第4十三章基因表達調控

會計學1第4十三章基因表達調控一、基因表達是指基因轉錄及翻譯的過程基因組(genome)來自一個生物體的一整套遺傳物質。是基因轉錄及翻譯的過程，即：生成具有生物學功能產物的過程?；虮磉_(geneexpression)基因表達是受調控的。第1頁/共73頁二、基因表達具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。

多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。第2頁/共73頁（二）空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatialspecificity)。第3頁/共73頁三、基因表達的方式及調節(jié)存在很大差異按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：基本（或組成性）表達誘導或阻遏表達第4頁/共73頁（一）基本（或組成性）表達某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達(constitutivegeneexpression)。第5頁/共73頁（二）有些基因的表達受到環(huán)境變化的誘導和阻遏在特定環(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(induciblegene)?？烧T導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(induction)。

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(repressiblegene)?？勺瓒艋虮磉_產物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。第6頁/共73頁在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調一致、共同表達，即為協(xié)調表達(coordinateexpression)，這種調節(jié)稱為協(xié)調調節(jié)(coordinateregulation)。第7頁/共73頁四、基因表達調控為生物體生長、發(fā)育所必需（一）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。第8頁/共73頁（二）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，這些差異是調節(jié)細胞表型的關鍵。第9頁/共73頁第二節(jié)

基因表達調控的基本原理BasicPrinciplesofGeneExpressionRegulation第10頁/共73頁一、基因表達調控呈現(xiàn)多層次和復雜性基因表達的多級調控基因激活拷貝數重排甲基化程度轉錄起始轉錄后加工mRNA降解蛋白質翻譯翻譯后加工修飾蛋白質降解等轉錄起始第11頁/共73頁二、基因轉錄激活受到轉錄調節(jié)蛋白與啟動子相互作用的調節(jié)基因表達的調節(jié)與基因的結構、性質，生物個體或細胞所處的內、外環(huán)境，以及細胞內所存在的轉錄調節(jié)蛋白有關。（一）特異DNA序列決定基因的轉錄活性（二）轉錄調節(jié)蛋白可以增強或抑制轉錄活性第12頁/共73頁原核生物

蛋白質因子——操縱子(operon)

機制特異DNA序列編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調節(jié)序列(promoter)(operator)第13頁/共73頁是RNA聚合酶結合并啟動轉錄的特異DNA序列。1、啟動序列RNA轉錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列圖13-1五種E.coli啟動序列的共有序列第14頁/共73頁共有序列(consensussequence)

決定啟動序列的轉錄活性大小。某些特異因子（蛋白質）決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力。第15頁/共73頁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，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白第16頁/共73頁3、其他調節(jié)序列、調節(jié)蛋白例如：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。第17頁/共73頁真核生物1、順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達活性的DNA序列RNA聚合酶ⅡBADNA編碼序列轉錄起始點mRNARNA聚合酶ⅡBADNA轉錄起始點mRNA圖13-2順式作用元件第18頁/共73頁不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。第19頁/共73頁2、真核基因的調節(jié)蛋白還有蛋白質因子可特異識別、結合自身基因的調節(jié)序列，調節(jié)自身基因的表達，稱順式作用。由某一基因表達產生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調節(jié)其表達。這種調節(jié)作用稱為反式作用。

反式作用因子(trans-actingfactor)

第20頁/共73頁cDNAaDNA反式調節(jié)C順式調節(jié)

mRNAC蛋白質CbAmRNA蛋白質AA圖13-3反式與順式作用蛋白第21頁/共73頁指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結合。通常是非共價結合，被識別的DNA結合位點通常呈對稱、或不完全對稱結構。絕大多數調節(jié)蛋白質結合DNA前，需通過蛋白質-蛋白質相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)。（三）轉錄調節(jié)蛋白通過與DNA或與蛋白質相互作用對轉錄起始進行調節(jié)第22頁/共73頁（四）RNA聚合酶與基因的啟動序列/啟動子相結合1、原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚合酶活性

RNA聚合酶與其的親和力，影響轉錄。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)境信號刺激下表達，然后通過DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質相互作用影響RNA聚合酶活性。第23頁/共73頁第三節(jié)

原核基因表達調節(jié)RegulationofGeneExpressioninProkaryote第24頁/共73頁——調節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉錄起始。一、原核基因轉錄調節(jié)特點（一）σ因子決定RNA聚合酶識別特異性

在轉錄起始階段，σ因子識別特異啟動序列；不同的σ因子決定特異基因的轉錄激活，決定mRNA、rRNA和tRNA基因的轉錄。第25頁/共73頁（二）操縱子模型的普遍性

原核生物絕大多數基因按功能相關性成簇地串聯(lián)、密集于染色體上，共同組成一個轉錄單位──操縱子（operon）。一個操縱子只含一個啟動序列（promoter）及數個可轉錄的編碼基因。通常，這些編碼基因可轉錄出多順反子mRNA。原核基因的協(xié)調表達就是通過調控單個啟動基因的活性來完成的。第26頁/共73頁（三）原核操縱子受到阻遏蛋白的負性調節(jié)原核基因調控普遍涉及特異阻遏蛋白參與的開、關調節(jié)機制。當阻遏蛋白與操縱序列結合或解聚時，就會發(fā)生特異基因的阻遏或去阻遏。第27頁/共73頁二、操縱子調控模式在原核基因轉錄起始的調節(jié)中具有普遍性（一）乳糖操縱子(lacoperon)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：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D移酶ZYAOPDNA第28頁/共73頁mRNA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)第29頁/共73頁mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶圖13-4lac

操縱子與阻遏蛋白的負性調節(jié)第30頁/共73頁++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時2、CAP的正性調節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第31頁/共73頁3、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，操縱子仍無轉錄活性。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(catabolicrepression)。

第32頁/共73頁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第33頁/共73頁圖13-5 CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導劑對lac操縱子的調節(jié)（新圖）第34頁/共73頁三、原核生物具有不同的轉錄終止調節(jié)機制（一）不依賴Rho因子的轉錄終止（二）依賴Rho因子的轉錄終止常見于噬菌體中，結構特點不清楚。兩段富含GC的反向重復序列，中間間隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。終止子結構特點：第35頁/共73頁四、原核生物在翻譯水平受到多個環(huán)節(jié)的調節(jié)（一）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(autogenouscontrol)。第36頁/共73頁（二）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(antisensecontrol)。第37頁/共73頁第四節(jié)

真核基因表達調節(jié)RegulationofGeneExpressioninEukaryote第38頁/共73頁一、真核基因組具有獨特的結構特點（一）真核基因組結構龐大

哺乳類動物基因組DNA約3×109堿基對。

人編碼基因約4萬個，編碼序列僅占總長的1%。rDNA等重復基因約占5%~10%。第39頁/共73頁（二）真核基因轉錄產物為單順反子單順反子(monocistron)

即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，經翻譯生成一條多肽鏈。（三）真核基因組含有大量的重復序列單拷貝序列（一次或數次）高度重復序列（106

次）中度重復序列（103~104次）多拷貝序列第40頁/共73頁

真核結構基因兩側存在有不被轉錄的非編碼序列，往往是基因表達的調控區(qū)。在編碼基因內部尚有內含子（intron）、外顯子（exon）之分，因此真核基因是不連續(xù)的。（四）真核基因中存在非編碼序列和間隔區(qū)，故：具有不連續(xù)性第41頁/共73頁二、真核基因表達調控更為復雜（一）真核細胞內含有多種RNA聚合酶真核RNA聚合酶有三種，即RNApolI、II及III，分別負責三種RNA轉錄。第42頁/共73頁（二）處于轉錄激活狀態(tài)的染色質結構發(fā)生明顯變化對核酸酶敏感DNA拓撲結構變化天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在；基因活化后:RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉錄方向活化基因常有超敏位點，位于調節(jié)蛋白結合位點附近。第43頁/共73頁DNA堿基的甲基化修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達程度呈反比。組蛋白變化富含Lys組蛋白水平降低H2A·H2B二聚體不穩(wěn)定性增加組蛋白H3、H4發(fā)生乙酰化、甲基化或磷酸化修飾第44頁/共73頁圖13-6組蛋白結構及其化學修飾A.

組蛋白與DNA組成的核小體；B.

組蛋白的氨基端伸出核小體，形成組蛋白尾巴；C.

四種組蛋白組成的八聚體第45頁/共73頁組蛋白修飾對于基因表達影響的機制也包括兩種相互包容的理論。即：組蛋白的修飾直接影響染色質或核小體的結構，以及化學修飾征集了其他調控基因轉錄的蛋白質，為其他功能分子與組蛋白結合搭建了一個平臺。這些理論構成了“組蛋白密碼”的假說。第46頁/共73頁組蛋白氨基酸殘基位點修飾類型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色質濃縮H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙?；せ頗3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙?；乐筁ys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙?；b配H4Lys-12乙酰化裝配H4Lys-16乙?；诵◇w裝配H4Lys-16乙?；疐lyX激活組蛋白修飾對染色質結構與功能的影響第47頁/共73頁（三）在真核基因表達調控中以正性調節(jié)占主導采用正性調節(jié)機制更精確：一個負性調節(jié)元件的結合足可阻斷RNA聚合酶的結合，因此同時采用幾個負性調節(jié)元件一般不會改變特異性；相反，如果采用多種正性調節(jié)元件、正性調節(jié)蛋白可提高基因表達調節(jié)的特異性和精確性。采用負性調節(jié)不經濟：在正性調節(jié)中，大多數基因不結合調節(jié)蛋白，所以是沒有活性的；只要細胞表達一組激活蛋白時，相關靶基因即可被激活。第48頁/共73頁（四）在真核細胞中轉錄與翻譯分隔進行（五）轉錄后修飾、加工更為復雜

真核細胞有細胞核及胞漿等區(qū)間分布，轉錄與翻譯在不同細胞部位進行，轉錄在細胞核，翻譯在細胞漿。因此，轉錄與翻譯產物的分布、定位等環(huán)節(jié)均可以被調控。第49頁/共73頁三、RNAPolI和PolIII轉錄體系的調節(jié)相對簡單（一）RNAPolI轉錄體系RNAPolI的轉錄產物只有rRNA前體，經剪接修飾生成除5SrRNA外的各種rRNA。啟動子元件包括：核心元件(coreelement)或核心啟動子(corepromoter)和上游控制元件(upstreamcontrolelement,UCE)。第50頁/共73頁（二）RNAPolIII轉錄體系RNAPolIII的轉錄產物：多種小分子RNA，包括tRNA、5SrRNA和一部分小核RNA。啟動子位于轉錄起始點下游，稱內部控制區(qū)(internalcontrolregions,ICR)。

第51頁/共73頁（一）真核基因順式作用元件影響基因轉錄活性啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，至少包括一個轉錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒四、RNAPolII轉錄起始的調節(jié)非常復雜第52頁/共73頁CCAAT盒GC盒TATA盒轉錄起始點高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉錄起始點酵母圖13-7真核基因啟動子的典型結構第53頁/共73頁增強子(enhancer)指遠離轉錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉錄活性的DNA序列。其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關。沉默子(silencer)某些基因的負性調節(jié)元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。第54頁/共73頁（二）反式作用因子是真核細胞中重要的轉錄調控蛋白轉錄調節(jié)因子分類（按功能特性）基本轉錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉錄的類別。第55頁/共73頁特異轉錄因子(specialtranscriptionfactors)為個別基因轉錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。轉錄激活因子轉錄抑制因子第56頁/共73頁轉錄調節(jié)因子結構DNA結合域轉錄激活域TF蛋白質-蛋白質結合域（二聚化結構域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域第57頁/共73頁最常見的DNA結合域：鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結合GC盒第58頁/共73頁ZnCysHis圖13-8鋅指結構第59頁/共73頁a-螺旋常結合CAAT盒堿性螺旋-環(huán)-螺旋堿性亮氨酸拉鏈

第60頁/共73頁（三）mRNA轉錄激活需要轉錄起始復合物的形成真核RNA聚合酶Ⅱ在轉錄因子幫助下，形成轉錄起始復合物。PolⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPDNATATAEBPTBP圖13-9轉錄起始復合物的形成第61頁/共73頁五、RNAPolII轉錄終止的調節(jié)機制尚不清楚（一）HIV基因組轉錄終止調節(jié)（二）熱休克蛋白基因的轉錄終止調節(jié)病毒蛋白Tat與轉錄產物5′端特異RNA序列結合，并與宿主蛋白質、RNAPolII相互作用，阻止HIV基因組轉錄的提早終止。在應激條件下暫時性停止大多數基因的轉錄和翻譯，啟動一套能夠提高細胞生存能力的蛋白質即熱休克蛋白(heatshockprotein)的表達。第62頁/共73頁六、轉錄后水平的調節(jié)也是基因表達調控的重要環(huán)節(jié)（一）hnRNA加工成熟的調節(jié)（二）mRNA運輸、胞漿內穩(wěn)定性的調節(jié)加工過程包括加帽、加尾、剪接、堿基修飾和編輯等。通過與蛋白質結合形成核蛋白體復合物(ribonucleoprotein,RNP)進行。第63頁/共73頁七、基因表達在翻譯水平以及翻譯后階段仍然可以受到調節(jié)（一）對翻譯起始因子活性的調節(jié)主要通過磷酸化修飾進行蛋白質合成速率的快速變化在很大程度上取決于起始水平，通過磷酸化調節(jié)翻譯起始因子（eukaryoticinitiationfactor,eIF）的活性對起始階段有重要的控制作用。第64頁/共73頁（二）RNA結合蛋白參與了對翻譯起始的調節(jié)RNA結合蛋白（RNAbindingprotein,RBP），是指那些能夠與RNA特異序列結合的蛋白質?；虮磉_的許多調節(jié)環(huán)節(jié)都有RBP的參與，如前述轉錄終止、RNA剪接、RNA轉運、RNA胞漿內穩(wěn)定性控制以及翻譯起始等。第65頁/共73頁（三）對翻譯產物水平及活性的調節(jié)可以快速調控基因表達新合成蛋白質的半衰期長短是決定蛋白質生物學功能的重要影響因素。因此，通過對新生肽鏈的水解和運輸，可以控制蛋白質的濃