-基因表达调控.pptx

基基 因因 表表 达达 调调 控控Regulation control of Gene Expression 第一节第一节 概概 述述一一、基因表达的概念基因表达的概念本节介绍本节介绍5 5方面内容方面内容:三、基因表达的方式三、基因表达的方式四、基因表达的多级调控四、基因表达的多级调控二、基因表达的特性二、基因表达的特性 基因经过转录、翻译，产生具有特异生物基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。对某些基因而学功能的蛋白质分子的过程。对某些基因而言言,基因的表达只有转录的过程。基因的表达只有转录的过程。*基因表达基因表达（gene expresiongene expresion）基因表达是受调控的基因表达是受调控的 一一 、基因表达的概念、基因表达的概念基因表达调控（基因表达调控（gene expression gene expression regulation and controlregulation and control）指通过生物体内的调控系统来调节和控制指通过生物体内的调控系统来调节和控制体内蛋白质的含量与活性，使之在特定的时间、体内蛋白质的含量与活性，使之在特定的时间、特定的空间、并以一定的强度出现，以适应机特定的空间、并以一定的强度出现，以适应机体生长、发育和繁殖的需要。体生长、发育和繁殖的需要。二、基因表达的特性二、基因表达的特性（一）（一）时间特异性时间特异性 在单细胞生物，按功能需要，某一特定基因在单细胞生物，按功能需要，某一特定基因的表达随时间、环境而变化，严格按特定的时的表达随时间、环境而变化，严格按特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。在在多多细胞生物，从受精卵到组织器官形成的细胞生物，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，表现与发育阶段一致的时间顺序开启或关闭，表现与发育阶段一致的时间性。因此，在多细胞生物，基因表达的时间特性。因此，在多细胞生物，基因表达的时间特异性又称异性又称阶段特异性阶段特异性。（二）（二）空间特异性空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这种按一定空间顺序不同组织空间顺序出现，这种按一定空间顺序出现的基因表达称空间特异性。出现的基因表达称空间特异性。三、基因表达的方式三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一一）组成性表达组成性表达 无论表达水平高低，管家基因无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素较少受环境因素影响影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎，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基因，这类基因表达被视为组成性表达组成性表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达表达,通常被称为通常被称为管家基因管家基因。(housekeeping gene housekeeping gene)（二）（二）诱导和阻遏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，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，这种基因称为基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为为诱导（诱导（induction）。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物降低的。可阻遏基因表达产物降低的过程称为过程称为阻遏（阻遏（repression）。在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无在一定机制控制下，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、相互配合、论其为何种表达方式，均需协调一致、相互配合、共同表达，即为共同表达，即为协调表达协调表达 （coordinate expressioncoordinate expression）这种调节称为协调调节这种调节称为协调调节（coordinate regulationcoordinate regulation）（三）协调表达（三）协调表达四、基因表达的多级调控四、基因表达的多级调控 基因基因激活激活转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNAmRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰（一）（一）DNADNA水平的调控水平的调控 包括基因扩增（拷贝数增多）、基因重排、基因包括基因扩增（拷贝数增多）、基因重排、基因结构的活化等。真核基因组结构的活化等。真核基因组DNADNA与组蛋白组成核与组蛋白组成核小体，核小体串联为染色质，染色质再密集为染小体，核小体串联为染色质，染色质再密集为染色体色体,RNApol,RNApol分子量分子量500kD500kD，核小体分子量仅，核小体分子量仅260kD260kD，核小体绕在，核小体绕在4 4对组蛋白所组成的八聚体核对组蛋白所组成的八聚体核心外两周，心外两周，DNADNA还要围绕核小体盘旋两周还要围绕核小体盘旋两周。DNADNA必须部分暴露才能使必须部分暴露才能使RNApolRNApol有效的结合，有效的结合，转录起始前基因必须进入活性状态才能起始转录。转录起始前基因必须进入活性状态才能起始转录。（二）转录水平的调控（二）转录水平的调控 转录水平的调控是基因表达调控中转录水平的调控是基因表达调控中最重要的环节最重要的环节，转录的起始是转录的起始是基本的控制点基本的控制点。转录起始调控在很多转录起始调控在很多基因表达中普遍发生，这是因为：基因表达中普遍发生，这是因为：在所有生物合在所有生物合成途径中，第一步反应通常是最有效的调节环节，成途径中，第一步反应通常是最有效的调节环节，控制反应途径的第一步反应通常可减少不必要的生控制反应途径的第一步反应通常可减少不必要的生物合成，节约原料，合理用能；物合成，节约原料，合理用能；在功能方面相互在功能方面相互依赖的数个蛋白质编码基因串联为复合基因（如依赖的数个蛋白质编码基因串联为复合基因（如LacLac操纵子），此时通过转录起始阶段调节这些基操纵子），此时通过转录起始阶段调节这些基因产物的表达是最有效的。因产物的表达是最有效的。（三）转录后水平的调控（三）转录后水平的调控 指转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、指转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、加工过程。包括转录提前终止、加工过程。包括转录提前终止、mRNAmRNA前体的加前体的加工、剪接、工、剪接、RNARNA编辑等。对大多数基因来说，基编辑等。对大多数基因来说，基因转录水平的调控是最重要的。但对某些基因来因转录水平的调控是最重要的。但对某些基因来说，说，转录后水平的调控在决定细胞的表型多样化转录后水平的调控在决定细胞的表型多样化和蛋白质结构与功能上和蛋白质结构与功能上也是也是十分关键的十分关键的。如肌钙。如肌钙蛋白有蛋白有2020种同源蛋白，这种变异是由于转录后变种同源蛋白，这种变异是由于转录后变位剪接造成的。位剪接造成的。（四）翻译水平的调控（四）翻译水平的调控 通过特异的蛋白质阻断某些通过特异的蛋白质阻断某些mRNAmRNA翻译起始，翻译起始，是一种特异性调节。是一种特异性调节。翻译的起始调控是翻译水平翻译的起始调控是翻译水平调控的主要阶段。调控的主要阶段。（五）翻译后水平的调控（五）翻译后水平的调控 蛋白质合成后，使其活化并发挥生物学功能的调蛋白质合成后，使其活化并发挥生物学功能的调节过程，多数蛋白质的肽链合成后，需经一定的节过程，多数蛋白质的肽链合成后，需经一定的加工和修饰，才能成为具有特定空间构象和生物加工和修饰，才能成为具有特定空间构象和生物学活性的蛋白质。加工包括肽链的折叠、二硫键学活性的蛋白质。加工包括肽链的折叠、二硫键配对，前体激活及肽链中一些残基侧链的修饰等，配对，前体激活及肽链中一些残基侧链的修饰等，这些使蛋白质活化并发挥生物学功能的调节过程这些使蛋白质活化并发挥生物学功能的调节过程称为称为翻译后水平的调控。翻译后水平的调控。第第 二二 节节 原核基因表达调节原核基因表达调节Regulation of gene expression in prokaryotesSection 调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点Characteristics of regulation of transcription in prokaryotic genes（一一）因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白的负性调节（三）阻遏蛋白的负性调节The factor determines the specificity of transcription.Operon is the popular model of regulation in prokaryotes.Negative regulation is that major mode.二、原核生物基因转录起始的调节二、原核生物基因转录起始的调节Regulation in initiation of transcription in prokaryotic genes原核原核结构基因转录调控机制受操纵子控制结构基因转录调控机制受操纵子控制The Operon is the popular regulation mechanism in regulation of prokaryotic gene expression.nThe operon model of prokaryotic gene regulation was proposed by Fancois Jacob and Jacques Monod.Structure of the operonnAn operon consists of an operator 操纵序列,promoter启动子,regulator 调节子,and structural genes.OPIStructural genesPromoterOperatorRegulatorGeneral structure of operon乳糖操纵子调控模式乳糖操纵子调控模式（一一）乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNARegulatory mechanism of Lac operonmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二二）乳糖操纵子受乳糖操纵子受阻遏蛋白和阻遏蛋白和CAPCAP的双重调节的双重调节阻遏基因阻遏基因1.阻遏蛋白负性调节阻遏蛋白负性调节（Negative regulation of repressor）When lactose is absentmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶When lactose is presentgalactosidaserepressorlactoseallolactoseCAP+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时2.CAP的正性调节的正性调节(Positive regulation of CAP)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPWhen glucose is absent,cAMP becomes higher.When glucose is present,cAMP is lower.3.3.协调调节协调调节(Coordinate regulation)当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAP对对该该系系统统不能发挥作用；不能发挥作用；如如无无CAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。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；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。葡葡萄萄糖糖对对 lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分分解解代谢阻遏代谢阻遏(catabolic repression)。当当G G、LacLac、AraAra同时存在，同时存在，细菌优先利用细菌优先利用G G。原。原因是因是G G的代谢产物可的代谢产物可抑制抑制ACAC，激活，激活PDEPDE，使，使cAMPcAMP水水平降低。平降低。ATPcAMP5AMPACPDE cAMPcAMP，CAP+cAMPcAMP-CAPCAP+cAMPcAMP-CAP与操纵与操纵子上子上CAPCAP结合位点结合，促进结合位点结合，促进RNApolRNApol与启动子结合，与启动子结合，引起有效转录。引起有效转录。色氨酸操纵子的调控模式色氨酸操纵子的调控模式色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构 包括包括EDCBA5个结构基因和个结构基因和L基因，结构基因编基因，结构基因编码三种酶，用于合成色氨酸；码三种酶，用于合成色氨酸；L基因编码基因编码14个个aa的前的前导肽。上游调控区包括导肽。上游调控区包括P和和O；另外还有一个调节基；另外还有一个调节基因因(R)编码阻遏蛋白。编码阻遏蛋白。色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制阻遏蛋白的调控作用阻遏蛋白的调控作用 无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，对无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，对转录无抑制作用，有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸结转录无抑制作用，有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸结合变构，与操纵基因结合，抑制转录。合变构，与操纵基因结合，抑制转录。阻遏蛋白的调控作用阻遏蛋白的调控作用trptrp 高时高时trp 低时低时mRNAOPI调节区调节区结构基因结构基因前导肽前导肽衰减子衰减子 色氨酸色氨酸 操纵子操纵子 衰减子的调控作用衰减子的调控作用 L L基因基因的的33端有一个衰减子序列。前导序列端有一个衰减子序列。前导序列转录的转录的mRNAmRNA具有如下特性及功能：具有如下特性及功能：1 1）内含）内含4 4段特殊的短序列段特殊的短序列，序列，序列与与，与与，与与能互补配对形成发夹结构，强弱依次为：能互补配对形成发夹结构，强弱依次为：/。当。当/形成发夹结构，形成发夹结构，/形成形成发夹结构时，紧接着是不依赖发夹结构时，紧接着是不依赖 因子的转录终止信号，使转因子的转录终止信号，使转录终止。录终止。当当/不形成发夹结构，不形成发夹结构，/就形成发夹结构，就形成发夹结构，/就不能形成发夹结构，就不能形成发夹结构，E E、D D、C C、B B、A A基因转录。基因转录。2 2）序列）序列是一个开放阅读框：是一个开放阅读框：转录后立即翻译成转录后立即翻译成1414氨基酸的短肽称作前导肽，氨基酸的短肽称作前导肽，前导肽第前导肽第1010，1111位是两位是两个连续的色氨酸。个连续的色氨酸。当色氨酸缺乏时，无当色氨酸缺乏时，无Trp-tRNATrp-tRNA供给，翻译序列供给，翻译序列时核糖体只好停留在时核糖体只好停留在TrpTrp密码子前，序列密码子前，序列/不不能形成发夹，能形成发夹，/则形成发夹，则形成发夹，/则不能形成则不能形成发夹，发夹，RNARNA持续转录。持续转录。当当TrpTrp浓度高时，核糖体很快翻译序列浓度高时，核糖体很快翻译序列并封闭并封闭序列序列，/形成发夹结构，出现连续形成发夹结构，出现连续U U、RNApolRNApol解离，转录终止。解离，转录终止。衰减子结构衰减子结构 (attenuator)核糖体核糖体新生肽链新生肽链mRNADNA1234UUUU 3 1、当色氨酸浓度高时、当色氨酸浓度高时 trp 密码子密码子转录衰减机制转录衰减机制:512345核糖体核糖体2、当色氨酸浓度低时、当色氨酸浓度低时二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控 （一）（一）SDSD序列对翻译的影响序列对翻译的影响1 1、SDSD序列的定义：序列的定义：SDSD序列是位于序列是位于mRNAmRNA起始密码子起始密码子AUGAUG上游由上游由3-93-9碱基组成的一段核苷酸序列，它是核糖碱基组成的一段核苷酸序列，它是核糖体结合的位点。体结合的位点。2 2、SDSD序列的顺序及位置对翻译的影响序列的顺序及位置对翻译的影响 SD SD序列的存在与否是序列的存在与否是mRNAmRNA在细胞中翻译的决定在细胞中翻译的决定因素因素，缺少，缺少SDSD序列，不能作为模板合成蛋白质。序列，不能作为模板合成蛋白质。SD SD序列的位置是影响翻译效率的重要因素序列的位置是影响翻译效率的重要因素 表达表达IL-2IL-2时，时，LacLac启动子的启动子的SDSD序列距序列距AUGAUG为为7 7个个核苷酸时，核苷酸时，IL-2IL-2表达效率最高，间隔表达效率最高，间隔8 8个核苷酸，表个核苷酸，表达水平降低达水平降低500500倍倍 2 2、隐蔽、隐蔽SDSD序列对翻译的影响序列对翻译的影响 如如SDSD序列处于序列处于mRNAmRNA的二级结构中，核糖体的二级结构中，核糖体不能与之结合，只有打破这种结构，核糖体才能不能与之结合，只有打破这种结构，核糖体才能结合。结合。如红霉素甲基化酶如红霉素甲基化酶mRNAmRNA的结构类似于色氨酸的结构类似于色氨酸操纵子转录下来的操纵子转录下来的mRNAmRNA，含有前导，含有前导mRNAmRNA（内含（内含4 4个特殊短序列，即个特殊短序列，即/、/、/可互补可互补配对形成发夹结构）配对形成发夹结构）无红霉素时无红霉素时，可合成前导肽，核糖体释放，可合成前导肽，核糖体释放，序列序列/、/形成发夹结构，红霉素甲基化形成发夹结构，红霉素甲基化酶编码区的核糖体结合位点位于序列酶编码区的核糖体结合位点位于序列和和形成形成的茎环结构中，不能与核糖体结合，因此的茎环结构中，不能与核糖体结合，因此不能合不能合成红霉素甲基化酶成红霉素甲基化酶。有红霉素时有红霉素时，红霉素与核糖体结合，抑制核糖，红霉素与核糖体结合，抑制核糖体移动，阻止序列体移动，阻止序列/形成发夹结构，序列形成发夹结构，序列/形成发夹结构，红霉素甲基化酶形成发夹结构，红霉素甲基化酶mRNAmRNA的的SDSD序列暴序列暴露，与核糖体结合，露，与核糖体结合，翻译出红霉素甲基化酶翻译出红霉素甲基化酶。（二）（二）mRNAmRNA寿命对翻译的的调控作用寿命对翻译的的调控作用不同的不同的mRNAmRNA有不同的降解速度有不同的降解速度1、降解降解mRNAmRNA的外切酶主要是的外切酶主要是33外切核酸酶外切核酸酶 mRNA mRNA 分子末端的二级结构能阻止分子末端的二级结构能阻止33外切酶外切酶进攻，凡降解终止子发夹结构的突变都造成进攻，凡降解终止子发夹结构的突变都造成mRNAmRNA稳定性降低，终止子除转录终止功能外，稳定性降低，终止子除转录终止功能外，还决定还决定mRNAmRNA的稳定性。的稳定性。2 2、降解降解mRNAmRNA的内切酶主要是的内切酶主要是RNaseRNase 发挥作用需要一定的二级结构特征，如发挥作用需要一定的二级结构特征，如RNaseRNase对对 整合酶基因（整合酶基因（intint）的）的mRNAmRNA降解时就需要转录终止降解时就需要转录终止子序列所形成的发夹结构上又增添一个发夹结构，子序列所形成的发夹结构上又增添一个发夹结构，这个附加的发夹结构恰好构成了这个附加的发夹结构恰好构成了RNaseRNase的识别位的识别位点和切割位点。点和切割位点。（三）翻译产物对翻译的调控作用（三）翻译产物对翻译的调控作用 控制自身控制自身mRNAmRNA的的可翻译性可翻译性，大多是控，大多是控制翻译的起始。制翻译的起始。1 1、RF2RF2合成的自体调控合成的自体调控 利用释放肽链的职能提前终止其利用释放肽链的职能提前终止其mRNAmRNA的翻译。的翻译。RF2RF2由由340aa340aa组成，前组成，前25aa25aa和后和后315aa315aa处于不同阅处于不同阅读框读框,两编码区之间多一个两编码区之间多一个U U，这个，这个U U与第与第2626位氨基位氨基酸（酸（ASPASP）的密码子）的密码子GACGAC的前两个核苷酸构成了的前两个核苷酸构成了RF2RF2所能识别的终止密码子所能识别的终止密码子UGAUGA。当当RF2RF2充足时，充足时，RF2RF2促成肽链合成的提前终止。促成肽链合成的提前终止。当当RF2RF2缺乏时，核糖体向前滑动一个核苷酸，继缺乏时，核糖体向前滑动一个核苷酸，继续合成第续合成第2626个个aaaa，直至基因的最后一个终止密码，直至基因的最后一个终止密码子子UAGUAG，UAGUAG由由RF1RF1识别并促成识别并促成RF2RF2的释放。的释放。RF2RF2合成的自体调控合成的自体调控 利用释放肽链的职能提前终止其利用释放肽链的职能提前终止其mRNA的翻译。的翻译。mRNA GGG UAU CUU UGAC UAC GAC23 24 25 26 27 28RF2 2 2、核糖体蛋白质合成的自体调控、核糖体蛋白质合成的自体调控 E.coliE.coli基因的表达机构中约有基因的表达机构中约有7070余种蛋白质，核余种蛋白质，核糖体蛋白质糖体蛋白质5050多种，绝大多数种类的蛋白质在每个多种，绝大多数种类的蛋白质在每个核糖体只有一个。核糖体只有一个。这些蛋白的编码基因均为单拷贝，它们混合编组这些蛋白的编码基因均为单拷贝，它们混合编组构成若干个操纵子，每个操纵子转录出一种多顺反构成若干个操纵子，每个操纵子转录出一种多顺反子子mRNA,mRNA,以同样的速率翻译出几种蛋白质。其中有以同样的速率翻译出几种蛋白质。其中有一种蛋白质可以结合到多顺反子上游的一个特定部一种蛋白质可以结合到多顺反子上游的一个特定部位，阻止核糖体结合和起始翻译。位，阻止核糖体结合和起始翻译。这种蛋白质称调这种蛋白质称调控蛋白控蛋白，是直接与，是直接与rRNArRNA相结合的蛋白质，结合能力相结合的蛋白质，结合能力各各mRNAmRNA。当核糖体蛋白较少时，调控蛋白优先与当核糖体蛋白较少时，调控蛋白优先与rRNArRNA结合。结合。当核糖体蛋白较多时，多余的调控蛋白就与当核糖体蛋白较多时，多余的调控蛋白就与mRNAmRNA结合结合，核糖体就不能与，核糖体就不能与mRNAmRNA结合，从而降低了有关结合，从而降低了有关基因产物的合成。基因产物的合成。（四）反义（四）反义RNARNA对翻译的调控作用对翻译的调控作用 OmpROmpR基因的产物，基因的产物，OmpROmpR蛋白在不同的渗透压蛋白在不同的渗透压具有不同的构象。渗透压低时，与具有不同的构象。渗透压低时，与OmpFOmpF基因的调基因的调控区结合，对控区结合，对OmpFOmpF基因的表达起正调控作用，基因的表达起正调控作用，OmpF;OmpF;渗透压高时，变构，与渗透压高时，变构，与OmpCOmpC基因调控区基因调控区结合结合,对对OmpCOmpC基因的表达起正调控作用，基因的表达起正调控作用，OmpC OmpC。两种蛋白随渗透压的变化而变化，但两种蛋白总两种蛋白随渗透压的变化而变化，但两种蛋白总量不变量不变。OmpCOmpC基因转录时，基因转录时，OmpCOmpC基因上游有一段基因上游有一段DNADNA序列，以相反方向转录产生一个序列，以相反方向转录产生一个174174个核苷酸个核苷酸的小分子的小分子RNARNA，这个，这个RNARNA能与能与OmpF mRNAOmpF mRNA的前的前导序列中的导序列中的4444个核苷酸（包括个核苷酸（包括SDSD序列及编码区）序列及编码区）形成杂合双链，形成杂合双链，抑制抑制OmpF mRNAOmpF mRNA的翻译的翻译。第三节第三节 真核基因表达调控真核基因表达调控 真核基因的表达调控系统与原核的区别真核基因的表达调控系统与原核的区别：1 1、真核基因数目多，哺乳动物有数万、真核基因数目多，哺乳动物有数万1010万，而万，而E.coliE.coli仅有仅有400040002 2、大量重复序列，可能对基因的表达带来影响、大量重复序列，可能对基因的表达带来影响3 3、真核、真核DNADNA与组蛋白组成核小体结构，并有许多与组蛋白组成核小体结构，并有许多非组蛋白结合。组蛋白、非组蛋白和核小体的组织非组蛋白结合。组蛋白、非组蛋白和核小体的组织状态及核小体的超螺旋结构影响基因的活性。状态及核小体的超螺旋结构影响基因的活性。4 4、真核基因有内含子，转录的、真核基因有内含子，转录的mRNAmRNA都要经拼接都要经拼接加工，细胞可通过对加工，细胞可通过对mRNAmRNA前体的加工与否进行调前体的加工与否进行调节。节。5 5、真核基因转录在细胞核，翻译在胞浆，排除了、真核基因转录在细胞核，翻译在胞浆，排除了转录衰减。转录衰减。6 6、真核、真核mRNAmRNA寿命长，脊椎动物寿命长，脊椎动物mRNAmRNA平均半寿平均半寿期大约为期大约为3 3小时。小时。家蚕丝心蛋白家蚕丝心蛋白mRNAmRNA平均半寿期为几天，血红平均半寿期为几天，血红蛋白蛋白mRNAmRNA十分稳定，在网织红细胞中已没有十分稳定，在网织红细胞中已没有RNARNA合成，但确进行旺盛的翻译活动，为翻译水平的合成，但确进行旺盛的翻译活动，为翻译水平的调控提供了较大的余地。调控提供了较大的余地。7 7、调控范围大：、调控范围大：DNADNA水平水平转录水平转录水平转录后水转录后水平平 翻译水平翻译水平翻译后水平等多层次的调控。翻译后水平等多层次的调控。一、一、DNADNA水平的调控水平的调控1 1、染色质的丢失、染色质的丢失 例如线虫细胞在发育过程中有染色质丢例如线虫细胞在发育过程中有染色质丢失，动物红细胞在发育过程中有染色质丢失。失，动物红细胞在发育过程中有染色质丢失。染色质丢失是不可逆的调控。染色质丢失是不可逆的调控。2 2、基因扩增、基因扩增 例如肿瘤细胞中癌基因大量扩增，例如肿瘤细胞中癌基因大量扩增，DNADNA合成时组蛋白基因扩增。合成时组蛋白基因扩增。3 3、基因重排、基因重排 基因重排是指某些基因片段改变原来存在基因重排是指某些基因片段改变原来存在顺序，通过调整有关基因片段的衔接顺序，再顺序，通过调整有关基因片段的衔接顺序，再重排成为一个完整的转录单位，例如免疫球蛋重排成为一个完整的转录单位，例如免疫球蛋白在白在B B淋巴细胞分化和浆细胞生成过程中的重排。淋巴细胞分化和浆细胞生成过程中的重排。4 4、DNADNA甲基化（基因修饰）甲基化（基因修饰）基因的甲基化与基因的表达呈反比关系。基因的甲基化与基因的表达呈反比关系。DNA DNA 甲基化是哺乳类动物遗传外修饰的重要调控方甲基化是哺乳类动物遗传外修饰的重要调控方式式,也是脊椎动物也是脊椎动物DNA DNA 唯一的自然化学修饰方式。唯一的自然化学修饰方式。所谓所谓DNA DNA 甲基化是指由甲基化是指由DNA DNA 甲基转移酶介导甲基转移酶介导,在胞嘧啶在胞嘧啶(C)(C)5 5 位碳原子上加入一甲基基团位碳原子上加入一甲基基团,使之变成使之变成5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(5-mC)(5-mC)的化学反应。的化学反应。这种反应主要发生在这种反应主要发生在CpGCpG二核苷二核苷酸的胞嘧啶上。哺乳类动物基因组中约酸的胞嘧啶上。哺乳类动物基因组中约5%5%10%10%是是CpG,CpG,其中其中70%70%80%80%是是mCpGmCpG。CpGCpG二核苷酸的聚集称二核苷酸的聚集称CpGCpG岛岛(CpG island)(CpG island)带正电荷的组蛋白与带正电荷的组蛋白与DNA DNA 中带负电荷的磷酸基结合中带负电荷的磷酸基结合,于是组蛋白遮蔽了于是组蛋白遮蔽了DNA DNA 分子分子,降低了降低了DNA DNA 的模板活性。的模板活性。组蛋白的修饰作用可明显解除染色体的抑制作用。已组蛋白的修饰作用可明显解除染色体的抑制作用。已证明高乙酰化组蛋白特异地聚集于活性染色质功能区证明高乙酰化组蛋白特异地聚集于活性染色质功能区,低乙酰化组蛋白聚集于无转录活性的非功能区低乙酰化组蛋白聚集于无转录活性的非功能区,这一结这一结果表明组蛋白乙酰化可激活转录。此外果表明组蛋白乙酰化可激活转录。此外,核小体组蛋白核小体组蛋白乙酰水平升高乙酰水平升高,可使可使DNADNA组蛋白抑制性结构破裂组蛋白抑制性结构破裂,有利有利于基本转录因子与转录起始部位结合。组蛋白的乙酰于基本转录因子与转录起始部位结合。组蛋白的乙酰化使化使RNARNA聚合酶有关的转录因子与聚合酶有关的转录因子与DNADNA模板结合模板结合5.5.组蛋白对基因的封闭作用组蛋白对基因的封闭作用 6 6、染色质结构对基因表达的调控作用、染色质结构对基因表达的调控作用 真核生物的染色体或染色质是由真核生物的染色体或染色质是由DNADNA与与组蛋白、非组蛋白和少量组蛋白、非组蛋白和少量RNARNA及其它物质结及其它物质结合而形成，具有核小体结构。合而形成，具有核小体结构。组蛋白组蛋白N N末端丝氨酸磷酸化，使其带正电荷末端丝氨酸磷酸化，使其带正电荷减少，与减少，与DNADNA结合能力降低，组蛋白中丝氨结合能力降低，组蛋白中丝氨酸和精氨酸的乙酰化，同样使组蛋白带正电荷酸和精氨酸的乙酰化，同样使组蛋白带正电荷减少，与减少，与DNADNA结合能力减弱，从而有利于转结合能力减弱，从而有利于转录。录。特定的非组蛋白可以与组蛋白竞争性地与特定的非组蛋白可以与组蛋白竞争性地与DNADNA结合，解除组蛋白对基因表达的抑制作用。结合，解除组蛋白对基因表达的抑制作用。目前已知的目前已知的许多结合于许多结合于DNADNA的非组蛋白为反式的非组蛋白为反式作用因子。作用因子。转录活性高的基因都位于结构松散的常染色转录活性高的基因都位于结构松散的常染色质中，而不具有转录活性的基因都位于结构紧质中，而不具有转录活性的基因都位于结构紧密的异染色质中。密的异染色质中。二、转录水平的调控二、转录水平的调控 主要通过反式作用因子，顺式作用元主要通过反式作用因子，顺式作用元件和件和RNARNA聚合酶的相互作用来完成的。聚合酶的相互作用来完成的。（一）基因转录水平的顺式作用元件（一）基因转录水平的顺式作用元件 顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting elementscis-acting elements）:指对基指对基因表达有调节活性的因表达有调节活性的DNADNA序列，其活性只影响与序列，其活性只影响与其自身同处在一个其自身同处在一个DNADNA分子上的基因，同时，这分子上的基因，同时，这种种DNADNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。或内含子中。按功能分启动子、增强子和沉默子。按功能分启动子、增强子和沉默子。1 1、启动子（、启动子（promoterpromoter）与基因表达启动相关的顺式作用元件，位于与基因表达启动相关的顺式作用元件，位于基因转录起始点上游。根据启动子中基因转录起始点上游。根据启动子中TATATATA盒的盒的有无分有无分典型的启动子和不典型的启动子典型的启动子和不典型的启动子。典型的启动子典型的启动子：含含TATAboxTATAbox，有时一个基因的启动子上有两个，有时一个基因的启动子上有两个TATAboxTATAbox，它们可分别或有侧重地对不同诱导物，它们可分别或有侧重地对不同诱导物作出应答，在某些情况下，也参与组织特异性的作出应答，在某些情况下，也参与组织特异性的选择，如选择，如-淀粉酶基因在唾液腺和肝脏两种组织淀粉酶基因在唾液腺和肝脏两种组织分别选择了相距分别选择了相距2.8kb2.8kb，转录效率不同的两个转录，转录效率不同的两个转录起始点，保证唾液中酶的活性远高于肝脏。起始点，保证唾液中酶的活性远高于肝脏。不典型的启动子：不典型的启动子：不含不含TATAboxTATAbox，通常含，通常含GCGC序列，如管家基序列，如管家基因的启动子。含这类启动子的结构基因转录起因的启动子。含这类启动子的结构基因转录起始往往是不规则的，并且只有基础水平的表达。始往往是不规则的，并且只有基础水平的表达。2 2、增强子、增强子(enhancer)(enhancer)使基因使基因转录速率显著提高转录速率显著提高的一类顺式元件的一类顺式元件。增。增强子主要通过改变强子主要通过改变DNADNA模板的螺旋结构、为模板的螺旋结构、为DNADNA模板提供特定的局部微环境、或为模板提供特定的局部微环境、或为RNARNA聚合酶和聚合酶和反式作用因子提供一个与某些顺式元件联系的结反式作用因子提供一个与某些顺式元件联系的结构等方式发挥作用。作用特点：构等方式发挥作用。作用特点：无自身方向性及无自身方向性及基因特异性，也不受与基因距离远近的影响。基因特异性，也不受与基因距离远近的影响。3 3、沉默子、沉默子(silencer)(silencer)使基因使基因转录降低或使基因关闭转录降低或使基因关闭的一类顺式作用元件的一类顺式作用元件 （二）基因转录调节的反式作用因子（二）基因转录调节的反式作用因子1 1、反式作用因子的定义、反式作用因子的定义 Trans-acting factorTrans-acting factor：是能直接或间接地识别或：是能直接或间接地识别或结合在各顺式元件的核心序列上，参与调控靶结合在各顺式元件的核心序列上，参与调控靶基因转录效率的基因转录效率的一组序列特异性的一组序列特异性的DNADNA结合蛋结合蛋白。白。2 2、反式作用因子的特点、反式作用因子的特点具有三个功能域：具有三个功能域：DNADNA识别结合域，转录活化识别结合域，转录活化域，调节结构域域，调节结构域具有识别启动子和增强子的功能具有识别启动子和增强子的功能对调节有正向和负向两个方面对调节有正向和负向两个方面 3 3、反式作用因子结构域的模式、反式作用因子结构域的模式DNADNA结合域结合域锌指结构锌指结构(Zinc finger motif)(Zinc finger motif):DNA:DNA结合域中由结合域中由2 2个个CysCys和和2 2个个HisHis或或4 4个个CysCys与一个锌离子借配位键结合与一个锌离子借配位键结合成的成的指状结构指状结构。如。如TF-ATF-A有有9 9个重复的指结构，个重复的指结构，类固醇激素受体家族有类固醇激素受体家族有2 2个指结构。个指结构。最常见的最常见的DNADNA结合域：结合域：1 1、锌指（、锌指（zinc finger）C CysH His常结合常结合GCGC盒盒123表示锌离子表示锌离子 碱性碱性-螺旋结构螺旋结构 如如CTFCTF是结合是结合CCAATCCAAT盒的一种转录因子，其盒的一种转录因子，其DNADNA结合域具有结合域具有-螺旋螺旋，并，并富含碱性氨基酸富含碱性氨基酸。2 2、-螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒 同源结构域同源结构域(Homodamain)(Homodamain)：反式作用因子中由约：反式作用因子中由约6060个左右氨基酸的相同保守序列组成的