1、发育及环境应答的基因表达调控 主要内容主要内容v 什么是基因表达调控？什么是基因表达调控？v 基因表达调控的层次基因表达调控的层次v 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控v 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控v 基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义 基因表达基因表达 是指生物体基因组种结构基因所携带的是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过遗传信息经过转录及翻译转录及翻译等一系列过程，合等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定生物学功成特定的蛋白质，进而发挥其特定生物学功能的全过程。能的全过程。基因表达调控基因表达调控 对这个过程的调节。对这个过程的调
2、节。基因表达的特异性和表达方式基因表达的特异性和表达方式 时间特异性时间特异性空间特异性空间特异性组成性表达组成性表达诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达协调表达协调表达 基因表达的多级调控基因表达的多级调控 基因结构活化基因结构活化 DNADNA水平水平 转录起始转录起始 转录后加工转录后加工 转录后水平转录后水平 转录产物的转运转录产物的转运 翻译调控翻译调控 翻译水平翻译水平 翻译后加工翻译后加工原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控vDNA水平的调控 DNA重组 启动子序列v转录水平的调控 转录起始阶段：不同的因子、操纵子模型 转录终止阶段：抗终止作用、RNA开关v翻译水平的调控 反义R
3、NA的正负调控 翻译控制 自体调控 mRNA的稳定性 应急反应在在DNADNA水平的调控水平的调控vDNA重组 DNA重组可以改变控制基因与受控基因之间的距离和方向，因而可以调控基因表达。v启动子序列：不同类型的启动子与基因表达的关系组成型启动子弱启动子强启动子一般与一致序列相同或相近缺乏一个或多个一致序列元件与一致序列相同或接近恒定的转录速率低转录速率高转录速率可能不受其它形式的调控经常需要激活蛋白经常受到阻遏转录起始阶段的调控转录起始阶段的调控v不同因子的选择使用 例一：几个热激基因的转录 例二：SPO1噬菌体在不同时期基因表达v操纵子模型 乳糖操纵子 色氨酸操纵子因子的选择性使用与热激基
4、因的表达调控因子的选择性使用与热激基因的表达调控因子的级联与因子的级联与SPO1SPO1噬菌体不同时期基因表达之间的关系噬菌体不同时期基因表达之间的关系 乳糖操纵子调节机制乳糖操纵子调节机制控制区控制区信息区信息区结构基因结构基因(S)操纵序列（操纵序列（O）启动序列（启动序列（P P）调节基因调节基因（I）CPA（一）阻遏蛋白的负性调节作用（一）阻遏蛋白的负性调节作用I I阻遏蛋白阻遏蛋白 无乳糖存在时，结构基因受阻遏无乳糖存在时，结构基因受阻遏 有乳糖存在时，结构基因表达有乳糖存在时，结构基因表达2CAPCAPCAP位点位点 阻遏蛋白阻遏蛋白 操纵序列操纵序列RNA聚合酶聚合酶无葡萄糖，无
5、乳糖无葡萄糖，无乳糖 无葡萄糖有乳糖无葡萄糖有乳糖 有葡萄糖，无乳糖有葡萄糖，无乳糖 有葡萄糖，有乳糖有葡萄糖，有乳糖 启动序列启动序列cAMPmRNA 5（二）（二）CAPCAP的正性调节作用的正性调节作用当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时 细胞中细胞中cAMPcAMP浓度降低浓度降低 缺乏乳糖与阻遏蛋白结合缺乏乳糖与阻遏蛋白结合 CAPCAP失活失活 阻遏蛋白与操纵基因结合阻遏蛋白与操纵基因结合 CAPCAP及及RNARNA聚合酶不能与启动基因结合聚合酶不能与启动基因结合 基因转录基因转录被阻遏被阻遏 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节 当培
6、养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时 细胞中细胞中cAMPcAMP浓度升高浓度升高 乳糖作为诱导剂与阻遏蛋白结合乳糖作为诱导剂与阻遏蛋白结合 cAMPcAMP与与CRPCRP结合并使之激合结合并使之激合 促使阻抑蛋白与操纵基因分离促使阻抑蛋白与操纵基因分离 CRPCRP与启动基因结合并促使与启动基因结合并促使RNARNA聚合酶与启动基因结合聚合酶与启动基因结合 基因转录基因转录激活激活 CAPCAP的正性调节的正性调节mRNA的二级结构和稳定性对翻译的调控启动子序列：不同类型的启动子与基因表达的关系（4）真核生物是多细胞的，在生物的个体发育过程中其基因表
7、达在时间和空间上具有特异性，即细胞特异性或组织特异性表达。（2）特异转录因子(special transcription factors)个别基因转录所必需的转录因子.转录激活结构域(transcriptional activation domain)；第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它觉得了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。前一种情形是导致一个基因编码不同的多肽产物的另外一种途径，有时它与选择性剪接组合使用可进一步扩大蛋白质的多样性。DNA水平真核生物表达调控与原核生物的不同：真核生物的基因表达调控乳糖作为诱导剂与阻遏蛋白结合选择性剪接可能是组成型的，也可能是受到
8、调控的。阻遏蛋白的负性调节转录终止阶段：抗终止作用、RNA开关有乳糖存在时，结构基因表达转录的终止依赖于终止子，不同终止子的作用有强弱之分。组蛋白的修饰与染色质构象变化的关系基因表达调控缺乏乳糖与阻遏蛋白结合反义RNA的正负调控O 阻遏蛋白阻遏蛋白 （无活性无活性）mRNAtrpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导前导trpL衰减子衰减子 结结 构构 基基 因因 调控区调控区色氨酸操纵子的调节机制色氨酸操纵子的调节机制 色氨酸合成的酶蛋白色氨酸合成的酶蛋白转录终止阶段的调控转录终止阶段的调控vRNA开关 许多细菌内存在一些特殊的双功能mRNA，在非编码区含有特定代谢物的特异性结合位
9、点，充当基因表达的开关，代谢物的结合会改变mRNA的构象：-提高转录的终止效率 -降低翻译的效率 -影响到mRNA的后加工 从而改变一个基因的表达。RNA开关（也称核开关）就是指这一类特殊的mRNA。核酶核开关的调控机制核酶核开关的调控机制转录终止阶段的调控转录终止阶段的调控v抗终止子 转录的终止依赖于终止子，不同终止子的作用有强弱之分。有的蛋白质因子能作用于终止子序列，减弱或取消终止子的作用，称为抗终止作用，这些蛋白因子就称为抗终止因子；也有一些蛋白质因子能够促进终止子的作用。两种情况都可以用来调节基因的表达。BglGBglG蛋白的抗终止作用蛋白的抗终止作用翻译水平上的调控翻译水平上的调控v
10、反义RNA的正负调控v翻译控制v自体调控vmRNA的二级结构和稳定性对翻译的调控vSOS反应反义反义RNARNA的负调控和正调控的负调控和正调控 翻译控制翻译控制 翻译控制是指转录产物本身的结构控制其翻译的过程mRNAmRNA的二级结构和稳定性的二级结构和稳定性mRNA是翻译的模板，延长它的稳定性也必然会使翻译的效率提高自体调控自体调控自体调控是指一个基因产物对自己的基因表达产生激活或抑制的现象。它既可以在转录水平上，也可以在翻译水平上进行。应急反应应急反应细菌细胞在氨基酸饥饿的时候，胞内发生各种变化：rRNA和tRNA 合成量的急剧下降（10倍-20倍）；mRNA合成下降（约3倍）；蛋白质降
11、解加强；核苷酸、碳水化合物和脂的合成下降。应急反应的意义在于使细胞“勒紧裤带”，节省能量，以渡过难关。DNA甲基化与转录抑制第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它觉得了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。RNA干扰是指通过双链RNA使目的mRNA降解，从而特异性地抑制目的蛋白表达的现象。真核基因转录后水平的调控可能不受其它形式的调控细胞中cAMP浓度降低-影响到mRNA的后加工甲基化以两种方式调控基因的表达（4）真核生物是多细胞的，在生物的个体发育过程中其基因表达在时间和空间上具有特异性，即细胞特异性或组织特异性表达。细胞中cAMP浓度升高（2）甲基化改变DNA的正常构型
12、。甲基化以两种方式调控基因的表达（1）三个功能结构域：DNA结合结构域(DNA-binding domain)；mRNA的二级结构和稳定性对翻译的调控RNA开关（也称核开关）就是指这一类特殊的mRNA。（4）可变的5-剪接位点的使用反式作用因子(trans-acting Factor)非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体。应急反应的意义在于使细胞“勒紧裤带”，节省能量，以渡过难关。DNA重组原核生物基因表达调控的特点原核生物基因表达调控的特点 主要在转录水平进行调节主要在转录水平进行调节1 1）因子的特异启动作用因子的特异启动作用 2 2）操纵子调控机制具有普
13、遍性操纵子调控机制具有普遍性3 3）阻遏蛋白阻遏转录具有普遍性阻遏蛋白阻遏转录具有普遍性 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控Regulation of Gene Expression in Eukaryotesv调控的原因调控的原因v调控的层次：调控的层次：v调控的手段：调控的手段：u真核生物基因表达调控的特点真核生物基因表达调控的特点真核生物表达调控与原核生物的不同：真核生物表达调控与原核生物的不同：（1）染色体结构不同）染色体结构不同,存在特有的染色质水平调节；存在特有的染色质水平调节；（2）真核生物目前已知的主要是正调控；）真核生物目前已知的主要是正调控；（3）真核生物的转录和
14、翻译在时空上是分开的；）真核生物的转录和翻译在时空上是分开的；（4）真核生物是多细胞的，在生物的个体发育过程中）真核生物是多细胞的，在生物的个体发育过程中其基因表达在时间和空间上具有特异性，即细胞特异性其基因表达在时间和空间上具有特异性，即细胞特异性或组织特异性表达。或组织特异性表达。多多层层次次调调控控u染色体水平的调控染色体水平的调控 一个基因在表达前后，其所在位置的染色质结构会发生重塑或重建。组蛋白调控 非组蛋白调控 基因缺失 基因扩增 基因重排组蛋白对基因活性的影响机制组蛋白对基因活性的影响机制占先模型（占先模型（pre-emptive model）动态模型（动态模型（dynamic
15、model）组蛋白的修饰与染色质构象变化的关系组蛋白的修饰与染色质构象变化的关系 组蛋白的乙酰化组蛋白的乙酰化-去乙酰化的生物功能：去乙酰化的生物功能：组蛋白乙酰化是许多转录调控蛋白相互作用的一种“识别信号”，如H4组蛋白的乙酰化作用参与了指示和吸引TFIID到相应的启动子上，促进转录前起始复合物的装配；Regulation of Gene Expression in Eukaryotes转录的终止依赖于终止子，不同终止子的作用有强弱之分。也有一些蛋白质因子能够促进终止子的作用。组蛋白对基因活性的影响机制甲基化以两种方式调控基因的表达核苷酸、碳水化合物和脂的合成下降。转录激活结构域(trans
16、criptional activation domain)；应急反应的意义在于使细胞“勒紧裤带”，节省能量，以渡过难关。对这个过程的调节。真核生物的基因表达调控启动子序列：不同类型的启动子与基因表达的关系如：OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。细胞中cAMP浓度升高组蛋白的修饰与染色质构象变化的关系核苷酸、碳水化合物和脂的合成下降。无乳糖存在时，结构基因受阻遏反义RNA的正负调控非组蛋白大多数是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修饰的方式调节细胞的代谢、生长、增殖和变异等，并能在核内接受外来信号，构成核内信息转导系统，形成一条调节基因表达的重要途径。（2）甲基化改变DNA
17、的正常构型。非组蛋白（非组蛋白（NHP)非组蛋白大多数是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修饰的方式调节细胞的代谢、生长、增殖和变异等，并能在核内接受外来信号，构成核内信息转导系统，形成一条调节基因表达的重要途径。基因的丢失：不可逆基因的丢失：不可逆 某些真核生物随细胞的分化丢失了染色体上的某些DNA片段的现象称为基因丢失，基因扩增：增加基因的拷贝数基因扩增：增加基因的拷贝数 非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体。药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加。基因重排基因重排(gene rearrangement)：如免疫球蛋白基因重排，多样性。uDN
18、A水平上的调控水平上的调控DNA甲基化（甲基化（DNA Methylation)启动子的选择使用启动子的选择使用DNA印记印记 DNA甲基化与转录抑制甲基化与转录抑制p甲基化甲基化(methylated)程度高，对基因转录抑制的程度高，对基因转录抑制的调控能力越强。调控能力越强。p去甲基化去甲基化(undermethylated)：基因转录激活：基因转录激活甲基化以两种方式调控基因的表达甲基化以两种方式调控基因的表达（1）甲基化增强或减弱）甲基化增强或减弱DNA与调节蛋白质之间与调节蛋白质之间 的相互作用；的相互作用；例如活性基因和管家基因CpG岛的区别（2）甲基化改变）甲基化改变DNA的正常
19、构型。的正常构型。例如DNA甲基化与X染色体失活启动子的选择使用启动子的选择使用v某些真核生物的基因不止一个启动子，例如，抗肌营养不良蛋白有8个启动子，通过使用不同的启动子可转录出不同长度的mRNA，它们经过翻译可产生不同性质或功能的蛋白质产物。DNA印记印记v基因组印记：基因组印记：哺乳动物的某些等位基因性状的表达由于基因的来源不同而呈现出差异，甚至只表达单一亲系来源（父源或母源）的基因版本。如人类的亨延顿氏舞蹈病，其基因突变是来自父源或母源基因的甲基化。u真核基因转录水平的调控真核基因转录水平的调控 v顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element）v反式作用因子反式作用因
20、子(trans-acting Factor)转录激活结构域(transcriptional activation domain)；选择性加尾可能会改变编码区的长度，也可能会保留或去除位于3-UTR内影响mRNA稳定性的特定信号。转录的终止依赖于终止子，不同终止子的作用有强弱之分。RNA干扰是指通过双链RNA使目的mRNA降解，从而特异性地抑制目的蛋白表达的现象。RNA干扰是指通过双链RNA使目的mRNA降解，从而特异性地抑制目的蛋白表达的现象。真核生物基因表达调控的特点组蛋白的修饰与染色质构象变化的关系当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时cAMP与CRP结合并使之激合反式作用因子的结构与功
21、能DNA重组可以改变控制基因与受控基因之间的距离和方向，因而可以调控基因表达。DNA甲基化与转录抑制如：OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。转录产物的转运（1）甲基化增强或减弱DNA与调节蛋白质之间 的相互作用；mRNA合成下降（约3倍）；也有一些蛋白质因子能够促进终止子的作用。应急反应因子的级联与SPO1噬菌体不同时期基因表达之间的关系（4）真核生物是多细胞的，在生物的个体发育过程中其基因表达在时间和空间上具有特异性，即细胞特异性或组织特异性表达。真核生物在转录水平进行基因表达调控的主要方式反式作用因子的结构与功能反式作用因子的结构与功能（1）通用或基本转录因子
22、）通用或基本转录因子RNA聚合酶结合启动子所必需聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。如：的一组蛋白因子。如：TFA、TFB、TFD、TFE等。等。（2）特异转录因子）特异转录因子(special transcription factors)个别个别基因转录所必需的转录因子基因转录所必需的转录因子.如：如：OCT-2：在淋巴细胞中特：在淋巴细胞中特异性表达，识别异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。基因的启动子和增强子。反式作用因子的结构特点反式作用因子的结构特点（1）三个功能结构域：DNA结合结构域(DNA-binding domain)；转录激活结构域(transcriptional a
23、ctivation domain)；二聚化结构域。（2）能识别并结合顺式作用元件(cis-acting element)（3）正调控与负调控v选择性加尾选择性加尾v可变剪接可变剪接(alternative splicing)vRNA干扰干扰u真核基因转录后水平的调控真核基因转录后水平的调控 选择性加尾选择性加尾v很多真核生物基因的3-端含有2个或2个以上的加尾信号，使用不同的加尾信号将导致产生不同长度或不同性质的mRNA。选择性加尾可能会改变编码区的长度，也可能会保留或去除位于3-UTR内影响mRNA稳定性的特定信号。v前一种情形是导致一个基因编码不同的多肽产物的另外一种途径，有时它与选择性剪
24、接组合使用可进一步扩大蛋白质的多样性。生物信息学研究表明，高等生物约25%的基因可能发生选择性加尾。可变剪接可变剪接v它是指一种mRNA前体在剪接反应中某些区段的序列可能被保留，也可能被排除，从而得到几种不同成熟mRNA产物的过程，它是高等真核生物蛋白质多样性产生的重要来源。v选择性剪接可能是组成型的，也可能是受到调控的。v四种方式：（1）外显子跳过v （2）内含子保留v （3）可变的3-剪接位点的使用 v （4）可变的5-剪接位点的使用RNA干扰干扰vRNA干扰是指通过双链RNA使目的mRNA降解，从而特异性地抑制目的蛋白表达的现象。vRNAi的生物学意义目前普遍认为，它在植物和昆虫体内相当
25、于一种免疫系统，起着保卫基因组的作用，它能够防止外来的有害基因或病毒基因整合到植物基因组中，此外，它还参与基因表达的调控。u翻译水平的调控翻译水平的调控翻译起始的调控翻译起始的调控 翻译延伸的调控翻译延伸的调控蛋白质的加工成熟蛋白质的加工成熟 真核生物钟基因调控根据性质可分为两种：v第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。v第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它觉得了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。可能不受其它形式的调控RNAi的生物学意义目前普遍认为，它在植物和昆虫
26、体内相当于一种免疫系统，起着保卫基因组的作用，它能够防止外来的有害基因或病毒基因整合到植物基因组中，此外，它还参与基因表达的调控。启动子序列：不同类型的启动子与基因表达的关系应急反应的意义在于使细胞“勒紧裤带”，节省能量，以渡过难关。启动子序列：不同类型的启动子与基因表达的关系反式作用因子(trans-acting Factor)第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它觉得了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时甲基化以两种方式调控基因的表达非组蛋白大多数是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修饰的方式调节细胞的代谢、生长、增殖和变异等，并能在核
27、内接受外来信号，构成核内信息转导系统，形成一条调节基因表达的重要途径。（3）真核生物的转录和翻译在时空上是分开的；原核生物的基因表达调控阻遏蛋白与操纵基因结合组蛋白的修饰与染色质构象变化的关系因子的选择性使用与热激基因的表达调控基因表达调控的生物学意义选择性加尾可能会改变编码区的长度，也可能会保留或去除位于3-UTR内影响mRNA稳定性的特定信号。DNA水平翻译调控干旱诱导基因v1.蛋白激酶基因v2.参与光合作用的基因v3.交替氧化酶基因v4.渗透调节因子基因v5.功能蛋白调节转录水平调控vABA依赖型v非ABA依赖型3）阻遏蛋白阻遏转录具有普遍性反式作用因子的结构特点反义RNA的正负调控核苷
28、酸、碳水化合物和脂的合成下降。可能不受其它形式的调控Regulation of Gene Expression in Eukaryotes非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体。组蛋白的修饰与染色质构象变化的关系转录产物的转运（2）内含子保留非组蛋白大多数是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修饰的方式调节细胞的代谢、生长、增殖和变异等，并能在核内接受外来信号，构成核内信息转导系统，形成一条调节基因表达的重要途径。动态模型（dynamic model）mRNA的二级结构和稳定性对翻译的调控第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它觉得了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。mRNA是翻译的模板，延长它的稳定性也必然会使翻译的效率提高（2）甲基化改变DNA的正常构型。非组蛋白大多数是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修饰的方式调节细胞的代谢、生长、增殖和变异等，并能在核内接受外来信号，构成核内信息转导系统，形成一条调节基因表达的重要途径。转录的终止依赖于终止子，不同终止子的作用有强弱之分。转录后水平v诱导渗透压素基因转录v水分胁迫降低psbA/psbD基因mRNA稳定状态
