決定基因轉(zhuǎn)錄活性的特異DNA序列課件

第十六章

基因表達調(diào)控

第一節(jié)基因表達的基本規(guī)律

一、基因表達的特異性

1.基因表達的時間特異性

基因表達的時間特異性(temporalspecificity)是指基因表達按一定的時間順序發(fā)生，又稱為基因表達的階段特異性(stagespecificity)。

2.基因表達的空間特異性

基因表達的空間特異性(specialspecificity)是指在個體生長、發(fā)育過程中，一種基因產(chǎn)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)。

基因表達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，因此又稱細胞特異性(cellspecificity)或組織特異性(tissuespecificity)。二、基因表達的方式1.組成型表達(constitutiveexpression)有些基因幾乎在所有細胞中持續(xù)表達，將其稱為管家基因(house-keepinggene)。

2.誘導(dǎo)表達(inductionexpression)和阻遏表達(repressionexpression)3.協(xié)同表達

三、基因表達調(diào)控序列和調(diào)節(jié)蛋白

(一)決定基因轉(zhuǎn)錄活性的特異DNA序列原核生物大多數(shù)基因的表達調(diào)控是通過“操縱子”機制實現(xiàn)的。操縱子(operon)通常由2個以上的編碼序列(codingsequences)、啟動子(promoter)、操縱基因(operator)以及其他調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成。

啟動子：

是RNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。

在各種原核基因啟動序列的特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始點上游-10及-35區(qū)域存在一些高度保守的序列，稱為共有序列(consensussequence)。

E.coli

及一些細菌啟動序列的共有序列在-10區(qū)域通常為TATAAT，又稱Pribnow框(Pribnowbox)，在-35區(qū)域通常為TTGACA（圖16-1）。TTGACAN17TTAACTN7A–35區(qū)–10區(qū)RNA轉(zhuǎn)錄起始trpTTTACAN16TATGATN7AtRNATyrTTTACAN17TATGTTN6AlacTTGATAN16TATAATN7ArecACTGACGN16TACTGTN6AAra

BAD共有序列TTGACATATAAT圖16-1五種E.coli啟動子的共有序列

操縱基因：

與啟動子毗鄰或鄰近，其DNA序列常與啟動子交錯、重疊，它是阻遏蛋白的結(jié)合位點。當操縱基因結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，從而阻遏轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負性調(diào)節(jié)。

真核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

順式作用元件(cis-actingelement)：指可以影響自身基因表達活性的DNA序列。圖16-2中，A，B分別代表同一DNA分子中的兩段特異DNA序列，B序列通過一定機制影響A序列，并通過A序列控制該基因的轉(zhuǎn)錄起始的準確性及頻率。A，B序列就是調(diào)節(jié)這個基因轉(zhuǎn)錄活性的順式作用元件。Pol

ⅡBA5′3′轉(zhuǎn)錄起始點mRNAPol

ⅡAE15′3′mRNABE2轉(zhuǎn)錄起始點DNADNA圖16-2順式作用元件作用機制（二）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白

1.原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白

分為三類：

特異因子

阻遏蛋白

激活蛋白

特異因子：決定RNA聚合酶對一個或一套啟動子的特異性識別和結(jié)合能力。

阻遏蛋白（repressors）:可以識別、結(jié)合特異DNA序列——操縱基因，抑制基因轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負性調(diào)節(jié)。

激活蛋白（activators):

可結(jié)合啟動子附近的DNA序列，提高RNA聚合酶與啟動子結(jié)合的能力，從而增強RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，如分解（代謝）物基因激活蛋白（catabolitegeneactivatorprotein,CAP)。

2.真核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白

又稱轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors)。

絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由它的編碼基因表達后，通過與特異的順式作用元件的識別、結(jié)合（即DNA-蛋白質(zhì)相互作用），反式激活另一基因的轉(zhuǎn)錄，故也稱為反式作用蛋白或反式作用因子（trans-actingfactors）。

有些基因產(chǎn)物也可特異識別、結(jié)合自身的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的開啟或關(guān)閉，發(fā)揮順式調(diào)節(jié)作用。具有這種調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)蛋白稱為順式作用蛋白（圖16-3）。

PAAmRNADNA蛋白質(zhì)A反式調(diào)節(jié)PBB轉(zhuǎn)錄起始點蛋白質(zhì)B順式調(diào)節(jié)mRNA圖16-3反式與順式作用蛋白（三）DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用

1.DNA-蛋白質(zhì)相互作用（DNA-proteininteraction)

指反式調(diào)節(jié)因子與順式作用元件之間的特異識別與結(jié)合。

2.蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（protein-proteininteraction)

調(diào)節(jié)蛋白在結(jié)合DNA前，通過蛋白質(zhì)之間的二聚化或多聚化，改變其與DNA的結(jié)合能力。四、基因表達調(diào)控的多層次復(fù)雜調(diào)控

從理論上講，一個基因的編碼產(chǎn)物——酶或蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)的水平至少在以下幾個環(huán)節(jié)受到調(diào)控，即基因激活、轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄后加工、mRNA降解、翻譯、翻譯后修飾和蛋白質(zhì)降解等。第二節(jié)原核生物基因表達調(diào)控

一、原核生物基因表達調(diào)控的特點1.原核生物與周圍環(huán)境關(guān)系密切

原核生物是單細胞生物，沒有能量儲備系統(tǒng)，在長期進化過程中演變出對環(huán)境的高度適應(yīng)性。原核生物必須不斷地調(diào)控各種基因的表達，以適應(yīng)生存環(huán)境和營養(yǎng)環(huán)境的變化，使其生長繁殖達到最優(yōu)化。2.原核生物基因以操縱子為單位進行轉(zhuǎn)錄

原核生物為多順反子mRNA（polycistronicmRNA）。

見圖16-4。啟動子操縱基因結(jié)構(gòu)基因1結(jié)構(gòu)基因2結(jié)構(gòu)基因3操縱子多順反子mRNA翻譯翻譯翻譯蛋白質(zhì)1蛋白質(zhì)2蛋白質(zhì)3圖16-4操縱子和多順反子mRNA3.原核生物基因轉(zhuǎn)錄的特異性由σ因子決定

大腸桿菌RNA聚合酶由核心酶（α2ββ‘ω）和σ因子組成。σ因子協(xié)助核心酶識別并結(jié)合啟動子，啟動轉(zhuǎn)錄。不同的σ因子可以競爭結(jié)合核心酶，以決定哪個基因被轉(zhuǎn)錄。環(huán)境變化可以誘導(dǎo)產(chǎn)生特定的σ因子，啟動轉(zhuǎn)錄特定基因。

4.原核生物基因表達存在正調(diào)控和負調(diào)控

基因表達調(diào)控是通過調(diào)控蛋白與調(diào)控序列的直接結(jié)合實現(xiàn)的。如果結(jié)合的結(jié)果促進基因表達，則為正調(diào)控（positivecontrol）；如果結(jié)合的結(jié)果阻抑基因表達，則為負調(diào)控（negativecontrol）。原核生物基因表達既存在正調(diào)控，又存在負調(diào)控。

二、原核生物轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控——操縱子學(xué)說

（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)

E.coli

的乳糖操縱子包含Z、Y、A三個結(jié)構(gòu)基因，分別編碼β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）、乳糖通透酶（lactosepermease）和硫代半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰基酶（thiogalactoside

transacetylase）。PIIPOZYADNAmRNA阻遏蛋白IPOZYADNA別乳糖或IPTGIPOZYAmRNA（a）（b）RNA聚合酶RNA聚合酶RNA聚合酶圖16-5lac

操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)

（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)

E.coli的乳糖操縱子包含Z、Y、A三個結(jié)構(gòu)基因，分別編碼β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）、乳糖通透酶（lactosepermease）和硫代半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰基酶（thiogalactoside

transacetylase）。(a)有葡萄糖，無乳糖PIICAP結(jié)合位點OZYACAP阻遏蛋白無轉(zhuǎn)錄(b)有葡萄糖，有乳糖PIICAP結(jié)合位點OZYACAPP阻遏蛋白很少的mRNA轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)劑RNA聚合酶RNA聚合酶P(c)無葡萄糖，有乳糖PIICAP結(jié)合位點OZYACAPP大量的mRNA轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白誘導(dǎo)劑RNA聚合酶圖16-6CAP、阻遏蛋白、cAMP、和誘導(dǎo)劑對lac

操縱子的調(diào)節(jié)(a)當葡萄糖存在，沒有乳糖存在時，阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄，CAP不能發(fā)揮作用；(b)當乳糖存在時，去阻遏；但因有葡萄糖存在，CAP不能發(fā)揮作用；(c)當葡萄糖不存在，乳糖存在時，即去阻遏，CAP又能發(fā)揮作用，對lac操縱子有強的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)三、原核生物翻譯水平的調(diào)控

1.蛋白質(zhì)分子結(jié)合于啟動序列或啟動序列周圍進行自我調(diào)節(jié)2.反義RNA結(jié)合mRNA翻譯起始部位互補序列對翻譯進行調(diào)節(jié)第三節(jié)真核生物基因表達調(diào)控

一、真核生物基因表達調(diào)控的特點

1.基因激活與轉(zhuǎn)錄區(qū)染色體結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)2.轉(zhuǎn)錄和翻譯分隔進行，具有時空差別3.轉(zhuǎn)錄后加工更復(fù)雜4.既有瞬時調(diào)控又有發(fā)育調(diào)控5.轉(zhuǎn)錄調(diào)控以正調(diào)控為主

二、真核生物DNA水平的調(diào)控

1.染色體結(jié)構(gòu)改變2.DNA甲基化3.基因重排4.基因擴增5.染色體丟失三、真核生物轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

（一）調(diào)控序列

1.啟動子2.增強子3.沉默子

（二）調(diào)控蛋白