基因表达调控课件

13基因表达调控第十三章基因表达调控13基因表达调控FrançoisJacobJacquesMonod(1920~

)(1910~1976)

荣获1965年诺贝尔生理或医学奖13基因表达调控第一节

基本概念与原理BasicConceptionsandPrinciple13基因表达调控一、基因表达的概念

从遗传学角度讲，就是编码一种RNA、一种多肽的信息单位；从分子生物学角度看，是负载特定遗传信息DNA片段。

•编码序列

•非编码调节序列

•内含子*基因(gene)13基因表达调控*基因组(genome)

一个细胞或生物所携带的整套遗传信息或全部基因。原核细胞：单个环状染色体真核生物：染色体基因组(染色体DNA)注:不同于线粒体基因组(线粒体DNA)

叶绿体基因组(叶绿体DNA)人类基因组含约2万~2.5万个基因。13基因表达调控

*基因表达(geneexpression)

在一定调节机制控制下，基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。基因表达就是基因转录和翻译的过程。13基因表达调控二、基因表达的特异性（一）时间特异性按功能需要，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表现为与生长、分化和发育阶段一致的时间性，因此又称阶段特异性(stagespecificity)。13基因表达调控（二）空间特异性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，一种基因产物在个体的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)。13基因表达调控三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）基本表达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)。13基因表达调控无论表达水平高低，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。这类基因表达被视为基本（或组成性）基因表达(constitutivegeneexpression)。13基因表达调控（二）诱导和阻遏表达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。可诱导基因在特定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(repression)。13基因表达调控在一定机制控制下，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，即为协调表达(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。13基因表达调控四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖生物体赖以生存的外环境是在不断变化的，为了生存，所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应，调节代谢，以适应环境变化。生物体适应环境、调节代谢的能力与蛋白质分子的生物学功能有关。而蛋白质的水平又受基因表达的调控。13基因表达调控（二）维持个体发育与分化

多细胞生物调节基因的表达除为适应环境外，还有维持组织器官分化、个体发育的功能。

当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器官的发育异常。13基因表达调控第二节基因表达调控的基本原理13基因表达调控一、基因表达的多层次和复杂性基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰转录起始转录起始调节是基因表达调控的主要环节基因表达在全过程的各水平上都可以受调控：13基因表达调控二、基因转录激活调节基本要素基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。13基因表达调控

•特异DNA序列

•调节蛋白

•DNA－蛋白质相互作用蛋白质－蛋白质相互作用

•RNA聚合酶13基因表达调控

(一)、特异DNA序列

1、原核生物的操纵子

操纵子(operon)：通常由2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联，组成一个基因表达调控单位。13基因表达调控是RNA聚合酶识别、结合并启动转录的特异DNA序列。启动序列(promoter)13基因表达调控2

操纵序列

(operator)——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录，介导负性调节。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白13基因表达调控BADNA编码序列转录起始点2、真核生物的顺式作用元件(cis-actingelement)

——可影响自身基因表达活性的DNA序列。通常是非编码序列。包括启动子、增强子及沉默子等。13基因表达调控

不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。

•

是非编码序列

•

并非都位于转录起始点上游13基因表达调控*特异因子：决定RNA-pol对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。*阻遏蛋白：识别和结合特异的DNA序列—操纵序列，阻遏基因转录，介导负性调节。

（二）调节蛋白

原核生物:

均为DNA结合蛋白13基因表达调控*激活蛋白(activator):可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。13基因表达调控真核生物的基因调节蛋白由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。反式作用因子(trans-actingfactor)

这种调节作用称为反式作用。

13基因表达调控

有些真核调节蛋白可特异识别、结 合自身基因的调节序列，调节自身基因 的开启或关闭，称为顺式作用蛋白。13基因表达调控

13基因表达调控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。(三)DNA-蛋白质蛋白质-蛋白质的相互作用DNA-蛋白质相互作用13基因表达调控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)。蛋白质-蛋白质相互作用

还有一些调节蛋白不能直接结合DNA，而是通过蛋白质-蛋白质相互作用间接结合DNA，调节基因转录，常见于真核生物。13基因表达调控(四)RNA聚合酶1、原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性

启动序列/启动子是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节组件组成。启动序列影响其与RNA聚合酶的亲和力，因而亲和力大小则直接影响转录起动的频率。

真核生物RNA聚合酶与启动子的亲和力极低或无亲和力。13基因表达调控2、调节蛋白与RNA聚合酶活性

一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表达，随后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，从而改变基础转录频率。13基因表达调控第三节

原核基因转录调节RegulationofProkaryoticGeneTranscription13基因表达调控——调节的主要环节在转录起始一、原核基因转录调节特点（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性13基因表达调控因子基因功用-35顺序间隔距离-10顺序σ70rpoD正常状态TTGACA10-18bpTATAATσ32rpoH热休克CNCTTGAA13-15bpCCCCATNTσ54rpoN氮的利用CTGGNA6bpTTCGAE.coli的不同σ因子识别不同的共同顺序通过不同的σ亚基，原核细胞能协同相关基因的表达，使细胞适应其所处的环境。13基因表达调控

二、原核生物转录起始调节（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构13基因表达调控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）乳糖操纵子的调节机制阻遏基因1、阻遏蛋白的负性调节13基因表达调控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13基因表达调控TTTACATATGTTN17N6AlacTTGACATATAAT共有序列乳糖操纵子是弱启动子，被RNA-pol结合后，还需cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化。2、CAP的正性调节13基因表达调控++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP结合位点13基因表达调控

•

阻遏蛋白是负性调节因素。

•

半乳糖或别乳糖是诱导剂。

异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)是实验室广泛应用的一种作用极强的诱导剂。

•

CAP是同二聚体，含有DNA结合区和

cAMP结合位点。

•

CAP是正性调节因素。13基因表达调控3、协调调节※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。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)。

13基因表达调控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-polOOOOＩＩ无转录无转录低水平转录13基因表达调控三、原核生物转录终止调节依赖Rho因子的转录终止不依赖Rho因子的转录终止

不依赖Rho因子的终止子序列在结构上有两个显著特征：

•两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸

•下游含一系列T序列13基因表达调控E.coli存在两种转录终止调节方式：

•衰减

RNA链过早终止

•抗终止

阻止终止的发生，使下游基因表达13基因表达调控四、原核生物翻译水平调节

调节主要在起始阶段主要依靠调节分子(蛋白质、RNA)（一）蛋白质分子的自我调节

调节蛋白结合mRNA的靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白作用于自身mRNA，抑制自身的合成，这种调节方式称为自我控制。13基因表达调控（二）反义RNA对翻译的调节作用

反义RNA是原核生物的一种调节RNA，含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断30s小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始。这种调节成为反义控制。13基因表达调控干扰RNA也是天然短链RNA。90年代基因工程技术实验发现：导入外源基因有时不但不能表达，反而抑制宿主菌某些基因表达。当时称这种现象为共阻遏（co-repression）。由iRNA引发的内源基因抑制称为转录后基因沉默（posttranscriptionalgenesilencing,PTGS）。干扰RNA（interferingRNA,iRNA）利用RNA干扰（RNAinterfering,RNAi）技术原理，可以封闭或剔除靶基因。13基因表达调控第四节

真核基因转录调节RegulationofEukaryoticGeneTranscription13基因表达调控一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组DNA约3×109

碱基对编码基因约有30000个，占总长的6%rDNA等重复基因约占5%~10%其余80%〜90%可能没有直接的遗传功能13基因表达调控（二）单顺反子（三）重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106

次）中度重复序列（103~104次）多拷贝序列（四）基因不连续性5`AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3`3`TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5`

反向重复序列13基因表达调控13基因表达调控

(一)RNA聚合酶

(二)活性染色体结构变化

(三)正性调节占主导

(四)转录与翻译分隔进行

(五)转录后修饰、加工

二、真核基因表达调控特点13基因表达调控

真核生物的RNA聚合酶种类ⅠⅡⅢ对鹅膏蕈碱的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受极敏感中度敏感转录产物（一）RNA聚合酶13基因表达调控（二）活性染色体结构变化1.对核酸酶敏感当用DNaseI处理时，活化的染色质DNA会出现一些DNaseI超敏位点，常出现在调节蛋白结合位点附近。这是活化基因的明显特征。13基因表达调控2.DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向RNA聚合酶下游的转录区为正超螺旋，阻碍核小体的形成，促进核小体的解体；

RNA聚合酶上游的DNA则为负超螺旋，有利于核小体的再形成。13基因表达调控3.DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。4.组蛋白变化①富含Lys组蛋白水平降低②H2A,H2B二聚体不稳定性增加③组蛋白修饰：乙酰化、磷酸化④H3组蛋白巯基暴露13基因表达调控（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工其原因：

•更有效，可提高特异性和精确性

•采用负性调节不经济13基因表达调控三、RNA-polⅠ和polⅢ的转录调节

（一）RNA-polⅠ转录体系的控制

1.人rRNA前体基因的启动子有两个元件：核心元件（核心启动子）：-45~+20bp

上游控制元件（UCE）：-156~-107bp2.两种转录因子：上游结合因子Ⅰ：可与UCE和核心元件特异结合选择性因子Ⅰ：与两个元件结合，无序列特异性13基因表达调控（二）RNA-polⅢ转录体系的控制*

转录产物为：tRNA和5SrRNA*

特点：启动子位于转录起始点下游即转录区内，称内部控制区（ICR）。*

tRNA基因的ICR由A盒（TGGCNNAGTGG）和B盒（GGTTCGANNCC）两个元件组成。*转录起始因子为：TFⅢB，必需的转录因子*

TFⅢC为辅助因子*

5SrRNA的转录TFⅢA和TFⅢC均为辅助因子13基因表达调控

是指可影响自身基因表达活性的特异DNA序列。

•启动子

•增强子

•沉默子四、RNA-polⅡ转录起始的调节（一）顺式作用元件13基因表达调控1.启动子（promoter）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13基因表达调控TATA盒:

TATAAAA

•位于­25〜-30bp

•TFⅡD结合位点。

•控制转录起始的准确性及频率。GC盒:

GGGCGG

CAAT盒:

GCCAAT

•位于-30〜-110bp区域

•与相应蛋白因子结合，影响转录效率。13基因表达调控

典型的启动子由TAAT盒和CAAT盒和/或GC盒组成，通常具有一个转录起始点及较高的转录活性。13基因表达调控2.增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。发挥作用的方式与方向、距离无关。酵母：上游激活序列3.沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。13基因表达调控（二）反式作用因子

1.转录（调节）因子分类（按功能特性）*基本转录因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。•通用的——TFⅡD•特有的13基因表达调控*特异转录因子(specialtranscriptionfactors)为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子:增强子结合蛋白(EBP)转录抑制因子:沉默子结合蛋白13基因表达调控2.转录（调节）因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域13基因表达调控最常见的DNA结合域1.锌指(zincfinger)C——CysH——His常结合GC盒13基因表达调控13基因表达调控ZnCysHis13基因表达调控

2.α-螺旋常结合CAAT盒13基因表达调控由两