基因表达调控

主要内容：一、基因表达调控基本概念与原理二、原核基因转录调节三、真核基因转录调节目的要求：1、掌握基因表达调控基本概念与原理2、熟悉原核基因转录调节3、了解真核基因转录调节前言1介绍：基因表达的概念1.1基因（gene)编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所需的全部核苷酸序列（通常DNA,也有RNA),是一个功能性的遗传单位，也是突变或重组单位1.2基因组(genome)细胞或生物体内一整套的遗传物质。2、原核基因的结构特征原核基因组常以操纵子（operon）的形式作为表达和调控的基本单元，它包括功能上彼此相关的结构基因和调控部位，受调节基因产物的调节，转录产物为单个多顺反子。大肠杆菌乳糖操纵子结构lacIlacYPlacOlacZlacA启动子阻遏蛋白基因结构基因操纵基因操纵子：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）。大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所分隔，以不连续的方式排列在DNA上，因此这类基因也叫断裂基因（splitgene）。隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列称内含子（intron），在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列叫外显子（exon）。3、真核基因的结构特征4.遗传信息的表达各种生物基因中，绝大部分基因贮存的遗传信息都是蛋白质的一级结构信息，部分基因贮存的是tRNA、rRNA等RNA的一级结构信息。除少数RNA病毒可将遗传信息直接从RNA输出以外，大部分生物（包括逆转录病毒）的遗传信息都是从DNA分子中输出的。遗传信息的表达，就是贮存于DNA中的信息转变成具体的RNA分子或蛋白质分子。通过这些生物大分子的功能活动使生物体表现出各种各样的生理功能及千差万别的生物性状。DNA可以作为模板直接指导RNA分子的生物合成，这一过程称为转录。DNA不能作为直接模板将其携带的信息转移到蛋白质分子中，需要先通过转录过程将遗传信息传递到RNA分子中，再通过翻译过程将RNA分子上的核苷酸序列信息转变为蛋白质分子中的氨基酸序列。对于编码蛋白质的基因来说，其遗传信息的表达包括转录和翻译两个阶段。5转录模板•DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structuralgene)。•DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(templatestrand)，也称作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链(codingstrand)，也称为反义链或Crick链。5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译5335模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向不对称转录(asymmetrictranscription)•在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；•模板链并非永远在同一条单链上。•mRNA是遗传信息的携带者•遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。•原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron)。•真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(singlecistron)。原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP53蛋白质PPPmG-53蛋白质6小结（中心法则）复制DNADNARNAPrion转录逆转录翻译??改变构象复制RNA罗忠礼ChongqingMedicalUniversityChongqing,China2012-Mar-01@ZhongliLuo第二章基因表达调控RegulationofGeneExpression第一节基本概念与原理（一）基因表达（GeneExpression）基因携带的遗传信息，经过一系列的生化反应，最终产生具有生物学功能的产物的过程,也就是基因的转录和翻译过程Processoftranscriptionandtranslation（产物可以是蛋白质、tRNA、rRNA）。DNA转录mRNA翻译蛋白质（二）顺式作用元件是调节转录的DNA片段1.启动子（Promoter）位于转录起始单位点上游并为RNA聚合酶识别、结合和启动赚率的DNA序列。1.1原核启动子（promoter）①启动子是基因5′端上游的一段启动基因转录的核苷酸序列，是RNApol和其他转录因子结合的部位。②原核基因的启动子定位在转录起始位点（initiationsite，IS）上游5-10bp处，由-35区和-10区组成，从启动子到终止子（terminator）为一个转录单位。③-10区的碱基序列较保守，由T和A组成，大肠杆菌的-10区为TATAAT，故称TATAbox或Pribnow-now。④-35区的碱基序列以TTG最为保守，肠杆菌的-35区为TTGACA，因子识别并结合-35区，RNA聚合酶的特异性由因子决定，而启动子的强弱则由-35区和因子的特异性和亲和力决定。从IS到-10区之间的5-10bp间隔称5′-leader序列。⑤大肠杆菌基因启动子图示-35-10IS5-leader+1上游下游5′启动子1.2、真核生物的启动子真核基因的Ⅱ型启动子（promoter）①真核基因的TATAｂｏｘ为ＴＡＴＡＡ／ＴＡＴ／Ａ，并且距离ＩＳ较远。②没有-３５区。③在ＩＳ上游还有ＣＡＡＴｂｏｘ、ＧＣｂｏｘ和Ｏｃｔａｍｅｒ（八聚体）等结构，并与ＴＡＴＡ盒一起组成Ⅱ型基因的启动子。必须明确，并不是所有的Ⅱ型基因都具备这４种调控元件，有的基因就没有ＴＡＴＡ盒（如ＳＶ４０的早期基因）。由于Ⅱ型启动子无-35区，也没有因子，因此，RNApolⅡ与启动子的结合至少与4种转录因子（TFⅡA~D）有关。1.3哺乳类RNA聚合酶Ⅱ启动子中的元件序列元件名称共同序列结合的蛋白因子名称分子量结合DNA长度TATAboxTATAAAATBP30,000～10bpGCboxGGGCGGSP-1105,000～20bpCAATboxGGCCAATCTCTF/NF160,000～22bpOctamerATTTGCATOct-176,000～10bpOct-253,000～20bpkBGGGACTTTCCNFkB44,000～10bpATFGTGACGTAFT?20bp•1.4启动子中的元件的分类•可以分为两种：•①核心启动子元件(corepromoterelement)指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括转录起始点及其上游－25/－30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。•②上游启动子元件(upstreampromoterelement)包括通常位于－70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件，其位置也不相同，这使得不同的基因表达分别有不同的调控。2.增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。3.沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。4.转录终止子(Terminatoroftranscription)5.其他…三、基因表达调控的基本的规律（一）、基因表达具有时间性及空间性1.时间特异性Temporalspecificityorstagespecificity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。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。2.空间特异性Spatialspecificityorcellspecificityortissuespecificity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，又称细胞特异性或组织特异性。（二）、基因表达的方式1.组成性表达管家基因housekeepinggene有些基因在生命全过程都是必需的，如果缺少、细胞不能正常生存，这类基因被称为管家基因。•组成性基因表达constitutivegeneexpression管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。2.适应性表达（Adaptiveexpression）诱导表达induction有些基因在特定环境信号刺激下，表达增强，称为诱导表达。阻遏表达repression另有一些基因在特定环境信号刺激下，表达水平下降，称为阻遏表达。3.协调表达在一定机制控制下，使功能相关联的一组基因协调一致、共同表达，称此为协调表达(coordinateexpression)。这种调节称为协调调节(coordinateregulation)1反式作用因子类别（后面讲）概念：凡直接或者间接与顺式元件相互作用并影响基因表达的蛋白质类别A普通转录因子（三）、基因表达调控的分子基础是DNA/蛋白质的相互作用B特异转录因子(specialtranscriptionfactors)为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录抑制因子2.转录调节因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域锌指(zincfinger)α-螺旋其他四、基因表达调控的生物学意义1）使细胞能适应环境变化，以维持其增殖、分化2）促进个体生长、发育原核生物和真核生物在基因表达调控的细节上尽管差异很大，但两者的调控模式却具有惊人的相似性和可比性，除此之外，原核生物和真核生物的基因表达调控元件也具有统一性。然而，不管是原核生物还是真核生物，转录环节是最主要的调控位点。基因调控元件按其属性可分为核酸和蛋白质两大类，所有基因表达调控模式的实质无非是两者之间的相互作用，包括核酸分子内或分子间的相互作用、核酸分子与蛋白分子之间的相互作用以及蛋白分子内或分子间的相互作用。其中第二种作用尤为重要。第二节原核生物基因表达的调控一、转录水平的调控（一）影响转录的因素二、翻译水平的调控（二）转录的调控机制（一）SD序列对翻译的影响（二）mRNA的稳定性（三）翻译产物对翻译的调控（四）小分子RNA的调控作用介绍：原核生物mRNA结构的特点：（1）原核生物mRNA往往是多顺反子的，即每分子mRNA带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核糖体识别、结合部位。在5‘端和3＇端也有非编码区。（2）mRNA5＇端无帽子结构，3＇端一般无多聚A尾巴。（3）mRNA一般没有修饰碱基，即这类mRNA的分子链完全不被修饰。原核生物基因多以操纵子（operon）的形式存在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同RNA聚合酶结合并启动转录的特异性DNA序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。原核生物基因表达调控的环节，主要在转录水平，其次是翻译水平。一、转录水平的调控1、启动子2、σ因子3、阻遏蛋白4、正调控蛋白5、倒位蛋白（inversionprotein）（一）影响转录的因素6、RNA聚合酶抑制物7、衰减子不讲（1）启动子决定转录方向及模板链1、启动子基因转录时，σ因子识别并结合-35区，而RNA聚合酶结合于-10区，全酶结合DNA后覆盖的区域是-40～+20。开始合成RNA后，RNA聚合酶是沿着信息链的5′3′方向移动，只能以信息链的互补链为模板合成RNA。5＇—TAGTGATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG—3＇-35-10+13＇—ATCACTAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC—5＇AGGUCCACG……RNA3＇