基因表达调控2015

基因的表达调控第一节基因表达调控的基本概念

BASICCONCEPTSOFGENEREGULATION

基因表达（geneexpression）：在基因组携带的固有遗传信息指导下生成各种具有生物学功能的RNA和蛋白质的过程。

基因表达是转录和翻译的过程，但不是所有的基因表达都产生蛋白质，rRNA和tRNA的产生也属于基因表达。

基因组内基因的数量非常庞大，但是只有少数表达，大多数不表达或表达水平极低。一、基因表达是转录和翻译的过程

二、基因表达的规律

SpecificitiesofGeneExpression（一）时间特异性（阶段特异性）

TemporalSpecificity(StageSpecificity)（二）空间特异性（组织/细胞特异性）

SpatialSpecificity(Tissue/CellSpecificity)

（一）时间特异性按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。

甲胎蛋白碱性磷酸酶

受精卵发育二、基因表达的时间和空间特异性1龄期2龄期3龄期蛹ExpressionpatternsofsomegenesduringtheEScelldifferentiation（二）空间间特异性指在个体生长、发育过程中，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异。又称细胞或组织特异性。

胰岛素

血红蛋白：红细胞鸟氨酸循环酶类：肝细胞三、基因表达方式存在多样性（一）持续表达（组成性表达）

constitutivegeneexpression

（二）适应性表达

adaptiveexpression不同的基因对生物体内、外环境信号刺激的反应性不同，表达方式也会不同。（一）持续表达（基本表达、组成性表达）

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。管家基因

定义p358actin、tublin、GAPDH等bcl-2β-actin12中文名称英文缩写Beta－肌动蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脱氢酶GAPDHTATABox结合蛋白 TBP18s核糖体核糖核酸 18srRNA微管蛋白α

α-Tubulin常用的管家基因基本的基因表达一般只受启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而很少受其他机制的调节。（二）适应性表达：诱导和阻遏诱导(induction)在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因产物表达增加。如DNA损伤修复、HSP阻遏(repression)在特定环境信号刺激下，相应的基因被抑制，基因产物表达减少。如色氨酸（三）协调表达在一定机制控制下，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。顺式作用元件p513

四、顺式作用元件和反式作用因子真核生物——顺式作用元件(cis-actingelement)增强子（enhancer）正性调节元件沉默子（silencer）负性调节元件启动子（promoter）基础元件，决定基因的基本表达含有共有序列：

TATA盒（－25区）

GC盒和CAAT盒（－40～－110区）决定基因的组织特异性表达反式作用因子p508

绝大多数转录因子属于反式作用因子五、基因表达调控的多层次和复杂性

基因组

转录

转录后

翻译

翻译后

基因表达调控的多层次和复杂性

Multi-levelsandCompliexityofGeneExpressionRegulation基因激活

转录起始

转录后加工及转运mRNA降解

翻译及翻译后加工

蛋白质降解DNA甲基化组蛋白乙酰化DNAelement,TFmRNA可变剪接、编辑siRNA化学修饰泛素化降解六、基因表达调控是生物生长发育的基础

适应环境、维持增长和增殖

维持细胞分化与体发育（一）适应环境，维持细胞的正常生长与繁殖细菌葡萄糖乳糖

与葡萄糖代谢有关的酶表达增强

与乳糖代谢有关的酶表达增强（二）维持细胞分化和个体发育多细胞生物Celldifferentiation第二节原核基因表达调控REGULATIONOFPROKARYOTICGENEEXPRESSION第二节原核细胞基因表达调控

原核细胞基因组的特点主要调控是在转录水平，其次是翻译水平。

遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron）。原核基因中多个功能相关的结构基因串联在一起构成一个转录单位。通常依赖同一调控序列对其转录进行调节，使这些相关基因实现协同表达。为多顺反子（polycistron）。真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（singlecistron）。

多顺反子：如色氨酸操纵子一、操纵子一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。

结构基因

调控序列启动子操控元件调节基因特异因子阻遏蛋白激活蛋白阻遏蛋白TheDiscoveryofOperonsIn1961,FrancoisJacobandJacquesMonod

proposedtheoperonmodelofgeneregulationinbacteria.TheyreceivedtheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965forthiswork.原核生物启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACA

TATAATConsensussequence二、乳糖操纵子是原核生物基因转录负调控的最典型模式。调节机制：阻遏蛋白的负性调节

CAP的正性调节协调调节乳糖操纵子结构CAP结合位点PIIPOZYA调控区结构基因I:阻遏蛋白编码基因

PI:阻遏蛋白基因启动序列

Z:β-半乳糖苷酶Y:透酶

A:乙酰基转移酶结构基因O:操纵序列（阻遏蛋白结合部位）P:启动序列CAP结合位点调控区乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节1阻遏蛋白的负调节2CAP的正性调节3协同调节阻遏蛋白的负性调节（无乳糖）阻遏蛋白与O序列结合,抑制转录,lac操纵子关闭。阻遏蛋白mRNACAP结合位点PIIPOZYARNA聚合酶

诱导剂结合于阻遏蛋白，阻遏蛋白与O序列解离，转录抑制解除，lac操纵子开启。乳糖半乳糖CAP结合位点PIIPOZYAmRNA阻遏蛋白的负性调节（有乳糖）

CAP:

分解代谢物基因激活蛋白catabolitegeneactivatorprotein同二聚体cAMP

结合区

DNA

结合区CAP的正性调节（无葡萄糖）cAMPCAP蛋白PIIPOZYACAP结合位点mRNA无葡萄糖，cAMP浓度高cAMP与CAP结合

与CAP结合位点结合转录活性提高约50倍

CAP的正性调节（有葡萄糖）cAMPCAP蛋白PIIPOZYACAP结合位点mRNA有葡萄糖，cAMP浓度低cAMP与CAP结合受阻转录活性下降

阻遏蛋白mRNACAP结合位点PIIPOZYARNA聚合酶

阻遏蛋白与CAP的协调调节（1）无乳糖时,

阻遏蛋白封闭转录，CAP无作用

（2）有乳糖时,乳糖操纵子去阻遏,虽可转录,

但活性很低,必须由CAP的正性调节来加强PIIPOZYACAP结合位点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。三、色氨酸操纵子通过衰减的方式阻遏基因的表达O

阻遏蛋白（无活性）trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导trpL衰减子

结构基因

调控区

色氨酸合成的酶蛋白TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?色氨酸操纵子6700个核苷酸140个核苷酸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:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……

色氨酸操纵子mRNA引导序列不同区域互补所形成的不同二级结构

引导序列由一段14氨基酸前导肽编码区和一个衰减子组成，AUG密码子后面紧跟13个密码子，第10、11为色氨酸密码子。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mRNA

15’

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色氨酸操纵子的转录衰减作用

色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合成完整的引导肽。RNA聚合酶停止在衰减子部位。色氨酸缺乏时，核蛋白体终止在1区Trp密码子部位，RNA聚合酶通过衰减子而继续转录。

四、终止阶段的调控五、翻译水平的调控

（一）转录翻译的耦联调节（见色氨酸操纵子）

（二）自我控制（三）翻译阻遏（四）反义RNA反义控制（五）mRNA密码子的编码频率

REGULATIONOFEUKARYOTICGENEEXPRESSION第四节真核基因表达调节50第三节真核生物基因表达的调控

单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同。

多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组DNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。一、真核生物基因表达的特点

基因组大只有10%为可表达的基因基因不连续，含有内含子单顺反子染色质的结构存在线粒体DNA二、染色质结构与真核基因表达

（2）基因表达的时间性和空间性

时间性：个体发育的不同阶段，基因表达的种类和数量是不同的；空间性：在不同组织和器官中，基因表达的种类和数量是不同的。1．对核酸酶极度敏感2组蛋白的变化乙酰化组蛋白乙酰化酶组蛋白去乙酰化酶甲基化3CpG岛的甲基化CpG岛：p504甲基化：胞嘧啶5位碳原子在D