分子生物学：基因表达调控

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)。
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)。
转录后调控，如RNA干扰。
特征：
(1)可遗传 (2)可逆性 (3)DNA不变
遗概 述 传 与 表 观 遗 传
（生殖系）
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按对刺激的反应性，基因表达的方式分为： ➢ 基本（或组成性）表达 ➢ 诱导或阻遏表达
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➢基因表达是受调控的。
在某一特定时期或生长阶段，基因组中只有一部分基 因处于表达。仅少数的基因处于高水平转录活性状态， 其余大多数基因处于静息状态或以极低的速率进行转录。 但是在一定的条件下可引发。
一、基本（或组成性）表达
基因表达调控
第一节 基因表达调控的概念及原理 第二节 基因表达的时间性及空间性 第三节 基因表达的方式 第四节 基因表达调控意义 第五节 表观遗传学——不涉及DNA序列改变的
基因表达
第一节 基因表达调控的概念及原理
一、基因表达调控是生命的必需 二、基因表达调控呈现多层次和复杂性 三、基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子
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(repressible gene)。可阻遏基因表达产物水 平降低的过程称为阻遏(repression)。
调控特点：可诱导或可阻遏基因 既受启动子或启动序列与RNA聚合 酶相互作用影响，又受其他机制 调节。因其调控机制中通常含有 特异刺激的反应元件。
果蝇的同源异型基因HOX突变，肢体发育异常
二、空间特异性
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)。
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)。
调控机制：核酸分子间的互作 核酸与蛋白质分子间的互作 蛋白分子间的互作
第二节、基因表达的时间性及空间性
不同发育阶段、不同的微环境、不同的功能状态下， 选择性、程序性地在特定细胞表达特定数量的特定基因。
基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。 要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物 学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念。
★ 正调控系统: 没有调节蛋白存在时，结构基因是关闭 的，而加入有活性的调节蛋白后,结构基 因的表达活性被开启 无辅基诱导物或激活物
★ 负控制系统: 没有调节蛋白存在时，结构基因是开启的， 加入这种有活性的调节蛋白后，结构基因表 达活性被关闭 阻遏蛋白
★ 所谓“关闭”指表达水平很低 本底水平的基因表达(1～2个mRNA分子／细胞周期) “开启”也常有程度的差异
•原核生物对环境的适应，相关的应答 •真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育
以及环境对个体表型的影响都是基因表达的结果
涉及：RNA转录的开/关，数量，选择性加工 蛋白质翻译速率，数量，加工与 降解和分泌…
二、基因表达调控呈现多层次和复杂性
调控层次：转录水平上的调控
mRNA加工成熟水平上的调控
三、基因转录激活受到转录调节蛋白 与启动子相互作用的调节
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。
（一）特异DNA序列决定基因的转录活性 （二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性
四、原核生物与真核生物的基因调控策略
.原核生物:无细胞核,转录和翻译 发生在同一空间,并以偶联的方 式进行.
空间，调控密码(钥匙与锁)
简并
trans 1
cis 1
cis 1 trans 2
cis 2
trans 3
cis 3
五、生物体内不同基因的表达受到协调调节
协调表达
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)。
红圈代表成熟hd5
托马斯冈茨，Nature review，2003，图像 的schumick
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第三节 基因表达的方式
一、基本（或组成性）表达 二、有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏 三、基因表达调控的元件和作用方式 四、基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子相
互作用的调节 五、生物体内不同基因的表达受到协调调节
如:噬菌体的复制和颗粒的包装
* 有效利用能源避免浪费 * 避免了某些基因表达时机不当所带来的危害
是多种蛋白质与RNApol作用的结果
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枯草杆菌中σ亚基的替换
1、phageSPO1感染枯草杆菌早、中、晚期σ因 子基因表达的转换 2、枯草杆菌孢子形成过程中σ亚基的替换
果蝇（Drosophila melanogaster）的发育 18
一、基因表达调控是生命的必需
基因组(genome) 是指含有一个生物体生存、发育、 活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。
但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达 出来的，大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般 情况下只有5－10%在高水平转录状态，其它基因有 的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。
• 细菌的热应激反应 • 经常饮酒者酒量增加 • 植物缺水 • 水产动物离水（牡蛎、螃蟹、乌鳢）
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二、以维持细胞分化与个体发育
在多细胞个体生长、发育的不同阶段， 或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白 质分子分布、种类和含量存在很大差异，这 些差异是调节细胞表型的关键。
哺乳动物的胚胎发育
第五节 表观遗传学——不涉及DNA序 列改变的基因表达和调控
I类
• 内在信息
• ORF only • 表达
DNA RNA protein • 遗传信息存在于模版链
的一级结构上 • 三联体密码 • 简并
摇摆 同工受体
II类
内, 外(信号分子) 结合信息
Helix , Nt seq….
aa
base
specifical binding
三维空间结构/ DNA序列 (IR, Box, paracodon…)
Western blot analysis of lysates from various cell lines/tissue using β-Actin Antibody
二、有些基因的表达受到环境变化的诱 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(inducible gene)。
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1）编码胰岛素的基因只在胰岛的β细胞中表达； 2）肌浆蛋白基在肌原细胞中高表达，而在成纤维细胞中几乎不表达。 3）肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其它组织 细胞，合成的某些酶(如精氨酸酶)为肝脏所特有； 4）甲状腺滤泡旁细胞(C细胞)专一分泌降血钙素等。
小肠内潘氏细胞分泌防御肽 hd5
翻译水平上的调控
翻译后水平的调控
基因激活
拷贝数
重排
转录起始
甲基化程度 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
● 转录水平上的调控是最为经济, 灵活，又是最为重要，复杂的调控
a、在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点 b、精细调节基因表达的水平, 以保证生物体对环境的适应 c、 cis factor & trans factor 间严格而又灵活的互作 d、 保证RNA polymerase 的进行式转录（不中断，准确终止隔，调节序列… 基因选择性表达指令
重要的遗传信息
遗传信息的两大类别
I类；DNA seq. RNA seq. (codon) aa seq.
protein
表型 (central dogma)
II类；特定DNA seq. + 特定蛋白质/ 核酸结合
基因表达的指令
gene on / off
管家基因高度保守并且在大多数情况下持续表达，因此 管家基因常被用于分子生物学研究中作为其它基因表达 的参照物。最常用的此类管家基因有3-磷酸甘油醛脱氢 酶（GAPDH ）和肌动蛋白（β-actin）基因。
基本表达的调节特点是：只受启动序列或启动子与RNA 聚合酶相互作用的影响，不受其他机制调节。
• glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogease (GAPDH)
顺式作用元件：通常只在原位影响与其处于同一个DNA分子上 的、物理上紧密相连的基因表达的DNA序列。通常不编码蛋 白，多位于基因旁侧或内含子中。如启动子、终止子、增强 子、操纵基因
顺式/反式的调节方式
顺式调节
顺式调节
PA
A
调控序列 PB
B
mRNA
mRNA
蛋白质A 反式调节 反式调节
顺式调节
蛋白质B
生物体适应变化着的环境、维持正常生长
➢原核生物中，营养状况（nutritional status）和环 境因素（environmental factor）对基因表达起着举 足轻重的影响。
➢真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平 （hormone level）和发育阶段（developmental stage）是基因表达调控的最主要手段，营养和环境 因素的影响力大为下降。
真核生物:有细胞核,转录和翻译在 不同空间进行,有时间上的先后 顺序.
原核生物和真核生物享有共同的基因表达 调控基本规律
（一）基因表达具有时空特异性 （二）诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普遍方式 （三）DNA/蛋白质的相互作用是基因表达调控的分子基础
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原核和真核的调控机制极其相似
共同的起源与共同的分子基础
表观遗传学(epigenetics)是研究不涉及DNA序列改变 的基因表达和调控的可遗传修饰。 三个层面调控基因表达： DNA修饰：DNA共价结合1个修饰基团，使具有相同序
列的等位基因处于不同的修饰状态。 蛋白质修饰：通过对特殊蛋白的修饰或改变蛋白的构像
实现对基因转录的调控。 非编码RNA调控：通过某些机制实现实现对基因表达的
四、基因转录激活受到转录调节蛋白 与启动子相互作用的调节
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序列决定基因的转录活性 2）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性
生物遗传信息的概念
10%; 结构基因的编码序列 triplet codon
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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)。
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时序调控: 原核生物在生长发育的各个阶段，基因 的表达是按照一定的时间顺序而展开的
协调调节
这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。例如：体 内每条代谢途径中所需要的多种酶和转运作用物的多种蛋白 质的编码基因被统一调节，使它们的分子比例适当，以保证 代谢的正常进行。
环境信号 诱导 阻遏
表达增强
表达减弱
协调表达
第四节、基因表达调控意义
一、以适应环境、维持生长和增殖 外环境不断变化 机体相应的适应性应答
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三、基因表达调控的元件和作用方式
基因表达受到顺式作用元件和反式作用因子的共同调节。 基因表达受到正调节和负调控。 蛋白质-DNA以及蛋白质-蛋白质的相互作用是基因表达调 控的分子基础。
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顺式和反式调节
反式作用因子：通过扩散到与其编码基因不在同一个DNA分子 上的靶位置，并识别结合而调节基因表达的分子。如转录因 子、RNA聚合酶
相互作用的调节 四、原核生物与真核生物的基因调控策略
基因表达(gene expression)
基因所贮存的遗传信息通过转录及翻译产生具有生物功能 的多肽和蛋白质或RNA的过程.
表达产物:蛋白质或肽+RNA
对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation 或gene control)。