基因表達(dá)調(diào)控課件

醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)

參考書目:

生物化學(xué)(6版)周愛儒查錫良人民衛(wèi)生出版社醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)馮作化人民衛(wèi)生出版社RegulationofGeneExpression第一講

基因表達(dá)調(diào)控第一節(jié)

基本概念與原理BasicConceptionsandPrinciple一、基因表達(dá)的概念*基因組(genome)

一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息（核苷酸排列順序）或整套基因。*基因(gene)DNA雙螺旋上的一個(gè)片斷，載有相對(duì)獨(dú)立而完整的遺傳信息，特定條件下可表達(dá)生成一種產(chǎn)物。

基因經(jīng)過基因激活，轉(zhuǎn)錄、翻譯及相關(guān)加工，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子或功能RNA，賦予細(xì)胞一定的功能或表型的過程。*基因表達(dá)(geneexpression)基因表達(dá)是為了特定目的、受調(diào)控進(jìn)行的過程。二、基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性（一）時(shí)間特異性按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporalspecificity)。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。三、基因表達(dá)的方式按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：（一）組成性(基本)表達(dá)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。不同的管家基因表達(dá)水平高低不同，較少受環(huán)境因素影響，只受RNApol與啟動(dòng)序列(啟動(dòng)子)相互作用的影響。這類基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)。（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)(induction):在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因。阻遏(repression):基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答是表達(dá)產(chǎn)物減少，這種基因是可阻遏基因。四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個(gè)體發(fā)育與分化第二節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本原理*基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)錄起始

轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾一、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素關(guān)鍵在于RNApol與啟動(dòng)序列（啟動(dòng)子）形成有效的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。（一）特異DNA序列與調(diào)節(jié)蛋白以原核生物為主。真核生物以蛋白基因（RNApolⅡ）為主。*

原核生物

蛋白質(zhì)因子——操縱子(operon)

機(jī)制特異DNA序列編碼序列

啟動(dòng)序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)是RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1.啟動(dòng)序列+1-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6GGGGGtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列共有序列(consensussequence)

決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。2.

操縱序列—阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點(diǎn)

當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng)，阻礙轉(zhuǎn)錄。與啟動(dòng)序列部分重疊。啟動(dòng)序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白3.其他調(diào)節(jié)序列與調(diào)節(jié)蛋白

激活蛋白(activator)可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性。

有些基因在沒有激活蛋白存在時(shí)，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動(dòng)序列。2.真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識(shí)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(dá)，稱順式作用。

由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達(dá)，稱為反式作用。

反式作用因子(trans-actingfactor)

cDNAaDNA

反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié)

mRNA

C蛋白質(zhì)CbAmRNA蛋白質(zhì)AA（三）RNA聚合酶1.原核啟動(dòng)序列/真核啟動(dòng)子與RNA聚合酶起動(dòng)活性RNA聚合酶與其的親和力，影響轉(zhuǎn)錄起始原核：啟動(dòng)序列是否為（或）接近共有序列是關(guān)鍵。2.

調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號(hào)刺激下表達(dá)，然后通過DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶起動(dòng)活性。(1)改變基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率。量的改變。(2)使RNA聚合酶識(shí)別不同的啟動(dòng)序列。質(zhì)的變化。第二節(jié)

原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)RegulationofProkaryoticGeneTranscription——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)（一）σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性（二）操縱子模式的普遍性（協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)）（三）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性（四）mRNA不需轉(zhuǎn)錄后加工*

操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制1.操縱子即一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。啟動(dòng)序列2.操縱子包括調(diào)控區(qū)和編碼區(qū)。操縱序列+1

調(diào)控區(qū)

結(jié)構(gòu)基因123OPDNAI阻遏蛋白二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制*

乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶

調(diào)控區(qū)

結(jié)構(gòu)基因ZYAOPDNAImRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)（一）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶++++轉(zhuǎn)錄（二）CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNA無葡萄糖，cAMP濃度高CAPCAPCAPCAP啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNApolCAPcAMP有葡萄糖，cAMP濃度低CAP低半乳糖時(shí)高半乳糖時(shí)

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低mRNARNA-polOOOO（三）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)β-半乳糖苷酶活性增加100倍TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶?三、原核生物轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)（一）轉(zhuǎn)錄衰減色氨酸操縱子UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子

終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1

形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)

轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制

125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’RNA聚合酶終止UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶2.當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)

Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)四、原核生物翻譯水平調(diào)節(jié)*起始階段為主，關(guān)鍵在于起始位點(diǎn)能否被核蛋白體所作用。Pr和RNA均可為調(diào)節(jié)分子。1.

調(diào)節(jié)Pr：多作用于自身mRNA，結(jié)合于特定部位，阻止核蛋白體。2.

調(diào)節(jié)RNA：如反義RNA，與mRNA起始部位互補(bǔ)結(jié)合，阻斷mRNA與小亞基結(jié)合。第三節(jié)

真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)RegulationofEukaryoticGeneTranscription一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動(dòng)物基因組DNA約3×109

堿基對(duì)編碼基因約有40000個(gè)，占總長的6%rDNA等重復(fù)基因約占5%~10%（二）單順反子（三）重復(fù)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106

次）中度重復(fù)序列（103~104次）多拷貝序列（四）基因不連續(xù)性

內(nèi)含子的不同方式剪接，可形成不同的mRNA。二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)（一）RNA聚合酶多個(gè)亞基，有的共用，有的獨(dú)有

TFⅡD：共用，通常是必需的。

TBP：TATA盒子結(jié)合蛋白

TAF：TBP相關(guān)因子（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化1.對(duì)核酸酶敏感

活化基因常有DNaseⅠ超敏位點(diǎn)，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)附近。2.DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在基因活化后RNA-pol正超螺旋負(fù)超螺旋轉(zhuǎn)錄方向3.DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化甲基化范圍與基因表達(dá)程度呈反比4.組蛋白變化①富含Lys組蛋白水平降低②H2A,H2B二聚體不穩(wěn)定性增加③組蛋白修飾④H3組蛋白巰基暴露（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工三、RNApolⅠ

和RNApolⅢ轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)（一）RNApolⅠ（元件與因子較少）

核心元件與上游控制元件。

兩種轉(zhuǎn)錄（調(diào)節(jié)）因子。（二）RNApolⅢ轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)啟動(dòng)子位于轉(zhuǎn)錄區(qū)域內(nèi)，稱內(nèi)部控制區(qū)（ICR），A盒與B盒。

TFⅢB為必需轉(zhuǎn)錄因子。四、RNApolⅡ轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)（一）順式作用元件1.啟動(dòng)子真核基因經(jīng)典啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒2.增強(qiáng)子(enhancer)

指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、空間特異性、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。3.沉默子(silencer)

某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。（二）反式作用因子

1.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）*

基本轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)

是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。*特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子含量2.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域最常見的DNA結(jié)合域

1.鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結(jié)合GC盒ZnCysHis

2.螺旋-環(huán)-螺旋常結(jié)合CAAT盒（三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)節(jié)polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBP真核RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物（PIC）。TATADNATBP相關(guān)因子起始復(fù)合物（IC）

增強(qiáng)子DNA環(huán)EBPEBPTFⅡHP真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是復(fù)雜的、多樣的*不同的DNA元件組合可產(chǎn)生多種類型的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)方式；*多種轉(zhuǎn)錄因子又可結(jié)合相同或不同的DNA元件。*轉(zhuǎn)錄因子與DNA元件結(jié)合后，對(duì)轉(zhuǎn)錄激活過程所產(chǎn)生的效果各異，有正性調(diào)節(jié)或負(fù)性調(diào)節(jié)之分。五、RNApolⅡ轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)真核細(xì)胞及病毒在宿主中的表達(dá)。特點(diǎn)：抗終止。5'3'RNAHIVTat宿主蛋白R(shí)NApolⅡ六、轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)

mRNA在細(xì)胞的各個(gè)部位均與蛋白結(jié)合為RNP。穩(wěn)定性降解運(yùn)鐵蛋白受體(TfR)mRNA的降解調(diào)節(jié)