第十四基因表達調控

第十四基因表達調控二、基因表達得時間性及空間性(一)時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。(二)空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現出得這種分布差異,實際上就是由細胞在器官得分布決定得,所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)在個體生長全過程,某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現,稱之為基因表達得空間特異性(spatialspecificity)三、基因表達得方式按對刺激得反應性,基因表達得方式分為:(一)組成性表達某些基因在一個個體得幾乎所有細胞中持續(xù)表達,通常被稱為管家基因(housekeepinggene)無論表達水平高低,管家基因較少受環(huán)境因素影響,而就是在個體各個生長階段得大多數或幾乎全部組織中持續(xù)表達,或變化很小。區(qū)別于其她基因,這類基因表達被視為組成性基因表達(constitutivegeneexpression)管家基因(housekeepinggene)某些基因在一個個體得幾乎所有細胞中持續(xù)表達。bcl-2β-actin12(二)誘導與阻遏表達在特定環(huán)境信號刺激下,相應得基因被激活,基因表達產物增加,這種基因稱為可誘導基因?？烧T導基因在特定環(huán)境中表達增強得過程,稱為誘導(induction)。

如果基因對環(huán)境信號應答就是被抑制,這種基因就是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產物水平降低得過程稱為阻遏(repression)四、基因表達調控得生物學意義(一)適應環(huán)境、維持生長與增殖(二)維持個體發(fā)育與分化一、基因表達得多級調控(一)DNA水平基因丟失;基因擴增基因重排;

甲基化修飾染色質得結構狀態(tài)(二)RNA水平轉錄水平調控RNA得轉錄后加工mRNA從核內向胞漿轉運mRNA穩(wěn)定性(三)蛋白質水平翻譯過程翻譯后加工蛋白質得穩(wěn)定性基因表達調控得基本原理二、基因轉錄激活調節(jié)基本要素1、特異得DNA序列2、調節(jié)蛋白3、DNA-蛋白質,蛋白質-蛋白質相互作用4、RNA聚合酶如啟動序列,操縱序列,Pribnow盒,GC序列等如阻遏蛋白,激活蛋白,CAP,轉錄因子等改變DNA得結構與RNA聚合酶得功能原核生物

蛋白質因子——

操縱子(operon)

機制特異DNA序列編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調節(jié)序列(promoter)(operator)12大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流是RNA聚合酶結合并啟動轉錄的特異DNA序列。1)

啟動序列RNA轉錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列共有序列(consensussequence)決定啟動序列得轉錄活性大小某些特異因子(蛋白質)決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列得特異性識別與結合能力2

操縱序列

——阻遏蛋白(repressor)得結合位點當操縱序列結合有阻遏蛋白時,會阻礙RNA聚合酶與啟動序列得結合,或就是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動,阻礙轉錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白3)

其她調節(jié)序列、調節(jié)蛋白例如激活蛋白(activator)可結合啟動序列鄰近得DNA序列,促進RNA聚合酶與啟動序列得結合,增強RNA聚合酶活性真核生物1)順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達活性的DNA序列BADNA編碼序列轉錄起始點不同真核生物得順式作用元件中也會發(fā)現一些共有序列,如TATA盒、CAAT盒等,這些共有序列就是RNA聚合酶或特異轉錄因子得結合位點

2)

真核基因得調節(jié)蛋白還有蛋白質因子可特異識別、結合自身基因得調節(jié)序列,調節(jié)自身基因得表達,稱順式作用由某一基因表達產生得蛋白質因子,通過與另一基因得特異得順式作用元件相互作用,調節(jié)其表達。反式作用因子(trans-actingfactor)

這種調節(jié)作用稱為反式作用cDNAaDNA反式調節(jié)C順式調節(jié)mRNAC蛋白質CBAmRNA蛋白質AA指得就是反式作用因子與順式作用元件之間得特異識別及結合。通常就是非共價結合,被識別得DNA結合位點通常呈對稱、或不完全對稱結構絕大多數調節(jié)蛋白質結合DNA前,需通過蛋白質-蛋白質相互作用,形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)2.DNA-蛋白質蛋白質-蛋白質的相互作用3、RNA聚合酶⑴原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚合酶活性RNA聚合酶與其得親與力,影響轉錄。⑵調節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性一些特異調節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號刺激下表達,然后通過DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質相互作用影響RNA聚合酶活性?；虮磉_得調控方式:

阻遏負調控:調控蛋白+DNA序列基因得表達

(相應蛋白質降低)

促進正調控:調控蛋白+DNA序列基因得表達

(相應蛋白質增加)(一)轉錄起始得調控(啟動子調控))

(二)轉錄終止得調控(衰減子得調控)

(三)翻譯水平得調控第一節(jié)原核生物基因表達得調控方式特點調控機制

--操縱子正調控負調控轉錄翻譯偶聯快速乳糖操縱子--負、正調控轉錄起始得調控色氨酸操縱子--負調控轉錄起始、終止得調控(一)轉錄起始得調控1、乳糖操縱子(lactoseoperon)操縱子(operon):原核生物中幾個功能相關得結構基因成簇串聯排列組成得一個基因表達得協(xié)同單位(DNA序列)、一個操縱子

=編碼序列(2-6)

+啟動序列+操縱序列+(其她調節(jié)序列)乳糖操縱子得發(fā)現:細菌以葡萄糖為能量來源葡萄糖充分時:與葡萄糖代謝有關得酶基因---表達與其她糖代謝有關得酶基因---關閉葡萄糖耗盡時,乳糖存在(培養(yǎng)基):與乳糖代謝有關得酶基因---表達與葡萄糖代謝有關得酶基因---關閉乳糖操縱子就是原核生物基因轉錄負調控得最典型模式。(1)乳糖操縱子(lactoseopron)結構IPOZYA調控基因控制位點結構基因DNA阻遏蛋白啟動序列cAMP-CAP結合位點操縱序列β半乳糖苷酶通透酶乙?；D移酶RNA聚合酶結合位點

細菌代謝酶得誘導葡萄糖乳糖細菌合成代謝葡萄糖得酶類細菌合成代謝乳糖得酶類

細菌對乳糖得利用及其相關得酶:

乳糖(在通透酶作用下進入細菌)

β半乳糖苷酶

(細菌中少量存在)別位乳糖

β半乳糖苷酶

(細菌中少量存在)

葡萄糖+半乳糖

β半乳糖苷酶(細菌中少量存在)轉乙?；?-功能未詳(2)Lac阻遏物得作用---負調控Lac阻遏物結構特點調控機制(負調控)由基因I編碼生成得蛋白質具有四級結構得蛋白質具有4個相同亞基每個亞基中都有一與誘導劑結合得位點Lac阻遏物與O基因結合:結構基因關閉Lac阻遏物與誘導劑結合:不與O基因結合,結構基因開放

RNA聚合酶結合,轉錄開始生理性誘導劑實驗常用誘導劑別位乳糖異丙基硫代半乳糖(IPTG)Lac操縱子誘導劑mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時2、阻遏蛋白得負性調節(jié)阻遏基因與操縱序列結合,RNA聚合酶則不起作用,不轉錄mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶++++轉錄無葡萄糖,cAMP濃度高時有葡萄糖,cAMP濃度低時3、cAMP-CAP得正性調節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPcAMP:環(huán)一磷酸腺苷CAP:分解代謝基因激活蛋白質(catabolitegeneactivatorprotein,CAP)cAMP與葡萄糖相關性:葡萄糖↑,cAMP↓

葡萄糖↓,cAMP↑CAP得活性依賴cAMP,形成cAMP-CAP復合物,促進多種操縱子得轉錄起始。葡萄糖存在時:優(yōu)先利用葡萄糖作為能源。與阻遏蛋白得存在有關

--乳糖操縱子得負調控與cAMP有關:葡萄糖

cAMPLac操縱子(-)只有乳糖存在時:只能利用乳糖解除阻遏蛋白得作用CAP-cAMP復合物得激活作用

CAP+cAMP

乳糖操縱子導致結構基因轉錄(正調控)cAMP在原核生物中得作用(饑餓信號)CAP(分解物基因激活物蛋白):有二個相同亞基得蛋白質一個與DNA結合得domain

一個與cAMP結合得domain

※當阻遏蛋白封閉轉錄時,CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用;※如無CAP存在,即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合,操縱子仍無轉錄活性。原核生物基因表達得一般情況(乳糖操縱子)環(huán)境條件得變化就是相關基因表達得外界信號基因表達得負調控基因表達得正調控正、負調控協(xié)同表達葡萄糖、乳糖濃度得變化Lac阻遏物與操縱基因cAMP+CAP與相應得DNA序列(二)轉錄終止得調控

原核生物得轉錄終止調控方式分兩大類:A、依賴ρ因子得終止調控;B、不依賴ρ因子得終止調控。此外,核糖體也參與轉錄終止。例:色氨酸操縱子表達得調控有兩種方式:a、通過阻遏蛋白得負調控b、通過衰減子作用TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調節(jié)區(qū)結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶轉錄衰減得調控色氨酸操縱子6700個核苷酸140個核苷酸?UUUU……UUUU……調節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列衰減子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結構能力:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……衰減子:就是一種位于結構基因上游前導區(qū)得終止子。

引導序列由一段14氨基酸前導肽編碼區(qū)與一個衰減子組成,AUG密碼子后面緊跟13個密碼子,第10、11為色氨酸密碼子。

色氨酸操縱子mRNA引導序列不同區(qū)域互補所形成得不同二級結構UUUU……34UUUU3’34

核糖體前導肽前導mRNA1、當色氨酸濃度高時轉錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結構就就是終止子可使轉錄前導DNAUUUU3’RNA聚合酶終止UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽前導mRNA15’trp密碼子

結構基因前導DNARNA聚合酶2、當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關結構基因被轉錄序列3、4不能形成衰減子結構色氨酸操縱子得轉錄衰減作用

色氨酸豐富時,核蛋白體順利沿引導序列移動直達最后一個密碼子UGA,合成完整得引導肽。RNA聚合酶停止在衰減子部位。色氨酸缺乏時,核蛋白體終止在1區(qū)Trp密碼子部位,RNA聚合酶通過衰減子而繼續(xù)轉錄。

(三)翻譯水平得調控

翻譯一般在起始與終止階段受到調節(jié)。調節(jié)分子:RNA、蛋白質調節(jié)分子可直接或間接決定翻譯起始位點能否為核蛋白體所利用。

第三節(jié)

真核基因轉錄調節(jié)RegulationofEukaryoticGeneTranscription一、真核基因組結構特點(一)真核基因組結構龐大哺乳類動物基因組DNA約3×109

堿基對編碼基因約有30000個rDNA等重復基因約占5%～10%(二)單順反子單順反子(monocistron)

即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子,經翻譯生成一條多肽鏈(三)重復序列單拷貝序列（一次或數次）高度重復序列（106

次）中度重復序列（103～104次）多拷貝序列(四)基因不連續(xù)性二、真核基因表達調控特點(一)RNA聚合酶(二)核心途徑(活性染色體結構變化):環(huán)境信號轉導染色質活化轉錄得激活1、對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點,位于調節(jié)蛋白結合位點附近2、DNA拓撲結構變化天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在;基因活化后RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉錄方向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)正性調節(jié)占主導(四)轉錄與翻譯分隔進行(五)轉錄后修飾、加工(一)順式作用元件真核生物DNA序列與被轉錄得結構基因距離較近包括:啟動子(啟動子上游近側序列)增強子與轉錄調控有關

(可影響自身編碼基因表達活性)三、真核基因轉錄激活調節(jié)1、啟動子與啟動子上游近側序列就是RNA聚合酶結合位點周圍得DNA序列位于轉錄起始點得上游按其對RNA聚合酶得影響分為兩類:位于較上游得元件,強烈影響轉錄起始

CAATbox,GCbox離轉錄點較近,起轉錄起始調控作用

TATAbox真核基因啟動子就是RNA聚合酶結合位點周圍得一組轉錄控制組件,至少包括一個轉錄起始點以及一個以上得功能組件2、增強子一類能增強真核生物啟動子功能得順式作用元件(DNA序列)增強子、啟動子交錯覆蓋/連續(xù)沒有增強子啟動子不表現活性沒有啟動子增強子無法發(fā)揮作用增強子作用不受序列方向得制約有組織特異性

3其她元件

包括負調控元件與終止子等。

負調控元件:

沉默子(silencer)衰減子(dehancer)

某些基因得負性調節(jié)元件,當其結合特異蛋白因子時,對基因轉錄起阻遏作用反應元件真核細胞處于某一特定環(huán)境時有反應得基因具有相同得順式作用元件這一類順式作用元件--反應元件(DNA序列)特點:(１)具較短得保守序列

(２)與轉錄起始點得距離不固定

(３)可位于啟動子或增強子內舉例:激素反應元件(HRE)當糖皮質激素作用時,真核細胞中有反應得基因具有此類順式作用元件(二)反式作用因子

(轉錄因子transcriptionfactor)一類在真核細胞核中發(fā)揮作用得蛋白質因子反式作用因子識別/結合順式作用元件中得靶序列啟動轉錄例:轉錄因子TFⅡD識別結合TATAbox

轉錄因子SP1識別結合GCbox