分子生物学-表达调控

基因表达调控(Regulationofgeneexpression)蒋小英[e-mail]遗传学与分子生物学系西安交通大学医学院基因是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。基因的概念基因表达的概念基因所贮存的遗传信息通过转录及翻译产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程.表达产物:蛋白质或肽RNA基因表达（geneexpression）（里→外）DNARNAproteinmRNAtRNArRNAncRNAtranscriptiontranslationreplicationreversetranscription基因表达是基因产生功能的过程，是信息分子（DNA或RNA）转变成功能分子（protein或RNA）的过程。1.转录RNApol合成RNA的过程，产生单链RNA互补于DNA，在某些病毒中则是互补于RNA模板。2.翻译这是由核糖体实现的protein的合成过程，核糖体和tRNA解释mRNA含有的信息密码。RNA的合成4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶转录单位：结构基因、启始子、终止子按碱基配对原则,沿5’---3’方向真核生物有三型RNA聚合酶分为起始阶段、延长阶级和终止阶段转录后的产物经加工成为成熟的RNA转录的过程1.起始●原核细胞RNA聚合酶与启动子相互作用●真核细胞RNA聚合酶、反式作用因子与顺式元件相互作用——拼板理论2.延伸核心酶催化磷酸化的RNA聚合酶催化，核小体解聚●原核细胞●真核细胞3.终止●原核细胞●真核细胞结合富含C的RNA区段，发挥ATP酶及解螺旋酶活性转录终止的修饰点处切离并加尾依赖ρ因子不依赖ρ因子RNA3‘端形成茎环结构转录后加工●原核细胞●真核细胞tRNA和rRNA需加工，mRNA不需加工tRNA、rRNA和mRNA均需加工1.原核细胞和真核细胞的差异2.真核生物mRNA的转录后加工●5'端加帽●3‘端加尾●剪接（splicing）●RNA编辑（RNAediting）3.真核生物成熟mRNA的运输成熟mRNA＋蛋白质→细胞核→细胞质蛋白质的合成合成体系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP、MgmRNA编码区的三个相邻核苷酸组成密码子tRNA起接合器作用，核糖体是合成场所和装配机核糖体循环：起始、肽链延长和终止翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚单位的聚合1.翻译的基本过程起始形成翻译起始复合物延长指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位终止●原核细胞RF1,RF2识别终止密码，RF3激活转肽酶释放肽链●真核细胞eRF同时具有上述功能2.肽链翻译后的加工修饰一级结构修饰:甲基化，乙酰化，糖基化空间结构修饰:Alzheimer3.蛋白质的分拣与转运第一节基因表达的基本规律原核生物:无细胞核,转录和翻译发生在同一空间,并以偶联的方式进行.真核生物:有细胞核,转录和翻译在不同空间进行,有时间上的先后顺序.1组成性表达某些基因的表达是根据细胞的一般要求保持恒定水平，较少受环境因素影响。这些基因被称为管家基因.如细胞骨架蛋白、核蛋白体蛋白等管家基因（housekeepinggene）在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。2可控型表达这类基因的表达是应细胞需要，或者说易受环境的影响。在特定环境中使基因表达增强的过程称为诱导(induction)，使基因表达减弱的过程称为阻遏(repression).基因表达的基本规律(一)基因表达的时空特异性同一生物体各种细胞含有完全相同的基因组,在细胞内并非同时表达,而是根据生长,分化和发育等功能的需要,随环境和时间的变化,按照一定顺序先后表达,这叫做基因表达的时间特异性。基因在不同的组织或器官中的表达水平不同或表达基因的种类不同的现象叫做基因表达的空间特异性。(二)诱导表达和阻遏表达---调控的普遍形式管家基因和组成性表达:在细胞中持续表达,几乎不受内外环境的影响.---生命全过程必需.诱导和阻遏:调控的方式.在特定信号的刺激下,基因表达开放或上调的现象叫做诱导,反之表现为关闭或抑制的现象叫做阴遏.---对环境的适应.(三)基因表达受顺式作用元件和反式作用因子的调节顺式作用元件:与被调控序列在同一DNA链上反式作用因子:本质为蛋白质(转录因子)(四)基因表达调控的分子基础---生物大分子相互作用(五)多层次调控基因表达的调控（geneexpressionregulation）是指各种细胞中相同的遗传信息，有规律的选择性、程序性、适度的表达以适应机体生长、发育、繁殖以及环境变化的需要，发挥其生理功能的调节和控制。基因表达调控的生理意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化基因表达调控的要点(一)调控的细胞学基础原核生物真核生物prokaryote无真核结构的单细胞生物。包括细菌、蓝绿藻等。其DNA、protein、组成1个相当致密的类核，但无核膜与胞质分开。因为无核膜，基因受环境影响大。eukaryote单或多细胞生物，有核膜将染色体等有关物质包围在内与胞质分开，细胞有有丝分裂和减数分裂2种形式，具有这些特征的生物称真核生物。其细胞称为真核细胞。（二）调控最大特点原核生物真核生物调控直接受环境及营养状况的影响。调控是为了适应环境获取营养达到生存即分裂繁殖的最优化（原核既无充足的能源贮备，又无高等植物制造有机物的本领）。所以调控体现1个“快”字，快速适应环境，获取营养，合成必需蛋白质、降解不必要成分。这是长期进化，获得的适应应变能力。（适应环境获取营养、解决“温饱”问题。）遗传程序调控、按“既定方针办”如动物1个受精卵，按遗传程序开开关关基因，发育成成熟个体，该遗传程序是构成胚胎发育和组织分化的基础。仅极少基因间接或直接受环境因素的影响。这一特点使真核在千变万化的环境下，主要组织或器官仍能维持正常功能（“处世不惊”）。（三）调控主要水平真原核调控的主要水平（主调）都在转录水平。微调DNA水平转录后水平翻译水平翻译后水平（四）调控的基本方式真原核调控的基本方式都是通过1.蛋白质2.核酸和3.小分子化合物间的识别和相互作用。（五）调控物质的化学本质蛋白质、核酸、小分子化合物。（六）调控模式原核有操纵子调控模型，已发现100多种。真核Britten-Davidsen（法）模型尚未实验所证实。病毒基因表达调控各种病毒、噬菌体等除部分带有RNApol或逆转录酶外主要是利用宿主的基因表达调控系统。第二节原核生物基因表达调控原核生物基因表达的特点转录与翻译紧密偶联多顺反子mRNA操纵子是主要调节机制负性调节为主(阻遏蛋白的作用)转录起始是调节的关键点从调控方式来看，原核生物调控最重要的特点是操纵子模式。从调控水平来看，主调在转录水平，翻译水平次之。原核基因表达调控操纵子（operon）概念细菌体内的基因调节单位，由控制区和信息区组成。信息区包括功能相关的一组结构基因；控制区含操纵基因，启动子和CAP结合位点，有些含衰减子。结构基因:多个(2-6)调控序列：启动序列(promoter启动子):1个操纵序列(operator操纵基因):其它调节序列在染色体上成簇串联排列操纵子：调控序列结构基因一转录水平的调控（一）转录起始的负调控如乳糖操纵子结构基因：Zβ-半乳糖苷酶Y通透酶A转乙酰基酶调控序列操纵序列(O)启动序列(P)其它调节序列(I)（二）转录起始的负调控如乳糖操纵子结构操纵序列(O)启动序列(P)其它调节序列(I)编码序列(Z,Y,A)Zβ-半乳糖苷酶Y透酶A转乙酰基酶promoter半乳糖苷酶透酶乙酰基转移酶1960年:法国科学家Jacob-Monod提出乳糖操纵子概念大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源,但优先利用葡萄糖.当环境中葡萄糖缺乏时,开始利用乳糖或其它糖.乳糖操纵子调控机制I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体。在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶作用进入细胞，在β-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构基因转录。阻遏蛋白的负性调节无乳糖时,lac操纵子处于阻遏状态:pI→转录→阻遏蛋白I→I+OZYA编码序列不转录有乳糖时,经透酶催化并进入细胞,β-半乳糖苷酶催化生成为半乳糖半乳糖+阻遏蛋白构象改变阻遏蛋白与O序列分离ZYA转录诱导剂:异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)（二）转录起始的正调控正调控蛋白与DNA结合后促进转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。CAP蛋白CAP蛋白(catabolicgeneactivatorprotein，CAP)分解代谢物基因活化蛋白,可将葡萄糖饥饿信号传给许多操纵子→使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可利用其它的碳源。转录起始的正调控CAPmediatesglucoserepressionofLacPromotestranscription乳糖操纵子中的1组基因有2道开关:CAP结合到CAP位点发挥正控作用，乳糖诱导去阻遏，只有2道开关同时打开时，基因才能转录。乳糖操纵子的转录起始受到CAP和阻遏蛋白的双重调控，即正、负调控。细菌优先利用葡萄（G）-葡萄糖效应乳糖、G同时存在，细菌优先利用葡萄糖，在G耗尽之前，Lacoperon也不会表达。LactoseGlucose-+--+-++LacICAP-cAMPFourStatesoftheLacOperon二转录终止的调控依赖ρ因子或者依赖转录产物3’端发夹结构。色氨酸操纵子：转录衰减（attenuation）衰减是转录-翻译的偶联调控。色氨酸操纵子（trpoperon）E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色氨酸。上游调控区由启动子（P）和操纵基因（O）组成R基因编码阻遏蛋白GenomicOrganizationoftheTrpOperonED-编码邻氨基苯甲酸合成酶（antlnanilatesynthetase）;C-编码吲哚甘油磷酸合成酶（indeleglycerol-phosphatrsynHietdse）;BA-编码Trp合成酶β亚基和α亚基色氨酸衰减子1011UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构终止密码子14aa前导肽编码区:第10、11密码子为trp密码子形成发夹结构能力强弱：序列1/2序列2/3序列3/4trp密码子UUUU……色氨酸操纵子调控机制衰减子位于结构基因E和操纵基因O之间的L基因中。L基因的部分转录产物编码14个氨基酸，其中两个相邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的偶联是产生衰减的基础。将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。阻遏（物）是Trpoperon的第一控制系统.衰减子（L）是Trpoperon的第二控制系统。色氨酸操纵子调控机制UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA•当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止作用机制胞内Trp↑→形成Trp-tRNA，核糖体很快通过片段1，并封闭片段2（“堵车”），片段1.2,2.3形成不了发夹结构，片段3.4形成发夹结构→形成一个不依赖ρ因子终止结构—衰减子，使前方RNApol脱落，转录终止。UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽15’trp密码子结构基因前导DNARNA聚合酶•当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构前导mRNA胞内Trp↓没有Trp-tRNA供给；核糖体翻译停在片段1中2个Trp密码子前（等料），片段2、3形成发夹结构，3、4形成不了发夹结构→不能形成终止信号，RNA转录继续进行、EDCBA得以转录。转录衰减实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联。作用机制色氨酸操纵子当