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1、第 十 三 章,基因表达调控,Regulation of Gene Expression,目 录,第 一 节基本概念与原理,Basic Conceptions and Principle,一、基因表达的概念,* 基因组(genome) 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,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。,* 基因表达(gene expression),基因表达是受调控的,目 录,二、基因表达的特异性,（一）时间特异性,目 录,（二）空间特异性,基因表达伴随时间、空间顺序所表现出的这种空间分布差异，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细胞
2、或组织特异性(cell or tissue 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，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,目 录,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：,（一）组成性表达,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 exp
3、ression)。,（二）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。,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。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)。,四、基因表达调控的生物学意义,（一）适应环境、维持生长和增殖,（
4、二）维持个体发育与分化,第二节 基因表达调控的基本原理,一、基因表达调控的多层次和复杂性,基因激活,转录起始 转录后加工 mRNA降解,转录起始,二、基因转录激活调节基本要素,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均有关。,（一）特异DNA序列和调节蛋白质,原核生物, 操纵子(operon) 机制,共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小。,某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。,2 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
5、白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。,3) 其他调节序列、调节蛋白,例如,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。,真核生物,不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列 ，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,2) 真核基因的调节蛋白,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。,由某一基因表达产生的蛋白
6、质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。,反式作用因子(trans-acting factor),这种调节作用称为反式作用。,反式调节,顺式调节,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)。,3. RNA聚合酶, 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性,RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。, 调节蛋白与RNA聚合酶活性,一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DN
7、A-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。,第 三 节 原核基因表达调节,Regulation of Prokaryotic Gene Expression,（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性,（二）操纵子模型的普遍性,（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,二、乳糖操纵子调节机制,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,没有乳糖存在时,（二）阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,（三）CAP的正性调节,（四）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
8、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)。,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,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,?,三、其他转录调节机制,（一）转录衰减,色氨酸操纵子,前导序列,第10、11密码子为trp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,UUUU 3,前导肽,前
9、导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,（二）基因重组,沙门菌鞭毛素基因的调节,（三）SOS反应,紫外线,与DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质,DNA,四、原核生物翻译水平调节,（一）蛋白质分子的自我调节 调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，故称自我控制（autogenous control）。 （二）反义RNA对翻译的调节作用 反
10、义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，称为反义控制（antisense control） 。,第 四 节 真核基因表达调节,Regulation of Eukaryotic Gene Expression,一、真核基因组结构特点,（一）真核基因组结构庞大,（二）单顺反子,单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。,（三）重复序列,（四）基因不连续性,二、真核基因表达调控特点,（一）RNA聚合酶,（二）活性染色体结构变化,1. 对核酸酶敏感,活
11、化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。,2. DNA拓扑结构变化,天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；,基因活化后,3. DNA碱基修饰变化,4. 组蛋白变化, 富含Lys组蛋白水平降低 H2A, H2B二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰：乙酰化、磷酸化及泛素化 H3组蛋白巯基暴露,（三）正性调节占主导,（四）转录与翻译分隔进行,（五）转录后修饰、加工,三、RNA pol和RNA pol的转录调节,RNA pol转录产物为rRNA前体，RNA pol转录产物为tRNA前体及5SrRNA等。 （一）RNA pol转录体系的控制 人rRNA前体基因的启动子只有两个元件，一个位于转录起始点附近
12、，称为核心元件或核心启动子；另一个元件位于起始点上游，称上游控制元件（UCE)。 （二）RNA pol转录体系的控制 tRNA基因的ICR主要由A盒（TGGCNNAGTGG)和B盒（GGTTCGANNCC)两个元件组成，需TFB,C。 5SrRNA的转录起始需三种转录因子TFA,B,C,四、RNA pol转录起始的调节,（一）顺式作用元件,1. 启动子,真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。,（二）反式作用因子,1. 转录调节因子分类（按功能特性）,* 基本转录因子(general transcription factors)
13、,是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。,* 特异转录因子(special transcription factors),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,2. 转录调节因子结构,最常见的DNA结合域,1. 锌指(zinc finger),C Cys H His,常结合GC盒,Zn,Cys,His,2. -螺旋,常结合CAAT盒,（三）mRNA 转录激活及其调节,真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物,TBP相关因子,真核基因转录调节是复杂的、多样的,*不同的D
14、NA元件组合可产生多种类型的转录调节方式；,*多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。,*转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。,五、RNA pol转录终止的调节,（一）HIV基因组转录终止调节,病毒抗终止蛋白Tat与转录产物5端特异RNA序列结合，并与宿主蛋白质、RNA pol相互作用，使延长中的RNA形成一定的二级结构，阻止HIV基因组转录过程的提早终止。,（二）热休克蛋白基因的转录终止调节,在热休克时，热休克转录因子（HSTF)快速地由无活性转变为有活性状态，启动一套热休克蛋白（HSP）基因的转录。,六、转录后水平的调节,（一）hnRN
15、A加工成熟的调节,hnRNA的剪接和RNA编辑对某些基因的调节有一定的意义。,（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节,mRNA运输、在胞浆内的稳定性等均与某些蛋白质成分有关。细胞内存在一类双链RNA通过一定酶切机制，转变为双链22个核苷酸的小分子干扰siRNA，参与RNA诱导的沉默复合物（RISC）组成，使特异mRNA降解，阻断翻译过程。,七、翻译水平的调节,（一）翻译起始因子（eIF）活性的调节,eIF-2亚单位的磷酸化可阻碍eIF的正常运行，从而抑制蛋白质合成的起始。,（二）RNA结合蛋白对翻译起始的调节,IRE结合蛋白（IRE-BP）作为特异RNA结合蛋白，在调节铁转运蛋白受体（TfR）mRNA稳定性方面起重要作用。,
