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1、第13章,基因表达调控 Regulation of Gene Expression,第一节 基因表达调控的基本概念,Basic Conceptions of Gene Expression Regulation,一、基因表达的概念,基因组(genome) 来自一个生物体的一整套遗传物质。,即生成具有生物学功能产物的过程。,基因表达,基因表达是受调控的,基因 (gene),转录,翻译,= +,二、基因表达的时间特异性和空间特异性,（一）时间特异性,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。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性,（二）空间特异性,又称细胞或组织特
2、异性,空间特异性：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 。,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：,基本（或组成性）表达 诱导或阻遏表达,（一）基本（或组成性）表达,管家基因(housekeeping gene):某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。,组成性基因表达: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。,（二）基因的表达的诱导和阻遏,可诱导基因: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
3、加。,诱导(induction)：可诱导基因在特定环境中表达增强的过程。,阻遏(repression)：可阻遏基因在特定环境中表达降低的过程。,可阻遏基因:对环境信号应答是被抑制的基因。,协调表达：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。,四、基因表达调控的生物学意义,（一）以适应环境、维持生长和增殖,通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。,（二）以维持细胞分化与个体发育,在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差
4、异是调节细胞表型的关键。,第二节 基因表达调控的基本原理,Basic Principles of Gene Expression Regulation,一、基因表达的多级调控,基因表达的多级调控,基因激活 拷贝数 重排 甲基化程度,转录起始 转录后加工 mRNA降解,蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等,转录起始,二、基因转录激活调节的基本要素,基因的结构、性质 生物个体或细胞所处的内、外环境 细胞内所存在的转录调节蛋白,（一）特异DNA序列决定基因的转录活性 （二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性,原核生物, 操纵子(operon) 机制,图13-1 五种E.coli启动序列的共有序列
5、,共有序列(consensus sequence) 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。,2、操纵序列 阻遏蛋白(repressor)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，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。,3、其他调节序列、调节蛋白,例如：,激活蛋白(activator)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。,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。,真核生物,图13-2 顺式作用元件
6、,不同真核生物的顺式作用元件中：一些共有序列，如TATA盒、CAAT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。,2、真核基因的调节蛋白,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。,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。,反式作用因子(trans-acting factor),反式调节,顺式调节,图13-3 反式与顺式作用蛋白,第三节 原核基因表达调节,调节的主要环节在转录起始,一、原核基因转录调节特点,（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性,不同的因子决定特异基因的
7、转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。,（二）操纵子模型的普遍性,操纵子（operon）:原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位。 由一组功能相关的结构基因及其上游的调控序列组成。,（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节,特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制 特异基因的阻遏或去阻遏,二、操纵子调控模式,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,没有乳糖存在时,（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节,1、阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,图13-4 lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP
8、浓度低时,2、CAP的正性调节,3、协调调节,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。,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,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,第四节 真核基因表达调节,一、真核基因组具有独特的结构特点,（一）真核基因组结构庞大,哺乳类动物基因组DNA 约 3109碱基对。,人编码基因约4万个，编码蛋白质的序列仅占总长的1%。,rDNA等重复基因约占5%1
9、0%。,（二）真核基因转录产物为单顺反子,单顺反子(monocistron) 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。,（三）真核基因组含有大量的重复序列,真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。 真核基因不连续性,（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区,（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性,启动子,真核基因启动子是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。,二、RNA Pol II转录起始的调节非常复杂,图13-7 真核基因启动子的典型结构,增强子(enhancer),指远离转录起始点、决定
10、基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列。 发挥作用的方式通常与方向、距离无关。,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时，对基因转录起阻遏作用。,（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白,转录调节因子分类（按功能特性）,基本转录因子(general transcription factors),是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。,特异转录因子(special transcription factors),为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。,转
11、录激活因子,转录抑制因子,转录调节因子结构,最常见的DNA结合域：,锌指(zinc finger),C Cys H His,常结合GC盒,Zn,Cys,His,图13-8 锌指结构,碱性a-螺旋,常结合CAAT盒,碱性螺旋-环-螺旋 碱性亮氨酸拉链,碱性螺旋-环-螺旋，bHLH,是一大家族小分子非编码单链RNA，长度约2025个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为7090个碱基的单链RNA 前体(pre-miRNA)经Dicer酶剪切后形成。,小分子RNA对基因表达的调节,1微小RNA (microRNA, miRNA),其长度一般为2025个碱基； 在不同生物体中普遍存在； 其序列在不同生物中
12、具有一定的保守性； 具有明显的表达阶段特异性和组织特异性； miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。,miRNA的特点：,是细胞内一类双链RNA(dsRNA)在特定情况下通过一定酶切机制，转变为具有特定长度(2123个碱基)和特定序列的小片段RNA。 双链siRNA参与RISC组成，与特异的靶mRNA完全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。 由siRNA介导的基因表达抑制作用被称为RNA干涉(RNA interference，RNAi)。,2小干扰RNA (small interfering RNA, siRNA), 30bp 双链RNA（dsRNA）,水解生成 21-23nt siRNA,5,3,3,5,RISC形成,识别特异序列 并使其降解,RNA干扰作用机制,siRNA 和miRNA的差异比较,