基因表達調(diào)控

基因表達調(diào)控

1基因表達調(diào)控5/8/2024

基因表達與基因表達調(diào)控的基本概念與特點

2基因表達調(diào)控5/8/2024什么是基因（gene）？編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負載遺傳信息的基本單位。一、基因表達是指基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程3基因表達調(diào)控5/8/2024什么是基因？基因1基因2染色體DNA雙螺旋4基因表達調(diào)控5/8/2024什么是基因組？基因組（genome）是指一個生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。原核細胞基因組指單個環(huán)狀染色體所包含的全部基因；真核生物基因組指所有染色體所包含的所有DNA。全球第一例中國人標準基因組序列圖譜的一部分5基因表達調(diào)控5/8/2024基因表達是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，也是基因所攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過程，包括基因轉(zhuǎn)錄成互補的RNA序列，對于蛋白質(zhì)編碼基因，mRNA繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加工成最終的蛋白質(zhì)產(chǎn)物?；虮磉_是受調(diào)控的6基因表達調(diào)控5/8/2024時間特異性階段特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按一定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)（AFP基因的表達）。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。二、基因表達具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性是指基因表達按一定的時間順序發(fā)生7基因表達調(diào)控5/8/2024基因表達伴隨時間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實際上是由細胞在器官的分布所決定的。在個體生長、發(fā)育過程中，一種基因產(chǎn)物在個體的不同組織或器官表達，即在個體的不同空間出現(xiàn)（胰島素基因的表達）?？臻g特異性(spatialspecificity)組織特異性(tissuespecificity)（二）空間特異性是指多細胞生物個體在特定生長發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達不同8基因表達調(diào)控5/8/2024基因表達調(diào)控位于基因組內(nèi)的基因如何被表達成為有功能的蛋白質(zhì)（或RNA），在什么組織表達，什么時候表達，表達多少等。例如：人類基因組含2萬多個基因，在某一特定時期或生長階段，只有一小部分基因處于表達狀態(tài)。三、基因表達的方式存在多樣性按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：基本（或組成性）表達;誘導或阻遏表達。9基因表達調(diào)控5/8/2024（一）有些基因幾乎在所有細胞中持續(xù)表達某些基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，不易受環(huán)境條件的影響，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。管家基因的表達水平受環(huán)境因素影響較小，而且在生物體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達或變化很小，這類基因表達被視為基本（或組成性）基因表達(constitutivegeneexpression)。例如：三羧酸循環(huán)是物質(zhì)代謝的中樞，催化該途徑各階段反應的酶的編碼基因就屬管家基因10基因表達調(diào)控5/8/2024（二）有些基因的表達受到環(huán)境變化的誘導和阻遏如果基因?qū)Νh(huán)境信號應答時被激活，這種基因是可誘導基因，其表達水平增強的過程稱為誘導(induction)。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號應答時被抑制，這種基因是可阻遏基因，其表達產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。乳糖操縱子是誘導，阻遏表達的典型模型11基因表達調(diào)控5/8/2024在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，即為協(xié)同表達(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)同調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。（三）生物體內(nèi)不同基因的表達受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)12基因表達調(diào)控5/8/2024四、基因表達調(diào)控受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)一般說來，調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，稱為順式作用元件(cis-actingelement)。調(diào)節(jié)序列遠離被調(diào)控的編碼序列，實際上是其他分子的編碼基因，只能通過其表達產(chǎn)物來發(fā)揮作用，這些蛋白質(zhì)分子稱為反式作用因子(trans-actingfactor)。13基因表達調(diào)控5/8/2024五、基因表達調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復雜性首先，遺傳信息以基因的形式貯存于DNA中。其次，遺傳信息經(jīng)轉(zhuǎn)錄由DNA傳向RNA過程中的許多環(huán)節(jié)。(最重要、最復雜)最后，蛋白質(zhì)生物合成即翻譯與翻譯后加工。調(diào)控點基因激活等蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解翻譯后加工修飾及蛋白質(zhì)降解14基因表達調(diào)控5/8/2024六.基因表達調(diào)控為生物體生長、發(fā)育的基礎例如：

(1)G↑→細菌利用G酶編碼基因表達增加，其他的

糖代謝相關酶編碼基因表達關閉；

(2)乳糖↑、G↓→乳糖代謝相關酶編碼基因表達；

(3)飲酒→醇氧化酶編碼基因表達→醇氧化酶活性↑（一）生物體調(diào)節(jié)基因表達以適應環(huán)境、維持生長和增殖15基因表達調(diào)控5/8/2024當某種基因缺陷或表達異常時，則會出現(xiàn)相應組織或器官的發(fā)育異常。腺苷脫氨酶缺乏癥病因:淋巴細胞缺乏ADA酶腺苷、dATP堆積破壞免疫功能稍被細菌或病毒感染就會死亡患者生存在無菌環(huán)境中（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達以維持細胞分化與個體發(fā)育16基因表達調(diào)控5/8/2024第二節(jié)

原核基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpressioninProkaryote17基因表達調(diào)控5/8/2024原核生物基因組結(jié)構特點①基因組中很少有重復序列；②編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構基因為連續(xù)編碼；③結(jié)構基因在基因組中所占的比例約占50%；④結(jié)構基因在基因組中以操縱子為單位排列。原核生物基因組是具有超螺旋結(jié)構的閉合環(huán)狀DNA分子18基因表達調(diào)控5/8/2024原核生物大多數(shù)基因表達調(diào)控是通過操縱子機制實現(xiàn)一、操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單位

蛋白質(zhì)因子特異DNA序列編碼序列

啟動子

操縱元件

其他調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)19基因表達調(diào)控5/8/2024操縱子模型的普遍性多順反子(polycistron)：mRNA分子攜帶幾條多肽鏈的編碼信息。PPP5

3

多肽鏈20基因表達調(diào)控5/8/2024操縱子模型的普遍性啟動子是RNA聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是決定基因表達效率的關鍵元件。圖18-15種E.coli啟動序列的共有序列21基因表達調(diào)控5/8/2024操縱子模型的普遍性各種原核基因啟動序列特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始點上游-10及-35區(qū)域存在一些相似序列，稱為共有序列。

E.coli及一些細菌啟動序列的共有序列在-10區(qū)域是TATAAT，在-35區(qū)域為TTGACA共有序列決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。

五種E.coli啟動序列的共有序列22基因表達調(diào)控5/8/2024基因表達有正調(diào)控和負調(diào)控調(diào)節(jié)原核生物基因表達的效應蛋白可分：阻遏蛋白----負調(diào)控因素激活蛋白----正調(diào)控因素23基因表達調(diào)控5/8/2024二、乳糖操縱子是典型的誘導型調(diào)控（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列

結(jié)構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：通透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI調(diào)節(jié)基因24基因表達調(diào)控5/8/2024mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)阻遏基因1.阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)25基因表達調(diào)控5/8/2024mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶圖13-4lac

操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)26基因表達調(diào)控5/8/2024++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時2、CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP27基因表達調(diào)控5/8/20243.協(xié)同調(diào)節(jié)28基因表達調(diào)控5/8/2024四、原核基因表達在轉(zhuǎn)錄終止階段有不同的調(diào)控機制（一）不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（二）依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止29基因表達調(diào)控5/8/2024五、原核基因表達在翻譯水平的多個環(huán)節(jié)受到精細調(diào)節(jié)（一）轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)調(diào)節(jié)提高了基因表達調(diào)控的有效性（二）蛋白質(zhì)分子結(jié)合于啟動序列或啟動序列周圍進行自我調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合mRNA靶位點，阻止核蛋白體識別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成。30基因表達調(diào)控5/8/2024（三）翻譯阻遏利用蛋白質(zhì)與自身mRNA的結(jié)合實現(xiàn)對翻譯起始的調(diào)控編碼區(qū)的起始點可與調(diào)節(jié)分子（蛋白質(zhì)或RNA）直接或間接地結(jié)合來決定翻譯起始調(diào)節(jié)蛋白可以結(jié)合到起始密碼子上，阻斷與核糖體的結(jié)合31基因表達調(diào)控5/8/2024（四）反義RNA結(jié)合mRNA翻譯起始部位的互補序列對翻譯進行調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)基因表達的RNA稱為調(diào)節(jié)RNA。細菌中含有與特定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SD序列的結(jié)合，抑制翻譯起始。這種調(diào)節(jié)稱為反義控制(antisensecontrol)。32基因表達調(diào)控5/8/2024（五）mRNA密碼子的編碼頻率影響翻譯速度當基因中的密碼子是常用密碼子時，mRNA的翻譯速度快，反之，mRNA的翻譯速度慢。33基因表達調(diào)控5/8/2024第三節(jié)

真核基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpressioninEukaryote34基因表達調(diào)控5/8/2024一、真核細胞基因表達的特點①真核基因組比原核基因組大得多人類基因組的染色體DNA人類基因組含2萬多個基因細菌基因組2X106bp

原核基因組人細胞核基因組2.8X109bp

35基因表達調(diào)控5/8/2024②原核基因組的大部分序列都為編碼基因，而哺乳類基因組中只有10%的序列編碼蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重復序列功能至今還不清楚，可能參與調(diào)控36基因表達調(diào)控5/8/2024③真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)的，轉(zhuǎn)錄后需要剪接去除內(nèi)含子，這就增加了基因表達調(diào)控的層次37基因表達調(diào)控5/8/2024④原核生物的基因編碼序列在操縱子中，多順反子mRNA使得幾個功能相關的基因自然協(xié)調(diào)控制；

而真核生物則是一個結(jié)構基因轉(zhuǎn)錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子（monocistron），許多功能相關的蛋白、即使是一種蛋白的不同亞基也將涉及到多個基因的協(xié)調(diào)表達PPP5

3

蛋白質(zhì)PPPmG-5

3

蛋白質(zhì)AAA…38基因表達調(diào)控5/8/2024⑤真核生物DNA在細胞核內(nèi)與多種蛋白質(zhì)結(jié)合構成染色質(zhì)，這種復雜的結(jié)構直接影響著基因表達；⑥真核生物的遺傳信息不僅存在于核DNA上，還存在線粒體DNA上，核內(nèi)基因與線粒體基因的表達調(diào)控既相互獨立而又需要協(xié)調(diào)。

39基因表達調(diào)控5/8/2024圖18-5真核生物基因表達的多層次復雜調(diào)控40基因表達調(diào)控5/8/2024二、染色質(zhì)結(jié)構與真核基因表達密切相關活性染色質(zhì)(activechromatin)具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)超敏位點（hypersensitivesite)當染色質(zhì)活化后，常出現(xiàn)一些對核酸酶（如DNaseI）高度敏感的位點（一）轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)對核酸酶極為敏感41基因表達調(diào)控5/8/2024(二)轉(zhuǎn)錄活化染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變組蛋白結(jié)構及其化學修飾（a）組蛋白與DNA組成的核小體；（b）組蛋白的氨基端伸出核小體，形成組蛋白尾巴；（c）四種組蛋白組成的八聚體42基因表達調(diào)控5/8/2024（三）

CpG島甲基化水平降低CpG島（CpGisland)

：甲基化胞嘧啶在基因組中并不是均勻分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整個基因組中，這些GC含量可達60%，長度為300-3000bp的區(qū)段。表觀遺傳：染色質(zhì)結(jié)構對基因表達的影響可以遺傳給子代細胞，其機制是細胞內(nèi)存在著具有維持甲基化作用的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，可以在DNA復制后，依照親本DNA鏈的甲基化位置催化子鏈DNA在相同位置上發(fā)生甲基化43基因表達調(diào)控5/8/2024順式作用元件：指可影響自身基因表達活性的DNA序列三、基因組中的順式作用元件是轉(zhuǎn)錄起始的關鍵調(diào)節(jié)部位（一）真核生物啟動子結(jié)構和調(diào)節(jié)遠較原核生物復雜44基因表達調(diào)控5/8/2024（二）增強子是能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件增強子的功能及其作用特征如下：屬于順式作用元件,組織特異性轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合部位在基因的上游或下游起作用，還可以遠距離作用作用與序列的方向性無關,需要有啟動子才能發(fā)揮作用45基因表達調(diào)控5/8/2024（三）沉默子能夠抑制基因的轉(zhuǎn)錄沉默子是一類基因表達的負性調(diào)控元件，當其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用46基因表達調(diào)控5/8/2024四、轉(zhuǎn)錄因子是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關鍵分子真核基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白又稱轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactor,TF）。轉(zhuǎn)錄因子也被稱為反式作用蛋白或反式作用因子。47基因表達調(diào)控5/8/2024cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié)

mRNAC蛋白質(zhì)CbA

mRNA蛋白質(zhì)AA圖18-8反式與順式作用蛋白真核基因的調(diào)節(jié)蛋白反式作用因子

48基因表達調(diào)控5/8/2024通用轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動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。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）通用轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子49基因表達調(diào)控5/8/2024特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)為個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子50基因表達調(diào)控5/8/2024轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構51基因表達調(diào)控5/8/2024最常見的DNA結(jié)合域：鋅指模體(zincfinger)常結(jié)合GC盒C=半胱氨酸；H=組氨酸；F=苯丙氨酸；L=亮氨酸；Y=酪氨酸；Zn=鋅離子圖18-9鋅指結(jié)構52基因表達調(diào)控5/8/2024堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basichelix-loop-helix,bHLH)（a）獨立的堿性螺旋-環(huán)-螺旋模體結(jié)構示意圖；（b）bLHL模體二聚體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個

-螺旋的堿性區(qū)分別嵌入DNA雙螺旋的大溝內(nèi)常結(jié)合CAAT盒53基因表達調(diào)控5/8/2024常結(jié)合CAAT盒3.堿性亮氨酸拉鏈(basicleucinezipper,Bzip)

（a）堿性亮氨酸拉鏈模體結(jié)構示意圖；（b）bZIP模體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個-螺旋上的亮氨酸殘基彼此接近，形成了類似拉鏈的結(jié)構，而富含堿性氨基酸殘基的區(qū)域與DNA骨架上的磷酸基團結(jié)合54基因表達調(diào)控5/8/2024五、轉(zhuǎn)錄起始復合物的動態(tài)構成是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要方式（一）啟動序列/啟動子與RNA聚合酶活性（二）調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性啟動序列或啟動子的核苷酸序列會影響其與RNA聚合酶的親和力，而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄起始的頻率真核RNA聚合酶II不能單獨識別、結(jié)合啟動子，而是先由基本轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶II形成一個功能性的轉(zhuǎn)錄前起始復合物。PolⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPDNATATAEBPTBP55基因表達調(diào)控5/8/2024六、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要影響真核mRNA的結(jié)構與功能（一）mRNA的穩(wěn)定性影響真核生物基因表達5

-端的帽子結(jié)構可以增加mRNA的穩(wěn)定性3

-端的poly(A)尾結(jié)構防止mRNA降解RNA無論是在核內(nèi)進行加工、由胞核運至胞漿，還是在胞漿內(nèi)停留（至降解），都是通過與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白顆粒(ribonucleoprotein,RNP)進行的。56基因表達調(diào)控5/8/2024某些小分子非編碼RNA（ncRNA）也可調(diào)節(jié)真核基因表達。目前人們廣泛關注的非編碼RNA有miRNA和siRNA。（二）一些非編碼小分子RNA可引起轉(zhuǎn)錄后基因沉默57基因表達調(diào)控5/8/2024（三）mRNA前體的選擇性剪接可以調(diào)節(jié)真核生物基因表達58基因表達調(diào)控5/8/2024七、真核基因表達在翻譯以及翻譯后仍可受到調(diào)控（一）對翻譯起始因子活性的調(diào)節(jié)主要通過磷酸化修飾進行蛋白質(zhì)合成速率的快速變化在很大程度上取決于起始水平，通過磷酸化調(diào)節(jié)翻譯起始因子的活性對起始階段有重要的控制作用。1．翻譯起始因子eIF-2α的磷酸化抑制翻譯起始59基因表達調(diào)控5/8/20242．eIF-4E及eIF-4E結(jié)合蛋白的磷酸化激活翻譯起始帽結(jié)合蛋白eIF-4E與mRNA帽結(jié)構的結(jié)合是翻譯起始的限速步驟