第一講 基因的表達(dá)與調(diào)控

1、1Disease2?4一致的遺傳信息一致的遺傳信息一致的表型？一致的表型？5l 基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控u基因組中非編碼基因組中非編碼RNARNAu微小微小RNARNA（miRNAmiRNA）u反義反義RNARNAu內(nèi)含子、核糖開(kāi)關(guān)等內(nèi)含子、核糖開(kāi)關(guān)等l 基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控的調(diào)控uDNADNA甲基化甲基化u基因印記基因印記u組蛋白共價(jià)修飾組蛋白共價(jià)修飾u染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑6* 第一講基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制第一講基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制 基因表達(dá)基因表達(dá)是基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯、產(chǎn)是基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯、產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的整個(gè)過(guò)程。生有生物活性的蛋白質(zhì)的整個(gè)過(guò)程。 基因的

2、調(diào)控基因的調(diào)控是一個(gè)蛋白質(zhì)和是一個(gè)蛋白質(zhì)和DNADNA相互作相互作用的過(guò)程。特異的用的過(guò)程。特異的DNADNA序列作為相應(yīng)的基序列作為相應(yīng)的基因的開(kāi)關(guān)，一些調(diào)控蛋白結(jié)合上去打開(kāi)或因的開(kāi)關(guān)，一些調(diào)控蛋白結(jié)合上去打開(kāi)或關(guān)閉這些開(kāi)關(guān)。關(guān)閉這些開(kāi)關(guān)。原核基因的表達(dá)調(diào)控原核基因的表達(dá)調(diào)控操縱子（操縱子（operonoperon）：原核生物基因表達(dá)和調(diào)控：原核生物基因表達(dá)和調(diào)控的一個(gè)完整單元，包括的一個(gè)完整單元，包括調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因、啟動(dòng)子啟動(dòng)子、操操作子、一個(gè)或幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因和終止子作子、一個(gè)或幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因和終止子。乳糖操縱子結(jié)構(gòu) ( (一一) )結(jié)構(gòu)基因群結(jié)構(gòu)基因群 ( (二二) )啟動(dòng)子啟動(dòng)子(pro

3、moter(promoter，P)P)是指是指能被能被RNARNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段一段DNADNA序列。序列。操縱子至少有一個(gè)啟動(dòng)子，一般在操縱子至少有一個(gè)啟動(dòng)子，一般在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因55側(cè)上游，控制整個(gè)結(jié)構(gòu)基因群側(cè)上游，控制整個(gè)結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。的轉(zhuǎn)錄。 原核生物基因轉(zhuǎn)錄起始區(qū)原核生物基因轉(zhuǎn)錄起始區(qū)操縱子操縱子(operon)(operon)的基本組成的基本組成 ( (三三) )操作子操作子操作子操作子(operator)(operator)是指是指能被調(diào)控蛋白特異能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段性結(jié)合的一段DNADNA序列序列，

4、常與啟動(dòng)子鄰近或與，常與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操作子啟動(dòng)子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操作子序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。( (四四) )調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因(regulatory gene)(regulatory gene)是編碼能與操是編碼能與操作子結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。作子結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生變化，從而改變其對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的影響，這些特構(gòu)像發(fā)生變化，從而改變其對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的影響，這些特定物質(zhì)可稱(chēng)為定物質(zhì)可稱(chēng)為效應(yīng)物

5、效應(yīng)物(effector)(effector)，其中凡能引起誘導(dǎo)發(fā)，其中凡能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子稱(chēng)為生的分子稱(chēng)為誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)劑(inducer)(inducer)，能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分，能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子稱(chēng)為子稱(chēng)為阻遏劑或輔助阻遏劑阻遏劑或輔助阻遏劑(corepressor)(corepressor)。 （五（五) )終止子終止子 終止子終止子(terminator T)(terminator T)是給予是給予RNARNA聚合酶聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的DNADNA序列序列。在一個(gè)操縱子中。在一個(gè)操縱子中至少在結(jié)構(gòu)基因群最后一個(gè)基因的后面有一至少在結(jié)構(gòu)基因群最后一個(gè)基因的后面有一個(gè)終止子。

6、個(gè)終止子。一、染色質(zhì)水平的調(diào)控一、染色質(zhì)水平的調(diào)控二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控三、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控三、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控四、翻譯水平的調(diào)控四、翻譯水平的調(diào)控五、翻譯后水平的調(diào)控五、翻譯后水平的調(diào)控真核基因的表達(dá)調(diào)控真核基因的表達(dá)調(diào)控一、染色質(zhì)水平的調(diào)控染色質(zhì)水平的調(diào)控基因突變、易位、重排基因突變、易位、重排基因擴(kuò)增、染色質(zhì)削減基因擴(kuò)增、染色質(zhì)削減 DNADNA的甲基化、染色質(zhì)的異染色質(zhì)化的甲基化、染色質(zhì)的異染色質(zhì)化轉(zhuǎn)錄前染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生的一系列重要變化是轉(zhuǎn)錄前染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生的一系列重要變化是轉(zhuǎn)錄的前提。因此染色質(zhì)的活化也稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄的前提。因此染色質(zhì)的活化也稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄前的基因調(diào)整前的基因調(diào)整

7、。 間期細(xì)胞核間期細(xì)胞核中期細(xì)胞中期細(xì)胞核小體的修飾核小體的修飾組蛋白乙酰化伴隨著轉(zhuǎn)錄活性的增強(qiáng)，組蛋白乙?；殡S著轉(zhuǎn)錄活性的增強(qiáng)， 甲基化伴隨轉(zhuǎn)錄活性的減弱。甲基化伴隨轉(zhuǎn)錄活性的減弱。染色質(zhì)削減染色質(zhì)削減 在細(xì)胞分化過(guò)程中，可以通過(guò)丟掉某些基因在細(xì)胞分化過(guò)程中，可以通過(guò)丟掉某些基因而去除這些基因的活性（體細(xì)胞丟失，生殖而去除這些基因的活性（體細(xì)胞丟失，生殖細(xì)胞保存完整）。細(xì)胞保存完整）。 馬蛔蟲(chóng)受精卵，線蟲(chóng)馬蛔蟲(chóng)受精卵，線蟲(chóng)DNADNA的甲基化的甲基化DNADNA分子的化學(xué)修飾主要是甲基化分子的化學(xué)修飾主要是甲基化哺乳動(dòng)物基因組中哺乳動(dòng)物基因組中80-90%CpG80-90%CpG的的C C

8、發(fā)生甲基化發(fā)生甲基化基因的甲基化程度與基因表達(dá)呈反平行的關(guān)系基因的甲基化程度與基因表達(dá)呈反平行的關(guān)系基因組的甲基化模式可影響表型并且是可以遺基因組的甲基化模式可影響表型并且是可以遺傳的，但不改變細(xì)胞的基因型傳的，但不改變細(xì)胞的基因型染色質(zhì)的異染色質(zhì)化染色質(zhì)的異染色質(zhì)化真核細(xì)胞可以通過(guò)常染色質(zhì)的異染色質(zhì)化在更廣真核細(xì)胞可以通過(guò)常染色質(zhì)的異染色質(zhì)化在更廣泛的遺傳范圍內(nèi)調(diào)控基因的表達(dá)。泛的遺傳范圍內(nèi)調(diào)控基因的表達(dá)。如：雌性哺乳動(dòng)物細(xì)胞中如：雌性哺乳動(dòng)物細(xì)胞中X X染色質(zhì)異染色質(zhì)化在性染色質(zhì)異染色質(zhì)化在性 別決定中呈劑量平衡效應(yīng)。別決定中呈劑量平衡效應(yīng)。說(shuō)明：異染色質(zhì)化是功能性的，具有調(diào)控基因表說(shuō)明：

9、異染色質(zhì)化是功能性的，具有調(diào)控基因表達(dá)的功能。達(dá)的功能。二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控順式作用元件：順式作用元件：與結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)的特定的與結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)的特定的DNADNA順順序（啟動(dòng)子，增強(qiáng)子，沉默子）。序（啟動(dòng)子，增強(qiáng)子，沉默子）。反式作用因子：反式作用因子：直接或間接識(shí)別或結(jié)合在各順直接或間接識(shí)別或結(jié)合在各順式作用元件的核心序列上，參與調(diào)控靶基因表式作用元件的核心序列上，參與調(diào)控靶基因表達(dá)的一組達(dá)的一組蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)。反式作用因子的結(jié)構(gòu)特征反式作用因子的結(jié)構(gòu)特征螺旋螺旋- -轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折- -螺旋螺旋鋅指結(jié)構(gòu)鋅指結(jié)構(gòu)亮氨基酸拉鏈亮氨基酸拉鏈螺旋螺旋- -環(huán)環(huán)- -螺旋螺旋由相同或不同的各個(gè)

10、氨基酸，按照一定的排列順序，以特定的化學(xué)鍵方式連接，由相同或不同的各個(gè)氨基酸，按照一定的排列順序，以特定的化學(xué)鍵方式連接，從而組成蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)。從而組成蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)。肽肽 鍵鍵肽肽 鍵鍵側(cè)鏈側(cè)鏈側(cè)鏈側(cè)鏈側(cè)鏈側(cè)鏈側(cè)鏈側(cè)鏈主鏈主鏈螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋鋅 指 結(jié) 構(gòu)亮氨基酸拉鏈螺旋-環(huán)-螺旋 三、轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控三、轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控1 1、戴帽、加尾、戴帽、加尾2 2、RNARNA剪接剪接3 3、mRNAmRNA的選擇性運(yùn)輸?shù)倪x擇性運(yùn)輸1、hnRNA的戴帽、加尾戴帽、加尾(1)5末端“戴帽”：即在5末端的鳥(niǎo)嘌呤的N-7位上產(chǎn)生甲基化，變成7-甲基鳥(niǎo)苷（M7G），使5末端成為5-M7G-PPP。生物學(xué)

11、意義：可能阻止5末端繼續(xù)添加核苷酸，不受磷酸酶和核酸酶降解，起穩(wěn)定mRNA的作用，并利于同核糖體小亞基結(jié)合，形成起始復(fù)合物。(2)3-末端加“尾”：即在3末端加上多個(gè)（200-250個(gè)）腺苷酸，形成PolyA“尾”。生物學(xué)意義：促使3末端與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合，從而使3末端穩(wěn)定，另外可能有延長(zhǎng)mRNA壽命的作用。利于從核孔中輸出。(3)部分核苷酸甲基化：某些腺苷酸的第6位碳被甲基化形成m6A，功能不清。2 2、RNARNA剪接剪接拼接方式有兩種：一是切除內(nèi)含子后，將外顯子規(guī)范地拼接成成熟的mRNA，稱(chēng)為組成型拼接。這樣一個(gè)基因只產(chǎn)生一種成熟的mRNA，也只產(chǎn)生一種蛋白質(zhì)產(chǎn)物。另一種拼接方式，是可調(diào)控的選

12、擇性拼接，因而產(chǎn)生不同的成熟mRNA，翻擇產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)。指切去內(nèi)含子，將外顯子連接的過(guò)程。細(xì)胞可以在不同情況下選擇性地將不同的hnRNA加工成mRNA，并把它們運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)，這便是mRNA的選擇性加工運(yùn)輸。這種運(yùn)輸是一種通過(guò)核孔的主動(dòng)運(yùn)輸方式。3、mRNA的選擇性運(yùn)輸四、翻譯水平調(diào)控四、翻譯水平調(diào)控1、mRNA的穩(wěn)定性2、mRNA翻譯起始調(diào)控真核細(xì)胞的mRNA相對(duì)來(lái)說(shuō)穩(wěn)定的多，影響mRNA的穩(wěn)定性除mRNA分子3端特殊信號(hào)序列外，某些mRNA的穩(wěn)定性還受細(xì)胞外信號(hào)的影響，如激素。在3端非翻譯區(qū)含有一長(zhǎng)段含A和U的核苷酸序列（ARE元件），與其不穩(wěn)定性有關(guān)。1 1、mRNAmRNA的穩(wěn)定性的穩(wěn)

13、定性2 2、mRNAmRNA翻譯起始的調(diào)控翻譯起始的調(diào)控在在ATGATG起始密碼子周?chē)衅鹗济艽a子周?chē)? 5-CCACC-CCACCATGATGG-3G-3保保守序列，以利守序列，以利mRNAmRNA翻譯起始，若發(fā)生突變，其翻譯起始，若發(fā)生突變，其翻譯水平可下降翻譯水平可下降1010倍。在起始倍。在起始AUGAUG上游若有比上游若有比較多的二級(jí)結(jié)構(gòu)序列，也會(huì)影響翻譯，建議外較多的二級(jí)結(jié)構(gòu)序列，也會(huì)影響翻譯，建議外源基因的源基因的5 5端端AUGAUG上游序列不宜過(guò)長(zhǎng)。上游序列不宜過(guò)長(zhǎng)。若將第一個(gè)ATG中的堿基A，T，G分別標(biāo)為1、2、3位，則Kozak規(guī)則可描述如下：(1)第4位的偏好堿基為G；(2)ATG的5端約15bp范圍的側(cè)翼序列內(nèi)不含堿基T；(3)在-3，-6和-9位置，G是偏好堿基；(4)除-3，-6和-9位，在整個(gè)側(cè)翼序列區(qū)，C是偏好堿基。蛋白質(zhì)合成后通常還需加工、修飾和正確折疊才能成為有功能活性的蛋白質(zhì)。因此，在此水平上也存在表達(dá)的調(diào)控問(wèn)題。五、翻譯后水平的調(diào)控五、翻譯后水平的調(diào)控 蛋白質(zhì)的折疊蛋白質(zhì)的折疊蛋白質(zhì)在一定的條件下（如伴侶