1、第十三章 基因表达调控 基本概念：操纵子 启动子 操作子 衰减调控 顺式作用元件 反式作用因子 反义RNA 基本知识点：1原核生物乳糖操纵子模型的组成和结构 2高等动物基因表达调控的层次和调控方式,第十三章 基因表达调控,一、基因表达调控原理 二、原核生物基因表达调控 三、真核生物基因表达调控 四、反义技术,一、基因表达调控原理,（一）基因和基因组 （二）基因表达 （三）基因表达调控,（一）基因和基因组,基因是为特定产物编码及与其表达有关的DNA序列所组成的遗传信息单位，是遗传物质的最小功能单位。 基因组(genome)是指含有一个生物体生存、发育、繁殖等生命活动所需要的全部遗传信息的整套核酸
2、。,基因携带的三种遗传信息,编码蛋白质的基因，它具有转录和翻译功能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节基因； 只有转录功能而没有翻译功能的基因，有tRNA基因和rRNA基因； 不转录的基因，它对基因表达起调节和控制作用，包括启动基因和操纵基因。启动基因和操纵基因统称为控制基因。,（二）基因表达,基因表达是指基因通过转录与翻译合成RNA或蛋白质的过程。 基因表达的特点 时间特异性或发育阶段特异性 空间特异性或组织细胞特异性 有两种表达方式,1.时间特异性或发育阶段特异性,基因表达的时间特异性是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。
3、故又称为发育阶段特异性。,2.空间特异性或组织细胞特异性,基因表达的空间特异性是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因在不同的细胞或组织器官的是否表达或表达量有所不同，从而导致特异性蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或组织特异性。,3.基因的两种表达方式,组成性表达：组成性基因表达是指在个体发 育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因。 可调性表达：一些表达的基因受环境因素的诱导或阻遏。诱导表达是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。
4、这类基因称为可诱导基因。阻遏表达是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。,（三）基因表达调控,基因表达调控是指对基因表达过程进行的调节和控制。 基因表达调控的基本原理 基因表达的多级调控 基因转录激活的基本要素,1. 基因表达的多级调控,基因表达可在多层次上受到调节如基因转录、转录后加工、翻译和翻译后加工等水平上进行调节。但最主要的是转录水平的调节。,2. 基因转录激活的基本要素,特定的DNA序列 原核生物的操纵子 真核生物的顺式作用元件 调节蛋白 原核生物基因调节蛋白 反式作用因子 DNA蛋白质、蛋白质蛋白质相互作用 RNA聚合酶,(1) 原核
5、生物的操纵元,操纵元(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，组成一个转录单位。,启动序列,操纵序列,启动序列（启动子）,是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列,操纵序列（operator）,是阻遏蛋白的结合位点，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，或使RNA聚 合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。,其他调节序列：有的特异DNA序列可结合激活蛋白，增强RNA聚合酶活性，使转录激活。,(2) 真核生物的顺式作用元件,顺式作用元件又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。为反
6、式作用因子提供结合位点。通常是非编码序列。 如真核基因的启动子、增强子和沉默子等。,(3) 真核生物反式作用因子,反式作用因子又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。 反式作用因子通过与顺式作用元件之间相互同作用，达到对特定基因进行调控的目的。 真核生物的基本转录因子和特异转录因子等。,DNA蛋白质、 蛋白质蛋白质相互作用,DNA蛋白质相互作用特异识别非共价结合DNA结合位点常呈对称结构蛋白质蛋白质相互作用形成二聚体或多聚体，间接结合DNA,(4) RNA聚合酶,启动子与RNA聚合酶活性 调节蛋白与RNA聚合酶活性,启动子与RNA聚合酶活性,启动序列/启动子是由转录起始点、
7、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，而亲和力大小则直接影响转录起动的频率。,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。,二、原核生物基因表达调控,（一）原核基因表达调控的特点 （二）乳糖操纵元 （三）色氨酸操纵元 （四）原核生物转录的整体调控模式,（一）原核基因表达调控的特点,1 因子决定聚合酶识别特异性，帮助聚合酶识别不同启动子，对不同基因进行转录。 2 转录调节普遍采用操纵元模式 3 阻遏蛋白对转录的抑制作用是普遍存在的
8、共性调节。,操纵元,操纵元是指原核生物功能相关的基因串联地排列在一起，在一个共同的调控区的调节下，一起转录生成一个多顺反子，最终表达产物是一些功能相关的酶或蛋白质，它们起参与某种底物的代谢或某种产物的合成。把这些功能相关的基因及其调控序列构成的转录单位称为操纵元。 典型的操纵元可分为控制区和结构基因区两部分。结构基因区由一个或数个结构基因串联在一起组成；控制区通常由调节基因（阻抑蛋白编码基因）、启动基因（CRP和RNA聚合酶结合区）和操纵子基因（阻抑蛋白结合位点）构成。,（二）乳糖操纵元,Jacob和Monod等人对大肠杆菌利用乳糖的适应现象进行了一系列研究，1961年提出乳糖操纵元(lac
9、operon)学说。,（二）乳糖操纵元的结构（重点）,大肠杆菌乳糖操纵元包括： 结构基因区：3个串联的结构基因（Z、Y和A）等。 控制区：操纵子、启动子、调节基因,Z基因编码-半乳糖苷酶，催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖； Y基因编码半乳糖透过酶，促使环境中的乳糖进入细菌； A基因编码转乙酰基酶，催化半乳糖的乙酰化。,乳糖操纵元的结构基因,乳糖操纵元的启动子,启动子是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。,TTGACA,TATGTT,乳糖操纵元的操纵子,操纵子(operator, O)是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列。 操纵子常与启动子邻近或重叠，当调控蛋白结合在操
10、纵子上，会影响其下游基因转录的强弱。,乳糖操纵元的调节基因,调控基因(regulatory gene)是编码能与操纵子结合的调控蛋白的基因。与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白(repressive protein，R)，其介导的调控方式称为负性调控。阻遏蛋白是四同聚体，它可以通过识别螺旋与操纵基因上的一段反向重复序列DNA的大沟相互作用，插入其中形成复合体；另外每个单位还有与诱导物结合的位点，当与诱导物结合后，由于结构的改变，而丧失DNA的结合活性 。,4.乳糖操纵元的调节,(1) 阻遏蛋白的负性调节 (2) CAP的正性调节 (3) 协调调节 通过这种机制，细菌优
11、先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。,(1) 阻遏蛋白的负性调节,无乳糖时，1ac操纵元处于阻遏状态。i 基因低水平表达产生蛋白R。R以四聚体的活性形式特异性地与操纵子o结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子P1ac的结合，阻止了基因的转录起动。 能阻遏转录的称为阻遏剂(repressor)。,阻遏蛋白结合操纵子基因,乳糖对基因表达的诱导,有乳糖时，乳糖与R结合使R构象变化，R四聚体解聚，失去与O的亲和力而与O解离。,基因转录开放，-半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍。,(三）色氨酸操纵元(tryptophane operon),色氨酸操纵元的调节效应 色氨酸操
12、纵元的结构 色氨酸操纵元的调控 色氨酸操纵元阻遏蛋白的负调控 色氨酸操纵元的衰减调控,1.调节效应,当有足够的色氨酸时，操纵元自动关闭。 细菌直接利用外界的Trp。 缺乏Trp时，色氨酸操纵元被打开，5个结构基因表达，产生3个酶催化分支酸合成为色氨酸。,2.色氨酸操纵元的结构,合成色氨酸所需要酶类的5个基因E、D、C、B、A头尾相接串连排列组成结构基因群； 结构基因受其上游的启动子P和操纵子O的调控； 调控基因trpR的位置远离P-O-结构基因群，低水平表达调控蛋白R。,(三）色氨酸操纵元的调控 (1) 阻遏蛋白的负调控,操纵元通常是开放转录的，当有效应物(色氨酸为阻遏剂)存在时，Trp与R结
13、合使其构象改变而成为活性形式Trp -R， Trp -R 可与O特异性结合，阻遏结构基因的转录。,（2）衰减调控,衰减调控的调节效应 衰减子的结构 衰减调控的调节机制,A 衰减调控的调节效应,B 衰减子的结构,在操纵元Ptrp-O与trpE间有一段162bp的前导序列(L)，其内有一段123150bp的序列，转录时产生一个140nt的RNA分子，它可在转录起始后调控转录过程的进行。 前导序列包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，它编码了一个14个氨基酸的前导肽。编码前导肽的第10、11位是相邻的两个色氨酸密码子。前导序列的后半段含有3对反向重复序列(A、B和C)，在被转录生成mRNA时能形成
14、发夹结构。,前导序列,前导序列形成的发夹结构,C序列,A序列,B序列,当A（1和2）形成发夹结构时，B就不能形成发夹结构，却有利于C（3和4）生成发夹结构。,B,A序列,C（3和4）后是poly(U)，即C实际是一个终止子，如果转录mRNA时它形成发夹结构，就能使RNA聚合酶停止转录而从mRNA上脱离下来。,C序列,原核生物终止子的结构,B(2和3)的序列分别与A和C重叠，如果B形成发夹结构，A和C都不能再形成发夹结构。,A,C,B序列,原核生物转录和翻译几乎同时进行（即转录翻译相偶联），在Trp未达到能起阻遏作用的浓度时，从Ptrp起始转录，RNA聚合酶沿DNA转录合成mRNA，同时核糖体结
15、合在mRNA上开始翻译。Trp浓度低时的调节Trp浓度增高时的衰减调节,C 衰减调控的调节机制,Trp浓度低时，生成Trp-tRNAtrp量少，使核糖体停止在mRNA上的Trp密码子 UGG处，使A不能生成发夹结构，而B形成发夹结构，阻止了C生成终止子，RNA聚合酶可沿DNA继续转录其后的基因，trp操纵元就处于开放状态。,Trp浓度增高，trp-tRNAtrp浓度随之升高，核糖体沿mRNA翻译速度加快，占据到B段的机会增加，B形成发夹结构的机会减少，C形成终止子机会增多，RNA聚合酶终止转录的几率增加，转录减弱。,三、真核生物基因表达调控,（一）真核生物基因表达调控的分类 按性质分类 按时间
16、分类,第一类 ：瞬时调控或可逆调控 是细胞对环境变化（如底物浓度、激素浓度）的应答； 第二类：发育调控或不可逆调控 细胞的分裂、生长、分化、发育、形态构成等全过程。,1.真核基因的表达调控按性质可分为,真核生物基因表达调控的可能环节,2. 真核基因的表达调控按时间可分为,染色体水平、DNA水平、转录水平、翻译水平、蛋白质加工水平。,(1)染色体水平的调控,多线染色体,A、染色体结构的改变,（2）DNA水平上的调控,A 基因扩增 B 基因丢失 C 基因的重排与变换,A 基因扩增,基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增加的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控
17、的一种方式。 非洲爪蟾的卵母细胞中原有rDNA基因约个拷贝，在减数分裂的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线期它的拷贝数达到约万个，扩增约倍，可以用来合成1012 核糖体。但在一个特定的卵母细胞中，不是所有的rDNA 基因都得到扩增，而且所扩增的特定基因也随不同卵母细胞而有所不同。 最近在果蝇中也发现基因扩增现象。在卵巢成熟之前，卵巢颗粒细胞中产生卵壳蛋白的基因被扩增。,B 基因丢失,在细胞分化时，消除某个基因活性的方式之一就是从细胞中除去那个基因。某些原生动物、昆虫及甲壳纲动物细胞分化过程中就发现有部分染色体丢失现象。 例如：马蛔虫受精卵里只有一对染色体（2n=2），研究发现当个体发育到一定
18、阶段后，在将分化为体细胞的那些细胞中的这对染色体破碎成许多小染色体。有的小染色体具有着丝粒，在细胞分裂中得到保留，不具有着丝粒的小染色体因为在以后的分裂中不能分配到下一代中而丢失。因此，马蛔虫的生殖细胞内保存着个体发育所必需的全部基因（完整的基因组），而在体细胞核中却失去了一部分基因。 因为在高等生物中目前还未观察到基因丢失现象，所以一般认为这种调节方式可能仅存在于进化程度较低的生物中。当然也不能肯定高等生物中就不发生DNA的丢失。,C 基因的重排与变换,一个基因可以通过从远离其启动子的地方移到距它很近的位点而被启动转录，这种方式称为重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是小鼠免疫球蛋白结构
19、基因的表达。,免疫球蛋白中连基因的组织特异性表达与基因重排V.可变区 ; D.多态区; J.结合区,(3) 转录水平上DNA的调控,包括转录的起始、延伸的的弱化、终止等 顺式作用元件与反式作用因子 几种顺式作用元件对基因表达的影响 反式作用因子对转录的调控,A 顺式作用元件与反式作用因子,真核基因调控主要是在转录水平上进行的，这一点和原核生物是相同的，但真核生物没有象原核生物那样的操纵子，以及和操纵子紧密相邻的调节基因。 真核生物的转录受特定顺式作用元件（cis-acting element ，又称顺式作用元件）的影响，这类元件（如增强子或类增强子）大多和它所调控的结构基因保持一定的距离，可能
20、在基因的上游，也可能在下游。 此外，真核生物的转录还受到所谓反式作用因子（trans-acting factor，或称跨域作用因子）的调控。这类因子是一些可扩散因子，如一些蛋白质分子或一些激素蛋白质的复合物。 Britten-Davidson模型,Britten-Davidson模型,Britten和Davidson 1969年提出了真核生物单拷贝基因转录调控的模型。,几种顺式作用元件,启动子的调节 增强子对转录的影响 沉默子,每种RNA聚合酶都有自己的启动子。真核生物不同启动子间没有明显一致的序列，RNA聚合酶不能单独识别启动子而起动转录，需要多种蛋白质因子的相互协调作用。真核启动子一般包括
21、转录起始点及其上游约100200bp序列，包含多个具有独立功能的DNA序列元件，每个元件约长730bp。,启动子,增强子对转录的影响,增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列 作为基因表达的重要调节元件，增强子通常具有下列性质： 增强效应十分明显，一般使基因转录频率增加10200倍； 增强效应与其位置和取向无关； 大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合 。其内部常含有一个核心序 列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），该序列是在另一基因附近产生增强效应时所必需的； 其增强效应应有严密的组织和细胞特异性，说明只有特定的蛋白质（转录因子）参与才能发挥其功能； 没
22、有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应； 许多增强子还受外部信号的调控。 增强子原理 两种假说：第一种认为，增强子为转录因子提供进入启动子区的位点；第二种认为，增强子能改变染色质的构象。,沉默子,沉默子，又称沉寂子，是与增强子作用相反的负调控顺式元件的存在。,反式作用因子对转录的调控,真核生物基因结构复杂，基因激活过程涉及多种蛋白的作用，这些蛋白均为反式作用因子，其中相当一部分为转录因子。 转录因子的种类 ：普通转录因子和组织特异性 转录因子。 转录因子的结构：至少含有三个功能域，即DNA结合功能域，转录活性功能域和其它转录因子结合功能域。 转录因子的作用特点,DNA结合功能域带共性
23、的结构,Helix-turn-helix（螺旋-转角-螺旋，HTH）Zinc finger（锌指结构） Homeodomain（同源域） 亮氨酸拉链结构 HLH（碱性螺旋-环-螺旋，basic helix-loop-helix）,Helix-turn-helix （螺旋-转角-螺旋，HTH）,该结构域长约20个aa，主要是两个-螺旋区和将其隔开的转角。其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与DNA序列相识别的氨基酸。,Zinc finger（锌指结构）,见于TFA和类固醇激素受体中，长约30个aa，由一段富含半胱氨酸的多肽链构成。每四个半光氨酸残基或His残基螯合一分子Zn2+，其
24、余约12-13个残基则呈指样突出，刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中而与之相结合。,Homeodomain（同源域）,长约60个氨基酸，其中的DNA结合区与螺旋-转角-螺旋相似，人们把该DNA序列称为homeobox。主要与DNA大沟相结合。,亮氨酸拉链结构,由两段-螺旋平行排列构成，其-螺旋中存在每隔7个残基规律性排列的Leu残基，Leu侧链交替排列而呈拉链状。两条肽链呈钳状，由赖氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）组成，与DNA相结合。,HLH（碱性螺旋-环-螺旋，basic helix-loop-helix）,该区长约50个aa残基，同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能，其主要特点是可形成
25、两个亲脂性-螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连，其DNA结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。,转录因子的作用特点,同一DNA顺式作用元件可被不同的转录因子所识别； 同一转录因子也可识别不同的DNA顺式作用元件； TF与TF之间存在相互作用； 当TF与TF，TF与DNA结合时，可导致构象改变； TF在合成过程中，有较大的可变性和可塑性。,mRNA基因转录激活及其调节,真核RNA聚合酶的激活需要依赖多种转录因子，并与之形成复合体。其过程首先是由TFD识别启动子序列并与之结合；继而RNA聚合酶与TFD、B等聚合形成一个功能性的前起始复合体PIC；最后，结合了增强子的转录因子与前起始复合体结合
26、，从而形成稳定的转录起始复合体。,(4)其他水平上的调控,a、转录后RNA前体加工及转运的调控b、mRNA的稳定性与寿命翻译水平的调控 c、 蛋白质合成的速率； mRNA的鉴别；激素影响。 d、蛋白质的加工 多态切割（分泌与活化） 蛋白质的加工（水解） 蛋白质的化学修饰（磷酸化）与糖基化,四、反义技术,反义技术 反义RNA 反义DNA 核酶 反义技术的应用,（一）反义技术,反义技术是根据核酸杂交原理设计针对特定靶序列的反义核酸，从而抑制特定基因的表达； 反义核酸包括反义RNA、反义DNA及核酶（Ribozyme）,（二）反义RNA,根据反义RNA的作用机制将其分为3类： 类反义RNA直接作用于
27、靶mRNA的S D序列和(或)部分编码区，直接抑制翻译，或与靶mRNA结合形成双链RNA，从而易被RNA酶 降解； 类反义RNA与mRNA的非编码区结合，引起mRNA构象变化，抑制翻译； 类反义RNA则直接抑制靶mRNA的转录。,（三）反义DNA,反义DNA是指一段能与特定的DNA或RNA以碱基互补配对的方式结合，并阻止其转录和翻译的短核酸片段，主要指反义寡核苷酸，因更具药用价值而倍受重视。,（四）核酶,核酶(ribozyme)是具有酶活性的RNA，主要参加RNA的加工与成熟。核酶分为四类： (1)异体催化剪切型，如RNaseP； (2)自体催化的剪切型，如植物类病毒、拟病毒和卫星RNA； (3)第一组内含子自我剪接型，如四膜虫大核26SrRNA； (4)第二组内含子自我剪接型。,（五）反义技术的应用,利用反义技术研制的药物称反义药物。反义药物作用于产生蛋白的基因，因此可广泛应用于多种疾病的治疗，有高的选择性及效率，已成为药物研究和开发的热点。 反义技术还可以应用于生物科学的基础研究。,
