【教学课件】第十四章基因表达调控Chapter14RegulationofGene.ppt

第十四章第十四章 基因表达基因表达调控控Chapter 14 Regulation of Gene Expression 通通过基因表达，基因表达，DNA中的中的遗传信信息即可用以决定息即可用以决定细胞的表型和生胞的表型和生物形状。但是，基因的表达随着物形状。但是，基因的表达随着组织细胞及个体胞及个体发育的育的阶段的不段的不同，随着内外同，随着内外环境的境的变化的不同，化的不同，而表而表现为不同的基因的表达。不同的基因的表达。第一第一节 基因表达基因表达调控基本概控基本概念与原理念与原理 一、基因表达的概念一、基因表达的概念 基因表达基因表达（gene expression）就是指在）就是指在一定一定调节因素的作用下，因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并分子上特定的基因被激活并转录生成特定的生成特定的RNA，或由此引，或由此引起特异性蛋白起特异性蛋白质合成的合成的过程。程。人人类基因基因组DNA中中约含含5万个万个基因，但在某一特定基因，但在某一特定时期，只期，只人人类基因基因组DNA中中约含含5万个基因，万个基因，但在某一特定但在某一特定时期，只有少数的期，只有少数的基因基因处于于转录激活状激活状态，其余大，其余大多数基因多数基因则处于静息状于静息状态。一般。一般来来说，在大部分情况下，在大部分情况下，处于于转录激活状激活状态的基因的基因仅占占5%。通通过基因表达以合成特异性蛋白基因表达以合成特异性蛋白质，从而从而赋予予细胞以特定的生理功能胞以特定的生理功能或形或形态，以适，以适应内外内外环境的改境的改变。二、基因表达的二、基因表达的时间性及空性及空间二、基因表达的二、基因表达的时间性及空性及空间性性（一）（一）时间特异性：特异性：基因表达的基因表达的时间特异性特异性(temporal specificity)是指特定基因的表达是指特定基因的表达严格格按照特定的按照特定的时间顺序序发生，以适生，以适应细胞或个体特定分化、胞或个体特定分化、发育育阶段的需要。段的需要。故又称故又称为阶段特异性。段特异性。（二）空（二）空间特异性：特异性：基因表达的空基因表达的空间特异性特异性（spatial specificity）是指多）是指多细胞生物个体胞生物个体在某一特定生在某一特定生长发育育阶段，同一段，同一基因的表达在不同的基因的表达在不同的细胞或胞或组织器官不同，从而器官不同，从而导致特异性的蛋致特异性的蛋白白质分布于不同的分布于不同的细胞或胞或组织器器官。故又称官。故又称为细胞特异性或胞特异性或组织特异性。特异性。三、基因表达的方式三、基因表达的方式（一）（一）组成性表达：成性表达：组成性基因成性基因表达表达（constitutive gene expression）是指在个体）是指在个体发育的任育的任一一阶段都能在大多数段都能在大多数细胞中持胞中持续进行的基因表达。其基因表达行的基因表达。其基因表达产物通常是物通常是对生命生命过程必需的或必程必需的或必不可少的，且不可少的，且较少受少受环境因素的境因素的影响。影响。这类基因通常被称基因通常被称为管管家家基因基因（housekeeping gene）。）。（二）二）诱导和阻遏表达：和阻遏表达：诱导表表达达（induction）是指在特定）是指在特定环境境因素刺激下，基因被激活，从而因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达使基因的表达产物增加。物增加。这类基基因称因称为可可诱导基因。基因。阻遏表达阻遏表达（repression）是指在特定）是指在特定环境因境因素刺激下，基因被抑制，从而使素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达基因的表达产物减少。物减少。这类基因基因称称为可阻遏基因。可阻遏基因。四、基因表达的生物学意四、基因表达的生物学意义（一）适（一）适应环境、境、维持生持生长和增和增殖。殖。（二）（二）维持个体持个体发育与分化。育与分化。五、基因表达五、基因表达调控的基本原理控的基本原理（一）基因表达的多（一）基因表达的多级调控：控：五、基因表达五、基因表达调控的基本原理控的基本原理（一）基因表达的多（一）基因表达的多级调控：控：基基因表达因表达调控可控可见于从基因基因表于从基因基因表达达调控可控可见于从基因激活到蛋白于从基因激活到蛋白质生物合成的各个生物合成的各个阶段，因此基段，因此基因表达的因表达的调控可分控可分为转录水平水平（基因激活及（基因激活及转录起始）起始），转录后水平（加工及后水平（加工及转运），翻运），翻译水水平及翻平及翻译后水平，但以后水平，但以转录水平水平的基因表达的基因表达调控最重要。控最重要。（二）基因（二）基因转录激活激活调节 基本要素基本要素 1顺式作用元件：式作用元件：顺式作用元件式作用元件（cis-acting element）又称分子内）又称分子内作用元件，指存在于作用元件，指存在于DNA分子上分子上的一些与基因的一些与基因转录调控有关的特控有关的特殊殊顺序序。在原核生物中，大多数基因表达在原核生物中，大多数基因表达通通过操操纵子模型子模型进行行调控，其控，其顺式作用元件主要由式作用元件主要由启启动基因、操基因、操纵基因和基因和调节基因基因组成。成。在真核在真核生物中，与基因表达生物中，与基因表达调控有关的控有关的顺式作用元件主要有式作用元件主要有启启动子子（promoter）、）、增增强子子（enhancer）和）和沉默子沉默子（silencer）。）。基基因因的的组组织织结结构构及及顺顺式式作作用用元元件件 2反式作用因子：反式作用因子：反式作用因反式作用因子子（trans-acting factor）又称）又称为分子分子间作用因子，指一些与基因作用因子，指一些与基因表达表达调控有关的蛋白控有关的蛋白质因子。因子。反反式作用因子与式作用因子与顺式作用元件之式作用元件之间的共同作用，才能的共同作用，才能够达到达到对特定特定基因基因进行行调控的目的。控的目的。原核生物中的反式作用因子主原核生物中的反式作用因子主要分要分为特异因子、激活蛋白和特异因子、激活蛋白和阻遏蛋白阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子而真核生物中的反式作用因子通常称通常称为转录因子因子。3顺式作用元件与反式作用因子顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：之间的相互作用：l大多数调节蛋白在与大多数调节蛋白在与DNA结合之前，结合之前，需先通过需先通过蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用，蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，形成二聚体或多聚体，然后再通过识然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与别特定的顺式作用元件，而与DNA分分子结合。这种结合通常子结合。这种结合通常是非共价键是非共价键结结合。合。第二第二节 原核基因原核基因转录调节 存在于原核生物中的一种主要的存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操控模式是操纵子（子（operon）调控模式，控模式，该模式也模式也见于低等真核于低等真核生物中。生物中。在原核生物中，若干在原核生物中，若干结构基因可串构基因可串联在一起，其表达受在一起，其表达受到同一到同一调控系控系统的的调控，控，这种基种基因的因的组织形式称形式称为操操纵子子（operon）。一、操纵子的结构与功能一、操纵子的结构与功能 l典型的操纵子可分为典型的操纵子可分为控制区和信息区控制区和信息区两两部分。控制区由各种调控基因所组成，而部分。控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联信息区则由若干结构基因串联 l以原核生物以原核生物乳糖操纵子乳糖操纵子(Lac operon)为例，其为例，其控制区包括控制区包括调节基因（阻遏调节基因（阻遏基因），启动基因基因），启动基因（其（其CRP结合位点结合位点位于位于RNA聚合酶结合位点上聚合酶结合位点上游）和操游）和操纵基因纵基因；其信息区由；其信息区由-半乳糖苷酶基半乳糖苷酶基因（因（lacZ），通透酶基因（），通透酶基因（lacY）和）和乙酰化酶乙酰化酶基因（基因（lacA 控制区控制区信息区信息区乳糖操纵子的结构基因及其表乳糖操纵子的结构基因及其表达产物达产物 二、乳糖操纵子的调控机制二、乳糖操纵子的调控机制（一）乳糖操纵子的诱导：（一）乳糖操纵子的诱导：（一）乳糖操纵子的阻遏：（一）乳糖操纵子的阻遏：三、色氨酸操三、色氨酸操纵子的子的调控机制控机制 色氨酸操色氨酸操纵子子（trp operon）属）属于阻遏型操于阻遏型操纵子，主要参与子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代控一系列用于色氨酸合成代谢的的酶蛋白的蛋白的转录合成。当合成。当细胞胞内缺乏色氨酸内缺乏色氨酸时，此操，此操纵子开子开放，而当放，而当细胞内合成的色氨酸胞内合成的色氨酸过多多时，此操，此操纵子被关子被关闭。色氨酸操色氨酸操纵子的子的调控机制与乳控机制与乳糖操糖操纵子子类似，但通常情况下，似，但通常情况下，操操纵子子处于开放状于开放状态，其，其辅阻阻遏蛋白不能与操遏蛋白不能与操纵基因基因结合而合而阻遏阻遏转录。而当色氨酸合成而当色氨酸合成过多多时，色氨酸作，色氨酸作为辅阻遏物与阻遏物与辅阻遏蛋白阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋合而形成阻遏蛋白，后者与操白，后者与操纵基因基因结合而使合而使基因基因转录关关闭。l色氨酸操纵子的调控还涉及色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减转录衰减(attenuation)机制。即在色氨酸操纵子第一个机制。即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个的翻译过程，形成一个衰减子衰减子结构，使结构，使RNA聚合聚合酶从酶从DNA上脱落，导致转录终止。上脱落，导致转录终止。四、原核生物四、原核生物转录的整体的整体调控模式控模式 l由由成成群群的的操操纵子子组成成的的基基因因转录调控控网网络称称为调节子子。通通过组成成调节子子调控控网网络，对若若干干操操纵子子及及若若干干蛋蛋白白质的的合合成成进行行协同同调控控，从从而而达到整体达到整体调控的目的。控的目的。l典典型型的的整整体体调控控模模式式是是SOS反反应，这是是由由一一组与与DNA损伤修修复复有有关关的的酶和和蛋蛋白白质基基因因组成成。在在正正常常情情况况下下，这些些基基因因均均被被LexA阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭。当当有有紫紫外外线照照射射时，细菌菌体体内内的的RecA蛋蛋白白水水解解酶被被激激活活，催催化化LexA阻阻遏遏蛋蛋白白裂裂解解失失活活，从而从而导致与致与DNA损伤修复有关的基因表达。修复有关的基因表达。第三第三节 真核基因真核基因转录调节 真真核生物中基因表达的核生物中基因表达的调控机制控机制较原核生物复原核生物复杂得多，得多，许多多细节还未弄清楚。就人未弄清楚。就人类染色体染色体DNA而言，就有而言，就有30亿个碱基个碱基对，估估计约有有5万个基因。万个基因。一、真核基因一、真核基因组结构特点构特点（一）（一）转录产物物为单顺反子：反子：真核基真核基因的因的转录产物一般是物一般是单顺反子反子（mono-cistron），即一个），即一个编码基因基因转录生成一个生成一个mRNA分分子，并指子，并指导翻翻译一条多一条多肽链。（二）大量重复序列：（二）大量重复序列：真核基真核基因因组中含大量的重复序列，中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没有特定些重复序列大部分是没有特定生物学功能的生物学功能的DNA片段，可占片段，可占整个基因整个基因组DNA的的90%。根据。根据重复重复频率可将其分率可将其分为高度重复高度重复序列、中度重复序列和序列、中度重复序列和单拷拷贝序列。序列。（三）断裂基因：（三）断裂基因：l真核生物中的基因具有不连续性，真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因即一个基因的编码序列往往被一些非编码序列分隔开。的编码序列往往被一些非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称为基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称为外外显子显子（exon），而在转录后会被剪除的），而在转录后会被剪除的部分则称为部分则称为内含内含子子（intron）。二、真核基因表达二、真核基因表达调控的特点控的特点（一）（一）RNA聚合聚合酶活性受活性受转录因子因子调控：控：真核生物中存在真核生物中存在RNA pol、三种不同三种不同的的RNA聚合聚合酶，分，分别负责转录不同的不同的RNA。这些些RNA聚合聚合酶与相与相应的的转录因子形成复合体，因子形成复合体，从而激活或抑制从而激活或抑制该酶的催化活的催化活性。性。（二二）染染色色质质结结构构改改变变参参与与基基因表达的调控：因表达的调控：l真真核核生生物物DNA与与组组蛋蛋白白结结合合并并形形成成核核小小体体的的结结构构，再再进进一一步步形形成成染染色色质质。当当真真核核基基因因被被激激活活时时，染染色色质质的的结结构构也也随随之之发发生生改改变变。主要的改变有：主要的改变有：2DNA拓朴拓朴结构改构改变：天然天然双双链DNA均以均以负性超螺旋构象性超螺旋构象存在，当基因激活后，存在，当基因激活后，则转录区前方的区前方的DNA拓朴拓朴结构构变为正正性超螺旋。正性超螺旋可阻碍性超螺旋。正性超螺旋可阻碍核小体形成，并促核小体形成，并促进组蛋白解蛋白解聚。聚。3核小体不核小体不稳定性增加：定性增加：由于由于组蛋白修蛋白修饰状状态改改变，巯基暴露等原因而引起核小体基暴露等原因而引起核小体结构改构改变。（四）正性（四）正性调节占主占主导：真核真核基因一般都基因一般都处于阻遏状于阻遏状态，RNA聚合聚合酶对启启动子的子的亲和力和力很低。通很低。通过利用各种利用各种转录因子因子正性激活正性激活RNA聚合聚合酶是真核基是真核基因因调控的主要机制。控的主要机制。（五）（五）转录和翻和翻译过程分程分别进行：行：转录与翻与翻译过程分程分别存在存在于不同的于不同的亚细胞部位，可分胞部位，可分别进行行调控。控。（六）（六）转录后加工后加工修修饰过程复程复杂：特特别是是mRNA，转录后后仅形成其初形成其初级转录产物物HnRNA，然后再，然后再经剪接、剪接、加帽、加尾等加工修加帽、加尾等加工修饰，才能，才能转变为成熟的成熟的mRNA。三、真核基因三、真核基因转录调控元件及控元件及激活机制激活机制（一）（一）顺式作用元件式作用元件（分子内作用元件）：（分子内作用元件）：1启启动子：子：存在于存在于结构基因上游，构基因上游，与基因与基因转录启启动有关的一段特有关的一段特殊殊DNA顺序称序称为启启动子子（promoter)promoter)。与原核生物。与原核生物类似，似，也含有一段富含也含有一段富含TATA的的顺序，序，称称为TATA盒。除此之外，盒。除此之外，还可可见CAAT盒和盒和GC盒。盒。2增增强子：子：位于位于结构基因附构基因附近，能近，能够增增强该基因基因转录活性活性的一段的一段DNA顺序称序称为增增强子子(enhancer)。增增强子是另一子是另一类顺式作用的式作用的DNA片段，可使基片段，可使基因因转录的速率大大提高。其突的速率大大提高。其突出特点是：出特点是：在在转录起始点起始点5或或3侧均能起作用均能起作用；相相对于于启启动子的任一指向均能起作用子的任一指向均能起作用；发挥作用与受控基因的作用与受控基因的远近近距离相距离相对无关无关；对异源性启异源性启动子也能子也能发挥作用作用；通常具通常具有一些短的重复有一些短的重复顺序序。增增强子是通子是通过一一类称之称之为转录因子的蛋白因子的蛋白质而而发挥其促其促进转录的作用。其作用机制目前公的作用。其作用机制目前公认的是的是环出模型出模型。在在噬菌体噬菌体Cro蛋白蛋白结合位点和合位点和RNA起始起始点之点之间插入数百碱基插入数百碱基对的无关的无关DNA，Cro蛋白蛋白结合仍然合仍然对聚聚合合酶有激活作用。有激活作用。电镜观察察发现，Cro蛋白与蛋白与Cro位点位点结合后，合后，通通过DAN链的弯曲成的弯曲成环与起始与起始点附近的点附近的转录蛋白靠近并蛋白靠近并结合。合。这一机制同一机制同样适合于适合于SV40以及以及其它真核基因的启其它真核基因的启动子。子。3沉默子：沉默子：能能够对基因基因转录起阻遏作用的起阻遏作用的DNA片段，属于片段，属于负性性调控元件。控元件。（二）反式作用因子（分子（二）反式作用因子（分子间作用因子）：作用因子）：真核生物反式作真核生物反式作用因子通常属于用因子通常属于转录因子因子（transcription factor，TF）。）。1转录因子的种因子的种类：(1)非特非特异性异性转录因子（基本因子（基本转录因子）因子）：非非选择性性调控基因控基因转录表达表达的蛋白的蛋白质因子称因子称为非特异性非特异性转录因子。真核生物中存在的三因子。真核生物中存在的三种种RNA聚合聚合酶分分别有相有相应的的转录因子，即因子，即TF，TF，TF。其中以。其中以TF研究研究较清楚，清楚，TF一共有六种一共有六种亚类，分，分别是是TFA，TFB，TFD，TFE，TFF，TF-I。TFD是唯一能是唯一能识别启启动子子TATA盒盒并与之并与之结合的合的转录因子，因子，而而TFB则可促可促进聚合聚合酶与与启启动子的子的结合。合。(2)特异性特异性转录因子：因子：能能够选择性性调控某种或某些基因控某种或某些基因转录表表达的蛋白达的蛋白质因子称因子称为特异性特异性转录因子。因子。目前目前较清楚的是清楚的是调控控免疫球蛋白基因表达的核内蛋免疫球蛋白基因表达的核内蛋白白质因子（因子（NF），已），已发现存在存在NFA，NF2A，NFB，NFB4，NF等等亚类。2转录因子的因子的结构：构：目前已知，目前已知，反式作用因子至少含有三个功反式作用因子至少含有三个功能域，即能域，即DNA结合功能域，合功能域，转录活性功能域和其它活性功能域和其它转录因子因子结合功能域合功能域。对各种各种转录因子因子DNA结合功能合功能域的研究域的研究发现一些一些带共性的共性的结构，主要有：构，主要有：(1)HTH和和HLH结构：构：由两段由两段-螺旋螺旋夹一段一段-折迭构成，折迭构成，-螺旋与螺旋与-折折迭之迭之间通通过-转角或成角或成环连接，接，即即螺旋螺旋-转角角-螺旋螺旋结构和螺旋构和螺旋-环-螺旋螺旋结构构。典型的例子是。典型的例子是噬菌体的噬菌体的CroCro蛋白，蛋白，该蛋白含三蛋白含三段段-螺旋和三段螺旋和三段-折迭，两折迭，两亚基通基通过-折迭而形成二聚体，折迭而形成二聚体，相当于相当于DNA的一个螺距的的一个螺距的长度，度，而每一而每一亚基的一段基的一段-螺旋螺旋则刚好能嵌入好能嵌入DNA双螺旋的大沟中双螺旋的大沟中与与DNA紧密密结合。合。(2)锌指结构：锌指结构：l见于见于TFA和类固醇激素受体中，由一和类固醇激素受体中，由一段富含段富含半胱氨酸的多肽链构成。每四个半光氨酸残基或半胱氨酸的多肽链构成。每四个半光氨酸残基或His残基螯合一分子残基螯合一分子Zn2+，其余约，其余约12-13个残个残基则呈指样基则呈指样突出，刚好能嵌入突出，刚好能嵌入DNA双螺旋的大双螺旋的大沟中而与之相结合。沟中而与之相结合。每个蛋白质分子中可含每个蛋白质分子中可含2-9个个 (3)亮氨酸拉链结构：亮氨酸拉链结构：l 见见于真核生物于真核生物DNA结合蛋白质结合蛋白质的的C端，与癌基因表达调控端，与癌基因表达调控有关。由两段有关。由两段-螺旋平行排螺旋平行排列构成，其列构成，其-螺旋中存在螺旋中存在每隔每隔7个残基规律性排列的个残基规律性排列的Leu残基，残基，Leu侧链交替排列侧链交替排列而呈拉链状。两条肽链呈钳而呈拉链状。两条肽链呈钳状与状与DNA结合结合。3转录因子的作用特点：因子的作用特点：同一同一DNA顺式作用元件可被不同式作用元件可被不同的的转录因子所因子所识别；同一同一转录因子也可因子也可识别不同的不同的DNA顺式式作用元件；作用元件；TF与与TF之之间存存在相互作用；在相互作用；当当TF与与TF，TF与与DNA结合合时，可，可导致构象致构象改改变；TF在合成在合成过程中，程中，有有较大的可大的可变性和可塑性。性和可塑性。（三）（三）转录激活及其激活及其调控：控：真真核核RNA聚合聚合酶的激活需要依的激活需要依赖多种多种转录因子，并与之形成因子，并与之形成复合体。其复合体。其过程首先是由程首先是由TFD识别启启动子序列并与之子序列并与之结合；合；继而在而在TFAF的参与的参与下，下，RNA聚合聚合酶与与TFD、B聚合形成一个功能性的前起聚合形成一个功能性的前起始复合体始复合体PIC；最后，；最后，结合了增合了增强子的子的转录因子与前起因子与前起始复合体始复合体结合，从而形成合，从而形成稳定定的的转录起始复合体。起始复合体。聚聚合合酶酶转转录录起起始始复复合合体体的的组组装装聚聚合合酶酶转转录录起起始始复复合合体体的的组组装装聚聚合合酶酶转转录录起起始始复复合合体体的的组组装装