医学教程 基因表达调控

第十四章基因表达调控第一节基因表达调控概述第二节原核生物基因表达调控第三节真核生物基因表达调控第一节基因表达调控概述一、与基因表达相关的概念1、基因：负载特定遗传信息，由编码序列、非编码调节序列和内含子组成的DNA片段。2、基因组：来自一个物种的全套遗传信息。3、基因表达：基因转录及翻译的过程（包括rRNA、tRNA的转录）。二、基因表达的特性1、时间特异性（阶段特异性）：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。2、空间特异性（细胞或组织特异性）：在个体生长过程中，某种基因产物在不同组织空间出现。三、基因表达的方式组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。管家基因：在生物体生命的全过程都是必须的，且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。例如：微管蛋白基因、核糖体蛋白基因。适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。分为诱导和阻遏。奢侈基因协调调节（coordinateregulation）：在一定机制控制下，机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。这种调节称为协调调节。四、基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化五、基因表达调控的基本原理1、基因表达的多级调控DNA水平转录水平：转录起始转录后水平：转录后加工，mRNA降解，蛋白质翻译，翻译后加工修饰，蛋白质降解等2、基因转录激活调节基本要素特异DNA序列：操纵子（原核）、顺式作用元件（真核）调节蛋白：原核生物：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白等DNA结合蛋白阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在

真核生物：转录因子（主要为反式作用因子）正性调节机制在真核生物普遍存在

3、转录调节的作用机理：DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用，RNA聚合酶活性调节DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用：反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及非共价结合。蛋白质的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。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)。RNA聚合酶RNA聚合酶与原核启动序列/真核启动子的亲和力，影响转录。一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。第二节原核生物基因表达调控主要发生在转录水平，多为调控转录起始一、σ因子：当环境发生改变后，σ因子替换，关闭某些基因的表达，启动另外一些基因的转录。二、操纵子模型：操纵子(operator)：原核生物中，2个以上功能相关的编码序列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成的基因调控单位。激活蛋白：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。阻遏蛋白：识别、结合特异DNA序列（操纵序列），抑制基因转录。1、乳糖操纵子（分解代谢的典型例子）结构基因：Z、Y和A。分别编码β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透过酶、β-半乳糖苷乙酰基转移酶调控元件：cAMP-CAP结合位点(C)、启动子(P)、操纵序列(O)调节基因：lacI，编码阻遏蛋白mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时1）阻遏蛋白的负性调节调节基因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++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高有葡萄糖，cAMP浓度低2）CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPmRNA无乳糖时有乳糖时

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO3）协调调节：lac操纵子的功能是在阻遏蛋白和cAMP-CAP复合物这两个相互独立的调控体系共同作用下实现的。a．葡萄糖存在，乳糖存在时：乳糖作为诱导剂和阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵子解离。但cAMP浓度较低，cAMP和CAP结合受阻，基因处于关闭状态。b．葡萄糖和乳糖都不存在时：cAMP-CAP发挥正调控作用，但没有诱导剂，阻遏蛋白使基因仍处于关闭状态。c．葡萄糖存在，乳糖不存在时：无诱导剂存在，阻遏蛋白与DNA结合。而且由于葡萄糖的存在，CAP不能发挥正调控作用，基因处于关闭状态。d．葡萄糖不存在，乳糖存在时：CAP发挥正调控作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。2、色氨酸操纵子（合成代谢的典型例子）结构基因：trpE、trpD、trpC、trpB、trpA，参与色氨酸合成调控元件：启动子、操纵区、前导区（trpL）和衰减子（trpa）调节基因：trpR1）trp操纵子的阻遏系统trpR基因产物称为辅阻遏蛋白（aporepressor），需与色氨酸结合形成有活性的阻遏物。当培养基中色氨酸含量较高时，它与游离的辅阻遏蛋白结合，并与操纵区DNA紧密结合；当培养基中色氨酸供应不足时，阻遏物失去色氨酸并从操纵区上解离，trp操纵子去阻遏。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trp操纵子的阻遏2）衰减作用前导区：在trpmRNA5’端有一个长162bp的mRNA片段。包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，能产生一个含有14个氨基酸的前导肽。在前导区的第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。衰减子：前导区内，有4个分别以1、2、3和4表示的片段，能以两种不同的方式进行碱基配对，可以1-2和3-4配对，也可以2-3方式配对。当出现3-4配对时，由于后续碱基为多个U，形成了终止子结构，称为衰减子。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形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……衰减作用培养基中色氨酸浓度低，trp-tRNATrp就少，翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区（停留在两个相邻的trp密码子处），前导区2-3配对，不形成3-4配对的终止子结构，转录继续进行。培养基中色氨酸浓度高，核糖体顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前就到达2区，3-4区配对形成终止子结构，转录停止。所以，衰减子对RNA聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’

trp密码子

结构基因前导DNA

RNA聚合酶1.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UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA2.当色氨酸浓度高时125’

trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’

RNA聚合酶终止色氨酸操纵子衰减作用三、原核生物翻译水平的调节1、蛋白质分子的自我调节调节蛋白作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称为自我抑制。结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区。2、反义RNA对翻译的调节作用与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，称为反义抑制。第三节真核生物基因表达调控一、真核基因组结构特点1、真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组：DNA约3×109bp编码基因约3万个，占6%，rDNA等重复基因约占5%～10%2、单顺反子3、重复序列4、基因不连续性：非编码序列，外显子，内含子单拷贝序列（简单重复序列，一次或数次）高度重复序列（106

次）中度重复序列（103~104次）多拷贝序列二、真核基因表达调控特点1、RNA聚合酶：3种2、活性染色体结构变化对核酸酶敏感：活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。DNA拓扑结构变化：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。组蛋白变化：核小体结构变得不稳定或松弛3、正性调节占主导4、转录与翻译分隔进行5、转录后修饰、加工三、真核基因表达调控复杂的多水平调控DNA水平：基因丢失、扩增，基因甲基化与激活转录水平：转录起始转录后水平：转录后加工，mRNA降解翻译水平：蛋白质翻译翻译后水平：翻译后加工修饰，蛋白质降解。1、DNA水平的调控真核生物发育调控的一种形式，包括基因丢失、扩增、重排、移位和甲基化等。这种调控使基因组发生了改变。2、转录水平的调控真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子的相互作用来实现的。顺式作用元件：影响同一DNA分子上基因表达活性的非编码DNA序列。例：启动子、增强子、沉默子等反式作用因子：能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。例：TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（热激蛋白启动区）等转录因子。反式作用因子的类型基本转录因子：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。特异转录因子：个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。包括转录激活因子和转录抑制因子。反式作用因子的结构DNA结合结构域：螺旋-转折-螺旋结构、锌指结构、碱性亮氨酸拉链结构、同源结构域转录激活结构域：酸性激活域、谷氨酰胺富含域、脯氨酸富含域有些还有蛋白质-蛋白质结合结构域螺旋-转折-螺旋结构：锌指结构：mRNA转录激活及其调节真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式；多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。3、其他水平的调控：第四节癌基因与抑癌基因肿瘤：病毒、化学物质、射线等引起基因(DNA)结构和表达异常，导致细胞周期调控紊乱，细胞生长/增殖失去控制，最终细胞持续分裂和癌变。良性肿瘤：一群仅局限在自己的正常位置，且不侵染周围其它组织和器官的细胞。恶性肿瘤（癌，cancer）：一群不受生长调控而繁殖的细胞，具有永生性，侵袭性，扩散性。一、癌基因能在体外引起细胞转化、在体内诱发肿瘤的基因。是一些插入的病毒癌基因或异常的细胞癌基因。1、病毒癌基因（v-onc）存在于病毒基因组中的癌基因，它不编码病毒的结构成分，对病毒复制也没有作用，但可以使细胞持续增殖。例：禽肉瘤病毒。2、细胞癌基因（c-onc）存在于正常细胞基因组中的癌基因，或称原癌基因，多为细胞内控制细胞生长和分化的基因。二、抑癌基因一类抑制细胞过度生长、增殖从而遏制肿瘤形成的基因。三、癌基因和抑癌基因与肿瘤的发生1、原癌基因的激活点突变、获得启动子与/或增强子、染色体易位或重排、基因扩增、甲基化程度降低、转座子跳跃

例：点突变造成蛋白质结构变异，ras编码细胞信号转导中起着开关作用的蛋白，