大学生物遗传学：第十三章基因表达调控2

1、第十三章第十三章 基因表达调控基因表达调控思路：系列酶促反应的调节 基因表达调控 基因表达 调控 定义 特点 方式 意义 调节点 基本要素 特点 机制共性原核（主）真核第一节第一节 基因表达调控基本概念与原理基因表达调控基本概念与原理 一、基因表达（一）.定义 基因表达：基因在各种调节机制下,经过系列 步骤表现出其生物功能的过程。 即基因转录或转录与翻译的过程。 转录+翻译 蛋白质(主) 转录 rRNA、tRNA 基因:载有特定遗传信息的DNA片段. 基因组：一个细胞或病毒所携带的全部遗传 信息或整套基因 (二)、特点 具有时空性 1时间特异性（阶段特异性） 定义：指某一特定基因的表达严格按

2、特定时间顺序发生。 e.g :不同时间、阶段表达多少不同 感染、发育（早期表达多） 2空间特异性（细胞,组织特异性） 定义：指某一基因的表达按不同组织 空间顺序发生。 e.g :不同组织、细胞表达产物多少不同（三）、（三）、方式方式 基本表达基本表达 对刺激反应对刺激反应小小 适应性表达适应性表达（诱导诱导或或阻遏阻遏） 对刺激反应对刺激反应大大 1基本表达（组成性基因表达）基本表达（组成性基因表达） a.定义：定义：不易受不易受环境变化环境变化影响影响的基因表达。的基因表达。 即即管家基因管家基因表达表达 管家基因：管家基因：在机体在机体所有所有细胞中细胞中持续持续表达的基因表达的基因; 表

3、达产物是整个生命过程中都表达产物是整个生命过程中都持续需要持续需要的。的。 即进行即进行基本基本表达的基因表达的基因。 b. 影响因素：影响因素： 启动序列启动序列 启动子与启动子与RNA-pol相互作用相互作用 c.意义：意义：维持生命维持生命的基本途径。的基本途径。 2适应性表达适应性表达 定义：定义：易易受环境变化受环境变化影响影响的基因表达。的基因表达。 形式：形式： 诱导：受环境条件变化基因表达诱导：受环境条件变化基因表达增强增强的现象。的现象。 阻遏：受环境条件变化基因表达阻遏：受环境条件变化基因表达减弱减弱的现象。的现象。 影响因素：影响因素： 启动序列启动序列 启动子与启动子与

4、RNA-pol相互作用相互作用 其他机制其他机制(含对特定刺激的反应元件含对特定刺激的反应元件) 意义：意义：适应环境适应环境的基本途径。的基本途径。3.协调表达：在基本和适应性表达中，协调表达：在基本和适应性表达中，功能相关功能相关的的 基因表达基因表达协调一致协调一致。二、基因表达调控（共性）二、基因表达调控（共性）（一）、意义 1. 适应环境、 维持生长和增殖(原核) 。 2适应环境、维持个体发育与分化(真核)。 (二)、调控点 多级性(信息传第的任何环节)： 基因激活 转录起始（基本点） 转录 后 加工 翻译 翻 译后加工（三）、（三）、基本要素基本要素（e.g:转录激活）转录激活）

5、特异特异DNA序列序列 调节蛋白调节蛋白 DNA与调节蛋白结合方式与调节蛋白结合方式 RNA聚合酶聚合酶 1.1.特异特异DNADNA序列（调节功能）序列（调节功能） （1 1）. .原核生物原核生物 操纵子操纵子 a. a.定义定义：原核原核基因的基因的转录单位转录单位，由功能相关的，由功能相关的 一组一组结构基因结构基因及其上游的调节序列及其上游的调节序列( (启动启动 子子. .操纵操纵序列和序列和其它其它调节序列调节序列) )组成。组成。 b. b. 结构结构、作用：、作用： 编码编码序列序列 转录的转录的mRNAmRNA为为多顺反子多顺反子 （结构基因）（结构基因） 启动启动序序列列

6、 RNA-RNA-polpol识别、结合部位识别、结合部位 操纵操纵序序列列 阻遏蛋白阻遏蛋白结合部位，控制结合部位，控制 转录的转录的开关开关, ,负负调节调节 其它其它调节序列调节序列 激活蛋白激活蛋白结合部位结合部位, ,正正 调节调节 （2）、真核生物）、真核生物 顺式作用元件顺式作用元件 a.定义：是指定义：是指真核真核生物生物DNA分子中参与基因分子中参与基因转转 录调控录调控的特异的特异DNA序列序列。 b.成分和功能：成分和功能： 启动子启动子 RNA-pol识别、结合的部位识别、结合的部位 增强子增强子 决定决定基因表达基因表达时空性时空性，增强增强启动启动 子作用。子作用。

7、 正正调节调节 沉默子沉默子 抑制抑制基因转录基因转录.负负调节调节 增强子增强子： 是指能是指能决定决定基因表达基因表达时空性时空性，增增 强强启动子活性的特异启动子活性的特异DNA序列。序列。 其作用方式与方向、距离无关。其作用方式与方向、距离无关。 沉默子沉默子： 是指能是指能抑制抑制基因基因转录转录的特异的特异 DNA序列。序列。 2.调节蛋白调节蛋白 (1).原核生物原核生物 分类分类 特异因子特异因子 决定决定RNA-pol对对启动子启动子 （因子）因子） 的结合、识别能力。的结合、识别能力。 阻遏蛋白阻遏蛋白 结合结合操纵序列操纵序列， 阻遏阻遏转录（转录（负负性调节）。性调节）

8、。 激活蛋白激活蛋白 结合结合其他其他调节序列，调节序列， 促进促进转录（转录（正正性调节）。性调节）。 (2).真核真核生物生物 反式作用因子反式作用因子 （主）（主） 结合调节结合调节另一另一基因基因 顺式作用因子顺式作用因子 结合调节结合调节自身自身基因基因 反式作用因子反式作用因子 a. a. 定义定义：结合：结合另一另一基因的顺式作用元件，基因的顺式作用元件， 并并激活激活该基因转录的该基因转录的蛋白质蛋白质。 b.b.分类：分类： 基本转录因子基本转录因子：是作用于：是作用于启动子启动子， 维持基因维持基因基础转录基础转录 （即转录成（即转录成 mRNA.tRNA.rRNAmRNA

9、.tRNA.rRNA） 包括：包括：TFITFI、TFIITFII、TFIIITFIII。 特异转录因子特异转录因子：作用于：作用于增强子增强子和和沉默子沉默子， 为为个别基因个别基因转录所必需，转录所必需， 决定该基因表达的决定该基因表达的时空性时空性 包括包括 转录转录激活激活因子因子 增强子增强子 转录转录抑制抑制因子因子 沉默子沉默子 c.c.结构结构 DNA DNA结合域结合域 识别、识别、结合结合特特 锌指锌指结构结构（主）（主） 异异DNADNA顺式元件顺式元件 碱性碱性- -亮氨酸亮氨酸拉链拉链 碱性碱性螺旋螺旋- -环环- -螺旋螺旋 转录激活域转录激活域 调节调节基因基因

10、酸性酸性-螺旋结构域螺旋结构域 转录转录效率效率 富含富含GlnGln结构域结构域 富含富含ProPro结构域结构域 二聚化结构域二聚化结构域 与与DNADNA结构域结构域 结构结构有关有关 3调节蛋白与调节蛋白与DNA结合方式结合方式 直接直接 （DNA-蛋白质蛋白质相互作用相互作用, 多指反式作用）：多指反式作用）： 调节调节蛋白直接蛋白直接识识 别、别、 结合结合 特异特异DNA序列序列 。反式作用。反式作用 间接间接（主主） （蛋白蛋白-蛋白蛋白-DNA相互作用）：相互作用）： 调节蛋白调节蛋白 先形成蛋白聚体先形成蛋白聚体 （二聚（二聚 体为体为主主），蛋白聚体），蛋白聚体再结合再结

11、合特特 异异DNA序列。序列。 4RNA聚合酶聚合酶 RNA-pol活性活性最终体现最终体现转录调节情况。转录调节情况。 影响因素：启动子影响因素：启动子 调节蛋白调节蛋白 a.启动子：影响启动子：影响DNA与与RNA-pol的的亲和力亲和力， 进而影响转录进而影响转录频率频率。 原核原核 RNA-pol()直接直接结合启动子，结合启动子， 共有序列共有序列与转录活性成与转录活性成正比正比。 真核真核 先先形成形成调节因子调节因子-RNA-pol复合物复合物， 后后才与启动子结合。才与启动子结合。 b.调节蛋白：调节蛋白与调节蛋白：调节蛋白与DNA序列结合，影响序列结合，影响 RNA-pol活

12、性活性。 阻遏阻遏蛋白蛋白 抑制抑制RNA-pol 正调节正调节蛋白蛋白 促进促进RNA-pol第二节第二节 原核基因转录调节原核基因转录调节 多级多级调控，最关键点是调控，最关键点是转录起始转录起始 E.g :转录起始转录起始 一、一、调节特点调节特点 1 1因子决定因子决定RNA-RNA-polpol识别识别特异性特异性 2 2操纵子模式操纵子模式具有具有普遍普遍性性 3 3阻遏调节阻遏调节具有具有普遍普遍性（性（负性负性调节占调节占主导主导） 二、二、调节机制调节机制 方式方式 底物对酶的诱导底物对酶的诱导 其它调节机制其它调节机制 （一）底物对酶的诱导（一）底物对酶的诱导 (e.g:乳

13、糖操纵子乳糖操纵子 lac operon) 1乳糖操纵子乳糖操纵子结构结构 调节区调节区 启动子（启动子（P序列）序列） 结合结合RNA-pol 操纵基因（操纵基因（O序列）序列） 结合结合阻遏蛋白阻遏蛋白 调节序列（调节序列（R序列）序列） 结合结合CAP 信息区信息区 lacZ 编码半乳糖苷酶编码半乳糖苷酶 (结构基因结构基因) lacY 编码半乳糖苷通透酶编码半乳糖苷通透酶 lacA 编码已酰基转移酶编码已酰基转移酶 2调节 方式 负性调节 协调调节 正性调节 （1）负性调节 (阻遏蛋白控制） 图 乳糖 无：阻遏蛋白结合操纵序列，抑制转录。 有：阻遏蛋白结合乳糖，不能结合 操纵序列， 转

14、录开启。（去阻遏） （2）正性调节 （CAP控制） 图 葡萄糖 无：CAP活化（活化形式为CAP-cAMP）， 结合调节序列，促转录。 有 ：CAP失活（cAMP少）， 不能结合调节序列，抑制转录。 （3）协调调节： 定义：负性调节和正性调节相互协调。 目的：适应环境（根据环境碳源，进行 不同代谢）。 机制:一种调节方式有某种调节意向时， 另一 种方式即会作出相应的支持。 E.g:分解代谢阻遏 图 葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用 a. 葡萄糖与半乳糖并成时， 细菌首选利用葡萄糖； cAMP ， 不能合成cAMP-CAP， CAP不能结合调节序 列 ， 抑制转录。 b. 此时、即使阻遏蛋白从操纵

15、序列上脱落， 也不能转录。 阻遏蛋白 (脱落）负调节 支持 CAP负调节 负性调节占主导 （二）其它调节机制 1转录衰减 产物对酶的抑制。 机制：e.g: E.coli Trp 操纵子 Trp 多，Trp阻遏蛋白复合 物结合O序列，阻断转录。 图 转录衰减 前导肽诱导形成衰减子（发 夹结构）阻断转录。 图 2基因重组 引起变异， 逃避宿主免疫监视。 3SOS反应 产生修复蛋白， 急救修复损伤DNA。第三节第三节 真核基因转录调节真核基因转录调节 多级多级性（较原核性（较原核复杂复杂），）， 核心途径：核心途径： 环境信号传导环境信号传导 染色体活化染色体活化 基因转录激活基因转录激活 本节讲本

16、节讲mRNA转录激活（转录起始）转录激活（转录起始）一、一、真核基因组特点真核基因组特点 1基因组庞大，且结构复杂。 基因组：一个细胞所携带的全部遗传信 息或整套基因。 人:3109bp 编码基因6、 重复基因510、 无遗传学功能基因无遗传学功能基因80-90。 2单顺反子 3重复序列多 多拷贝序列 高度重复序列（106次） tRNA. 中度重复序列（103104次） rRNA 单拷贝序列 重复一次或几次 结构基因 4是断裂基因二、二、调节特点调节特点 ( (区别原核区别原核) ) 1 1所需所需RNA-RNA-polpol多多，TFTF不同。不同。 2 2活性染色体活性染色体结构变化结构变

17、化, , 利于转录。利于转录。 活化后结构性质变化：活化后结构性质变化： 对核酸酶极度对核酸酶极度敏感敏感。 DNA DNA拓扑结构改变（负性拓扑结构改变（负性 正正性超螺旋）性超螺旋） DNADNA碱基修饰变化（碱基修饰变化（55侧翼侧翼甲基化甲基化） 组蛋白变化（量与稳定性组蛋白变化（量与稳定性下降下降、巯基暴露）、巯基暴露） 3 3正正性调节占性调节占主主导。导。 4 4转录与翻译转录与翻译分隔分隔进行。进行。 5 5转录后加工修饰转录后加工修饰复杂复杂。 6. 6. 调节目的主要是维持个体调节目的主要是维持个体发育发育与与分化分化。（三）调节机制 （不清） 复杂、多样。 DNA元件和T

18、F不同，调节方式与效果不同。 基本转录因子 协助RNA-pol与启动子 结合,形成PIC。 特异转录因子(TAF,EBP) 决定组织特 异性转录。 转录起始过程： 转录起始激活过程转录起始激活过程： TFIID(含含TBP)识别识别TATA盒盒 TAF TFIID-启动子复合物启动子复合物 RNA-pol TFIIA-F PIC(不稳定，不能有效启动不稳定，不能有效启动mRNA转录转录) EBP(增强子结合因子增强子结合因子) 转录起始复合物（稳定，此时转录起始复合物（稳定，此时RNA-pol II才有才有 活性，启动转录。但其组织活性，启动转录。但其组织 特异性由特异性由TAF和和EBP共同

19、决共同决 定。）定。） 操纵子操纵子(operon)：通常由通常由2个以上的个以上的编码序编码序 列与启动序列、操纵序列以及其他调节列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列序列 在基因组中成簇串联，组成一个转录单位。在基因组中成簇串联，组成一个转录单位。操纵序列启动序列其他调节序列编码序列 1) 启动序列启动序列（启动子）：（启动子）：是是RNA聚合聚合 酶结合并启动转录的特异酶结合并启动转录的特异DNA序列。序列。TTGACAN17TTAACTN7AN16TATGATN7AN17TATGTTN6ATTGATAN16TATAATN7ACTGACGN16TACTGTN6ATTTACATTTACAt

20、rptRNATyrlacrec Aara BAD区区3510转录起始共有序列TTGACATATAAT决定转录活性 2) 操纵序列操纵序列（operator）：）：是是阻遏蛋白阻遏蛋白的结合位点的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍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，或使聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚聚 合酶不能沿合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。向前移动，阻碍转录。启动序列 操纵序列编码序列阻遏蛋白RNA pol aADNAmRNA蛋白质AbA反反式式调调节节CcCDNAmRNA蛋白质C顺顺式式调调节节TF （一）（一）乳糖操纵子乳糖操纵子的结构的结

21、构AYZOPI结构基因透酶 半乳糖苷酶调控区操纵序列启动序列CAP结合位点调节基因乙酰转移酶R （二）（二）阻遏阻遏蛋白的负性调节蛋白的负性调节没有乳糖存在时没有乳糖存在时AYZOPImRNA阻遏蛋白RNA pol 有乳糖存在时有乳糖存在时AYZOPI阻遏蛋白mRNA 半乳糖苷酶乳糖半乳糖RNA pol （三）（三）CAPCAP的正性调节的正性调节AYZOPI无葡萄糖，cAMP浓度高时CAPcAMPRNA pol 有葡萄糖，cAMP浓度低时AYZOPIRNA polCAP （四）（四）协调协调调节调节OOOORNA pol无葡萄糖cAMP浓度高有葡萄糖cAMP浓度低有乳糖无乳糖RNA polR

22、NA polRNA pol ABCDEOPR调节区结构基因TrpTrp的RNA衰减的RNA色氨酸操纵子trp L衰减子（）（）.转录衰减转录衰减 转录衰减转录衰减（attenuation）：）： 是指转录可正常起动，但在转录进入是指转录可正常起动，但在转录进入第一个结构基因前第一个结构基因前即突然停止的过程。即突然停止的过程。由于这一终止作用并由于这一终止作用并不不能使正在进行的能使正在进行的结构基因转录中途停止，而仅是结构基因转录中途停止，而仅是部分部分中中途停止转录，所以称为途停止转录，所以称为转录衰减转录衰减。 衰减子衰减子（attenuator）：）： 操纵子操纵子前导区前导区内类似于

23、终止子结构内类似于终止子结构 的一段的一段DNA序列序列，称为衰减子。其作用，称为衰减子。其作用 是是减弱减弱操纵子的转录。操纵子的转录。 转录衰减机制转录衰减机制： 实质上是实质上是转录转录与一个前导肽与一个前导肽翻译翻译过程的过程的偶联偶联。当色氨酸浓度高时：当色氨酸浓度高时： 当色氨酸浓度低时：当色氨酸浓度低时： （二）基因重组（二）基因重组沙门菌鞭毛素基因的调节沙门菌鞭毛素基因的调节P1H1P2hinH2阻遏基因DNAH2鞭毛素Hin重组酶P1H1P2hinH2阻遏基因H1鞭毛素转位片段 （三）（三）SOSSOS反应反应 2. 2. 转录调节因子结构转录调节因子结构 DNADNA结合域

24、结合域 转录激活域转录激活域 蛋白质蛋白质结合域（二聚化结构域）蛋白质蛋白质结合域（二聚化结构域）酸性激活域谷氨酰胺富含域脯氨酸富含域 常见的常见的DNA结合域：结合域： 锌指（锌指（zinc finger） 亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（leucine zipper） 螺旋环螺旋（螺旋环螺旋（helix-loop-helix）总结： 基因表达调控 基因表达 ：定义 特点 方式 调控的共性：意义 调节点 基本要素 原核的调控（主）：特点 机制（乳糖操纵子学说） 真核的调控：基因组特点 调控特点 第十三章第十三章 基因表达调控基因表达调控 第一节第一节 基因表达调控基本概念与原理基因表达调控基本概念与

25、原理 一、基因表达定义一、基因表达定义 基因转录或转录与翻译的过程。基因转录或转录与翻译的过程。 基因组：一个细胞或病毒所携带的全部遗传基因组：一个细胞或病毒所携带的全部遗传 信息或整套基因信息或整套基因 二、基因表达二、基因表达特点特点 具有时间特异性和空间特异性具有时间特异性和空间特异性 三、基因表达三、基因表达 方式方式 基本表达基本表达 和适应性表达（诱导和适应性表达（诱导或阻遏）或阻遏） 四、基因表达调控四、基因表达调控意义意义 适应环境、适应环境、 维持生长和增维持生长和增殖殖 、 维持个体发育与分化维持个体发育与分化第二节第二节 基因表达调控基本原理基因表达调控基本原理一、调控点

26、多、转录起始为基本点二、二、基因表达调控基因表达调控转录激活基本要素：转录激活基本要素： 特异特异DNA序列、调节蛋白、序列、调节蛋白、RNA聚合酶聚合酶 、即其间的作、即其间的作用方式用方式第三节第三节 原核基因转录调节原核基因转录调节一、特点一、特点 因子决定因子决定RNA-RNA-polpol识别特异性、识别特异性、操纵子模式具有普遍性操纵子模式具有普遍性 、负性调节占主导。、负性调节占主导。二、乳糖操纵子二、乳糖操纵子 调节序列（调节序列（ R序列序列+O序列序列+P序列）序列）+结构基因结构基因+终止子终止子 三、乳糖操纵子三、乳糖操纵子调节机制调节机制 阻遏蛋白结合操纵序列、阻遏蛋

27、白结合操纵序列、负性调节负性调节 、抑制转录；、抑制转录； CAP结合结合R序列、正性调节序列、正性调节 、诱导转录；正性调节与负性调节诱导转录；正性调节与负性调节 相互协调、负性调节相互协调、负性调节占主导。占主导。 四、其它调节机制四、其它调节机制 转录衰减、基因重组转录衰减、基因重组 、SOS反反应应 第四节第四节 真核基因转录调节真核基因转录调节 一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点 基因组结构基因组结构庞大、单庞大、单顺顺反子、重复序列多、是断裂基因。反子、重复序列多、是断裂基因。 二、二、真核基因表达调控特点真核基因表达调控特点 TFTF 协助协助RNA-RNA-polpo

28、l识识别别 D N AD N A 序 列序 列 、 活 性 染 色 体、 活 性 染 色 体 结 构 发 生 变 化结 构 发 生 变 化 、正正性调节占性调节占主主导、转录与翻译导、转录与翻译分隔分隔进行、转录后加工进行、转录后加工修饰修饰复杂复杂。 三、基本概念三、基本概念顺式作用元件：真核生物顺式作用元件：真核生物DNA分子中参与基因转分子中参与基因转 录调控的特异录调控的特异DNA序列。序列。启动子启动子 ： RNA-pol识别、结合的识别、结合的DNA序列序列增强子：增强子： 是指能决定基因表达时空性，增是指能决定基因表达时空性，增 强强启动子活性的特异启动子活性的特异DNA序列。其

29、作用方式与方向、距序列。其作用方式与方向、距离无关。离无关。沉默子：沉默子： 是指能抑制基因转录的特异是指能抑制基因转录的特异DNA序列。序列。反式作用因子反式作用因子 ：结合另一基因的顺式作用元件、并激活：结合另一基因的顺式作用元件、并激活该基因转录的蛋白质。该基因转录的蛋白质。基本转录因子：是作用于启动子，维持基因基础转录。基本转录因子：是作用于启动子，维持基因基础转录。特异转录因子：作用于增强子和沉默子，特异转录因子：作用于增强子和沉默子， 为个别基因转录所必需，决定该基因表达的时空性。为个别基因转录所必需，决定该基因表达的时空性。 第十四章第十四章 基因重组与基因工程基因重组与基因工程 第一节第一节 自然界的基