基因表達調(diào)控課件

1、主要內(nèi)容 基因表達調(diào)控的基本概念基因表達調(diào)控的基本原理原核基因表達調(diào)節(jié)真核基因表達調(diào)節(jié)第一節(jié)基因表達調(diào)控的基本概念Basic Conceptions of Gene Expression Regulation一、基因表達的概念基因(gene)：編碼生物活性產(chǎn)物(RNA和蛋 白質(zhì)) 的DNA片段。基因組(genome)：生物體的全套基因?；虮磉_(gene expression) ：基因轉(zhuǎn)錄和翻譯基因表達不一定產(chǎn)生蛋白質(zhì) tDNAtRNA, rDNArRNA基因表達是受調(diào)控的二、基因表達的時間性和空間性時間特異性(temporal specificity)：某一特定基因的表達嚴格按一定的時間順序

2、發(fā)生。Hb: 22 22 22AFP: 胎兒、肝癌 多細胞生物：又稱為階段特異性?？臻g特異性(spatial specificity)：又稱為細胞特異性或組織特異性。指多細胞生物在某一特定生長發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達不同。三、基因表達的方式 基本/組成性表達 誘導和阻遏表達 協(xié)調(diào)表達（一）基本/組成性表達 管家基因(housekeeping gene): 在生物體幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因，其表達產(chǎn)物對生命的全過程都是必不可少的。 基本/組成性表達(constitutive gene expression): 管家基因的表達。表達水平受環(huán)境因素的影響較小 （二）誘導和阻遏表達

3、可誘導基因(inducible gene): 在特定環(huán)境信號刺激下，表達被激活，表達產(chǎn)物增加的基因。誘導(induction)：可誘導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程。 可阻遏基因(repressible gene)：在特定環(huán)境信號刺激下，表達被抑制，表達產(chǎn)物減少的基因。 阻遏(repression)：阻遏基因表達降低的過程。 （三）協(xié)調(diào)表達(coordinate expression)功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致地表達，共同完成某種調(diào)節(jié)。如：代謝途徑的調(diào)節(jié) 四、基因表達調(diào)控的生物學意義適應環(huán)境、維持生長和增殖 維持細胞分化與個體發(fā)育 第二節(jié)基因表達調(diào)控的基本原理Basic Principles

4、 of Gene Expression Regulation一、基因表達的多級調(diào)控 多水平/多層次調(diào)控 基因 轉(zhuǎn)錄（轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄后加工）*轉(zhuǎn)錄起始是基因表達的基本控制點。 翻譯（翻譯、翻譯后修飾）二、基因轉(zhuǎn)錄起始/激活調(diào)節(jié)的基本要素特異DNA序列轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白DNA-蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用RNA聚合酶（一）特異DNA序列 原核啟動序列的共有序列： -35區(qū)：TTGACA -10區(qū)：TATAAT(Pribnow box) 真核順式作用元件 (cis-acting element): 調(diào)節(jié)自身基因轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。啟動子的共有序列: TATA盒，CCAAT盒，GC盒 非編碼序列，并非都

5、位于轉(zhuǎn)錄起始點上游 決定基因的轉(zhuǎn)錄活性RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列圖13-1 五種E.coli啟動序列的共有序列圖13-2 順式作用元件RNA聚合酶BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點mRNARNA聚合酶BADNA轉(zhuǎn)錄起始點mRNAE1E2（二）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白 原核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白 特異因子： RNA-pol的亞基(因子) 決定RNA-p

6、ol識別、結(jié)合啟動序列的特異性 70， 32（熱休克基因） 阻遏蛋白(repressor)：抑制基因轉(zhuǎn)錄 激活蛋白(activator)：增強基因轉(zhuǎn)錄(與啟動序列鄰近的DNA序列結(jié)合，促進RNA-pol與啟動序列的結(jié)合)核心酶 (core enzyme)全酶 (holoenzyme)轉(zhuǎn)錄起始階段轉(zhuǎn)錄延長階段 阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動 ，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白的作用機制真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白：又稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor)或反式作用因子/蛋白(trans-act

7、ing factor)：與順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)另一基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)(反式調(diào)節(jié))。 順式調(diào)節(jié)：可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達。 真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白順式作用蛋白反式作用蛋白 cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié) mRNA C蛋白質(zhì)CbA mRNA蛋白質(zhì)AA圖13-3 反式與順式作用蛋白（三）DNA-蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用 DNA-蛋白質(zhì)相互作用 原核：RNA-pol-啟動序列真核：順式作用元件-反式作用因子 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用：轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白之間的相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)。（四）RNA聚合酶 影響RNA聚合酶活性的因素

8、原核：啟動序列；真核：啟動子 + 轉(zhuǎn)錄因子 調(diào)節(jié)蛋白DNA-蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì) E.coli的轉(zhuǎn)錄起始和延長 第三節(jié) 原核基因表達調(diào)節(jié)Regulation of Gene Expression in Prokaryote 一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點 因子決定RNA聚合酶識別特異性 操縱子模型的普遍性 操縱子受到阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié) 操縱子模型的普遍性操縱子(operon)的概念：原核生物功能相關(guān)基因串聯(lián)組成的轉(zhuǎn)錄單位。因此操縱子是原核生物的轉(zhuǎn)錄單位。舉例：lac ara trp操縱子操縱子的結(jié)構(gòu)：調(diào)節(jié)序列 + 啟動序列 + 操縱序列 + 多個編碼序列（結(jié)構(gòu)基因）編碼序列 啟動序列 操縱序列 其他

9、調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)操縱子(operon) 結(jié)構(gòu)操縱子受到阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié) 阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，阻遏特異基因的轉(zhuǎn)錄，使基因關(guān)閉；阻遏蛋白與操縱序列分離，特異基因的轉(zhuǎn)錄去阻遏，使基因開啟。二、操縱子調(diào)控模式：乳糖操縱子（一）乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu)(E. coli) 調(diào)控區(qū)I：調(diào)節(jié)基因-編碼阻遏蛋白P：啟動序列-結(jié)合RNA聚合酶CAP位點：CAP-分解代謝物基因激活蛋白(catabolite gene activation protein)-結(jié)合cAMP/CAPO：操縱序列-結(jié)合阻遏蛋白結(jié)構(gòu)基因：Z，Y，APOZYA結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)基因啟動序列操縱序

10、列編碼阻遏蛋白結(jié)合RNA-pol結(jié)合阻遏蛋白IcAMP-CAPPOTTGACA -35區(qū)TATAAT -10區(qū)CAP位點5-ATTAATGTGAGTTAGCTCACTCATTAGG-3PIZ： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶乳糖葡萄糖半乳糖（二）乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機制阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)CAP的正性調(diào)節(jié) 協(xié)調(diào)調(diào)節(jié) 1. 阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié) 沒有乳糖時，操縱子處于阻遏狀態(tài) 有乳糖時，操縱子去阻遏/被誘導 mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時調(diào)節(jié)基因阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)I

11、PTG2. CAP的正性調(diào)節(jié)當無Glu(cAMP濃度高)時：轉(zhuǎn)錄活性當有Glu(cAMP濃度低)時：抑制轉(zhuǎn)錄 ATPACcAMPGlu的分解代謝產(chǎn)物-+ + + + 轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3. 協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)指阻遏蛋白負性調(diào)節(jié)與CAP正性調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào) 有葡萄糖，無乳糖：阻遏, CAP不發(fā)揮作用, 無轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，有乳糖：去阻遏， CAP不發(fā)揮作用 分解代謝阻遏：葡萄糖對lac 操縱子的阻遏作用。細菌首先利用葡萄糖 無葡萄糖，有乳糖：去阻遏， CAP發(fā)揮作用 lac 操縱子強誘導作用無葡萄糖，無乳糖： 阻遏，無轉(zhuǎn)錄 m

12、RNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol調(diào)節(jié)基因有葡萄糖，無乳糖無轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，有乳糖無葡萄糖，有乳糖三、原核生物轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止：常見于噬菌體中，結(jié)構(gòu)特點不清楚。 不依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止 終止子結(jié)構(gòu)特點：兩段富含GC的反向互補序列，中間間隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。 5 GCCCGC 33 CGGGCG 5 反向互補序列四、原核生物翻譯水平的調(diào)節(jié) 起始和終止，尤其是起始階段 起始的調(diào)節(jié)主要依靠調(diào)節(jié)分子，調(diào)節(jié)分子有蛋白質(zhì)和RNA兩類 調(diào)節(jié)方式自我控制/調(diào)節(jié)反義控制/調(diào)節(jié) 1.自我控制/調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合mRNA靶位點，阻止核糖體識別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身

13、mRNA，抑制自身的合成，稱自我控制(autogenous control)。 2.反義控制/調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)RNA：調(diào)節(jié)基因表達的RNA。 例：細菌中的反義RNA-與特定mRNA翻譯起始部位互補的RNA，通過與mRNA雜交阻斷30S小亞基對起始密碼子的識別及與S-D序列的結(jié)合，抑制翻譯起始。這種調(diào)節(jié)稱為反義控制(antisense control)。第四節(jié) 真核基因表達調(diào)節(jié)Regulation of Gene Expression in Eukaryote一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點（一）結(jié)構(gòu)龐大數(shù)目多：E.coli: 4000個基因，4.6106bp；人：34萬個基因，3x109bp，其中1%編碼蛋白質(zhì)

14、，510%編碼tRNA，8090%不能編碼結(jié)構(gòu)復雜：真核DNA與組蛋白結(jié)合形成染色質(zhì)(二)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子原核轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物：多順反子mRNA真核轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物：單順反子mRNA-一個編碼基因轉(zhuǎn)錄成一條mRNA, 經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈 （三）真核基因組含有大量的重復序列多拷貝序列高度重復序列：重復頻率106次中度重復序列：重復頻率:103104 次單拷貝序列：一次或幾次（四）真核基因的不連續(xù)性 轉(zhuǎn)錄區(qū)外顯子：編碼序列內(nèi)含子：非編碼序列非轉(zhuǎn)錄區(qū)/間隔區(qū)（調(diào)控區(qū)）二、真核基因表達調(diào)控更為復雜 （一）真核細胞內(nèi)含有多種RNA聚合酶RNA pol I：rRNA前體RNA pol II：mRNA前體RNA pol

15、 III：tRNA前體（二）活性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化 活性染色質(zhì)：具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)活性染色質(zhì)的變化對核酸酶敏感 DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化 DNA堿基甲基化修飾組蛋白變化DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化 RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉(zhuǎn)錄方向DNA堿基甲基化修飾 真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化：CmC甲基化范圍與基因表達程度呈反比組蛋白變化富含Lys組蛋白(H1)水平降低H2AH2B二聚體不穩(wěn)定性增加組蛋白H3、H4發(fā)生乙酰化、甲基化或磷酸化修飾（三）正性調(diào)節(jié)占主導 采用正性調(diào)節(jié)機制更精確 采用負性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟 （四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分區(qū)進行轉(zhuǎn)錄-細胞核翻譯-胞漿（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工更復雜三、RNA Pol I

16、I轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié) 順式作用元件 反式作用因子 mRNA轉(zhuǎn)錄激活 （一）順式作用元件 作用：影響轉(zhuǎn)錄活性 分類啟動子(promoter) 增強子(enhancer) 沉默子(silencer) 1.啟動子 概念：是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件。 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄起始點 功能元件(1) ：TATA盒,GC盒,CAAT盒最簡單的啟動子：轉(zhuǎn)錄起始點 + TATA盒典型的啟動子：轉(zhuǎn)錄起始點 + TATA盒 + GC盒+CAAT盒（轉(zhuǎn)錄活性高） CCAAT盒GC盒TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點酵母圖13-7 真核基因啟動子的典型結(jié)構(gòu)2.增強子 概念：遠離轉(zhuǎn)

17、錄起始點（130kb）,決定基因表達的時空特異性，增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。 特點 無方向性（上游，下游，內(nèi)部） 遠距離作用3.沉默子 某些基因的負性調(diào)節(jié)元件，當其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。（二）反式作用因子 1轉(zhuǎn)錄因子分類基本轉(zhuǎn)錄因子(general transcription factors):RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的蛋白因子，決定三種RNA(tRNA,mRNA, rRNA)的轉(zhuǎn)錄類別。 特異轉(zhuǎn)錄因子(special transcription factors):是特異基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因表達的時空特異性。 轉(zhuǎn)錄激活因子：增強子結(jié)合蛋白(enhancer

18、binding protein, EBP)轉(zhuǎn)錄抑制因子: 沉默子結(jié)合蛋白2.轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu) DNA結(jié)合域 轉(zhuǎn)錄激活域 二聚化結(jié)構(gòu)域 DNA結(jié)合域 介導DNA-蛋白質(zhì)相互作用 最常見的結(jié)構(gòu)形式 鋅指(zinc finger)結(jié)構(gòu) 堿性AA殘基形成的-螺旋 鋅指(zinc finger)結(jié)構(gòu) 常結(jié)合GC盒 C-Cys H-His 結(jié)合在DNA的大溝鋅指結(jié)構(gòu)與DNA的結(jié)合 堿性-螺旋 常結(jié)合CAAT盒堿性螺旋-環(huán)-螺旋堿性亮氨酸拉鏈 轉(zhuǎn)錄激活域30100AA酸性激活域谷氨酰胺富含域脯氨酸富含域二聚化結(jié)構(gòu)域介導蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)參與二聚化作用（三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活 mRNA轉(zhuǎn)錄激活

19、：形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復合物 TFII D的亞基TATA結(jié)合蛋白(TATA binding protein,TBP)：結(jié)合TATA盒TBP相關(guān)因子(TBP-associated factors, TAF)：TBP的輔因子，輔助TBP-TATA結(jié)合 mRNA轉(zhuǎn)錄激活過程：PIC穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復合物 調(diào)節(jié)：復雜多樣DNA蛋白質(zhì)相互作用 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用 轉(zhuǎn)錄起始復合物的形成PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP四、小分子RNA對真核基因表達的調(diào)節(jié) 微小RNA (microRNA, miRNA)小干擾RNA (small interfering RNA, siRNA)miRNA 概念：是一大家族小分子非編碼單鏈RNA，長度約2025個堿基，由一段具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)，長度為7090個堿基的單鏈RNA 前體(pre-miRNA)經(jīng)Dicer酶切后形成。 作用機制：miRNA+ 蛋白質(zhì)RNA誘導的沉默復合體(RNA-induced silencing com