Chapter9Geneexpressioncontrols

1Basicconceptionandprinciple一、基因表達的概念二、基因表達特性三、生物學意義四、基本原理一、基因表達的概念proteintranscriptiontranslationDNARNA基因表達就是基因轉錄及翻譯過程。二、基因表達特性

基因表達時空性時間特異性（階段特異性）空間特異性（細胞特異性、組織特異性）

基因表達方式組成性表達（constitutivegeneexpression）管家基因（Housekeepinggene）：相對缺少時間和空間特異性而持續表達的一類基因。誘導和阻遏表達（inductionandrepression）：受環境因素影響而呈現出基因表達升高（誘導）或降低（阻遏）的現象。ProgrammingGeneExpression.Complexbiologicalprocessesofteninvolvecoordinatedcontroloftheexpressionofmanygenes.Thematurationofatadpoleintoafrogislargelycontrolledbythyroidhormone.Thishormoneregulatesgeneexpressionbybindingtoaprotein,thethyroidhormonereceptor,shownattheright.Inresponsetohormonebinding,thisproteinbindstospecificDNAsitesinthegenomeandmodulatestheexpressionofnearbygenes.Diagramofthehumanglobinfamilyofgenesonchromosome1ProcarboxypeptidaseA17.6Albumin3.52Pancreatictrypsinogen25.5ApolipoproteinA-I2.83Chymotrypsinogen4.4ApolipoproteinC-I2.54Pancreatictrypsin13.7ApolipoproteinC-III2.15ElastaseIIIB2.4ATPase6/81.56ProteaseE1.9Cytochromeoxidase31.17Pancreaticlipase1.9Cytochromeoxidase21.18ProcarboxypeptidaseB1.7a-1-Antitrypsin1.09Pancreaticamylase1.7Cytochromeoxidase10.910Bilesalt-stimulatedlipase1.4ApolipoproteinE0.9RankPancreas%Liver%Highlyexpressedprotein-encodinggenesofthepancreasandliver(aspercentageoftotalmRNApool)轉錄翻譯轉錄水平調控

轉錄產物：加工、轉運、降解翻譯水平基因表達的多級調控DNARNAPROTEIN基因激活翻譯后：加工、轉運、降解三、基因表達調控的生物學意義適應環境、維持生長和增殖維持個體發育與分化

四、基因轉錄激活調節基本要素（一）基因表達的調控序列（元件,element）：一段特異DNA序列

1、原核生物基因表達調控單元—操縱元（operon）

調控區：啟動序列（啟動子,promoter,P）

操縱序列(operator,O)

編碼區：編碼序列（結構基因）POABC調控序列（區）編碼序列（區）啟動子(promoter,P)啟動子概念：能被RNA聚合酶識別、結合并啟動基因轉錄的一段DNA序列。啟動子組成特點：有兩段保守序列(共有序列,consensussequence）,決定啟動子轉錄活性大小。-10區：TATAAT(Pribnowbox),與RNA聚合酶核心酶結合-35區：TTGACA,與σ因子結合操縱序列(operator,O)：是阻遏蛋白結合位點，與啟動子序列毗鄰，常交叉、重疊。介導負性調節激活蛋白結合序列---介導正性調節間隔-35區間隔RNA起始TTGACAN17TTAACTN7ATTTACAN16TATGATN7ATTTACAN17TATGTTN6ATTGATAN16TATAATN7ACTGACGN18TACTGTN6A-10區+1trptRNATyrlacRecAaraBADTTGACATATAAT共有序列2、真核生物基因表達調控序列—順式作用元件（cis-actingelement）:

影響自身基因表達活性的序列，位于基因的兩側或中間：

啟動子（promoter）增強子(enhancer)沉默子(silencer)

BARNA聚合酶ⅡBADNADNA轉錄起始點mRNAmRNA圖14-2順式作用元件概念轉錄起始點RNA聚合酶Ⅱ(二)基因表達的調節蛋白1、原核生物：特異因子：決定RNA聚合酶對一個或一套識別啟動序列的特異性識別和結合能力，如因子：當細胞從基本的轉錄機制轉入各種特定基因表達時，需要不同的因子。阻遏蛋白（repressor）結合操縱序列，阻遏基因表達激活蛋白（activator）與啟動子附近DNA序列結合，促進RNA聚合酶與啟動子結合2、真核生物：轉錄因子(transcriptionfactor)，可分為：

反式作用因子（trans-actingfactor）,大多數轉錄因子由某一基因表達后，與特異的順式作用元件作用（DNA-蛋白質）激活另一基因的轉錄。

順式作用因子（cis-actingfactor）：極少數可識別和結合自身基因的調節序列，調節自身基因的開啟或關閉。蛋白質mRNAPADNAPB轉錄起始點mRNA順式調節蛋白質圖14-3反式與順式作用蛋白反式調節BA（三）調節機制：通過非共價鍵分子間相互作用蛋白質–DNA相互作用（protein-DNAinteraction）：反式作用因子與順式作用元件特異識別和結合。蛋白質–蛋白質相互作用(protein-proteininteraction):蛋白質之間相互作用可直接或間接結合DNA。（四）RNA聚合酶活性：

啟動子序列影響其與RNA聚合酶的親合力。調節蛋白影響RNA聚合酶的活性。

第二節原核基因轉錄調節乳糖操縱元(lac

operon)色氨酸操縱元(trp

operon)基因重組(geneticrecombination)SOS反應(SOSresponse)（一）結構組成：調控區：Plac、O、CAP結合位點和

編碼區：三個結構基因（Z、Y、A）操縱元外有調節基因（lacI）編碼阻遏蛋白一、乳糖操縱元（lactoseoperon）圖16－2乳糖操縱子的結構（二）調節方式：

阻遏蛋白的負性調節

CAP的正性調節協調調節IPTG(乳糖類似物)阻遏蛋白的負性調節CAP的正性調節CAP腺苷酸環化酶催化ATP生成cAMP;cAMP磷二酯酶水解cAMP產生5’-AMP圖16－3乳糖操縱子對基因表達的調節協調調節當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統不能發揮作用；沒有CAP時，即使阻遏蛋白從operator上解離仍無明顯的轉錄活性；若有葡萄糖和乳糖時，細菌優先利用葡萄糖---分解代謝阻遏（catabolicrepression）2CAPcAMPCAP位點低乳糖阻遏蛋白操縱序列高乳糖RNA聚合酶mRNA5'圖14-5CAP,阻遏蛋白，cAMP和誘導劑對lac操縱子的調節1.當葡萄糖濃度低，cAMP濃度高時2.當葡萄糖濃度高，cAMP濃度低時啟動序列啟動序列啟動序列啟動序列1二、色氨酸操縱子（trpoperon）（一）色氨酸操縱元組成：調控區：啟動子（Ptrp）、操縱序列（Otrp）、前導序列（trpL）、衰減子序列（trpa）；及遠離的調節基因（trpR）結構基因：trpE、trpD、trpC、trpB、trpA（二）調節方式：阻遏蛋白的負調控；輔阻遏物(色氨酸)+輔阻遏蛋白=阻遏蛋白衰減子（trpa）機制阻遏蛋白的負調控

色氨酸操縱子的結構

色氨酸操縱子對轉錄的調控機制圖16－6λ噬菌體的開關事件操縱基因的結構衰減子（attenuator）：提前終止轉錄，調節基因表達的DNA序列。位于轉錄起始點前，存在前導序列（162nt）中，當trp濃度很高時，在與轉錄偶聯的翻譯過程中，在mRNA分子上形成一個不依賴

因子的終止結構。轉錄衰減機制1234轉錄衰減機制在高濃度色氨酸環境中，能形成色氨酰-tRNA，核糖體在翻譯過程中能通過片段1，同時影響片段2和3之間的發夾結構形成，但片段3和4之間能形成發夾結構，這個結構就是P因子不依賴的轉錄終止結構，因此RNA聚合酶的作用停止。當色氨酸缺乏時，色氨酰-tRNA也相應缺乏，此時核糖體就停留在兩個相鄰的色氨酸密碼的位置上，片段1和2之間不能形成發夾結構，而片段2和3之間可形成發夾結構，結果使色氨酸操縱子得以轉錄。調節效應：trpAttenuation:10-foldrepressiontrprepressor:70-foldrepressionTotalregulatoryeffect:700-foldrepression第三節真核基因轉錄調節真核基因組結構特點真核基因表達調控特點真核基因轉錄激活調節一、真核基因組結構特點結構龐大：人30億（3×109）bp,基因占6%

單順反子（monocistron）

重復序列多基因不連續性(斷裂基因):外顯子（exon）、內含子（intron）二、真核基因表達調控特點三種RNA聚合酶（RNA-PolⅠ、Ⅱ、Ⅲ）

活性染色體結構變化調節蛋白結合位點附近對核酸酶敏感

RNA酶前方DNA呈負超螺旋，后方呈正超螺旋

5’側翼區CpG序列低甲基化組蛋白被修飾，核小體結構不穩定正性調節占主導轉錄與翻譯分離轉錄后修飾、加工三、真核基因轉錄激活調節

（一）順式作用元件

啟動子：含有一組轉錄控制組件（module）

轉錄起始點

TATA盒:位于-25~-35bp處，是TFIID結合位點，控制轉錄的準確性和頻率

CAAT盒

GC盒

增強子（enhancer）：

增強啟動子轉錄活性的DNA序列。含有若干功能組件—增強體（enhanson）是TF結合的核心序列位于啟動子內、或交錯、或相鄰、或其它部位遠距離起作用，專一性不強，無方向性沉默子（silencer）負性調控元件，當結合特異調控蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。Generalpatternofcis-actingcontrolelementsthatregulategeneexpressioninyeastandmulticellularorganisms(invertebrates,vertebrates,andplants).(a)Genesofmulticellularorganismsconta