基因表达调控

1961年，法国科学家F.Jacob和J.Monod通过研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制，提出了著名的操纵子学说，从而开创了基因表达调控研究的新纪元。对基因表达调控的研究是目前分子生物学领域最重要的研究内容之一。(RegulationofGeneExpression)第十四章基因表达调控第一节基因表达调控的概念和原理(Conceptandprinciple：RegulationofGeneExpression)一、基因表达调控的概念(一)基因表达(geneexpression)是指基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。(二)基因表达的时间性及空间性1.时间特异性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。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。空间特异性是由细胞在器官的分布决定的，故又称细胞或组织特异性。二、原核生物基因表达调控(一)参与原核生物基因表达调控的蛋白因子1.RNA聚合酶RNA聚合酶与DNA的亲和力，影响转录。2.σ因子4.激活蛋白3.阻遏蛋白主要参与RNA聚合酶对启动序列的识别。能够与特异操纵序列结合，阻断基因表达。增强RNA聚合酶与启动序列的结合能力。1.操纵子的结构与功能一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor)。⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。⑷编码序列(codingsequence):编码功能性蛋白，2~6个。(二)原核生物基因转录调控模式——操纵子机制操纵子(operon)是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。操纵子的本质是DNA序列。2.乳糖操纵子的结构及其调节机制控制区CAP结合位点启动序列操纵序列编码基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶信息区调控序列代谢产物基因激活蛋白(catabolitegeneactivatorprotien,CAP)ZOPDNAIYAC(1)阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白阻遏基因ZOPDNAIYACpol没有乳糖存在时mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶ZOPDNAIYACpol(2)CAP的正性调节ZOPDNAIYACCAPcAMP++++转录CAPCAPCAPCAP无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时CAPCAPCAPCAPRNA-pol(3)阻遏蛋白与CAP的协调调节低半乳糖时(有阻遏蛋白)高半乳糖时(无阻遏蛋白)葡萄糖浓度低cAMP浓度高(有CAP)葡萄糖浓度高cAMP浓度低(无CAP)OOOOmRNA(一)顺式作用元件(cis-actingelement)——可影响自身基因表达活性的DNA序列三、真核基因基因表达的调节1.启动子真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。高等真核生物CAAT盒GC盒TATA盒RNA起始点酵母上游激活序列(UAS)TATA盒RNA起始点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。BADNA编码序列转录起始点B：增强子或沉默子A：启动子(二)反式作用因子(trans-actingfactor)1.基本转录因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。2.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分为——影响基因表达的蛋白因子(三)反式作用因子的结构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1.同源结构域3.碱性亮氨酸拉链2.锌指CCHHZnCysHisCH其他氨基酸polⅡ(四)真核生物基因表达调控模式TBP2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物。DNA1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平等均受调控。TFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTATAEBP第二节癌基因与抑癌基因(Oncogenesand,Anti-oncogenes)癌基因抑癌基因细胞表达蛋白正调控负调控一、癌基因控制细胞生长和分化的基因，它的结构或表达异常，可引起细胞癌变。分为细胞癌基因和病毒癌基因。1.病毒癌基因是存在于病毒基因组中的癌基因，它不编码病毒的结构成分，对病毒复制也没有作用，但可以使细胞持续增殖。(一)病毒癌基因(virusoncogene,v-onc)产生病毒核心蛋白产生逆转录酶和整合酶产生病毒外膜蛋白产生酪氨酸激酶调节和启动转录LTRgagpolenvsrcLTR长末端重复序列癌基因正常的病毒基因2.病毒基因组结构(二)细胞癌基因(cellular-oncogene,c-onc)1.细胞癌基因是存在于生物正常细胞基因组中的癌基因，或称原癌基因(proto-oncogenes,pro-onc)。2.细胞癌基因的特点(1)广泛存在于生物界中；(2)基因序列高度保守；(3)作用通过其产物蛋白质来体现；(4)被激活后，形成癌性的细胞转化基因。(三)癌基因的分类与功能根据表达产物在细胞中的定位和功能分为：1.蛋白激酶类2.信息传递蛋白类3.生长因子类4.核内转录因子类跨膜生长因子受体膜结合的酪氨酸蛋白激酶可溶性酪氨酸蛋白激酶胞浆丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶非蛋白激酶受体二、抑癌基因(一)什么是抑癌基因？抑癌基因又称肿瘤抑制基因(tumorsuppressorgene)或抗癌基因(anti-oncogene)，是指存在于正常细胞内的一大类可抑制细胞生长并具有潜在抑癌作用的基因。P5317p多种肿瘤编码P53蛋白(转录因子)P169P21黑色素瘤编码P16蛋白(二)常见的抑癌基因NF17q12.2神经纤维瘤GTP酶激活剂名称染色体定位相关肿瘤作用Rb13q14视网膜母细胞瘤、肺癌编码P105Rb1蛋白(转录因子)APC5q21结肠癌可能编码G蛋白DCC18q21结肠癌编码表面糖蛋白(细胞粘着分子)NF222q神经鞘膜瘤、脑膜瘤连接膜与细胞骨架VHL3p小细胞肺癌、宫颈癌转录调节蛋白WT111P13肾母细胞瘤编码锌指蛋白（转录因子）三、癌基因和抑癌基因与肿瘤的发生1.点突变2.启动子插入3.增强子插入4.甲基化程度降低5.原癌基因的扩散拷贝数增加6.基因易位或重排(一)癌基因恶性活化的机制(二)癌基因激活与肿瘤的发生1.ras基因结肠癌2.myc基因Burkitt’s淋巴瘤3.bcl-2基因淋巴瘤肿瘤的发生是一个极其复杂的细胞恶变过程：①激活的癌基因可能是细胞恶性转化的内在因素。②激活癌基因的协同作用是使细胞恶性转化的关键。③原癌基因的激活可能是部分或所有致癌因素导致肿瘤的共同途径。1.视网膜母细胞瘤基因（Rb基因）G0G1期Rb蛋白E-2FS期E-2FDNAmRNADNA(三)抑癌基因失活与肿瘤的发生PRb蛋白2.P53基因P53蛋白解链酶复制因子AP21蛋白细胞停滞于G1期细胞自杀酸性区核心区碱性区P53蛋白DNA损伤P21基因P53蛋白抑制P53蛋白(1)结构(2)作用机制