基因表達(dá)調(diào)控分組

基因表達(dá)調(diào)控分組第1頁/共41頁本章主要內(nèi)容原核生物基因表達(dá)調(diào)控真核生物基因表達(dá)調(diào)控第2頁/共41頁基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義

1、適應(yīng)環(huán)境，維持生長和增埴

2、維持個(gè)體發(fā)育與分化基因表達(dá)（geneexpression）

就是基因轉(zhuǎn)錄與翻譯的過程。在某一特定時(shí)間，基因組只有一部分處于表達(dá)狀態(tài)表達(dá)外源性目的基因的系統(tǒng)有原核和真核兩大類。第3頁/共41頁基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性（一）時(shí)間特異性(temoralspecificiti)

某一基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生（二）空間特異性(spatialspecificiti)

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)第4頁/共41頁基因表達(dá)的潛在環(huán)節(jié)復(fù)制水平轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄后的加工修飾mRNA由核內(nèi)到胞液翻譯水平翻譯后的加工修飾蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞定位基因表達(dá)的調(diào)控的中心環(huán)節(jié)

轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控和翻譯水平的調(diào)控第5頁/共41頁原核生物基因表達(dá)的調(diào)控

操縱子學(xué)說（theoryofoperon）第6頁/共41頁操縱子（operon）:是原核生物的基本轉(zhuǎn)錄單位。由啟動(dòng)基因、操縱基因和受操縱基因控制的結(jié)構(gòu)基因或基因組構(gòu)成的基因調(diào)節(jié)單位iO調(diào)控基因啟動(dòng)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因(NobelPrizein1965).1960年F.Jacob和J.monod提出第7頁/共41頁現(xiàn)在已知在細(xì)菌等原核生物中存在乳糖操縱子、阿拉伯操縱子和組氨酸操縱子等。這類調(diào)控有兩種方式：陰性調(diào)控陽性調(diào)控第8頁/共41頁

陰性調(diào)控（negativecontrol）——

阻遏物蛋白（repressor）對(duì)基因開關(guān)（操縱基因,O基因）進(jìn)行的調(diào)節(jié)。阻遏物蛋白結(jié)合在操縱基因上則轉(zhuǎn)錄不能進(jìn)行，它的活性受小分子誘導(dǎo)物影響。阻遏物是由調(diào)節(jié)基因i表達(dá)的。

陽性調(diào)控（positivecontrol）——

激活物蛋白（activator）對(duì)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄進(jìn)行的調(diào)節(jié)。激活物蛋白結(jié)合在啟動(dòng)基因(P基因)上游的某個(gè)區(qū)域以增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，它的活性也受小分子的影響。第9頁/共41頁第10頁/共41頁乳糖操縱子（Z.colilac

operon）一、結(jié)構(gòu)iOZYA編碼參與乳糖（Lactose）攝入和利用的酶的基因β-半乳糖苷酶乳糖透性酶乳糖轉(zhuǎn)乙?；缸瓒舻鞍拙哂蠰ac操縱子的大腸桿菌表達(dá)載體的最突出的特點(diǎn)是含有足夠大的LacZ基因。第11頁/共41頁二阻遏蛋白的陰性調(diào)控第12頁/共41頁第13頁/共41頁三CAP的陽性調(diào)控CAP分解代謝產(chǎn)物激活蛋白（cataboliteactivatorprotein，CAP），現(xiàn)在稱為cAMP受體蛋白（cAMPreceptorprotein，CRP）分子內(nèi)有兩個(gè)結(jié)合區(qū)：DNA結(jié)合區(qū)和cAMP結(jié)合位點(diǎn)第14頁/共41頁無葡萄糖，cAMP較高

cAMP與CAP結(jié)合，CAP結(jié)合在啟動(dòng)序列附近的CAP位點(diǎn)，RNA轉(zhuǎn)錄增強(qiáng),與cAMP受體蛋白結(jié)合使之激活，乳糖操縱子的表達(dá)受到陽性調(diào)節(jié)有葡萄糖，cAMP低cAMP與ACP結(jié)合受阻，Lac操縱子表達(dá)下降第15頁/共41頁G和乳糖同時(shí)存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用G；缺乏G時(shí)，細(xì)胞中的cAMP水平有升高，與cAMP受體蛋白結(jié)合使之激活，的表達(dá)受到陽性調(diào)節(jié)。如果此時(shí)又有乳糖存在，則乳糖操縱子的表達(dá)既有陰性調(diào)節(jié)又有陽性調(diào)節(jié)。第16頁/共41頁四、

協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)第17頁/共41頁反義RNA的調(diào)節(jié)反義RNA（antisenseRNA）是指能與mRNA互補(bǔ)結(jié)合從而阻斷mRNA翻譯的RNA分子，它對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)是一種翻譯水平的調(diào)節(jié)。20世紀(jì)80年代初T.Mizuno等人發(fā)現(xiàn)。大腸桿菌主要外膜蛋白（Majoroutermembraneprotein.Omp)ompF和ompC.micFRNA：干擾mRNA的互補(bǔ)RNA(mRNA-interferingcomplementaryRNA),產(chǎn)生micRNA的基因叫反義基因。天然存在在細(xì)菌DNA結(jié)構(gòu)中。第18頁/共41頁

反義RNA調(diào)控的特點(diǎn)是高度特異性，一種反義RNA抑制一種mRNA.

利用人工合成反義RNA，抑制靶基因的表達(dá)，治療疾病，稱為基因治療。如乙肝病毒口蹄疫病毒（footandmouthVirus)

脊髓灰質(zhì)炎病毒（poliovirus)

愛滋病病毒（HIV)

癌蛋白反義RNA從原核到高等生物都有天然存在，行使生物自我保護(hù)功能第19頁/共41頁干擾RNA（interferingRNA,iRNA)也是天然短鏈RNA。20世紀(jì)90年代基因工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)入外源基因有時(shí)不但不能表達(dá)，反而抑制宿主菌某些基因的表達(dá)由iRNA引發(fā)的內(nèi)源基因抑制稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默（posttranscriptionalgenesilencing,PTGS)第20頁/共41頁發(fā)展歷史起于上世紀(jì)40-50年代,法國巴斯德研究院的AndreLwoff等人1950年Monod等發(fā)現(xiàn),在培養(yǎng)基中加入乳糖可啟動(dòng)E.coli的β-半乳糖苷酶的從頭合成,極大提高該酶活性1961年,F.Jacob和J.monod首先提出原核生物基因表達(dá)的操縱子學(xué)說1966年,WalterGilbert和BennoMuller-Hill證明了阻遏蛋白的存在1970年,MarkPtashne和Gilbert詳盡的闡述了基因阻遏機(jī)制1975年，RoyBritten和EricDavison在操縱子學(xué)說的基礎(chǔ)上提出了真核生物基因的表達(dá)調(diào)控模式1981年，CharlesYanofsky等發(fā)現(xiàn)色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄衰減與基因特異性序列有關(guān)很多原核、真核基因的順式作用元件陸續(xù)被鑒定DNA-蛋白質(zhì)相互作用分析成為基因表達(dá)調(diào)控的熱門課題第21頁/共41頁真核生物基因表達(dá)

的調(diào)控

第22頁/共41頁與原核生物不同點(diǎn)1、真核細(xì)胞染色體中包裝的DNA處于轉(zhuǎn)錄抑制狀態(tài)2、真核基因調(diào)控以陽性調(diào)控為主3、轉(zhuǎn)錄起始涉及一套轉(zhuǎn)錄因子的參與4、轉(zhuǎn)錄和翻譯在時(shí)空上是分開的5、不存在操縱于結(jié)構(gòu)。6、基因多拷貝第23頁/共41頁真核生物的基因是不連續(xù)的

-----斷裂基因（splitgene）

真核生物基因的結(jié)構(gòu)圖斷裂基因由一系列交替存在的外顯子和內(nèi)含子構(gòu)成第24頁/共41頁真核基因調(diào)節(jié)區(qū)(調(diào)控系統(tǒng))

=啟動(dòng)子+DNA調(diào)節(jié)序列啟動(dòng)子（promoter）

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。

調(diào)控序列（順式作用元件（cisactingelement）

DNA中與轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)和調(diào)控有關(guān)的核苷酸序列。按功能特性分為啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉寂子、終止子等。

第25頁/共41頁

處在同一DNA上在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游或下游相距可遠(yuǎn)可近有時(shí)相差很遠(yuǎn)，5000個(gè)bp以上。有反式作用因子識(shí)別和結(jié)合的特定序列第26頁/共41頁增強(qiáng)子（enhancer)：是使啟動(dòng)子的基因轉(zhuǎn)錄效率顯著提高(增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性)的一類順式作用元件，其本身不具有啟動(dòng)子活性，是由多個(gè)獨(dú)立的、具有特征性的核苷酸序列所組成。StructureoftheenhancerofSV40最早發(fā)現(xiàn)DNA腫瘤病毒SV40第27頁/共41頁RNA剪接信號(hào):內(nèi)含子序列負(fù)調(diào)控元件：沉默子和衰減子是抑制基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列，稱為負(fù)調(diào)控元件，它們與反式作用因子相互結(jié)合而起作用。如色氨酸操縱子終止子和polyA信號(hào)：膜板DNA分子的3‘端的轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)序列，稱為終止子。含有polyA尾的基因終止信號(hào)下游的DNA區(qū)域內(nèi)的G/T區(qū)。一般認(rèn)為PolyA的存在增加了mRNA分子的穩(wěn)定性，使之能成功地進(jìn)行翻譯。第28頁/共41頁基因調(diào)節(jié)蛋白（generegulatoryprotein）又稱反式作用因子（trans-actingfactor）:與順式作用元件和RNA聚合酶相互作用的蛋白質(zhì)因子。其編碼基因與作用的靶DNA序列不在同一DNA分子上第29頁/共41頁基因調(diào)節(jié)蛋白是如何識(shí)別并與DNA結(jié)合？與順式作用元件特定的DNA序列結(jié)合的特定結(jié)合域。該特定結(jié)合域有兩種：通用轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合域，為識(shí)別結(jié)合特異DNA序列的DNA基序（motif），

(如鋅指結(jié)構(gòu)、殼氨酸拉鏈、螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋、螺旋-環(huán)-螺旋)；轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的結(jié)合域，又稱轉(zhuǎn)錄活化結(jié)合域(如酸性α-螺旋結(jié)構(gòu)域、富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域、富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域)。

第30頁/共41頁特征性基序（motif)螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix）螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（Helix-turn-helix）亮氨酸拉鏈（leucinezipper）鋅指結(jié)構(gòu)（zincfinger）DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域第31頁/共41頁

鋅指Zincfingermotif第32頁/共41頁螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix）第33頁/共41頁螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（Helix-turn-helix）最常見的一種基序，螺旋被一個(gè)轉(zhuǎn)角分隔，羧基一端為識(shí)別螺旋，結(jié)合到大溝中，之外的部分可能與DNA的接觸中起“微調(diào)”的作用。第34頁/共41頁亮氨酸拉鏈（leucinezipper）

是真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白與蛋白質(zhì)及與DNA結(jié)合的基元之一。

第35頁/共41頁轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的轉(zhuǎn)錄活化結(jié)合域反式作用因子中有一段與非特異性調(diào)控轉(zhuǎn)錄活性功能有關(guān)的結(jié)構(gòu)區(qū)域，主要有酸性α-螺旋活化域（如糖皮質(zhì)激素受體，酵母激活因子）富含谷氨酰胺活化域（如血清激活因子SRF）富合脯氨酸活化域

第36頁/共41頁真核生物轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)mRNA前體加工RNA的編輯：mRNA轉(zhuǎn)錄后因缺失，插入或核苷酸的替換，改變了DNA膜板來源的遺傳信息，從而翻譯出氨基酸序列不同的多種蛋白質(zhì)。第37頁/共41頁mRNA前體加工5`加帽3`加尾第38頁/共41頁

RNA編輯第39頁/共41頁真核生物翻譯水平的調(diào)節(jié)在真核細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄的mRNA可加上polyA尾，這與mR