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1、基因表达调控 (Regulation of gene expression ),蒋小英 遗传学与分子生物学系 西 安 交 通 大 学 医 学 院,基因 是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。,基因的概念,基因表达的概念,基因所贮存的遗传信息通过转录及翻译产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程. 表达产物: 蛋白质或肽 RNA,基因表达是基因产生功能的过程，是信息分子（DNA或RNA）转变成功能分子（protein或RNA）的过程。,1.转录 RNA pol合成RNA的过程，产生单链RNA互补于DNA，在某些病毒中则是
2、互补于RNA模板。 2.翻译 这是由核糖体实现的protein的合成过程，核糖体和tRNA解释mRNA含有的信息密码。,RNA 的合成,4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶 转录单位：结构基因、启始子、终止子 按碱基配对原则, 沿5-3方向 真核生物有三型RNA聚合酶 分为起始阶段、延长阶级和终止阶段 转录后的产物经加工成为成熟的RNA,转录的过程,1. 起始,原核细胞,RNA聚合酶与启动子相互作用,真核细胞,RNA聚合酶、反式作用因子与顺式元件相互作用拼板理论,2.延伸,核心酶催化,磷酸化的RNA聚合酶催化，核小体解聚,原核细胞,真核细胞,3. 终止,原核细胞,真核细胞,结合富含C的RNA区
3、段，发挥ATP酶及解螺旋酶活性,转录终止的修饰点处切离并加尾,依赖因子,不依赖因子,RNA 3 端形成茎环结构,转录后加工,原核细胞,真核细胞,tRNA和rRNA需加工，mRNA不需加工,tRNA、rRNA和mRNA均需加工,1. 原核细胞和真核细胞的差异,2. 真核生物mRNA的转录后加工, 5端加帽, 3端加尾 剪接（splicing） RNA编辑 （RNA editing）,3. 真核生物成熟mRNA的运输,成熟mRNA蛋白质细胞核细胞质,蛋白质的合成,合成体系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP、Mg mRNA编码区的三个相邻核苷酸组成密码子 tRN
4、A起接合器作用，核糖体是合成场所和装配机 核糖体循环：起始、肽链延长和终止 翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚单位的聚合,1. 翻译的基本过程,起始 形成翻译起始复合物 延长 指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位 终止 原核细胞 RF1, RF2识别终止密码，RF3激活转 肽酶释放肽链 真核细胞 eRF同时具有上述功能,2.肽链翻译后的加工修饰,一级结构修饰: 甲基化，乙酰化，糖基化 空间结构修饰: Alzheimer,3.蛋白质的分拣与转运,第一节 基因表达的基本规律,原核生物:无细胞核,转录和翻译发生在同一空间,并以偶联的方式进行. 真核生物:有细胞核,转录和翻译在不同空间进行,有时间上
5、的先后顺序.,1 组成性表达 某些基因的表达是根据细胞的一般要求保持恒定水平，较少受环境因素影响。这些基因被称为管家基因. 如细胞骨架蛋白、核蛋白体蛋白等 管家基因（housekeeping gene） 在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。,2 可控型表达 这类基因的表达是应细胞需要，或者说易受环境的影响。在特定环境中使基因表达增强的过程称为诱导(induction)，使基因表达减弱的过程称为阻遏(repression).,基因表达的基本规律,(一)基因表达的时空特异性 同一生物体各种细胞含有完全相同的基因组,在细胞内并非同时表达,而是根据生长,分化和发育等功能的需要,随环境和时间的
6、变化,按照一定顺序先后表达,这叫做基因表达的时间特异性。 基因在不同的组织或器官中的表达水平不同或表达基因的种类不同的现象叫做基因表达的空间特异性。,(二)诱导表达和阻遏表达-调控的普遍形式 管家基因和组成性表达:在细胞中持续表达,几乎不受内外环境的影响.-生命全过程必需. 诱导和阻遏:调控的方式.在特定信号的刺激下,基因表达开放或上调的现象叫做诱导,反之表现为关闭或抑制的现象叫做阴遏.-对环境的适应.,(三)基因表达受顺式作用元件和反式作用因子的调节 顺式作用元件:与被调控序列在同一DNA链上 反式作用因子:本质为蛋白质(转录因子) (四)基因表达调控的分子基础-生物大分子相互作用 (五)多
7、层次调控,基因表达的调控（gene expression regulation ）,是指各种细胞中相同的遗传信息，有规律的选择性、程序性、适度的表达以适应机体生长、发育、繁殖以及环境变化的需要，发挥其生理功能的调节和控制。,基因表达调控的生理意义,适应环境、维持生长和增殖 维持个体发育与分化,基因表达调控的要点,（五）调控物质的化学本质 蛋白质、核酸、小分子化合物。,（六）调控模式,原核有操纵子调控模型，已发现100多种。 真核Britten-Davidsen（法）模型尚未实验所证实。,病毒基因表达调控,各种病毒、噬菌体等除部分带有RNA pol或逆转录酶外主要是利用宿主的基因表达调控系统。,
8、第二节 原核生物基因表达调控,原核生物基因表达的特点 转录与翻译紧密偶联 多顺反子mRNA 操纵子是主要调节机制 负性调节为主(阻遏蛋白的作用) 转录起始是调节的关键点,从调控方式来看，原核生物调控最重要的特点是操纵子模式。 从调控水平来看，主调在转录水平，翻译水平次之。,原核基因表达调控,操纵子（operon）概念 细菌体内的基因调节单位，由控制区和信息区组成。信息区包括功能相关的一组结构基因；控制区含操纵基因，启动子和CAP结合位点，有些含衰减子。 结构基因:多个(2-6) 调控序列： 启动序列(promoter 启动子):1个 操纵序列(operator 操纵基因): 其它调节序列 在染
9、色体上成簇串联排列,操纵子 ： 调控序列 结构基因,一 转录水平的调控,（一）转录起始的负调控,如乳糖操纵子 结构基因： Z -半乳糖苷酶 Y 通透酶 A 转乙酰基酶 调控序列 操纵序列(O) 启动序列(P) 其它调节序列(I),（二）转录起始的负调控,如乳糖操纵子 结构 操纵序列(O) 启动序列(P) 其它调节序列(I) 编码序列(Z ,Y ,A) Z -半乳糖苷酶 Y 透酶 A 转乙酰基酶,promoter,半乳糖苷酶,透酶,乙酰基转移酶,1960年:法国科学家Jacob- Monod提出乳糖操纵子概念 大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源,但优先利用葡萄糖.当环境中葡萄糖缺乏时,开始利用乳糖或
10、其它糖.,乳糖操纵子调控机制,I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体。 在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。 当有乳糖存在时，经透酶作用进入细胞，在-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构基因转录。,阻遏蛋白的负性调节,无乳糖时,lac操纵子处于阻遏状态: pI 转录阻遏蛋白I I+O Z Y A编码序列不转录,有乳糖时,经透酶催化并进入细胞, -半乳糖苷酶催化生成为半乳糖 半乳糖+阻遏蛋白 构象改变 阻遏蛋白与O序列分离 Z Y A转录 诱导剂:异丙基硫代半乳糖苷(IPTG),（二）转录起始的正调控,正调控蛋白
11、与DNA结合后促进转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。 CAP蛋白,CAP蛋白(catabolic gene activator protein，CAP) 分解代谢物基因活化蛋白,可将葡萄糖饥饿信号传给许多操纵子使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可利用其它的碳源。,转录起始的正调控,CAP mediates glucose repression of Lac,Promotes transcription,乳糖操纵子的转录起始受到CAP和阻遏蛋白的双重调控，即正、负调控。,Lactose Glucose,- +,- -,+ -,+ +,LacI,CAP-cAMP,Four States of the
12、 Lac Operon,二 转录终止的调控,依赖因子或者依赖转录产物3端发夹结构。 色氨酸操纵子：转录衰减（attenuation） 衰减是转录-翻译的偶联调控。,色氨酸操纵子（trp operon）,E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色氨酸。 上游调控区由启动子（P）和操纵基因（O）组成 R基因编码阻遏蛋白,Genomic Organization of the Trp Operon,ED-编码邻氨基苯甲酸合成酶（antlnanilate synthetase）; C-编码吲哚甘油磷酸合成酶（indeleglycerol-phosphatr s
13、ynHietdse）; BA-编码Trp合成酶亚基和亚基,色氨酸衰减子,10 11,前导序列,14aa前导肽编码区: 第10、11密码子为trp密码子,形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/4,色氨酸操纵子调控机制,衰减子位于结构基因E和操纵基因O之间的L基因中。L基因的部分转录产物编码14个氨基酸，其中两个相邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的偶联是产生衰减的基础。 将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。,阻遏（物）是Trp operon的第一控制系统.,衰减子（L）是Trp operon的第二控制系统。,色氨酸操纵子调控机制,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,当色氨
14、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,作用机制 胞内Trp形成Trp-tRNA，核糖体很快通过片段1，并封闭片段2（“堵车”），片段1.2,2.3形成不了发夹结构，片段3.4形成发夹结构形成一个不依赖因子终止结构衰减子，使前方RNA pol 脱落，转录终止。,前导肽,RNA聚合酶,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,前导mRNA,胞内Trp没有Trp-tRNA供给；核糖体翻译停在片段1中2个Trp密码子前（等料），片段2、3形成发夹结构，3、4形成不了发夹结构不能形成终止信号，RNA转录继续进行、EDCB
15、A得以转录。转录衰减实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联。,作用机制,色氨酸操纵子 当有色氨酸时，衰减子形成的二级结构不利于RNA聚合酶结合与转录，产生前导RNA。 当无色氨酸时，其形成的二级结构有利于RNA聚合酶的结合与转录。产生全长RNA，催化色氨酸生成。,衰减子与阻遏蛋白作用一致性 当Trp但不足以诱导阻遏蛋白衰减子也能使mRNA合成终止在EDCBA结构基因前，反之，当Trp 失去了阻遏作用，只要能使前导肽继续合成，转录继续进行。 这是对Trp浓度的一种更为精细、敏感调节。 这样一个操纵子的1组基因就有2道开头，只有2道门都关了，才能阻遏结构基因转录。,三 翻译调控,作用:对转录水平调
16、控的补充 （一）稀有密码子对翻译的影响 （二）翻译阻遏 SD序列 （三）mRNA稳定性对翻译的影响,原核细胞位于起始密码子上游8-13bp. SD序列与起始密码子的距离、蛋白质对SD序列的作用，影响翻译的起始,第三节 真核生物基因表达的调控,调控水平: 多层次 DNA水平 转录水平 转录后水平 翻译水平 翻译后水平的调控,一 转录前的调控：DNA水平的调控,染色质丢失 基因扩增 基因重排 DNA甲基化 染色质结构改变,一 转录前的调控,（一）染色体结构对转录的影响 转录活化与非活化染色质在结构上有很大不同。 转录活化区：DNA结构呈松散状，RNA聚合酶与其它蛋白质与DNA结合，此区对DNA酶敏感，常位于转录基因的5侧1000bp内。,组蛋白的共价修饰： 核小体的核心组蛋白（H2A，H2B，H3，H4）的甲基化，磷酸化，乙酰化及泛素化。 乙酰化 组蛋白乙酰化降低
