1、1,第五章 基因表达的调控 ( Regulation and control of gene expression ),2,概 述,3,基因表达 ( gene expression),生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程。,一、基因表达的概念,4,二、基因表达的时间性及空间性,5,（二）空间特异性(spatial specificity),指在个体生长全过程，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异。又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,6,按对刺激的反应性分为两大类：
2、,（一）基本（组成性）表达 (constitutive gene expression),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。如管家基因。,三、基因表达的方式,7,（二）诱导和阻遏表达,在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为开放或增强。,诱导表达(induction expression),在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为关闭或下降。,阻遏表达(repression expression),8,在一定机制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。,协调表达(coordinance expression),9,四、基因表达的
3、调控的概念,机体各种细胞中含有的相同遗传信息(相同的结构基因)，根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因的过程。,10,五、基因表达的调控因子：,蛋白质 ( 主要 ),小分子RNA ( 某些环节 ),11,六、基因表达的调控水平,基因组,转录,转录后,翻译,翻译后,12,第一节原核生物基因表达的调控,原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。 本节主要以大肠杆菌为例介绍原核生物基因表达的调控。,13,一、原核生物基因表达的特点,1.只有一种RNA聚合酶。,2.基因表达以操纵子为基本单位。,3.转录和翻译偶联进行。,4.mRNA翻译
4、起始部位有特殊的碱基序列-SD序列。,14,SD （ Shine-Dalgarno ）序列,在起始密码AUG上游413个碱基之前有一段富含嘌呤的序列，其一致序列（consensus sequence）为AGGAGG，能与核糖体30S亚基中16S rRNA 3端富含嘧啶的序列结合，与蛋白质合成过程中起始复合物生成有关。,15,5.原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。,通常有两种方式： (1) 起始调控，即启动子调控； (2) 终止调控，即衰减子调控。,16,(一)转录起始的调控,1.因子及RNA 聚合酶与转录起始的调控,(1) 因子调控RNA 聚合酶与DNA结合： 确保R
5、NA 聚合酶与特异启动区稳定结合，而不是与其它位点结合。,二、原核生物基因表达的调控机制,17,（2）RNA 聚合酶与启动区序列的相互作用,RNA 聚合酶：大肠杆菌仅有的一种RNA 聚合酶，要识别相当数量的启动区，需依赖数目繁多的辅助蛋白（如因子）完成这些功能。启动区序列：保守序列,18,19,共有序列决定启动序列的转录活性大小。,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。,20,2.转录起始的负调控,操纵子（operon）：一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。,乳糖操纵子（lactose operon,lac）是原核生物基因转录负调控的最典型
6、模式。,21,乳糖操纵子(lac operon)的结构,DNA,22,仅有葡萄糖,葡萄糖耗完，有乳糖存在,23,-10 +1 +10 +20 +30 . . . . .5ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA 33TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT 5 lac操纵区序列是一个以+11位GC碱基对为中心的反向重复序列,与lac阻遏蛋白结合的操纵基因区域具有反向重复序列,这种反向重复序列是能与蛋白质特异结合的DNA的特征性结构。,24,3.转录起始的正调控,阿拉伯糖操纵子是正调控的典型例子。,阿拉伯
7、糖操纵子的基因结构图,操纵子由结构基因B、A、D以及调控元件I1、I2、O1、O2和启动子构成。araC基因编码调节蛋白AraC。,25,AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图,不存在阿拉伯糖时，AraC二聚体与O1、O2及I1结合，二聚体间相互作用使DNA弯曲成环结构。由于I2不被占据，B、A、D基因不发生转录，但有低水平的araC基因转录。,26,当有阿拉伯糖时，AraC二聚体与阿拉伯糖形成复合物,使Ara C形状改变，I1和I2由一个AraC二聚体占据，从而激发B、A、D基因转录。此时，可有一过性高水平的araC mRNA形成，维持到O1-O2环结构形成。,AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图
8、,27,4转录起始的复合调控,在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控。典型例子：糖代谢有关的操纵子，如lac 操纵子。,28,cAMP与葡萄糖相关性：葡萄糖，cAMP 葡萄糖，cAMP,cAMP:环一磷酸腺苷 CAP：分解代谢基因激活蛋白质(catabolite gene activator protein，CAP),CAP的活性依赖cAMP， 形成cAMP-CAP复合物，促进多种操纵子的转录起始。,29,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,30,没有乳糖,有乳糖,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低
9、,31,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。,32,（二）转录终止的调控,原核生物的转录终止调控方式分两大类：A.依赖因子的终止调控；B.不依赖因子的终止调控。此外，核糖体也参与转录终止。,例:色氨酸操纵子表达的调控有两种方式:a.通过阻遏蛋白的负调控b.通过衰减子作用,33,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,（2）转录衰减的调控,色氨酸操纵子,6700个核苷酸,140个核苷酸,34,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导
10、肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力: 序列1/2序列2/3序列3/4,35,色氨酸操纵子mRNA引导序列不同区域互补所形成的不同二级结构,引导序列由一段14氨基酸前导肽编码区和一个衰减子组成，AUG密码子后面紧跟13个密码子，第10、11为色氨酸密码子。,36,色氨酸操纵子的转录衰减作用,色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合成完整的引导肽。RNA 聚合酶停止在衰减子部位。 色氨酸缺乏时，核蛋白体终止在1区Trp密码子部位，RNA 聚合酶通过衰减子而继续转录。,37,意义：这种机制可以保证充分地消耗色氨酸，使其合成维持在满足需要的水平，防止色氨酸堆积和过多地
11、消耗能量。同时，也使细菌能够优先将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。,39,38,(三) 翻译水平的调控,翻译一般在起始和终止阶段受到调节。 调节分子:RNA、蛋白质 调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用。,39,1.反义RNA的调控作用,反义RNA 指能与特定mRNA互补结合的RNA片段，反义RNA由反义基因转录而来。天然的具有功能的反义RNA分子一般在200个碱基以下。反义RNA又称mRNA干扰性互补RNA（mRNA interfering complementary RNA, micRNA）。,41,40,反义RNA有三种作用方式：,反义RNA与mRNA 5端非
12、翻译区包括SD序列相结合，阻止mRNA与核糖体小亚基结合，直接抑制翻译。,反义RNA与mRNA 5端编码区起始密码子AUG结合，抑制mRNA翻译起始。,反义RNA与mRNA的非编码区互补结合，使mRNA构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制了mRNA的翻译。,42,41,反义RNA调控Tn10转位酶基因的表达示意图,Tn10转位酶基因由PIN启动子控制，反义RNA的基因由POUT启动子控制。两个启动子方向相反，转录区有35个碱基重叠，互补区覆盖了Tn10转位酶mRNA的翻译起始区，活性POUT比PIN更强。结果是转位酶的表达效率非常低，转位作用极少发生。细菌DNA突变机会减少，易于存活。,43
13、,42,2. RNA的稳定性与调控的关系,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，与许多细菌mRNA降解速度很快有很大关系。 例：E.coli的许多mRNA在37时的平均寿命大约为2min，细菌可以对环境变化作出快速反应。,43,3.蛋白质合成中的自身调控,大肠杆菌核糖体蛋白有50余种，它们既可与 rRNA 组装成核糖体，也可与自身 mRNA 翻译起始区结合。50种核糖体蛋白的基因分布在几个不同的操纵子中。,44,第二节 真核生物基因表达的调控,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。 多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组DNA传递
14、到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。,45,一、真核生物基因表达的特点,（1）细胞具有全能性 全能性：指同一种生物的所有细胞都含有相同的基因组DNA，都有发育成完整个体的潜能。,（2）基因表达的时间性和空间性 时间性：个体发育的不同阶段，基因表达的种类和数量是不同的；空间性：在不同组织和器官中，基因表达的种类和数量是不同的。,46,（3）转录和翻译分开进行 真核生物DNA在核中转录生成 mRNA，在胞质中合成蛋白质。,（4）初级转录产物要经过转录后加工修饰 初级转录产物核不均一性RNA（heterogeneous nuclear RNA ,hnRNA），要经过戴帽(m7GpppN)、加Pol
15、yA尾、切除插入的内含子和拼接外显子等过程，才形成成熟的mRNA分子。,47,（5）不存在超基因式操纵子结构 真核生物基因转录产物为单顺反子，一条 mRNA只翻译一种蛋白质。功能相关的基因大多数分散在不同的染色体上，分别进行转录。,（6）部分基因多拷贝 既可满足细胞的需要，也是表达调控的一种有效方式。,48,（一）基因组DNA水平的调控,1.染色质的丢失 不可逆的调控。如一些低等生物（如线虫）体细胞发育过程中发生染色质丢失。,二、真核生物基因表达调控的机制,49,2.基因扩增（gene amplification） 当细胞对某种基因产物需要量剧增，单纯靠调节其表达活性不足满足需要，只有增加这种
16、基因的拷贝数。,50,3.基因重排（gene rearrangement）,指某些基因片段改变原来存在顺序而重新排列组合，成为一个完整的转录单位。调节表达产物多样性。,51,4.基因的甲基化修饰 DNA上特定的CpG序列处的胞嘧啶发生甲基化修饰（5mC）。甲基化程度与基因的表达一般呈反比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降低。去甲基化，基因的表达增加。 意义：调控真核生物基因的表达，维护染色体的完整性，调节DNA重组的某些环节。,52,5.染色质结构对基因表达的调控作用 常染色质中疏松状态的活性染色质是基因转录前在染色质水平上独特的调控机制。,组蛋白与DNA结合与解离是真核基因表达调控的重要机
17、制之一。组蛋白可保护DNA免受损伤，维持基因组稳定性，抑制基因表达。去除组蛋白基因转录活性增高。,非组蛋白主要作为调节基因表达的反式作用因子。,53,（二）转录水平的调控,主要通过反式作用因子与顺式作用元件和RNA聚合酶（RNA polymerase, RNA pol）的相互作用完成。,54,1 . 顺式作用元件(cis-acting element),指某些能影响基因表达但不编码新的蛋白质和RNA的DNA序列，按照功能分为启动子、增强子、负调控元件（沉默子等）。,55,（1）启动子(promoter) 真核基因启动子是在基因转录起始位点(+1)及其5上游近端大约100200 bp 以内的一组
18、具有独立功能的DNA序列。每个元件长度约为720 bp，是决定RNA聚合酶转录起始点和转录频率的关键元件。,56,真核类基因的顺式作用元件图,核心启动子(core promoter),上游启动子元件( upstream promoter element, UPE),57,(2) 增强子(enhancer) 指位于启动子上游或下游并通过启动子增强邻近基因转录效率的DNA顺序，增强子本身不具备启动子活性。,58,(3) 其他元件 包括负调控元件和终止子等。负调控元件:沉默子（silencer） 或衰减子（dehancer） 指在真核基因内能抑制基因转录的DNA序列,与反式作用因子相互结合而起作用。
19、不受距离和方向的限制，并可对异源基因的表达起作用。,59,终止子 指在模板DNA分子的5端转录终止信号。通常具有po1yA尾的基因终止信号为GT簇，例如在SV40中的AGGTTTTTT序列为终止转录调控元件。,60,2.反式作用因子(trans-acting factor),指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件812bp核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质，也称序列特异性 DNA结合蛋白(sequence specific DNA binding protein，SDBP)，是一类细胞核内蛋白质因子。在结构上含有与DNA结合的结构域。,61,反式作用因子根据作用方式分为三类：,
20、通用转录因子。普遍存在的转录因子。如TATA box结合因子 TFD、GC box结合因子SP1 等。,组织特异性转录因子。与基因表达的组织特异性有很大关系。,诱导性反式作用因子。活性能被特异的诱导因子所诱导。,62,TATA因子与TATA盒结合，形成稳定的转录复合物。RNA聚合酶识别并结合由TATA因子与TATA盒形成的蛋白质-DNA复合物。转录起始因子与RNA聚合酶结合，使DNA部分双螺旋解开为开放的转录起始复合物（open complex）时，基因转录开始,可以合成RNA。,真核基因开放的转录起始复合物的形成图,63,（1）反式作用因子结构域的模式： 完整的反式作用因子通常含有三个主要功
21、能结构域，分别为DNA识别结合域、转录活化域和结合其他蛋白质的调节结构域。,64,1)DNA识别结合域：,锌指（zinc finger）结构 指含有一段保守氨基酸顺序的蛋白质与该蛋白的辅基锌螫合而形成的环状结构，分为锌指、锌扭（twist）和锌簇（cluster）结构；也有按照与锌结合的氨基酸残基性质分为Cys2Cys2和Cys2His2指。,65,（A） 锌指结构示意图 （Cys2His2锌指结构） 两个半胱氨酸残基和两个组氨酸残基(His)，通过与位于中心的锌离子以配位键结合，形成稳定的指状结构。,66,（B） Cys2Cys2 锌指结构示意图,67,同源结构域（homeodomain，H
22、D） 同源盒基因家族各基因间具有一相同的保守序列，称为同源结构域。所含的至少二个螺旋中形成“转折”，第三个螺旋与DNA大沟相互作用是同源盒蛋白与DNA结合的主要力量 。 功能：调节与机体各部分正常发育或正常分化的有关基因的表达。,68,同源结构域与DNA的结合示意图,69,碱性亮氨酸拉链（basic 1eucine zipper，bLZ） 有些肽链C末端有一段30个氨基酸序列以-螺旋构型出现的结构单元，每间隔6个氨基酸出现一个亮氨酸残基，能形成两性-螺旋。两个具有这种结构的因子接触后可借助侧链疏水性交错对插，形成稳定卷曲螺旋结构的二聚体。 功能：可使碱性区与DNA的亲和力明显增加。,70,bL
23、Z二聚体中的亮氨酸拉链及与DNA结合的碱性结构域示意图,71,螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix，HLH）结构: 含两个双性-螺旋，每34个氨基酸含一个疏水性残基，中间为非螺旋环区，内含一个或多个能阻断螺旋的氨基酸残基。,72,a:b 两个具有两性-螺旋的蛋白因子形成二聚体 （a、b为两个不同的蛋白因子）,73,2)转录活化结构域（transcriptional activation domain） 反式作用因子并非都需要其直接与DNA结合，转录活化域是反式作用因子必须具备的结构基础。转录活化域通常是依赖于DNA结合结构域以外的30100个氨基酸残基。转录因子通常具有一个以上的转
24、录活化区。,74,转录活化结构域模型有以下几种：,酸性-螺旋（acidic-helix domain） 含有较多的负电荷。能非特异性地与起始复合物（如TATA盒结合因子）相互作用发挥转录活化功能。,富含谷氨酰胺的结构域（glutamine-rich domain） 最强的转录活化域之一。,富含脯氨酸结构域（proline-rich domain）,75,3.转录水平的调控机制,()反式作用因子的活性调节 真核基因转录起始的调节，首先表现为反式作用因子的功能调节，即特定的反式作用因子被激活后，可以启动特定基因的转录。,76,反式作用因子的激活方式如下:,表达式调节,共价修饰,配体结合,蛋白质与蛋
25、白质相互作用,77,（2）反式作用因子作用方式,1)成环（looping）,2)扭曲(twisting),3）滑动(sliding),4）Oozing,78,(三)转录后水平的调控,1. 5端加帽和3端多聚腺苷酸化及意义 5端加帽:真核生物转录生成的mRNA在转录后，在5端加上7甲基鸟苷 (m7GPPPmNp-),意义:保护转录体mRNA不受5外切酶降解，增强mRNA的稳定性，同时有利于mRNA从细胞核向胞质的转运，促进mRNA与核糖体的结合。,79,3端加尾:转录后在mRNA在3末端加上50150个腺苷酸，即poly(A)尾。,意义:保证mRNA在转录过程中不被降解。,80,2. mRNA前
26、体的选择性剪接(alternative splicing)对基因表达的调控作用,（1）mRNA前体的剪接 真核细胞基因表达所转录出的mRNA前体在剪接酶作用下，有序删除每一个内含子并将外显子拼接起来，形成成熟的mRNA,这一过程即为剪接。,81,高等真核细胞中,某个内含子5的供点在特定条件下可与另一个内含子3受点进行剪接，同时删除这两个内含子及其中间的全部外显子或内含子，即一个外显子或内含子是否出现在成熟的mRNA中是可以选择的，这种剪接方式称为选择性剪接。,（2）mRNA的选择性剪接,82,意义:在高等生物细胞的高度异质性中起重要作用。由于剪接的多样化，一个基因在转录后通过mRNA前体的剪接加工而产生两个或更多的蛋白质。,mRNA的选择性剪接,83,1翻译起始的调控,（四）翻译水平的调控,（2）阻遏蛋白的调节作用,（1）翻译起始因子的功能调控,（3） 5AUG对翻译的调节作用,（4） mRNA 5端非编码区长度对翻译的影响,84,2. mRNA稳定性调节 不同种类的mRNA，半衰期亦不一致。即使同种mRNA，在不同条件下，其半衰期也不一样。mRNA半衰期越长，翻译效率越高。,1,851,谢 谢,
