發(fā)育及環(huán)境應(yīng)答的基因表達調(diào)控

1、發(fā)育及環(huán)境應(yīng)答發(fā)育及環(huán)境應(yīng)答的基因表達調(diào)控概述的基因表達調(diào)控概述 主要內(nèi)容主要內(nèi)容v 什么是基因表達調(diào)控？什么是基因表達調(diào)控？v 基因表達調(diào)控的層次基因表達調(diào)控的層次v 原核生物的基因表達調(diào)控原核生物的基因表達調(diào)控v 真核生物的基因表達調(diào)控真核生物的基因表達調(diào)控v 基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義 基因表達基因表達 是指生物體基因組種結(jié)構(gòu)基因所攜帶的是指生物體基因組種結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息經(jīng)過遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄及翻譯轉(zhuǎn)錄及翻譯等一系列過程，合等一系列過程，合成特定的蛋白質(zhì)，進而發(fā)揮其特定生物學(xué)功成特定的蛋白質(zhì)，進而發(fā)揮其特定生物學(xué)功能的全過程。能的全過程。 基因表達調(diào)控基因表達

2、調(diào)控 對這個過程的調(diào)節(jié)。對這個過程的調(diào)節(jié)?；虮磉_的特異性和表達方式基因表達的特異性和表達方式 時間特異性時間特異性空間特異性空間特異性組成性表達組成性表達誘導(dǎo)和阻遏表達誘導(dǎo)和阻遏表達協(xié)調(diào)表達協(xié)調(diào)表達 基因表達的多級調(diào)控基因表達的多級調(diào)控 基因結(jié)構(gòu)活化基因結(jié)構(gòu)活化 DNADNA水平水平 轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄后加工 轉(zhuǎn)錄后水平轉(zhuǎn)錄后水平 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運 翻譯調(diào)控翻譯調(diào)控 翻譯水平翻譯水平 翻譯后加工翻譯后加工6原核生物的基因表達調(diào)控原核生物的基因表達調(diào)控vDNA水平的調(diào)控 DNA重組 啟動子序列v轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄起始階段：不同的因子、操縱子模型 轉(zhuǎn)錄終止階段：抗終止

3、作用、RNA開關(guān)v翻譯水平的調(diào)控 反義RNA的正負調(diào)控 翻譯控制 自體調(diào)控 mRNA的穩(wěn)定性 應(yīng)急反應(yīng)7在在DNADNA水平的調(diào)控水平的調(diào)控vDNA重組 DNA重組可以改變控制基因與受控基因之間的距離和方向，因而可以調(diào)控基因表達。v啟動子序列：不同類型的啟動子與基因表達的關(guān)系組成型啟動子弱啟動子強啟動子一般與一致序列相同或相近缺乏一個或多個一致序列元件與一致序列相同或接近恒定的轉(zhuǎn)錄速率低轉(zhuǎn)錄速率高轉(zhuǎn)錄速率可能不受其它形式的調(diào)控經(jīng)常需要激活蛋白經(jīng)常受到阻遏8轉(zhuǎn)錄起始階段的調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始階段的調(diào)控v不同因子的選擇使用 例一：幾個熱激基因的轉(zhuǎn)錄 例二：SPO1噬菌體在不同時期基因表達v操縱子模型 乳糖

4、操縱子 色氨酸操縱子9因子的選擇性使用與熱激基因的表達調(diào)控因子的選擇性使用與熱激基因的表達調(diào)控10因子的級聯(lián)與因子的級聯(lián)與SPO1SPO1噬菌體不同時期基因表達之間的關(guān)系噬菌體不同時期基因表達之間的關(guān)系 乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制控制區(qū)控制區(qū)信息區(qū)信息區(qū)結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因(S)操縱序列（操縱序列（O）啟動序列（啟動序列（P P）調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因（I）CPA（一）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)作用（一）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)作用I I阻遏蛋白阻遏蛋白 無乳糖存在時，結(jié)構(gòu)基因受阻遏無乳糖存在時，結(jié)構(gòu)基因受阻遏 有乳糖存在時，結(jié)構(gòu)基因表達有乳糖存在時，結(jié)構(gòu)基因表達2CAPCAPCAP位點位點 阻遏蛋白阻遏蛋

5、白 操縱序列操縱序列RNA聚合酶聚合酶無葡萄糖，無乳糖無葡萄糖，無乳糖 無葡萄糖有乳糖無葡萄糖有乳糖 有葡萄糖，無乳糖有葡萄糖，無乳糖 有葡萄糖，有乳糖有葡萄糖，有乳糖 啟動序列啟動序列cAMPmRNA 5（二）（二） CAPCAP的正性調(diào)節(jié)作用的正性調(diào)節(jié)作用當(dāng)培養(yǎng)基中乳糖濃度降低而葡萄糖濃度升高時當(dāng)培養(yǎng)基中乳糖濃度降低而葡萄糖濃度升高時 細胞中細胞中cAMPcAMP濃度降低濃度降低 缺乏乳糖與阻遏蛋白結(jié)合缺乏乳糖與阻遏蛋白結(jié)合 CAPCAP失活失活 阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合 CAPCAP及及RNARNA聚合酶不能與啟動基因結(jié)合聚合酶不能與啟動基因結(jié)合 基因轉(zhuǎn)錄基因轉(zhuǎn)錄被阻

6、遏被阻遏 阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié) 當(dāng)培養(yǎng)基中乳糖濃度升高而葡萄糖濃度降低時當(dāng)培養(yǎng)基中乳糖濃度升高而葡萄糖濃度降低時 細胞中細胞中cAMPcAMP濃度升高濃度升高 乳糖作為誘導(dǎo)劑與阻遏蛋白結(jié)合乳糖作為誘導(dǎo)劑與阻遏蛋白結(jié)合 cAMPcAMP與與CRPCRP結(jié)合并使之激合結(jié)合并使之激合 促使阻抑蛋白與操縱基因分離促使阻抑蛋白與操縱基因分離 CRPCRP與啟動基因結(jié)合并促使與啟動基因結(jié)合并促使RNARNA聚合酶與啟動基因結(jié)合聚合酶與啟動基因結(jié)合 基因轉(zhuǎn)錄基因轉(zhuǎn)錄激活激活 CAPCAP的正性調(diào)節(jié)的正性調(diào)節(jié)O 阻遏蛋白阻遏蛋白 （無活性無活性） mRNAtrpRPtrpEtrpDtrpCtr

7、pBtrpA前導(dǎo)前導(dǎo)trpL衰減子衰減子 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 基基 因因 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)機制色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)機制 色氨酸合成的酶蛋白色氨酸合成的酶蛋白18轉(zhuǎn)錄終止階段的調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止階段的調(diào)控vRNA開關(guān) 許多細菌內(nèi)存在一些特殊的雙功能mRNA，在非編碼區(qū)含有特定代謝物的特異性結(jié)合位點，充當(dāng)基因表達的開關(guān)，代謝物的結(jié)合會改變mRNA的構(gòu)象： -提高轉(zhuǎn)錄的終止效率 -降低翻譯的效率 -影響到mRNA的后加工 從而改變一個基因的表達。RNA開關(guān)（也稱核開關(guān)）就是指這一類特殊的mRNA。19核酶核開關(guān)的調(diào)控機制核酶核開關(guān)的調(diào)控機制20轉(zhuǎn)錄終止階段的調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止階段的調(diào)控v抗終止子 轉(zhuǎn)錄的終止

8、依賴于終止子，不同終止子的作用有強弱之分。 有的蛋白質(zhì)因子能作用于終止子序列，減弱或取消終止子的作用，稱為抗終止作用，這些蛋白因子就稱為抗終止因子；也有一些蛋白質(zhì)因子能夠促進終止子的作用。兩種情況都可以用來調(diào)節(jié)基因的表達。21BglGBglG蛋白的抗終止作用蛋白的抗終止作用22翻譯水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控v反義RNA的正負調(diào)控v翻譯控制v自體調(diào)控vmRNA的二級結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性對翻譯的調(diào)控vSOS反應(yīng)23反義反義RNARNA的負調(diào)控和正調(diào)控的負調(diào)控和正調(diào)控 24翻譯控制翻譯控制 翻譯控制是指轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物本身的結(jié)構(gòu)控制其翻譯的過程mRNAmRNA的二級結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的二級結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性mRNA是翻譯的模

9、板，延長它的穩(wěn)定性也必然會使翻譯的效率提高25自體調(diào)控自體調(diào)控自體調(diào)控是指一個基因產(chǎn)物對自己的基因表達產(chǎn)生激活或抑制的現(xiàn)象。它既可以在轉(zhuǎn)錄水平上，也可以在翻譯水平上進行。26應(yīng)急反應(yīng)應(yīng)急反應(yīng)細菌細胞在氨基酸饑餓的時候，胞內(nèi)發(fā)生各種變化：rRNA和tRNA 合成量的急劇下降（10倍-20倍）；mRNA合成下降（約3倍）；蛋白質(zhì)降解加強；核苷酸、碳水化合物和脂的合成下降。應(yīng)急反應(yīng)的意義在于使細胞“勒緊褲帶”，節(jié)省能量，以渡過難關(guān)。27原核生物基因表達調(diào)控的特點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)主要在轉(zhuǎn)錄水平進行調(diào)節(jié)1 1） 因子的特異啟動作用因子的特異啟動作用 2 2） 操縱子調(diào)控

10、機制具有普遍性操縱子調(diào)控機制具有普遍性3 3） 阻遏蛋白阻遏轉(zhuǎn)錄具有普遍性阻遏蛋白阻遏轉(zhuǎn)錄具有普遍性28 真核生物的基因表達調(diào)控真核生物的基因表達調(diào)控Regulation of Gene Expression in Eukaryotes29v調(diào)控的原因調(diào)控的原因v調(diào)控的層次：調(diào)控的層次：v調(diào)控的手段：調(diào)控的手段：30u真核生物基因表達調(diào)控的特點真核生物基因表達調(diào)控的特點真核生物表達調(diào)控與原核生物的不同：真核生物表達調(diào)控與原核生物的不同：（1）染色體結(jié)構(gòu)不同）染色體結(jié)構(gòu)不同,存在特有的染色質(zhì)水平調(diào)節(jié)；存在特有的染色質(zhì)水平調(diào)節(jié)；（2）真核生物目前已知的主要是正調(diào)控；）真核生物目前已知的主要是正調(diào)控

11、；（3）真核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯在時空上是分開的；）真核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯在時空上是分開的；（4）真核生物是多細胞的，在生物的個體發(fā)育過程中）真核生物是多細胞的，在生物的個體發(fā)育過程中其基因表達在時間和空間上具有特異性，即細胞特異性其基因表達在時間和空間上具有特異性，即細胞特異性或組織特異性表達?；蚪M織特異性表達。31多多層層次次調(diào)調(diào)控控32u染色體水平的調(diào)控染色體水平的調(diào)控 一個基因在表達前后，其所在位置的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)會發(fā)生重塑或重建。 組蛋白調(diào)控 非組蛋白調(diào)控 基因缺失 基因擴增 基因重排33組蛋白對基因活性的影響機制組蛋白對基因活性的影響機制占先模型（占先模型（pre-emptive model

12、）動態(tài)模型（動態(tài)模型（dynamic model）3435組蛋白的修飾與染色質(zhì)構(gòu)象變化的關(guān)系組蛋白的修飾與染色質(zhì)構(gòu)象變化的關(guān)系 36組蛋白的乙?；M蛋白的乙?；?去乙酰化的生物功能：去乙?；纳锕δ埽?組蛋白乙酰化是許多轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白相互作用的一種“識別信號”，如H4組蛋白的乙酰化作用參與了指示和吸引TFIID到相應(yīng)的啟動子上，促進轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的裝配；37非組蛋白（非組蛋白（NHP) 非組蛋白大多數(shù)是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修飾的方式調(diào)節(jié)細胞的代謝、生長、增殖和變異等，并能在核內(nèi)接受外來信號，構(gòu)成核內(nèi)信息轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，形成一條調(diào)節(jié)基因表達的重要途徑。38 基因的丟失：不可逆基因的丟失：不可逆

13、 某些真核生物隨細胞的分化丟失了染色體上的某些DNA片段的現(xiàn)象稱為基因丟失， 基因擴增：增加基因的拷貝數(shù)基因擴增：增加基因的拷貝數(shù) 非洲爪蟾卵母細胞rRNA基因卵裂時，擴增2000倍，達1012個核糖體。 藥物：誘導(dǎo)抗藥性基因的擴增；腫瘤細胞：原癌基因拷貝數(shù)異常增加。 基因重排基因重排(gene rearrangement)： 如免疫球蛋白基因重排，多樣性。39uDNA水平上的調(diào)控水平上的調(diào)控DNA甲基化（甲基化（DNA Methylation)啟動子的選擇使用啟動子的選擇使用DNA印記印記 40DNA甲基化與轉(zhuǎn)錄抑制甲基化與轉(zhuǎn)錄抑制p甲基化甲基化(methylated)程度高，對基因轉(zhuǎn)錄抑制

14、的程度高，對基因轉(zhuǎn)錄抑制的調(diào)控能力越強。調(diào)控能力越強。p去甲基化去甲基化(undermethylated)：基因轉(zhuǎn)錄激活：基因轉(zhuǎn)錄激活41甲基化以兩種方式調(diào)控基因的表達甲基化以兩種方式調(diào)控基因的表達（1）甲基化增強或減弱）甲基化增強或減弱DNA與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)之間與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)之間 的相互作用；的相互作用； 例如活性基因和管家基因CpG島的區(qū)別（2）甲基化改變）甲基化改變DNA的正常構(gòu)型。的正常構(gòu)型。 例如DNA甲基化與X染色體失活4243啟動子的選擇使用啟動子的選擇使用v某些真核生物的基因不止一個啟動子，例如，抗肌營養(yǎng)不良蛋白有8個啟動子，通過使用不同的啟動子可轉(zhuǎn)錄出不同長度的mRNA，它們經(jīng)過翻

15、譯可產(chǎn)生不同性質(zhì)或功能的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。44DNA印記印記v基因組印記：基因組印記：哺乳動物的某些等位基因性狀的表達由于基因的來源不同而呈現(xiàn)出差異，甚至只表達單一親系來源（父源或母源）的基因版本。如人類的亨延頓氏舞蹈病，其基因突變是來自父源或母源基因的甲基化。45u真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 v順式作用元件順式作用元件( cis-acting element） v反式作用因子反式作用因子 (trans-acting Factor)4647真核生物在轉(zhuǎn)錄水平進行基因表達調(diào)控的主要方式48反式作用因子的結(jié)構(gòu)與功能反式作用因子的結(jié)構(gòu)與功能（1）通用或基本轉(zhuǎn)錄因子）通用或基本轉(zhuǎn)錄因子RN

16、A聚合酶結(jié)合啟動子所必需聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋白因子。如：的一組蛋白因子。如：TFA、 TFB、 TFD、 TFE等。等。（2）特異轉(zhuǎn)錄因子）特異轉(zhuǎn)錄因子( special transcription factors)個別個別基因轉(zhuǎn)錄所必需的轉(zhuǎn)錄因子基因轉(zhuǎn)錄所必需的轉(zhuǎn)錄因子.如：如：OCT-2：在淋巴細胞中特：在淋巴細胞中特異性表達，識別異性表達，識別Ig基因的啟動子和增強子?；虻膯幼雍驮鰪娮印?9反式作用因子的結(jié)構(gòu)特點反式作用因子的結(jié)構(gòu)特點（1）三個功能結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(DNA-binding domain)；轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域(transcriptional activat

17、ion domain)；二聚化結(jié)構(gòu)域。（2）能識別并結(jié)合順式作用元件(cis-acting element)（3）正調(diào)控與負調(diào)控50v選擇性加尾選擇性加尾v可變剪接可變剪接(alternative splicing)vRNA干擾干擾u真核基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控真核基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控 51選擇性加尾選擇性加尾v很多真核生物基因的3-端含有2個或2個以上的加尾信號，使用不同的加尾信號將導(dǎo)致產(chǎn)生不同長度或不同性質(zhì)的mRNA。選擇性加尾可能會改變編碼區(qū)的長度，也可能會保留或去除位于3-UTR內(nèi)影響mRNA穩(wěn)定性的特定信號。v前一種情形是導(dǎo)致一個基因編碼不同的多肽產(chǎn)物的另外一種途徑，有時它與選擇性剪接組

18、合使用可進一步擴大蛋白質(zhì)的多樣性。生物信息學(xué)研究表明，高等生物約25%的基因可能發(fā)生選擇性加尾。52可變剪接可變剪接v它是指一種mRNA前體在剪接反應(yīng)中某些區(qū)段的序列可能被保留，也可能被排除，從而得到幾種不同成熟mRNA產(chǎn)物的過程，它是高等真核生物蛋白質(zhì)多樣性產(chǎn)生的重要來源。v選擇性剪接可能是組成型的，也可能是受到調(diào)控的。v四種方式：（1）外顯子跳過v （2）內(nèi)含子保留v （3）可變的3-剪接位點的使用 v （4）可變的5-剪接位點的使用5354RNA干擾干擾vRNA干擾是指通過雙鏈RNA使目的mRNA降解，從而特異性地抑制目的蛋白表達的現(xiàn)象。vRNAi的生物學(xué)意義目前普遍認為，它在植物和昆蟲體內(nèi)相當(dāng)于一種免疫系統(tǒng)，起著保衛(wèi)基因組的作用，它能夠防止外來的有害基因或病毒基因整合到植物基因組中，此外，它還參與基因表達的調(diào)控。55u翻譯水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控翻譯起始的調(diào)控翻譯起始的調(diào)控 翻譯延伸的調(diào)控翻譯延伸的調(diào)控