1、基因表达调控,Regulation of Gene Expression,第十六章,第 一 节 基因表达调控及其生物学意义,一、基因表达调控,基因组(genome) 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,基因 (gene) 负载特定遗传信息的DNA片段(编码序列、非编码调节序列、内含子),基因表达(gene expression) 包括转录、翻译过程，其产物包括：转录体（tRNA,rRNA,mRNA,microRNA）多肽和蛋白质。,基因表达是受调控的,原核生物与真核生物的基因表达调控,基因组DNA,调控区,外显子,内含子,结构基因,RNA转录,mRNA前体 （有内含子）,剪接加工,
2、核膜,核膜,RNA分布的控制,翻译,成熟,加工,蛋白质活性调节,这怎么搞得清？！,细胞核内,细胞浆,二、基因表达的特异性,（一）时间特异性,按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。,多细胞生物从受精卵发育成为个体，每个发育阶段不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。,果蝇(fruit fly)的发育,（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
3、的分布决定的，所以空间特异性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,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,（一）基本（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)。,三羧酸循环,糖酵解途径,表达产物无论何时都是各组织细胞存活所必需,表达水平受启动序列与RNA-pol相互作用的影响,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
4、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，这类基因表达被视为基本（组成性）基因表达(constitutive gene expression)。,（一）基本（组成性）表达,（二）诱导和阻遏表达,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。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。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
5、达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,四、基因表达调控的生物学意义,（一）适应环境、维持生长和增殖,（二）维持个体发育与分化,五、基因表达的多级调控,基因激活,转录起始 转录后加工 mRNA降解,转录起始,原核生物,真核生物,类核体,染色质,多顺反子mRNA,单顺反子mRNA,转录翻译在胞质同步进行,转录在胞核翻译在胞质分别进行,操纵子模式调控,调控机制复杂,第二节 顺式作用元件,定义：凡能激活或阻遏基因转录的DNA序列。 (cis-acting element),分类：,正调控元件 负调控元件,据调控转录效应,
6、据调控转录功能,启动子,增强子,终止子,沉默子,隔离子,一、 启动子,位于基因编码区上游，与RNA-pol相互 识别、结合并启动转录的DNA序列。,起始位点,TATA盒,核心启动子,上游启动元件,(UPE),原核 Prinbnow盒（-10）,真核 Hogness盒(-25 -30),靠近-70,CAAT盒,GC盒,核心启动子:TATA盒与转录起始点是维持RNA-pol基础转录水平所必需的, 具有独立和协调的转录功能.,顺式作用元件,真核生物,cis-acting element,顺式作用元件:具有可影响（调控）转录的各种DNA序列组分,二、增强子(enhancer),定义：能加强其上游或下游
7、基因转录的DNA序列.,特点：,1、使同一条DNA链的基因启动子活性加强,2、序列较长,4、活性与方向和距离无关,6、有些具种属与组织细胞特异性,3、位于基因启动子上游或下游转录区内或区外,5、可对远距离启动子发挥作用,三、转录终止子,定义：位于基因编码区下游并为RNA-pol识别和 终止RNA合成的DNA序列。,转录终止步骤：,1、RNA链停止继续延伸,2、释出新合成的RNA链,3、RNA聚合酶与模板解离,种类：,依赖因子的转录终止子,不依赖因子的转录终止子,rho 因子的作用机制,1、依赖 rho 因子的转录终止,1、RNA3末端 连续U结构,2、U区上游形成茎环结构,2、非依赖 rho
8、因子的终止,四、沉默子(silencer),定义：能抑制上游或下游基因转录的DNA序列。,特点：,1、作用不受自身距离与方向的限制,2、对同源与异源基因具有相同效应,反式调节,顺式调节,相对不同分子或染色体谓反式。,相对同一分子或染色体谓顺式。,第三节 反式作用因子,定义：凡能与顺式作用元件相互作用，并影响基因表达的调节蛋白(trans-acting factor) .,转录因子,转录激活/阻遏因子,共激活/阻遏因子,RNA聚合酶,分类：,正调控反式因子 负调控反式因子,据调控转录效应,据调控转录功能,1. RNA聚合酶 真核细胞RNA-pol需要多种调节蛋白，与启动子序列识别、结合启动转录。
9、,2. 转录因子 即与核心启动子特异结合并启动转录的调节蛋白。与真核RNA-pol I, II, III对应，TF（普通转录因子）分为TFI, TFII, TFIII（PIC）。,3. 转录激活/阻遏因子 能与上游激活序列、增强子或沉默子序列识别并结合，通过特异的DNA-蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用而影响转录的调节蛋白。可加速PIC的形成。,4. 共激活/阻遏因子 不与顺式作用元件直接结合，而是经蛋白质-蛋白质相互作用，影响转录因子或激活因子构象，从而调节基因转录的调节蛋白。,二、RNA聚合酶（属反式因子）,二、RNA-pol,识别启动子并启动转录,催化3-5磷酸二酯键形成,选择转录基因类型
10、,显著特点：一个全酶分子能完成转录全过程。,与模板DNA结合,（一）原核生物,（二）真核生物RNA-pol,RNA-pol,RNA-pol,RNA-pol,催化5.8S,18S,28S rRNA合成,催化各种mRNA合成,tRNA前体、5SrRNA合成,核仁,核质,核质,转录因子和转录起始复合物,1、RNA-pol 借助TF（A、B、C、D、E、F） 与DNA结合,2、形成 起始前复合物（PIC）, TF之间相互结合，其中 TFD 先与 TATA 盒结合, RNA-pol加入形成 PIC,TATA,A,D,B,E,F,转录起始前复合物(PIC),RNA-pol II,DNA,大多数TF II或
11、其亚基的氨基酸序列与原核生物因子有一致性。,三、普通转录因子,普遍存在于各种细胞中，与核心启动子元件特异结合的转录因子。,RNApol至少需要TFA、B、D、E、F、H 六种普通转录因子。,第 四 节 DNA与蛋白质相互作用的结构特征,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，形成同/异二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。,顺式作用元件,反式作用因子依赖各自的结构域，与靶基因特异顺式元件和其它反式作用因子相互作用，严格控制基因表达的时空顺
12、序,原核/真核细胞中发现的结构域：,螺旋-转角-螺旋(HTH)基序,碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper, bLZ),锌指基序(zinc finger),“溴”结构域,螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix,HTH)基序,分解产物基因激活蛋白(catabolite gene activator protein,CAP),60个高度保守的氨基酸残基,3个-螺旋,识别螺旋,由两段-螺旋之间通过-转角连接形成的螺旋-转角-螺旋, 羧基端侧的螺旋称识别螺旋，它能识别特异DNA大沟序列并与其结合。,碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper, bLZ)基序,
13、某些反式作用因子以二聚体形式参与基因转录调节。各亚基 C 端螺旋上每隔 7个残基规律性出现一个Leu残基，加上Leu疏水作用使两条肽链在此区域形成拉链式结构。两个N端部分富含碱性氨基酸，像一双呈八字形筷子插入DNA大沟并与其特异性碱基序列相结合。,重复亮氨酸序列，间隔7个残基有1个亮氨酸 特征:促使蛋白质形成同二聚体和异二聚体,碱性区/螺旋-环-螺旋(bHLH),锌指基序(zinc finger),含锌金属蛋白, 结构中常存在一段富含Cys或His残基多肽链, 4个Cys或His残基可与Zn2+配位结合，形成指状结构而被称为“锌指”。含锌指基序调节蛋白可有 2-37个锌指重复序列。,第 五 节
14、 原核基因的转录调控,一、原核基因转录调控的基本概念,结构基因,调节序列,TTGACA TATAAT,-10,-35,操纵子,一致序列,概念,原核生物的一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)：通常由2个以上的编码序列(coding sequence)与启动序列(promoter)、操纵序列(operator)及其他调节序列在基因组中成簇串联而成。,特异性因子,阻遏因子,激活因子,调节,（1）RNA聚合酶,（2）调节蛋白,二、乳糖操纵子,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,调控区,有葡萄糖 无乳糖存在时,（二）阻遏蛋白的负性调节,阻遏蛋白,DNA,二、乳糖操纵子调
15、节机制,非绝对阻遏,1. lac 操纵子负调控-无乳糖存在时，阻遏因子与操纵序列相互作用，阻止RNA-pol启动基因转录(处于阻遏状态)。,阻遏蛋白的负性调节,二、乳糖操纵子调节机制,有葡萄糖 无乳糖存在时,2.有乳糖存在时，lac操纵子即可被诱导,（三）阻遏蛋白的正性调节,二、乳糖操纵子调节机制,IPTG,阻遏蛋白的正性调节异半乳糖诱导,二、乳糖操纵子调节机制,有乳糖存在时,无葡萄糖, cAMP浓度高时,有葡萄糖, cAMP浓度低时,（四）CAP的正性调节,二、乳糖操纵子调节机制,无葡萄糖 cAMP浓度高时,低异半乳糖,高异半乳糖,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,（五）协调
16、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。,二、乳糖操纵子调节机制,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，细菌优先利用葡萄糖。,Lac 阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作,(一)lac 操纵子负调控-无乳糖存在时，阻遏因子与操纵序列相互作用，阻止RNA-pol启动基因转录。 (二)lac操纵子正调控-乳糖浓度增高,葡萄糖浓度降低 1、异半乳糖诱导 异半乳糖与阻遏因子结合并引起构象改变，使阻遏因子与操纵序列分离，加速转录。 2、cAMP-CAP激活 Glc下降时
17、，cAMP上升，与CAP 结合成 cAMP-CAP 复合物与启动子结合，刺激RNA-pol的转录活性。,lac 操纵子负调控与正调控相互协调，使细菌生长符合最适生理需求。,小结：,第 六 节 真核基因的转录调控,Regulation of Eukaryotic Gene Transcription,一、真核细胞与原核细胞基因转录调节的比较,二、真核基因表达类型,组成性表达 constitutive expression,管家基因 housekeeping gene,三羧酸循环,糖酵解途径,表达产物无论何时都是各组织细胞存活所必需,表达水平受核心启动子序列与普通转录因子（包括pol）相互作用的影
18、响,重组蛋白RecA的核酸内切酶的活性加强,DNA损伤，修复酶基因表达增强,可调型表达 regulated expression,奢侈基因 luxury genes,受上游多种调节元件与各种反式因子相互作用的调节,真核生物体内由激活因子介导的正调节极为常见,三、真核基因组织结构特征,（一）真核基因组结构庞大,基因组DNA 约 3 109 bp。,编码基因约有 35000 个，占总长的6%。,(二)单顺反子,一个基因编码一条多肽链或RNA链,每个基因转录有各自的调节元件,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。,外显子,内含子,(三)断裂基因,外显子,内含子,编码序列,非编码
19、序列,型:,型:,型:,型:,自身催化基因剪接,无自身催化能力,需snRNPs,（四）重复序列,1、串联重复,卫星DNA,小卫星DNA,微卫星DNA,2、端粒或亚端粒DNA,高度变异,相当保守,3、反转录转座子,短散在重复序列 SINEsAlu家族,DNA RNA DNA 插入基因组新位点,长散在重复序列 LINEsLINE-1,4、中等频率重复,5、内源性反转录病毒原病毒,多拷贝的相同或近似DNA片段。,真核生物RNA转录调节,转录(起始、延长、终止),转录后加工（加帽、加尾、剪接和编辑）,三、真核基因转录调节 （以RNApol转录mRNA前体为例）,（一）转录起始调节：,1、真核RNA-p
20、ol的转录作用需要多种普通转录因子的参与，形成转录起始复合物（TIC）。,TIC为基础转录装置：可准确启动转录，效率低 （至少含40个蛋白）,2、需要更多的转录因子与上游激活元件（UAS）、增强子等其它DNA调节元件相互作用进一步形成稳定的转录起始复合物（调节转录装置），才能激活转录（高速率转录）。,（一）转录起始调节：,真核基因转录调节（以RNApol转录mRNA前体为例）,转录：起始、延长、终止,TATAAT,TIC基础转录装置,UAS,调节转录装置,转录后加工,hnRNA,加帽,加尾,剪去内含子,拼接外显子,成熟的mRNA,优点：几个外显子可以编码几个功能不同的结构域 通过外显子改组加快
21、新的蛋白质进化程度,A eukaryotic gene & its transcript,RNA编辑,转录体经个别核苷酸缺失或插入,使RNA序列与基因原编码的遗传信息不同。,谷氨酸,终止密码,练习题,1、目前认为基因表达调控的主要环节是 A、基因活化 B、翻译起始 C、转录起始 D、转录后加工 E、翻译后加工,2、一个操纵子通常含有 A、一个启动序列和一个编码基因 B、一个启动序列和数个编码基因 C、数个启动序列和数个编码基因 D、数个启动序列和一个编码基因 E、两个启动序列和数个编码基因,3、乳糖操纵子阻遏蛋白结合乳糖操纵子的 A、P序列 B、O序列 C、CAP结合 D、I基因 E、Z基因,
22、4、基本转录因子中直接识别、结合TATA盒的是 A、TFII A B、TFII B C、TFII D D、TFII E E、TFII F,5、cAMP与CAP结合、CAP介导正性调节发生在 A、有葡萄糖和cAMP较高时 B、有葡萄糖和cAMP较低时 C、没有葡萄糖和cAMP较高时 D、没有葡萄糖和cAMP较低时 E、葡萄糖和cAMP浓度极高时,6、在真核基因转录中起正性调节作用的是 A、启动子 B、操纵子 C、增强子 D、沉默子 E、终止子,7、由特定基因编码、对另一基因转录激活具有调控作用的转录因子 A、顺式作用元件 B、反式作用元件 C、顺式作用因子 D、反式作用因子 E、操纵子,复习思考题,8、名词解释：反式作用因子 顺式作用元件 RNA编辑,9、试述原核生物基因表达调控的特点。,10、简述乳糖操控子基因表达的正、负调控。,11、反式作用因子的结构和作用特点有哪些？,
