第六章基因表达调控详解演示文稿

第六章基因表达调控详解演示文稿当前第1页\共有82页\编于星期五\10点优选第六章基因表达调控当前第2页\共有82页\编于星期五\10点基因表达调控：生物体通过特定的蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用来控制基因是否表达，或调节表达产物的多少以满足生物体的自身需求以及适应环境变化的过程。当前第3页\共有82页\编于星期五\10点第一节基因表达调控的基本规律当前第4页\共有82页\编于星期五\10点（一）基因表达具有时空特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序先后发生，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)。当前第5页\共有82页\编于星期五\10点当前第6页\共有82页\编于星期五\10点一个基因是不是所有组织中表达？肝细胞、肾细胞等基因组是一样，为什么功能不同？当前第7页\共有82页\编于星期五\10点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)。在个体生长发育全过程，某种基因产物在个体按不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。当前第8页\共有82页\编于星期五\10点同一个体内的不同器官、组织、细胞的差异性的基础是特异的基因表达或称为差异基因表达(differentialgeneexpression)。细胞的基因表达谱(geneexpressionprofile),即基因表达的种类和强度决定了细胞的分化状态和功能。换句话说，在个体内决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表达模式(geneexpressionpattern)当前第9页\共有82页\编于星期五\10点（二）诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普遍方式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)。1.组成性表达按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：当前第10页\共有82页\编于星期五\10点无论表达水平高低，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基本(组成性)基因表达(constitutivegeneexpression)。仅受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而不受其他机制调节。当前第11页\共有82页\编于星期五\10点2.诱导和阻遏表达适应性表达(adaptiveexpression)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。

诱导阻遏

当前第12页\共有82页\编于星期五\10点是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。如:DNA发生损伤时，修复酶的诱导激活。诱导表达（induction）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。当前第13页\共有82页\编于星期五\10点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。阻遏(repression)如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭当前第14页\共有82页\编于星期五\10点一个基因是否表达和表达多少与调节序列（regulatorysequence）密切相关。调节序列位于被调控的结构基因（structuralgene）的上游，具有特定的核苷酸序列。根据调节序列与结构基因的相对位置关系，人们将这些调节序列称为顺式作用元件（cis-actingelement），包括启动子（promoter）、增强子（enhancer）、沉默子（silencer）等。（三）基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节当前第15页\共有82页\编于星期五\10点顺式作用元件（cis-actingelement)是同一DNA分子中具有转录调节功能的特异DNA序列。

反式作用因子(trans-actingfactor)

是指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质。

当前第16页\共有82页\编于星期五\10点顺式/反式的调节方式当前第17页\共有82页\编于星期五\10点（四）蛋白质-DNA及蛋白质-蛋白质的相互作用是基因表达调控的分子基础指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。1)DNA-蛋白质相互作用结合位点：双螺旋DNA的大小沟当前第18页\共有82页\编于星期五\10点绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。2)蛋白质-蛋白质相互作用二聚化是指两个相同的分子形成的二聚体。同（质）二聚体异（质）二聚体当前第19页\共有82页\编于星期五\10点（五）基因表达调控是多层次的复杂调节当前第20页\共有82页\编于星期五\10点第二节原核生物的基因表达调控当前第21页\共有82页\编于星期五\10点真核生物和原核生物基因表达的对比当前第22页\共有82页\编于星期五\10点原核生物基因组是一个闭合环状的DNA分子。原核生物的细胞结构也比较简单，它的全部物质（DNA，RNA和蛋白质）都包容在细胞膜内。原核生物基因组的转录和翻译在同一空间内完成，时间上的差异不大。在转录过程终止之前，mRNA就已经结合在由rRNA和核蛋白体蛋白共同构成的核蛋白体上，开始了蛋白质的生物合成。当前第23页\共有82页\编于星期五\10点1969年，J.R.Beckwith从大肠杆菌的DNA中分离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。

一、转录水平调控是原核生物基因表达的关键环节当前第24页\共有82页\编于星期五\10点（一）操纵子是原核生物基因表达调控的基本单元操纵子是原核生物基因组构的基本单位，也是基本转录单位，由结构基因和调控序列组成。

编码序列启动序列操纵序列其他调节序列(promoter)(operator)当前第25页\共有82页\编于星期五\10点（二）乳糖操纵子模型诠释了原核生物转录起始诱导的基本机制当前第26页\共有82页\编于星期五\10点mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因当前第27页\共有82页\编于星期五\10点LacI阻遏蛋白的阻遏作用阻遏蛋白的四聚体结合在操纵序列上，抑制了lac操纵子中结构基因的表达。当前第28页\共有82页\编于星期五\10点mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶当前第29页\共有82页\编于星期五\10点CAP的结合位点CAP：catabolitegeneactivationproteinCAP的结合位点在-60处。CAP以同源二聚物的形式与cAMP结合，这个复合物结合在CAP结合位点上。外环境中葡萄糖的减少可以增加cAMP合成。当前第30页\共有82页\编于星期五\10点（三）乳糖操纵子的高效表达需要另外的正调控方式葡萄糖效应：培养基中有葡萄糖存在时，即使有乳糖存在，不诱导靶基因表达。这样的操纵子称葡萄糖敏感操纵子。这种效应由一种正控制机制决定。葡萄糖抑制操纵子的原理：

葡萄糖→腺苷酸环化酶活性降低→ATP无法转变成cAMP→不能形成CAP-cAMP复合蛋白→RNA酶无法结合在DNA上→结构基因不表达。当前第31页\共有82页\编于星期五\10点乳糖操纵子的协同调控当前第32页\共有82页\编于星期五\10点乳糖操纵子的意义阻遏蛋白的抑制作用和CAP介导的正调控共同担负着原核生物体系内糖源的协调利用。乳糖操纵子的协调调控方式保证了葡萄糖是原核生物体系优先利用的碳源，并只有在葡萄糖完全耗尽后，原核生物才利用乳糖作为碳源。当前第33页\共有82页\编于星期五\10点trpoperon当前第34页\共有82页\编于星期五\10点二、翻译水平调控是对转录调控的补充（一）转录与翻译的偶联调控提高了基因表达调控的有效性trpoperon的有效关闭还有一种属于促进已经开始转录的mRNA合成终止的方式来进一步加强，称为转录衰减。当前第35页\共有82页\编于星期五\10点色氨酸操纵子（trpoperon）结构基因：trpE、trpD、trpC、trpB和trpA上游调控区：调节基因（trpR）、启动子（P）和操纵序列（O）。启动子（P）和操纵序列（O）有部分重叠。当前第36页\共有82页\编于星期五\10点开放状态的色氨酸操纵子

当培养基中色氨酸含量很少时，trpR阻遏蛋白以同源二聚体的形式存在，不能与操纵序列O结合，使得RNA聚合酶能够启动转录。当前第37页\共有82页\编于星期五\10点关闭状态的色氨酸操纵子

当色氨酸含量丰富时，色氨酸与色氨酸阻遏蛋白结合，使其能够与操纵序列结合，抑制转录。色氨酸被称为辅阻遏剂（corepressor）。当前第38页\共有82页\编于星期五\10点色氨酸操纵子mRNA前导序列当前第39页\共有82页\编于星期五\10点前导序列L的结构特点：①可转录生成一段长为162bp、内含4个特殊序列的前导mRNA②其中序列1有独立的起始和终止密码，可翻译成为一个有14个氨基酸残基的前导肽③序列1和序列2间、序列2和序列3间、序列3和序列4间存在一些互补序列，分别都可以形成发夹结构④序列4下游有一个连续U序列，是一个不依赖ρ因子的转录终止信号当前第40页\共有82页\编于星期五\10点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……当前第41页\共有82页\编于星期五\10点转录中的色氨酸操纵子

当色氨酸的浓度降低时，核蛋白体在合成前导肽的两个色氨酸部位上出现暂停，占据了序列1。而此时的转录仍在进行，序列2和序列3形成了稳定的2:3茎-环结构。RNA聚合酶可以转录5个结构基因。当前第42页\共有82页\编于星期五\10点转录衰减子终止了转录

当色氨酸含量丰富时，有足够的色氨酸用于合成前导肽。核蛋白体可顺利通过序列1，并继续向前与序列2结合。核蛋白体与序列1和序列2的结合，使序列3和序列4形成了3:4茎-环结构。这一结构与随后的多聚U序列使RNA聚合酶终止了转录。当前第43页\共有82页\编于星期五\10点当前第44页\共有82页\编于星期五\10点衰减子（attenuator）

前导序列起到了随trp浓度升高而降低转录的作用，故将操纵子前导区内一段类似于终止子结构的DNA序列称为衰减子，其作用是减弱操纵子的转录，实现对转录过程的精确调节。在trp操纵子中，阻遏蛋白对结构基因转录的负调控起到粗调作用，而衰减子起到精调的作用。当前第45页\共有82页\编于星期五\10点（二）SD序列影响翻译起始速度（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的结合实现翻译起始的调控（四）mRNA密码子的编码频率影响翻译的延伸速度当前第46页\共有82页\编于星期五\10点第三节真核生物的基因表达调控当前第47页\共有82页\编于星期五\10点真核生物的基因表达调控比原核生物复杂得多：真核基因组比原核基因组大得多真核基因组只有10%的编码序列，其余序列功能尚不清楚真核生物编码蛋白质的基因不连续真核生物是单顺反子结构真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构成染色质，这种复杂结构直接影响着基因表达真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在于线粒体DNA上当前第48页\共有82页\编于星期五\10点真核生物体系的基因表达要比原核生物体系基因表达复杂的多，其原因在于：大小不同。大肠杆菌基因组的长度为4×106bp，约有4000个基因；而哺乳类基因组的长度为~109bp，约有3万~3.5万个基因。编码特性不同。原核基因组的大部分序列都是编码基因；而哺乳类基因组中只有10%的序列编码蛋白质、rRNA和tRNA等，其余90%的序列功能至今尚不清楚。当前第49页\共有82页\编于星期五\10点连续性不同。原核生物的基因是连续的，转录后即可被翻译成为蛋白质；而真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，含有外显子和内含子。转录产物需去除内含子后，才能成为成熟的mRNA。排列方式不同。原核生物的基因是以串联的形式排列的，可转录出多顺反子的mRNA；而真核生物是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子。真核细胞的许多功能蛋白是由多个多肽链构成的，因此需要多个基因的协调表达。当前第50页\共有82页\编于星期五\10点序列重复度不同。原核基因组中基本上没有重复序列；而真核细胞基因组存在着大量的重复序列（repetitivesequence）。存在的形式不同。原核基因组是裸露的环状双链DNA；而真核基因组与组蛋白结合构成了核小体，具有串珠形状的双链DNA再经盘绕和浓缩后形成染色质，组装在细胞核内。遗传信息的载体不同。原核基因组的遗传信息存在于DNA上；而真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在线粒体DNA上。当前第51页\共有82页\编于星期五\10点基因表达的时空性不同。原核细胞中基因表达在同一空间完成，而且时间性差异也较小，而真核细胞中细胞核的存在使得转录和翻译过程表现出空间和时间上的差异。基本调节方式不同。处于基本状态下的原核生物基因转录具有天然活性，因此多采用负调控机制；虽然真核细胞具有正、负两种调节机制，但是正性调节是主要形式，即需要使得每个真核细胞基因活化才能被转录。当前第52页\共有82页\编于星期五\10点当前第53页\共有82页\编于星期五\10点一、真核生物染色质结构直接影响基因转录1.转录活化的染色质对核酸酶极为敏感被激活的染色质上常出现一些对核酸酶高度敏感的位点，称之超敏感位点（hypersensitivesite）。超敏感位点通常位于被活化基因的5′-侧翼区1000bp内，但有时也会出现在更远的5′-侧翼区或3′-侧翼区。许多超敏感位点是核小体相对缺少的区域，使得调节蛋白易与之结合。当前第54页\共有82页\编于星期五\10点2.转录活化的染色质的组蛋白发生改变①富含Lys的H1组蛋白水平降低②H2A-H2B二聚体不稳定性增加③组蛋白修饰H3组蛋白巯基暴露

组蛋白乙酰化酶（HAT）组蛋白去乙酰化酶（HDAC）当前第55页\共有82页\编于星期五\10点3.RNA聚合酶结合位点的上游和下游具有不同的超螺旋构象RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后当前第56页\共有82页\编于星期五\10点4.CpG岛甲基化水平降低真核生物DNA中，约有5％的胞嘧啶被甲基化为5-甲基胞嘧啶，并与其3′的鸟嘌呤形成CpG结构。发生在基因5′侧翼区的CpG结构称为CpG岛。染色质甲基化程度与基因转录的活化状态呈反比。管家基因多富含CpG岛，并且CpG岛中胞嘧啶多处在非甲基化的状态。

当前第57页\共有82页\编于星期五\10点DNA甲基化（DNAmethylation）CG岛（CGisland）：基因组DNA中富含GC碱基的区域，其中一些对称序列中的5’-CG-3’二核苷酸的胞嘧啶（C）常被甲基化修饰；与基因的失活有关。DNA甲基转移酶（DNAmethyltransferase,DNMT）–维持性DNMT（maintenanceDNMT）：使DNA甲基化的模式（pattern）在细胞分裂中得以保持（可遗传性）–构建性DNMT（establishmentDNMT;denovoDNMT）：使非甲基化的DNA模板甲基化DNA甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。当前第58页\共有82页\编于星期五\10点胞嘧啶C的甲基化修饰DNA甲基化pattern维持的方式（维持性DNMT的作用）当前第59页\共有82页\编于星期五\10点表观遗传（epigenetics）是指DNA序列不发生变化，但基因表达却发生了可遗传的改变。这种改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质发生的改变，且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定传递。

表观遗传的现象很多，已知的有DNA甲基化，基因组印记（genomicimpriting）和DNA编辑（RNAediting）、基因沉默、核仁显性和休眠转座子激活等。当前第60页\共有82页\编于星期五\10点二、转录速度决定RNA合成效率（一）顺式作用元件可直接影响基因表达活性启动子增强子沉默子当前第61页\共有82页\编于星期五\10点1.真核生物启动子结构和调节较原核生物复杂真核基因启动子是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盒当前第62页\共有82页\编于星期五\10点TATA盒（TATAbox）：位于-25~-35处，一致保守序列为TATAAAACAAT盒（CAATbox）：位于-70~-80处，保守序列为CCAATGC盒（GCbox）：位于-80~-110处，保守序列为GCCACACCC或GGGCGGG当前第63页\共有82页\编于星期五\10点2.增强子是一种能够提高转录的顺式调控元件远离转录起始点，决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。长度大约是200bp,可使旁侧的基因效率提高100倍。增强子由若干组件构成，基本核心组件常为8～12bp，可以单拷贝或多拷贝串联的形式存在。当前第64页\共有82页\编于星期五\10点增强子的功能及其作用特征：1.增强子与被调控基因位于同一条DNA链上，属于顺式作用元件2.增强子是组织特异性转录因子的结合部位3.增强子不仅能够在基因的上游和下游起作用，而且还可以远距离实施调节作用4.增强子作用与序列的方向性无关5.增强子需要有启动子才能发挥作用当前第65页\共有82页\编于星期五\10点3.沉默子能够抑制基因的转录沉默子是是一种参与基因表达的负性调控元件，对基因的转录具有抑制作用。

沉默子的作用不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。当前第66页\共有82页\编于星期五\10点当前第67页\共有82页\编于星期五\10点当前第68页\共有82页\编于星期五\10点（二）转录因子是转录调控的关键分子转录因子一般含有三个不同的功能结构域：

DNA结合结构域转录激活结构域与其他蛋白质结合的结构域反式作用因子的作用是调控靶基因表达效率的蛋白质。又称为转录因子，能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件的（8bp~12bp）核心序列上，参与调控靶基因表达效率的蛋白质。当前第69页\共有82页\编于星期五\10点1.转录因子利用特定的蛋白质模体与DNA结合（1）锌指模体结构：CysHis当前第70页\共有82页\编于星期五\10点锌指（zincfinger）模体结构由N-末端的2个反向平行的β-折叠和C-末端的1个α-螺旋组成。在锌指模体的N-末端有两个相近的半胱氨酸，在C-末端有一对相邻的组氨酸（或者半胱氨酸），它们在空间上形成一个能容纳Zn2+的空穴，而且空穴内的Zn2+能与这4个氨基酸残基配位连接形成手指样的形状。

当前第71页\共有82页\编于星期五\10点与DNA结合的锌指模体当前第72页\共有82页\编于星期五\10点(2)碱性螺旋－环－螺旋（bHLH）当前第73页\共有82页\编于星期五\10点（3）碱性亮氨酸拉链（bZIP）当前第74页\共有82页\编于星期五\10点亮氨酸拉链（leucinezipper）0在蛋白质C-末端的氨基酸序列中，每间隔6个氨基酸是一个疏水性的亮氨酸残基。当C-末端形成a-螺旋结构时，肽链每旋转两周就出现一个亮氨酸残基，并且都位于a-螺旋的同一侧。这样的两个肽链能以疏水力结合成二聚体，形同拉链一样。当前第7