生物化学和分子生物学：第十八章基因表达调控.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,5/13/2021,#,第十八章,基因表达调控,本章主要内容：,1.,基因表达及调控相关的概念,2.,操纵子是原核生物转录的基本单元,3.,原核基因表达的调控方式,4.,真核基因表达的多层次复杂调控,5.,调控,RNA,在真核基因表达调控中的作用,第一节 基因表达与基因表达调控的基本概念与特点,基因表达,(gene expression),是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。,基因表达调控（,regulation of gene expression):,细胞或生物体接受内外环境信号刺激时或适应环境变化过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制。,基因表达及调控的特点：,1.,基因表达具有时间特异性和空间特异性；,2.,基因表达的方式存在多样性,3.,基因表达受顺式作用元件和,反式作用因子共同调节,4.,基因表达调控呈现多层次和复杂性。,胰腺,vs,肝脏的高表达基因,一、基因表达具有时间特异性和空间特异性,1.,时间特异性,按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的,时间特异性,(temporal specificity),。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称,阶段特异性,(stage specificity),。,2.,空间特异性,同一个体不同器官、组织和细胞出现的基因特异性表达称为,差异基因表达,(differential gene expression),。,基因表达谱,(gene expression profile),指个体、器官、组织或细胞中基因表达的种类和强度。,在个体生长、发育过程中，一种基因在不同的组织或器官顺序表达，,称之为基因表达的,空间特异性,(spatial specificity),，又称为,细胞,或,组织特异性,(cell or tissue specificity),。,二、基因表达的方式存在多样性,组成型表达,(constitutive expression),诱导表达,(inducible expression),阻遏表达,(expression repressed),协调表达,(coordinated expression),（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为,管家基因,(housekeeping gene),。,无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为,组成性基因表达,(constitutive gene expression),。,（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏,在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为,可诱导基因,(,inducible gene,),。,可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为,诱导,(induction),。,如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是,可阻遏基因,(repressible gene),。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为,阻遏,(repression),。,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为,协调表达,(coordinate expression),，这种调节称为,协调调节,(coordinate regulation),。,（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节,四、基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节,基因表达的调节与,基因,的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外,环境,，以及细胞内所存在的,转录调节蛋白,有关。,（一）特异,DNA,序列决定基因的转录活性,（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性,调节基因产物不仅能对处于同一条,DNA,链上的结构基因的表达进行调控，而且还能对不在一条,DNA,链上的结构基因的表达起到同样的作用，这些蛋白质因子称为,反式作用因子,（,是指能直接或间接地识别或结合各类顺式作用元件参与调控靶基因转录效率的蛋白质,）。,调节序列与被调控的编码序列位于同一条,DNA,链上，被称为,顺式作用元件,（,存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列,）,。,顺式作用元件（,cis-acting element),与反式作用因子,(trans-acting factor),指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的,DNA,结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。,绝大多数调节蛋白质结合,DNA,前，需通过蛋白质,-,蛋白质相互作用，形成,二聚体,(dimer),或,多聚体,(polymer),。,转录调节蛋白通过与,DNA,或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节,五、基因表达调控呈现多层次和复杂性,基因表达的多级调控,基因激活,拷贝数,甲基化程度,转录起始,转录后加工,mRNA,降解,蛋白质翻译,翻译后加工修饰,蛋白质降解等,六、基因表达调控是生物体生长和发育的基础,（一）适应环境、维持生长和增殖,（二）维持细胞分化与个体发育,第 二 节 原核基因表达调控,基因表达调控主要在转录阶段实现,转录水平调控,转录后调控,翻译水平调控,调控区,CAP,结合位点,启动子,操纵元件,结构基因,z,：,-,半乳糖苷酶,y,：通透酶,a,：乙酰基转移酶,分解乳糖的酶,z,y,a,O,P,DNA,I,基因,参与乳糖利用的相关基因串联排列，其转录受到共同调控序列的控制,CAP:catabolite gene activator protein,分解物基因激活蛋白,一、操纵子是原核生物的转录单元,操纵子,(operon),是由功能相关的结构基因及其上游调控序列组成的转录单元，结构基因串联排列、转录受调控序列控制。,调控序列包括启动子,(promoter,P),和操纵序列,(operator,O),。,终止子,结构基因,P,O,调控区,启动子,操纵元件,操纵子,多顺反子,mRNA,(polycistronic mRNA,polycistron),：,mRNA,带有编码几个甚至十几个蛋白质的序列信息，存在于一个操纵子中，一次转录而成。,单顺反子,mRNA(monocistronic mRNA,monocistron),：,mRNA,只带有一个结构基因的信息，编码一种蛋白质。,转录起始是重要且主要的调节环节,1.,因子决定,RNA,聚合酶识别特异性,不同的,因子决定特异基因的转录激活；环境变化可诱导产生特定的,，从而转录一套特定的基因。,70,-RNA,聚合酶,30,：,启动正常基因的表达,32,-RNA,聚合酶,42,合成热激蛋白,-35,区,-10,区,/,/,N,短,N6-7,热激蛋白基因,+1,不能被,70,-RNA,聚合酶识别,RNA,转录起始,-35,区,-10,区,TTGACA,TTAACT,TTTACA,TATGAT,TTTACA,TATGTT,TTGATA,TATAAT,CTGACG,TACTGT,N,17,N,16,N,17,N,16,N,16,N,7,N,7,N,6,N,7,N,6,A,A,A,A,A,trp,tRNA,Tyr,lac,rec,A,Ara,BAD,TTGACA,TATAAT,共有序列,五种,E.coli,启动子的共有序列,2.,启动子,共有序列,决定转录频率,3.,调节基因编码调控蛋白结合基因调控序列调控转录活性,阻遏蛋白,激活蛋白等,原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节,原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。,当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。,操纵序列,阻遏蛋白,(,repressor,),的结合位点,当操纵序列结合有,阻遏蛋白,时，会阻碍,RNA,聚合酶与启动序列的结合，或是,RNA,聚合酶不能沿,DNA,向前移动，阻碍转录。,启动序列,编码序列,操纵序列,pol,阻遏蛋白,激活蛋白,(activator),可结合启动序列邻近的,DNA,序列，促进,RNA,聚合酶与启动序列的结合，增强,RNA,聚合酶活性。,有些基因在没有激活蛋白存在时,，,RNA,聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控,（,一,）,乳糖操纵子,(lac operon),的结构,调控区,CAP,结合位点,启动序列,操纵序列,结构基因,Z,：,-,半乳糖苷酶,Y,：透酶,A,：乙酰基转移酶,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP:catabolite gene activator protein,分解物基因激活蛋白,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,（,二,）,乳糖操纵子受阻遏蛋白和,CAP,的双重调节,阻遏基因,1,、阻遏蛋白的负性调节,mRNA,阻遏蛋白,有乳糖存在时,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,启动转录,mRNA,乳糖,半乳糖,-,半乳糖苷酶,lac,操纵子与阻遏蛋白的负性调节,lac,操纵子诱导剂：半乳糖，别乳糖，异丙基硫代半乳糖苷,+,转录,无葡萄糖，,cAMP,浓度高时,有葡萄糖，,cAMP,浓度低时,2,、,CAP,的正性调节,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,3,、,协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，,CAP,对该系统不能发挥作用。,如无,CAP,存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子转录活性极低。,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖,/,乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对,lac,操纵子的阻遏作用称,分解代谢阻遏,(catabolic repression),。,mRNA,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低,cAMP,浓度高,葡萄糖高,cAMP,浓度低,RNA-pol,O,O,O,O,大肠杆菌二阶段生长现象,Trp,Tr,p,高时,Trp,低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA,聚合酶,RNA,聚合酶,色氨酸操纵子的作用原理,操纵子关闭,Trp,Trp,高时,Trp,低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA,聚合酶,RNA,聚合酶,?,UUUU,UUUU,调节区,结构基因,trpR,O,P,前导序列,衰减子区域,UUUU,前导,mRNA,1,2,3,4,衰减子结构,第,10,、,11,密码子为,trp,密码子,终止密码子,14aa,前导肽编码区,:,包含序列,1,形成发夹结构能力强弱：,序列,1/2,序列,2/3,序列,3/4,trp,密码子,UUUU,三、,色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达,当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,色氨酰,-tRNA,充足,UUUU,3,4,UUUU 3,3,4,核糖体,前导肽,前导,mRNA,1,2,5,trp,密码子,衰减子结构,就是终止子,可使转录,前导,DNA,UUUU 3,RNA,聚合酶,终止,当色氨酸浓度低时,Trp,合成酶系相关结构基因被转录,色氨酰,-tRNA,缺乏,UUUU,3,4,2,4,2,3,UUUU,核糖体,前导肽,1,5,trp,密码子,结构基因,前导,DNA,RNA,聚合酶,序列,3,、,4,不能形成衰减子结构,前导,mRNA,色氨酸操纵子的弱化机制是基于转录与翻译的偶联,四、原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制,（,一,）不依赖,Rho,因子的转录终止,（二）依赖,Rho,因子的转录终止,两段富含,GC,的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；,下游含一系列,T,序列。,终止子结构特点：,五、原核生物在翻译水平的多个环节受到精细调控,（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性,（二）蛋白质分子结合于启动子或启动子周围进行自我调节,（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身,mRNA,的结合实现对翻译起,始的调控,（四）反义,RNA,结合,mRNA,翻译起始部位互补序列以调节翻,译起始,（五）,mRNA,密码子的编码频率影响翻译速度,第 三 节 真核基因表达调控,转录水平调控,转录后调控,翻译水平调控,染色质水平调控,一、真核基因表达的多水平调控,常染色质区内基因有转录活性,组蛋白修饰改变染色质活性,转录活性基因启动子区甲基化程度低,非编码,RNA,参与调控染色质结构,染色质水平调控,二、染色质结构与真核基因表达密切相关,1.,转录活化的染色质存在核酸酶超敏位点,2.,转录活化染色质的组蛋白发生改变,富含,Lys,组蛋白,H1,水平降低,H2AH2B,二聚体不稳定性增加,组蛋白,H3,、,H4,发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等修饰,组蛋白修饰影响基因表达影响的机制：直接影响染色质或核小体的结构；征集转录调控因子。,“,组蛋白密码,”,假说。,组蛋白乙酰化酶,(histone acetyltransferase,HAT):,乙酰化组蛋白，促使染色质结构松弛，有利于基因的转录，是,转录辅激活因子（,coactivator,）,组蛋白去乙酰化酶（,histone deacetylase,HDAC):,促进组蛋白去乙酰化，抑制转录，是,转录辅抑制因子（,corepressor,）,CpG,岛：基因上游调控区存在的一段富含,CpG,的序列。,甲基化程度和范围通常与基因表达水平呈反比。,3.,转录活性基因上游调控序列,CpG,岛甲基化程度降低,DNA,甲基转移酶,DNA,去甲基化酶,组蛋白或,DNA,特异性位点的化学修饰可引发染色质结构改变，即,染色质重塑（,chromatin remodeling,）,（亦称核小体重塑）。,染色质重塑,（,chromatin remodeling,）,表观遗传学是指在基因组序列不变的情况下，可以决定基因表达与否、并可稳定遗传下去的调控密码。,表观遗传学,（,epigenetics,）,转录水平调控,顺式作用元件调控转录起始的,DNA,序列,转录激活因子可激活或促进基因转录起始,转录抑制因子可抑制基因转录起始,RNA,聚合酶,CTD,的磷酸化,促进转录延长,CTD,进一步磷酸化可挽救不成功的转录起始,三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调控部位,顺式作用元件,（,Cis-acting elements,）,启动子（,promoter,）,增强子（,enhancer,）,沉默子（,silencer,）,顺式作用元件,：影响自身基因表达活性的,DNA,序列。,（,一）真核生物启动子结构和调节远较原核生物复杂,转录起始点,TATA,盒,CAAT,盒,GC,盒,增强子,AATAAA,OCT-1,八聚体,+1,核心启动子,上游启动子元件,启动子,核心启动子,:,保证,RNA,聚合酶起始转录所必需的、最小的,DNA,序列。,上游启动子元件：,与特异性转录因子结合调节转录起始的频率，从而影响转录效率。,不同基因启动子元件的组成和数量是可变的,（,二）增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件,（,三）沉默子能够抑制基因的转录,负性调控元件；,促进局部染色质形成致密结构，从而阻止转录激活因子与,DNA,结合；,同反式作用因子结合，阻断增强子及反式激活因子的作用，从而抑制基因的转录活性,四、,转录因子是转录调控的关键分子,反式作用因子（,Trans-acting factor,）,顺式作用蛋白（,Cis-acting protein,）,（二）特异转录因子,为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。,转录激活因子,转录抑制因子,（一）通用转录因子,（三）转录因子作用的结构特点,DNA,结合域,转录激活域,TF,蛋白质,-,蛋白质结合域,（二聚化结构域）,谷氨酰胺富含域,酸性激活域,脯氨酸富含域,1.,转录因子的,DNA,结合结构域主要有以下几种,常结合,GC,盒,4,个氨基酸残基与二价,Zn,2+,之间形成配位键，,指部深入,DNA,双螺旋的大沟内，接触,5,个核苷酸,（,1,）锌指结构,(zinc finger),（,2,）碱性螺旋,-,环,-,螺旋,(basic helix-loop-helix,bHLH),两个,-,螺旋，以二聚体形式存在，两个,-,螺旋的碱性区分别嵌入,DNA,双螺旋的大沟,两条肽链借助疏水力形成二聚体，形同拉链一样；,N-,端富含碱性氨基酸，结合,DNA,的磷酸基团,（,3,）碱性亮氨酸拉链,（,basic leucine zipper,bZIP,）,每,6,个氨基酸出现一个,Leu,，形成,-,螺旋时每两周出现一个,Leu,，且位于同一侧；,真核,RNA,聚合酶,在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。,Pol,TFH,TAF,TFF,TAF,TAF,TFA,TFB,TBP,DNA,TATA,EBP,TBP,转录起始复合物的形成,五、转录起始复合物的动态构成转录调控的主要方式,转录后调控,mRNA 5-,端,加帽和脱帽,的调控,CTD,参与调节,RNA,的转录后加工,剪接过程受调控元件和调控因子的调控,mRNA 3-,端加尾的调控,mRNA,转运及细胞质定位,的调控,mRNA,稳定性,的调控,六、转录后调控主要影响真核,mRNA,的结构与功能,（一）,mRNA,的稳定性影响真核生物基因表达,（二）一些非编码小分子,RNA,可引起转录后基因沉默,（三）,mRNA,前体的选择性剪接可以调节真核生物,基因表达,mRNA,自身序列可调控,mRNA,稳定性,5,-,端帽结构,3,-UTR,poly(A),尾,编码区,5,-UTR,翻译调控,翻译起始因子的磷酸化调节翻译,RBP,通过与,mRNA,的,UTR,结合而抑制翻译,mRNA,通过,5-AUG,调控翻译起始效率,miRISC,结合靶,mRNA,而抑制翻译,lncRNA,可调控,mRNA,的翻译,七、真核基因表达的翻译调控,（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行,蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（,eukaryotic initiation factor,eIF,）的活性对起始阶段有重要的控制作用。,eIF-2,亚基磷酸化抑制翻译起始,（二）,RNA,结合蛋白参与了对翻译起始的调节,RNA,结合蛋白（,RNA binding protein,RBP,），是指那些能够与,RNA,特异序列结合的蛋白质。,基因表达的许多调节环节都有,RBP,的参与，如前述转录终止、,RNA,剪接、,RNA,转运、,RNA,胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。,（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达,新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素,。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。,许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性,。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。,（四）小分子,RNA,对基因表达的调节十分复杂,1,微小,RNA(microRNA,miRNA),其长度一般为,2025,个碱基；,在不同生物体中普遍存在；,其序列在不同生物中具有一定的保守性；,具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；,miRNA,基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中。,miRNA,调控基因表达的机制,miRNA,可通过促进脱腺苷化作用而促进,mRNA,降解,接近,或,完全互补的,miRNA,促进,AGO2,蛋白剪切,mRNA,miRNA,抑制,mRNA,翻译,细胞内一类双链,RNA(double-stranded RNA,，,dsRNA),通过一定酶切机制转变为具有特定长度,(2123,个碱基,),和特定序列的小片段,RNA,。,siRNA,参与,RISC,组成，与特异的靶,mRNA,完全互补结合，导致靶,mRNA,降解，阻断翻译过程。,由,siRNA,介导的基因表达抑制作用被称为,RNA,干涉,(RNA interference,，,RNAi),。,2,小干扰,RNA(small interfering RNA,siRNA),siRNA,miRNA,前体,内源或外源长双链,RNA,诱导产生,内源发夹环结构的转录产物,结构,双链分子,单链分子,功能,降解,mRNA,阻遏其翻译,靶,mRNA,结合,需完全互补,不需完全互补,生物学效应,抑制转座子活性和病毒感染,发育过程的调节,siRNA,和,miRNA,的差异比较,募集特定蛋白因子而促进,mRNA,降解,竞争结合,RNA,稳定蛋白而促进,mRNA,降解,3,lncRNA(long non-coding RNA),