaglobingenesubfamily(a)onchromosome16andthebetaglobingenesubfamily(b)onchromosome11.Alsoshownistheinternalorganizationoftheα1gene

andthe

βgene.Eachgenecontains3exons(E-Ⅰ，E-Ⅱ，E-Ⅲ)andtwointrons.Thenumbersbelowtheexonindicatetheaminoacidsinthegeneproductencodedbyeachexon.70转录复合体的组装71转录复合体示意图（示增强子）72增强子竞争控制基因表达73静止子（缄默子）类似增强子但起负调控作用的顺式作用元件。有人称为沉默基因。静止子与相应的反式作用因子结合后，可以使正调控系统失去作用。

74典型的真核生物基因结构示意图75真核基因调控的反式作用因子不论是启动子还是增强子都必须与特定的蛋白质的相互作用才能调控基因的表达真核生物的RNA聚合酶不能直接启动转录。必须事先有一套转录因子装配到启动子上，RNA聚合酶才能启动转录。转录因子一般并不是RNA聚合酶的组成分。

76反式作用因子的功能反式作用因子通过不同的途径发挥调控作用：与顺式调控元件相互作用；与配基结合；与其它蛋白质相互作用。77⑶Tailinggeneexpressionandregulation-transcription78geneexpressionandregulation-transcriptionTranscriptionstartsitesRNAprocessingmRNATranscriptionstopsites79（tripletcode)（codon）geneexpressionandregulation-translationTranslationistheprocessbywhichribosomesreadthegeneticmessageinmRNAandproduceaproteinproductaccordingtothemessage’sinstructions80（二）反式作用因子真核细胞内序列特异的DNA（8-15bp）结合蛋白可以使基因开放（正调控）或关闭（负调控）三个功能结构域：DNA结合域，转录活性域，结合其它蛋白结构域81DNA结合域（DNA-bindingdomain）锌指结构（Zincfingermotif）同源结构域（Homodomain）亮氨酸拉链（Leucinezipper）螺旋－环－螺旋(Helix-loop-helixstructure)碱性α

螺旋（Alkalineα-helix）82ZincFingerMotif83Helix-Turn-HelixMotif84LeucineZipper85LeucineZipperZipper:every7thresidueisaLeuHydrophobicinterface86H-BondinginaProtein-DNAInteraction87转录活化结构域（transcriptionalactivationdomain）酸性α-螺旋结构域（acidicα–helixdomain）富含谷氨酰胺结构域（glutamine-richdomain）富含脯氨酸结构域（proline-richdomain）88三转录起始的调控反式作用因子的活性调节表达式调节合成后即有活性，不能积累共价修饰磷酸化、去磷酸化，糖基化配体结合激素受体蛋白质与蛋白质相互作用复合物的解离与形成89反式作用因子与顺式元件的结合反式作用因子的作用方式成环扭曲滑动Oozing反式作用因子的组合式调控作用组合式基因调控（conbinatorialgeneregulation）几种反式作用因子组合而发挥特定作用90四转录后水平的调控加帽和加尾的调控意义选择剪接的调控作用选择剪接（alternativesplicing）：exon，intron是否出现在成熟mRNA是可以选择的Exon选择，intron选择，互斥exon，内部剪接位点mRNA运输的控制91选择性剪接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，使翻译成的蛋白质在含量或组成上都可能不同。

9293mRNA的剪接大多数真核生物基因是不连续的，外显子与内含子相间排列而转录的时候外显子和内含子是一起转录的转录以后必须降内含子切除，才能形成成熟的mRNA分子这个过程成为剪接（splicing）94959697五翻译水平的调控翻译起始的调控阻遏蛋白的调控作用翻译起始因子的功能调控AUG对翻译的调控mRNA5