生物基因表达调

生物基因表达调第1页/共70页一、基因表达调控的基本概念：1、基因表达调控的意义：原核生物对环境的适应、对营养条件改变适应的相关应答，都是基因表达的结果；真核生物的细胞分化,组织特化,个体发育以及环境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。2、基因表达的调控的方式：transcriptionallevel；post—transcriptionallevel；translationallevel；post—translationallevel。第2页/共70页3、遗传信息表达的方式

组成型表达（constitutiveexpression）Housekeepinggene适应性表达(adaptiveexpression）Luxurygene第3页/共70页

指其表达几乎不随环境变动而变化的一类基因表达。该类型基因通常被称为管家基因(housekeepinggene)。2）、适应性表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化，基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)。如果某种物质能够促使细菌产生某种酶来分解它，这种物质就是诱导物。（分解代谢）1）、组成性表达：

第4页/共70页随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。如果某种物质能够阻止细菌产生与该物质合成相关的酶，这种物质就是辅阻遏物。（合成代谢）安慰诱导物：如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基-β

–D-硫代半乳糖苷）。第5页/共70页4、顺式作用(cis-acting)元件：指在原位发挥调控作用，仅影响与其相连的基因表达的一段DNA序列。经常与启动子相邻的一个顺式作用元件称为操纵基因(Operator)，它是调控蛋白：阻遏蛋白或激活蛋白的结合位点。当阻遏蛋白（或激活蛋白）和操纵基因结合时，就会阻止（或激活）RNA聚合酶启动转录，操纵基因下游的结构基因表达会因此被关闭（或开放）。第6页/共70页5、结构基因(Structuralgene)和调控基因(Regulatorgene)的概念。结构基因：编码蛋白质或RNA的任何基因。包括结构蛋白、具有催化活性的酶等。调控基因：是编码调控蛋白的基因，该蛋白可以调控其它基因的表达。第7页/共70页6、调控的关键是调控蛋白质与顺式作用元件的结合来调控靶基因的转录。这种相互作用可以通过两种方式进行：正(Positive)转录调控：如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因被转录表达，这样的调控是正转录调控。该调节蛋白称为激活蛋白。负(Negative)转录调控：在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控称为负转录调控。该调节蛋白称为阻遏蛋白。第8页/共70页一）、transcriptionallevelcontrol

Prok.operonstringentresponse应急反应attenuator衰减子1、Operoncontrol

(1961Jacob.&Monod.)二、基因表达调控的理论与模式第9页/共70页●各结构基因按一定比例协调翻译(Z:Y:A=5:2:1)●

P&O基因(cis)紧密连锁或彼此重叠●I基因(trans)位点不固定，编码一种反式作用因子，可以调控Z、Y、A结构基因的表达。含自己的启动子和终止子。1）、operonconcept●定义：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。LacoperonIpoZYA例如：特点：第10页/共70页2）、operoncontroltype

Negative&Positive

IgeneNeg.Pos.不加入I基因产物operonon加入I基因产物operonoff不加入I基因产物operonoff加入I基因产物operonon

repressor

NegativePositiveexpressor(apoinducer)无辅基诱导物（激活蛋白）（阻遏蛋白）（阻遏蛋白）（激活蛋白）第11页/共70页●

Negativecontrol一般是原核生物利用的调控方式，使原核生物更好的适应外界营养条件的变化。●

Positivecontrol一般是真核生物喜欢利用的调控方式。是一种灵活，严格，经济的调控机制●

RepressorbindingonOsiteExpressorbindingfrontpsite阻止转录启动激活转录启动阻遏蛋白激活蛋白第12页/共70页3）、Model●

SignalmolecularbeneededforbothtypesAddsignalmol.OperononAddsignalmol.OperonoffCo-repressorInducer(inducibleoperon)(repressibleoperon)（辅阻遏物）（诱导物）第13页/共70页负转录调控系统负控诱导调节负控阻遏调节调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor）阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合，使阻遏蛋白失活，结构基因转录；阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合，使阻遏蛋白产生活性，结构基因不转录。正转录调控系统正控阻遏调节正控诱导调节调节基因的产物是激活蛋白（activator）。效应物分子（诱导物）的存在使失去活性的激活蛋白处于活性状态；效应物分子（辅阻遏物）的存在使有活性的激活蛋白处于非活性状态。原核生物基因表达调控方式：第14页/共70页Operoncontrolmodel第15页/共70页A、Negative—inducibleoperon例(分解酶类lactoseoperon)

Igene

activerepressorIbindingonOperator38kd/monomertetramer152kd例如：在Lactoseoperon中第16页/共70页大肠杆菌乳糖操纵子的结构：第17页/共70页Z：编码β-半乳糖苷酶：将乳糖（β1，4糖苷键）水解成葡萄糖和半乳糖Y：编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。A：编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第18页/共70页Ogene(operator)cis-actionfactormRNAstartpointunwinding

RNApolymerasebindingRepressorbindingO&Poverlaprepressor&RNApolymerasebindatsitesthatoverlaparoundthestartpointofLacoperonrepressor&RNApolymerase对重叠位点竞争第19页/共70页---调控机理Inducer(lactose)与repressor特异结合作用于O

位点上的repressor

变构脱离O位作用于游离的repressor无诱导剂时：repessortetramer与operator发生特异结合

operonoff

变构失去结合于O位的能力当培养基中有诱导剂时：第20页/共70页调控机理第21页/共70页调控机理第22页/共70页葡萄糖对lac操纵子的影响如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，lac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。该现象称为葡萄糖效应其原因是代谢物阻遏效应。第23页/共70页B、Negative—repressibleoperon(合成酶类)tryptophansyntheaseoperonRgeneinactiverepressorCo-repressor(tryptophan)色氨酸是一系列酶促反应的终产物辅阻遏物第24页/共70页trpRPOEDCBAtrpRPOEDCBAtryptophan调控机理Operatoroperonoffoperononrepressor+trpactiverepressorRepressor(inactive)cannotbindontheOsite(trpabsent)第25页/共70页InactiveexpressoractiveexpressorC、Positive—inducibleoperon(多为分解酶类)IinactiveexpressoroperonoffinduceractiveexpressorbindingonfrontPsite激活RNApolymerase启动（失活的激活蛋白）第26页/共70页e.g.cAMPcontrol

(universalcontrollingsystem)LacoperonopenbutnotranscriptsGlucoseWhy?LactoseE.coli当大肠杆菌在培养基中发现葡萄糖和乳糖时，它分解利用葡萄糖，而抑制乳糖的利用。这种选择是通过阻止包括乳糖操纵子、半乳糖操纵子和阿拉伯糖操纵子等的表达来实现的。这种作用被称为代谢产物阻遏(Cataboliterepression)作用。第27页/共70页ATPpppcAcAMPpcA5’-AMPpcAI(capgene)(catabilitegeneactivatorprotein)+细胞中葡萄糖水平低，较低的葡萄糖代谢中间产物Lac.OperonIPO腺苷酸环化酶激活细胞中葡萄糖水平升高,较高的葡萄糖代谢中间产物激活磷酸二酯酶二聚体激活聚合酶第28页/共70页

cAMP—CAP具有广泛生理效应的正控制系统存在于多种基因表达调控体系中LacoperonexpressioncAMP(Positive-inducible)lactose(Negative-inducible)第29页/共70页activeexpressorcoexrepressorD、Positive—repressiblecontrolIactiveexpressor(apoinducer)

operononCo-repressorInactiveexpressoroperonoff（正控阻遏调节）第30页/共70页2、stringentresponsecontrol1）、基本概念

应急反应(Stringentresponse)：细菌处于极差的生长条件下，由于缺乏足够的氨基酸，蛋白质合成受到抑制，因而细菌会关闭大量的代谢过程，这就是应急反应或应急调控。

stringentresponse

是对任何氨基酸饥饿时表现的一种广泛的调节机制。第31页/共70页

stringentresponsecontrol2）、相关因子

stringentfactor(Relgene）

pyrophosphatetransferase（焦磷酸转移酶）Rel+stringentfactorunchargedtRNAinAsite(P)PPGATPAMPppGpppppGpp10

up

应急反应底触发：细胞核糖体A位点上空载tRNA的增多。第32页/共70页signalmolecularppGpp+RNApolRNApol.不易变构聚合酶不能识别大部分启动子导致大部分基因转录的停止。第33页/共70页当细菌的生存条件恢复正常时，一种名为spoT的基因编码降解ppGpp的酶。它能以约20秒的半衰期快速将ppGpp（pppGpp）降解；

应急反应能随着(p)ppGpp的消失很快逆转；应急反应的消除：第34页/共70页4、Attenuatorcontrol1)discovery●

E.colitrpsynthetaseoperon(

CharlesYanofskystanford.U)Negative—repressibleoperon

但还发现了另外一种奇怪的现象？？IPOleadingseq.EDCBAtrp+（弱化子）第35页/共70页●

leadingsequence中存在精细微调的机制I+;operonoffE酶活低iC;operononE酶活高(~70倍)trpa+与trpa-的E酶活差异(~10倍)在于Leadingseq.IpoL.S.EDCBAgenotypeI+iCtrpa+0.1711.8trpa-1.82100Whenrichtrp测定E酶活Controlstheoperonovera700-foldrangefromfullinactivetofullactive第36页/共70页S.D.Seq14aminoacidleaderpeptidestopUGAtrpE2)trpoperonRNA一级结构分析162碱基withpoly(U)；27—68baseORFof14aa;trphighfrequencywith1/7in14aa(2个）；1141211261341402768Trp1/7整个一级序列可以分为四段（1、2、3、4区），其中1、2区，3、4区以及2、3区可以形成茎环结构。第37页/共70页1-2/3-42-3第38页/共70页由于Trp缺乏，核糖体停留在1区，导致2、3区配对，RNA聚合酶可以越过4区，进入结构基因的翻译。3)调控机制Trp较丰富，核糖体很快进入2区，导致3、4区配对，形成终止子结构，RNA聚合酶脱落下来，合成140碱基的RNA第39页/共70页4)Attenuatorcontrol的生物学意义原核生物细致的精细调控机制，增强原核生物对环境的适应性衰减作用约10倍作用于转录物。在缺乏色氨酸时，所有的RNA聚合酶都经过衰减子继续参与转录。加上取消阻遏增加的约70倍的表达，缺乏色氨酸时，色氨酸操纵子表达量增强约700倍。第40页/共70页5、σ因子的更换

在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。第41页/共70页大肠杆菌中的各种σ因子比较σ因子编码基因主要功能σ70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控σ54rpoN参与多数氮源利用基因的调控σ38rpoH分裂间期特异基因的表达调控σ32rpoS热休克基因的表达调控σ28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控σ24rpoE过度热休克基因的表达调控第42页/共70页温度较高,诱导产生各种热休克蛋白由σ32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要第43页/共70页二）、Translationallevelcontrol1.重叠基因对Operon内各基因以一定比例的协调翻译的影响：

Trp操纵子五个基因在正常时，翻译效率是相等的；

由于E和D基因有部分重叠，可以保证E和D基因翻译量是相等的。POIEDCBA

UGAAUG

UGAAUG第44页/共70页3.InformasomemRNA+自身翻译产物infomasome储存信息绵羊的受精卵第四次卵裂前核基因不转录，利用卵细胞质中储存的mRNA完成细胞分裂2.利用稀有密码子对操纵子中的基因翻译进行调控

对蛋白质翻译速率的调控------------N’NN’--------codonusage低tRNA少，停工待料，翻译速率慢第45页/共70页4.mRNA的寿命对翻译的调节

●原核生物中mRNA半衰期较短，一般为2-3分钟

（频繁更新，适应环境）

●真核生物中不同基因mRNA半衰期相差很大降解速率明显不同

第46页/共70页三）、Geneexpressioncontrolinpost-translationlevel1）、蛋白质合成方式---游离的核糖体

InEuk.---核糖体附着在粗糙内质网(roughendoplasmicreticulumRER)蛋白质合成扩散在细胞质内进入cis-Golgibodyinter-golgibody选择，加工，分泌，扩散tran-golgibody合成蛋白质高尔基体中间高尔基体反面原核生物：第47页/共70页2.proteindegradation1）、proteindegradation的调控是生理代谢的需要各类蛋白的半衰期几乎恒定e.g.inlivercellofmouseOrnithinedecarboxylase0.2hrRNApolA0.33hrTrpoxygenase2.5hrsSerdehydrogenase4.0hrsRNApolB12hrs结构蛋白，储藏蛋白半衰期长，结构稳定催化酶类，代谢酶类半衰期短，不断更新（鸟苷酸脱羧酶）加氧酶脱氢酶第48页/共70页2)蛋白质降解机制自身结构，电荷状况泛素标签，降解标志（Ubiquitination）---Ubiquitin8.5kd,76aa,acidicprotein；

---其功能是检测、识别到达寿命的蛋白；---进化高度保守

yeast----3aadifferent---human---E1,E2,E3enzymebeneededforubiquitination知之甚少，只知与蛋白质的下列情况相关：泛素的特点：第49页/共70页OUbi.~Lys—C—OHE1-SH+ATPE2—SHOUbi.~Lys—C—S—E1OUbi.~Lys.—C—S--E2AMP+ppiE1—SHUbiquitination第50页/共70页OUbi.~Lys.—C—S--E2targetingprotein(E3对靶蛋白N-endaa的识别)Degradation

Ubi.~Lys.—targetingproteinE2—S蛋白酶体第51页/共70页被E3识别的N-endaamarkeroftargetingprotein

Met,Gly,Ala,Ser,Thr,Val>20hrs(稳定因子)

Ile,Glu~30’(不稳定因子)Gln~10’

Leu,Phe,Asn,Lys~3’(极不稳定因子)Arg~2’Pro~7’N-endaaoftargetingproteinhalf—life-N端氨基酸种类对蛋白质寿命的决定性，从原核到真核生物高度一致；－－N末端的氨基酸种类决定了细胞中蛋白质的寿命：原因：该氨基酸决定了被E3识读结合难易程度；第52页/共70页3.Polypeptidesfolding中心法则留下的又一“发展领域”polypeptides?DNARNAprotein(如何完成修饰，折叠，去折叠，组装)第53页/共70页1）、insulinHowtoprocess&fold?30aa21aa第54页/共70页SHSHSHSHCCCCCOO_SHSH

NCCS.S.Pre-pro-insulinSSSSCCCCCOO_SSCCS-SPro-insulin

NSSSSCCCCCOO_CCSSS-SinsulinN信号序列第55页/共70页三、真核生物基因表达调控的特殊类型（一）genecopies的改变a)基因的丢失（DNAfragmentorchromosomelose）在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。第56页/共70页b)基因的扩增(特定基因在特定阶段的选择性扩增)基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。第57页/共70页（二）、

转录区染色质的结构对基因表达的控制按功能状态的不同可将染色质分为常染色质和异染色质；常染色质是指具有转录活性的染色质；异染色质是指没有转录活性的染色质。常染色质往往具有疏松的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合，同时，有利于RNA聚合酶在转录模板上滑动。第58页/共70页常染色质在结构上的特点：常染色质上具有DNaseI超敏感位点；常性染色质上具有基因座控制区；常性染色质上具有核基质结合区（MAR序列）。第59页/共70页1、DNaseI超敏感位点：每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，大部分位于基因启动子区域。2、核基质结合区（matrixattachmentregion，MAR）：与细胞核骨架结合的DNA序列