基因表达调控Gene Expression Regulation control第一节 概 述一一、基因表达的概念基因表达的概念本节介绍4方面内容:三、基因表达的方式三、基因表达的方式四、基因表达的多级调控四、基因表达的多级调控二、基因表达的特性二、基因表达的特性基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。对某些基因而言,基因的表达只有转录的过程。* 基因表达（gene expresion）基因表达是受调控的一一 、基因表达的概念、基因表达的概念基因表达调控（gene expression regulation and control）指通过生物体内的调控系统来调节和控制体内蛋白质的含量与活性，使之在特定的时间、特定的空间、并以一定的强度出现，以适应机体生长、发育和繁殖的需要。二、基因表达的特性二、基因表达的特性（一） 时间特异性在单细胞生物，按功能需要，某一特定基因 的表达随时间、环境而变化，严格按特定的时 间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。 在多细胞生物，从受精卵到组织器官形成的 各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间 顺序开启或关闭，表现与发育阶段一致的时间 性。因此，在多细胞生物，基因表达的时间特 异性又称阶段特异性。（二） 空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的， 所以空间特异性又称细胞或组织特异性。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这种按一定空间顺序 出现的基因表达称空间特异性。三、基因表达的方式三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一） 组成性表达无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素 影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎 全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他 基因，这类基因表达被视为组成性表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续 表达, 通常被称为管家基因。( housekeeping gene )（二） 诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活， 基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因 。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称 为诱导（ induction ）。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基 因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物降低的 过程称为阻遏（ repression ）。在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、相互配 合、共同表达，即为协调表达 （coordinate expression）这种调节称为协调调节（coordinate regulation）（三）协调表达四、基因表达的多级调控四、基因表达的多级调控基因 激活转录起始 转录后加工 mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译 翻译后加工修饰（一）（一）DNADNA水平的调控水平的调控包括基因扩增（拷贝数增多）、基因重排、基因 结构的活化等。DNA必须部分暴露才能使RNApol有效的结合， 转录起始前基因必须进入活性状态才能起始转录 。（二）转录水平的调控（二）转录水平的调控转录水平的调控是基因表达调控中最重要的环节，转录的起始是基本的控制点。这是因为：在所有生物合成途径中，第一步反应通常是最有效的调节环节，控制反应途径的第一步反应通常可减少不必要的生物合成，节约原料，合理用能；在功能方面相互依赖的数个蛋白质编码基因串联为复合基因（如Lac操纵子），此时通过转录起始阶段调节这些基因产物的表达是最有效的。（三）转录后水平的调控（三）转录后水平的调控指转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、加工过程。包括转录提前终止、mRNA前体的加工、剪接、RNA编辑等。对某些基因来说，转录后水平的调控在决定细胞的表型多样化和蛋白质结构与功能上也是十分关键的。（四）翻译水平的调控（四）翻译水平的调控通过特异的蛋白质阻断某些mRNA翻译起始， 是一种特异性调节。翻译的起始调控是翻译水平 调控的主要阶段。（五）翻译后水平的调控（五）翻译后水平的调控蛋白质合成后，使蛋白质活化并发挥生物学功能的调节过程称为翻译后水平的调控。第二节第二节 原核基因表达调控原核基因表达调控一、转录水平的调控一、转录水平的调控（一）影响原核基因转录的因素（一）影响原核基因转录的因素 （顺式元件和调控蛋白）（顺式元件和调控蛋白）1、启动子启动子是DNA链上能与RNApol结合并能有效起始RNA转录的DNA序列。它是基因表达不可缺少的调控序列，没有启动子，基因就不能转录。 启动子决定转录的方向及模板链启动子决定转录的方向及模板链5 TTGACA TATATT AGGTCCACG 3-35-10+13 AACTGT ATATAA TCCAGGTGC 5AGGUCCACG 启动子决定转录的效率2 2、 因子因子 因子控制RNApol与DNA结合因子的作用是确保RNApol与特异的 启动子而不是与其他位点结合 核心酶 core enzyme全酶 holoenzyme 因子控制特定基因表达因子控制特定基因表达因子使得RNApol选择特定的启动区起始转录。一旦一种因子被另一种因子代替，即引起原来一套基因的关闭和新的一套基因转录的开始。如环境温度升高或其它应激变化引起32与核心酶结合，RNApol全酶结合Hsp基因的启动区，起始Hsp基因转录，而原先许多基因的转录关闭。3. 3.操纵序列和阻遏蛋白操纵序列和阻遏蛋白操纵元件又称操纵基因,是阻遏蛋白识别与 结合的一小段DNA序列。阻遏蛋白指一类在转录水平对基因表达产生 负调控作用的蛋白。它主要通过抑制开放性启 动子复合物的形成而控制基因转录。阻遏（阻遏（repressionrepression）: :有活性的阻遏蛋白与操纵基有活性的阻遏蛋白与操纵基因结合时，阻止因结合时，阻止RNApolRNApol与启动子结合或阻止开与启动子结合或阻止开放性启动子复合物形成而抑制转录的作用放性启动子复合物形成而抑制转录的作用去阻遏（derepression）:一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA脱落下来的作用。辅阻遏:一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白活化，抑制转录。 可诱导的操纵子可诱导的操纵子如E.coli lac ，当阻遏蛋白与操纵基因结合时， 则抑制转录。有乳糖或乳糖类似物(IPTG)存在 时，阻遏蛋白与乳糖结合而变构，变构的阻遏 蛋白不能与操纵基因结合，引起结构基因转录 。 可阻遏的操纵子可阻遏的操纵子如E.coli Trp，无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，RNApol与启动子结合启动基因转录。有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后与操纵基因结合，阻止RNApol与启动子结合而抑制转录。4. 4.正调控蛋白及其结合位点正调控蛋白及其结合位点正调控蛋白：一类与DNA结合后，促进基因转录的调控 蛋白。它主要通过改变启动子的起始效率而控 制基因的转录。乳糖操纵子的结构调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA分解代谢基因激活蛋白（分解代谢基因激活蛋白（catabolitecatabolite gene gene activator protein,CAPactivator protein,CAP）CAP与CAP位点结合后，才能促使RNApol与启动子结合，启动基因转录，这样一个操纵子中的一组基因就有两道开关，只有两道开关同时打开时基因才能转录。大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白（大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白（nitrogen nitrogen metabolism gene activator metabolism gene activator protein,ntrCprotein,ntrC）ntrCntrCpntrB激酶ntrB磷酸酶5.增强子与激活蛋白6 6、倒位蛋白、倒位蛋白(inversion protein)(inversion protein)是一种位点特异性的重组酶。可使DNA的某一段序列发生倒位。倒位蛋白可使启动子的方向发生倒位，而控制基因转录。7 7、转录终止子与、转录终止子与 因子因子转录终止子(teminater)定义：指基因的3末端或者操纵子的3 的一段具有终止转录功能的核苷酸序列。分类：依赖因子的转录终止子不依赖因子的转录终止子序列特征序列特征相同点：终止点之前有一段回文结构，两重复序 列之间有间隔序列，终止子被转录出来的RNA可 形成发夹结构。不同点：不依赖因子的转录终止子回文序列中有 较多G-C碱基对，回文序列下游有6-8A-T碱基对； 依赖因子的转录终止子回文序列中G-C含量较少 ，回文序列下游没有固定特征。不依赖因子（ E.coli,Trp） 终止 子依赖因子（TR1）的终止子发夹结构的作用：发夹结构的作用：阻碍阻碍RNARNA链从三元复合物链从三元复合物 进一步向外释放，造成转录作用高度搁置。进一步向外释放，造成转录作用高度搁置。回文序列下游A/U序列的作用：dA和rU之间氢 键力和碱基堆积力很弱，造成RNA和DNA杂交 部分很容易拆开，三元复合物解体，RNApol与 RNA解离，转录终止。 因子因子因子具有两种活性：促进转录终止；具有NTP酶活性，后一种活性是实现前一种活性必不可少的。ATP8 8、衰减子、衰减子(attenuator)(attenuator)是一个受翻译控制的转录终止子结构。是一段能减弱转录作用的序列。由于翻译作用的影响，衰减子下游的基因或者继续被转录，或者在衰减子处实现转录的终止。（二）原核基因转录的调节机制（二）原核基因转录的调节机制通过负调控因子和正调控因子所进行的复合调控。阻遏蛋白与操纵基因结合，防碍RNApol与P结合形成开放性启动子复合物，阻止基因转录；当阻遏蛋白与操纵基因解离时，RNA聚合酶与启动子结合，起始基因转录。1、乳糖操纵子调控的机制乳糖操纵子的结构：Z、Y、A三个结构基因，逆流而上依次为：操纵基因(O)、启动子(P)、CAP结合位点和调节基因，O与P有一定程度重叠。乳糖操纵子的结构调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA操纵序列 阻遏蛋白的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA 聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白乳糖操纵子的转录调控机制通过负调控因子和正调控因子所进行的复合 调控。阻遏蛋白与操纵基因结合，防碍RNApol与 P结合形成开放性启动子复合物，阻止基因转录 ；CAP与CAP结合位点结合促进RNApol与P结合 ，引起有效转录。乳糖操纵子结构基因转录需具备两个条件：阻遏蛋白与操纵基因解离CAP与CAP结合位点结合mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调节阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶+ + + + 转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用； 如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时 , 细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolic repression）。 2、色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的结构阻遏蛋白的调控作用trptrp 高时trp 低时mRNAOPI调节