第39章基因表达与调控12.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一、概述,每种生物在生长发育和分化的过程中，以及在对外环境的反应中，各种相关基因有条不紊的表达起着至关重要的作用。通过基因表达，DNA中的遗传信息即可用以决定细胞的表型和生物性状。,但是，基因的表达随着组织细胞及个体发育的阶段的不同，随着内外环境的变化的不同，而表现为不同的基因的表达。,基因(gene),:,是一段DNA分子，编码一种多肽链或RNA。,基因组(genome)：,指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,1.,几个重要的概念,基因表达(gene expression)：,在一定调节机制控制下，基因经过转录及翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质或RNA分子的过程。,简单地说，基因表达就是基因的转录和翻译过程。,大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因如,tRNA,和,rRNA,基因表达产物是,RNA,。,阶段特异性（,stage specificity,）,多细胞生物基因表达表现为与分化、发育阶段一致的时间性,因此又称阶段特异性。,如在多细胞生物从受精卵到组织，器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。,空间特异性（,spatial specificity,）,:,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，就是基因表达的空间特异性。,细胞特异性（,cell specificity,）或组织特异性（,tissue specificity,）,:,基因表达的空间特异性又称为细胞特异性或组织特异性，因为基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的。,2.基因表达的方式,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,基本或组成性(constitutive expression)基因表达,某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为,管家基因,(house-keeping 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表达。,诱导和阻遏表达,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时被抑制，这种基因是,可阻遏基因(repressible gene),可阻遏基因表达产物降低的过程称为,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)。,3.基因表达调控的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖,生物体赖以生存的外环境是在不断变化的，为了生存，所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应，调节代谢，以适应环境变化。生物体适应环境、调节代谢的能力与蛋白质分子的生物学功能有关。而蛋白质的水平又受基因表达的调控。,维持个体发育与分化,多细胞生物调节基因的表达除为适应环境外，还有维持组织器官分化、个体发育的功能。,当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器官的发育异常。,二、原核生物基因表达的调节,1.操纵子模型,转录调节普遍采用操纵子模式，原核生物功能相关的基因往往串联地排列在一起，在一个共同的调控区的调节下，一起转录生成一个多顺反子，最终表达产物是一些功能相关的酶或蛋白质，它们一起参与某种底物的代谢或某种产物的合成。,Franois Jacob and Jacques Monod,was awarded the 1965 Nobel,Prize for Physiology or Medicine for discoveries concerning regulatory,activities in bacteria.,操纵子(operon)的结构与功能,I,nhibitor gene,P,S1,S2,S3,启动子,结构基因1，2，3.,O,操纵基因,P,romoter,O,perator gene,S,tructure gene,调控区,结构基因,操纵子,表达,阻遏蛋白,结合,RNA,聚合酶,结合,阻遏蛋白,表达,功能蛋白,?,I,阻遏物（调节）基因,操纵子:基因表达的协调单位,在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合DNA的启动子及RNA聚合酶后，转录才会进行。,在正控诱导系统中,，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。,在正控阻遏系统中,，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。,2.关于正调控与负调控,负转录调控系统,中，调节基因的物质是,阻遏蛋白,(repressor)阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。,负控诱导系统,阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。,负控阻遏系统,阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。,酶的诱导和阻遏操纵子模型,B.有活性阻遏蛋白加诱导剂,A.有活性阻遏蛋白,C.无活性阻遏蛋白,D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂,操纵基因,启动基因,调节基因,结构基因,阻遏蛋白(有活性),阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达,诱导物,诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达,酶蛋白,mRNA,阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达,阻遏蛋白(无活性),酶蛋白,mRNA,代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达,代谢产物,I.酶的诱导,II.酶的阻遏,以,乳糖操纵子为列介绍,原核生物,操纵子调控模式,乳糖操纵子的结构,透过酶,1.,三个结构基因,Z,基因：,编码,-,半乳糖苷酶（,galactosidase,），分解乳糖成为半乳糖和葡萄糖,Y,基因：,编码透过酶（,permease,），使外界乳糖等透过大肠杆菌细胞壁进入细胞内。,A,基因：,编码乙酰基转移酶（,acetylase,），能将乙酰,CoA,上的乙酰基转移到半乳糖上，形成乙酰半乳糖。,2.,三个调节序列：,在结构基因的上游还有一个启动子（,P,）和一个操纵基因（,O,），在启动子上游还有一个分解（代谢）物基因激活蛋白（,catabolite gene activation protein,CAP,）或腺苷酸受体蛋白（,cAMP receptor protein,CRP),结合位点，以及一个调节基因（,I,）（又称,R,基因），调节基因编码阻遏蛋白。,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,3.乳糖操纵子的调节机制,阻遏基因,I.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,实际上，,别乳糖,是lac操纵子转录的活性诱导物。人们发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被-半乳糖苷酶水解的,异丙基硫代半乳糖苷,（isopropyl thiogalactoside：IPTG）起着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以IPTG常用于诱导含有使用了lac启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。,II.,CAP的正性调节,III.CAP,的正性调节,:,CAP,蛋白是一个同二聚体，具有,DNA,结合域和,cAMP,结合位点。当没有葡萄糖存在时，由于,cAMP,的浓度受葡萄糖代谢的调节，,cAMP,浓度表现为较高，这时,cAMP,与,CAP,蛋白结合形成,cAMPCAP,复合物。此复合物可结合在,lac,启动基因上游附近的,CAP,位点上，从而可增强转录达,50,倍之,多。,当培养基中有葡萄糖存在时，,cAMP,浓度较低，,cAMP,与,CAP,蛋白不能形成复合物，也就不能结合到,CAP,位点，,lac,基因的转录水平较低。,由此可见，对,lac,操纵子来说,CAP,是正性调节因素，,lac,阻遏蛋白是负性调节因素。,葡萄糖降解物与cAMP的关系,葡萄糖,分解代谢产物,腺苷酸环化酶,磷酸二酯酶,ATP,cAMP,5-AMP,抑制,激活,乳糖操纵子调控方式的比较,负调控,正调控,调节蛋白,阻遏蛋白,CAP,变构物,别乳糖、乳糖,cAMP,与变构物结合,无活性,有活性,基因位点,O基因,CAP位点,结合于基因位点,基因关闭,基因开放,未,结合于基因位点,基因开放,基因关闭,不,与变构物结合,有活性,无活性,IV.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，操纵子仍无转录活性。,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）。,葡萄糖效应和乳糖诱导,4.衰减子（attenuator）与 转录衰减作用（attenuation）,衰减子,:位于细菌操纵子结构基因上游前导区的终止子。,原核生物中通过翻译前导肽而实现控制DNA的转录的调控方式,称衰减作用,。,以色氨酸（Trp）操纵子为例，衰减子序列位于启动子与Trp操纵子的第一个结构基因间，其mRNA的5端有162个核苷酸的前导序列，当mRNA合成启动后，除非缺乏Trp，否则mRNA仅合成140个核苷酸即终止。,该前导序列编码一小段14肽，其终止区具有潜在的茎环构象和成串的U。,大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制,1,1,1,2,3,2,2,3,3,4,4,4,核糖体,核糖体,转录继续,转录终止,C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位，3与4 碱基配对，转录终止。,B.缺乏色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。,Trp-codon,7US,阻遏和衰减机制虽然都是在转录水平上调节基因表达，但他们的作用机制完全不同，前者控制转录起始，后者控制转录起始后是否继续下去，因此，,衰减作用比阻遏作用的调节更为精细。,5.生长速度的调控,营养丰富，温度适宜时，细菌的生长速度可以很快，在两个细胞尚未分裂的情况下，新一代的DNA已经开始合成，大肠杆菌的倍增时间为25分钟时，平均每个细胞的DNA分子为4.5个，核糖体的数目也很多。,当营养严重缺乏时，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一、二种氨基酸，而是氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。细菌进入严紧控制状态，这是在困难时期获得生存的策略，,被称为严紧控制（stringent control）。,当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活,焦磷酸转移酶,，使,ppGpp,（四磷酸鸟苷，,魔斑I,，magic spot I)或,pppGpp,（五磷酸鸟苷，,魔斑II,，magic spot II)大量合成，其浓度可增加10倍以上。,ppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状况。当环境中出现足够的氨基酸时，pppGpp和ppGpp被迅速降解，RNA和蛋白质的合成很快恢复。,四(五）磷酸鸟苷是控制多种反应的效应分子，最显著的与RNA聚合酶结合，降低rRNA的合成。,ppGpp和pppGpp的合成与作用,GDP,6.基因表达的时序调控,噬菌体基因表达的时序调控研究较深入，其,50,个基因组成,4,个操纵子。,阻遏蛋白操纵子,左早期操纵子,右早期操纵子,晚期操纵子,噬菌体的调节基因和转录产物,c,I、,cro、N、Q,以及,c,II和,c,III为,调节基因,。pL和pR为左右,启动子,；oL和oR分左右,操纵基因,。nutL和nutR为,N蛋白结合位点,；qut为,Q,蛋白结合位点,；tL,1、,tR,1、,tR,2、,tR,3、,tR,4,为左右中止子。L,1、,L,2、,L,3、,R,1、,R,2、,R,3、,R,4,和R,5,分别为左右操纵子的转录产物。,左向转录的为L链，右向转录的为R链。当,噬菌体侵入宿主细胞后，溶原和裂解途径的最初过程一样，前早期(,cro，N,）,和后早期的基因首先表达。,随后，,若晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环,，,若合成阻遏蛋白，则进入溶原状态,。,右早期操纵子的调节基因,cro,可抑制溶原型阻遏蛋白cI的合成，使噬菌体进入裂解循环，,噬菌体对两个生活史的的选择取决于cI和cro的拮抗。,紫外线和42度高温等可钝化cI，结果进入裂解循环。,左早期操纵子的调节基因N的表达产物为抗终止子，使前早期基因的转录越过终止信号进入后早期基因，后早期基因包括左、右早期操纵子的3个调节基因，c/c与建立溶原状态的阻遏蛋白的合成有关，Q调节基因的产物亦为抗终止子，使晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环。,7.翻译水平的调节和反义RNA,翻译水平的调节的调节包括：不同mRNA的翻译能力差异、翻译的阻遏和反义RNA的调节,某些RNA分子也可调节基因表达,这种,RNA称为调节RNA,.,细菌中有种称为,反义RNA,的调节RNA,含有与特定 mRNA 翻译起始部位互补的序列,通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合,抑制翻译起始,这类RNA又称作,干扰mRNA的互补RNA,(mRNA interfering complementary RNA,micRNA),这种调节称为,反义控制,(antisense control)。,Mizuno等发现在,E.coli,中有两个膜蛋白质OmpF、OmpC，当渗透压高时，F低而C高。两个基因受OmpR调节（与渗透压感受有关），发现一种小分子RNA，micRNA，大约174核苷酸，可与OmpF的mRNA的5端互补，直接干扰模板的翻译能力，抑制后者的翻译。,EnvZ(,感受器,),细胞膜,OmpC,活化,(,高压,),OmpR,(,正调控因子,),m,icF,10,35,10,35,OmpC,MicF,OmpF,174b RNA,mRNA interfering,complementary RNA,低压时,OmpF,在,E.coli,中通过反义,RNA,来调控膜蛋白的合成,三.真核基因表达,调节,一、真核基因组结构特点,真,核基因组结构庞大，染色体结构,具有多个复制起点,.,单顺反子,含有大量重复序列,基因不连续性，内含子，外显子,非编码区较多（占,80,90,）,转录与翻译分隔进行,转录后修饰加工,1、真核基因组结构特点,真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没有特定生物学功能的DNA片段，可占整个基因组DNA的90%。根据重复频率可将其分为高度重复序列、中度重复序列和单拷贝序列。,单拷贝序列（一次或数次）,高度重复序列,（,10 次,）,6,中度重复序列,（,10,10 次,）,4,3,多拷贝序列,关于C值悖理（C value paradox),生物体的单倍体基因组所含DNA总量称为C值。生物进化总体趋势是C值不断增加。但生物基因组的大小同生物在进化上所处地位并不完全比例增加，如鱼类和两栖类的C值远远高于哺乳类，这种现象称为C值悖理。,2.真核基因表达调节,DNA,转录初产物RNA,mRNA,蛋白质前体,mRNA降解物,活性蛋白质,1.转录前,调节,2.转录调节,3.转录后加工的调节,5.翻译调节,6.mRNA降解,调节,7.翻译后加工的调节,核,细胞质,4.转运调节,真核基因表达调控的七个水平,转录,前,水平调节,1,）,染色体丢失,某些低等真核生物,e.g.,蛔虫早期卵裂阶段分裂细胞,除一个将来成为生殖细胞外，均将异染色质部分删除。,2,）,基因扩增,e.g.,非洲爪蟾卵的卵母细胞，在核仁周围大量积累,rDNA,拷贝数可增至,15002000000,。胚胎发育开始后，这些,rDNA,逐渐消失,3,）,基因重排,e.g.,产生抗体的淋巴细胞在发育过程中的基因重排现象。,4,）,DNA,的修饰和异染色质化,真核生物通过异染色质化关闭某些基因；非活性区甲基化,程度高，主要是,5-mC,，少量,6-mA,。,转录,活性的,调节,1,）染色体质的活化,活化的染色质,DNA,会出现一些,DNaseI,超敏位点，常出现在调节蛋白结合位点附近。,在真核,DNA,有约,5%,的胞嘧啶被甲基化为,5,甲基胞嘧啶，这种甲基化最常发生在某些基因,5,侧翼区的,CpG,序列,-,CpG,岛,。但在转录活性区很少甲基化，,DNA,甲基化与基因的表达呈反比关系，管家基因富含,CpG,岛，不被甲基化。,染色质中与转录有关的结构变化称染色质改型（,chromatin remodeling,）,包括组蛋白的酶促乙酰化,/,脱乙酰化。,一般乙酰化与基因活化有关，脱乙酰化与基因沉默有关。,顺式作用元件,(cis-acting element):指在基因调控区域中不需要通过其编码产物而直接控制基因表达的DNA片段，如:启动子、增强子、沉默子、绝缘子。,启动子：,RNA聚合酶结合位点周围的一,组转录控制组件，一个转录起始点有一个以,上功能组件，TATA、CAAT、GC框等，CAAT、,GC框属上游控制元件，,决定基因表达的基础,水平,。,对于可诱导基因，还有对细胞内外信,号作出反应的应答元件（response element),2）启动子和增强子的顺式作用元件,增强子,(,enhancer)：远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列。通过启动子起作用，与距离无关，无方向性，具有组织特异性。,沉默子,(silencer)：负性调节元件，是负调节蛋白的结合位点。,绝缘子,（insulator）：阻止激活或阻遏作用在染色体上的传递，使染色体活性限定在结构域之内。,3）调节转录的反式作用因子,反式作用因子,(trans-acting factor):和调控序列相结合或间接影响其作用的蛋白质因子,统称反式因子。,可分为：,基本(通用）转录因子,(basal transcription,factor):与RNA Pol一起形成转录起始复合物。,上游因子,（upstream factor)：结合在启动子和增强子的上游结合位点。,可诱导因子,（inducible factor)：与应答元件相互作用。,有些因子活性受修饰控制，如磷酸化激活。,反式作用因子的结构,DNA结合结构域,转录激活域,蛋白质蛋白质结合域（二聚化结构域）,DNA结合结构域有共同的结构特征,1）,螺旋-转角-螺旋,(Helix-turn-helix,HTH）。,最常见DNA结合域之一，螺旋识别、进入,DNA双螺旋结构的大沟。,2),锌指,（Zinc-finger）:每个约有30个AA残基，其中4个AA残基（2个Cys，2个His或4个Cys）,配位键,Zn,2+,锌指,与DNA双螺旋大沟结合（如:TFIIIA,是5SrRNA转录必须的）。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,蛋白质,3),亮氨酸拉链,(Leucine-zippers):一段肽链中每隔7个AA即有一个Leu,螺旋。亲水面：亲水AA组成，,疏水面：Leu组成（亮氨酸拉链条）。可形成二聚体（发挥作用）。同二聚体/异二聚体）。DNA的结合域：拉链区以外结构（碱性氨基酸），磷酸化可增加其活性。,4),螺旋-环-螺旋,(helix-loop-helix,HLH):-螺旋有兼性,形成二聚体,有利于其与DNA结合，N末端碱性氨基酸与DNA结合。,二聚体,螺旋,螺旋,环,转录后水平的调节,(mRNA,的加工）,翻译水平调节,主要是控制,mRNA,的,稳定性和,有选择的翻译,翻译后水平调节,蛋白质的加工与修饰,原核与真核基因表达调控特点比较,原核基因转录调节特点,真核基因表达调控特点,一种RNA-pol,决定 三种RNA-pol,识别特异性,操纵子模型的普遍性 活性染色体结构发生变化,阻遏蛋白与阻遏机 正性调节占主导,制的普遍性,转录与翻译相偶连 转录与翻译分割进行,转录后修饰加工简单 转录后修饰加工复杂,