生物化学与分子生物学：18-第十八章 基因表达调控

第十八章基因表达调控RegulationofGeneExpression大肠杆菌绿脓杆菌金黄色葡萄球菌溶血性链球菌是什么机制在控制着遗传信息的传递规律?

1961年，Francis.J和Jacques.M提出操纵子学说，开创了基因表达调控研究的新纪元。1965年诺贝尔生理医学奖第一节

基本概念与原理

BasicConceptionsandCharacters一、基因表达是基因转录和翻译的过程是基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码基因，mRNA继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物。基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的。二、基因表达的特点（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)。（二）空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。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，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。基因表达调控（regulationofgeneexpression）就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。

三、基因表达的方式存在多样性按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达诱导或阻遏表达（一）组成性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)。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基因表达(constitutivegeneexpression)。（二）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。其在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。

如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。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)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。（三）协调调节四、基因表达调控受顺式作用元件和反式作用因子共同调节真核基因的编码序列上游，对基因表达起调控作用的区域，称为顺式作用元件(cis-actingelement)，包括启动子，增强子等。调节序列远离被调控的编码序列，实际上是其他分子的编码基因，只能通过其表达产物来发挥作用，这些蛋白质分子称为反式作用因子(trans-actingfactor)。基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质翻译翻译后加工修饰蛋白质降解等基本控制点五、基因表达调控呈现多层次和复杂性六、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

原核基因表达调控

RegulationofGeneExpression

inProkaryote

原核生物基因组结构特点①基因组中很少有重复序列；②编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷贝基因，但编码rRNA的基因仍然是多拷贝基因；③结构基因在基因组中所占的比例（约占50%）远远大于真核基因组；④许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列。原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子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)一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1)

启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp

tRNATyrlacrecAAra

BAD

TTGACA

TATAAT共有序列共有序列（consensussequence）:在转录起始点上游-10及-35区域存在的一些相似的序列。它们决定启动序列的转录活性大小。 特异因子：决定RNA聚合酶对启动序列的特异性识别和结合能力。 阻遏蛋白：可结合操纵序列，阻遏基因转录，介导负性调节机制。

激活蛋白：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，介导正性调节机制。2)

调节基因（regulatorygene）：编码能够与操纵序列结合的调控蛋白，可以分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。3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，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录，介导负性调节机制。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白激活蛋白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，介导正性调节机制。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。——激活蛋白(activator)的结合位点二、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子(lac

operon)的结构调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：通透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAImRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）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启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶ZOPDNAIYACCAPcAMP++++转录CAPCAPCAPCAP无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时CAPCAPCAPCAP（三）CAP的正性调节RNA-pol低半乳糖时(有阻遏蛋白)高半乳糖时(无阻遏蛋白)葡萄糖浓度低cAMP浓度高(有CAP)葡萄糖浓度高cAMP浓度低(无CAP)OOOOmRNA（四）协调调节mRNA※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(catabolicrepression)。

Trp

Trp

高时Trp

低时mRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶?三、色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达色氨酸操纵子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三节

真核基因表达调控

RegulationofGeneExpression

inEukaryote

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）单顺反子即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。（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——断裂基因二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚合酶（二）活性染色体结构变化1.对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，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、真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件(cis-actingelement)A、B分别代表同一基因中的两段特异DNA序列。B序列通过一定机制影响A序列，并通过A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。A、B序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件1.启动子真核基因启动子是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。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。这种调节作用称为反式作用。（二）反式作用因子(trans-actingfactor)cDNAaDNA反式调节C顺式调节

mRNAC蛋白质CBA

mRNA蛋白质AA通用转录因子(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。转录调节因子分类（按功能特性）通用转录因子特异转录因子特异转录因子(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：锌指模体(zincfinger)常结合GC盒C=半胱氨酸；H=组氨酸；F=苯丙氨酸；L=亮氨酸；Y=酪氨酸；Zn=锌离子图18-9锌指结构碱性螺旋-环-螺旋（basichelix-loop-helix,bHLH)（a）独立的碱性螺旋-环-螺旋模体结构示意图；（b）bLHL模体二聚体与DNA结合的示意图。两个-螺旋的碱性区分别嵌入DNA双螺旋的大沟内常结合CAAT盒常结合CAAT盒3.碱性亮氨酸拉链(basicleucinezipper,Bzip)（a）碱性亮氨酸拉链模体结构示意图；（b）bZIP模体与DNA结合的示意图。两个-螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨基酸残基的区域与DNA骨架上的磷酸基团结合（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，形成的转录起始复合物TATADNATBP相关因子六、转录后水平的调节（一）hnRNA加工成熟的调节（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物(ribonucleoprotein,RNP)进行。是一大家族小分子非编码单链RNA，长度约20~25个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为70~90个碱基的单链RNA前体(pre-miRNA)经Dicer酶剪切后形成。七、非编码RNA对基因表达的调节（一）微小RNA(microRNA,miRNA)作用：组成RNA诱导的沉默复合体(RISC)，阻止翻译，降解mRNA是细胞内一类双链RNA(double-strandedRNA，dsRNA)在特定情况下通过一定酶切机制，转变为具有特定长度(21~23个碱基)和特定序列的小片段RNA。双链siRNA参与RISC组成，与特异的靶mRNA完全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。由siRNA介导的基因表达抑制作用被称为RNA干涉(RNAinterference，RNAi)。（二）小干扰RNA(smallinterferingRNA,siRNA)

>30bp双链RNA（dsRNA）水解生成21-23nt

siRNA

5’3’3’5’

RISC形成

识别特异序列并使其降解RNA干扰作用机制siRNAmiRNA前体内源或外源长双链