第18章-基因表达调控-liff-重修

第十八章基因表达调控RegulationofGeneExpressionLifangfang2016-12-12第一节

基因表达与基因表达调控的基本概念与特点BasicConceptionsandCharactersofGeneExpressionandit’sRegulation一、基因表达是基因转录和翻译的过程是细胞以基因DNA为模板，转录出RNA，以及，以mRNA为模板，翻译出蛋白质的过程如果基因表达了，那么，就有相应的mRNA和蛋白质出现否则，就是基因没有表达基因表达(geneexpression)每一个基因的表达是受调控的。二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，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)。胚胎发育期（二）空间特异性一种基因在个体的不同组织不同细胞或器官表达，这就是基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。又称细胞特异性(cellspecificity)或组织特异性(tissuespecificity)。三、基因表达的调控基因表达调控（regulationofgeneexpression）细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时在基因表达水平上做出应答的分子机制按对刺激的反应性，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）有些基因几乎在所有细胞中持续表达某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，不易受环境条件的影响，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。这类基因表达被视为基本（或组成性）基因表达(constitutivegeneexpression)。ActinGAPDH（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏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，即这种基因表达是可诱导的。如：热应激蛋白可诱导基因(induciblegene)在一定的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时被抑制，这种基因是可阻遏基因(repressiblegene)。四、基因表达：受顺式作用元件和反式作用因子共同调节顺式作用元件(cis-actingelement)：调控基因转录的DNA序列，一般可以和反式作用因子结合，包括：启动子，增强子和沉默子反式作用因子(trans-actingfactor)

能够和顺式作用元件结合，调控基因表达的蛋白质分子

研究重点每一个特定基因的顺式作用元件和反式作用因子的相互作用五、基因表达调控呈现多层次和复杂性DNA层次：转录起始(最重要、最复杂)mRNA的加工蛋白质生物合成翻译后加工mRNA的降解第二节

原核基因表达调控RegulationofGeneExpressioninProkaryote原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位

蛋白质因子特异DNA序列编码序列

启动元件

操纵元件

其他调节基因(promoter)(operator)操纵子模型的普遍性多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带了几个多肽链的编码信息。启动子是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件。各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称为共有序列。共有序列在-10区域是TATAAT，在-35区域为TTGACA共有序列决定启动序列的转录活性大小。图18-15种E.coli启动序列的共有序列

基因表达有正调控和负调控调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：阻遏蛋白----负调控因素激活蛋白----正调控因素调节基因（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。调控蛋白的作用分别是①特异因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力；②阻遏蛋白可以识别、结合特异DNA序列──操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（negativeregulation）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在；③激活蛋白可结合启动序列邻近的DNA序列，提高RNA聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转录活性，是一种正调控（positiveregulation）。二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控（一）乳糖操纵子(lacoperon)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：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA图18-2lac操纵子与阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节阻遏基因1.阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖别乳糖β-半乳糖苷酶图18-4lac

操纵子与阻遏蛋白的负性调节++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时2.CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP分解代谢阻遏单纯乳糖存在时，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)3.协同调节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。。

mRNA低半乳糖时高半乳糖时

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO图18-3 CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节乳糖操纵子的开放条件（环境因素）1当仅有Glc时，乳糖操纵子不开放2当有Glc和Lac时，乳糖操纵子不开放3当没有Glc也没有Lac时，不开放4只有一种条件可以开放：没有Glc，有Lac：开放第三节

真核基因表达调控RegulationofGeneExpressioninEukaryote图18-5真核生物基因表达的多层次复杂调控二、染色质结构与真核基因表达密切相关活性染色质(activechromatin)具有转录活性的染色质超敏位点（hypersensitivesite)当染色质活化后，常出现一些对核酸酶（如DNaseI）高度敏感的位点基因被激活的区域染色质对核酸酶极为敏感转录活化染色质的组蛋白发生改变组蛋白结构及其化学修饰（a）组蛋白与DNA组成的核小体；（b）组蛋白的氨基端伸出核小体，形成组蛋白尾巴；（c）四种组蛋白组成的八聚体组蛋白修饰和组蛋白密码1组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，2化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了“组蛋白密码”的假说。组蛋白氨基酸残基位点修饰类型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色质浓缩H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙酰化激活H3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙酰化防止Lys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙酰化装配H4Lys-12乙酰化装配H4Lys-16乙酰化核小体装配H4Lys-16乙酰化FlyX激活组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响

CpG岛甲基化水平降低CpG岛（CpGisland)：CG重复出现，长度约300-3000bp称为CpG岛，存在于整个基因组中，特别是常常位于基因的启动子和第一外显子区域。CpG岛：C可以被甲基化修饰，它的多少与基因被激活有关表观遗传

（epigeneticinheritance)

：染色质结构对基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机制是细胞内存在着具有维持甲基化作用的DNA甲基转移酶，可以在DNA复制后，依照亲本DNA链的甲基化位置催化子链DNA在相同位置上发生甲基化DNA相同，DNA的甲基化不同，基因表达不同同卵双生子，长相和行为有差异三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位順式作用元件

指可与反式作用因子结合，影响基因表达活性的DNA序列包括：启动子，增强子和沉默子图18-7 顺式作用元件

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（一）真核基因启动子结构和调节启动子是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

启动子某一特定基因的转录起始点和上游200bp长的DNA序列，可以与反式作用因子结合，起始转录，称为CCAAT盒GC盒TATA盒转录起始点高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒转录起始点酵母真核基因启动子的典型结构特点启动子启动转录增强子增加转录的频率启动子必需有转录起始位点增强子远离转录起始位点（二）增强子能够提高转录效率增强子的功能及其作用特征与被调控基因位于同一条DNA链上，属于顺式作用元件。是特异性转录因子的结合部位不仅能够在基因的上游或下游起作用，而且还可以远距离实施调节作用作用与序列的方向性无关需要有启动子才能发挥作用（三）沉默子能够抑制基因的转录沉