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1、第十三章,基因表达的调节,基因表达调节的基本概念及原理原核生物基因转录调节真核生物基因转录调节,第 一 节基本概念与原理,一、基本概念,基因（gene）一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的DNA片段。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。,典型的基因表达是储存遗传信息的基因，在一定调节机制控制下，经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质或成熟的rRNA和tRNA的过程。,基因表达,基因表达转录翻译,大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只有510%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中
2、通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。,生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的,二、基因表达的规律-时间性及空间性,（1）时间特异性,（2）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，所以空间特异性又称细胞或组织特异性。,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。,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：,（1）组成性表达,某些基因
3、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。,管家基因,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，这类基因表达被视为组成性基因表达。组成性基因表达只受到启动序列或者启动子与RNA聚合酶相互作用的影响。,组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。,（2）诱导和阻遏表达,适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。,改变基因表达的情况以适应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同；长期摄取不同
4、的食物，体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。,是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。如:DNA发生损伤时，修复酶的基因被诱导激活。,诱导表达,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。,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。,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 expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,1、基因表达的多级调控,四
5、、基因表达调控的基本原理,2、特异DNA序列对基因转录激活的调节,基因转录激活调节基本要素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。,原核生物,操纵子(operon)机制,编码序列,启动序列,操纵序列,其他调节序列,共有序列决定启动序列的转录活性大小。,RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。,启动序列,真核生物,顺式作用元件可影响自身基因表达活性的DNA序列,顺式作用元件并非都位于转录起始点的上游(5端)启动子 增强子 沉默子,顺式作用元件通常是基因的非编码序列。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、C
6、AAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,3、调节蛋白对转录起始的调节,原核生物基因的调节蛋白-DNA结合蛋白特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白,真核生物基因的调节蛋白-反式作用因子与DNA结合的调节蛋白与蛋白质结合的调节蛋白,热休克反应,细菌的RNA聚合酶70（启动常规基因表达）被32取代，从而启动另一套基因的表达。,阻遏蛋白是由调节基因编码产生的调节蛋白。专一与操纵基因（操纵序列）结合。,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。,操纵序列,阻遏蛋白的结合位点,因阻遏蛋白结合DNA产生的阻断转录调节作用
7、称负调节。,激活蛋白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。,激活蛋白是由调节基因编码产生的调节蛋白。,因激活蛋白结合DNA产生的增强转录调节作用称正调节。,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。,真核基因的调节蛋白-反式作用因子（转录因子）,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。,反式调节,A,转录调节因子结构,（1）调节蛋白与DNA的结合,大部分调节蛋白与DNA的结合为特异结合。调节蛋白中与DNA特异结合的结构域中有特征性的亚结构-即结
8、构模序。如：螺旋-转角-螺旋（HTH）、锌指（zinc finger）、同质异形结构域等。调节蛋白中的一些极性带电荷的氨基酸残基Asn、Gln、Glu、Arg、Lys与DNA碱基形成氢键。,螺旋-转角-螺旋（HTH）,由两个7-9个氨基酸残基组成的螺旋。一个用于识别DNA，结合在DNA分子的大沟中。,锌指（zinc finger）见于TFA和类固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸的多肽链构成。每四个半胱氨酸残基或His残基螯合一分子Zn2+，其余约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。每个蛋白质分子中可含2-9个锌指结构。,常结合DNA的GC盒，也有与mRNA
9、结合的功能。,同质异形结构域,由60个氨基酸残基组成，结构与HTH相似。,在真核生物发育，如身体形成期间起作用。,编码这种结构域的DNA序列，叫做同质异形盒。,（2）调节蛋白中 蛋白质-蛋白质相互作用结构域,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，形成二聚体或多聚体。（同质或异质）也有的是在结合DNA前，需要蛋白质与蛋白质之间的解聚过程,二聚体亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成“拉链”。肽链氨基端2030个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合。,亮氨酸拉链(zip),亮氨酸拉链,碱性螺旋-环-螺旋(HLH),可形成二聚体由50个氨基酸残基的保守区组成肽环长度可变碱性螺旋与DN
10、A结合,4、RNA聚合酶,DNA顺式作用元件、调节蛋白对转录激活的调节最终是由RNA聚活酶的活性体现的。启动子的结构、调节蛋白的性质对RNA聚活酶活性影响最大。,启动序列与RNA聚合酶活性,启动子有强弱只分，原核、真核启动子碱基序列影响RNA聚合酶与其亲和力，进而影响转录启动频率。启动子序列的差别，使细胞中不同的管家基因在不同的水平表达。,调节蛋白与RNA聚合酶活性,启动序列决定基础转录频率，一些特异调节蛋白在适当环境信号（如诱导剂和阻遏剂等）刺激下在细胞内表达，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，使基础转录频率发生变化，从而引起表达的变化。,第 二 节 原核生
11、物基因转录调节,（1）因子决定RNA聚合酶识别特异性 只有一种RNA-pol，但是有很多种因子,（2）操纵子模型的普遍性 功能相关基因成簇串联通过单个启动子协调表达,（3）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 原核生物主要以这种负调节方式为主,二、乳糖操纵子调节机制,（1）乳糖操纵子(lac operon)的结构,DNA,没有乳糖存在时,（2）阻遏蛋白的负性调节,调节基因,有乳糖存在时,mRNA,CAP降解物基因活化蛋白 CAP-cAMP复合物,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,（3）CAP的正性调节,调节基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基因结合，阻止结合在启动子上的RNA-pol
12、前移，结构基因不被转录。,1）无乳糖也无葡萄糖存在时：,2）当无乳糖，有葡萄糖时：,由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作用。,总结：,所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭,由于葡萄糖降解物能降低cAMP含量，不与CAP形成复合物，CAP不能结合到启动子附近，RNA聚合酶不能有效转录，使细菌只能利用葡萄糖。,3）既有乳糖，又有葡萄糖时：,乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落。,细胞内cAMP含量高，cAMP与CAP结合成复合物，与DNA结合，并推动RNA-pol向前移动，促进转录。,4）有乳糖
13、，无葡萄糖时：,乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的RNA-pol向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖。,所以：有乳糖时，没有葡萄糖，操纵子才开放；有葡萄糖存在，操纵子关闭,（4）协调调节,阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；,没有阻遏蛋白与操纵序列结合，如无CAP存在加强转录，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。,三、其它转录调节机制,1、阿拉伯糖操纵子的正调节和负调节作用,阿拉
14、伯糖是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要araB、araA和araD 3个基因编码3个酶：核酮糖激酶，L-阿拉伯糖异构酶和L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶。与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC，araC 产生的AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。,AraC蛋白通过两种异构体（P1和P2）来实现正、负调节因子的双重功能。在没有阿拉伯糖时，P1形式占优势，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，起阻遏作用。一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使P1离开操纵基因位点，构象平衡趋向于P2形式。P2是起诱导作用的形式，它通过
15、与启动子结合促进RNA-pol开始转录，发挥正向调节作用。,2、色氨酸操纵子的转录弱化调节,色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成，编码5种酶的基因（trpE、trpD、trpC、trpB、trpA）紧密连锁在一起，当培养基中有足够的色氨酸时，操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开。色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏基因表达过程中起作用。由于trp操纵子参与生物合成而不是降解，因此它不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。,阻遏-操纵机制是一级开关，主管转录是否启动，相当于粗调开关。前导序列翻译前导肽是二级开关，属细调控，指示已经启动的转录是否继续下去。这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的
16、过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率。,色氨酸操纵子是翻译与转录相偶联的基因表达调节机制,前导序列由162个核苷酸组成，分为1、2、3、4区域，四个区域根据需要彼此互补结合，形成特殊的二级结构，达到调节基因表达的目的。其中一部分序列编码了一个含14个氨基酸的前导肽。该多肽内含有两个相邻的色氨酸。正是这两个相连色氨酸的密码子（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控了色氨酸操纵子结构基因的表达。,当培养基中Trp浓度很低时，Trp-tRNA含量减少，这样翻译通过两个相邻Trp密码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区（或停留在两个相邻的Trp密码子处），这
17、时的前导区结构是2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，RNA-pol继续前进转录，直到将trp操纵子中的结构基因全部转录完成。当培养基中Trp浓度较高时，核糖体可顺利通过两个相邻的Trp密码子，在4区被转录之前就到达2区，使2-3区不能配对，3-4区自由配对形成茎环终止子结构，转录被终止，trp操纵子被关闭。,调节基因表达的RNA，称为调节RNA。反义RNA：细菌中的一种调节RNA,含有与特定mRNA翻译的起始部位互补的序列，通过与mRNA的杂交阻断30S小亚基对AUG的识别及与SD序列的结合，抑制翻译的起始。反义RNA的调节作用，称为反义控制。,反义RNA对翻译的调节作用,第 三 节 真核
18、生物基因转录调节,一、真核生物基因组结构特点,1、真核基因组结构庞大,2、染色质的独特结构,DNA与组蛋白、非组蛋白和少量RNA等其它物质相结合，组蛋白可以保护DNA免受损伤，维持稳定，调节表达。,3、单顺反子,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。,4、重复序列（正向重复、反向重复）,5、基因不连续性断裂基因,-是指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因。同一家族的基因成员是由同一祖先基因进化而来。其编码产物常常具有相似的功能。基因家族中，某些成员并不能表达出有功能的产物，这些基因称为假基因，表示为“”。哺乳动物中普遍存在这一现象。可能由突变产生。,6
19、、基因家族,二、真核生物基因表达调节的特点,1、组织特异性表达和时相性,真核生物和原核生物的分界线是真核生物染色体由一层核膜所包围，真核生物转录和翻译在时空上是分隔的；原核生物是紧密偶联的。（1）时间特异性/阶段特异性（2）空间特异性/细胞特异性/组织特异性,2、活性染色体结构变化,（1）对核酸酶敏感,活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。,（2）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,（3）DNA碱基修饰变化,真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。,CpG岛甲基化常发生在某些基因的5侧翼区的CpG序列,（4）组蛋白变化,
20、富含Lys组蛋白水平降低 H2A,H2B二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露,4、多级调节系统,3、正性调节占主导,真核基因基因组大，通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。特异性强，更精确，更经济,在转录前、转录、转录后与翻译、mRNA降解、翻译后、转运等不同水平分别进行调控。短期调节（可逆）-环境、代谢物对合成的影响。长期调节（不可逆）-发育中的细胞决定和分化。,（1）DNA水平调节（转录前）染色质的丢失 不可逆调节基因扩增 增加基因拷贝数基因重排 主要调节方式DNA甲基化 甲基化与基因表达呈负相关,（2）转录水平调节RNA聚合酶活性调节Britte
21、n-Davidson模型,Britten-Davidson模型,C,DNA,S1,S2,ST,Z1,传感基因,Z2,st,整合基因(受体基因),结构基因,受体序列,激活蛋白,（3）转录后水平调节 mRNA前体加工对基因表达调节的影响 mRNA的剪接对基因表达调节的影响 mRNA运输的控制,（4）翻译水平的调节翻译起始的调节：阻遏蛋白的调节；起始因子的调节；5AUG（不是起始密码子）的调节；5非编码区长度的影响等。mRNA稳定性调节小分子RNA的影响,三、真核生物基因转录起始的调节,1、顺式作用元件,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。,典
22、型的启动子：CAAT盒和（或）GC盒 TATA盒 转录起始点最简单的启动子：TATA盒 转录起始点有的启动子没有GC盒 或TATA盒,（1）启动子,与结构基因表达相关、能够被转录因子识别和结合的DNA序列.,2.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。,在转录起始点5或3侧均能起作用；相对于启动子的任一指向均能起作用；发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；对异源性启动子也能发挥作用；通常具有一些短的重复顺序。,特点,3.沉默子(silencer),某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子
23、时，对基因转录起阻遏作用。,同一DNA序列可被不同蛋白质识别。同一蛋白质因子可与多种不同DNA序列发生联系，少数是直接结合，多数是蛋白质-蛋白质相互作用后再影响DNA。蛋白质-蛋白质或DNA-蛋白质的结合，均导致构象上的微细变化，构象变化常是实现调控功能的分子基础。反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可变性和可塑性。,2、反式作用因子,细胞中具有使基因开放或关闭功能的序列特异性DNA结合蛋白,3、转录起始的调节,（1）反式作用因子的活性调节表达式调节 共价修饰 配体结合,（2）反式作用因子与顺式作用元件的结合,（3）反式作用因子的作用方式成环 扭曲 协同,（4）反式作用因子的组合式调节作用,
