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1、第13章,基因表达调控 Regulation of Gene Expression,第一节 基因表达调控的基本概念,Basic Conceptions of Gene Expression Regulation,一、基因表达是指基因转录及翻译的过程,基因组(genome) 来自一个生物体的一整套遗传物质。,是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。,基因表达(gene expression),基因表达是受调控的。,二、基因表达具有时间特异性和空间特异性,（一）时间特异性,（二）空间特异性,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，所以空间特异
2、性又称细胞或组织特异性(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)。,三、基因表达的方式及调节存在很大差异,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,基本（或组成性）表达 诱导或阻遏表达,（一）基本（或组成性）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
3、表达被视为组成性基因表达(constitutive gene expression)。,（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏,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是被抑制，这种基因是可阻遏基因(repressible gene)。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
4、 expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需,（一）以适应环境、维持生长和增殖,生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。,（二）以维持细胞分化与个体发育,在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。,第二节 基因表达调控的基本原理,Basic Principles of Gene Expression Regul
5、ation,一、基因表达调控呈现多层次和复杂性,基因表达的多级调控,基因激活 拷贝数 重排 甲基化程度,转录起始 转录后加工 mRNA降解,蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等,转录起始,二、基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节,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序列决定基因的转录活性 （二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性,原核生物, 操纵子(operon) 机制,图13-1 五种E.coli启动序列的共有序列,共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小
6、。,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。,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,图13-2 顺式作用元件,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
7、，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。这种调节作用称为反式作用。,反式作用因子(trans-acting factor),反式调节,顺式调节,图13-3 反式与顺式作用蛋白,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)
8、或多聚体(polymer)。,（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节,（四）RNA聚合酶与基因的启动序列/启动子相结合,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 原核基因表达调节,Regulation of Gene Expression in Prokaryote,调节的主要环节在转录起始。,一、原核基因转录调节特点,（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性,在转录起始阶段，
9、因子识别特异启动序列；不同的因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。,（二）操纵子模型的普遍性,原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位操纵子（operon）。一个操纵子只含一个启动序列（promoter）及数个可转录的编码基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子mRNA。原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完成的。,（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节,原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。 当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。,二、操纵子调控模式在原核基因转
10、录起始的调节中具有普遍性,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,没有乳糖存在时,（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节,1、阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,图13-4 lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节,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 r
11、epression)。,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,图13-5 CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节（新图）,三、原核生物具有不同的转录终止调节机制,（一）不依赖Rho因子的转录终止,（二）依赖Rho因子的转录终止,常见于噬菌体中，结构特点不清楚。,两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸； 下游含一系列T序列。,终止子结构特点：,四、原核生物在翻译水平受到多个环节的调节,（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节,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m
12、RNA，抑制自身的合成，称自我控制(autogenous control)。,（二）反义RNA结合mRNA翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节,可调节基因表达的RNA称为调节RNA。 细菌中含有与特定mRNA翻译起始部位互补的RNA，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。这种调节称为反义控制(antisense control)。,第四节 真核基因表达调节,Regulation of Gene Expression in Eukaryote,一、真核基因组具有独特的结构特点,（一）真核基因组结构庞大,哺乳类动物基因组DNA 约 3109碱基对。,
13、人编码基因约4万个，编码序列仅占总长的1%。,rDNA等重复基因约占5%10%。,（二）真核基因转录产物为单顺反子,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）真核基因组含有大量的重复序列,真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含子（intron）、外显子（exon）之分，因此真核基因是不连续的。,（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区，故：具有不连续性,二、真核基因表达调控更为复杂,（一）真核细胞内含有多种RNA聚合酶,真核RNA聚合酶有三种，即RNA pol I、II及 III，
14、分别负责三种RNA转录。,（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化,对核酸酶敏感,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:,活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。,DNA碱基的甲基化修饰变化,组蛋白变化,富含Lys组蛋白水平降低 H2AH2B二聚体不稳定性增加 组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰,图13-6 组蛋白结构及其化学修饰 A. 组蛋白与DNA组成的核小体；B. 组蛋白的氨基端伸出核小体，形成组蛋白尾巴；C. 四种组蛋白组成的八聚体,组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体
15、的结构，以及化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了“组蛋白密码”的假说。,组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响,（三）在真核基因表达调控中以正性调节占主导,采用正性调节机制更精确：一个负性调节元件的结合足可阻断RNA聚合酶的结合，因此同时采用几个负性调节元件一般不会改变特异性；相反，如果采用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。 采用负性调节不经济：在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。,（四）在真核细胞中转录与翻译分隔进行,（五）转录后修饰
16、、加工更为复杂,真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同细胞部位进行，转录在细胞核，翻译在细胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。,三、RNA Pol I和Pol III转录体系的调节相对简单,（一）RNA Pol I转录体系,RNA Pol I的转录产物只有rRNA前体，经剪接修饰生成除5S rRNA外的各种rRNA。 启动子元件包括：核心元件(core element)或核心启动子(core promoter)和上游控制元件(upstream control element, UCE)。,（二）RNA Pol III转录体系,RNA Pol III的转录产物：多种小分子RNA，包括tRNA、5S rRNA和一部分小核RNA。 启动子位于转录起始点下游，称内部控制区(internal control regions, ICR)。,（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性,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。,四、RN
