第16章基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpression

1、第16章基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpression 本章主要內(nèi)容 基本概念與原理 原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控 真核生物基因表達調(diào)控2第一節(jié) 基因表達調(diào)控基本概念與原理 一、 基因表達的概念 二、 基因表達的特異性 三、 基因表達的方式 四、 基因表達調(diào)控的生物學意義 五、 基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的基本要素 3一、基因表達的概念 基因表達 是指生物體基因組種結(jié)構基因所攜帶的遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄及翻譯等一系列過程，合成特定的蛋白質(zhì)，進而發(fā)揮其特定生物學功能的全過程。 基因表達產(chǎn)物 各種RNA(tRNA、mRNA和rRNA)以及蛋白質(zhì)、多肽。 4二、基因表達的特異性 （一）時間特異性 往往與細

2、胞或個體的特定分化、發(fā)育階段相適應，又稱階段特異性。（二）空間特異性 由細胞在各組織器官的分布差異所決定的，故又稱為細胞特異性或組織特異性。5三、基因表達的方式 （一）組成性表達 管家基因 在生命全過程都是必需的、且在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因。 組成性基因表達 管家基因較少受環(huán)境因素的影響，在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細胞中持續(xù)表達。6（二）誘導和阻遏表達誘導表達 在特定環(huán)境信號刺激下，基因表現(xiàn)為開放或增強，表達產(chǎn)物增加。阻遏表達 在特定環(huán)境信號刺激下，基因被抑制，從而使表達產(chǎn)物減少。7（三）協(xié)調(diào)表達 協(xié)調(diào)表達 在一定機制控制下，功能相關的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達。8

3、四、基因表達調(diào)控的生物學意義（一）適應環(huán)境變化、維持細胞增殖、分化（二）維持個體生長、發(fā)育 9五、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素 （一） 特異DNA序列 （二） 調(diào)節(jié)蛋白 （三） RNA聚合酶10 原核生物的特異DNA序列 原核生物的基因表達與調(diào)控是通過操縱子機制實現(xiàn)的。 操縱子 是由功能上相關聯(lián)的多個編碼序列（2個以上）及其上游的調(diào)控序列（包括操縱序列、啟動序列和調(diào)節(jié)序列）等成簇串聯(lián)在一起，構成的一個轉(zhuǎn)錄協(xié)調(diào)單位。 （一）特異DNA序列11 操縱子調(diào)節(jié)序列 啟動序列 操縱序列 編碼序列 表達 轉(zhuǎn)錄ICAPPOZYA阻遏蛋白結(jié)合部位RNA聚合酶結(jié)合部位 編碼序列 規(guī)定蛋白質(zhì)結(jié)構，又稱結(jié)構基因；多順反

4、子mRNA 由多個結(jié)構基因串聯(lián)在一起，受同一個啟動序列調(diào)控，轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA, 翻譯生成多個蛋白質(zhì),稱此為多順反子mRNA.多順反子mRNA阻遏蛋白12 原核生物的共有序列 原核生物的啟動序列，在距離轉(zhuǎn)錄起始點10區(qū)和35區(qū)往往含有一些重要的保守序列（共有序列）。 10區(qū)：含TATAAT序列，又稱Pribnow盒。 35區(qū)：含TTGACA序列。RNA聚合酶結(jié)合部位 決定轉(zhuǎn)錄起始點13真核生物的特異DNA序列 真核生物基因組中含有可以調(diào)控自身基因表達活性的特異DNA序列，稱為順式作用元件。 順式作用元件能夠被轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白特異識別和結(jié)合，從而影響基因表達活性。 啟動子 順式作用元件又分 增強子

5、 沉默子14 （1）啟動子 是RNA聚合酶結(jié)合位點及其周圍的一組轉(zhuǎn)錄調(diào)控組件（包括轉(zhuǎn)錄起始點以及典型的TATA盒）。 （2）增強子 是增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列，并決定組織特異性表達。 （3）沉默子 能夠?qū)蜣D(zhuǎn)錄起阻遏作用的DNA片段，屬于負性調(diào)控元件。 1516（二）調(diào)節(jié)蛋白原核生物的調(diào)節(jié)蛋白（3類）特異因子 決定RNA聚合酶對啟動序列的特異識別和結(jié)合能力； (RNA聚合酶的因子)阻遏蛋白 通過與操縱序列結(jié)合，阻遏基因轉(zhuǎn)錄；（由調(diào)節(jié)基因表達的阻遏蛋白）激活蛋白 與啟動子上游DNA序列結(jié)合，促進RNA聚合酶與啟動序列 結(jié)合，促進基因轉(zhuǎn)錄。（CAP分解代謝物基因活化蛋白）17 2. 真核生

6、物的調(diào)節(jié)蛋白 反式作用因子 能直接或間接與順式作用元件相互作用，進而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的一類調(diào)節(jié)蛋白，統(tǒng)稱為反式作用因子。 按其功能不同，常有以下三類： （基本）轉(zhuǎn)錄因子 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子：DNA-蛋白質(zhì) 共調(diào)節(jié)因子：蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)1819（1）基本轉(zhuǎn)錄因子 是指能夠直接或間接與啟動子核心序列TATA盒特異結(jié)合、并啟動轉(zhuǎn)錄的一類調(diào)節(jié)蛋白。 （參與構成基礎轉(zhuǎn)錄裝置所需的一類通用轉(zhuǎn)錄因子） 真核生物 RNA聚合酶（ RNApol ）識別啟動子所需的轉(zhuǎn)錄因子（TF）有多種亞類： TFA，TFB，TFD，TFE，TFF，TF-I等。 其中TFD最先、最直接與啟動子TATA盒結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，然后按一定時空順序依次

7、結(jié)合RNApol 和其他轉(zhuǎn)錄因子，形成一個轉(zhuǎn)錄前起始復合物（PIC）。 20轉(zhuǎn)錄前起始復合體的組裝（PIC)轉(zhuǎn)錄前起始復合物（PIC）21(2) 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子 這類調(diào)經(jīng)蛋白能識別并結(jié)合轉(zhuǎn)錄起始點的上游激活序列和遠端的增強子元件，通過DNA蛋白質(zhì)相互作用而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性。 起激活轉(zhuǎn)錄作用轉(zhuǎn)錄激活因子； 阻遏轉(zhuǎn)錄作用轉(zhuǎn)錄阻遏因子。（3） 共調(diào)節(jié)因子 首先與轉(zhuǎn)錄因子或轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子發(fā)生蛋白蛋白相互作用，進而影響它們的分子構象，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性。 如果與轉(zhuǎn)錄激活因子有協(xié)同作用共激活因子； 與轉(zhuǎn)錄阻遏因子有協(xié)同作用共阻遏因子。22 反式作用因子的特殊功能域 DNA結(jié)合域；轉(zhuǎn)錄激活域；結(jié)合其他蛋白質(zhì)的功能域。

8、鋅指結(jié)構 亮氨酸拉鏈結(jié)構23 (三) RNA聚合酶 1. 啟動子與RNA聚合酶活性 啟動子核苷酸序列影響與RNA聚合酶的親和力。 2. 調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶的活性 調(diào)節(jié)蛋白通過DNA-蛋白質(zhì)相互作用、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA酶活性。24六、基因表達的多級調(diào)控 基因結(jié)構活化 轉(zhuǎn)錄水平 轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工 轉(zhuǎn)錄后水平 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運 翻譯調(diào)控 翻譯水平 翻譯后加工25 第二節(jié) 原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控一、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制控制區(qū)信息區(qū)結(jié)構基因(S)操縱序列（O）啟動序列（P）調(diào)節(jié)基因（I）CPA26 乳糖操縱子結(jié)構基因表達產(chǎn)物27（一）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)作用I阻遏蛋白 無乳糖存在時，結(jié)構基

9、因受阻遏28 有乳糖存在時，結(jié)構基因表達292CAPCAP位點-G, -Lac 阻遏蛋白 操縱序列 -G, +LacRNA聚合酶無葡萄糖，無乳糖 無葡萄糖，有乳糖 有葡萄糖，無乳糖 有葡萄糖，有乳糖 啟動序列cAMPmRNA 5（二） CAP的正性調(diào)節(jié)作用 G, -Lac +G, +Lac30當培養(yǎng)基中乳糖濃度降低而葡萄糖濃度升高時 細胞中cAMP濃度降低 缺乏乳糖與阻遏蛋白結(jié)合 CAP失活 阻抑蛋白與操縱基因結(jié)合 CAP及RNA聚合酶不能與啟動基因結(jié)合 基因轉(zhuǎn)錄被阻遏 阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)31 當培養(yǎng)基中乳糖濃度升高而葡萄糖濃度降低時 細胞中cAMP濃度升高 乳糖作為誘導劑與阻抑蛋白結(jié)合 cA

10、MP與CRP結(jié)合并使之激合 促使阻抑蛋白與操縱基因分離 CRP與啟動基因結(jié)合并促使RNA聚合酶與啟動基因結(jié)合 基因轉(zhuǎn)錄激活 CAP的正性調(diào)節(jié)32二、色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)機制 色氨酸操縱子（trp operon）：阻遏型操縱子；主要參與調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。當細胞內(nèi)缺乏色氨酸時，此操縱子開放；而當細胞內(nèi)合成的色氨酸過多時，此操縱子被關閉。 33O 阻遏蛋白 （無活性） mRNAtrpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前導trpL衰減子 結(jié) 構 基 因 調(diào)控區(qū)二、色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)機制 色氨酸合成的酶蛋白34O 阻遏蛋白 mRNATrp trpRPtrpEtrpD

11、trpCtrpBtrpA前導序列（L）衰減子（結(jié)構基因關閉）調(diào)節(jié)區(qū) 在高濃度色氨酸存在下，通過形成特殊的“衰減子”結(jié)構，對轉(zhuǎn)錄進行更精細的調(diào)控。 色氨酸的負性調(diào)控作用 有活性35Trp操縱子的trpE基因5端“前導序列” 衰減子 結(jié)構 10、 1136前導肽核蛋白體衰減子結(jié)構RNA聚合酶5mRNATrp密碼子1234UUUU 3DNADNA前導肽51234Trp結(jié)構基因MKAIFVLKGMKAIFVLKGWWRTSRNA聚合酶 Trp操縱子的轉(zhuǎn)錄衰減機制37三、原核生物基因表達調(diào)控的特點 主要在轉(zhuǎn)錄水平進行調(diào)節(jié)1） 因子的特異啟動作用 2） 操縱子調(diào)控機制具有普遍性3） 結(jié)構基因進行多順反子轉(zhuǎn)

12、錄4） 阻遏蛋白阻遏轉(zhuǎn)錄具有普遍性38第三節(jié) 真核生物基因表達調(diào)控一、真核生物基因組特點 （一）基因組結(jié)構龐大 人類的單倍體基因組由 3X109 的核苷酸組成，含有大約2.6 3.9萬個基因。（二）形成染色體結(jié)構 真核生物的基因組是以DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體結(jié)構形式而存在于細胞核。39（三）單順反子 真核基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一般是單順反子 。 單順反子 一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，并指導翻譯一條多肽鏈。（四）重復序列 真核生物基因普遍存在重復序列。 根據(jù)重復頻率不同，分為以下3類： 高度重復序列 中度重復序列 單拷貝重復序列 反向重復序列（回文序列）401. 高度重復序列 重復數(shù)百萬次

13、，序列簡單序列，不到10bp;稱為衛(wèi)星DNA；2. 中度重復序列 重復上千次，序列由幾百個bp構成；3. 單拷貝序列 只出現(xiàn)1次或幾次。真核生物極大多數(shù)為單一基因；反向重復序列 是指在DNA鏈某些區(qū)域，出現(xiàn)反向排列的堿基序列。如： “CGTACC-/-CCATGC-”, 又稱“回文結(jié)構”。 41（五）斷裂基因 外顯子 具有實際編碼意義的結(jié)構基因序列；內(nèi)含子 不具有編碼意義的堿基序列 ，又稱插入序列。（六）大多數(shù)為非編碼區(qū)（95左右）42（一）DNA、染色體水平的變化特點二、真核基因表達調(diào)控的特點 1對核酸酶極度敏感432DNA拓樸結(jié)構變化 天然雙鏈DNA幾乎均以負性超螺旋構象存在。 當基因激活

14、后，則轉(zhuǎn)錄區(qū)前方的DNA拓樸結(jié)構變?yōu)檎猿菪?，有利于RNA聚合酶向前移動，進行轉(zhuǎn)錄。3. DNA甲基化 DNA甲基化程度與基因表達呈反比。4染色體結(jié)構的變化 組蛋白發(fā)生修飾，堿基暴露等原因而引起核小體結(jié)構改變，使核小體不穩(wěn)定性增加。44（二）RNA聚合酶、mRNA的轉(zhuǎn)錄激活及調(diào)節(jié) 真核生物有3種RNA聚合酶：RNA pol、。 每種RNA聚合酶有約10個亞基組成，其中TATA盒結(jié)合蛋白（TBP）為3種酶共有。 RNA pol對催化mRNA的生成起主要作用。轉(zhuǎn)錄前RNA pol必須與TBP、TFD等各種通用轉(zhuǎn)錄因子形成轉(zhuǎn)錄前復合體（PIC），從而激活或抑制RNA的轉(zhuǎn)錄。 45聚合酶轉(zhuǎn)錄前起始復合體的組裝46聚合酶轉(zhuǎn)錄起始復合體的組裝47（三）正性調(diào)節(jié)占主導 真核基