分子生物学表达调控

基因是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。基因的概念当前1页，总共97页。基因表达的概念基因所贮存的遗传信息通过转录及翻译产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程.表达产物:蛋白质或肽RNA当前2页，总共97页。

基因表达（geneexpression）（里→外）DNARNAprotein

mRNAtRNArRNAncRNAtranscriptiontranslationreplicationreversetranscription基因表达是基因产生功能的过程，是信息分子（DNA或RNA）转变成功能分子（protein或RNA）的过程。当前3页，总共97页。当前4页，总共97页。1.转录

RNApol合成RNA的过程，产生单链RNA互补于DNA，在某些病毒中则是互补于RNA模板。2.翻译

这是由核糖体实现的protein的合成过程，核糖体和tRNA解释mRNA含有的信息密码。

当前5页，总共97页。RNA的合成4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶转录单位：结构基因、启始子、终止子按碱基配对原则,沿5’---3’方向真核生物有三型RNA聚合酶分为起始阶段、延长阶级和终止阶段转录后的产物经加工成为成熟的RNA当前6页，总共97页。

转录的过程

1.起始●原核细胞RNA聚合酶与启动子相互作用●真核细胞RNA聚合酶、反式作用因子与顺式元件相互作用——拼板理论当前7页，总共97页。

2.延伸核心酶催化

磷酸化的RNA聚合酶催化，核小体解聚●原核细胞●真核细胞当前8页，总共97页。3.终止●原核细胞●真核细胞结合富含C的RNA区段，发挥ATP酶及解螺旋酶活性转录终止的修饰点处切离并加尾依赖ρ因子不依赖ρ因子RNA3‘端形成茎环结构当前9页，总共97页。转录后加工●原核细胞●真核细胞tRNA和rRNA需加工，mRNA不需加工tRNA、rRNA和mRNA均需加工1.原核细胞和真核细胞的差异当前10页，总共97页。2.真核生物mRNA的转录后加工●

5'端加帽●3‘端加尾●剪接（splicing）●

RNA编辑（RNAediting）3.真核生物成熟mRNA的运输成熟mRNA＋蛋白质→细胞核→细胞质当前11页，总共97页。蛋白质的合成合成体系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP、MgmRNA编码区的三个相邻核苷酸组成密码子tRNA起接合器作用，核糖体是合成场所和装配机核糖体循环：起始、肽链延长和终止翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚单位的聚合当前12页，总共97页。1.

翻译的基本过程

起始

形成翻译起始复合物延长

指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位终止

●原核细胞

RF1,RF2识别终止密码，RF3激活转肽酶释放肽链

●真核细胞

eRF同时具有上述功能当前13页，总共97页。2.肽链翻译后的加工修饰一级结构修饰:甲基化，乙酰化，糖基化空间结构修饰:Alzheimer3.蛋白质的分拣与转运当前14页，总共97页。第一节基因表达的基本规律原核生物:无细胞核,转录和翻译发生在同一空间,并以偶联的方式进行.真核生物:有细胞核,转录和翻译在不同空间进行,有时间上的先后顺序.

当前15页，总共97页。1组成性表达某些基因的表达是根据细胞的一般要求保持恒定水平，较少受环境因素影响。这些基因被称为管家基因.如细胞骨架蛋白、核蛋白体蛋白等

管家基因（housekeepinggene）在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。当前16页，总共97页。2可控型表达这类基因的表达是应细胞需要，或者说易受环境的影响。在特定环境中使基因表达增强的过程称为诱导(induction)，使基因表达减弱的过程称为阻遏(repression).

当前17页，总共97页。基因表达的基本规律(一)基因表达的时空特异性同一生物体各种细胞含有完全相同的基因组,在细胞内并非同时表达,而是根据生长,分化和发育等功能的需要,随环境和时间的变化,按照一定顺序先后表达,这叫做基因表达的时间特异性。基因在不同的组织或器官中的表达水平不同或表达基因的种类不同的现象叫做基因表达的空间特异性。当前18页，总共97页。(二)诱导表达和阻遏表达---调控的普遍形式管家基因和组成性表达:在细胞中持续表达,几乎不受内外环境的影响.---生命全过程必需.诱导和阻遏:调控的方式.在特定信号的刺激下,基因表达开放或上调的现象叫做诱导,反之表现为关闭或抑制的现象叫做阴遏.---对环境的适应.当前19页，总共97页。(三)基因表达受顺式作用元件和反式作用因子的调节顺式作用元件:与被调控序列在同一DNA链上反式作用因子:本质为蛋白质(转录因子)(四)基因表达调控的分子基础---生物大分子相互作用(五)多层次调控当前20页，总共97页。当前21页，总共97页。基因表达的调控

（geneexpressionregulation）是指各种细胞中相同的遗传信息，有规律的选择性、程序性、适度的表达以适应机体生长、发育、繁殖以及环境变化的需要，发挥其生理功能的调节和控制。当前22页，总共97页。基因表达调控的生理意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化当前23页，总共97页。

基因表达调控的要点(一)调控的细胞学基础原核生物真核生物prokaryote无真核结构的单细胞生物。包括细菌、蓝绿藻等。其DNA、protein、组成1个相当致密的类核，但无核膜与胞质分开。因为无核膜，基因受环境影响大。eukaryote单或多细胞生物，有核膜将染色体等有关物质包围在内与胞质分开，细胞有有丝分裂和减数分裂2种形式，具有这些特征的生物称真核生物。其细胞称为真核细胞。当前24页，总共97页。（二）调控最大特点原核生物真核生物

调控直接受环境及营养状况的影响。调控是为了适应环境获取营养达到生存即分裂繁殖的最优化（原核既无充足的能源贮备，又无高等植物制造有机物的本领）。所以调控体现1个“快”字，快速适应环境，获取营养，合成必需蛋白质、降解不必要成分。这是长期进化，获得的适应应变能力。（适应环境获取营养、解决“温饱”问题。）遗传程序调控、按“既定方针办”如动物1个受精卵，按遗传程序开开关关基因，发育成成熟个体，该遗传程序是构成胚胎发育和组织分化的基础。仅极少基因间接或直接受环境因素的影响。这一特点使真核在千变万化的环境下，主要组织或器官仍能维持正常功能（“处世不惊”）。当前25页，总共97页。（三）调控主要水平

真原核调控的主要水平（主调）都在转录水平。微调DNA水平转录后水平

翻译水平

翻译后水平（四）调控的基本方式真原核调控的基本方式都是通过1.蛋白质2.核酸和3.小分子化合物间的识别和相互作用。当前26页，总共97页。（五）调控物质的化学本质

蛋白质、核酸、小分子化合物。（六）调控模式原核有操纵子调控模型，已发现100多种。

真核Britten-Davidsen（法）模型尚未实验所证实。病毒基因表达调控各种病毒、噬菌体等除部分带有RNApol或逆转录酶外主要是利用宿主的基因表达调控系统。当前27页，总共97页。第二节原核生物基因表达调控原核生物基因表达的特点转录与翻译紧密偶联多顺反子mRNA操纵子是主要调节机制负性调节为主(阻遏蛋白的作用)转录起始是调节的关键点当前28页，总共97页。从调控方式来看，原核生物调控最重要的特点是操纵子模式。

从调控水平来看，主调在转录水平，翻译水平次之。原核基因表达调控当前29页，总共97页。操纵子（operon）概念

细菌体内的基因调节单位，由控制区和信息区组成。信息区包括功能相关的一组结构基因；控制区含操纵基因，启动子和CAP结合位点，有些含衰减子。

结构基因:多个(2-6)

调控序列：启动序列(promoter启动子):1个 操纵序列(operator操纵基因):

其它调节序列 在染色体上成簇串联排列当前30页，总共97页。

操纵子：调控序列结构基因

当前31页，总共97页。

一转录水平的调控

（一）转录起始的负调控如乳糖操纵子 结构基因：

Zβ-半乳糖苷酶

Y通透酶

A转乙酰基酶调控序列 操纵序列(O)

启动序列(P)

其它调节序列(I)

当前32页，总共97页。（二）转录起始的负调控如乳糖操纵子结构 操纵序列(O)

启动序列(P)

其它调节序列(I)

编码序列(Z,Y,A)

Zβ-半乳糖苷酶

Y透酶

A转乙酰基酶当前33页，总共97页。promoter半乳糖苷酶透酶乙酰基转移酶当前34页，总共97页。1960年:法国科学家Jacob-Monod提出乳糖操纵子概念大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源,但优先利用葡萄糖.当环境中葡萄糖缺乏时,开始利用乳糖或其它糖.当前35页，总共97页。乳糖操纵子调控机制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。当前36页，总共97页。阻遏蛋白的负性调节无乳糖时,lac操纵子处于阻遏状态:pI→转录→阻遏蛋白I→I+OZYA编码序列不转录

当前37页，总共97页。有乳糖时,经透酶催化并进入细胞,β-半乳糖苷酶催化生成为半乳糖

半乳糖+阻遏蛋白构象改变阻遏蛋白与O序列分离

ZYA转录 诱导剂:异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)当前38页，总共97页。（二）转录起始的正调控正调控蛋白

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CAP蛋白(catabolicgeneactivatorprotein，CAP)分解代谢物基因活化蛋白,可将葡萄糖饥饿信号传给许多操纵子→使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可利用其它的碳源。当前39页，总共97页。转录起始的正调控当前40页，总共97页。CAPmediatesglucoserepressionofLacPromotestranscription当前41页，总共97页。乳糖操纵子中的1组基因有2道开关:CAP结合到CAP位点发挥正控作用，乳糖诱导去阻遏，只有2道开关同时打开时，基因才能转录。乳糖操纵子的转录起始受到CAP和阻遏蛋白的双重调控，即正、负调控。当前42页，总共97页。

细菌优先利用葡萄（G）-葡萄糖效应

乳糖、G同时存在，细菌优先利用葡萄糖，在G耗尽之前，Lacoperon也不会表达。

当前43页，总共97页。Lactose

Glucose-+--+-++LacICAP-cAMPFourStatesoftheLacOperon当前44页，总共97页。二转录终止的调控依赖ρ因子或者依赖转录产物3’端发夹结构。色氨酸操纵子：转录衰减（attenuation）

衰减是转录-翻译的偶联调控。

当前45页，总共97页。

色氨酸操纵子（trpoperon）

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基因编码阻遏蛋白当前46页，总共97页。GenomicOrganizationoftheTrpOperon

ED-编码邻氨基苯甲酸合成酶（antlnanilatesynthetase）;C-编码吲哚甘油磷酸合成酶（indeleglycerol-phosphatrsynHietdse）;BA-编码Trp合成酶β亚基和α亚基

当前47页，总共97页。色氨酸衰减子1011当前48页，总共97页。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

终止密码子14aa前导肽编码区:第10、11密码子为trp密码子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……当前49页，总共97页。色氨酸操纵子调控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。

将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。当前50页，总共97页。阻遏（物）是Trpoperon的第一控制系统.衰减子（L）是Trpoperon的第二控制系统。色氨酸操纵子调控机制当前51页，总共97页。UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA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聚合酶终止当前52页，总共97页。作用机制胞内Trp↑→形成Trp-tRNA，核糖体很快通过片段1，并封闭片段2（“堵车”），片段1.2,2.3形成不了发夹结构，片段3.4形成发夹结构→形成一个不依赖ρ因子终止结构—衰减子，使前方RNApol脱落，转录终止。当前53页，总共97页。UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽15’trp密码子结构基因前导DNARNA聚合酶当色氨酸浓度低时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前导mRNA当前54页，总共97页。

胞内Trp↓没有Trp-tRNA供给；核糖体翻译停在片段1中2个Trp密码子前（等料），片段2、3形成发夹结构，3、4形成不了发夹结构→不能形成终止信号，RNA转录继续进行、EDCBA得以转录。转录衰减实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联。作用机制当前55页，总共97页。色氨酸操纵子当有色氨酸时，衰减子形成的二级结构不利于RNA聚合酶结合与转录，产生前导RNA。当无色氨酸时，其形成的二级结构有利于RNA聚合酶的结合与转录。产生全长RNA，催化色氨酸生成。当前56页，总共97页。衰减子与阻遏蛋白作用一致性当Trp↑但不足以诱导阻遏蛋白→衰减子也能使mRNA合成终止在EDCBA结构基因前，反之，当Trp↓失去了阻遏作用，只要能使前导肽继续合成，转录继续进行。这是对Trp浓度的一种更为精细、敏感调节。这样一个操纵子的1组基因就有2道开头，只有2道门都关了，才能阻遏结构基因转录。当前57页，总共97页。三翻译调控

作用:对转录水平调控的补充（一）稀有密码子对翻译的影响（二）翻译阻遏SD序列（三）mRNA稳定性对翻译的影响原核细胞位于起始密码子上游8-13bp.SD序列与起始密码子的距离、蛋白质对SD序列的作用，影响翻译的起始当前58页，总共97页。第三节真核生物基因表达的调控调控水平:多层次DNA水平转录水平转录后水平翻译水平翻译后水平的调控

当前59页，总共97页。一转录前的调控：DNA水平的调控染色质丢失基因扩增基因重排DNA甲基化染色质结构改变当前60页，总共97页。一转录前的调控（一）染色体结构对转录的影响

转录活化与非活化染色质在结构上有很大不同。转录活化区：DNA结构呈松散状，RNA聚合酶与其它蛋白质与DNA结合，此区对DNA酶Ⅰ敏感，常位于转录基因的5’侧1000bp内。

当前61页，总共97页。组蛋白的共价修饰：

核小体的核心组蛋白（H2A，H2B，H3，H4）的甲基化，磷酸化，乙酰化及泛素化。乙酰化

组蛋白乙酰化→降低核小体蛋白对DNA的亲合力→DNA结构呈松散状→转录发生组蛋白乙酰化酶（histoneacetyltransferase,HAT）组蛋白去乙酰化酶(histonedeacetylase,HDAC)当前62页，总共97页。（二）DNA甲基化在真核基因调控中有重要作用

常发生在胞嘧啶上，如CpG岛管家基因CpG岛多低甲基化，不表达基因多高甲基化。激素或致癌物使不表达基因调控区低甲基化重新开放。DNA去甲基化与DNaseI高敏区出现，为基因活化的标志。DNA甲基化与基因的表达成反比关系

高甲基化则低表达，低甲基化则高表达。

当前63页，总共97页。

表观遗传学（epigenetics）：

是研究遗传修饰影响基因表达和表型的机制、遗传方式与发育、疾病发生的关系，以及开发应用技术的一门分支学科。

指不改变基因序列而影响基因表达和表型的遗传修饰。包括：DNAmethylationhistonemodificationgenomicimprinting

当前64页，总共97页。表观遗传的特点：①可遗传性；②可引起基因沉默，但其作用机制与由基因突变引起基因沉默不同，具有一定的可逆性；③表观遗传可以影响遗传学过程；④目前已知DNA甲基化和组蛋白修饰是细胞中最重要的表观遗传修饰。二者可以协作共同调节基因转录。当前65页，总共97页。DNA甲基化位点主要是5’-CpG-3’中胞嘧啶C5。CpG在基因组中分布不均匀，主要存在于重复序列与CpG岛中。CpG岛主要存在于管家基因（housekeepinggene）和组织特异性表达基因的启动子区。DNA甲基化造成基因沉默当前66页，总共97页。CG岛与疾病

典型的DNA甲基化常发生在5’-CG-3’即“CpG”island-在人类基因组中存在成族的“CGIs”.CGIs常位于一些基因启动子区,如在肿瘤细胞中,由于一些抑癌基因启动子区CGIs的甲基化,导致这些基因不表达.

当前67页，总共97页。

DNA甲基化与疾病

DNA甲基化与环境密切相关。缺少甲基来源或保持甲基化转移酶活性必要营养素（如叶酸和维生素）的饮食，会使基因组范围甲基化水平降低，改变基因表达图谱，激活某些有害基因过表达，引起基因组不稳定性，进而影响表型。衰老作为环境因素的过程，可看到，随着增龄过程，基因组水平的甲基化作用呈衰减状态，但某些与生长分化相关的基因CpG岛甲基化作用呈进行性增长。当前68页，总共97页。

DNA甲基化的检测分两类特异位点的甲基化检测

甲基化特异性PCR(MS-PCR)

亚硫酸氢盐处理+测序

限制性内切酶分析(COBRA)

熔解曲线分析焦磷酸测序新的序列分析技术，快速地检测甲基化

全基因组的甲基化分析芯片测序当前69页，总共97页。

甲基化特异性PCR分析（MS-PCR）先用化学试剂（NaHSO3)处理模板DNA（50℃避光水浴16h

）,将所有未甲基化的胞嘧啶（C)转变成尿嘧啶(U)，在PCR扩增时，U与引物中A配对；而CpG岛上甲基化的C不受影响，在扩增时仍与G配对。

设计一对甲基化特异性引物（引物中G结合模板中C);和非甲基化特异性引物（引物中A结合模板中U),通过PCR扩增就可检测出甲基化修饰的DNA序列．

当前70页，总共97页。亚硫酸氢钠联合限制性内切酶分析

(COBRA)

亚硫酸氢盐处理DNA后PCR扩增,限制性内切酶(BstUI)消化。若识别序列(CGCG)中的C发生完全甲基化(5mCG5mCG)，则PCR扩增后保留为CGCG，BstUI能够识别并进行切割;若待测序列中，C未发生甲基化，则PCR后转变为TGTG，BstUI识别位点丢失，不能进行切割。酶切产物再经电泳分离。

当前71页，总共97页。甲基化敏感性高分辨率熔解曲线分析亚硫酸氢盐处理后，甲基化与未甲基化DNA存在序列差异，可通过熔解曲线分析来发现，因为甲基化DNA含有更多的GC，相对更难熔解。根据熔解温度及峰型的变化，可轻易区分完全甲基化、完全非甲基化或杂合甲基化。高分辨率熔解(HRM)技术可检出极微小的差别。当前72页，总共97页。当前73页，总共97页。染色质丢失低等生物及动物红细胞，不可逆基因扩增：是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性大量增加的现象。是细胞在短期内为满足需要而产生足够基因产物的调节手段。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当前74页，总共97页。基因扩增例：①非洲爪蟾（chan，癞蛤蟆）卵母细胞rRNA基因（rDNA）是一般体细胞的4000倍（2000000/500），这是由于卵母细胞rRNA的大量扩增，以适应胚胎发育对核糖体的大量需要。②氨甲蝶呤，重金属镉汞分别诱导二氢叶酸还原酶，金属硫铁Pr.及其它抗药性基因的扩增。③原癌基因拷贝数增加，其表达产物增加使细胞持续分裂导致癌变。当前75页，总共97页。

基因重排——是通过调整有关基因片段的衔接顺序，使之重排成为1个完整的转录单位。典例是免疫球Pr.Ig基因在B淋巴细胞和浆细胞生成过程的重排。

Ig有2条相同的重链和轻链，轻链包括恒定区、可变区及2者之间的连接区，每个区由DNA不同片段编码，不同区重排连接是抗体多样性（106）分子基础。

当前76页，总共97页。二转录水平的调控原核生物：启动子在缺少转录因子情况下就具有天然活性

真核生物：强力启动子在缺少调节蛋白的情况下往往没有活性正性调节是主要形式。基本共同点：转录起始的调节是关键点当前77页，总共97页。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当前78页，总共97页。顺式作用元件和反式作用因子（一）顺式作用元件增强子：增强真核细胞某些基因启动子功能的顺式作用元件。增强子特点：⒈顺向序列和反向序列均有作用；⒉上游和下游均有作用或内含子中均有作用；⒊无基因特异性。当前79页，总共97页。（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反式作用因子也叫转录因子：基础转录因子：特异转录因子：当前80页，总共97页。

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当