第三章 基因表达的调控教学课件

第三章基因表达的调控

在同一机体的各种细胞内含有相同的遗传信息，即相同的结构基因，它们在各种细胞中并非同时表达，而是根据机体生长、发育、繁殖的需要，随着环境的变化，有规律的选择性、程序性、适度地表达，以适应环境，发挥其生理功能。这就是所谓的调控，即基因表达的调节和控制（regulationandcontrol）。基因表达调控在机体适应环境、维持自身的生长和增殖及维持个体发育与分化等方面均具有重要的生物学意义。整个基因表达的过程分为几个阶段，即基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工等。在上述各个环节中均存在着基因表达调控的控制点。基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件。

原核生物和真核生物在基因表达调控的细节上尽管差异很大，但两者的调控模式却具有惊人的相似性和可比性，除此之外，原核生物和真核生物的基因表达调控元件也具有统一性。然而，不管是原核生物还是真核生物，转录环节是最主要的调控位点。基因调控元件按其属性可分为核酸和蛋白质两大类，所有基因表达调控模式的实质无非是两者之间的相互作用，包括核酸分子内或分子间的相互作用、核酸分子与蛋白分子之间的相互作用以及蛋白分子内或分子间的相互作用。其中第二种作用尤为重要。第一节

原核生物基因表达的调控一、转录水平的调控（一）影响转录的因素二、翻译水平的调控（二）转录的调控机制（一）SD序列对翻译的影响

（二）mRNA的稳定性

（三）翻译产物对翻译的调控

（四）小分子RNA的调控作用原核生物mRNA结构的特点：（1）原核生物mRNA往往是多顺反子的，即每分子mRNA

带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核糖体识别、结合部位。在5‘端和3＇端也有非编码区。（2）mRNA5＇端无帽子结构，3＇端一般无多聚A尾巴。（3）mRNA一般没有修饰碱基，即这类mRNA的分子链完全不被修饰。原核生物基因多以操纵子（operon）的形式存在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同RNA聚合酶结合并启动转录的特异性DNA序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。原核生物基因表达调控的环节，主要在转录水平，其次是翻译水平。

一、转录水平的调控1、启动子2、σ因子

3、阻遏蛋白

4、正调控蛋白

5、倒位蛋白（inversionprotein）

（一）影响转录的因素6、RNA聚合酶抑制物

7、衰减子

（1）启动子决定转录方向及模板链1、启动子基因转录时，σ因子识别并结合-35区，而RNA聚合酶结合于-10区，全酶结合DNA后覆盖的区域是-40～+20。开始合成RNA后，RNA聚合酶是沿着信息链的5′3′方向移动，只能以信息链的互补链为模板合成RNA。5＇—TAGTGATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG—3＇-35-10+13＇—

ATCACTAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC—5＇AGGUCCACG……RNA

3＇

转录5

＇

RNA聚合酶σ因子（2）启动子决定转录效率

在E.coli启动子中，在-35和-10的两个序列称为一致性序列（consensussequences）。两个序列中各碱基的出现频率为：-35：T82G78A65C54A95；-10：T80A95T45A60T96。一般说来，强启动子的序列与上述序列最接近，弱启动子（基因表达较少量的mRNA）则与上述序列相差较大，这种调控作用与σ因子的作用有关。识别E.coli启动子中一致性序列的σ因子主要是σ70亚单位。启动子序列与上述序列越接近，σ70与之结合的能力越强。σ因子与RNA聚合酶紧密结合，转录启动后，大约合成至8个核苷酸时，σ因子解离，游离的σ因子本身并不直接结合特定的DNA。不同的σ因子可以竞争结合RNA聚合酶。环境变化可诱导产生特定的σ因子，从而打开一套特定的基因。

2、σ因子σsigmarpoH基因翻译被阻遏低温或稳定生长状态σ32减少σ70-RNA聚合酶增多正常基因表达温度突然升高阻遏解除σ32浓度大大增加形成σ32–RNA聚合酶合成热休克蛋白转录mRNAσ32控制热休克蛋白基因的表达热休克蛋白基因的启动子阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。阻遏蛋白在一定的条件下与DNA结合。在E.coli中，主要有诱导（induction）和阻遏（repression）两种类型。在这两种类型中，阻遏蛋白都可以与特定的信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与DNA结合，或者与DNA解离。

3、阻遏蛋白（repressor）与负调控相反，当调控蛋白结合于特异DNA序列后促进基因的转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。E.coli中的一些弱启动子，本身结合RNA聚合酶的作用很弱，对于这些启动子来说，正调控作用是很重要的。

（1）CAP蛋白（分解代谢物基因活化蛋白

catabolitegeneactivatorprotein）：这种蛋白可将葡萄糖饥饿信号传递给许多操纵子，使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可以利用其他碳源。CAP结合DNA由cAMP控制。

（2）ntrC蛋白

4、正调控蛋白5、倒位蛋白（inversionprotein）

是一种位点特异性的重组酶（site-specificrecombinationenzyme）。倒位基因启动子阻遏物基因启动子H2H1H2H1启动子启动子阻遏物蛋白H2蛋白阻遏物基因可倒位区H1蛋白mRNAONONONONONOFFOFFOFFmRNAOFF7、衰减子

细胞中的mRNA转录和蛋白质翻译合成是偶联在一起的。这一特点使细菌的一些操纵子中的特殊序列可以在转录过程中控制转录水平。这些特殊的序列称为衰减子（attenuator）。又称弱化子。位于上些操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的顺序。如色氨酸操纵子中的衰减子位于L基因中。

6、RNA聚合酶抑制物在氨基酸缺乏时，游离核糖体与空载的tRNA增加，在ATP的存在下，使RNA聚合酶构象改变，活性降低，rRNA和tRNA合成减少或停止。富含氨基酸时则相反。乳糖操纵子调控的机制

（二）转录的调控机制

在含有葡萄糖和半乳糖的培养基中，E.coli和某些肠道菌优先利用葡萄糖生长，当葡萄糖耗尽后，细菌暂时停止生长，开始合成与半乳糖利用有关的酶，然后细胞又恢复生长，这就是细胞二度生长现象。这种分解代谢产物阻遏有时也称为葡萄糖效应。

在葡萄糖不存在、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。其他几种情况，基因都处于关闭状态。CAPCAP结合位点启动子操纵基因结构基因+葡萄糖+乳糖+葡萄糖-乳糖-葡萄糖-乳糖-葡萄糖+乳糖开放关闭关闭关闭转录mRNA阻遏物RNA聚合酶乳糖操纵子的实际应用

lacZ基因作为转录和翻译融合体中的报告基因得到广泛应用，从细菌到果蝇甚至人类细胞。该基因的产物—β-半乳糖苷酶可以将X-gal分解产生显示出蓝色的反应，利用这一特性可在基因克隆中进行蓝白菌落筛选。含有重组DNA的菌落为无色，而含非重组DNA的菌落为蓝色。1、SD序列（SDsequence）的顺序及位置对翻译的影响

SD序列，在mRNA的翻译起始信号（AUG）前的核糖体结合部位，它是与核糖体16SrRNA3＇末端序列互补的核苷酸序列。一般与核糖体结合强的SD序列翻译效率较高。不同的SD序列有一定的差异，因而翻译起始效率不一样。SD序列与起始密码子之间的距离，也是影响mRNA翻译效率的重要因素之一。另外，某些蛋白质与SD序列的结合也会影响mRNA与核糖体的结合，从而影响蛋白质的翻译。二、翻译水平的调控（一）SD序列对翻译的影响2、mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用在某些mRNA分子中，核糖体结合位点在一个二级结构（茎环）中，使核糖体无法结合，只有打破茎环结构，核糖体才能结合。

细菌mRNA通常是不稳定的。mRNA的降解速度是翻译调控的另一个重要机制。蛋白质合成速率的快速改变，不仅是因为mRNA不断合成以及mRNA合成与蛋白质翻译偶联，更重要的是，许多细菌mRNA降解很快。E.coli的许多mRNA在370C时的平均寿命大约为2min，很快被酶解。（二）mRNA的稳定性

细菌的生理状态和环境因素都会影响mRNA的降解速度。另外，mRNA的一级结构和次级结构对mRNA的稳定性也有很大的影响，一般在其5＇端和3＇端的发夹结构可保护其不被外切酶迅速水解。mRNA的5＇端与核糖体结合，可明显提高其稳定性。

不同操纵子转录出的mRNA分子的平均寿命是不同的，有些mRNA编码的蛋白质是持续存在的,mRNA也较稳定.如:RNaseⅢ识别一种特殊的发夹结构，将其裂解，使RNA能够被其它RNA酶降解。而这种发夹结构可能是其它RNA酶所不能破坏的。如果这种发夹结构被保护，mRNA的寿命就延长了。

有些mRNA编码的蛋白质，本身就在蛋白质翻译过程中发挥作用的因子。这些因子可对自身的翻译产生调控作用。1、核糖体蛋白在细菌中，每个核糖体含有约50种不同的蛋白质，必须以同样的速率合成，而且，合成这些蛋白质的速率是与细胞增殖相适应的。生长条件的改变，可以导致所有核糖体组分的迅速增加或降低，翻译水平调控在这些协调控制中起着关键作用。2、翻译终止因子RF2调节自身的翻译

RF2识别终止密码UGA和UAA,RF1识别终止密码UAG和UAA。（三）翻译产物对翻译的调控

1、调整基因表达产物的类型

2、低水平表达基因的控制

（四）小分子RNA的调控作用主要有两种类型：

低渗

高渗ompR蛋白ompF基因micF基因ompC基因启动子启动子ONONONOFFOFFOFFompF蛋白ompC蛋白ompCmRNA变构的ompR蛋白已转录的ompFmRNAmicmRNAmicmRNA：mRNA干扰性互补RNA（mRNAinterferingcomplementaryRNA）阻遏RNA阻遏RNApIN启动转录pOUT启动转录pOUTTn10转位酶mRNATn10转位酶mRNApIN转录核糖体mRNA核糖体DNAprotein第二节真核生物基因表达的调控

真核生物比原核生物基因表达的调控复杂得多。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，主要通过及时调整酶系统基因的表达来适应环境变化。而多细胞真核生物的机体只有少数基因的表达调控与外界环境变化直接有关，绝大多数的基因表达与生物体的发育、分化等生命现象密切相连。真核细胞是有核的细胞，其转录主要在核内，翻译则在细胞质中有规律地进行，而翻译产物的分布、定位及功能活性调节也都是可控制的环节。真核生物基因表达的调控可以发生DNA水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平。

真核生物mRNA结构的特点：（1）5′末端有帽子结构。（2）3′端绝大多数均带有多聚腺苷酸尾巴，其长度为20～30个腺苷酸。（3）分子中可能有修饰碱基，主要有甲基化。（4）分子中有编码区与非编码区。一、DNA水平的调控二、转录水平的调控三、转录后水平的调控四、翻译水平的调控五、翻译后水平的调控六、组织特异性表达和时相性

真核生物基因表达在DNA水平的调控主要通过一列几种方式：1、染色质的丢失一些低等生物（如线虫等）的细胞发育过程中发现染色质丢失现象及高等动物红细胞在发育成熟过程中也有染色质的丢失，都是一些不可逆的调控。2、基因扩增（geneamplification）细胞在发育分化或环境改变时，对某种基因产物的需要量剧增，而单纯靠调节其表达活性不足以满足需要，只有增加这种基因的拷贝数（即基因的扩增或基因放大）来满足需要。这是调控基因表达活性的一种有效方式。3、基因重排（generearrangement）基因重排是指基因片段改变原来存在顺序，通过调整有关基因片段的衔接顺序，再重排成为一个完整的转录单位。基因重排是DNA水平调控的重要方式之一。一、DNA水平的调控4、DNA甲基化在真核生物基因表达调控中，甲基化起着重要作用。一般认为，DNA甲基化与基因的表达呈反比关系。甲基化程度高，基因的表达则降低。去甲基化，又可使基因的表达增加。基因某一特定位点（尤其是靠近5＇端调控序列）的去甲基化可使基因的转录活性增加。5、染色质结构对基因表达的调控作用组蛋白与DNA结合，可保护DNA免受损伤，维持基因组稳定性，抑制基因的表达。去除组蛋白则基因转录活性增高。这种组蛋白与DNA结合与解离是真核基因表达调控的重要机制之一。

转录水平的调控是真核生物基因表达调控中重要的环节。调控作用主要是通过反式作用因子、顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来完成的。调控作用主要是反式作用因子结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成。了解真核生物基因表达在转录水平的调控，主要是了解反式作用因子的特点以及反式作用因子对转录起始的调控。二、转录水平的调控

无论是原核生物还是真核生物，在转录起始复合物形成过程中，RNA聚合酶（RNApol）与启动子的结合都是关键的一步。真核生物的RNApolⅠ、Ⅱ、Ⅲ，识别不同的启动子，需要不同的转录因子（transcriptionfactor,TF）：TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ。每一类又依发现先后命名为A、B……，如TFⅢA、TFⅢB等。真核生物的转录起始复合物的形成过程有三步：①TFⅡD结合TATA盒；②RNApol识别并结合TFⅡD-DNA复合物，形成的是闭合的复合物，DNA双链没有打开，尚不能启动转录；③其它转录因子与RNApol结合，转录起始部位的DNA解链，形成转录起始复合物，或称开放的复合物（opencomplex），开始转录。在转录调控过程中，反式作用因子的作用主要是促进或抑制TFⅡD与TATA盒结合、RNApol与TFⅡD-DNA复合物结合以及转录起始复合物的形成。（一）转录起始复合物的形成1、反式作用因子（trans-actingfactor）

真核细胞内含有大量的序列特异性的DNA结合蛋白，其中一些蛋白的主要功能是使基因开放或关闭，称为反式作用因子，简称反式因子，这是一类细胞核内蛋白因子。在结构上含有与DNA结合的结构域，是结合特异的DNA序列所必需的。反式作用因子在细胞中的数量很小，大约每3000个核小体中有一个分子，或每个哺乳类细胞中有104个左右。这些蛋白质识别特定的DNA序列（通常8—15个核苷酸），与DNA结合后，可以促进（正调控）或抑制（负调控）一个邻近基因的转录。在多细胞有机体中，不同的细胞类型具有不同的反式作用因子群体，引起每一细胞类型表达不同的成套基因。

（二）反式作用因子①一般具有三个功能结构域：DNA识别结合域，转录活性域，结合其它蛋白的结合域。这些功能区含有几十到几百个氨基酸残基。②能识别并结合上游调控区中的顺式作用元件。③对基因表达有正性和负性调控作用，即激活和阻遏基因的表达。具有正性调节作用的反式因子和相应的顺式元件结合后，可能还要通过与RNA聚合酶或其它反式因子与相应的顺式元件结合后才能产生效应。2、反式作用因子的主要特点3、反式作用因子结构域的模式（1）DNA结合域（DNA-bindingdomain）①锌指结构（zincfingermotif）指在结合DNA的结构域中含有较多的半胱氨酸和组氨酸的区域，借肽链的弯曲使2个Cys和2个His或4个Cys与一个锌离子络合成的指状结构。②同源结构域（homodomain,HD）指在结合DNA的结构域中的一段保守序列，由60个左右氨基酸组成的螺旋-回折-螺旋结构。③亮氨酸拉链结构在结合DNA结构域中有一段约由30个氨基酸组成的核心序列，可形成两性α-螺旋。在螺旋的一侧以带电荷的氨基酸残基为主，具有亲水性，另一侧是排列成行的亮氨酸，具有疏水性，称为亮氨酸拉链区。两个具有亮氨酸拉链区的反式作用因子以疏水力作用形成亮氨酸拉链。（2）转录活化结构域（transcriptionalactivationdomain）②富含谷氨酰胺结构域（glatamine-richdomain）④螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix,HLH）结构⑤碱性α-螺旋（alkalineα-helix）指DNA结合域具有α-螺旋结构，并含有高密度的碱性氨基酸，无锌指结构、同源结构域及亮氨酸拉链结构。100～200个氨基酸的肽段，具有两个能形成两性α-螺旋的区域。①

酸性α-螺旋结构域（acidicα-helixdomain）含有较多的负电荷，能形成亲脂性α-螺旋。③富含脯氨酸结构域（proline-richdomain）1、反式作用因子的活性调节（三）转录起始的调控2、反式作用因子与顺式元件的结合3、反式作用因子的作用方式4、反式作用因子的组