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Regulation of Gene Expression. 冷春玲. 基因表达的调控. 一、原核和真核基因组 二、原核生物酶合成调节的遗传机制 三、真核生物基因表达的调控. 原核和真核基因组. 基因 （ gene ）是指 DNA 分子中的最小功能单位。包括 RNA(tRNAr 、 rRNA) 和蛋白质编码的结构基因及无转录产物的调节基因。 基因组（ genome ）是指某一特定生物单倍体所含的全体基因。原核细胞的“染色体” DNA 分子就包含了一个基因组；而在真核细胞中则是指一套单倍染色体的的全部基因。. 原核生物基因组的特点.

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Presentation Transcript

  1. Regulation of Gene Expression 冷春玲

  2. 基因表达的调控 一、原核和真核基因组 二、原核生物酶合成调节的遗传机制 三、真核生物基因表达的调控

  3. 原核和真核基因组 基因（gene）是指DNA分子中的最小功能单位。包括RNA(tRNAr、rRNA)和蛋白质编码的结构基因及无转录产物的调节基因。 基因组（genome）是指某一特定生物单倍体所含的全体基因。原核细胞的“染色体”DNA分子就包含了一个基因组；而在真核细胞中则是指一套单倍染色体的的全部基因。

  4. 原核生物基因组的特点 1、基因组小，单复制子，DNA分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数为单拷贝或仅有少量重复； 2、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个mRNA 中（多顺反子）； 3、有基因重叠，以此增加信息容量。 真核生物基因组的特点 1、基因组大，有多个复制子；mRNA 为单顺反子； 2、有大量重复序列，根据重复次数可分为： 单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少 中度重复序列，可重复几十到几千次，编码tRNA、rRNA和表达量大的蛋白质 高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性，可作指纹图谱分析 3、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经剪切去掉内含子后 才成为可翻译的mRNA模板或功能rRNA。 4、DNA上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用。

  5.  操纵子——原核基因表达的协同单位 结构基因（编码蛋白质，S） 操纵子 操纵基因（operator, O） 控制部位 启动子（premotor, P） 原核生物酶合成调节的遗传机制操纵子学说  酶诱导和阻遏的操纵子模型  合成途径操纵子的衰减作用

  6. 调节基因 启动基因 操纵基因 结构基因 阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达 阻遏蛋白(有活性) mRNA 酶蛋白 诱导物 诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达 mRNA 酶蛋白 阻遏蛋白(无活性) 阻遏蛋白不能跟操纵基因结合, 结构基因可以表达 代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达 代谢产物 A.有活性阻遏蛋白 酶的诱导和阻遏操纵子模型 B.有活性阻遏蛋白加诱导剂 C.无活性阻遏蛋白 D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂

  7. 启动子 乳糖结构基因 调节基因 操纵基因 P O LacZ LacY Laca R mRNAZ mRNAY mRNAa 基 因 表达 mRNA 阻遏蛋白（无活性） 乳糖 A、乳糖操纵子的结构 启动子 大肠杆菌乳糖操纵子模型 乳糖结构基因 调节基因 操纵基因 LacZ LacY Laca P O R 基 因 关 闭 mRNA 阻遏蛋白（有活性） B、乳糖酶的诱导 阻遏蛋白（有活性）

  8. 葡萄糖降解物与cAMP的关系 ATP 葡萄糖 降低cAMP浓度 腺苷酸环化酶 抑制 mRNAZ mRNAY mRNAa 基 因 表达 cAMP 分解代谢产物 cAMP 磷酸二酯酶 5'-AMP 激活 乳糖操纵子的降解物阻遏 CAP基因 CAP结合部位 结构基因 P O T LacY Laca R T LacZ RNA聚合酶 mRNA CGP(CAP) cAMP -CAP 使CAP呈失活状态 CGP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein） CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilic AMP receptor protein）

  9. 核糖体 2 1 转录终止 转录继续 1 2 2 3 核糖体 1 4 4 3 3 4 大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制 Trp 密码子 C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位， 3与4 碱基配对，转录终止。 B.低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。 A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。

  10. DNA DNA水平调节 转录水平调节 转录初产物RNA 转录后加工的调节 核 细胞质 mRNA mRNA降解调节 翻译调节 蛋白质前体 mRNA降解物 翻译后加工的调节 活性蛋白质 真核生物基因表达调控 真核基因表达调控的五个水平 DNA水平调节 转录水平调节 转录后加工的调节 翻译水平调节 翻译后加工的调节  真核基因调控主要是正调控  顺式作用元件和反式作用因子  转录因子的相互作用控制转录

  11. 基本概念 1 顺式作用元件和反式作用因子 基因活性的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）与顺式作用元件（通常在DNA上）相互作用而实现。 顺式作用元件（cis-acting element）：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因； 通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中，如启动子。 反式作用因子（trans-acting factor）：通过扩散自身表达产物（酶，调节蛋白）控制其他基因的表达, 如转录因子； 其编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上。

  12. RNA polymarase Regulator Cis-element Trans-acting factor • 基因表达的调节控制基本上是反式作用因子与顺式作用元件的相互作用。 • 反式作用因子只识别DNA上非常短的一段序列（顺式元件）。

  13. 2 结构基因和调控基因 结构基因（structural genes）：编码蛋白质或RNA的任何基因。 原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。 结构基因簇由单一启动子共同调控。 调节基因（regulator genes）：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。 调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。 调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性）调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。

  14. 启动子(promoter, P) ：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。 终止子（terminator，T）：给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。 启动子和终止子属于顺式作用元件，而RNA聚合酶为反式作用因子。 3 启动子和终止子

  15. 操纵基因（operator gene）：能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，当调控蛋白结合在操纵基因的序列上，会影响其下游基因转录的强弱。 与操纵基因结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白（repressive protein），其介导的调控方式称为负性调控（negative regulation）；细菌通常为负调控； 与操纵基因结合后能增强或起动其调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白（activating protein），所介导的调控方式称为正性调控（positive regulation）。 4 操纵基因和阻抑蛋白

  16. 转录因子：转录起始过程中，RNA聚合酶所需要的辅助因子。转录因子：转录起始过程中，RNA聚合酶所需要的辅助因子。 转录因子：参与正调控的反式作用因子。 正调控和负调控的共同点：调控蛋白都是反式作用因子。 5 转录因子

  17. 第一节 概述 一、基因表达的概念 1、基因（gene）：从遗传学讲，基因就是遗传的基本单位或单元，具有编码RNA或多数情况下编码多肽功能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗传信息的DNA分子片段 2、基因表达(gene expression)：基因表达就是基因转录及翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型；rRNA、tRNA编码基因转录生成相应RNA的过程也属于基因表达

  18. 二、基因表达的规律（特点）及方式 1、基因表达的规律（特点）：时、空特异 1.1 时间特异性(temporal specificity，阶段特异性stage specificity)：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 1.2 空间特异性(special specificity，细胞或组织特异性（tissue specificity）：在个体生长全过程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现。

  19. 2、基因表达的方式 2.1 组成性表达(constitutive gene expression) • 管家基因(housekeeping gene) ：在生物个体的几乎所有细胞中持续表达，其表达产物对生命全过程都是必需的或必不可少的基因 • 组成性基因表达（基本的基因表达）：管家基因的表达，它只受启动子与RNA聚合酶相互作用的影响 2.2 诱导(induction)和阻遏(repression)表达 • 诱导：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，该现象称为诱导。相应基因称为可诱导的基因。

  20. 阻遏：基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为可阻遏的基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏阻遏：基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为可阻遏的基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏 • 可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响外，尚受其它机制调节（如：增强子） 2.3 协调调节（coordinate regulation） • 在一定机制控制下，机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，即为协调表达。这种调节称为协调调节

  21. 三、原核生物、真核生物基因表达调控的意义 1、适应环境、维持生长和增殖 2、维持个体发育与分化 四、基因表达调控的基本原理 1、基因表达的多级调控：基因结构活化、转录起始、转录后加工及载运、翻译及翻译后加工，等 • 转录起始是基因表达的基本控制点 2、基因转录激活调节的基本要素（调控体系） 2.1 特异DNA序列：操纵子（原核）、顺式作用元件（真核）

  22. 操丛子(operator)：原核生物中由2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成的基因调控单位操丛子(operator)：原核生物中由2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成的基因调控单位 • 顺式作用元件（cis-acting element）：可影响自身基因表达活性的DNA序列。包括启动子、增强子及沉默子等 2.2 调节蛋白 • 原核：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白 • 真核：转录因子（主要为反式作用因子） • 原核基因调节蛋白都是一些DNA结合蛋白 • 阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在

  23. 反式作用因子(trans-acting factor)：某一基因的编码产物，与其它基因的调节序列结合，调节其它基因的表达活性。大多数反式作用因子是DNA结合蛋白 • 正性调节机制在真核生物普遍存在 3、转录调节的作用机理（基本形式）：DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用、RNA聚合酶活性调节 3.1 DNA-蛋白质相互作用：反式调节因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合 • 这种结合通常是非共价结合 • 多数调节蛋白结合DNA前需通过蛋白质-蛋白质相互作用形成二聚体或多聚体

  24. 3.2 蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结合DNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的DNA结合能力 3.3 RNA聚合酶：转录激活调节最终由RNA聚合酶活性体现 五、原核与真核基因表达调控的区别 1、真核基因与原核基因的结构特点 • 真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一条多肽链）

  25. 2、原核基因表达调控特点 • σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 • 操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调控单个启动基因的活性来完成协调表达 • 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导 3、真核基因表达调控特点 • 活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结构变化、DNA碱基修饰、组蛋白减少 • 正性调节占主导 • 转录与翻译分隔进行

  26. 转录后修饰、加工 • RNA聚合酶有三种 第二节 原核基因转录调节 一、乳糖操纵子（元）的调节机制 1、乳糖操纵子(元)的结构：I-CAP-P-O-Z-Y-A • 结构基因：Z、Y及A，分别编码β-半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶 • 控制序列：操纵序列O、启动序列P、分解代谢物基因激活蛋白(CAP，cAMP结合蛋白)结合位点 • 调节基因I：编码阻遏蛋白（与O序列结合，关闭操纵子）

  27. 2、阻遏蛋白的负性调节 • 诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来） • 机理：别乳糖与阻遏蛋白结合，促使阻遏蛋白从操纵序列脱离，诱导基因表达 3、CAP的正性调节 • 正调节物：cAMP。葡萄糖可促使cAMP浓度降低 • 机理：cAMP与CAP结合形成复合物，促使CAP结合CAP位点，激活RNA聚合酶 4、协调调节 • 功能相关基因协调合作，共同表达 • 负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作 二、其它操纵子

  28. 第三节 真核基因表达调控 一、真核基因组结构特点 二、真核基因转录激活调节 1、顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子 • 启动子（promoter）：RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，包括至少一个转录起始点及一个以上的机能组件（TATA盒、GC盒、CAAT盒，等） • 典型的启动子由TATA盒及上游的CAAT盒和/或GC盒组成

  29. 增强子（enhancer）：远离转录起始点、决定基因的时空特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，它的作用方式通常与方向、距离无关。增强子也是由若干机能组件──增强体（enhanson）组成增强子（enhancer）：远离转录起始点、决定基因的时空特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，它的作用方式通常与方向、距离无关。增强子也是由若干机能组件──增强体（enhanson）组成 • 有些机能组件既可在增强子、也可在启动子中出现 • 沉默子（silencer）：结合特异蛋白因子时对基因转录起阻遏作用

  30. 2、反式作用因子：基本因子、特异因子 2.1 基本转录因子：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转录的类别。 • TFⅡD是通用的基本因子 • 多数基本因子是不同RNA聚合酶所特有的 2.2 特异转录因子：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 3、转录因子结构：DNA结构域、二聚化结构域、转录激活区

  31. 调控方式 负性调节 正性调节 1、诱导表达 3、阻遏表达 2、阻遏表达 4、诱导表达 Common patterns of regulation of transcription initiation

  32. 基因表达

  33. 调控元件 原核生物 高等生物 酵母 启动子的常见组件 Consensus sequence for promoters that regulate the expression of genes involved in the heat-shock response in E. coli. Binding of RNA polymerase to heat-shock promoters is mediated by a specialized β subunit of the enzyme called σ32, which replaces σ70

  34. 调控元件 阻遏蛋白结合位点 激活蛋白结合位点 启动子 结构基因 调控序列 An operon. Genes A, B, and C are transcribed on one polycistronic mRNA. Typical regulatory sequences include binding sites for proteins that either activate or repress transcription from the promoter 操纵子结构

  35. 调控蛋白

  36. 调控蛋白

  37. 调控蛋白

  38. DNA-蛋白质相互作用 A space-filling representation of a CAP homodimer bound to DNA. Base pairs recognized by the protein are shown in green, and amino acid side chains that bind to these base pairs are shown in red. Note the bending of the DNA around the protein A ribbon representation with subunits shown in white and light blue. The helix-turn-helix DNA-binding motif is shown in red. Bound molecules of cAMP are shown in dark blue. CAP同源二聚体

  39. DNA-蛋白质相互作用 噬菌体阻遏蛋白 The bacteriophage λ repressor bound to DNA. The two identical subunits of the dimeric protein are shown in gray and light blue.

  40. DNA-蛋白质相互作用 Two examples of specific amino acid-base pair interactions that have been observed in the structures of DNA-bound regulatory proteins

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