基因表達調控課件

1、Regulation of Gene Expression第十八章基因表達調控第一節(jié)基因表達與基因表達調控的基本概念與特點Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and its Regulation基因表達(gene expression):基因表達出蛋白質或RNA的過程，包括基因轉錄及翻譯基因（gene）: 能夠編碼蛋白質或RNA的核酸序列，包括基因的編碼序列（外顯子）和編碼區(qū)前后具有基因表達調控作用的序列和單個編碼序列間的間隔序列（內含子）二、基因表達具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性是指基因表達按一定的時間順序發(fā)生按

2、功能需要，某一特定基因的表達嚴格按一定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporal specificity)。 多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stage specificity)。（二）空間特異性是指多細胞生物個體在特定生長發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達不同 在個體生長、發(fā)育過程中，一種基因產物在個體的不同組織或器官表達，即在個體的不同空間出現(xiàn)，這就是基因表達的空間特異性(spatial specificity)?；虮磉_伴隨時間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實際上是由細胞在器官的分布所決定的，因此基因表達的空間特異性又稱細胞特異性(cell s

3、pecificity)或組織特異性(tissue specificity)。三、基因表達的方式存在多樣性基因表達調控（regulation of gene expression）就是指細胞或生物體在接受內外環(huán)境信號刺激時或適應環(huán)境變化的過程中在基因表達水平上做出應答的分子機制，即位于基因組內的基因如何被表達成為有功能的蛋白質（或RNA），在什么組織表達，什么時候表達，表達多少等。 按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：基本（或組成性）表達誘導或阻遏表達在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因。如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏基因。 指環(huán)境

4、的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。（二）有些基因的表達受到環(huán)境變化的誘導和阻遏四、基因表達調控受順式作用元件和反式作用因子共同調節(jié)一般說來，調節(jié)序列與被調控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，稱為順式作用元件(cis -acting element)。調節(jié)序列遠離被調控的編碼序列，實際上是其他分子的編碼基因，只能通過其表達產物來發(fā)揮作用，這些蛋白質分子稱為反式作用因子(trans-acting factor)。五、基因表達調控呈現(xiàn)多層次和復雜性首先，遺傳信息以基因的形式貯存于DNA中。其次，遺傳信息經(jīng)轉錄由DNA傳向RNA 過程中的許多環(huán)節(jié)。(最重要、最復雜)最后，蛋白質生物合成即翻譯與翻

5、譯后加工。DNA水平 基因丟失；基因擴增基因重排； 甲基化修飾；染色質的結構狀態(tài) RNA水平轉錄水平調控；RNA的轉錄后加工；mRNA從核內向胞漿轉運；mRNA穩(wěn)定性 蛋白質水平翻譯過程；翻譯后加工；蛋白質的穩(wěn)定性六、基因表達調控為生物體生長、發(fā)育的基礎（一）生物體調節(jié)基因表達以適應環(huán)境、維持生長和增殖生物體所處的內、外環(huán)境是在不斷變化的。通過一定的程序調控基因的表達，可使生物體表達出合適的蛋白質分子，以便更好地適應環(huán)境，維持其生長和增殖。 （二）生物體調節(jié)基因表達以維持細胞分化與個體發(fā)育在多細胞個體生長、發(fā)育的不同階段，或同一生長發(fā)育階段，不同組織器官內蛋白質分子分布、種類和含量存在很大差異

6、，這些差異是調節(jié)細胞表型的關鍵。 第二節(jié) 原核基因表達調控Regulation of Gene Expression in Prokaryote 原核生物基因組結構特點 基因組中很少有重復序列； 編碼蛋白質的結構基因為連續(xù)編碼，且多為單拷貝基因，但編碼rRNA的基因仍然是多拷貝基因； 結構基因在基因組中所占的比例（約占50%）遠遠大于真核基因組； 許多結構基因在基因組中以操縱子為單位排列原核生物基因組是具有超螺旋結構的閉合環(huán)狀DNA分子 特異DNA序列調節(jié)蛋白DNA蛋白質、蛋白質蛋白質相互作用RNA聚合酶基本要素基因轉錄激活調節(jié)與下列基本要素有關原核生物大多數(shù)基因表達調控是通過操縱子機制實現(xiàn)一

7、、操縱子是原核基因轉錄調控的基本單位 蛋白質因子特異DNA序列編碼序列 啟動子 操縱元件 其他調節(jié)基因(promoter)(operator)操縱子模型的普遍性多順反子(polycistron)：mRNA分子攜帶了幾個多肽鏈的編碼信息。啟動子是RNA聚合酶和各種調控蛋白作用的部位，是決定基因表達效率的關鍵元件。1) 啟動序列是RNA聚合酶識別、結合并啟動轉錄的一段DNA序列。圖18-1 5種E.coli啟動序列的共有序列各種原核基因啟動序列特定區(qū)域內，通常在轉錄起始點上游-10及-35區(qū)域存在一些相似序列，稱為共有序列。 E.coli及一些細菌啟動序列的共有序列在-10區(qū)域是TATAAT，在-

8、35區(qū)域為TTGACA 共有序列決定啟動序列的轉錄活性大小。 共有序列(consensus sequence) 決定啟動序列的轉錄活性大小。決定轉錄的方向及模板鏈決定轉錄的效率啟動序列（啟動子）的作用：2 操縱序列 阻遏蛋白(repressor)的結合位點當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移動 ，阻礙轉錄，介導負性調節(jié)。原核操縱子調節(jié)序列中還有一種特異DNA序列可結合激活蛋白，使轉錄激活，介導正性調節(jié)。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白3) 其他調節(jié)序列(catabolite gene activator protein, CA

9、P)結合位點和調節(jié)蛋白，激活蛋白(activator)可結合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結合，增強RNA聚合酶活性。有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結合啟動序列?；虮磉_有正調控和負調控調節(jié)原核生物基因表達的效應蛋白可分：阻遏蛋白-負調控因素 激活蛋白-正調控因素 調節(jié)蛋白調節(jié)基因（regulatory gene）編碼能夠與操縱序列結合的調控蛋白，可以分為三類：特異因子、阻遏蛋白激活蛋白。 決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異識別和結合能力。如因子（功能就是確保RNA聚合酶僅僅在共有序列才能以穩(wěn)定的方式結合DNA）。1）特異因子 亞基識別

10、DNA分子上RNA合成的起始信號。不同的因子可以競爭結合RNA核心酶。環(huán)境變化可誘導產生特定的因子，從而開啟特定的基因。阻遏基因轉錄,負性調節(jié)2）阻遏蛋白結合特異DNA序列操縱序列阻遏蛋白介導的負性調節(jié)機制在原核生物中普遍存在； 提高RNA聚合酶與啟動序列結合能力，增強RNA聚合酶活性。是一種正調控（positive regulation）。 3）激活蛋白結合啟動序列鄰近的DNA序列如:(CAP)就是一種激活蛋白。(catabolite gene activator protein, CAP)RNA聚合酶 DNA元件與調節(jié)蛋白對轉錄激活的調節(jié)，最終是由RNA聚合酶的活性體現(xiàn)的。影響RNA聚合酶

11、活性的因素：1、原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚合酶活性2、調節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性1、原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚合酶活性 原核啟動序列/真核啟動子是由轉錄起始點、RNA聚合酶結合位點及控制轉錄的調節(jié)組件組成。 原核啟動序列/真核啟動子會影響其與RNA聚合酶的親和力,而親和力大小則直接影響轉錄起始頻率。管家基因2、調節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性 一些特異調節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號刺激下在細胞內表達。 調節(jié)蛋白通過DNA-蛋白質相互作用、蛋白質-蛋白質相互作用影響RNA聚合酶活性 RNA聚合酶活性使基礎轉錄頻率發(fā)生改變，出現(xiàn)表達水平變化。誘導劑和阻遏劑等小分子信號所引起的基因表達都是通過使調

12、節(jié)蛋白分子構象改變，直接或間接調節(jié)RNA聚合酶轉錄啟動過程的。如熱休克反應Inhibitor genePS1S2S3啟動子結構基因1，2，3.O操縱基因PromoterOperator geneStructure gene調控區(qū)結構基因 操縱子表達阻遏蛋白結合RNA 聚合酶 結合 阻遏蛋白表達功能蛋白?I阻遏物基因二、乳糖操縱子是典型的誘導型調控（一）乳糖操縱子(lac operon)的結構 調控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列 結構基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙?；D移酶ZYAOPDNAZ基因（編碼-半乳糖苷酶，負責將-半乳糖苷裂解成為糖組分，例如將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖）Y基因（

13、透酶負責將-半乳糖苷運進細胞）A基因（乙?；D移酶負責將乙酰基團從乙酰輔酶A轉移到-半乳糖苷）三種酶的比例是：1：1/2：1/5mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調節(jié)阻遏基因1.阻遏蛋白的負性調節(jié)乳糖操縱子被阻遏蛋白封閉mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶圖18-4 lac 操縱子與阻遏蛋白的負性調節(jié)乳糖操縱子被誘導物開放 2. CAP的正性調節(jié)乳糖操縱子由cAMP-CAP系統(tǒng)進行正調控TTTACATATGTTN17N6Alac TTGACA TATAAT共有序列乳糖操縱子是弱啟動

14、子，被RNA-pol結合后，還需cAMP-CAP（分解代謝物基因活化蛋白）活化。+ + + + 轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3、協(xié)調調節(jié)當阻遏蛋白封閉轉錄時，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合，操縱子轉錄活性極低。單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對 lac 操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolic repression)。 生理性誘導劑實驗常用誘導劑別位乳糖、 半乳糖異丙基硫代半乳糖（IPTG）Lac

15、操縱子誘導劑mRNA低半乳糖時高半乳糖時 葡萄糖低 cAMP濃度高 葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO乳糖操縱子調控方式的比較負調控正調控調節(jié)蛋白 阻遏蛋白 CAP變構物 別乳糖，乳糖 cAMP與變構物結合 無活性 有活性基因位點 O基因 CAP位點結合于基因位點 基因關閉 基因開放未結合于基因位點 基因開放 基因關閉不與變構物結合 有活性 無活性微生物代謝還有其它類型的調控方式合成代謝操縱子由合成產物關閉合成代謝操縱子在基礎狀態(tài)下持續(xù)開放，在產物達到滿足需要量時才關閉。 色氨酸操縱子通過轉錄衰減的方式阻遏基因表達色氨酸操縱子(trp operoon)可阻遏系統(tǒng)Trp operon結

16、構示意圖RPOalEDCBADNAmRNA阻遏蛋白效應物（trp，輔阻遏物，co-repressor)R-調節(jié)基因，編碼阻遏蛋白P-啟動子O-操縱基因al-表誠子前導序式ED-編碼鄰氨基苯甲酸合成酶C-編碼吲哚甘油磷酸合成酶BA-編碼Trp合成酶亞基（50KD）和亞基（29KD）Trp Trp 高時Trp 低時mRNA OPtrpR調節(jié)區(qū) 結構基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 色氨酸操縱子的作用原理操縱子關閉三、色氨酸操縱子通過轉錄衰減的方式阻遏基因表達四、原核基因表達在轉錄終止階段有不同的調控機制（一）不依賴Rho因子的轉錄終止（二）依賴Rho因子的轉錄終止 兩段富含GC的反向重復序列，中間

17、間隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。 終止子結構特點：在大腸桿菌存在兩種終止調節(jié)方式：一種為衰減：導致RNA鏈的過早終止一種為抗終止：阻止過早終止的發(fā)生，使下游基因得以表達。衰減子：操縱子前導區(qū)的類似終止子結構的DNA序列。轉錄終止可能發(fā)生的3種情況終止部位意 義(1)操縱子結構基因之前 RNA pol到達operon之前，DNA轉錄就提前終止，這是以1個“否決”形式構成合成mRNA的第二次調節(jié)。(2)在1個operon結構基因之間 使距離更近DNA的啟動子，較距離遠的P轉錄更多的mRNA，這將產生個“極性”作用，隨著與P距離增加，RNA合成減少。(3)在2個操縱子之間 如果RNA pol被允

18、許繼續(xù)轉錄從1個operon到另1個operon，那么第2個operon將接受轉錄起始的調節(jié)，起始將終止。 據(jù)認為上述可能機制之1種在各種細菌或噬菌體中至少起到某種作用。五、原核基因表達在翻譯水平的多個環(huán)節(jié)受到精細調節(jié) （一）轉錄與翻譯的偶聯(lián)調節(jié)提高了基因表達調控的有效性衰減是轉錄-翻譯的偶聯(lián)調控色氨酸操縱子（trp operon）除了產物阻遏負調控外，還有轉錄衰減（attenuation）調控方式。 在大腸桿菌存在兩種終止調節(jié)方式：一種為衰減：導致RNA鏈的過早終止一種為抗終止：阻止過早終止的發(fā)生，使下游基因得以表達。衰減子：操縱子前導區(qū)的類似終止子結構的DNA序列。衰減是轉錄-翻譯的偶聯(lián)調

19、控色氨酸操縱子（trp operon）除了產物阻遏負調控外，還有轉錄衰減（attenuation）調控方式。 Trp Trp 高時 Trp 低時 mRNA OPtrpR調節(jié)區(qū) 結構基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 ?轉錄衰減色氨酸操縱子 E D C B ALUUUUUUUU調節(jié)區(qū) 結構基因 trpROP前導序列 衰減子區(qū)域 UUUU前導mRNA1234衰減子結構 終止密碼子 第10、11密碼子為trp密碼子 14aa前導肽編碼區(qū): 包含序列1 形成發(fā)夾結構能力強弱： 序列1/2序列2/3序列3/4 trp 密碼子 UUUUTrp操縱子的轉錄弱化效應a.高色氨酸時，3-4配對形成終止密碼子識別區(qū)

20、，只有10%的RNA pol繼續(xù)參與Trp操縱子結構基因的轉錄；b.低色氨酸時，核糖體停在色氨酸密碼子附近，使得2-3配對，因此阻止了3-4終止發(fā)夾的形成，轉錄繼續(xù)進行，直至結構基因轉錄完成；c. 如果無核糖體起始先導肽的AUG的翻譯，1-2形成發(fā)夾，阻止了2-3發(fā)夾的形成，允許3-4形成發(fā)夾，酶不表達，無蛋白質合成。UUUU342423UUUU核糖體 前導肽 前導mRNA 15 trp 密碼子 結構基因前導DNA RNA聚合酶 1.當色氨酸濃度低時 Trp合成酶系相關結構基因被轉錄 序列3、4不能形成衰減子結構 UUUU34UUUU 334核糖體 前導肽 前導mRNA2.當色氨酸濃度高時 轉

21、錄衰減機制 125 trp 密碼子 衰減子結構就是終止子可使轉錄前導DNA UUUU 3 RNA聚合酶 終止指轉錄可正常起動，但在轉錄進入第一個結構基因前即突然停止的過程。由于這一終止作用并不能使正在進行的結構基因轉錄中途停止，而僅是部分中途停止轉錄，所以稱為轉錄衰減。轉錄衰減（attenuation）（二）蛋白質分子結合于啟動序列或啟動序列周圍進行自我調節(jié) 調節(jié)蛋白結合mRNA靶位點，阻止核蛋白體識別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。調節(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)。 （三）翻譯阻遏利用蛋白質與自身mRNA的結合實現(xiàn)對翻譯起始的調控編

22、碼區(qū)的起始點可與調節(jié)分子（蛋白質或RNA）直接或間接地結合來決定翻譯起始調節(jié)蛋白可以結合到起始密碼子上，阻斷與核糖體的結合（四）反義RNA結合mRNA翻譯起始部位的互補序列對翻譯進行調節(jié)可調節(jié)基因表達的RNA稱為調節(jié)RNA。細菌中含有與特定mRNA翻譯起始部位互補的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序列的結合，抑制翻譯起始。這種調節(jié)稱為反義控制(antisense control)。（五）mRNA密碼子的編碼頻率影響翻譯速度當基因中的密碼子是常用密碼子時，mRNA的翻譯速度快，反之，mRNA的翻譯速度慢。1. 不是操縱子組成部分的是 ( ) A、結構基因 B、

23、啟動子 C、阻遏物 D、Pribnow盒 E、操縱基因2. cAMP與CAP結合,CAP介導正性調節(jié)發(fā)生在下列的哪個階段 ( ) A、有葡萄糖及cAMP較高時 B、有葡萄糖及cAMP較低時 C、沒有葡萄糖及cAMP較高時D、沒有葡萄糖及cAMP較低時 E、葡萄糖及cAMP濃度極高時3. 乳糖操縱子上Z、Y、A基因產物分別是 ( ) A、脫氫酶、黃素酶、CoQ B、-半乳糖苷酶、通透酶、乙酰轉移酶 C、乳糖還原酶、乳糖合成酶、別構酶D、葡萄糖-6-磷酸酶、變位酶、醛縮酶 E、乳糖酶、乳糖磷酸化酶、激酶4. 關于管家基因的描述,下列最確切的是 ( ) A、在生物個體的所有細胞中表達 B、在生物個體全生命過程的幾乎所有細胞中持續(xù)表達 C、在生物個體全生命過程的部分細胞中持續(xù)表達 D、在特定環(huán)境下的生物個體全生命過程的所有細胞中持續(xù)表達 E、在特定環(huán)境下的生物個體全生命過程的部分細胞中持續(xù)表達5.CAP對乳糖操縱子表達的影響是（）A.正性調控 B.負性調控 C.雙重調控 D.無調控作用 E.可有可無 6.下列屬于反式作用因子的是（）A.啟動子 B.增強子 C.沉默子 D.轉錄因子 E.RNA 聚合酶7原核生物基因表達調控的意義是 ( )A調節(jié)生長與分化B調節(jié)發(fā)育與分