目 录
Regulation of Gene Expression
目 录目 录第 一 节基本概念与原理
Basic Conceptions and Principle
目 录一、基因表达的概念
* 基因组 (genome)
一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。
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。
* 基因表达 (gene expression)
基因表达是受调控的目 录目 录二、基因表达的时间性及空间性
(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 (temporal specificity)。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称 阶段特异性 (stage specificity)。
目 录目 录
(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 (cell or
tissue specificity)。
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 (spatial specificity)。
目 录目 录三、基因表达的方式按对刺激的反应性,基因表达的方式分为:
(一)组成性表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达,通常被称为 管家基因 (housekeeping
gene)。
目 录无论表达水平高低,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 。 区别于其他基因,这类基因表达被视为 组成性基因表达 (constitutive gene expression)。
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(二)诱导和阻遏表达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 。
可诱导基因在特定环境中表达增强的过程,
称为 诱导 (induction)。
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 。 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为 阻遏 (repression)。
目 录在一定机制控制下,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,即为 协 调 表 达 (coordinate
expression),这 种 调 节 称 为 协 调 调 节
(coordinate regulation)。
目 录四、基因表达调控的生物学意义
(一)适应环境、维持生长和增殖
(二)维持个体发育与分化目 录五、基因表达调控的基本原理
(一)基因表达的多级调控基因激活 转录起始转录后加工
mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰目 录
(二)基因转录激活调节基本要素基因表达的调节与 基因 的结构,性质,生物个体或细胞所处的内,外 环境,
以及细胞内所存在的转录 调节蛋白 有关 。
1,特异 DNA序列和调节蛋白质目 录原核生物蛋白质因子
—— 操纵子 (operon) 机制特异 DNA序列编码序列启动序列操纵序列其他调节序列
(promoter)
(operator)
目 录是 RNA聚合酶结合并启动转录的特异 DNA序列。
1) 启动序列
RNA转录起始-35区 -10区
TTGACA TTAACT
TTTACA TATGAT
TTTACA TATGTT
TTGATA TATAAT
CTGACG TACTGT
N17
N16
N17
N16
N16
N7
N7
N6
N7
N6
A
A
A
A
A
trp
tRNATyr
lac
recA
Ara BAD
TTGACA TATAAT 共有序列目 录共有序列 (consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小 。
某些特异因子 ( 蛋白质 ) 决定 RNA聚合酶 对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力 。
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2? 操纵序列
—— 阻遏蛋白 (repressor)的结合位点当 操纵 序列 结合有 阻遏 蛋白 时,会 阻碍
RNA聚合酶与启动序列的结合,或是 RNA聚合酶不能沿 DNA向前移动,阻碍转录 。
启动序列 编码序列操纵序列pol 阻遏蛋白目 录
3) 其他调节序列、调节蛋白例如激活蛋白 (activator)可结合启动序列邻近的 DNA序列,促进 RNA聚合酶与启动序列的结合,增强 RNA聚合酶活性 。
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 。
目 录真核生物
1) 顺式作用元件 (cis-acting element)
—— 可影响自身基因表达活性的 DNA序列
B A
DNA
编码序列转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列,如 TATA盒,CAAT盒等,这些共有序列是 RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点 。
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2) 真核基因的调节蛋白还有蛋白质因子可特异识别,结合自身基因的调节序列,调节自身基因的表达,
称 顺式作用 。
由某一基因表达产生的蛋白质因子,
通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用,调节其表达 。
反式作用因子 (trans-acting factor)
这种调节作用称为 反式作用 。
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c DNA
aDNA 反式调节
C
顺式调节
mRNA
C 蛋白质 C
BA
mRNA
蛋白质 A A
目 录指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合 。 通常是非共价结合,
被识别的 DNA结合位点通常呈对称,或不完全对称结构 。
绝大多数调节蛋白质结合 DNA前,需通过 蛋 白 质 - 蛋 白 质 相 互 作 用,形成 二 聚 体
(dimer)或 多聚体 (polymer)。
2,DNA - 蛋白质蛋白质 -蛋白质 的相互作用目 录
3,RNA聚合酶
⑴ 原核启动序列 /真核启动子与 RNA聚合酶活性
RNA聚合酶与其的亲和力,影响转录。
⑵ 调节蛋白与 RNA聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达,然后通过 DNA-蛋白质,蛋白质 -蛋白质相互作用影响 RNA聚合酶活性 。
目 录第 二 节原核基因转录调节
Regulation of Prokaryotic
Gene Transcription
目 录
—— 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
(二)操纵子模型的普遍性
(三)阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性目 录二、乳糖操纵子调节机制
( 一 ) 乳糖操纵子 (lac operon)的结构调控区
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
Z Y AOPDNA
目 录
mRNA
阻遏蛋白
IDNA Z Y AOPpol
没有乳糖存在时
( 二 ) 阻遏蛋白的负性调节阻遏基因目 录
mRNA
阻遏蛋白有乳糖存在时
IDNA Z Y AOPpol
启动转录 mRNA
乳糖半乳糖
β-半乳糖苷酶目 录
+ + + + 转录无葡萄糖,cAMP浓度高时有葡萄糖,cAMP浓度低时
( 三 ) CAP的正性调节
Z Y AOPDNA CAP
CAPCAPCAP CAP
CAP
目 录
( 四 ) 协调调节
※ 当阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不能发挥作用;
※ 如无 CAP存在,即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合,操纵子仍无转录活性 。
单纯乳糖存在时,细菌利用乳糖作碳源;
若有葡萄糖或葡萄糖 /乳糖共同存在时,细菌首先利用葡萄糖 。
葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称 分解代谢阻遏 (catabolic repression)。
目 录
mRNA
低半乳糖时 高半乳糖时葡萄糖低
cAMP浓度高葡萄糖高
cAMP浓度低
RNA-pol
O O
O O
目 录
Trp
Trp 高时
Trp 低时 mRNA
OPtrpR
调节区 结构基因
RNA聚合酶
RNA聚合酶三、其他转录调节机制
( 一 ) 转录衰减色氨酸操纵子目 录
UUUU……
UUUU……
调节区 结构基因
trpR OP
前导序列 衰减子区域
UUUU……前导 mRNA 1 2 3 4
衰减子结构第 10,11密码子为 trp密码子终止密码子
14aa前导肽编码区,包含序列 1
形成发夹结构能力强弱:
序列 1/2>序列 2/3>序列 3/4
trp 密码子
UUUU……
目 录
UUUU……3 4UUUU 3’
3 4核糖体前导肽前导 mRNA
1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制
1 2
5’
trp 密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导 DNA
UUUU 3’
RNA聚合酶终止目 录
UUUU……3 4
2 4
2 3
UUUU……
核糖体前导肽前导 mRNA
1
5’
trp 密码子结构基因前导 DNA
RNA聚合酶
2.当色氨酸浓度低时
Trp合成酶系相关结构基因被转录序列 3,4不能 形成衰减子结构目 录
( 二 ) 基因重组沙门菌鞭毛素基因的调节
H2鞭毛素阻遏蛋白Hin重组酶转位片段
hin H2 I H1
H1鞭毛素
hin H2 I
DNA 启动序列
H1
启动序列目 录
( 三 ) SOS反应
SOS基因紫外线激活
Rec A
Lex A阻遏蛋白与 DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质基因表达
Lex A阻遏蛋白操纵序列DNA
目 录第 三 节真核基因转录调节
Regulation of Eukaryotic
Gene Transcription
目 录一、真核基因组结构特点
( 一)真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组 DNA 约 3 × 10 9 碱基对编码基因 约 有 40000 个,占总长的 6 %
rDNA等重复基因 约 占 5% ~ 10%
目 录
( 二)单顺反子单顺反子 (monocistron)
即一个编码基因转录生成一个 mRNA
分子,经翻译生成一条多肽链 。
( 三)重复序列单拷贝序列(一次或数次)
高度重复序列( 106 次)
中度重复序列( 103 ~ 104次)
多拷贝序列
( 四)基因不连续性目 录二、真核基因表达调控特点
( 一) RNA聚合酶
( 二)活性染色体结构变化
1,对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点,位于调节蛋白结合位点附近 。
目 录
2,DNA拓扑结构变化天然双链 DNA均以负性超螺旋构象存在;
基因活化后
RNA-pol 正超螺旋负超螺旋转录方向
3,DNA碱基修饰变化真核 DNA约有 5%的胞嘧啶被甲基化,
甲基化范围与基因表达程度呈反比。
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4,组蛋白变化
① 富含 Lys组蛋白水平降低
② H2A,H2B二聚体不稳定性增加
③ 组蛋白修饰
④ H3组蛋白巯基暴露
( 三 ) 正性调节占主导
( 四 ) 转录与翻译分隔进行
( 五)转录后修饰、加工目 录三、真核基因转录激活调节
( 一)顺式作用元件
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 。
TATA盒
GC盒
CAAT盒目 录目 录
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。
目 录
( 二)反式作用因子
1,转录调节因子分类(按功能特性)
* 基本转录因子 (general transcription factors)
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 。
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* 特异转录因子 (special transcription factors)
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目 录
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目 录最常见的 DNA结合域
1,锌指 (zinc finger)
C —— Cys
H —— His
常结合 GC盒目 录
Zn
Cys
His
目 录
2,α-螺旋常结合 CAAT盒目 录
(三 ) mRNA 转录激活及其调节
polⅡ
TFⅡ HTAF
TFⅡ F
TAFTAF
TFⅡ A TFⅡ BTBP
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
TATA DNA
TBP相关因子目 录真核基因转录调节是 复杂的、多样的
*不同的 DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式;
*多种转录因子又可结合相同或不同的 DNA元件 。
*转录因子与 DNA元件结合后,对转录激活过程所产生的效果各异,有正性调节或负性调节之分 。