遗传信息表达的调控

关于遗传信息表达的调控第2页,共99页，2024年2月25日，星期天第3页,共99页，2024年2月25日，星期天基因表达（geneexpression）是指基因组中结构基因经过转录、翻译等过程，合成蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能的全过程。第4页,共99页，2024年2月25日，星期天RNA的合成

4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶转录单位：结构基因、启动子、终止子按碱基配对原则,沿5’---3’方向真核生物有三型RNA聚合酶分为起始阶段、延长阶级和终止阶段转录后的产物经加工成为成熟的RNA第5页,共99页，2024年2月25日，星期天蛋白质的合成合成体系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP、MgmRNA编码区的三个相邻核苷酸组成密码子tRNA起接合器作用，核糖体是合成场所和装配机核糖体循环：起始、肽链延长和终止翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚单位的聚合第6页,共99页，2024年2月25日，星期天Transcription5’GATCTGACTGACATAGACATAGAT3’

coding(=non-template)strand3’CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA5’

templatestrand

5’GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU3’mRNA

第7页,共99页，2024年2月25日，星期天基因表达及其调控的特点管家基因（housekeepinggene）在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。组成性基因表达（constitutivegeneexpression）管家基因的表达方式，较少受环境影响，在个体各生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小。第8页,共99页，2024年2月25日，星期天诱导表达（inductionexpression）有一些基因表达极易受环境影响，在特定环境信号刺激下，基因的表达开放或增强。阻遏表达（repressionexpression）在特定环境信号刺激下，基因的表达关闭或减弱。第9页,共99页，2024年2月25日，星期天时间特异性（temporalspecificity）在多细胞生物，从受精卵到组织、器官形成的各个发育阶段，相应的基因严格按照一定的时间顺序开启或关闭。空间特异性（spatialspecificity）在个体生长全过程，某基因产物在不同组织空间顺序出现。第10页,共99页，2024年2月25日，星期天协调表达（coordinatedexpression）功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。又称协调调节（coordinatedregulation）第11页,共99页，2024年2月25日，星期天基因表达的调控（geneexpressionregulation）是指各种细胞中相同的遗传信息，有规律的选择性、程序性、适度的表达以适应机体生长、发育、繁殖以及环境变化的需要，发挥其生理功能的调节和控制。第12页,共99页，2024年2月25日，星期天

组织特异性表达和时相性Tissue-specificgeneexpressionmultipleorgan/tissuepattern(sonichedgehoggene)Specifictissue,celllineageorcelltypeIndividualcells(TCR)Intracellulardistribution

第13页,共99页，2024年2月25日，星期天

组织特异性表达和时相性(Cont)TemporalrestrictionofgeneexpressionCellcyclestageDevelopmentalstageDifferentiationstageInducibleexpression

第14页,共99页，2024年2月25日，星期天基因表达调控的生理意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化第15页,共99页，2024年2月25日，星期天基因表达调控的基本原理基因表达的多级调控基因转录激活调节基本因素特异DNA序列调节蛋白DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用RNA聚合酶第16页,共99页，2024年2月25日，星期天第一节

原核生物基因表达的调控第17页,共99页，2024年2月25日，星期天一转录水平的调控

（一）影响转录的因素启动子σ因子阻遏蛋白正调控蛋白倒位蛋白RNA聚合酶抑制物衰减子第18页,共99页，2024年2月25日，星期天操纵子（operon）调控区信息区启动子操纵基因第19页,共99页，2024年2月25日，星期天启动子决定转录方向及模板链：E.coli的启动子长约40-60bp，至少包括三个功能区。起始部位（initiationsite）＋1结合部位（bindingsite）-10bp，RNA聚合酶与之结合T80A95T45A60A50T96识别部位（recognitionsite）-35bp，σ因子与之结合T82G78A65C54A95第20页,共99页，2024年2月25日，星期天σ因子不同的因子σ可以竞争性的结合RNA聚合酶,环境变化可由到产生特定的σ因子，从而打开一套特定的基因。阻遏蛋白（repressor）与DNA结合后都是抑制转录，这种基因表达调控的方式称为负调控。第21页,共99页，2024年2月25日，星期天正调控蛋白与DNA结合后促进转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。CAP蛋白(catabolicgeneactivatorprotein，CAP)分解代谢物基因活化蛋白ntrC蛋白是大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白，其自身活性可通过ntrB使其磷酸化（有活性）和去磷酸化（无活性）而被调节第22页,共99页，2024年2月25日，星期天consensusTATA(Pribnow)boxE.coliPromoters

第23页,共99页，2024年2月25日，星期天倒位蛋白（inversionprotein）是一种位点特异的重组酶。沙门菌H1和H2鞭毛蛋白分别由两个基因编码，在一个细菌克隆中以表达一种鞭毛抗原为主。衰减子（attenuator）又称弱化子，位于操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。第24页,共99页，2024年2月25日，星期天RNA聚合酶抑制物细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA聚合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成减少或停止这种现象称为严谨反应（stringentresponse）第25页,共99页，2024年2月25日，星期天Positivevs.NegativeRegulation第26页,共99页，2024年2月25日，星期天AllostericEffectorsBindingcanalsoberequiredforbindingofrepressor(e.g.Trp)orcanblockanactivator.第27页,共99页，2024年2月25日，星期天（二）转录的调控机制乳糖操纵子调控的机制阿拉伯糖操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制第28页,共99页，2024年2月25日，星期天1.乳糖操纵子（lacoperon）结构特点三个结构基因Z、Y、A，分别编码β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)、透酶(permease)和半乳糖苷乙酰化酶(galactosideacetylase)其上游还有一个启动子（P）和一个操纵基因（O）启动子上游还有一个CAP蛋白结合位点第29页,共99页，2024年2月25日，星期天OrganizationofLacOperonandLacIOperonpromoterRibosomeinitiation第30页,共99页，2024年2月25日，星期天RegulationofGeneExpressionIPTGalsoinducesSplitslactoselactosetransport??（异丙基硫代半乳糖苷）半乳糖第31页,共99页，2024年2月25日，星期天第32页,共99页，2024年2月25日，星期天cAMPAMPACAdenylatecyclaseandCAPmediateglucoserepressionofLacAdenylatecyclase(AC)isanenzymethatsynthesizescyclicAMP(cAMP)fromATPHighglucose

adenylatecyclaseisinhibited(indirectly,viaacatabolicproduct)

ThereforecAMPlevelsareLOWAbsenceofglucose

adenylatecyclaseisNOTrepressed

ThereforecAMPlevelsareHIGHcAMPformsacomplexwiththeCAPprotein,whichallowsittothenbindtotheCAPsiteupstreamoftheLacoperon.BindingoftheCAPproteinisrequiredtoallowRNApolymerasetobindtothelacpromoterandturnontranscription.IntheabsenceofCAPbinding,thereisno(orverylittle)transcriptionofthelactoseoperon,eveninthepresenceoflactose.glucose第33页,共99页，2024年2月25日，星期天CAPBindingBendsDNAvThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding第34页,共99页，2024年2月25日，星期天CAPmediatesglucoserepressionofLacPromotestranscription第35页,共99页，2024年2月25日，星期天调控机制I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶作用进入细胞，在β-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构基因转录。第36页,共99页，2024年2月25日，星期天Lactose

Glucose-+--+-++LacICAP-cAMPFourStatesoftheLacOperon第37页,共99页，2024年2月25日，星期天2.阿拉伯糖操纵子（araoperon）结构特点结构基因B、A、D，分别编码异构酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮糖调控区由启动子（P）、起始区（I）和操纵基因（O）构成第38页,共99页，2024年2月25日，星期天CAP第39页,共99页，2024年2月25日，星期天调控机制C基因是调节基因，编码调控蛋白AraC，AraC蛋白单独存在时，结合到araO1和araO2，表现出负调控；阿拉伯糖使AraC蛋白变构，结合到araI上，表现正调控。在ara操纵子基因表达调控中，CAP蛋白的调控作用不显著。第40页,共99页，2024年2月25日，星期天TheArabinoseOperon

ThislooppreventsRNAtranscription(NOTtrueforallloops)NoArabinosepresent,operonOFFArabinosepresent,Glucoseabsent,operonON第41页,共99页，2024年2月25日，星期天调控作用有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放第42页,共99页，2024年2月25日，星期天3.色氨酸操纵子（trpoperon）结构特点E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色氨酸，上游调控区由启动子（P）和操纵基因（O）组成R基因编码阻遏蛋白第43页,共99页，2024年2月25日，星期天第44页,共99页，2024年2月25日，星期天GenomicOrganizationoftheTrpOperon

第45页,共99页，2024年2月25日，星期天调控机制阻遏型操纵子及衰减机制。衰减子位于结构基因E和操纵基因O之间的L基因中。L基因的部分转录产物编码14个氨基酸，其中含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的偶联是产生衰减的基础。调控作用将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。第46页,共99页，2024年2月25日，星期天ControlofGeneExpressionintheTrpOperonTheenzymecatalyzingthefirststepinthepathwayisinhibitedbyTrp(feedbackcontrol).InthepresenceofTrp,arepressorproteinbindstoanoperatorupstreamoftheTrpoperonandshutsofftranscriptionAttenuation.Thereisa160basepairregionintheTrpmRNAthatcausestranscriptiontoterminateprematurelyifTrpispresent.第47页,共99页，2024年2月25日，星期天TrranscriptionalControl第48页,共99页，2024年2月25日，星期天AttenuationControl第49页,共99页，2024年2月25日，星期天二翻译水平的调控SD序列（Shine-Dalgarnosequence）原核细胞多顺反子mRNA上的一段序列，位于起始密码子上游SD序列与起始密码子的距离、蛋白质对SD序列的作用，影响翻译的起始mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用第50页,共99页，2024年2月25日，星期天mRNA的稳定性mRNA的降解速度是翻译调控的一个重要因素mRNA的稳定与其序列和结构（即一级结构与次级结构）有关第51页,共99页，2024年2月25日，星期天翻译产物对自身翻译的影响核糖体蛋白50种蛋白质分布于不同操纵子各自编码一种可结合于mRNA多顺反子上游特定部位的蛋白质，阻止核蛋白体结合翻译终止因子RF2调节自身的翻译前25个密码子与后315个密码子间的UGAC在无RF2时框移第52页,共99页，2024年2月25日，星期天小分子RNA的调控作用调整基因表达产物的类型mRNA干扰性互补RNA（mRNAinterferingcomplementaryRNA，micRNA）低水平表达基因的调控小分子RNA阻遏物在翻译水平严格控制低水平基因表达第53页,共99页，2024年2月25日，星期天第二节

真核基因的表达调控的特点第54页,共99页，2024年2月25日，星期天真核基因的表达的特点基因组庞大、结构复杂、大量重复序列断裂基因（内含子和外显子）单顺反子（monocistron）核小体为单位的染色体结构转录和翻译在时间和空间上分开第55页,共99页，2024年2月25日，星期天一

DNA水平的调控染色质丢失低等生物及动物红细胞，不可逆基因扩增基因重排基因片段改变原衔接顺序，重排为完整的转录单位第56页,共99页，2024年2月25日，星期天DNA甲基化与基因的表达成反比关系直接改变基因的构型影响转录因子与顺式作用元件结合5′端调控序列甲基化后与核内甲基化CG序列结合蛋白结合DNaseⅠ高敏感区为去甲基化的标志染色质结构改变组蛋白与DNA结合与解离非组蛋白与组蛋白竞争结合DNA，解除组蛋白对基因表达的抑制第57页,共99页，2024年2月25日，星期天Epigenetics第58页,共99页，2024年2月25日，星期天 Epigeneticinheritanceisdefinedascellularinformation,otherthantheDNAsequenceitself,thatisheritableduringcelldivision.Therearethreemain,inter-relatedtypesofepigeneticinheritance:DNAmethylation,genomicimprintingandhistonemodification第59页,共99页，2024年2月25日，星期天第60页,共99页，2024年2月25日，星期天Box1|ThethreemaintypesofepigeneticinformationCytosineDNAmethylationisacovalentmodificationofDNA,inwhichamethylgroupistransferredfromS-adenosylmethioninetotheC-5positionofcytosinebyafamilyofcytosine(DNA-5)-methyltransferases.DNAmethylationoccursalmostexclusivelyatCpGnucleotidesandhasanimportantcontributingroleintheregulationofgeneexpressionandthesilencingofrepeatelementsinthegenome.Genomicimprintingisparent-of-origin-specificallelesilencing,orrelativesilencingofoneparentalallelecomparedwiththeotherparentalallele.Itismaintained,inpart,bydifferentiallymethylatedregionswithinornearimprintedgenes,anditisnormallyreprogrammedinthegermline.Histonemodifications—includingacetylation,methylationandphosphorylation—areimportantintranscriptionalregulationandmanyarestablymaintainedduringcelldivision,althoughthemechanismforthisepigeneticinheritanceisnotyetwellunderstood.ProteinsthatmediatethesemodificationsareoftenassociatedwithinthesamecomplexesasthosethatregulateDNAmethylation.第61页,共99页，2024年2月25日，星期天第62页,共99页，2024年2月25日，星期天第63页,共99页，2024年2月25日，星期天 5-aza-2′-deoxycytidine(5-azaCdR),aninhibitorofDNAmethylation,第64页,共99页，2024年2月25日，星期天第65页,共99页，2024年2月25日，星期天第66页,共99页，2024年2月25日，星期天HypomethylationofDNAhasmechanistic

implicationsFirst,itcanleadtogeneactivation.Second,acellular‘methylatorphenotype’hasbeenlinkedtomismatchrepair,firstbyLengauerandcolleagues,whoshowedthatcancercellsthataredeficientinDNAmismatchrepairsilencedretroviralconstructpromotersbyDNAmethylation.Third,EhrlichandcolleaguesrecentlylinkedtumourhypomethylationincancertochromosomalinstabilityFourth,hypomethylationisamechanismofdrug,toxinandviraleffectsincancer.Acommonpolymorphismofmethylenetetrahydrofolatereductase(MTHFR),whichisinvolvedinbiosynthesisofthemethylationprecursorS-adenosylmethionine第67页,共99页，2024年2月25日，星期天

First,ATP-dependentDNAhelicasesoftheSNF2family—thecatalyticcomponentsofSWI/SNFchromatin-remodellingcomplexes—areessentialformaintainingnormalDNAmethylation.IndividualswiththedevelopmentaldisorderATRX(α-thalassaemia,myelodysplasia)havemutationsintheATRXgene,whichencodesaSNF2-familyhelicase. AsecondchromatinproteinthathasbeenlinkedtohypomethylationandcancerwasrecentlyidentifiedbyMueggeandcolleagues,whofoundthatLsh,aSNF2-familymember,isrequiredformaintenanceofnormalmethylation.第68页,共99页，2024年2月25日，星期天Box2|AnXconnectionInthebackgroundofthediscoveriesthatlinkCpG-islandmethylationandgeneinactivationisalargebodyofimportantcorrelativeandmechanisticdatathatarerelatedtoXchromosomeinactivation.Forexample,anearlycluetoaroleingenesilencingcamefromstudiesofMohandasetal.,whoshowedin1981that5-aza-2′-deoxycytidine(5-azaCdR),aninhibitorofDNAmethylationcouldreactivatetheinactiveXchromosome176.ThediscoveryofthefunctionalsignificanceofwhatarenowtermedCpGislandsalsocamefromstudiesoftheXchromosome.Wolf,Migeonandcolleaguesshowedin1984thatclustersofCpGdinucleotidesarespecificallymethylatedontheinactiveXchromosomeandreactivatedwith5-azaCdR177.ThesewerelaterextensivelycharacterizedandtermedCpGislandsbyAdrianBirdandcolleagues,whofoundthattheywerecommoninthepromotersofautosomalgenes178.StudiesfromtheGartlerlaboratoryshowedthatgenereactivationontheinactiveXchromosomeisassociatedwithlargeregionsofpromoterdemethylationafter5-azaCdRtreatment,indicatingacausalrelationshipbetweenmethylationandgenesilencingontheinactiveXchromosome.Incidentally,apeculiarityoftheDNAmethylationliteratureisthetermCpG:whatelseconnectsthetwosugarsbutaphosphate?Afterall,wedon’tsay‘TpApTpAbox’!Theconnectionbetweenepigeneticgenesilencingandchromatinmodifications,anotherthemethatisincreasinglyimportantintheprogressofcancerepigenetics,wasalsohighlightedearlyonin

studiesofXinactivation—withmemorableimagesof45humanchromosomesintenselystainedbyanantibodyspecificforacetylatedhistoneH4,withtheloneinactiveXchromosomegloballydeacetylatedandunstained.第69页,共99页，2024年2月25日，星期天aCpG-islandmethylatorphenotype—termed‘CIMP’—inhumancancer第70页,共99页，2024年2月25日，星期天Lossofimprintingincancer

hydatidiformmolesandovarianteratomas,fromtwoneurodevelopmentaldisorders,Prader–Willisyndrome(PWS)andAngelmansyndrome(AS).parent-of-originbiasinLOHforchromosome11p15allelesinWilmstumoursandembryonalrhabdomyosarcomas,withinvariablelossofmaternalandduplicationofpaternalalleles67–Beckwith–Wiedemannsyndrome(BWS),whichcausesprenatalovergrowth,birthdefects(includingalargetongue,earcreasesandabdominal-wallclosuredefects)andpredispositiontovariousembryonaltumoursofchildhoodincludingWilmstumour.第71页,共99页，2024年2月25日，星期天第72页,共99页，2024年2月25日，星期天第73页,共99页，2024年2月25日，星期天二转录水平的调控

(一)转录起始复合物的形成:真核生物的RNA聚合酶识别的不是单纯的DNA序列，而是由一个通用转录因子（transcriptionfactor,TF）与DNA形成的蛋白质-DNA复合物TFIID结合TATA盒RNA聚合酶结合TFⅡD，形成闭合的复合物其它TF与RNA聚合酶形成开放的复合物第74页,共99页，2024年2月25日，星期天（二）反式作用因子真核细胞内序列特异的DNA（8-15bp）结合蛋白可以使基因开放（正调控）或关闭（负调控）三个功能结构域：DNA结合域，转录活性域，结合其它蛋白结构域第75页,共99页，2024年2月25日，星期天DNAStructure–Major

andMinorGrooves第76页,共99页，2024年2月25日，星期天DNA结合域（DNA-bindingdomain）锌指结构（Zincfingermotif）同源结构域（Homoedomain）亮氨酸拉链（Leucinezipper）螺旋－环－螺旋(Helix-loop-helixstructure)碱性α螺旋（Alkalineα-helix）第77页,共99页，2024年2月25日，星期天ZincFingerMotif第78页,共99页，2024年2月25日，星期天Helix-Turn-HelixMotif第79页,共99页，2024年2月25日，星期天LeucineZipper第80页,共99页，2024年2月25日，星期天LeucineZipperZipper:every7thresidueisaLeu

Hydrophobicinterface第81页,共99页，2024年2月25日，星期天H-BondinginaProtein-DNAInteraction第82页,共99页，2024年2月25日，星期天转录活化结构域（transcriptionalactivationdomain）酸性α-螺旋结构域（acidicα–helixdomain）富含谷氨酰胺结构域（glutamine-richdomain）富含脯氨酸结构域（proline-richdomain）第83页,共99页，2024年2月25日，星期天（三）转录起始的调控反式作用因子的活性调节表达式调节合成后即有活性，不能积累共价修饰磷酸化、去磷酸化，糖基化配体结合激素受体蛋白质与蛋白质相互作用复合物的解离与形成第84页,共99页，2024年2月25日，星期天反式作用因子与顺式元件的结合反式作用因子的作用方式成环扭曲滑动Oozing反式作用因子的组合式调控作用组合式基因调控（conbinatorialgeneregulation）几种反式作用因子组合而发挥特定作用第85页,共99页，2024年2月25日，星期天

三.转录后水平的调控加帽和加尾的调控意义选择剪接的调控作用选择剪接（alternativesplici