生化15 基因表达调控

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1、第 十 五 章,基因表达调控,Regulation of Gene Expression,第 一 节 概述,一、基因表达与调控的概念,* 基因（gene） 是遗传的基本单位，含有编码一种RNA，大多数情况是编码一种多肽的信息单位。基因是贮存RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部DNA序列。,* 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。,* cDNA(complementory DNA)即与mRNA互补的DNA。不含基因转录的调控序列和内含子，含有翻译调控及多肽链的编码序列。,* 基因表达(gene expression),基因经激活、转录、翻译，产生具有特异生物

2、学功能的蛋白质分子的过程。,基因表达是受调控的,rRNA、tRNA编码基因转录产生 RNA的过程也属于基因表达。,指基因转录及翻译的过程。对此过程的调节即为基因表达调控。,二、基因表达的时空特异性,（一）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)。 如人血红蛋白中珠蛋白基因的表达。,（二）空间特异性,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种空间分布差异，是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(ce

3、ll or tissue specificity)。,在个体生长、发育全过程，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,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）基本表达,某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为持家基因或管家基因(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，这类基因表达被称为基本表达或组成性表达(constitutiv

4、e gene expression)。,（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

5、、维持生长和增殖,（二）维持个体发育与分化,蛋白质是生物功能的直接执行者，在特定的时间和空间表达特定的蛋白质是满足上述功能需要的保障之一。,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性和复杂性,基因活化,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有关。,（一）特异DNA序列,指具有调控功能的DNA序列,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RN

6、A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，介导负性调节。,3. 其他的调节序列 激活蛋白(activator)的结合位点,当调节序列与激活蛋白结合时，可增强RNA聚合酶活性，激活转录，介导正性调节。,真核生物,顺式作用元件(cis-acting element),可影响自身基因表达活性的DNA序列,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

7、的结合位点。,是指能直接或间接作用于特异DNA 序列的蛋白质因子,1. 原核生物调节蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。,特异因子：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。,阻遏蛋白(repressor)：可识别、结合操纵序 列，阻遏基因转录。,（二）调节蛋白,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聚合酶的转录活性。如分解代谢物基因激活蛋白(catabolite gene activator protein, CAP)。,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。,2.

8、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。,又称为转录因子 (transcription factor),反式调节,顺式调节,DNA-蛋白质的相互作用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，形成DNA-蛋白质复合物。 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。,（三） DNA - 蛋白质蛋白质-蛋白质,的相互作用,大多数调

9、节蛋白单体形式不能结合DNA序列，也有一些调节因子不能直接结合DNA序列，故需要通过蛋白质-蛋白质相互作用，才能调节基因转录。,最常见的作用形式是二聚化(dimerization),即两分子单体通过一定结构域结合成二聚体(dimer)，分为同源二聚体(homodimer)和异源二聚体(heterodimer)。,蛋白质蛋白质相互作用结果:有些增强与DNA结合能力，有些丧失DNA结合能力，有些不能直接结合DNA的蛋白质可通过相互作用间接结合DNA调节基因转录。,（四） RNA聚合酶,1. 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。,2.调节蛋白与RNA聚合酶

10、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DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。,第 三 节 原核基因表达调控,（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性,（二）操纵子机制的普遍性,（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,Inhibitor gene,P,Z,Y,A,启动子,结构基因1，2，3.,O,操纵基因,Promoter,Operator gene,Structure 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,阻遏物基因,操纵子(operon)的结构与功能,二、原核生物转录起始调节,（一）乳糖操纵子

11、(lac operon)的结构,没有乳糖存在时,1.阻遏蛋白的负性调节,（二）乳糖操纵子的调节机制,别乳糖/半乳糖,有乳糖存在时,P,Z,Y,A,启动子,分解代谢乳糖的三种酶基因,O,操纵基因,调控区,结构基因,阻遏蛋白,乳 糖,变构,阻遏蛋白变构失活,阻遏蛋白,乳糖操纵子（Lac Operon）,I,阻遏物基因,阻遏蛋白,阻遏状态,Z:-半乳糖苷酶,Y:乳糖穿透酶,A:转乙酰基酶,诱导状态,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,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，操纵子仍

12、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)。,低别乳糖时,高别乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,细菌优先利用葡萄糖作为能源,有葡萄糖：,cAMP,CAP无活性,不促进转录,无葡萄糖：,cAMP,CAP有活性,促进转录,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,

13、第 四 节 真核基因表达调控,一、真核基因组结构特点,（一）真核基因组结构庞大，C值矛盾,C值的概念：一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，它通常称为该物种DNA的C值(C value),2. C值矛盾：在真核生物中，物种进化的复 杂程度与C值并不完全一致，称为C值矛盾 (C value paradox),（二）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,还有一种重复序列是由两个互补序列、在同一DNA链上反向排列而成，称为反转重复序列(inverted repeat)。,内含子（intron）与外显子（exon）相间排列

14、，因此真核基因是不连续的。,（四）基因不连续性,（一）RNA聚合酶,细菌的RNA聚合酶识别的是一段DNA顺序，而真核生物RNA聚合酶识别的不单是DNA顺序，而是DNA-蛋白质复合物，即只有当一个或多个转录因子（transcription factor，TF）结合到DNA上，形成有功能性的启动子时，才能被RNA聚合酶分子识别、结合。,（二）活性染色体结构变化,1. 对核酸酶敏感,活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均以负超螺旋构象存在,负超螺旋变成正性超螺旋，阻碍核小体形成，组蛋白解聚。,基因活化后,3. DNA碱基修饰变化,4. 组蛋白变化

15、使核小体结构变松弛, 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 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,真核生物基因表达在转录水平上的调控，是各级调控中最重要的一步，主要涉及RNA聚合酶，顺式作用元件和反式作用因子三种因素的相互作用。,二、真核基因表达调控特征,（一）顺式作用元件,1. 启动子,确保转录精确而有效地起始的DNA序列,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。,确保转录精确而有效地起始的DNA序列,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。,1. 启动子,确保转录精确而有效地起始的DNA序列,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。,（一）顺式作用元件,1. 启动子,确保转录精确而有效地起始的DNA序列,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。,真核生物RNA聚合酶转录的 基因结构与功能,其他调 控元件,增强子 或沉默子,CAAT盒GC盒,TATA盒,结构基因,+1,