1、第八章,第二節(jié) 基因表達調(diào)控,貯存著生物體遺傳信息的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和翻譯成蛋白質(zhì)的過程。,一、基因表達概念,1、基因表達的時間性：,生物體的不同發(fā)育階段；細胞的生長、增殖、分化、衰老及死亡等不同階段,不同的組織細胞發(fā)揮不同的生理功能,2、基因表達的空間性：,1、組成性表達 2、誘導(dǎo)和阻遏表達,二、基因表達的方式,1、組成性表達（Constitutive expression): 看家基因(housekeeping genes):基因的表達是持續(xù)性的，不受調(diào)控的。 如：組成機體的結(jié)構(gòu)蛋白；三羧酸循環(huán)中的代謝酶等。,2、誘導(dǎo)和阻遏表達：,基因的表達受調(diào)節(jié)物的誘導(dǎo)或阻遏。,如：參與DNA修復(fù)的酶類；某些

2、代謝酶等。,三、基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義,（一）適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的變化,（二）維持個體生長，發(fā)育，增殖，分化,蛋白質(zhì)是生物功能的直接執(zhí)行者，在特定的時間和空間表達特定的蛋白質(zhì)是滿足上述功能需要的保障之一。,四、 原核生物基因表達的調(diào)控,研究原核生物的基因表達調(diào)控模式可以為探索更復(fù)雜的真核細胞基因表達調(diào)控機制提供重要的線索，對基因工程也有重要的指導(dǎo)意義。,（一）細菌代謝酶的誘導(dǎo),葡萄糖,乳糖,細菌合成代謝葡萄糖的酶類,細菌合成代謝乳糖的酶類,（二）操縱子(operon)的結(jié)構(gòu)與功能,Inhibitor gene,P,S1,S2,S3,啟動子,結(jié)構(gòu)基因1，2，3,O,操縱基因,Promoter,Ope

3、rator gene,Structure gene,調(diào)控區(qū),結(jié)構(gòu)基因,表達阻遏蛋白,結(jié)合RNA 聚合酶,結(jié)合 阻遏蛋白,表達功能蛋白,t,I,阻遏物基因,（三）乳糖操縱子的工作原理：1.負調(diào)控方式,P,Z,Y,A,啟動子,分解代謝乳糖的三種酶基因,O,操縱基因,調(diào)控區(qū),結(jié)構(gòu)基因,阻遏蛋白,乳 糖,變構(gòu),阻遏蛋白變構(gòu)失活,阻遏蛋白,I,阻遏物基因,阻遏蛋白,阻遏狀態(tài),Z:-半乳糖苷酶,Y:乳糖穿透酶,A:轉(zhuǎn)乙酰基酶,誘導(dǎo)狀態(tài),2. 乳糖操縱子正調(diào)控方式,P,Z,Y,A,啟動子,分解代謝乳糖的三種酶基因,O,操縱基因,調(diào)控區(qū),結(jié)構(gòu)基因,CAP,變構(gòu),CAP變構(gòu)激活,cAMP,CAP,CAP位點,(

4、Catabolite Activator Protein site),CAP,CAP: 代謝物激活蛋白,乳糖操縱子正調(diào)控與葡萄糖效應(yīng)有關(guān),細菌優(yōu)先利用葡萄糖作為能源,有葡萄糖：,cAMP,CAP無活性,不促進轉(zhuǎn)錄,無葡萄糖：,cAMP,CAP有活性,促進轉(zhuǎn)錄,（四）色氨酸操縱子 1. 阻遏物介導(dǎo)的負調(diào)控,trpE,trpC,Trp 阻遏 蛋白基因,啟動子,操縱 基因,前導(dǎo)序列 （leader）,衰減子（attenuator）,色氨酸生物合成 酶系基因,trpD,Trp阻遏 蛋白,有活性,Trp阻遏 蛋白,無活性,體現(xiàn)節(jié)省原則,2.衰減子介導(dǎo)的負調(diào)控,trpE,前導(dǎo)序列 （leader）,衰減子

5、（attenuator）,序列 1,序列 2,序列 3,序列 4,序 列 2,序 列 3,序 列 3,序 列 4,AUAUUAUUUUUUU,序列 1,兩個相鄰的色氨酸密碼子,衰減子結(jié)構(gòu),序 列 2,序 列 3,1,（1）細菌內(nèi)色氨酸（trp）缺乏時,核糖體,序列4,核糖體停留在 序列1色氨酸 密碼子處,序列2和3 配對形成 發(fā)夾結(jié)構(gòu),序列3和4 無法形成 衰減子結(jié)構(gòu),繼續(xù)轉(zhuǎn)錄 合成trp的 mRNA,trp結(jié)構(gòu)基因,（2）細菌內(nèi)色氨酸（trp）充足時,核糖體,核糖體占 據(jù)序列1和 序列2,序列3和4 形成 衰減子結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)錄 終止！,核糖體順利通 過序列1色氨 酸密碼子處,序列2,序 列 3,

6、序 列 4,AUAUUAUUUUUUU,基因表達的多級調(diào)控,（一）DNA水平,基因丟失；,基因擴增,基因重排；,甲基化修飾；,染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài),（二）RNA水平,轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控；,RNA的轉(zhuǎn)錄后加工；,mRNA從核內(nèi)向胞漿轉(zhuǎn)運；,mRNA穩(wěn)定性,（三）蛋白質(zhì)水平,翻譯過程；,翻譯后加工；,蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性,五、真核生物基因表達與調(diào)控,（一）DNA水平,DNA甲基化（DNA methylation）與基因表達阻遏有關(guān) 基因組印記（genomic imprinting） 是說明甲基化作用在基因表達中具有 重要意義的最好例證，也是哺乳動物 所特有的現(xiàn)象。,染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達,與DNA的 結(jié)合能力 下降

7、,基因的 轉(zhuǎn)錄活性,DNA去甲基化、 增強子和某 些蛋白質(zhì)因子,染色質(zhì) 結(jié)構(gòu)松散,基因的 轉(zhuǎn)錄活性,組蛋白被磷酸化、 甲基化、 乙酰化 等修飾,真核細胞的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是調(diào)節(jié)基因表達的物理因素。,結(jié)構(gòu)松散的區(qū)域，基因的轉(zhuǎn)錄活性高。,1、真核生物的RNA聚合酶,種類 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物 對鵝膏蕈堿的敏感性,RNA pol,RNA pol,RNA pol ,45S是5.8S 、 18S和28S rRNA的前體,hnRNA是mRNA的前體,45S rRNA 不敏感,hnRNA和snRNA 高度敏感,tRNA和5S-rRNA 中度敏感,10/50,（二）RNA轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控,結(jié)構(gòu)基因,終止點,10,-10,TTGA

8、CA,TATAAT,轉(zhuǎn)錄 起始點,-35,（Pribnow box）,RNA聚合酶 辨認結(jié)合區(qū),轉(zhuǎn)錄起始區(qū),12/50,5,mRNA,3,5,編碼鏈模板鏈,2、順式作用元件與反式作用因子調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄起始,（1）順式作用元件（cis-acting element） 能與特異性轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，以決定轉(zhuǎn)錄的起始位點、轉(zhuǎn)錄效率及轉(zhuǎn)錄的時空特異性的DNA序列。,包括：啟動子（promoter），上游啟動子序列（UPS or UPE），增強子（enhancer），沉默子（silencer ），及各種因子的反應(yīng)元件等。,真正轉(zhuǎn)錄終止點,修飾點,外顯子,內(nèi)含子,翻譯起始,轉(zhuǎn)錄起始,TATA盒(Hogness b

9、ox),CAAT盒,GC盒,增強子,切離加尾,真核生物RNA pol 轉(zhuǎn)錄的基因,翻譯終止,18/50,啟動子,GC盒,TATA 盒,結(jié)構(gòu)基因,+1,決定基因表達的基礎(chǔ)水平,與RNA poly II 結(jié)合，決定轉(zhuǎn)錄起始點的精確定位。,CAAT盒,上游啟動子序列（UPS）,-25,-35,-70,-80,-110,確保轉(zhuǎn)錄精確而有效地起始的DNA序列,增強子,能增強啟動子活性的DNA序列。,特點：,1. 能遠距離增強啟動子的活性；,2. 在啟動子的上游和下游均起作用；,3. 無方向性；,4. 對啟動子的影響無嚴格的專一性。,作用機理：目前已知增強子與蛋白質(zhì)因子結(jié)合后能改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)。,含義：,

10、沉默子（Silencer),作用與增強子相反，在基因表達調(diào)控中起抑制作用的一種順式作用元件； 調(diào)控作用也不受距離和方向的限制。,（2）反式作用因子 （trans-acting factor）,能直接或間接識別和結(jié)合在順式作用元件上，調(diào)控靶基因表達的蛋白質(zhì)因子，也稱為轉(zhuǎn)錄因子（transcriptional factor，TF）。 蛋白質(zhì)-DNA，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（interaction）是其發(fā)揮功能的基礎(chǔ)。,（3）順式作用元件與反式作用因子的相互作用,基因表達調(diào)控是順式作用元件與反式作用因子相互作用的結(jié)果，二者缺一不可。,反式作用因子必需具備兩個條件：,與特異順式作用元件結(jié)合的DNA結(jié)合

11、區(qū)；,如：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋；鋅指結(jié)構(gòu)；,一個或多個與其他調(diào)控因子結(jié)合的區(qū)域。,（3）轉(zhuǎn)錄因子上的幾種重要結(jié)構(gòu)域基元（motif）,a. 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋 （helix-turn-helix，HTH）,HTH的基本結(jié)構(gòu)是兩個螺旋被一個轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)分開。,其中一個螺旋識別特異的順式作用元件上的DNA序列，另一個螺旋則結(jié)合在DNA上，調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。,螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋,b. 鋅指（Zinc finger）,某些轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合區(qū)域成指狀結(jié)構(gòu)，在其底部有2個Cys和2個His，或4個Cys 與鋅離子螯合。,：任一其他 氨基酸,C：半胱氨酸 H：組氨酸,Cys2 / Cys2鋅指,Cys2 / His2

12、鋅指,見于甾體激素受體,見于SP1，TF A等,X,N,C,鋅指,N,C,c. 亮氨酸拉鏈（Leu zipper）,蛋白質(zhì)之間的相互作用是生命現(xiàn)象的普遍規(guī)律之一，在基因表達調(diào)控中同樣具有重要意義。 亮氨酸拉鏈是蛋白質(zhì)二聚體化(蛋白質(zhì)相互作用的一種方式)的一種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 某些癌基因(如c-jun，v-jun，c-fos，v-fos等)表達產(chǎn)物通過亮氨酸拉鏈形成同源或異源二聚體，大大增加對DNA的結(jié)合能力，調(diào)控基因表達。,在亮氨酸拉鏈近N-端有富含堿性(帶正電荷)氨基酸殘基的區(qū)域，是DNA的結(jié)合區(qū)。,亮氨酸拉鏈是一個高亮氨酸組成的螺旋，每兩個螺圈出現(xiàn)一個亮氨酸，形成拉鏈的一邊。,兩個蛋白質(zhì)因子的螺

13、旋通過亮氨酸的疏水作用結(jié)合在一起形成拉鏈結(jié)構(gòu),亮氨酸拉鏈,（三）真核基因的轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)-mRNA的加工和剪接,1. hnRNA (heterogeneous nuclear RNA),不均一核RNA，核內(nèi)未被剪接的有內(nèi)含子的mRNA前體。,35/50,成熟的mRNA,hnRNA,胰島素基因,37/50,3. 斷裂基因(split gene),真核生物的結(jié)構(gòu)基因中，外顯子被內(nèi)含子間隔開，但連續(xù)鑲嵌，為一個連續(xù)完整的蛋白質(zhì)編碼。這種基因稱為斷裂基因。,2. 外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron),真核生物結(jié)構(gòu)基因中的編碼序列，稱為外顯子，非編碼序列稱為內(nèi)含子。,36/50,外顯子,內(nèi)含子,DNA,mRNA,轉(zhuǎn)錄,形成套索RNA，外顯子靠近,并接體,去除套索RNA，外顯子連接,成熟mRNA,39/50,二加工水平的調(diào)控,選擇性拼接是一種廣泛存在的RNA加工機制， 通過這種方式，一個基因能編碼兩個或