《分子生物学基础：基因表达调控》课件

分子生物学基础基因表达调控基因表达调控是分子生物学的核心内容，它揭示了细胞如何精确控制基因信息的转录和翻译过程从简单的原核细胞到复杂的真核细胞，基因表达调控机制展现了生命系统的精妙设计这门课程将带您深入了解从到蛋白质的完整调控网络，探索生命活动中最基本也最重要DNA的分子机制导言基因表达的核心地位调控网络的重要性基因表达是信息转化为基因表达调控是维持细胞正DNA功能性产物的关键过程，决常生理功能、响应环境变定了细胞的形态、功能和命化、实现细胞分化的基础运这个过程涉及转录、转精确的调控机制确保了合适录后修饰、翻译和翻译后修的基因在合适的时间和空间饰等多个步骤，每一步都受内表达，维持了生命活动的到精密的调控机制控制有序性调控异常与疾病当基因表达调控机制出现异常时，往往导致各种疾病的发生癌症、代谢疾病、神经退行性疾病等许多疾病都与基因表达调控的失控密切相关，因此理解调控机制对疾病防治具有重要意义课程内容概述基本概念建立掌握基因表达调控的基本概念、术语和原理•基因表达的中心法则•调控因子与调控元件•正负调控机制原核调控机制深入学习原核生物基因表达调控的特点和机制•操纵子调控模式•转录水平调控•转录后调控机制真核调控网络探索真核生物复杂的多层次基因表达调控•染色质重塑•转录因子网络•表观遗传调控整合调控系统理解基因表达的多层次调控网络及其协调机制•信号转导途径•发育调控程序•疾病相关机制第一章基因表达调控的基本概念调控元件调控层次顺式反式因子多水平调控30%-25%-启动子序列转录调控••调控机制基因结构操纵子位点转录后调控••基本调控原理结构与功能25%-20%-调控蛋白质翻译调控••正负调控结构基因••诱导与阻遏调节基因••组成型表达非编码区域••4基因表达的过程1DNA模板遗传信息的储存载体，含有编码序列和调控序列DNA双链结构为转录提供模板链，调控序列决定转录的时空特异性基因的结构域包括启动子、编码区和终止子等功能区域转录过程RNA聚合酶识别启动子序列，沿DNA模板链合成RNA分子转录起始需要转录因子的参与，转录延伸过程中RNA聚合酶沿基因移动，转录终止则通过特定信号完成RNA产物新合成的RNA包括mRNA、tRNA、rRNA等不同类型mRNA携带蛋白质编码信息，tRNA参与翻译过程，rRNA是核糖体的组成成分真核生物的RNA还需经过剪接、加帽等修饰4翻译与蛋白质mRNA在核糖体上翻译成蛋白质，遵循遗传密码的规律翻译起始、延伸和终止都受到精密调控最终产生的蛋白质需要进一步折叠和修饰才能发挥生物学功能基因表达调控的层次转录水平调控1通过调控RNA聚合酶的启动和延伸过程转录后水平调控RNA剪接、编辑和稳定性的调控机制翻译水平调控翻译起始效率和翻译速率的精确控制翻译后水平调控4蛋白质修饰、折叠和降解的调控网络基因表达调控是一个多层次、多环节的复杂过程每个调控层次都有其特定的调控机制和生物学意义转录水平调控是最主要的调控方式，决定了基因表达的开启与关闭转录后调控增加了调控的灵活性，使细胞能够快速响应环境变化翻译水平调控进一步精细化了蛋白质的产生，而翻译后调控则确保蛋白质的正确功能和定位反式作用因子与顺式作用元件反式作用因子顺式作用元件反式作用因子是指那些能够从合成位点扩散到目标基因位顺式作用元件是分子上的特定序列，只能调控与其在DNA点发挥调控作用的分子这类因子包括转录因子、转录激同一分子上的基因这些序列包括启动子、增强子、DNA活子、转录抑制子等蛋白质分子，以及一些具有调控功能沉默子、操纵子等，它们通过与反式作用因子的相互作用的分子如来调控基因表达RNA microRNA转录因子蛋白质启动子序列•••调控性RNA分子•增强子元件辅助调控因子沉默子序列••信号分子受体操纵子位点••负调控与正调控负调控机制正调控机制负调控是指调控因子的结合导致正调控是指调控因子的结合促进基因表达被抑制的调控方式典基因表达增强的调控方式正调型的负调控因子是阻遏蛋白，它控因子如激活蛋白能够帮助RNA聚结合到操纵子序列上阻止RNA聚合合酶识别启动子、稳定转录起始酶的转录起始或延伸当阻遏蛋复合物或促进转录延伸这类调白与DNA结合时，基因转录被关控因子的存在使得基因转录效率闭；当阻遏蛋白离开DNA时，转录显著提高得以进行协同调控机制多数基因的表达都受到正负调控机制的共同作用多个调控因子可以同时作用于同一个基因，形成复杂的调控网络这种协同调控使得细胞能够对复杂的环境信号做出精确的响应，实现基因表达的精细调节结构基因与调节基因结构基因特征调节基因功能相互作用网络结构基因编码具有特调节基因编码参与其结构基因与调节基因定生物学功能的蛋白他基因表达调控的蛋之间形成了复杂的相质或分子这些白质或分子这互作用网络一个调RNA RNA基因包含开放阅读类基因的产物包括转节基因可以控制多个框，能够被转录成录因子、转录辅助因结构基因，而一个结并翻译成功能蛋子、调控性等构基因也可能受到多mRNA RNA白质结构基因的表调节基因通过控制结个调节基因的控制达水平直接影响细胞构基因的表达时间、这种网络结构使得基的代谢活动、信号传强度和空间特异性，因表达调控具有层次导和各种生理功能的构建了复杂的基因调性、模块性和鲁棒性实现控网络特征诱导与阻遏诱导机制信号分子基因表达从低水平增加到高水平的诱导分子与阻遏分子的相互作用调控过程动态平衡阻遏机制组成型表达与可调节表达的平衡状基因表达从高水平降低到低水平的态调控过程诱导与阻遏是基因表达调控的两种基本模式诱导通常发生在细胞需要特定蛋白质来应对环境变化时，如营养物质的利用或压力响应阻遏则发生在细胞不再需要某些蛋白质时，通过关闭相关基因的表达来节约能量和资源第二章原核生物基因表达调控快速响应迅速适应环境变化操纵子结构多基因协调表达转录调控3主要调控层次原核特征简单高效的调控系统原核生物的基因表达调控系统相对简单但高度高效由于缺乏细胞核结构，转录和翻译在时空上偶联进行，使得调控机制更加直接原核生物主要通过操纵子系统实现多个功能相关基因的协调表达，这种组织方式既节约了调控成本，又保证了代谢途径的协调性原核生物基因表达调控特点转录水平为主操纵子组织形式原核生物基因表达调控主功能相关的基因常常组织要发生在转录水平，通过成操纵子，在同一个启动控制聚合酶的启动、子控制下协调表达这种RNA延伸和终止来实现这种多顺反子结构使得代谢途调控方式简单直接，能够径中的酶能够按比例合快速响应环境变化，是原成，提高了代谢效率和调核生物适应性强的重要原控的经济性因快速响应机制原核生物能够在几分钟内完成基因表达模式的转换，这种快速响应能力使其能够有效利用环境中的营养资源，并在不利环境下迅速进入保护状态乳糖操纵子Lac Operon结构基因簇启动子与操纵子包括lacZ、lacY和lacA三个基因，分别编码β-调节基因lacI启动子P是RNA聚合酶识别和结合的位点，操半乳糖苷酶、透性酶和转乙酰酶这三个酶编码乳糖阻遏蛋白LacI，持续转录产生阻遏纵子O是阻遏蛋白的结合位点当阻遏蛋白协同工作，完成乳糖的运输、分解和代谢过蛋白分子LacI蛋白能够识别并结合操纵子结合到操纵子上时，会阻碍RNA聚合酶从启程，体现了操纵子基因功能的相关性和协调序列，阻止RNA聚合酶的转录起始这个基动子开始转录，从而关闭乳糖操纵子的表性因的表达不受乳糖操纵子本身调控，属于组达成型表达基因乳糖操纵子调控模型无乳糖状态阻遏蛋白结合操纵子，阻止转录乳糖结合乳糖与阻遏蛋白结合，构象改变解除阻遏阻遏蛋白离开DNA，转录激活酶类合成三种酶大量合成，代谢乳糖乳糖操纵子是负调控的经典例子在无乳糖环境中，LacI阻遏蛋白与操纵子紧密结合，阻止转录进行当环境中出现乳糖时，乳糖分子（实际上是其代谢产物别乳糖）作为诱导分子与阻遏蛋白结合，导致阻遏蛋白构象发生变化，失去与DNA的结合能力，从而解除对转录的阻遏，启动乳糖代谢酶的合成乳糖操纵子的双重调控负调控系统正调控系统由乳糖阻遏蛋白介导的负调控是乳糖操纵子的主要调控蛋白与形成的复合物提供正调控信号当葡萄糖浓LacI CAPcAMP机制这个系统确保只有在乳糖存在时才合成相关的代谢度低时，水平升高，复合物结合到启动子附cAMP CAP-cAMP酶，避免了能量的浪费近，增强聚合酶的转录活性RNA阻遏蛋白的作用蛋白的激活作用•LacI•CAP•乳糖诱导机制•cAMP信号分子转录的开启与关闭分解代谢阻遏现象••这种双重调控机制使得乳糖操纵子只有在既有乳糖存在又缺乏葡萄糖的条件下才会高效表达，体现了细胞代谢的经济性原理色氨酸操纵子Trp Operon调节基因trpR编码色氨酸阻遏蛋白，但该蛋白只有与色氨酸结合后TrpR才具有活性与乳糖操纵子不同，这里色氨酸作为辅阻遏物而非诱导物发挥作用2启动子与操纵子色氨酸操纵子的启动子与操纵子序列组织类似于乳糖操纵子，但调控逻辑相反操纵子序列位于启动子下游，是活化的阻遏蛋白色氨酸复合物的结合位点-结构基因簇包括、、、、五个基因，编码色氨酸合trpE trpDtrpC trpBtrpA成途径中的五种酶这些酶按照生化反应的顺序排列，形成一个完整的代谢途径色氨酸操纵子的阻遏机制无色氨酸状态细胞内色氨酸浓度低时，TrpR阻遏蛋白处于非活性状态，无法与操纵子结合RNA聚合酶能够正常结合启动子并进行转录，合成色氨酸合成酶，满足细胞对色氨酸的需求色氨酸结合当环境中色氨酸充足时，色氨酸分子作为辅阻遏物与TrpR蛋白结合，形成活性复合物这个结合过程导致阻遏蛋白构象发生变化，获得与DNA结合的能力转录阻遏活化的TrpR-色氨酸复合物结合到操纵子序列上，阻止RNA聚合酶的转录起始或延伸这样就关闭了色氨酸合成基因的表达，避免不必要的酶合成负反馈调控色氨酸操纵子体现了典型的负反馈调控机制产物（色氨酸）的积累导致合成途径的关闭，而产物的消耗则重新激活合成途径，实现了细胞内色氨酸水平的动态平衡色氨酸操纵子的衰减调控先导肽序列二级结构RNA色氨酸操纵子的端含有一衰减子区域的能够形成不同mRNA5RNA个编码个氨基酸的先导肽序的二级结构，包括抗终止子结构14列，其中包含两个色氨酸密码和终止子结构这些结构的形成子这个序列的翻译状况直接反取决于核糖体翻译先导肽的进映了细胞内色氨酸的丰缺程度，度，从而间接反映了色氨酸的浓是衰减调控的关键感应元件度水平转录翻译偶联在原核生物中，转录和翻译同时进行核糖体翻译先导肽的速度受到色氨酸的充足程度影响，进而影响二级结构的形成，最终决定转录tRNA RNA是否提前终止这种精密的调控机制比简单的操纵子调控更加灵敏其他操纵子调控系统组氨酸操纵子精氨酸操纵子核苷酸合成操纵子组氨酸操纵子采用阻遏调精氨酸操纵子展现了复杂核苷酸合成涉及多个操纵控机制，类似于色氨酸操的调控网络，既有阻遏调子的协调表达，包括嘌呤纵子当组氨酸充足时，控，也有激活调控精氨和嘧啶合成途径这些操阻遏合成酶的表达；当组酸不仅调控自身的合成，纵子不仅受到产物反馈调氨酸缺乏时，激活合成途还参与调控其他氨基酸的控，还受到细胞周期和生径这个操纵子还具有衰代谢，体现了代谢网络的长状态的调控，确保DNA合减调控机制，提供了双重相互关联性成所需的原料供应保险调控模式多样性不同操纵子采用不同的调控策略，体现了基因调控的多样性和灵活性有些采用简单的正调控或负调控，有些采用复合调控机制，还有些具有全局调控网络，适应不同的生物学需求原核生物转录后水平调控稳定性核糖开关调控mRNA分子的稳定性直接影响基因表核糖开关是分子上能够直接结合mRNA RNA达水平原核生物通常寿命较小分子配体的结构域，配体结合导mRNA短，通过调控其降解速率可以快速致构象变化，进而影响转录终止RNA调节蛋白质的合成量或翻译起始修饰酶小网络RNA RNA各种修饰酶参与的化学修小分子通过与靶的碱基配对RNA mRNARNA mRNA饰，影响其稳定性、定位和翻译效来调控基因表达，这种调控方式在率，为转录后调控提供了丰富的调细菌中越来越受到重视，形成了复控手段杂的调控网络原核生物翻译水平调控倍3-570%翻译量差异起始效率影响同一操纵子内不同基因的翻译效率可相翻译起始效率决定了基因表达的主要水差数倍平秒10-20翻译拖曳时间核糖体翻译停顿影响下游基因表达原核生物的翻译调控主要通过Shine-Dalgarno序列的强弱、起始密码子周围的序列环境、mRNA二级结构等因素实现操纵子内基因翻译量的差异为细胞提供了精确调控酶浓度比例的机制，这对代谢途径的平衡至关重要翻译的极性效应也是重要的调控方式，上游基因的翻译异常会影响下游基因的表达第三章真核生物基因表达调控染色质重塑1复杂的表观遗传调控机制时空特异性精确的时间和空间表达控制多层次调控从转录到翻译后的全程调控调控网络复杂的调控因子相互作用网络真核生物的基因表达调控比原核生物复杂得多，这种复杂性源于真核细胞的隔室化结构、复杂的发育程序和精细的生理调控需求真核基因表达调控涉及染色质水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平等多个层次，形成了精密的调控网络真核基因表达调控的特点染色质结构复杂性时空特异性表达真核生物与组蛋白结合真核生物基因表达呈现高度DNA形成核小体结构，进一步组的时空特异性，不同基因在装成染色质这种复杂的结特定的发育阶段、组织类型构为基因表达调控提供了额和细胞条件下表达这种精外的层次，包括染色质重确的表达模式是多细胞生物塑、组蛋白修饰和甲基发育和分化的基础，需要复DNA化等表观遗传调控机制杂的调控网络来实现多层次调控网络真核基因表达调控是一个多层次、多途径的精密系统从水平DNA的表观遗传修饰，到转录水平的转录因子网络，再到转录后的调RNA控和翻译后的蛋白质修饰，每个层次都有其独特的调控机制和生物学意义真核生物水平调控DNA染色质重塑组蛋白修饰甲基化DNA染色质重塑复合物通过依赖的机组蛋白的翻译后修饰包括乙酰化、甲甲基化主要发生在二核苷酸ATP DNACpG制改变核小体的位置和结构，调节转基化、磷酸化、泛素化等这些修饰上，是基因沉默的重要机制甲基化录因子和聚合酶对的可及性形成组蛋白密码，调控基因的转录的岛往往与基因沉默相关，在基RNA DNACpG主要的重塑复合物包括、活性和染色质结构不同的修饰组合因印记、染色体失活和组织特异性SWI/SNF ISWIX和家族决定了基因的表达状态基因表达中发挥重要作用CHD•SWI/SNF复合物•乙酰化激活转录•CpG岛甲基化核小体滑动甲基化双重作用基因印记•••染色质开放性调控修饰酶的调控维持性甲基化•••真核生物转录水平调控RNA聚合酶II系统真核生物的RNA聚合酶II负责转录所有编码蛋白质的基因以及大多数非编码RNA基因与原核生物不同，RNA聚合酶II无法独立识别启动子，需要多种基础转录因子的协助才能形成转录起始复合物基础转录因子包括TFIIA、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF和TFIIH等因子，它们按特定顺序结合到启动子区域，形成前起始复合物TFIID中的TBP亚基识别TATA盒，是转录起始的关键步骤调控序列元件真核基因的调控序列包括核心启动子、近端启动子和远端调控序列这些序列通过与特异性转录因子结合，精确调控基因在不同条件下的表达水平和表达模式转录因子网络数千种转录因子形成复杂的调控网络，通过组合作用实现基因表达的精确控制不同转录因子的组合决定了基因的表达特异性，是细胞类型特异性和发育阶段特异性的分子基础真核生物启动子结构核心启动子元件位于转录起始位点附近的基本调控序列，包括盒、元件、TATA Initiator下游启动子元件等盒位于转录起始位点上游处，是聚TATA25-30bp RNA合酶定位的重要信号元件包含转录起始位点，为转录提供精II Initiator确的起始信号近端启动子元件位于转录起始位点上游几百个碱基对范围内的调控序列，如CAAT盒、盒、结合位点等这些元件通过结合特异性转录因子来GC SP1调节转录效率，是基因表达强度调控的重要组成部分远端调控序列包括增强子、沉默子、绝缘子等远距离作用的调控元件增强子能够在距离基因数万个碱基对的位置上激活转录，沉默子则起到抑制作用这些元件通过环化使得远距离调控成为可DNA能真核转录激活机制转录激活子结合中介因子募集特异性转录激活子识别并结合到增强激活子通过中介因子复合物与基础转子序列上录机器联系染色质重塑转录起始增强招募染色质重塑复合物和组蛋白修饰促进聚合酶的招募和转录起始RNA II酶真核转录激活是一个多步骤的协调过程转录激活子不仅直接促进转录起始复合物的形成，还通过招募共激活因子、染色质重塑复合物和组蛋白修饰酶来改变染色质结构，使基因处于转录激活状态这种多层次的激活机制确保了基因表达的精确调控真核转录抑制机制竞争性抑制招募抑制复合物转录抑制因子通过竞争结合转录抑制因子主动招募共抑制序列来阻止激活因子的结因子、组蛋白去乙酰化酶和染DNA合，从而抑制转录起始这种色质重塑复合物，形成抑制性机制常见于发育过程中基因表染色质结构这种机制能够建达的开关调控，不同转录因子立稳定的基因沉默状态，在细的竞争平衡决定了基因的表达胞分化和发育中起重要作用状态长程染色质相互作用通过形成染色质环和拓扑结构域，将基因隔离在转录非活性区域这种三维空间的调控机制能够实现大规模的基因表达协调，是基因组功能组织的重要方式真核生物转录后调控RNA剪接调控RNA编辑机制microRNA调控真核基因含有内含子和外显RNA编辑通过改变RNA序列中microRNA是长度约22个核苷酸子，通过可变剪接机制可以的特定核苷酸来调控基因表的小分子RNA，通过与靶mRNA从同一个基因产生多种mRNA达主要包括C到U的编辑和A的3非翻译区结合来抑制翻译亚型剪接调控因子决定了到I的编辑，这些编辑事件可或促进mRNA降解一个特定外显子的包含或跳跃，能改变密码子的含义，产生microRNA可以调控数百个靶基大大增加了蛋白质的多样性与基因组编码不同的蛋白质因，形成了复杂的转录后调和功能特异性产物控网络RNA干扰机制小干扰RNAsiRNA通过RNA诱导沉默复合物RISC与完全互补的靶mRNA结合，导致mRNA的切割和降解这种机制在抗病毒防御和基因沉默中发挥重要作用稳定性调控RNA5帽子结构5帽子结构保护mRNA免受5到3核酸外切酶的降解，帽子结合蛋白的调控影响mRNA的稳定性帽子结构的完整性是mRNA稳定性的重要决定因素3多聚A尾多聚A尾巴的长度调控mRNA的稳定性和翻译效率多聚A结合蛋白与帽子结合蛋白相互作用，形成闭合环路结构，增强mRNA的稳定性和翻译效率AU富集元件mRNA的3非翻译区含有AU富集元件，这些序列是mRNA不稳定性的信号AU富集元件结合蛋白的调控决定了mRNA的半衰期，在炎症反应和细胞周期调控中起重要作用降解机制mRNA通过多种途径降解，包括5到3降解、3到5降解和内切酶切割无义介导的mRNA降解NMD机制清除含有提前终止密码子的异常mRNA，维护细胞的质量控制运输和定位调控RNA核质运输细胞质定位局部锚定局部翻译成熟mRNA从核内运输到细胞质特定mRNA定位到细胞的特定区RNA结合蛋白介导的定位机制在特定位置进行蛋白质合成域RNA的空间定位是细胞功能特化的重要机制特定的mRNA通过其3非翻译区的定位信号被运输到细胞的特定区域，如细胞膜、细胞骨架附近或胞器周围这种定位使得蛋白质能够在需要的地方就近合成，提高了细胞功能的效率和精确性RNA颗粒和运输复合物在这个过程中起到关键作用真核生物翻译调控翻译起始调控最重要的翻译调控步骤5UTR扫描机制核糖体亚基扫描寻找起始密码子上游ORF调控上游开放阅读框影响主ORF翻译翻译因子调控起始因子的磷酸化修饰调控真核生物的翻译调控比原核生物复杂得多翻译起始是主要的调控步骤，涉及多个翻译起始因子的协调作用5非翻译区的二级结构、上游开放阅读框、铁反应元件等都能影响翻译效率翻译起始因子的磷酸化修饰是细胞响应环境变化调节蛋白质合成的重要机制。