第五章基因表达的调控(Regulation of gene expression ) 四、基因表达调控的概念五、基因表达的调控因子：六、基因表达的调控水平第一节原核生物基因表达的调控一、原核生物基因表达的特点二、原核生物基因表达的调控机制2. 转录起始的负调控诱导剂（inducer ）乳糖1,6- 别乳糖（体内生理）异丙基硫代半乳糖苷（IPTG ，体外试验）4．转录起始的复合调控5. 转录起始的正、负双向调控（二）转录终止的调控例:色氨酸操纵子（trp operon) 表达的调控1. 通过阻遏蛋白的负调控2. 通过衰减子作用1. 反义RNA 的调控作用反义RNA 有三种作用方式：2. RNA 的稳定性与调控的关系第二节真核生物基因表达的调控一、真核生物基因表达的特点（二）转录水平的调控2. 反式作用因子(trans-acting factor) 反式作用因子根据作用方式分为三类：②组织特异性转录因子：与基因表达的组织特异性有很大关系。③诱导性反式作用因子：活性能被特异的诱导因子所诱导。1)DNA 识别结合域：碱性-亮氨酸拉链(Leucine Zipper) 螺旋-环-螺旋(Helix-loop-helix) 4. 转录水平的调控机制反式作用因子的激活方式如下: （2）反式作用因子作用方式(三)转录后水平的调控帽子结构2. mRNA 前体的选择性剪接(alternative splicing) 对基因表达的调控作用（2）mRNA 的选择性剪接①锌指（zinc finger ）结构Cys2 / Cys2 锌指Cys2 / His2 锌指见于甾体激素受体见于SP1 ，TF ⅢA 等1) DNA Binding Domain ②同源结构域（homeodomain ，HD ）同源盒(homeobox) 基因家族各基因间具有一相同的保守序列。所含的至少二个α螺旋中形成“转折”，第三个α螺旋与DNA 大沟相互作用是同源盒蛋白与DNA 结合的主要力量。二聚体亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成“拉链”。肽链氨基端20 ～30 个富含碱性氨基酸结构域与DNA 结合。Fos 、Jun 2) 转录活化结构域转录活化域是反式作用因子必须具备的结构基础。①酸性α- 螺旋（acidicα-helix domain ）含有较多的负电荷。能非特异性地与起始复合物相互作用发挥转录活化功能（如TBP ）。②富含谷氨酰胺的结构域（glutamine-rich domain ）最强的转录活化域之一（如SP1 ）。③富含脯氨酸结构域（proline-rich domain ）（如CTF1 ）(１)反式作用因子的活性调节真核基因转录起始的调节，首先表现为反式作用因子的功能调节，即特定的反式作用因子被激活后，可以启动特定基因的转录。①表达式调节:反式因子合成出来就有活性②共价修饰：磷酸化-去磷酸化，糖基化③与配体结合④蛋白质与蛋白质相互作用1) 成环（looping ）：使相应位点接近而发挥作用2) 扭曲(twisting) ：改变DNA 构型3）滑动(sliding) ：沿DNA 滑动到另一特异序列发挥作用4）连锁反应（Oozing ）：转录因子与DNA 结合后促进另一转录因子的结合（3）反式作用因子的组合式调控基因表达的调控不是由单一的反式作用因子完成而是几种因子组合，发挥特定的作用。cis-acting elements the structure of gene in eukaryote, cis-acting element and trans or cis -acting factor exon intron ATG TAA Poly A site AATAAA, 30bp downstream enhancer terminator downstream silencer initiation site promoter upstream silencer upstream enhancer coding strand template strand 5’3’1 2 n 1 2 n-1 TATA box CAAT box GC box trans-acting factors exon intron ATG TAA Poly A site AATAAA, 30bp initiation site 1 2 n 1 2 n-1 初级转录产物1. 首、尾的修饰5 端形成帽子结构(m7GpppGp —) 7 －甲基鸟苷3 端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail) 5 ------AAUAAA- 5 ------AAUAAA-- 核酸酶-GUGUGUG RNA-pol AATAAA GTGTGTG 转录终止的修饰点5 5 3 3 3 加尾AAAAAAA······ 3 mRNA 加帽加尾的意义: 保护转录体mRNA 不受外切酶降解，增强mRNA 的稳定性，同时有利于mRNA 从细胞核向胞质的转运，促进mRNA 与核糖体的结合（通过帽结合蛋白介导完成）。鸡卵清蛋白基因hnRNA 首、尾修饰hnRNA 剪接成熟的mRNA 鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰（1）mRNA 前体的剪接真核细胞基因表达所转录出的mRNA 前体在剪接酶作用下，有序删除内含子并将外显子拼接起来，形成成熟的mRNA, 这一过程即为剪接。70% genes alternatively spliced 26,000 genes, 150,000 proteins 外显子选择：保留或部分保留外显子内含子选择：删除或部分删除内含子意义:在高等生物细胞的高度异质性中起重要作用。由于剪接的多样化，一个基因在转录后通过mRNA 前体的剪接加工而产生两个或更多的蛋白质。mRNA 的选择性剪接选择性剪接：不同的剪接方式可以在同一 个基因中形成不同的mRNA 果蝇的性别决定基因的选择性剪接（四）翻译水平的调控1. 翻译起始的调控(1) 阻遏蛋白的控制(2) 翻译起始因子调节蛋白质合成的速度(3)5′AUG 调节翻译的效率(4)5′端非编码区长度影响翻译起 始效率及准确性2.mRNA 稳定性3. 小分子RNA 可调控翻译的效率调节蛋白质合成的水平RNA 干扰(RNA interference, RNAi) 将与mRNA 编码区某段序列相对应的正义RNA 和反义RNA 组成的双链RNA (double-stranded RNA, dsRNA) 导入细胞，使mRNA 发生特异性的降解，导致其相应的基因沉默(表达受抑制)。这种转录后基因沉默（post-transcriptional gene silencing,PTGS) 被称为RNAi. (五)翻译后水平的调控(posttranslational control) 1. 新生肽链的水解2. 肽链氨基酸的共价修饰3. 信号肽的靶向运输掌握: 基因表达、多顺反子的概念； 乳糖操纵子的结构; 乳糖操纵子的转录调控机制。单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同。多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组DNA 传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。（1）细胞具有全能性（2）基因表达的时间性和空间性GγδβAγζ2 α2 α1 Hb Grow1 Hb Porland Hb GrowⅡHbF HbA2 HbA 胚胎期胎儿期成人期不同发育时期珠蛋白基因表达和血红蛋白分子类型胚胎期胎儿期和成人期ε(3) 转录和翻译在细胞的不同部位进行（6）不存在超基因式操纵子结构（5）部分基因多拷贝真核生物的mRNA 是个单顺反子mRNA (monocistronic mRNA) （4）初级转录产物要经过转录后加工修饰初级转录产物为核不均一性RNA （heterogeneous nuclear RNA ,hnRNA ）Translation Transcription mRNA DNA Protein Promoter Gene 3′5′单顺反子mRNA (monocistronic mRNA) 真核生物的一个编码基因转录生成一个mRNA 。（一）基因组DNA 水平的调控1. 染色质的丢失不可逆的调控。如一些低等生物（如线虫）体细胞发育过程中发生染色质丢失。二、真核生物基因表达调控的机制2. 基因扩增（gene amplification ）当细胞对某种基因产物需要量剧增，单纯靠调节其表达活性不足满足需要，只有增加这种基因的拷贝数。3. 基因重排：（gene rearrangement ）免疫球蛋白IgG 基因许多片段发生重排，为免疫球蛋白分子的多样性奠定了基础某些基因片段改变原来存在顺序而重新排列组合，成为一个完整的转录单位, 造成表达产物多样性。65 V genes x 27 D genes x 6 J genes = 10530 combinations 4. 基因的甲基化修饰(Methylation modification) DNA 上特定的CpG 岛处的胞嘧啶发生甲基化修饰（5mC ）。甲基化程度与基因的表达一般呈反比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降低。去甲基化，基因的表达增加。GCGCGCGC Gene CpG 岛：p44 5. 染色质结构对基因表达的调控作用常染色质中疏松状态的活性染色质是基因转录前在染色质水平上独特的调控机制。真核生物RNA 聚合酶有3种转录产物种类5S-RNA tRNA Hn-RNA snRNA rRNA （5.8 、18 、28s ）ⅢⅡⅠ（RNA polymerase, RNA pol ）真核生物基因转录调节 以RNA 聚合酶Ⅱ为例转录起始复合物的形成顺式作用元件(cis-acting element) 反式作用因子(trans-acting factor) 转录水平的调控机制1. 转录起始复合物的形成转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC) 和转录起始复合物(transcription initiation complex, TIC) 的形成真核生物RNA-pol 不与DNA 分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。ⅡA ⅡB 由RNA-Pol Ⅱ催化转录的PIC POL-ⅡTFⅡF ⅡH ⅡE TBP TAF TFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA 复合物TATA POL-ⅡTFⅡF ⅡA ⅡB TBP TAF TATA ⅡH ⅡE CTD- P gene TATA enhancer 5’3’promoter region EBP TF II A pol II TF II F TBP TAF TAF TAF TF II E TF II B TIC 形成顺式作用(cis-acting): “acting from the same molecule”反式作用(trans-acting): “acting from a different molecule”B A DNA 编码序列转录起始点顺式调节c DNA a DNA 反式调节C 顺式调节mRNA C 蛋白质C B A mRNA 蛋白质A A 1 . 顺式作用元件(cis-acting element) 指某些能影响基因表达但不编码新的蛋白质和RNA 的DNA 序列，按照功能分为启动子、增强子、负调控元件（沉默子等）。1 、启动子(promoter) 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。TATA 盒GC 盒CAAT 盒决定RNA 聚合酶Ⅱ转录起始点和转录频率的一关键元件。①核心启动子(core promoter) ②上游启动子元件(upstream promoter element, UPE) 上游-25~-30bp 处，又称TATA 盒（TATAAAA ）上游-30~-110bp 处，包括GC 盒（GGGCGG ）和CAAT 盒（GCCAAT ）TATA 盒CAAT 盒GC 盒增强子顺式作用元件结构基因-CAAT--GCGC----TATA 转录起始真核生物启动子保守序列(2) 增强子(enhancer) 指位于启动子上游或下游并通过启动子增强目标基因转录效率的DNA 顺序，增强子本身不具备启动子活性。1) 远距离效应；2 ）无方向性；3 ）顺式调节；4 ）无物种和基因特异性；5）具有组织特异性；6）其作用与DNA 的构象有关。(3) 其他元件a) 沉默子（silencer ）指在真核基因内能抑制基因转录的DNA 序列,与反式作用因子相互结合而起作用。不受距离和方向的限制，并可对异源基因的表达起作用。b) 加尾信号5 ------AAUAAA- 5 ------AAUAAA-- 核酸酶-GUGUGUG RNA-pol AATAAA GTGTGTG 转录终止的修饰点5 5 3 3 3 加尾AAAAAAA······ 3 mRNA 指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件8～12bp 核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质。有时也称转录因子（transcription factor, TF ）。①通用转录因子。普遍存在的转录因子。元件