研究生基因表达调控熊说课材料.ppt

基因表达与基因表达调控基因表达与基因表达调控南昌大学医学院生化与分子生物学教研室 第一节 基因表达调控基本概念第二节 基因表达调控的基本原理 第三节 基因表达的过程和特点第四节 原核生物基因表达的调控 第五节 真核生物基因表达的调控 第一节 基因表达调控基本概念 二、基因表达的特异性 基因表达表现为严格的规律性：即时间、空间特异性 时间、空间特异性由特异基因的启动子（序列）和(或)增强子与调节蛋白相互作用决定 （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） （二）空间特异性（二）空间特异性 在个体发育、生长的全过程，一种基因在个体发育、生长的全过程，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称之为基因表达的体的不同空间出现，称之为基因表达的空间空间特异性特异性（spatial specificityspatial specificity）基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此基因表达的空间特异官的分布决定的，因此基因表达的空间特异性又称性又称细胞特异性细胞特异性（cell specificitycell specificity）或）或组织特异性组织特异性(tissue specificity)(tissue specificity)。

三、基因表达的方式 按对内、外环境信号刺激的反应性，基因表达的方式分为： （一）基本表达 管家基因:某些基因在一个生物体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因称管家基因（housekeeping gene） 管家基因的表达方式称基本（或组成性）基因表达，这类基因表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，不受其它机制调节 （二）诱导和阻遏 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 可诱导基因在一定的环境中表达增强的过程为诱导（induction） 如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为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)诱导和阻遏在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的基本途径 环境信号表达增强表达减弱诱导阻遏协调表达在一定机制控制下，功能上相关的一组在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为致、共同表达，即为协调表达协调表达（coodinate coodinate expressionexpression） 四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖；（一）适应环境、维持生长和增殖； 外环境不断变化 机体相应的适应性应答生物体适应变化着的环境、维持正常生长（二）维持个体发育与分化。

二）维持个体发育与分化 高等动物各种组织、器官的发育与分发育与分 化都是由一些特定基因控制的化都是由一些特定基因控制的第二节基因表达调控的基本原理第二节基因表达调控的基本原理 一、基因表达调控的多层次和复杂性基因激活 转录起始基本控制点 转录后加工 mRNA降解 蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等 复制水平转录水平转录后的加工修饰翻译水平翻译后的加工修饰蛋白质的转运和细胞定位基因表达的潜在环节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序列和调节蛋白质二、基因转录激活调节的基本要素二、基因转录激活调节的基本要素原核生物 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)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TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列(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 3)调节蛋白 原核生物基因调节蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白，都是DNA结合蛋白 特异因子决定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 阻遏蛋白可识别、结合操纵序列，抑制基因转录，介导负性调节 激活蛋白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BADNA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 特异DNA序列转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒 增强子顺式作用元件(cis-acting element)AATAAA切离加尾 转录终止点 修饰点 外显子 翻译起始点内含子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体真核生物特异真核生物特异DNADNA序列序列 顺式作用元件分为顺式作用元件分为启动子、增强子和沉启动子、增强子和沉默子默子等。

等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 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 DNA元件与调节蛋白对转录激活的调节最终是由RNA聚合酶活性体现的 1、启动序列/启动子与RNA聚合酶活性 启动序列或启动子核苷酸序列会影响其与RNA聚合酶的亲和力，从而直接影响转录起动和频率 2、调节蛋白与RNA聚合酶活性 特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表达，通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变，出现表达水平变化3. RNA聚合酶第三节 基因表达的过程和特点一、基因的转录（一）、基因转录的基本方式原核生物与真核生物1、RNA合成的前体分子是四种 NTP；2、参与转录的酶: RNA 聚合酶；3、在RNA聚合反应中，形成3 ，5磷酸二酯键；5335模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向4、双链DNA中只有一条链作为RNA合成的模板： 不对称转录5、基因转录的基本过程一致。

1） RNA 聚合酶与DNA模板特殊区域结 合，转录起始；2） RNA链延伸；3） RNA合成终止，新链释放 （二）、mRNA转录后的加工、修饰与运输1、5端帽结构的形成2、3端的剪接和多聚腺苷酸的加入3、mRNA前体的剪接4、选择性剪接5、RNA编辑（RNA editing）原核生物真核生物5-met G-5-UTR3-UTRCoding region-AAAA-3AUG1、帽子结构1、5端帽结构的形成5 pppGp5 GpppGppppG ppi鸟苷酸转移酶5 m7GpppGp甲基转移酶SAM帽子结构的生成5 ppGp磷酸酶 PiCPSF: Cleavage-and-polyadenylation specificity factor; CStF: cleavage stimulatory factor CF: cleavage factor; PAP: poly(A) polymerase; PABII: poly(A)-binding protein II 2、3端的剪切和多聚腺苷酸的加入snRNP与hnRNA结合成为并接体3、mRNA前体的剪接除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。

Adonor siteacceptor siteIt takes places in a two-step reaction，snRNPs are involved.4、选择性剪接（alternative splicing） 指基因的初级转录产物通过不同的剪接方式而实现的外显子的选择性使用剪接方式：1）使用不同的剪接位点；2）交替使用外显子；3）反式剪接:在两个或更多不同的基因初级转录物中的外显子，剪接成为一条成熟的mRNA RNA 剪接 J. Clin. Invest. 2003可变剪接J. Clin. Invest. 2003选择性剪接的实际例子：选择性剪接的实际例子： - - 原肌球蛋白原肌球蛋白 mRNA (-tropomyosin) mRNA (-tropomyosin) 意义之一意义之一可变剪接使得单个基因能编码多种蛋白，在产生蛋白组的复杂性起着主要作用人类编码蛋白的基因3 4万个，蛋白种类约10万EST和cDNA数据库分析，人类编码蛋白的基因发生可变剪接；可变剪接微阵列分析，发生可变剪接意义之二 可变剪接可产生带有提前的终止密码子( premature termination codon, PTC ) 的mRNA,使之通过无意密码子介导的mRNA降解机制 (nonsense-mediated mRNA decay， NMD) 途径降解, 从而控制基因表达量。

NMD是一种监管系统,其基本功能是除去不正常的转录产物通过对EST和cDNA数据库分析, 约35%可变剪接产物被NMD降解现在可以肯定在真核细胞中至少存在着三种mRNA的降解方式： 1、依赖于脱腺苷酸的降解， 2、无义密码介导的mRNA的降解 3、核酸内切酶的水解 其中依赖于脱腺苷酸的降解方式是细胞内大多数mRNA降解的主要途径5. RNA的编辑(mRNA editing) RNA的编辑是对mRNA前体的序列进行的改编 在mRNA 前体分子的碱基序列中： 删去C、插入U：C被U取代； 删去G、插入A：G被A取代apo B100apo B48 RNA编辑的加工方式，大大增加了mRNA的遗传信息流量人类apo B基因 mRNA（14500个核苷酸）肝脏apo B100（分子量为500 000）肠道细胞apo B48（分子量为240 000）mRNA编辑6666：C U （三）、mRNA的运输 在真核生物细胞核内，mRNA的前体与核蛋白结合形成不均一核糖核蛋白颗粒（heterogeneous ribonucleo- protein particle，hnRNPs）而运输The physical form of hnRNA is a ribonucleoprotein particle (hnRNP), in which the hnRNA is bound by proteins (20 types). hnRNP的功能：1、hnRNP蛋白有一个或几个可以结合 RNA 的结构域；2、至少有一个与其它蛋白相互作用的结构域；3、防止 mRNA 前体内部形成。