基因表達(dá)調(diào)控原理

1、.,第13章,基因表達(dá)調(diào)控 Regulation of Gene Expression,.,第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念,Basic Conceptions of Gene Expression Regulation,.,一、基因表達(dá)是指基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程,基因組(genome) 來自一個(gè)生物體的一整套遺傳物質(zhì)。,是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，即：生成具有生物學(xué)功能產(chǎn)物的過程。,基因表達(dá)(gene expression),基因表達(dá)是受調(diào)控的。,.,二、基因表達(dá)具有時(shí)間特異性和空間特異性,（一）時(shí)間特異性,.,（二）空間特異性,基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決

2、定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cell or tissue specificity)。,在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性(spatial specificity)。,.,三、基因表達(dá)的方式及調(diào)節(jié)存在很大差異,按對刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：,基本（或組成性）表達(dá) 誘導(dǎo)或阻遏表達(dá),.,（一）基本（或組成性）表達(dá),某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因(housekeeping gene)。,無論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小

3、。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutive gene expression)。,.,（二）有些基因的表達(dá)受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)和阻遏,在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因(inducible gene)。,可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程，稱為誘導(dǎo)(induction)。,如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressible gene)。可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。,.,在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，

4、即為協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinate expression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinate regulation)。,.,四、基因表達(dá)調(diào)控為生物體生長、發(fā)育所必需,（一）以適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖,生物體所處的內(nèi)、外環(huán)境是在不斷變化的。通過一定的程序調(diào)控基因的表達(dá)，可使生物體表達(dá)出合適的蛋白質(zhì)分子，以便更好地適應(yīng)環(huán)境，維持其生長和增殖。,.,（二）以維持細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育,在多細(xì)胞個(gè)體生長、發(fā)育的不同階段，或同一生長發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白質(zhì)分子分布、種類和含量存在很大差異，這些差異是調(diào)節(jié)細(xì)胞表型的關(guān)鍵。,.,第二節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本原理,Basic Principles of

5、 Gene Expression Regulation,.,一、基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性,基因表達(dá)的多級調(diào)控,基因激活 拷貝數(shù) 重排 甲基化程度,轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工 mRNA降解,蛋白質(zhì)翻譯 翻譯后加工修飾 蛋白質(zhì)降解等,轉(zhuǎn)錄起始,.,二、基因轉(zhuǎn)錄激活受到轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白與啟動(dòng)子相互作用的調(diào)節(jié),基因表達(dá)的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個(gè)體或細(xì)胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細(xì)胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白有關(guān)。,（一）特異DNA序列決定基因的轉(zhuǎn)錄活性 （二）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白可以增強(qiáng)或抑制轉(zhuǎn)錄活性,.,原核生物, 操縱子(operon) 機(jī)制,.,圖13-1 五種E.coli啟動(dòng)序列的共有序列,.,共有序列(c

6、onsensus sequence) 決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。,某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識別和結(jié)合能力。,.,2、操縱序列 阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點(diǎn),當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng) ，阻礙轉(zhuǎn)錄。,.,3、其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白,例如：,激活蛋白(activator)可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性。,有些基因在沒有激活蛋白存在時(shí)，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動(dòng)序列。,.,真核生物,圖13-2 順式作用元件,

7、.,不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。,.,2、真核基因的調(diào)節(jié)蛋白,還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達(dá)，稱順式作用。,由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達(dá)。這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用。,反式作用因子(trans-acting factor),反式調(diào)節(jié),順式調(diào)節(jié),圖13-3 反式與順式作用蛋白,.,指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結(jié)合。通常是非共價(jià)結(jié)合，被識別的DNA結(jié)合位點(diǎn)通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)。

8、,絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合DNA前，需通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)。,（三）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白通過與DNA或與蛋白質(zhì)相互作用對轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行調(diào)節(jié),.,（四）RNA聚合酶與基因的啟動(dòng)序列/啟動(dòng)子相結(jié)合,1、原核啟動(dòng)序列/真核啟動(dòng)子與RNA聚合酶活性,RNA聚合酶與其的親和力，影響轉(zhuǎn)錄。,2、調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性,一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號刺激下表達(dá)，然后通過DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性。,.,第三節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)節(jié),Regulation of Gene Expression in Prokaryote,.,調(diào)節(jié)的主

9、要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始。,一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn),（一）因子決定RNA聚合酶識別特異性,在轉(zhuǎn)錄起始階段，因子識別特異啟動(dòng)序列；不同的因子決定特異基因的轉(zhuǎn)錄激活，決定mRNA、rRNA和tRNA基因的轉(zhuǎn)錄。,.,（二）操縱子模型的普遍性,原核生物絕大多數(shù)基因按功能相關(guān)性成簇地串聯(lián)、密集于染色體上，共同組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位操縱子（operon）。一個(gè)操縱子只含一個(gè)啟動(dòng)序列（promoter）及數(shù)個(gè)可轉(zhuǎn)錄的編碼基因。通常，這些編碼基因可轉(zhuǎn)錄出多順反子mRNA。原核基因的協(xié)調(diào)表達(dá)就是通過調(diào)控單個(gè)啟動(dòng)基因的活性來完成的。,.,（三）原核操縱子受到阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié),原核基因調(diào)控普遍涉及特異阻遏蛋白參與的開、關(guān)調(diào)

10、節(jié)機(jī)制。 當(dāng)阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合或解聚時(shí)，就會發(fā)生特異基因的阻遏或去阻遏。,.,二、操縱子調(diào)控模式在原核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)中具有普遍性,（一）乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu),.,沒有乳糖存在時(shí),（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié),1、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié),.,有乳糖存在時(shí),圖13-4 lac 操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié),.,無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí),有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí),2、CAP的正性調(diào)節(jié),.,3、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié),當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。,如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。,單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；

11、若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對 lac 操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolic repression)。,.,低半乳糖時(shí),高半乳糖時(shí),葡萄糖低 cAMP濃度高,葡萄糖高cAMP濃度低,.,圖13-5CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)（新圖）,.,三、原核生物具有不同的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)機(jī)制,（一）不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止,（二）依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止,常見于噬菌體中，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不清楚。,兩段富含GC的反向重復(fù)序列，中間間隔若干核苷酸； 下游含一系列T序列。,終止子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：,.,四、原核生物在翻譯水平受到多個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié),（一）蛋白質(zhì)

12、分子結(jié)合于啟動(dòng)序列或啟動(dòng)序列周圍進(jìn)行自我調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合mRNA靶位點(diǎn)，阻止核蛋白體識別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。 調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，稱自我控制(autogenous control)。,.,（二）反義RNA結(jié)合mRNA翻譯起始部位的互補(bǔ)序列對翻譯進(jìn)行調(diào)節(jié),可調(diào)節(jié)基因表達(dá)的RNA稱為調(diào)節(jié)RNA。 細(xì)菌中含有與特定mRNA翻譯起始部位互補(bǔ)的RNA，通過與mRNA雜交阻斷30S小亞基對起始密碼子的識別及與SD序列的結(jié)合，抑制翻譯起始。這種調(diào)節(jié)稱為反義控制(antisense control)。,.,第四節(jié) 真核基因表達(dá)調(diào)節(jié),Regulation of Gene Ex

13、pression in Eukaryote,.,一、真核基因組具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大,哺乳類動(dòng)物基因組DNA 約 3109堿基對。,人編碼基因約4萬個(gè)，編碼序列僅占總長的1%。,rDNA等重復(fù)基因約占5%10%。,.,（二）真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子,單順反子(monocistron) 即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。,（三）真核基因組含有大量的重復(fù)序列,.,真核結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)存在有不被轉(zhuǎn)錄的非編碼序列，往往是基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)。在編碼基因內(nèi)部尚有內(nèi)含子（intron）、外顯子（exon）之分，因此真核基因是不連續(xù)的。,（四）真核基因中存在非編碼

14、序列和間隔區(qū)，故：具有不連續(xù)性,.,二、真核基因表達(dá)調(diào)控更為復(fù)雜,（一）真核細(xì)胞內(nèi)含有多種RNA聚合酶,真核RNA聚合酶有三種，即RNA pol I、II及 III，分別負(fù)責(zé)三種RNA轉(zhuǎn)錄。,.,（二）處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,對核酸酶敏感,DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化,天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在；基因活化后:,活化基因常有超敏位點(diǎn)，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)附近。,.,DNA堿基的甲基化修飾變化,組蛋白變化,富含Lys組蛋白水平降低 H2AH2B二聚體不穩(wěn)定性增加 組蛋白H3、H4發(fā)生乙酰化、甲基化或磷酸化修飾,.,圖13-6 組蛋白結(jié)構(gòu)及其化學(xué)修飾 A. 組蛋白與DNA組成的核小

15、體；B. 組蛋白的氨基端伸出核小體，形成組蛋白尾巴；C. 四種組蛋白組成的八聚體,.,組蛋白修飾對于基因表達(dá)影響的機(jī)制也包括兩種相互包容的理論。即：組蛋白的修飾直接影響染色質(zhì)或核小體的結(jié)構(gòu)，以及化學(xué)修飾征集了其他調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，為其他功能分子與組蛋白結(jié)合搭建了一個(gè)平臺。這些理論構(gòu)成了“組蛋白密碼”的假說。,.,組蛋白修飾對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的影響,.,（三）在真核基因表達(dá)調(diào)控中以正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo),采用正性調(diào)節(jié)機(jī)制更精確：一個(gè)負(fù)性調(diào)節(jié)元件的結(jié)合足可阻斷RNA聚合酶的結(jié)合，因此同時(shí)采用幾個(gè)負(fù)性調(diào)節(jié)元件一般不會改變特異性；相反，如果采用多種正性調(diào)節(jié)元件、正性調(diào)節(jié)蛋白可提高基因表達(dá)調(diào)節(jié)的特異性和精確

16、性。 采用負(fù)性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟(jì)：在正性調(diào)節(jié)中，大多數(shù)基因不結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白，所以是沒有活性的；只要細(xì)胞表達(dá)一組激活蛋白時(shí)，相關(guān)靶基因即可被激活。,.,（四）在真核細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行,（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工更為復(fù)雜,真核細(xì)胞有細(xì)胞核及胞漿等區(qū)間分布，轉(zhuǎn)錄與翻譯在不同細(xì)胞部位進(jìn)行，轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核，翻譯在細(xì)胞漿。因此，轉(zhuǎn)錄與翻譯產(chǎn)物的分布、定位等環(huán)節(jié)均可以被調(diào)控。,.,三、RNA Pol I和Pol III轉(zhuǎn)錄體系的調(diào)節(jié)相對簡單,（一）RNA Pol I轉(zhuǎn)錄體系,RNA Pol I的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物只有rRNA前體，經(jīng)剪接修飾生成除5S rRNA外的各種rRNA。 啟動(dòng)子元件包括：核心元件(core elemen

17、t)或核心啟動(dòng)子(core promoter)和上游控制元件(upstream control element, UCE)。,.,（二）RNA Pol III轉(zhuǎn)錄體系,RNA Pol III的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物：多種小分子RNA，包括tRNA、5S rRNA和一部分小核RNA。 啟動(dòng)子位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)下游，稱內(nèi)部控制區(qū)(internal control regions, ICR)。,.,（一）真核基因順式作用元件影響基因轉(zhuǎn)錄活性,啟動(dòng)子,真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件。,四、RNA Pol II轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)非常復(fù)雜,.,圖13-7

18、 真核基因啟動(dòng)子的典型結(jié)構(gòu),.,增強(qiáng)子(enhancer),指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、空間特異性、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關(guān)。,沉默子(silencer),某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。,.,（二）反式作用因子是真核細(xì)胞中重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白,轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）,基本轉(zhuǎn)錄因子(general transcription factors),是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。,.,特異轉(zhuǎn)錄因子(special transcript

19、ion factors),為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)。,轉(zhuǎn)錄激活因子,轉(zhuǎn)錄抑制因子,.,轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu),.,最常見的DNA結(jié)合域：,鋅指(zinc finger),C Cys H His,常結(jié)合GC盒,.,Zn,Cys,His,圖13-8 鋅指結(jié)構(gòu),.,a-螺旋,常結(jié)合CAAT盒,堿性螺旋-環(huán)-螺旋 堿性亮氨酸拉鏈,.,（三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活需要轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成,真核RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。,圖13-9 轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成,.,五、RNA Pol II轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)節(jié)機(jī)制尚不清楚,（一）HIV基因組轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié),（二）熱休克蛋白基因的

20、轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié),病毒蛋白Tat與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物5端特異RNA序列結(jié)合，并與宿主蛋白質(zhì)、RNA Pol II相互作用，阻止HIV基因組轉(zhuǎn)錄的提早終止。,在應(yīng)激條件下暫時(shí)性停止大多數(shù)基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯，啟動(dòng)一套能夠提高細(xì)胞生存能力的蛋白質(zhì)即熱休克蛋白(heat shock protein)的表達(dá)。,.,六、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)也是基因表達(dá)調(diào)控的重要環(huán)節(jié),（一）hnRNA加工成熟的調(diào)節(jié),（二）mRNA運(yùn)輸、胞漿內(nèi)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié),加工過程包括加帽、加尾、剪接、堿基修飾和編輯等。,通過與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白體復(fù)合物(ribonucleoprotein, RNP)進(jìn)行。,.,七、基因表達(dá)在翻譯水平以及翻譯后階段仍然可以受

21、到調(diào)節(jié),（一）對翻譯起始因子活性的調(diào)節(jié)主要通過磷酸化修飾進(jìn)行,蛋白質(zhì)合成速率的快速變化在很大程度上取決于起始水平，通過磷酸化調(diào)節(jié)翻譯起始因子（eukaryotic initiation factor, eIF）的活性對起始階段有重要的控制作用。,.,（二）RNA結(jié)合蛋白參與了對翻譯起始的調(diào)節(jié),RNA結(jié)合蛋白（RNA binding protein, RBP），是指那些能夠與RNA特異序列結(jié)合的蛋白質(zhì)。 基因表達(dá)的許多調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)都有RBP的參與，如前述轉(zhuǎn)錄終止、RNA剪接、RNA轉(zhuǎn)運(yùn)、RNA胞漿內(nèi)穩(wěn)定性控制以及翻譯起始等。,.,（三）對翻譯產(chǎn)物水平及活性的調(diào)節(jié)可以快速調(diào)控基因表達(dá),新合成蛋白質(zhì)的半衰期長短是決定蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的重要影響因素。因此，通過對新生肽鏈的水解和運(yùn)輸，可以控制蛋