基因表達的調(diào)控上海第二醫(yī)科大學檢驗系醫(yī)學分子生物學臨床生物化學與

1、基因表達的調(diào)控上海第二醫(yī)科大學檢驗系醫(yī)學分子生物學臨床生物化學與生物化學檢驗倪培華 第一節(jié) 原核生物基因表達的調(diào)控 使單個原核細胞能夠根據(jù)外界環(huán)境因素變化調(diào)整本身記憶內(nèi)表達，使其生長和繁殖處于較佳狀態(tài)。 調(diào)控環(huán)節(jié) 轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄終止 mRNA快速轉(zhuǎn)換 最關鍵的環(huán)節(jié)是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控。一、轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控 與操縱子有關的負調(diào)控模式、正調(diào)控模式等。操縱子： 指一些成簇排列、相互協(xié)同的基因所組成的單位，也稱基因表達的協(xié)同單位。一大腸桿菌的乳糖操縱子lac operon)1. Lac操縱子結(jié)構 Z基因-半乳糖苷酶 結(jié)構基因 Y基因-半乳糖苷透通酶 A基因-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；?調(diào)控元件： 啟動子P (pro

2、moter) 調(diào)控基因： 操縱基因O (operator) I基因： 編碼Lac阻遏物不屬于操縱子2.誘導劑1乳糖能誘導大量的半乳糖苷酶產(chǎn)生， 由于Z、Y、A以多順反子形式存在，即 三種基因被轉(zhuǎn)錄到同一條mRNA上，故 乳糖能同時等量地誘導三種酶的合成。 半乳糖苷酶 通透酶：乳糖透過細菌壁 半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；福鹤饔貌磺?體內(nèi)生理誘導劑 1，6-別乳糖3體外誘導劑 異丙基硫代半乳糖苷IPTG3.Lac阻遏物的作用1結(jié)構： 四級結(jié)構，4個亞基相同，都有一個與誘導劑結(jié)合的位點。2無誘導劑 阻遏物與操縱基因O結(jié)合，而阻礙結(jié)構基因的轉(zhuǎn)錄。3有誘導劑 誘導劑與阻遏物結(jié)合后，阻遏物的構象發(fā)生變化，導致阻遏物

3、從操縱基因O上解離下來，RNA聚合酶不再受阻礙，能轉(zhuǎn)錄結(jié)構基因Z、Y、A。4.乳糖操縱子的復合調(diào)控1乳糖阻遏蛋白參與負調(diào)控2環(huán)化AMP受體蛋白CAP參與下的正調(diào)控分解物阻遏作用： E.coli在含有葡萄糖的培養(yǎng)基生長時，一些分解代謝酶半乳糖苷酶等的水平很低，這種葡萄糖對其他酶的抑制效應稱為分解物阻遏作用。與cAMP有關。當細菌處于缺乏葡萄糖的培養(yǎng)環(huán)境中，cAMP濃度升高，而在含有葡萄糖、半乳糖的培養(yǎng)環(huán)境中參加cAMP，對乳糖代謝有關的基因的阻遏即被消除。cAMP通過和一種稱為分解物基因激活物蛋 白質(zhì)CAP形成cAMP-CAP復合物。cAMP-CAP復合物與乳糖操縱子的調(diào)控元件 結(jié)合后，促發(fā)結(jié)構

4、基因的轉(zhuǎn)錄，因此CAP 是一種轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控物。cAMP-CAP對轉(zhuǎn)錄的激活可能是通過直接與 RNA聚合酶作用，或其與啟動子的結(jié)合來 改變啟動子的構象，易于形成開放的RNA 聚合酶起始復合物5.乳糖操縱子基因開關的雙調(diào)控 1當培養(yǎng)基中葡萄糖+、乳糖- 由于乳糖阻遇蛋白負調(diào)控蛋白同操作區(qū)結(jié)合，CAP從其結(jié)合位點解離下來，導致乳糖操縱子關閉。2當培養(yǎng)基中葡萄糖-乳糖- 雖然CAP同DNA上的CAP-結(jié)合位點結(jié)合，但由于乳糖阻遇蛋白同操作區(qū)的結(jié)合，阻斷了RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合，使乳糖操縱子依然關閉。3當培養(yǎng)基中葡萄糖+、乳糖+ 葡萄糖的存在使細胞中cAMP濃度降低，處于低水平，CAP不與操縱基

5、因結(jié)合，結(jié)構基因可能有少量表達。4當培養(yǎng)基中葡萄糖-乳糖+ 阻遏物不與操縱基因結(jié)合，cAMP處于高水平，cAMP-CAP與操縱基因結(jié)合，結(jié)構基因表達。二大腸桿菌的色氨酸操縱子trp operon)1.色氨酸操縱子結(jié)構1結(jié)構基因 E D 編碼5種酶，在催化分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)?C B L-色氨酸的過程中發(fā)揮作用 A L 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是先導mRNA 2調(diào)控元件 啟動子P 操縱基因O2.色氨酸操縱子表達的調(diào)控 阻遏物對色氨酸操縱子的負調(diào)控 衰減作用對色氨酸操縱子的調(diào)控(1)阻遏物對色氨酸操縱子的負調(diào)控阻遏物:同二聚體蛋白質(zhì)阻遏物本身不能與操縱基因O結(jié)合，必須和色氨酸結(jié)合才能與O結(jié)合，而阻遏結(jié)構基因的表達色氨酸是

6、一種共阻遏物阻遏物2.衰減作用對色氨酸操縱子的調(diào)控1衰減子位于L基因中，離E基因5端約30-60bp。衰減子2在無或低色氨酸環(huán)境中培養(yǎng)時，能轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生具有6720bp個核苷酸的全長多順反子mRNA，包括L基因和結(jié)構基因。3色氨酸濃度增高時，上述多順反子mRNA合成減少，但L基因5端局部的140個核苷酸的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物并沒有減少，稱為衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。4此現(xiàn)象是由衰減子造成的，而不是阻遏物-共阻遏物的作用所致。衰減子二、真核基因表達的調(diào)控特征：1轉(zhuǎn)錄的激活與被轉(zhuǎn)錄區(qū)域的染色質(zhì)結(jié)構 變化有關 2基因表達以正調(diào)控為主 3轉(zhuǎn)錄和翻譯在不同的亞細胞區(qū)域進行。 轉(zhuǎn)錄:細胞核內(nèi)進行， 翻譯:細胞質(zhì)進行。調(diào)控環(huán)節(jié)1.轉(zhuǎn)

7、錄前調(diào)控2.轉(zhuǎn)錄調(diào)控3.轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控也就是初級轉(zhuǎn)錄物的剪接 或加工4.翻譯水平的調(diào)控5.翻譯后調(diào)控6.蛋白活性控制一轉(zhuǎn)錄前的表達調(diào)控1.定義：指發(fā)生在基因組水平上的基因結(jié)構的改變。 主要見于機體發(fā)育過程中的體細胞分化2.調(diào)控方式基因喪失 體細胞分化過程中，必須將某些基因永久性關閉。基因擴增 當發(fā)育分化或環(huán)境條件的改變，使對某些基因產(chǎn)物的需要量劇增，而單純靠調(diào)節(jié)其表達活性缺乏以滿足需要時，基因擴增是一有效方法。擴增的機制： 基因反復復制， 姐妹染色體單體不均等交換， 從其他死細胞中攝取DNA而占為己用。基因重排 指某些基因片段改變原來存在的順序而重新排列組合。重排方式： 類似于mRNA加工的剪切

8、 轉(zhuǎn)座子方式 染色體轉(zhuǎn)位方式 外源基因序列的插入激活甲基化修飾 在脊椎動物中，DNA上特定的CpG序列處的C可發(fā)生甲基化修飾，從而阻止某些基因的轉(zhuǎn)錄。染色質(zhì)結(jié)構對基因表達的調(diào)控作用二.真核基因表達在轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控 RNA 聚合酶 順式調(diào)控元件 反式作用因子1、RNA聚合酶 存在 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA聚合酶I 核仁 rRNA RNA聚合酶II 核質(zhì) mRNARNA聚合酶III 核質(zhì) 5SrRNA、tRNA2、順式作用元件 1啟動子1定義： 是與基因轉(zhuǎn)錄啟動有關的核酸序列，位于基因轉(zhuǎn)錄起始位點5端，只能在近距離起作用，有方向性，空間位置較恒定。2類型Goldberg-Hogness盒Hogness盒，

9、TATA盒 離轉(zhuǎn)錄點較近，決定了基因轉(zhuǎn)錄的精確起始上游啟動子元件：CAAT盒、GC盒 位于較上游的元件，決定基因的根底轉(zhuǎn)錄效率組織特異性啟動子誘導性啟動子2增強子1定義： 是一類能促進基因轉(zhuǎn)錄活性的順式調(diào)控元件，但它本身不具備啟動子的活性。2特點： 無方向性，距靶基因可近可遠，無基因特異性組織特異性，相位性3反響元件1定義： 當真核細胞處于某一特定環(huán)境時，有反響的基因具有相同的順式作用元件，這類順式元件稱為反響元件。2特點： 具較短的保守序列 與轉(zhuǎn)錄起始點的距離不固定 可位于啟動子或增強子內(nèi)3、反式作用元件反式因子、轉(zhuǎn)錄因子1定義： 是一類在細胞核內(nèi)發(fā)揮作用的蛋白質(zhì)因子。2特點：1識別啟動子，

10、啟動子近側(cè)元件和增強子 中的靶序列，并與之結(jié)合，啟動轉(zhuǎn)錄 例 轉(zhuǎn)錄因子TFIID 識別結(jié)合TATA盒 轉(zhuǎn)錄因子SP1 識別結(jié)合GC盒 轉(zhuǎn)錄因子CTF1 識別結(jié)合CAAT盒2反式因子有兩個必需的結(jié)構域 與順式元件結(jié)合的結(jié)構域 激活結(jié)構域3反式作用因子結(jié)構的模式1螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋 7-9AA 7-9AA 其中一個為識別螺旋，含有較多能與DNA相互作用的AA殘基，進入DNA雙螺旋的大溝中。2鋅指 約有30個AA殘基，其中4個AA殘基可以是2個Cys，2個His或4個均是Cys與Zn2+以配位鍵相互作用，形成，與DNA雙螺旋大溝結(jié)合。特點： 存在于多種真核轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合的區(qū)域中

11、，并具多個鋅指結(jié)構。3亮氨酸拉鏈a.概念 一段肽鏈中每隔7個氨基酸即有一個Leu，該肽段所形成的螺旋就可出現(xiàn)疏水及親水二個平面，由Leu組成的疏水面即為亮氨酸拉鏈。b.特點 二個具亮氨酸拉鏈的反式因子可形成二聚體同二聚體、異二聚體 亮氨酸拉鏈不直接與DNA相互作用，拉鏈區(qū)以外結(jié)構參與DNA結(jié)合4螺旋-環(huán)-螺旋 二個螺旋-環(huán)-螺旋能形成二聚體有利于其與DNA結(jié)合。4.真核基因轉(zhuǎn)錄的蛋白因子：1通用轉(zhuǎn)錄因子:對于準確轉(zhuǎn)錄起始所必需的。包括： TFIIA、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF、TFIIH及TFIIJ等。特點： 通用轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶II在啟動子處所形成的轉(zhuǎn)錄起始復合體，

12、起在離體條件下可表現(xiàn)出根底的轉(zhuǎn)錄活性。2啟動子特異性轉(zhuǎn)錄激活蛋白組成：a.識別特定DNA序列的DNA結(jié)構域。 b.對于轉(zhuǎn)錄所需要的激活結(jié)構域特點： 通過與處在啟動子附近或遠離啟動子的DNA分子上的調(diào)控區(qū)增強子相結(jié)合，作用于轉(zhuǎn)錄起始復合體組裝過程，從而大大促進并增加轉(zhuǎn)錄速率。3輔助激活蛋白因子coactivators) 是某些激活蛋白表現(xiàn)功能所必需的，是轉(zhuǎn)錄激活因子進行轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用的中介，所以又稱中介子或銜接轉(zhuǎn)換因子。5.真核基因轉(zhuǎn)錄起始復合體的分部組裝 真核細胞中的RNA聚合酶II不能單獨起始RNA轉(zhuǎn)錄，必須有通用轉(zhuǎn)錄因子的參加。組裝步驟：(1)TFIID特異地同TATA盒序列結(jié)合。(2)TF

13、IIA、TFIIB接著進入復合體。(3)RNA聚合酶II在TFIIF參與下參加復合體。(4)TFIIE、TFIIH參加，形成轉(zhuǎn)錄起始復合體。(5)在ATP存在下，TFIIH將RNA聚合酶磷酸化， 從而使RNA聚合酶從通用轉(zhuǎn)錄因子復合體釋 放出來，起始轉(zhuǎn)錄。6.真核基因轉(zhuǎn)錄起始的RNA聚合酶II全酶模型RNA polymerase II holoengyme)1RNA聚合酶II全酶組成： RNA聚合酶II、TFIIF、TFIIB、TFIIH和RNA聚合酶II抑制因子的蛋白SRB。2特點：全酶在不存在DNA的情況下具有高度穩(wěn)定性，當補充TBP和TFIIE時能有效地、選擇性地起始轉(zhuǎn)錄3組裝成轉(zhuǎn)錄起始

14、復合體的模型過程a.TEIID包括TBP和TAFs同啟動子結(jié)合。聚合酶II全酶再與TFIID結(jié)合形成起始復合體。 激活蛋白TFIIDTBPTAFspolIIRNA聚合酶 II全酶SRBsTFIIFTFIIBTFIIE以RNA聚合酶II全酶為單位組裝成的RNA轉(zhuǎn)錄起始復合體7.真核基因調(diào)控蛋白如何發(fā)揮作用1作用機制 通用轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶II，在啟動子處組裝成轉(zhuǎn)錄起始復合體。不同的基因調(diào)控蛋白結(jié)合到各自的基因調(diào)控序列上，而轉(zhuǎn)錄起始的速率就是通過這些調(diào)控蛋白與通用轉(zhuǎn)錄起始復合體相互作用而得以調(diào)控。2細胞外的刺激是如何作用于轉(zhuǎn)錄因子蛋白偶聯(lián)受體的信號轉(zhuǎn)導途徑b.配體激活的核受體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄激活途徑

15、三基因表達在其他水平上的調(diào)控1.轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控 真核基因轉(zhuǎn)錄后，必須經(jīng)過一系列的加工過程才能成為成熟的mRN。1戴“帽capping) mRNA轉(zhuǎn)錄不久即在其5端加上m7GPPPN 的帽子。作用： 防止降解，延長壽命 與核糖小亞基結(jié)合 為翻譯起始因子識別2加尾tailing) 真核生物的mRNA均有一polyA序列。加尾信號是AAUAAA，由核酸內(nèi)切酶切開RNA 3末端，然后加上polyA。polyA功能： 為mRNA進入細胞質(zhì)所必需 保持mRNA穩(wěn)定性，延長壽命AAUAAAAAA533甲基化修飾 主要是形成6-甲基腺嘌呤6mA)。4拼接 將hnRNA核不均-RNA中的內(nèi)含子序列切除外顯子局部連

16、接起來，稱為RNA拼接。某些基因有多個加polyA位點，通過不同 拼接產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)。有些基因有多種轉(zhuǎn)錄起始位點，通過不 同的拼接產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)。外顯子的不同拼接(5)polyA尾對mRNA穩(wěn)定性及翻譯效率有調(diào)控作用。 polyA對mRNA具有轉(zhuǎn)運和穩(wěn)定性作用。(6)mRNA/蛋白質(zhì)相互作用與翻譯水平的調(diào)控 某些mRNA分子的翻譯能被結(jié)合到mRNA5端特定的翻譯阻遏蛋白所阻斷，此類型的調(diào)控機制稱為負翻譯調(diào)控2.翻譯水平的調(diào)控 蛋白質(zhì)的翻譯不僅與其mRNA編碼序列有關，并受5和3端的非編碼區(qū)5UTR和3UTR結(jié)構的控制1AUG 真核mRNA中，作為翻譯水平起始位點的AUG密碼子的選擇，主要由AUG密碼子同mRNA分子的5端帽子結(jié)構的接近程度而決定。 5帽子是小核糖體亞基與mRNA結(jié)合并開始查尋起始AUG密碼子的位點。在真核mRNA中起始密碼子