3基因表达调控-3.

RegulationofGeneExpression第三章基因表达调控第一节基因表达调控基本原理PrinciplesofGeneExpressionRegulationConceptofgeneexpression：基因经过转录及翻译，产生具有特异生物学功能产物（蛋白质或RNA）的过程。IntroductionDNA（编码蛋白质的基因）mRNA转录蛋白质翻译DNA（编码RNA的基因）RNA(如tRNA,rRNA)转录RNA(逆转录病毒基因组)逆转录DNA（前病毒）插入宿主DNAmRNA转录病毒蛋白质翻译RNA(病毒基因组)•对不同的基因，表达过程不同。•E.Coli：4000genes，5%highlyexpressed;Otherslowexpressionorclosed.•Human:about25000-30000genes,onlyasmallfractionareexpressedinacellatanygiventime.•那些基因开放？开放的强度？那些关闭？均在特定的调节机制控制下进行的。即基因表达是受调控的：需要才表达，不需要关闭。•基因表达调控：•（GeneExpressionRegulation）•基因表达是在一定调节机制控制下进行的，生物体随时调整不同基因的表达状态，以适应环境、维持生长和发育的需要。一、基因表达具有时间和空间特异性•无论是病毒、细菌，还是多细胞生物，乃至高等哺乳类动物及人，基因表达表现为严格的规律性，即时间、空间特异性。•生物物种愈高级，基因表达规律愈复杂、愈精细，这是生物进化的需要及适应。•基因表达的时间、空间特异性由特异基因的启动子和（或）增强子与调节蛋白相互作用决定。•（一）时间特异性•按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporalspecificity)或阶段特异性(stagespecificity)。•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，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。•Example:根据对果蝇fruitflyDrosophila发育的研究表明•卵C首先表达的是母体基因（Maternal•Genes），表达产物是转录因子（TF）。•IF启动卵C某些基因表达，提供早期发育所需的Pr。这些Pr的主要作用为：•1）决定胚的前、后位置和头尾区域；2）控制其它基因按一定的时间顺序表达。•卵细胞受精后，间隙基因（Segmentationgenes）等其他基因在母体基因表达的Pr（反式作用因子）的控制下，相继按特定时间顺序表达，以保证成虫的发育。•母体基因→间隙基因→成对基因→体节基因→同源异形基因（homeoticgene）母体基因间隙基因成对基因体节极性基因同源异形基因（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(cellortissuespecificity)。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，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。•多细胞生物个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达多少是不一样的；在同一生长阶段，不同的基因表达产物在不同的组织、器官分布也不完全相同。•从分子水平看，空间特异性是基因组中某种（或某些）特定基因选择性表达的结果。•某些基因的选择性表达，合成了执行特定功能的Pr，决定了组织细胞特定的形态和功能，从而产生特定的分化细胞类型．•如：人体的２种干细胞（胚胎干细胞、成体干细胞）分化机制相似：调控基因指导特异性基因的转录，从而细胞逐步发展为具有专门功能的特定细胞类型。悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株体外定向分化直接注射到心脏受损部位胚胎干细胞基因表达的空间特异性原理在医学的应用三、基因表达的方式•同的基因对内、外环境信号刺激的反应性不同。按对刺激的反应性，基因表达的方式或调节类型存在很大差异。•按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：•组成性表达•诱导或阻遏表达（一）组成性表达管家基因(housekeepinggene)：某些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少，这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常称之为管家基因。•组成性基因表达(constitutivegeneexpression)：•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。叫组成性基因表达(constitutivegeneexpression)。•管家基因较少受环境因素的影响，被视为基本的或组成性基因表达。只受到启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而不受其他机制调节。•例如，三羧酸循环是一枢纽性代谢途径，催化该途径各阶段反应的酶编码基因就属这类基因。（二）诱导或阻遏表达•有一些基因表达极易受环境变化影响，随外环境信号变化，这类基因表达水平可呈现升高或降低。•1、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(induciblegene)•2、可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)•3、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(repressiblegene)。•4、可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。•诱导和阻遏是同一事物的两种表现形式，在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的基本途径。•可诱导或可阻遏基因的调控序列含有特异刺激的反应元件。如乳糖操纵子基因的调控序列含有特异刺激的反应元件。•5、协调表达(coordinateexpression)：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、共同表达。这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。。•如原核生物操纵子的结构基因常需协调表达。四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生存、生长和增殖生物体赖以生存的外环境是在不断变化的。所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应，调节代谢，以使生物体能更好地适应变化着的外环境。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生存、生长和增殖。G存在时，细菌优先利用G，只合成代谢G的酶类，代谢其它糖类的酶基因关闭（阻遏）葡萄糖G消耗尽，只有乳糖，利用乳糖的酶基因开放，细菌合成代谢乳糖的酶类（诱导）乳糖E.Coli适应环境变化的基因表达调控（二）维持细胞分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。母体效应基因分节基因按时间、空间顺序分化发育第二节基因表达调控的基本原理BasicPrinciplesofGeneExpressionRegulation一、基因表达调控呈现多层次和复杂性•基因表达的多级调控•1、基因激活•2、转录起始（最主要的控制点）•3、转录后加工•4、mRNA降解•5、蛋白质翻译•6、翻译后加工修饰、靶向输送•7、蛋白质降解，等二、基因转录调节基本要素•基因转录调节是最重要的基因表达调节方式，主要涉及以下几个个要素：•特异的DNA调控序列（如启动子等）•调节蛋白（如激活蛋白、阻遏蛋白等）•RNA聚合酶•蛋白质-蛋白质相互作用•蛋白质-DNA相互作用第三节原核基因表达调节RegulationofGeneExpressioninProkaryote——调节的主要环节在转录起始。一、原核基因转录调节特点（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性在转录起始阶段，σ因子识别特异启动序列；不同的σ因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA等基因的转录。36512决定哪些基因被转录150618催化功能155613结合DNA模板70263辨认起始点亚基分子量功能E.ColiRNApolymerase（RNA-pol）核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)σ因子有多种，可决定RNApol的识别特异性σ因子RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合5335结构基因调控序列RNA-pol（二）原核基因操纵子调控模式•原核生物的基因表达通常都以操纵子（operon）的模式进行。•操纵子（operon）：若干个功能相关的结构基因串联在一起，连同其上游的调控区构成一个转录单位，叫操纵子。编码序列启动序列操纵序列其他调节序列(promoter)(operator)原核生物操纵子(operon)结构示意图•1、启动序列（promoter，P，启动子）：•是与RNApol结合并启动转录的特异DNA序列•特点：•有-10与-35两个共有序列RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合2、操纵序列（operator，O）——阻遏蛋白(repressor，R)的结合位点•1）操纵序列（operator，O）•是位于启动子与结构基因之间，能与阻遏蛋白(repressor，R)结合，能抑制结构基因转录。•2）结构特点：•（1）位于启动子与结构基因之间•（2）不存在特殊序列，在不同的操纵子中，操纵基因的bp序列不同，能与不同阻遏蛋白结合。•3）作用：结合阻遏蛋白，阻止转录进行RegulatoryregionInhibitorgeneGene1Gene2Gene3StructuralgenesregionOp3’5’igeneregionrepressorRNApolymerase阻遏蛋白基因（i）：能产生阻遏物的基因。位于调控区上游较远的部位，远离结构基因，实际上为另一个操纵子控制。阻遏蛋白(repressor，R)：能与操纵序列结合，阻止RNApol进行转录的分子。当R与O区结合时，阻碍RNA-pol转录，介导负性调节。阻遏蛋白(repressor，R)介导的负性调节启动序列编码序列操纵序列RNApol阻遏蛋白3、激活蛋白（activator，A）某些激活蛋白（activator，A）可结合邻近P区的DNA序列，促进RNApol转录，介导正性调节如分解代谢物基因结合蛋白（catabolicgeneactivatorprotein，CAP）就是一种典型的激活蛋白，可促进RNA-pol的活性。有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。++++转录CAP的正性调节ZYAOPDNACAP（三）E.Coli乳糖操纵子调节机制1、乳糖操纵子(lacoperon)的结构结构基因：Z,Y,A,编码3个功能相关的酶调控区启动序列(P),结合RNApol操纵序列(O),结合阻遏蛋白（R）CAP结合位点:位于P上游,部分与P重叠乳糖操纵子另外，在操纵子的上游,有I基因,编码R乳糖操纵子(lacoperon)的结构模式图调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI编码阻遏蛋白lacoperon•结构基因：Z,Y,A,编码3个功能相关的酶。•Z：-半乳糖苷酶：水解乳糖（Lactose）生成半乳糖(galactose,gal)和葡萄糖(glucose,G)。•Y：透酶：使乳糖容易进入细菌细胞•A：乙酰基转移酶：使乳糖发生异构，作用不大•2、阻遏蛋白的负性调节：基因的关闭•当环境中有葡萄糖(或葡萄糖／乳糖共同存在)时，细菌优先利用葡萄糖才是最节能的（葡萄糖代谢基因为组成性表达），代谢乳糖的酶的基因需要关闭，否则造成浪费。•作用机制：•无Lac时→i基因表达的R与O区结合→阻止RNApol转录→利用乳糖的3个酶的基因被关闭。mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol有葡萄糖（G）没有乳糖（Lac）Lac操纵子阻遏蛋白的负性调节阻遏基因•2、诱导表达•当G快用尽，只有乳糖时，利用乳糖的酶的基因必须开放，否则细菌不能生存。此时，基因可被