基因表达调控原理

1、第13章,基因表达调控 Regulation of Gene Expression,第一节基因表达调控的基本概念,Basic Conceptions of Gene Expression Regulation,一、基因表达是指基因转录及翻译的过程,基因组(genome) 来自一个生物体的一整套遗传物质。,是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。,基因表达(gene expression),基因表达是受调控的。,二、基因表达具有时间特异性和空间特异性,（一）时间特异性,（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

2、又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,三、基因表达的方式及调节存在很大差异,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）基本（或组成性）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(housekeeping gene)。,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。区别于其他基因，这类基因表

3、达被视为组成性基因表达(constitutive gene expression)。,（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，这种基因称为可诱导基因(inducible gene)。,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(repressible gene)。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。,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(coordinate

4、expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需,（一）以适应环境、维持生长和增殖,生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。,（二）以维持细胞分化与个体发育,在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。,第二节基因表达调控的基本原理,Basic Principles of Gene Expression Regulat

5、ion,一、基因表达调控呈现多层次和复杂性,基因表达的多级调控,基因激活 拷贝数 重排 甲基化程度,转录起始 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,转录起始,二、基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节,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。,（一）特异DNA序列决定基因的转录活性 （二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性,原核生物, 操纵子(operon) 机制,图13-1 五种E.coli启动序列的共有序列,共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小。,

6、某些特异因子（蛋白质）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、操纵序列 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。,3、其他调节序列、调节蛋白,例如：,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。,真核生物,图13-2 顺式作用元件,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

7、些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,2、真核基因的调节蛋白,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。,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。这种调节作用称为反式作用。,反式作用因子(trans-acting factor),反式调节,顺式调节,图13-3 反式与顺式作用蛋白,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。,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

8、聚体(polymer)。,（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节,（四）RNA聚合酶与基因的启动序列/启动子相结合,1、原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性,RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。,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。,第三节 原核基因表达调节,Regulation of Gene Expression in Prokaryote,调节的主要环节在转录起始。,一、原核基因转录调节特点,（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性,在转录起始阶段，因子

9、识别特异启动序列；不同的因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。,（二）操纵子模型的普遍性,原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位操纵子（operon）。一个操纵子只含一个启动序列（promoter）及数个可转录的编码基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子mRNA。原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完成的。,（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节,原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。 当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。,二、操纵子调控模式在原核基因转录起

10、始的调节中具有普遍性,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,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,1、阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,图13-4 lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节,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,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(catabolic rep

11、ression)。,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,图13-5CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节（新图）,三、原核生物具有不同的转录终止调节机制,（一）不依赖Rho因子的转录终止,（二）依赖Rho因子的转录终止,常见于噬菌体中，结构特点不清楚。,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。,终止子结构特点：,四、原核生物在翻译水平受到多个环节的调节,（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节,调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。 调节蛋白一般作用于自身mRNA

12、，抑制自身的合成，称自我控制(autogenous control)。,（二）反义RNA结合mRNA翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节,可调节基因表达的RNA称为调节RNA。 细菌中含有与特定mRNA翻译起始部位互补的RNA，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。这种调节称为反义控制(antisense control)。,第四节 真核基因表达调节,Regulation of Gene Expression in Eukaryote,一、真核基因组具有独特的结构特点,（一）真核基因组结构庞大,哺乳类动物基因组DNA 约 3109碱基对。,人编码

13、基因约4万个，编码序列仅占总长的1%。,rDNA等重复基因约占5%10%。,（二）真核基因转录产物为单顺反子,单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。,（三）真核基因组含有大量的重复序列,真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含子（intron）、外显子（exon）之分，因此真核基因是不连续的。,（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区，故：具有不连续性,二、真核基因表达调控更为复杂,（一）真核细胞内含有多种RNA聚合酶,真核RNA聚合酶有三种，即RNA pol I、II及 III，分别负

14、责三种RNA转录。,（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化,对核酸酶敏感,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:,活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。,DNA碱基的甲基化修饰变化,组蛋白变化,富含Lys组蛋白水平降低 H2AH2B二聚体不稳定性增加 组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰,图13-6 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,组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构

15、，以及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。,组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响,（三）在真核基因表达调控中以正性调节占主导,采用正性调节机制更精确：一个负性调节元件的结合足可阻断RNA聚合酶的结合，因此同时采用几个负性调节元件一般不会改变特异性；相反，如果采用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。 采用负性调节不经济：在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。,（四）在真核细胞中转录与翻译分隔进行,（五）转录后修饰、加工

16、更为复杂,真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同细胞部位进行，转录在细胞核，翻译在细胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。,三、RNA Pol I和Pol III转录体系的调节相对简单,（一）RNA Pol I转录体系,RNA Pol I的转录产物只有rRNA前体，经剪接修饰生成除5S rRNA外的各种rRNA。 启动子元件包括：核心元件(core element)或核心启动子(core promoter)和上游控制元件(upstream control element, UCE)。,（二）RNA Pol III转录体系,RNA Pol III的转录产物：多种小

17、分子RNA，包括tRNA、5S rRNA和一部分小核RNA。 启动子位于转录起始点下游，称内部控制区(internal control regions, ICR)。,（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性,启动子,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。,四、RNA Pol II转录起始的调节非常复杂,图13-7 真核基因启动子的典型结构,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。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。,沉默子(silencer),某些基因的负性

18、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。,（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白,转录调节因子分类（按功能特性）,基本转录因子(general transcription factors),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。,特异转录因子(special transcription factors),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,转录抑制因子,转录调节因子结构,最常见的DNA结合域：,锌指(zinc finger),C Cys H His,常结合GC盒,Zn

19、,Cys,His,图13-8 锌指结构,a-螺旋,常结合CAAT盒,碱性螺旋-环-螺旋 碱性亮氨酸拉链,（三）mRNA转录激活需要转录起始复合物的形成,真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。,图13-9 转录起始复合物的形成,五、RNA Pol II转录终止的调节机制尚不清楚,（一）HIV基因组转录终止调节,（二）热休克蛋白基因的转录终止调节,病毒蛋白Tat与转录产物5端特异RNA序列结合，并与宿主蛋白质、RNA Pol II相互作用，阻止HIV基因组转录的提早终止。,在应激条件下暂时性停止大多数基因的转录和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白质即热休克蛋白(heat sh

20、ock protein)的表达。,六、转录后水平的调节也是基因表达调控的重要环节,（一）hnRNA加工成熟的调节,（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节,加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。,通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物(ribonucleoprotein, RNP)进行。,七、基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节,（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行,蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（eukaryotic initiation factor, eIF）的活性对起始阶段有重要的控制作用。,（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节,RNA结合蛋白（RNA binding protein, RBP），是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。 基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如前述转录终止、RNA剪接、RNA转运、RNA胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。,（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达,新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度