第八章基因表达的调控

一些事实基因表达的调控在原核和真核生物各有不同原核生物：能量需要和供给不足的矛盾真核生物：重要的是不同器官、组织和细胞间的分工协调，相互依赖和信息通连。管家基因（housekeepinggene）属于一类组成性表达基因（constitutivegeneexpression);在真核生物相对较少。可调节基因（induciblegene）包括诱导表达（inductionexpression)和阻遏表达(repressionexpression)两种方式。当前第1页\共有40页\编于星期五\9点原核生物染色质裸露，并且仅有少量基因需调节。转录调节比重很大，其次是翻译水平。真核生物存在更多环节：基因活化转录转录后加工翻译译和翻译后加工其中前两个是最重要的阶段当前第2页\共有40页\编于星期五\9点当前第3页\共有40页\编于星期五\9点第一节原核生物基因表达调控一、转录调控反式因子（trans-factor）和顺式元件（cis-element）启动子（promoter）和sigma因子阻遏蛋白（repressor）正调控蛋白（positivecontrolprotein)CAP(catabolicgeneactivatorprotein)氮调节蛋白（NTRC）衰减子（attenuator)严谨反应（stringentresponse)当前第4页\共有40页\编于星期五\9点当前第5页\共有40页\编于星期五\9点一、乳糖操纵子（LacOperon，Monad&Jacob,1961)大肠杆菌的正常培养基无乳糖如将培养基中的葡萄糖用乳糖取代，则细菌生长停止，但在几分钟细菌会重新正常生长分析表明，此时细菌中出现了三种和乳糖代谢有关的酶类，包括半乳糖苷酶、渗透酶和转乙酰基酶，三种酶的量相同，说明乳糖能够诱导它们的表达培养基中含有葡萄糖时，无此三种酶出现由此，Monad和Jacob提出了基因表达的第一个控制模型当前第6页\共有40页\编于星期五\9点三个结构基因是线形排列的（Z,Y,A），在一个共同的基因调控区的控制之下上游的（ｉ）基因合成阻遏蛋白，结合于调控区的操纵基因（O,operator)，只有当阻遏蛋白脱离O基因时，结构基因才能被转录乳糖是阻遏蛋白的配体，结合后可引起蛋白的购象变化，失去结合操纵基因的能力当前第7页\共有40页\编于星期五\9点现代版的乳糖操纵子－结合DNA序列启动子核心序列由-10的TATA盒和-35的TTGACA组成CAP结合位点紧靠启动子上游阻遏蛋白基因在Lac操纵子上游，其结合位点在转录起始位置当前第8页\共有40页\编于星期五\9点CAP蛋白正调控的乳糖操纵子在乳糖操纵子启动基因的上游有一个代谢基因活化蛋白（CAP)的结合位点CAP只有在和cAMP结合后才能和其结合位点结合葡萄糖的代谢产物可促使细胞内的cAMP含量降低，无葡萄糖的存在可提高乳糖操纵子的表达效率５０倍左右结合阻遏蛋白和CAP两者因素，Lac操纵子只有在无葡萄糖和有乳糖的情况下才能充分表达当前第9页\共有40页\编于星期五\9点乳糖操纵子中的元件和因子－启动子启动子是RNA聚合酶的结合及识别位点，-10的TATATT是聚合酶的结合位点，-35的TTGACA是sigma因子的识别位点，-10和-35之间的序列的特性对启动子无影响启动子序列具有方向性启动子决定转录的起始位置-10h和-35的序列在一定范围内可变，决定聚合酶结合的亲和力，从而决定转录效率。乳糖操纵子的启动子是弱启动子sigma因子有较大的结构差异，这种差异是不同启动子效率差异的基础原核生物所有的启动子具有非常相似的结构当前第10页\共有40页\编于星期五\9点乳糖操纵子中的元件和因子－操纵基因操纵基因（operatorgene)位于启动子下游,一般在基因转录起始位置和其结合的蛋白质为阻遏蛋白（repressor)，结合后阻断基因的转录过程，这种阻断在原核生物是“默认”（default)的方式，阻遏蛋白由其它操纵子调控表达，一般位于被调控的操纵子上游阻遏蛋白上有DNA结合结构域（domine)和因子结合结构域，乳糖作为诱导物（inducer)和其结合，使其不能和操纵基因结合而开放基因表达；在色氨酸操纵子，只有存在色氨酸作为共阻遏物（corepressor)时才能和操纵基因结合，关闭基因表达当前第11页\共有40页\编于星期五\9点乳糖操纵子中的元件和因子－正调控因子（positivecontrolprotein)在乳糖操纵子中，启动子为弱启动子，只起到开关的作用基因的有效转录依靠cAMP-CAP复合物和其结合位点的结合，是一个典型的正调控因子大多数和能量利用的调节有关的操纵子都有CAP的参与其蛋白质为同形二聚体，C端为alpha－螺旋构像，识别序列为反向重复序列，在DNA结合蛋白中非常多见当前第12页\共有40页\编于星期五\9点二、色氨酸操纵子（TrpOperon)共阻遏（corepressor)的代表当前第13页\共有40页\编于星期五\9点色氨酸衰减子当前第14页\共有40页\编于星期五\9点色氨酸操纵子是典型的阻遏表达衰减子（attenuator)和共阻遏调节双重抑制色氨酸合成基因的表达衰减子的调节的基础是转录和翻译机器的偶联，无蛋白因子参与转录过程的自动终止是调节的位点核糖体在先导肽合成mRNA上的位置决定mRNA能否形成茎环结构，某种构像的形成可导致转录终止当前第15页\共有40页\编于星期五\9点二、翻译水平的调控SD序列（核糖体结合序列）和起始密码子AUG间的距离序列差异SD序列的二级结构及其其它调节蛋白结合的影响mRNA的稳定性翻译产物的调控核糖核蛋白体的协调RF2翻译的自身调节当前第16页\共有40页\编于星期五\9点第二节真核生物的基因表达调控特点：庞大的基因组复杂的染色体结构具有核及核膜对特定细胞，只有极少数基因可表达细胞类型繁多当前第17页\共有40页\编于星期五\9点当前第18页\共有40页\编于星期五\9点当前第19页\共有40页\编于星期五\9点调控水平A染色质结构：包装在染色质内的DNA的物理结构，可影响转录调控蛋白和RNA聚合酶对特定基因的结合。B转录调控：最重要的调控方式CRNA加工和修饰：加帽、加尾、去除内含子，剪接有组织特异性。DRNA转运：从核内运送出核。E转录本（transcript）的稳定性：细菌1-5分钟，真核生物从几秒到很长，可维持几千次转录。F翻译起始：起始密码子的识别。G转录后修饰：糖基化、乙酰基化、酯酰基化等。当前第20页\共有40页\编于星期五\9点一、DNA水平的调控染色质丢失：极端的例子-Celegans和哺乳类的红细胞，在异常情况下，如体外培养的细胞，普遍发生。基因扩增（amplification）：通常发生在体外培养细胞和肿瘤细胞，体内的基因扩增极少发生，所以不是正常基因调控的范围。基因重排（generearrangement）：现仅发现于免疫球蛋白基因，是分子多样性的基础。在基因调控中的意义有限。当前第21页\共有40页\编于星期五\9点DNA甲基化在细菌中，甲基化是细菌间“限制”的基础。在真核生物，甲基化和基因表达有关。高甲基化和基因表达抑制相关。甲基化发生于胞嘧啶的5`端，称为5`甲基胞嘧啶，而且甲基化位点一般出现在-CG-，呈5`mCpG3`双体。甲基化具有组织特异性。管家基因的上游-CG-含量极高，形成CpG岛，占有CpG岛的60%。当前第22页\共有40页\编于星期五\9点亲本印记（parentalimprinting）和甲基化有密切关系：指子代中，某些基因只有一个亲本的可以表达，和通常的遗传学原理不同，最近的统计有大约50个这样的亲本印记基因。所有的组织被印记的基因是相同的，对某一基因来说，父本或母本印记是确定的。如Igf2只表达父本，而Igf2受体基因仅表达母本，如双亲本的Igf2表达，则出现Wilms′tumor。亲本印记之后甲基化可能不是确定性因素，但印记发生时，甲基化在两亲本间截然不同。当前第23页\共有40页\编于星期五\9点染色质结构的影响常染色质（euchromatin）异染色质（heterochromatin）染色小体（nucleosome）和DNA双螺旋组成基本结构组蛋白（histone）的构成对DNA的稳定性影响巨大，一般转录时组蛋白不存在于DNA上DNA酶I高敏位点（DnaseIhypersensitivesite）代表高表达的区域组蛋白的乙酰化（Acetylation）可解开组蛋白封闭，某些反式因子可激活乙酰化当前第24页\共有40页\编于星期五\9点Thisschematicdrawingshowssomeoftheordersofchromatinpackingthoughttogiverisetothehighlycondensedmitoticchromosome.ThefoldingofnakedDNAintonucleosomesisthebestunderstoodlevelofpacking.Thestructurescorrespondingtotheadditionallayersofchromosomepackingaremorespeculative.当前第25页\共有40页\编于星期五\9点二、转录水平的调控(一）转录起始复合物真核生物的RNA聚合酶有三种，mRNA的转录由RNA聚合酶II所完成转录起使复合物(transcriptioninitiationcomplex)是转录调控的主控位点位于转录开始位点之前-20-30bp的TATA序列是聚合酶结合的特异位点聚合酶和TATA的拼装需要多个蛋白因子的辅助,但这些因子仅作为转录的基本要素,本身不能对转录效率进行调节,被称为基本转录因子或普通转录因子(basaltranscriptionfactors,BTF;generalTF,GTF),TATA盒被称为基本启动子元件(basalpromoterelement),或最小启动子元件(minimumpromoterelement)当前第26页\共有40页\编于星期五\9点当前第27页\共有40页\编于星期五\9点(二)反式作用因子（trans-actingelement）是能和特异性的的DNA调控序列结合的一类蛋白质,其功能是调节转录的效率,在有些文献中称为调控性转录因子(regulatoryTF,RTF),一般所指的转录因子研究即指此类因子基本转录起始复合物的促转录水平很低,只有有了RTF,才能提高效率这些因子对转录的调节是通过直接或间接的影响GTF来实现的反式因子在细胞中的浓度非常低，种类很多这些反式因子在转录起始点的集中,是因为在启动子的上游有这些因子的结合位点,可以有效的募集反式因子大多因子可和其他因子结合,因而一般有DNA结合（DNAbinding）、转录激活（transcriptionactivator）和蛋白质（proteinbinding）结合三个结构域（domain）当前第28页\共有40页\编于星期五\9点（三）顺式反应元件（cis-actionelement）指mRNA基因上调节转录起始的DNA序列包括启动子、增强子（enhancer）、沉寂子（silencer）和绝缘子（insulator）启动子位于转录起始点上游不超过200bp的范围，TATA是基本启动子元件，另外一些元件可特异性的结合相应的反式因子，可提高转录速度，称调控性启动子元件（regulatorypromoterelement）增强子和沉寂子距离起始点较远，并可以在上、下游或内含子中绝缘子位于两个基因之间，起到对上游和下游基因表达的隔绝作用当前第29页\共有40页\编于星期五\9点当前第30页\共有40页\编于星期五\9点当前第31页\共有40页\编于星期五\9点当前第32页\共有40页\编于星期五\9点当前第33页\共有40页\编于星期五\9点（四）组合式调控作用（combinatorialregulationoftranscription）每个基因的调控都有多数元件和因子参与，之间大多都是相互协调，提高基因表达效率同一元件可能由于结合因子的不同或配合不同产生不同的调节效果反式因子由基因编码，因此由上一级调控产生，组成一个调控网络最终的细胞内因子的差异由发育过程中基因在不同细胞内是否关闭所决定可诱导或阻遏基因的表达，是由胞内信号转导决定的几个例子当前第34页\共有40页\编于星期五\9点三、转录后水平的调控Ineucaryoticcells,theinitialRNAmoleculeproducedbytranscription(theprimarytranscript)containsbothintronandexonsequences.Itstwoendsaremodified,and