生物化学课件13.ppt

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1、13 基因表达的调节,13.1基因表达调节的基本概念及原理 13.2 原核基因转录调节 13.3真核基因转录调节,13.1 基因表达调节的基本概念及原理,13.1.1 基本概念 13.1.2 基因表达的规律 13.1.3 基因表达的方式 13.1.4 基因表达调节的基本原理,13.1.1 基本概念,基因（gene）是指一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的DNA。 基因表达（gene expression）是指在某一基因指导下蛋白质的合成过程。 对这个过程的调节即为基因表达调节（regulation of gene expression）。,13.1.2 基因表达的规律,一种生物含有大量的基因，这

2、些基因在生命活动过程中并不都是一齐开放表达，而是在有些时候，一些基因进行表达，另一些基因则关闭。 基因表达表现为严格的规律性，即时间特异性、空间特异性。 按功能需要，某一特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。在个体生长全过程某种基因产物在个体内按不同组织空间顺序地出现，这就是基因表达的空间特异性。,例如：母牛只有在分娩小牛后才开始泌乳时，乳腺中的各种蛋白质基因也只有在这时才开始表达产生各种乳蛋白。 生长发育过程中更为明显，许多基因只有在特定的时间和空间才进行表达，其余时间或空间这些基因则关闭。,13.1.3 基因表达的方式,13.1.3.1 组成性表达 13.1

3、.3.2 诱导和阻遏表达,13.1.3.1 组成性表达,有些基因产物在生命全过程都是必需的，通常把在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因称为管家基因（housekeeping gene）。 管家基因很少受环境变化影响，在个体各个生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小，这类基因的表达方式称为组成性基因表达（constitutive gene expression）。 这类基因表达只受启动子序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而不受其他机制调节。组成性基因表达水平的“不变”是相对的。,13.1.3.2 诱导和阻遏表达,有一些基因表达极易受环境变化的影响，在特定环境信号刺激下，这类基

4、因表达水平可呈现升高或降低的现象。 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，这种表达方式称为诱导表达（induction expression）。反之，有些基因的表达表现为关闭或下降，称为阻遏表达（repression expression）。 在生物体内，各种代谢途径有条不紊地进行，则是在一定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达，称为协调表达（coordinance expression）。,13.1.4 基因表达调节的基本原理,13.1.4.1 特异DNA序列对基因转录激活 的调节 13.1.4.2 调节蛋白对转录起始的调节 13.1.4.3 影响RNA聚合

5、酶活性 对于一个基因编码产物蛋白质来说，可以在7个水平上进行调节：基因活化、转录起始、转录后加工、mRNA降解、蛋白质的翻译、翻译后加工修饰及蛋白质的降解。,基因的表达最为有效的调控表现在两个层次上： 第一：是控制从 DNA 模板上转录 mRNA 的速度。 从而免去从 mRNA 合成蛋白所需的各种材料，是十分经济的。这种调控通常称为转录水平（transcription level）的调控。 第二：是控制从 mRNA 翻译成 多肽链 的速度。 称为 翻译水平（translational level）的调控。大多数生物多采用转录水平的调控，翻译水平调控较少。,13.2 原核基因转录调节,13.2.

6、1 原核生物基因转录调节的特点 13.2.2 乳糖操纵子调节机制 13.2.3 其他转录调节机制,13.2.1 原核生物基因转录调节的特点,（1）因子决定RNA聚合酶识别特异性。 （2）操纵子模型的普遍性。 （3）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 。,操纵子（operon）：是指原核生物基因组的一个表达调控序列，它包括参与同一代谢途径的几个酶的基因，编码在一起形成一个特殊转录单位（结构基因，structural gene），及在结构基因前面的调节基因（regulatory gene，R）、操纵基因（operator，O）和启动基因（promoter，P）。,操纵子的作用: 当代谢需要 结构基因 表达

7、酶时，操纵子即开放，结构基因转录生成 mRNA 并表达为 酶 参加代谢。如果不需要时，结构基因不被转录，或以很低的速度进行。这是一个典型的转录水平的调控模式。,13.2.2 乳糖操纵子调节机制,乳糖操纵子的实验现象: 当大肠杆菌在葡萄糖培养基中生长时，它不能代谢乳糖。因为缺少所必需的酶。当生长在没有葡萄糖而只有乳糖的培养基中时，代谢乳糖的酶量增加近1000倍，可代谢乳糖。 如果此时在培养基中又加入一些葡萄糖，培养基中既有乳糖又有葡萄糖，则乳糖的代谢又停止，大肠杆菌又转向利用葡萄糖而不利用乳糖。只有葡萄糖消耗殆尽，大肠杆菌才能又利用乳糖。,（1）乳糖操纵子的结构和阻遏蛋白的负性调节,（2） CA

8、P的正性调节,在乳糖操纵子中，其启动子是弱启动子，RNA聚合酶与之结合的能力很弱，只有降解物基因活化蛋白（catabolite gene activator protein，CAP）结合到启动子上游的CAP结合位点，促进RNA聚合酶与启动子结合后，才能有效转录。,但游离的 CAP 是不能与启动子上游的 CAP 结合位点结合的，在细胞内有足够的cAMP时，CAP 首先与 cAMP 形成复合物，此复合物才能与启动子结合。因此CAP也称做cAMP受体蛋白。 葡萄糖的降解产物能降低细胞内cAMP的含量，因而当向乳糖培养基中加入葡萄糖时，造成cAMP浓度降低，CAP便不能结合在CAP结合位点上。此时即使

9、有乳糖存在，已解除了对操纵基因的阻遏，也不能进行转录，所以仍不能利用乳糖。 这就是在含葡萄糖的培养基中大肠杆菌不能利用乳糖，只有改用乳糖时才能利用乳糖的调节机理。,（3）协调调节,阻遏蛋白的负性调节与CAP的正性调节两种机制协调合作，相辅相成、互相协调、相互制约。协调调节后的4 种不同的情况： （1）葡萄糖存在而乳糖不存在时，无诱导剂存在，阻遏蛋白与DNA结合。而且由于葡萄糖的存在，CAP 也不能发挥正调节作用，基因处于关闭状态。 （2）葡萄糖和乳糖都不存在时，没有葡萄糖存在的情况下，CAP 可以发挥正调节作用。但由于没有诱导剂，阻遏蛋白的负调节作用使基因仍然处于关闭状态。,（3）葡萄糖和乳糖

10、都存在时，乳糖的存在对基因的转录产生诱导作用。但由于葡萄糖的存在使细胞内cAMP水平降低，cAMPCAP复合物不能形成，CAP不能结合到CAP结合位点上，转录仍不能启动，基因处于关闭状态。 （4）葡萄糖不存在而乳糖存在时，CAP可以发挥正调节作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调节作用，基因被打开，转录启动。,13.2.3 其他转录调节机制,（1）阿拉伯糖操纵子 （2）色氨酸操纵子,（1）阿拉伯糖操纵子（ara operon）,这是一个利用同一调节蛋白的不同结构形式，活化或抑制操纵子的调节方式。 阿拉伯糖操纵子含有3个结构基因：B、A、D基因，分别编码异构酶、激酶、表位酶，催化阿拉伯糖转变为

11、5-磷酸木酮糖，后者进入磷酸戊糖途径。也包括调节基因（araC）、操纵基因（araO）、启动子（araI）。,操纵基因被araC的产物所调节，它是一个具有2种不同功能构象（P1和P2）的蛋白质。 无阿拉伯糖存在时，它以P1型存在，P1型为阻遏物，P1与操纵基因结合而阻止操纵子的转录（负性调节）。 在有阿拉伯糖存在时，阿拉伯糖可将P1从操纵基因移开，并使构象间的平衡移向P2。P2是激活物，能与CAPcAMP复合物一起结合到启动子上，促进RNA聚合酶开始转录（正性调节）。,（2）色氨酸操纵子,trp 操纵子的阻遏物是由距 trp 操纵子较远的 R 基因合成的一个 58 KD 的蛋白质。 当机体色氨

12、酸不足时，阻遏物游离存在，不能与操纵基因结合，结构基因得以转录和表达，生成色氨酸。 当机体生成的色氨酸过量时，色氨酸与阻遏物形成复合物，此复合物可结合操纵基因，阻止结构基因的转录。,反馈阻遏：这种以终产物阻止该产物基因转录的机理称为反馈阻遏。此终产物（色氨酸）称为辅阻遏物（Corepressor）。 反馈阻遏的优点： 造成在色氨酸充足时，完全阻断转录；在色氨酸水平下降很低时，阻遏消除，转录开放，合成色氨酸。这样易于保持细菌细胞中色氨酸水平的衡定。,衰减子：,另外，色氨酸操纵子中还存在一个辅助调控结构，可用以终止 和减弱转录，这个调控结构称为衰减子（attenuator，a） 。 结构基因 起始

13、密码子前，有长 162 个核苷酸的前导序列（leader Sequence，L）。该前导序列编码一小段 14 肽（前导肽）。在 14 肽里有两个色氨酸（UGG）密码子，它们在调节中起着重要的作用。,衰减子起作用的方式： 前导序列的终止区与一般转录终止点的特征相同，具有潜在的二重对称结构能形成茎环，具有成串的 U。完整的前导序列分为1、2、3、4个区域，这 4 个区可根据需要彼此互补，形成奇特的二级结构，达到调节基因表达的目的。,当色氨酸充足时，完整的前导肽（14肽）可被合成，这时在核糖体参与下，前导序列形成终止信号，RNA 聚合酶不能通过，阻止转录进行，减少结构基因的表达。,当色氨酸不足时，由

14、于色氨酸 - tRNA不能形成，前导肽翻译 至 色氨酸密码子（UGG）处即终止，在核糖体参与下，前导序列不能形成终止信号，RNA 聚合酶可以超越衰减子而继续转录，结构基因得到表达，产生色氨酸 。,衰减子调控的意义： 衰减子调控，是一种翻译与转录相偶联的调控机制。在这里可以看到核酸分子和蛋白质分子一样，能以构象的改变起到调节作用。 衰减子调节在大肠杆菌的其它氨基酸合成操纵子中也普遍存在。,翻译水平调节反义 RNA,反义 RNA： 就是一种与 mRNA 互补的 RNA 分子，它是 反义基因或基因的反义链转录的产物。它与 mRNA 结合后即阻断 mRNA 的翻译，从而调节基因的表达。,反义的 RNA

15、的应用：基因治疗 反义 RNA 调控的特点是高度的特异性，一种反义 RNA 抑制一种 mRNA 。现在根据原理可人工设计合成反义 RNA，抑制靶基因的表达，从而达到治疗疾病的目的，称为基因治疗。 如乙肝病毒、口蹄疫病毒、脊髓灰质炎病毒及人的爱滋病病毒（HIV）等都是 单链 RNA 病毒，可利用反义 RNA 抑制其在体内的复制。 再如可用反义 RNA 抑制癌蛋白的表达。,13.3 真核基因转录调节,13.3.1 真核基因组结构特点 13.3.2 真核基因表达调节的特点 13.3.3 真核基因转录起始的调节,13.3.1 真核基因组结构特点,13.3.1.1 庞大的真核基因组结构 13.3.1.2

16、 染色质的独特结构 13.3.1.3 单顺反子 13.3.1.4 重复序列 13.3.1.5 基因不连续性 13.3.1.6 基因家族,13.3.1.1 庞大的真核基因组结构 真核生基因组约占全部DNA序列的6。此外尚有510的rRNA等重复基因，其余8090的哺乳类DNA序列可能没有直接的遗传学功能。,13.3.1.2 染色质的独特结构 真核生物的DNA是由DNA与组蛋白、非组蛋白和少量RNA及其他物质结合而形成的核小体结构。 组蛋白与DNA结合，可保护DNA免受损伤，维持基因组稳定性，抑制基因的表达，去除组蛋白则基因转录活性增高。 组蛋白的许多侧链可以被 乙酰化、甲基化、ADP-核糖化 及

17、磷酸化所修饰 。这种修饰可以改变组蛋白的电荷性质，改变染色体的基因结构，进而影响 DNA 的复制和转录的机会。,13.3.1.3 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。有很多真核蛋白质由几条不同的多肽链组成，因此存在多个基因协调表达的问题。 13.3.1.4 重复序列 重复序列及基因重组均与生物进化有关。某些重复序列发生在调节区，如转录终止区、衰减调节区及某些酶或蛋白因子结合位点，则可能对DNA复制、转录调节具有重要意义。,13.3.1.5 基因不连续性 真核生物的结构基因是不连续的，编码氨基酸的序列被非编码序列打断，因而被称为断裂基因（split gene）

18、。在编码基因内部尚有一些不为蛋白质编码的间隔序列，称为内含子（intron），被分隔开的编码序列称为外显子（exon）。 内含子与外显子在转录时被同时转录下来。内含子在转录后经一定规律的剪接机制从转录产物中去除，使外显子转录产物连接在一起，形成成熟的mRNA。,13.3.1.6 基因家族 基因家族（gene family）就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。同一个家族的基因成员是由同一祖先基因进化而来，同源性最高的可达100（即多拷贝基因）。同源性也可以很低，只有一小段序列相同。在基因家族中的基因，其编码产物常常具有相似的功能。 假基因（pseudogene），用表示

19、。,13.3.2 真核基因表达调节的特点,13.3.2.1 组织特异性表达和时相性 13.3.2.2 活性染色体结构变化 13.3.2.3 正性调节占主导 13.3.2.4 多级调节系统,13.3.2.1 组织特异性表达和时相性, 时间特异性/ 阶段特异性 在多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按照一定时间顺序开启或关闭，这就是基因表达的时间特异性（temporal specificity）。 同时对于多细胞生物而言，这种特异性与分化、发育阶段相一致，故又称阶段特异性（stage specificity）。,空间特异性细胞特异性组织特异性 在个体生长全过程，某种基

20、因产物在个体按不同组织空间顺序出现，即某些基因仅特异地在某种细胞中表达，这就是基因表达的空间特异性（spatial specificity）。 基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性（cell specificity）或组织特异性（tissue specificity）。,13.3.2.2 活性染色体结构变化,当基因被激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化。 核酸酶敏感 DNA拓扑结构变化 DNA碱基修饰变化 组蛋白变化,13.3.2.3 正性调节占主导, 采用正性调节机制更有效 采用负性调节

21、不经济,13.3.2.4 多级调节系统,真核生物基因表达的调节可以发生DNA水平（转录前水平）、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平。 DNA水平的调节主要通过下列几种方式： 染色质的丢失 基因扩增 基因重排 DNA甲基化, 转录水平的调节,真核生物的基因调节主要表现在对基因转录活性的控制上。而基因转录活性由激活蛋白和阻遏蛋白或其他调节物影响基因活性。, 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, 转录后水平的调节, 翻译水平的调节, 翻译起始的调节 A. 阻遏蛋白的调节作用 B. 翻译起始因子的功能调节 C. 5AUG对翻译的调节作用

22、 D. mRNA5端非编码区长度对翻译的影响 mRNA稳定性调节 小分子RNA对翻译水平的影响, 翻译后水平的调节,对翻译后水平的调节尚了解很少，调节方式主要包括肽链合成后的加工，新生肽链的水解速度，信号肽的分拣、运输、定位等。,13.3.3 真核基因转录起始的调节,转录水平的调节是真核生物基因表达调节中最重要的环节。 调节作用主要是通过反式作用因子、顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来完成的。,13.3.3.1 顺式作用元件, 启动子 增强子 沉默子 某些基因含有负性调节元件-沉默子（silencer），当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。,13.3.3.2 反式作用因子, 反式

23、作用因子的主要特点 一般具有3个功能结构域：DNA结合域、蛋白质结合结构域和转录活性域。这些功能区含有几十到几百个氨基酸残基。 能识别并结合上游调节区中的顺式作用元件。 对基因表达有正性和负性调节作用，即激活和阻遏基因的表达。具有正性调节作用的反式因子和相应的顺式元件结合后，可能还要通过与RNA聚合酶或其它反式因子与相应的顺式元件结合后才能产生效应。, 反式作用因子结构域模式, DNA结合域 蛋白质结合域 转录活性域,13.3.3.3 转录起始的调节,真核基因表达的转录水平调节机制涉及反式作用因子的激活、反式作用因子的作用等。 反式作用因子的活性调节 反式作用因子的激活通过以下几种方式进行：

24、表达式调节 共价修饰 配体结合 蛋白质蛋白质相互作用, 反式作用因子与顺式作用元件的结合,反式作用因子被激活后，即可识别并结合上游启动子元件和增强子中的保守性序列。, 反式作用因子的作用方式, 成环：反式作用因子结合于增强子后，利用DNA的柔曲性，弯曲成环，使增强子区域与RNA聚合酶结合位点靠近，直接接触而发挥作用。 扭曲：通过DNA结合蛋白与变形的DNA（如左旋DNA）结合或者结合蛋白使DNA构象改变（如解旋等）而发挥作用。 协同 ：一种反式作用因子与其顺式作用元件结合，促进另一种反式作用因子与邻近的顺式作用元件结合，后者又促进下一个反式作用因子与其顺式作用元件的结合，直到基因的转录起始点，

25、进而影响基因的转录。, 反式作用因子的组合式调节作用,每一种反式作用因子结合顺式作用元件后虽然可发挥促进或抑制作用，但反式作用因子对基因表达的调节不是由单一因子完成的，而是几种因子组合，发挥特定的作用，称为组合式基因调节（combinatorial gene regulation）。,调控蛋白结构域中与 DNA 接触的 结构基元 ，主要有 ： 锌指基元 和 螺旋-转角-螺旋 。,锌指基元（zinc finger）是：在保守的半胱氨酸和组氨酸残基形成的四面体结构中镶着一个锌原子。 锌指基元由约 23 个氨基酸组成。在含锌指的蛋白中锌指通常是成串的重复排列。锌指间的联接物通常是7 - 8 氨基酸。

26、不同蛋白质的锌指数目不同。含有锌指的调控蛋白在与 DNA 结合时，是锌指的尖端进入到 DNA 的大沟或小沟，以识别它特异结合的 DNA 序列并与之结合。迄今仅在真核生物中发现有锌指蛋白，在原核中尚未发现。,螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix）基元： 基本组成： 两个 -螺旋 之间被 -转角 隔开。本身通常不稳定，但它是较大的结合 DNA 的结构域的活性部分。其中的一个-螺旋通常含有多个与 DNA 相互作用的氨基酸残基，起识别的作用，并且被安置在大沟中。 含有螺旋-转角-螺旋基元的结合蛋白最先在原核中发现，目前许多真核调控蛋白也含有非常相似的基元。,调控蛋白与蛋白质结合的结构域

27、调控蛋白除了与 DNA 结合的结构域外，通常还有与蛋白质结合的结构域，用以和 RNA 聚合酶及其它调控蛋白相互作用，也用于相同调控蛋白分子之间的作用，共同调节基因表达。 这种与蛋白质结合的结构域也含有几种结构基元。比较清楚的有 螺旋-环-螺旋 和 亮氨酸拉链 两种。,螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix，HLH） ： 结构： 在一个 40 - 50 个氨基酸残基的片段中有两个双亲- 螺旋，每个螺旋区为 15-16 个氨基酸长，其中含有几个保守残基。两个螺旋间用长短不等的联结区（环）联起来。 含有 HLH 基元的蛋白质用两个螺旋相应面上的疏水基团相互作用的方式形成二聚体发挥作用。,亮

28、氨酸拉链（leucine zipper） ： 在蛋白质的- 螺旋一侧集中了许多疏水氨基酸，一般约每 7 个氨基酸残基出现一个亮氨酸。 即 亮氨酸都出现在- 螺旋 的疏水一侧，呈直线排列。当 蛋白质-蛋白质 相互作用时两个- 螺旋的亮氨酸残基是肩并肩地排列起来有如拉链，因而称为亮氨酸拉链。,增强子与转座子： 真核转录中除调控蛋白外，在 DNA 上还有一些序列对转录有显著的影响。 最突出的是增强子（enhancer）。此外， 基因中还发现有转座子。,增强子（enhancer）示意图,转座子： 另外一类有特定结构的 DNA 顺序，这些顺序不断地改变它们在细胞基因组内的位置，或从一个基因组移动到另一个基因组上，它起着多方面的基因表达调控作用，称为可转座的遗传因子（transposable genetic elements）或简称转座子。,