Transcript 3基因表达调控

基因表达调控
基因表达（gene expression)


基因通过转录、翻译指导蛋白质合成，
并最终表现为一定生物学特性的过程
为基因表达。
rRNA、tRNA编码基因转录生成RNA的过
程也属于基因表达。
基因表达的方式

组成性表达（constitutive gene expression):
对细胞生命活动必不可少的基因处于持续表达状态，称
管家基因(housekeeping gene)。

基因表达的诱导和阻遏（induction and
repression)


诱导：特定条件下基因表达增强的过程。
如 DNA 损伤诱导损伤修复相关基因表达。
阻遏：基因表达受到抑制的过程。
如色氨酸阻遏其合成代谢相关基因表达。
基因表达的时间性与空间性

时间性：



单细胞生物个体的生长过程，及在不同外环境下的
生长状态，均伴随各种基因表达的改变。
多细胞在个体发育的不同阶段，及处于不同内环境
下，细胞基因表达方式也存在变化。
空间性：

多细胞生物中，组成不同组织器官的细胞，其基因
表达方式有很大差别。
基因表达调控及其方式



基因的表达与否及表达水平高低是在机体
严格控制下进行的，这就是表达调控。
在基因表达的各个水平均可进行调控，但
转录调控是主要的调控方式。
转录调控的基本要素
转录调控的基本要素：


顺式作用元件：具有调控基因表达作用的特殊 DNA 序
列。
 启动子序列：基本序列。
 特殊调控序列：如操纵序列。
反式作用因子：具有调节基因表达作用的蛋白因子。
 RNA 聚合酶。
 特异性转录调节因子：激活蛋白或阻遏蛋白等。
第一节 原核生物基因表达调控

原核生物基因表达调控的水平：
转录前
DNA
转录
mRNA
翻译
蛋白质
修饰
活性蛋白质
一、转录水平调控
影响转录的因素：1、启动子
 启动子
起始部位 initiation site
结合部位 binding site
识别部位 recognition site
+1
-10
-35
 启动子决定转录方向及模板链
 启动子序列决定启动效率
不同的启动子序列对RNA聚合酶亲和力不同，因此具有
不同的起始频率
一致性序列 (consensus sequences) ：
T80A95T45A60A50T96
2. σ因子与启动子序列特异性识别

原核生物只有一种 RNA聚合酶，但具有多种σ
因子。
α2ββ
，
核心酶
σ
起始因子
全酶

不同的起始因子选择性识别不同的启动子

大肠杆菌：环境变化可以诱导特定的σ因
子，从而打开一套特定的基因。


σ70 识别常规启动子。
σ32 识别热休克基因启动子。
42℃ 诱导热休克蛋白的表达
3、阻遏蛋白 （repressor）



在转录水平对基因表达产生抑制作用的蛋白质：
负调控。
由调控基因(i基因)编码，阻遏蛋白是DNA结合蛋白，特异
性识别并结合操纵子，阻止转录。
信号分子＋阻遏蛋白——变构——结合DNA（或去结合）
诱导阻遏
诱导去阻遏
4、正调控蛋白


结合于特异DNA序列后能促进基因转录：正调控
（1）CAP蛋白：
分解代谢物基因活化蛋白catabolite gene
activator protein
又称cAMP受体蛋白CRP
细菌所处环境缺乏葡萄糖－－cAMP水
平升高－－
cAMP ＋ CAP蛋白(cAMP受体）－－
CAP蛋白变构－－结合特定的DNA序列
－－激活基因转录

正调控蛋白

(2) ntrC 蛋白的调控
5、倒位蛋白(inversion protein)

倒位蛋白是位点特异性重组酶。
6、RNA聚合酶抑制物




细菌处于氨基酸饥饿状态时RNA聚合酶活性下降，
rRNA和tRNA合成减少或停止的现象称为严谨反应
（stringent response)。
relA
空载tRNA
魔斑核苷酸：
ppGpp与pppGpp
rel为严紧控制因子。
氨基酸饥饿
魔斑核苷酸
将蛋白质合成速度
与核糖体生成偶联。
核糖体生成减少
rRNA转录减少
RNA聚合酶
7、衰减子 (attenuator)
衰减子：位于操纵子第一个结构基因之前，能
够减弱转录作用的序列
二、转录的调控机制


100 年前发现，乳糖可以诱导大肠杆菌乳
糖代谢酶的产生。
1960 年，Jacob 与 Monod 提出了乳糖操
纵子(operon)模型，对其机理作出了解释。
葡萄糖
乳糖
半乳糖苷酶活性
有
有
无
有
无
无
无
无
无
无
有
有
乳糖操纵子



结构基因（z,y,a)：半乳糖苷酶、通透酶、转乙
酰基酶。
调控基因 (i)：阻遏蛋白基因。
调控序列：启动子、操纵基因、CAP序列。
乳糖的代谢
调控序列

1. RNA聚合酶结合部位: -10 区与 -35 区。
2. 阻遏蛋白结合部位。
3. CAP/CRP结合部位。
以上调控序列被称为顺式作用元件。
蛋白因子
 RNA聚合酶
 阻遏蛋白：
由调控基因(i基因)编码，正常每个大肠杆菌平均有
10个阻遏蛋白分子，为同四聚体，每亚基37KD。
阻遏蛋白是DNA结合蛋白，特异性识别并结合操纵序
列，阻止转录。
 CAP：
分解物代谢物基因激活蛋白(CAP)或cAMP受体蛋白
(CRP)。缺乏葡萄糖时细菌cAMP水平增高，cAMP活化CAP，
结合CAP位点，激活转录。

以上蛋白因子被称为反式作用因子。
阻遏蛋白对乳糖操纵子的阻遏
乳糖的解除阻遏作用
葡萄糖的调节作用
复合调控

乳糖的诱导去阻遏作用：




葡萄糖的抑制作用：


乳糖进入细胞后，经少量半乳糖苷酶催化生成别乳糖
(allolactose)。
别乳糖与阻遏蛋白结合，解除其抑制作用。
异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)是强诱导剂。
葡萄糖抑制CAP的正调控作用。
乳糖操纵子的调控方式是复合调控。
葡萄糖和乳糖的调节作用
色氨酸操纵子的调节方式


阻遏因子的粗调节：当Trp充足时，Trp与阻遏蛋白
结合，共同阻止操纵子转录（诱导阻遏）。
衰减子的精细调节：存在于 trpL中的衰减子
(attenuator)。
衰减子的结构
衰减子的结构


14 氨基酸的前导肽序列。
4个调节区(1,2,3,4)，相互间可形成茎环。
衰减子的调控方式


色氨酸缺乏时
翻译停止，2
与 3 形成茎环。
终止子不能形
成。
色氨酸丰富时，
3 与 4 区域形
成茎环，产生
终止子，终止
转录。
三、翻译水平的调控




S-D序列对翻译的调控
mRNA的稳定性
小分子RNA (mic RNA)的作用
翻译产物对翻译的调控
1、 S-D序列的位置

S-D序列
S-D序列的位置

S-D序列与起始密码子的距离
lac启动子：S-D序列距离起始密码子 7 或
8bp 时，翻译效率相差500倍 (重组IL-2）。
 有时mRNA的结构可能隐蔽S-D序列，从而影响
翻译。
2、mRNA稳定性的调节



细菌的mRNA半衰期很短(平均 2 min)。其快速
降解是调控作用不可缺少的，一些基因的诱导
作用一旦消失，蛋白质就会停止合成。
不同的mRNA具有不同的半衰期和不同的酶解方
式。
参与RNA降解作用的RNA水解酶：
RNase I：作用于单链的内切酶。
,
RNase II：作用于单链3 端的外切酶。
RNase III：作用于双链的内切酶。
3、小分子RNA的调控作用


细菌在低渗透压下表达ompF，高渗透压下表
达ompC。
ompC的表达抑制ompF的表达，抑制作用是通
过micRNA实现的。
micRNA作用机理
低渗
ompR
启动子
渗透压导致变构
ompF
micF
启动子
ompC
mRNA
ompR
ompF
高渗
启动子
ompF
micF
mRNA
micRNA
启动子
ompC
mRNA
micRNA
ompC
4、翻译产物对翻译的调控



翻译终止因子RF2调节自身的翻译:
RF1：识别UAG和UAA
RF2：识别UGA和UAA
5’…GUUCUUAGGGGGUAUCUUUGACUACGAC…
3’
NH2…Val Leu Arg Gly Tyr Leu Asp Tyr Asp…COOH
20
21
22
23
24
25
26
27
28
第二节 真核生物基因表达调控

真核生物基因表达调控水平：
转录前
DNA
转录
hnRNA
加工
mRNA
翻译
蛋白
修饰
活性
真核生物表达调控的特点


调控信号的多样化：
 原核生物的基因表达主要受外环境的影响, 及
时调整酶系统基因的表达。
 真核生物：细胞所处外环境的变化。
细胞与细胞间的信息传递。
调控方式复杂化：
 真核生物具有更为复杂的顺式元件与反式因子。
 调控水平增多，方式多样。
一、转录前水平调控

染色体的丢失：

染色质结构的变化：
常染色质和异染色质
组蛋白的修饰：改变核小体结构。

DNA的甲基化修饰：CG序列的甲基化现象。

基因重排：免疫球蛋白的表达。

基因扩增：特殊基因拷贝的增加以满足其高表达的需
要。
1、染色质丢失



发生在原生动物、线虫和昆虫等低等动物。
体细胞丢失整条或部分染色体。
生殖细胞则保留整套染色体。
2、染色质结构对基因表达的调控

异染色质与常染色质：



异染色质高度凝聚，
基因不表达，对
DNase I 不敏感。
常染色质能转录，对
DNase I 敏感。
核小体结构对基因表
达的调控
核小体结构对基因表达的调控
 组蛋白可发生乙酰化、甲基化和磷酸化，这类

修饰作用可能与核小体的聚合与解聚有关。
乙酰化：


常发生在 H2A/2B/3/4，细胞处于 S 期时乙酰化增
加。
组蛋白乙酰基转移酶(HAT)，可以与特定转录因子
共同激活转录。
 磷酸化：

主要发生在 H1，M 期 H1 磷酸化程度增加。
3、DNA 的甲基化

CpG序列的甲基化：

甲基化程度与基因活跃程度相关。
成体红细胞α-珠蛋白基因处于低甲基化状态。
 甲基化影响基因表达的机制：
直接作用：改变基因构型，影响DNA与转录因子的 结合。
间接作用：与甲基化CpG结合蛋白（MeCP1和MeCP2）结合。
MeCP1是参与甲基化对转录抑制的主要蛋白质。
 X染色体的失活：
在哺乳动物，雌性个体 XX 染色体有一条失活，成为巴氏
小体。
X 染色体的失活与甲基化程度增加有关。
4、 基因重排


某些基因片段改
变原来的存在顺
序，通过调整有
关基因片段的衔
接顺序，再重排
成一个完成的转
录单位。
免疫球蛋白基因
的重排。
5、基因扩增

基因扩增：某些特定基因的拷贝数大量增加的
现象。是细胞在短期内为满足某种需要而产生
足够的基因产物的一种调控手段。



非洲爪蟾卵母细胞 rRNA 基因（rDNA）的扩增。
抗药性基因的扩增。
原癌基因
二、转录水平调控



基因的活化
顺式作用元件
参与基因转录调节的特殊DNA序列。
反式作用因子：
直接或间接作用于顺式元件，对转录起调节作
用的蛋白质因子。
1、基因的活化
 DNase I敏感性位点：在转录活跃的活性染色


质区域，结构松散，去除了组蛋白的保护作用，
因而对DNase I 敏感。对DNase I 敏感是可转
录染色质的一个基本特征。
DNase I 高敏区的形成
HMG（high mobility group）：高迁移组分，
为染色质中的一类非组蛋白成分，与细胞发育
分化有关。

失去HMG14，HMG17 后，鸡红细胞染色体对DNase I
不敏感，获得后又重新恢复敏感状态。
2、 顺式作用元件

启动子：起始转录的必需结构，是RNA聚合酶与各种转
录因子结合的部位。

增强子：具有增强转录的作用，是真核细胞主要的转录
正调控因素。真核生物以正调控方式为主。

沉默子：具有转录抑制作用，在真核生物中少见。
（1） 启动子

核心序列：
 TATA box 或称 Hogness box。
 TATA序列是维持基础转录必需的，位置相对
恒定，位于结构基因转录起始点的上游的－
25bp处。
（2）上游启动子元件

Upstream promotor elements，UAS：是TATA盒上
游的一些特定DNA序列，可以结合一些反式作用因
子，对转录起始有较强调控作用。




GC box （CCGCC）
CAAT box（GGNCAATCT）
启动子可有多个UAS，必需处于上游近处，但无
方向性。
GC box 经常在看家基因中出现。
（3） 增强子


增强子(enhancer)也称远端增强子元件，可远离
启动子核心序列发挥作用。
增强子最先在 SV40 病毒中发现：
-107
enhancer enhancer
GC GC
GC
TATA
72 bp
GGTGTGGAAAG
ATGCAAAG
核心序列
八聚体序列
AP1结合位点
增强子的特点




远近距离均起作用：50kb 之外也有效。
可位于基因上游、下游甚至是基因内含子中。
增强子本身无方向性。
需要结合反式作用因子后才能发挥调控作用：

具有种属特异性与组织特异性。
增强子的特异性



免疫球蛋白轻链与重链基因增强子，只在B 细胞
有活性。
胰岛素基因增强子，只在胰岛β细胞有活性。
β-珠蛋白基因簇增强子，在不同发育阶段具有
不同活性。
（4） 反应元件


也是一种顺式作用元件，能对特定信号作出反应，
与特异性蛋白因子结合，调节一类基因转录活性的
DNA序列。
可以位于启动子或增强子区域。
热休克反应元件：HRE
糖皮质激素反应元件：GRE
金属反应元件：MRE
佛波酯反应元件：TRE
血清反应元件：SRE
cAMP反应元件：CRE
（5）沉默子



属负调控元件，在真核生物中较少发现。
沉默子的抑制作用同样需要特定蛋白因子的结
合。
抑制作用可能涉及到特定染色质位点的修饰，
包括组蛋白的脱乙酰化。
3、反式作用因子
 反式作用因子
核内蛋白质因子
有与DNA结合的结构域
识别顺式作用元件
数量少
正或负调控
 主要特点
三个结构功能域：
DNA识别结合域
转录活性域
与其他蛋白的结合域
反式作用因子


RNA聚合酶：RNA pol I/II/III。
转录因子：RNA聚合酶的辅助因子，结合启动子核心序
列为基础转录所必需。

转录激活因子与转录阻遏因子：与UAS或增强子结合，
调节转录活性。

共激活因子与共阻遏因子：不结合DNA，与转录因子
或转录激活/阻遏因子结合。
（1) RNA聚合酶

RNA聚合酶 II 特异性转录 II 型核基因启动子
(mRNA启动子)。



由12个亚基组成。
200kD亚基与原核生物β亚基同源。
真核生物RNA聚合酶需要多种调节蛋白的协同才
能进行转录。


基础水平转录：30种多肽
调节性转录：更多的多肽因子。
(2) 转录因子

Transcription factor II（TFII）是与 RNA 聚
合酶 II 协同作用的一类转录因子。
预起始复合体



RNA聚合酶与多种转录因子共
同形成 preinitiation
comples (PIC)。
TFII D 具有 TATA结合蛋白
(TBP)亚基与多种转录共激活
因子(TAFs)亚基，是识别TATA
并起始转录的关键。
PIC相当于原核生物 RNA 聚合
酶的全酶。
反式因子的结构特征

DNA结合功能域：识别并结合特定DNA序列。





锌指结构
螺旋－转角－螺旋
亮氨酸拉链
螺旋－环－螺旋
转录激活功能域：蛋白－蛋白相互作用。
（酸性α螺旋、富含Gln域、富含Pro域）
锌指基序



Zinc finger motif：25－30 氨基酸的保守结构，
内含 4 个 Cys，或 2 个 Cys，2 个 His。
DNA结合区往往具有多个锌指。
可分为：
Cys2/Cys2
Cys2/His2
Cys
His
Zn2+
Cys
His
锌指基序的空间结构
锌指与DNA的结合

锌指结构是反式作用因子DNA
结合域最广泛的基序。
TF III A：9 个His2/Cys2
SP1：3 个His2/Cys2
糖皮质激素受体：
2 个 Cys2/Cys2
雌激素受体：
2 个 Cys2/Cys2
螺旋－转角－螺旋基序



Helix-turn-helix：由 3
个α螺旋与 1 个转角组
成，含60个AA左右，与
DNA大沟结合，主要参与
正常发育或细胞分化相关
基因的表达。
最先在原核生物发现，如：
CAP、AraC等。
在果蝇中发现的类似结构
称同源盒(homeobox)。
亮氨酸拉链基序




leucine zipper：约30个AA组成，
N端富含碱性AA，形成DNA结合面，
每隔6个AA残基出现1个Leu，残基，
为Leu拉链区。
由两个具有Leu拉链区的反式作用
因子以疏水力作用形成Leu拉链。
往往为二聚体，通过两个富含亮
氨酸的α螺旋结合。
哺乳类中广泛存在：
CREB，C/EBP、AP1、Jun/Fos
螺旋－环－螺旋基序


Heilx-loop-helix：
与亮氨酸拉链相似，
改变是螺旋被环隔断。
含HLH转录因子：
原癌基因产物
Myc/Max。
Igκ链基因增强子
(κE)结合蛋白
E12/E47。
转录活化结构域的特征



酸性α螺旋结构域
富含谷氨酰胺的结构域
富含脯氨酸的结构域
3、反式因子的活性调节
◆转录因子的磷酸化－去磷酸化


CREB 的磷酸化：
cAMP 激活 PKA 使 CREB 磷酸化，形成有活性的二聚体
(亮氨酸拉链)。
Igκ基因κB 增强子结合转录因子 NF-κB：
在细胞质内以无活性去磷酸化状态，在细胞核中转变为有
活性的磷酸化状态。
 转录因子的表达式调节：
需要时合成，合成出来就有活性，并通过蛋白水解迅速降
解，不能积累
 配体结合：激素与受体结合后激活转录
反式作用因子间的相互作用
成环学说：相隔较远的两段顺式元件分别结合其
反式因子，通过反式因子间的相互作用而成环，
产生调节作用。
（反式因子结合增强子后，利用DNA的柔曲性，弯曲
成环，使增强子与RNA聚合酶结合位点靠近，直接
接触而发挥作用）。
 反式因子间的相互作用是转录调节的基础。


三、转录后水平调控
帽结构：(1)防止mRNA降解、延长mRNA寿命
(2)与核糖体小亚基结合
(3)被翻译起始因子识别作用。

Poly(A)尾 (1)保护作用
(2)转运作用。

内含子剪接：选择性剪接。
,
,
1、 帽结构m7G(5 )ppp (5 )N1mpN2m…，
2、 Poly(A)尾
3、 内含子剪接
内含子选择性剪接




外显子选择：选择性保留外显子。
内含子选择：选择性保留内含子。
外显子互斥：两个外显子保留其一。
剪接位点选择：改变剪接位点，保留或不
保留部分内含
子。
四、翻译水平调控



通过阻遏蛋白的调控。
mRNA 稳定性的调控。
mRNA 结构对翻译的影响。
,


5 端非翻译区二级结构可以影响翻译效率。
帽结构与 AUG 的距离可以影响翻译效率。少于12nt
AUG 易被滑过，17-80nt 时翻译效率与距离成正比。
1、阻遏蛋白的调控



阻遏蛋白结合于 mRNA 5’端非翻译区，阻止翻译。
,
铁蛋白 mRNA 5 端具有铁反应元件，此元件可结
合铁结合调节蛋白并形成发卡结构，抑制翻译。
铁离子与调节蛋白结合，则调节蛋白解离，mRNA
翻译效率提高 100 倍。
,
2、位于5 端的AUG对翻译的调控



指起始密码子AUG的上游（5’端）非编码区有
一个或数个AUG，称为5’AUG。
从5’AUG起始翻译通常只能翻译出无活性短肽。
5’AUG和正常起始密码子都有一定的几率做为
翻译的起始密码。
5’AUG可以减少正常的AUG起始翻译的作用，
使翻译维持在较低水平。
3、mRNA的5’UTR长度的影响


帽结构与 AUG 的距离可以影响翻译效率。少
于12bp可以影响翻译效率。
17~80bp之间时，翻译效率与其长度成正比。
4、mRNA稳定性调控



真核细胞
,
30分钟~10小时以上
mRNA 3 端非翻译区结构影响其稳定性。
富含A和U的调控序列，此序列与特定蛋白的结
合可促进RNA降解，则此mRNA不稳定。
,
组蛋白mRNA 3 端非翻译区的茎环结构
DNA合成时，可通过此减少mRNA的降解
五、翻译后水平的调控


信号肽的作用：用来引导蛋白质从胞浆进入内质网，线粒
体或核内，即蛋白质的分拣、运输、定位。
分泌性蛋白SP
N
C
碱性端



疏水核心区
加工区
SP进入ER：位于蛋白氨基端，5-10个疏水氨基酸
SP进入Mit：带正电的氨基酸与疏水氨基酸交替排列，每
3-5个疏水有一个正电氨基酸
SP进入核内：有成簇的带正电的氨基酸
the signal hypothesis


SRP：信号肽识别颗粒，六种不同蛋白和7s-RNA组成
DP：SRP-Receptor
2、肽链中氨基酸的共价修饰

磷酸化，糖基化，乙酰化，甲基化等。
3、新生肽链的水解



通过酶解
N端第一个氨基酸
稳定氨基酸：Met, Ser, Thr, Ala, Val,
Cys, Gly, Pro
去稳定氨基酸：剩余12个
氨基酰-tRNA-蛋白转移酶的作用