第十章基因表达调控.ppt

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1、第十章 基因表达调控（P257-349） Chapter 10 Regulation of Gene Expression,基因表达调控基本概念与原理 原核生物基因表达调控 真核生物基因表达调控,第一节 基因表达调控基本概念与原理,基因表达的概念及基因表达的特点(时间性及空间性) 基因表达的方式(组成性、诱导、阻遏) 基因表达的生物学意义 基因表达调控的基本原理（多级调控、表达激活基本要素）,一、基因表达的概念及基因表达的特点(时间性及空间性),1.基因表达（gene expression）就是指在一定调节因素的作用下，DNA分子上特定的基因（遗传信息）被激活并转录生成特定的RNA，并由此引起

2、特异性蛋白质合成的过程。 DNA中的遗传信息用以决定细胞的表型和生物性状。,2.基因表达的时间性及空间性,基因表达的时间特异性(temporal specificity)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。故又称为阶段特异性。,基因表达的空间特异性（spatial specificity）是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的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。,二、基因表达的方式,1. 组成性表达 组成性基因表达（constitutive gene

3、expression）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，且受环境因素的影响较小。 这类基因通常被称为管家基因（housekeeping gene）。,2.诱导和阻遏表达,诱导表达（induction）：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。 调节分解代谢的操纵子是诱导型。这类基因称为可诱导基因。诱导物 阻遏表达（repression）：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。调节合成代谢的操纵子是阻遏型。这类基因称为可阻遏基因。阻遏物,正调控和负调控,正调控(positive

4、 control)：任何促进转录的调节。 负调控 (negative control)：任何阻碍转录的调节。,三、基因表达的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖。 维持个体发育与分化。,四、基因表达调控的基本原理,基因表达的调控（control of gene expression）: 基因组中某一个基因或一些功能相近的基因,表达的开启、关闭和表达强度的直接调节。 1. 基因表达的多级调控 基因表达调控从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及转录起始），转录后水平（加工及转运），翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。,2.基因转录激活调节

5、基本要素,A顺式作用元件 顺式作用元件（cis-acting element）：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。,在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动子（promoter） 、操作子(operator)和调节基因(regulatory gene)组成。 在真核生物中，与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有启动子（promoter）、增强子（enhancer）和沉默子（silencer）。,基因的组织结构及顺式作用元件,B反式作用因子,反式作用因子（trans-acting factor）又称为分子间作用因子，指

6、一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。 反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。 原核生物中的反式作用因子主要分为特异因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常称为转录因子。,顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用： 大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。,第二节 原核生物基因表达调控,基因表达（gene expression） ：是一个产生基因产物(RNA或蛋白质)的过程。 调控的三个层次：DNA、转录和翻译 操

7、纵子模型及其调控原理,一、操纵子模型,操纵子(operon)：相关功能的结构基因串连排列成簇，它们编码同一个代谢途径中的不同的酶，由一个调控蛋白所控制，一开俱开，一闭俱闭，对环境条件的改变作出相应的反应。 结构基因：产生酶和产生不直接影响其他基因表达的蛋白质的DNA序列 调节基因：产生阻抑蛋白质或转录激活因子的DNA序列 操作子(operator)：能与活性调节蛋白结合开闭结构基因表达的DNA序列,操纵子的主要类型,诱导型：分解代谢，如乳糖操纵子(lac operon)。 阻遏型：合成代谢，如色氨酸操纵子(trp operon)。 弱化作用：结构基因前提前终止转录,二、乳糖操纵子(lac op

8、eron),1.结构 控制区包括调节基因（阻遏基因），启动子（其CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵子； 信息区:由-半乳糖苷酶基因（lac z ）， -半乳糖苷透性酶基因（lac y）和乙酰化酶基因（lac a）串联在一起构成。,P-O区共122个碱基对，P区84个；O区是阻遏物结合区，35个碱基对（78-112），和P区重叠7个碱基，Z基因始点与O区间隔10个碱基对。 O区和P区中的cAMP-CRP复合物结合位点碱基顺序有对称性,O,P,乳糖操纵子的结构基因及其表达产物,2、乳糖操纵子及调控机制,A. 阻遏蛋白的负调控（Jacob-Monod负调控模型）,阻遏蛋白(repre

9、ssor)：负调控系统中调节基因的产物调节蛋白（阻遏物） 无辅基诱导蛋白(apoinducer)：正调控系统中的调节蛋白（激活物） 具有与DNA直接结合的蛋白质结构。 效应物(effector)：能够与调节蛋白结合、并改变调节蛋白性质的小分子物质。 诱导物(inducer)：与阻遏物或激活物结合，启动操纵子转录的效应物 辅阻遏物(corepressor)：与阻遏物结合阻断转录的效应物。,安慰诱导物,化学合成的、结构类似于乳糖，不被-半乳糖苷酶分解，能行使诱导物的功能的化合物。如isopropylthiogalactoside（IPTG，异丙基硫代半乳糖苷）。 X-gal在基因工程中用于筛选蓝白

10、菌落。,B. CAP的正调控P265-266,cAMP: 辅诱导物（葡萄糖影响腺苷酸环化酶活力）。ATP 腺苷酸环化酶 cAMP+PPi CRP(cAMP receptor protein) cAMP受体蛋白或称为CAP(catabolic gene activator protein)分解代谢基因激活蛋白 CAP结合位点：位于P区,是与cAMP- CAP复合物相互结合的DNA序列,调控原理,cAMP-CAP复合物是活性诱导物 结合乳糖操纵子P区的CAP结合位点 改变DNA二级结构，促进RNA聚合酶结合于-10区形成开放式启动子复合物,促进转录。,正调控和负调控的比较,小 结,三、色氨酸操纵子

11、P271-278,色氨酸操纵子（trp operon）:阻遏型负调控操纵子，调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录。 色氨酸操纵子(tryptophane operon)合成代谢，阻遏负调控；弱化作用。,（一）色氨酸操纵子的结构 操纵子,（二）色氨酸操纵子的作用机理,1. 阻遏负调控系统(Negative control of trp operon) 2. 弱化作用或衰减作用(Control of the trp operon by attenuation),色氨酸阻遏负调控系统,色氨酸阻遏负调控系统,trpR 产生aporepressor(无辅基阻遏物) 色氨酸称为corepressor

12、(辅阻遏物) aporepressor + corepressor repressor (阻遏物) 启动子失活 不转录 aporepressor + operator 启动子有活性 转录发生,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,?,色氨酸操纵子 - 阻遏负调控,2.弱化子及其调节作用,A. 概念,前导区(leader) : A sequence of untranslated bases at the 5-end of an mRNA. mRNA5端开始处到trpE 基因的起始密码子前的mRNA片断称为前导区，共162个碱基。,

13、弱化子(attenuator, 衰减子 ),123-150这段碱基的缺失能引起色氨酸的酶合成提高6倍，这段顺序就是能起调控作用的弱化子。 attenuator: A region of DNA upstream from one or more structural genes, where premature transcription termination can occur.,前导肽(leader peptide),推测有前导肽的理由: 前导区内有SD顺序，位于AUG的5。 前导区内有启始密码子AUG，有终止密码子UGA. 弱化时需要tRNAtrp。,B. mRNA前导区序列特征,形成

14、茎-环结构,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/4,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,小结,弱化作用与阻遏负调控系统相结合构成了色氨酸操纵子的完整调控系统。 色氨酸是一种分子，称为共阻遏物，当它与色氨酸调节基因产物（无辅基阻遏物）结合时，形成有活性的阻遏物，结合在色氨酸操纵子的操纵区，进

15、而阻碍了RNA聚合酶与启动子的结合，关闭了基因的转录。 当转录启动后，色氨酸的浓度影响弱化子能否发挥作用，使转录是否在第一个结构基因前停下。当色氨酸缺乏时，前导肽合成过程中，因核糖体停留的位置影响前导mRNA的折叠，一旦形成转录终止发卡结构，RNA聚合酶就会脱下来，结构基因的转录就会停止。,Arac-调节蛋白C的编码基因 Parc PBAD-启动子 IO1O2-调控元件 B-L核酮糖激酶（isomerase） A-L阿拉伯糖异构酶（kinase） D-L核酮糖与磷4表异构酶（opimerase） I-起始部位,严谨反应-魔斑调节RNA聚合酶的活性,严谨反应(stringent response

16、)：细菌对营养缺乏所产生的一系列反应，特别是rRNA和tRNA的合成速度下降，可达10-20倍；RNA聚合酶活性下降。 在大肠杆菌和一些其它类型的细菌中，一种氨基酸的缺乏可导致合成鸟苷四磷酸或鸟苷五磷酸，色谱分析产生班点，即魔斑。 原理：是在氨基酸缺乏时，游离核糖体与空载的tRNA增加，在ATP存在下，产生pppGpp(鸟苷-5磷酸)和ppGpp（鸟甘-4-磷酸）。后者与RNA pol 形成ppGpp-RNA pol 复合物，进而使RNA pol 变构，活性rRNA和tRNA合成 或停止。当培养液中富含氨基酸时，则与上述情况相反，RNA pol 活性，rRNA，tRNA合成 。,五、DNA水平

17、的调控 DNA序列重排对转录的调控，有称反向倒位。 研究得比较清楚的是沙门氏菌鞭毛抗菌素原H1和H2选择性表达，H1表达，H2关闭，反之亦然。 机制 1. h2基因表达时，同时转录翻译出h1基因的阻遏蛋白。 2. h2基因不表达时，阻遏h1的蛋白（rh1）也不表达，h1基因表达H1鞭毛抗原。 3. h2-rh1 转录单元是否表达受其上游一段DNA的排列方向所控制。 4. 105次细胞分裂中发生1次，1个细菌克隆以表达1种鞭毛抗原为主。,五、翻译水平的调控,反义RNA的调控作用 ：反义RNA按照碱基配对互补原则与mRNA5端非转译区包括SD(Shine-Dalgarno)序列相结合，阻止了mRN

18、A与核糖体小亚基结合，直接抑制了翻译。反义RNA与mRNA5端编码区起始密码子AUG结合，从而抑制mRNA翻译起始。反义RNA与靶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。 mRNA高级结构及寿命对基因表达的调控 核糖体蛋白质合成中的自体调控,第三节 真核生物基因表达调控,真核生物中基因表达的调控机制较原核生物复杂得多，许多细节还未弄清楚。,真核生物基因组的特点：大、二倍体、核内核外遗传物质、单顺反子、90%序列功能不清楚、多种重复序列等。,一、真核基因表达及表达调控的特点,（一）真核生物基因表达特点 1同一种真核生物的所有细胞都含有相同的D

19、NA，即基因的数目和种类是一样的，尽管细胞的类型不同，分化程度不一样，但其基因组是相同的，它们都有发育成完整个体的潜能。 2转录和翻译是非偶联的。 3初级转录产物要经过加工修饰才能成熟。 4不存在超基因式操纵子结构。 5基因多拷贝。,（二）真核基因表达调控的特点,基因表达的多级调控*：DNA和染色体水平；转录水平（转录起始的控制、延伸的弱化）；转录后加工过程和运送中的调控；翻译水平上的调控；翻译后的控制。 DNA及DNA结合蛋白的调控作用 正性调节占主导：真核基因一般都处于阻遏状态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。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。,二、染色质

20、结构及改变与基因转录,染色质结构影响基因转录：紧密染色质结构阻止基因表达 组蛋白的作用：组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合，从而遮蔽了DNA分子，妨碍了转录，可能扮演了非特异性阻遏蛋白的作用。（占先模型、动态模型） 核小体结构影响基因转录：使核小体不稳定或解体的因素如富含赖氨酸的组蛋白（H1组蛋白）水平降低、H2A、H2B组蛋白二聚体不稳定性增加、组蛋白乙酰化（acetylation）和泛素化（obiquitination）、以及H3组蛋白巯基化等现象 或缺乏核小体使转录活性提高。,4. 染色质结构改变参与基因表达的调控,转录活泼区域对核酸酶的敏感度增加：基因被

21、激活后，双链DNA解开成单链以利于转录，从而形成一些对DNase的超敏位点。 DNA拓扑结构改变：天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在，当基因激活后，则转录区前方的DNA拓扑结构变为正性超螺旋。正性超螺旋可阻碍核小体形成，并促进组蛋白解聚。 DNA碱基修饰变化：甲基化能阻碍转录因子与DNA特定部位的结合，从而影响转录。,三、真核基因表达的调控,基因组水平的调控 转录水平的调控 转录后水平的调控 翻译水平的调控,（一）、基因组水平的调控,基因易位：基因转位、倒错可致表达和调控的改变，进而激活 基因扩增：细胞内某一基因的拷贝数高于正常并大量增加的现象，是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够基因产物

22、的一种调控手段 DNA甲基化：甲基化程度一般与基因表达呈反向平行的关系，如5去甲基化，表达活性增加，因此有人认为DNA甲基化可作为基因失活的信号。,（二）转录水平的调控元件及调控机制,顺式作用元件(cis-acting elements) 正性调控作用的顺式作用元件：启动子(promoter)、增强子(enhancer) 负性调控作用的元件：沉默子(silencer) 2. 反式作用因子（trans-acting factors）,1、顺式作用元件(cis-acting elements) 启动子,核心启动子元件(core promoter element)： 指RNA聚合酶起始转录所必需的最

23、小的DNA序列，包括转录起始点及其上游-25/-30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。上游启动子元件(upstream promoter elements)： 包括通常位于-70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。,（2）增强子及其特点,概念：通过启动子能够增强结构基因转录活性的DNA顺序称为增强子(enhancer)。其本身不具有启动子的活性，是由多个完全独立的、具有特征性的核苷酸序列所组成。 特点： 提高同一条DNA链上基因转录效率，发挥作用与受控基因的远近距离无关，

24、可远距离起作用；在转录起始点5或3侧均能起作用，在基因的上游、下游或基因内部都能起作用。 增强子的作用无方向性 增强子要有启动子才能发挥作用，但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，必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用。一般具有组织或细胞特异性。,（3）沉默子,沉默子：能够对基因转录起阻遏作用的DNA片段，属于负性调控元件。 沉默子的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用,2、反式作用因子,（1）概念：能直接或间接地与DNA上各种顺式作用元件的特定序列结合而发挥调控作用，激活或阻遏基因表达的一组核内组蛋白。 真核生物反式作用因子

25、通常属于转录因子（transcription factor，TF）。因为反式作用因子是DNA结合蛋白。,特异性转录因子,能够选择性调控某种或某些基因转录表达的蛋白质因子称为特异性转录因子。 目前较清楚的是调控免疫球蛋白基因表达的核内蛋白质因子（NF），已发现存在NFA，NF2A，NFB，NFB4，NF等亚类。 基因结合核因子（nuclear factor-gene binding，NF-B ）是研究最透彻的一个。,（2）反式作用因子的主要作用规律,同一DNA序列可被不同的蛋白因子所识别； 同一转录因子也可识别不同的DNA顺式作用元件。但能直接结合DNA序列的蛋白因子是少数，但不同的蛋白因子间可

26、以相互作用，因而多数转录因子是通过蛋白质-蛋白质间作用与DNA序列联系并影响转录效率的； TF与TF之间存在相互作用 当TF与TF，TF与DNA结合时，都会引起构象的变化，从而影响转录的效率，构象变化是实现调控功能的分子基础。 TF在合成过程中，有较大的可变性和可塑性。,（3）转录因子的结构,反式作用因子至少含有三个功能域，即DNA结合功能域（由60100个氨基酸残基组织的几个亚区组成） ，转录活性功能域（由30100氨基酸残基组成，这结构域有富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同种类，以酸性结构域最多见）；连接区。,与DNA结合的功能域主要有以下几种：,锌指（zinc finger）

27、,含有一段保守氨基酸顺序的蛋白质与其辅基锌螯合而形成由基部突起的环形肽段回折成手指状的环状结构。 “指”状结构约含23个氨基酸残基，锌以4个配价键与4个半胱氨酸（Cys）、或2个半胱氨酸和2个组氨酸（His）相结合。 每一个单位可以其指部伸入DNA双螺旋的深沟，接触5个核苷酸。 TFA含有7-11个锌离子和9个有规律的重复单位。, HTH和HLH结构：,由两段-螺旋夹一段-折迭构成，-螺旋与-折迭之间通过-转角或成环连接，即螺旋-转角-螺旋结构(helixturnhelix, HTH) 和螺旋-环-螺旋结构。 (helixloophelix,HLH) 两个这样的motif结构以二聚体形式相连，

28、距离正好相当于DNA一个螺距（3.4nm）,两个螺旋刚好分别嵌入DNA的深沟。,亮氨酸拉链(leucine zipper，LZ)结构,真核生物DNA结合蛋白质的C端，肽链由两段-螺旋平行排列构成，其-螺旋中存在每隔6个残基规律性出现1个Leu残基，其正电荷与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合， Leu侧链交替排列而呈拉链状。两条肽链呈钳状与DNA结合。,DBP转录活化结构域,具有非特异性调控转录活性功能。根据氨基酸组成的特点，主要有：酸性-螺旋结构域、富含谷氨酰胺结构域和富含脯氨酸结构域。,3转录水平调控机制,RNA聚合酶活性受转录因子调控 真核生物中存在RNA pol、三种不同的RNA聚

29、合酶，分别负责转录不同的RNA。这些RNA聚合酶与相应的转录因子形成复合体，从而激活或抑制该酶的催化活性。,转录激活及其调控,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。 过程：由TFD识别启动子序列并与之结合；在TFAF的参与下，RNA聚合酶与TFD、B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，从而形成稳定的转录起始复合体。,聚合酶转录起始复合体的组装,RNA聚合酶的基本转录因子,（三）转录后水平的调控,1RNA结合蛋白：核糖核蛋白基元、富含精氨酸基元、双链RNA结合结构域等。 2mRNA前体加工：RNP参与可变剪接 3RNA编

30、辑：在RNA分子上发生的一种修饰现象。有些mRNA在转录后因插入、缺失或核苷酸的替换，改变了DNA模板来源的遗传信息，从而翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质。编辑的结果，扩大了遗传信息，这也可能是生物适应中的一种保护措施。 4.转录本核输出的调节:帽结合蛋白识别5的帽子结构,在载体蛋白协助下将转录本以RNP形式通过核孔复合体.,（四）翻译水平的调控,起始因子可逆磷酸化对翻译的调控 mRNA稳定性的调节 调控mRNA翻译的启始,复习思考题,名词解释：基因表达、组成性表达、顺式作用元件、反式作用因子、正调控、负调控、诱导、阻遏、操纵子、操纵子、衰减子、安慰诱导物、严谨反应、核心启动子元件、锌指、亮氨

31、酸拉链、常染色质、异染色质、DNase高敏感点。 问答题： 1、图示说明原核生物结构基因表达调控的4种结构模式 2、什么是安慰诱导物?大肠杆菌乳糖操纵子的真正诱导物是什么？区别可诱导和可阻遏的基因调控。 3、说明乳糖操纵子的结构特点，叙述乳糖操纵子的诱导负调控、CAP正调控的调控机理。 4、图示说明色氨酸操纵子的结构特点，叙述色氨酸操纵子的阻遏调控机理和衰减子的衰减作用机理。 5、真核生物基因表达调控的特点是什么？ 6、 E.coli细胞能在不同的碳源上生长，当细菌在以下物质存在条件下生长时，lac操纵子的转录速率如何？ （a）乳糖和葡萄糖 （b）乳糖 7、反式作用的作用规律是什么？ 8、论述启动子、增强子和转录因子的概念、结构、功能及其相互关系。,