16基因表达调控

1、目目 录录 第十六章第十六章 基因表达调控基因表达调控目目 录录基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的功能的rnarna和蛋白质分子的过程，体现了和蛋白质分子的过程，体现了dnadna与与蛋白质、基因型与表型、遗传与代谢的关系。蛋白质、基因型与表型、遗传与代谢的关系。基因表达基因表达(gene expression)基因表达调控基因表达调控(gene regulation)是指细胞或生物体在基因表达水平上对环境是指细胞或生物体在基因表达水平上对环境信号或环境变化做出应答，它决定细胞的结构和信号或环境变化做出应答，它决定细胞的结构和功能，决定细胞分化和

2、形态发生，赋予生物多样功能，决定细胞分化和形态发生，赋予生物多样性和适应性。性和适应性。目目 录录第第 一一 节节基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理目目 录录一、基因表达的基本方式一、基因表达的基本方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：1 1、组成性表达、组成性表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为续表达，通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。无论表达水平高低，管家基因较少受环无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，这类基因表达被视为境因素影响，这类基因

3、表达被视为组成性基因组成性基因表达。表达。目目 录录2 2、诱导和阻遏表达、诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激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，这种基因称为活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导可诱导基因基因。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。3 3、协调表达、协调表达目目 录录1 1、时间特异性、时间特异性目目 录录2、空间特异性、空间特异性二、基因表达的特异性二、基因表

4、达的特异性3、条件特异性、条件特异性目目 录录目目 录录 血红蛋白基因从胎儿到成人期都有活性的只有血红蛋白基因从胎儿到成人期都有活性的只有 基因簇的基因簇的 链基因，其它五个基因只在发育的特链基因，其它五个基因只在发育的特定时期才有活性。定时期才有活性。 在成人血红蛋白中，在成人血红蛋白中， 2 2组合的四聚体占组合的四聚体占97%， 2 2占占2%，由胎儿期遗留下来的，由胎儿期遗留下来的 2 2约约占占1%。三、基因表达调控的生理意义三、基因表达调控的生理意义适应环境，生长发育所需适应环境，生长发育所需目目 录录四、基因表达调控的多环节性四、基因表达调控的多环节性基因基因激活激活转录起始转录

5、起始 转录后加工转录后加工mrna降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰目目 录录目目 录录五、基因转录调控的基本要素五、基因转录调控的基本要素三个要素：调控序列，调节蛋白，三个要素：调控序列，调节蛋白，rnarna聚聚合酶。合酶。结构基因结构基因调控序列调控序列rna-pol等等调节蛋白调节蛋白启动子启动子目目 录录第第 二二 节节原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控目目 录录一、基因组特点一、基因组特点1、双链环状、双链环状2、基因组、基因组dna只有一个复制起点只有一个复制起点3、多数基因组成操纵子、多数基因组成操纵子4、编码序列与调控序

6、列在整个基因组中各占、编码序列与调控序列在整个基因组中各占 50%目目 录录二、基因表达的特点二、基因表达的特点1、操纵子转录单位、操纵子转录单位2、基因转录的特异性由、基因转录的特异性由因子决定因子决定3、转录与翻译偶联、转录与翻译偶联目目 录录 每一个转录区段可视为一个转录单位，在原核每一个转录区段可视为一个转录单位，在原核生物中被称为操纵子生物中被称为操纵子(operon)。操纵子包括若干个。操纵子包括若干个结构基因及其上游结构基因及其上游(upstream)的调控序列。的调控序列。5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列rna-pol目目 录录 编码序列编码序列 启动子启动子

7、操纵基因操纵基因 激活蛋白结合位点激活蛋白结合位点(promoter)(operator) 其转录区段即转录单位，包含这几个结构基因。其转录区段即转录单位，包含这几个结构基因。在翻译时分别得到各个蛋白质。在翻译时分别得到各个蛋白质。目目 录录三、基因表达调控的特点三、基因表达调控的特点1、正、负调控、正、负调控2、调节蛋白是、调节蛋白是dna结合蛋白结合蛋白3、存在衰减子机制、存在衰减子机制4、存在应急应答调控机制、存在应急应答调控机制是是rna聚合酶结合聚合酶结合并启动转录并启动转录的特异的特异dna序列。序列。1) 启动子启动子2 2 操纵基因操纵基因 是是阻遏蛋白阻遏蛋白(repress

8、or)的结合位点的结合位点 启动子启动子编码序列编码序列操纵基因操纵基因pol阻遏蛋白阻遏蛋白四、转录水平的调控四、转录水平的调控1、调控序列、调控序列（一）调控因素（一）调控因素目目 录录3) 3)激活蛋白结合位点激活蛋白结合位点例如例如激活蛋白激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近可结合启动序列邻近的的dna序列，促进序列，促进rna聚合酶与启动序列的聚合酶与启动序列的结合，增强结合，增强rna聚合酶活性。如分解聚合酶活性。如分解(代谢代谢)物物基因激活蛋白基因激活蛋白(catabolite gene activator protein, cap).有些基因在没有激活蛋白存在时，

9、有些基因在没有激活蛋白存在时，rna聚合酶很少或完全不能结合启动序列。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。目目 录录2、调节蛋白、调节蛋白1）特异因子）特异因子2）阻遏蛋白）阻遏蛋白3）激活蛋白）激活蛋白目目 录录（二二）乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon) 调控区调控区cap结合位点结合位点 启动子启动子操纵基因操纵基因 结构基因结构基因z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶y： 透性酶透性酶a：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶zyaopdna1、乳糖操纵子的基本结构、乳糖操纵子的基本结构目目 录录目目 录录目目 录录mrna阻遏蛋白阻遏蛋白idnazyaoppol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏基因

10、阻遏基因2.2.乳糖操纵子的阻遏调控乳糖操纵子的阻遏调控i目目 录录mrna阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时idnazyaoppol启动转录启动转录mrna乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶目目 录录+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，camp浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，camp浓度低时浓度低时3、乳糖操纵子的激活调控、乳糖操纵子的激活调控zyaopdnacapcapcapcapcapcap目目 录录4.4.乳糖操纵子的双重调控乳糖操纵子的双重调控单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若葡萄糖若葡萄糖/乳糖共同存

11、在时，细菌首先利用乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代分解代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。 目目 录录mrna低乳糖时低乳糖时高乳糖时高乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 camp浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高camp浓度低浓度低rna-poloooo五、翻译水平的调控五、翻译水平的调控目目 录录第第 三三 节节真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控目目 录录一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点二、真核基因表达特点二、真核基因表达特点三、真核基因表达调控特点三、真核基因表达调控特点四、染

12、色质水平调控四、染色质水平调控五、转录水平调控五、转录水平调控六、转录后加工水平调控六、转录后加工水平调控七、翻译水平调控七、翻译水平调控八、翻译后修饰与靶向转运调控八、翻译后修饰与靶向转运调控目目 录录二、基因表达的特点二、基因表达的特点1、以基因为转录单位、以基因为转录单位2、转录后加工复杂、转录后加工复杂3、转录与翻译不偶联、转录与翻译不偶联4、翻译及翻译后修饰复杂、翻译及翻译后修饰复杂目目 录录三、基因表达调控的特点三、基因表达调控的特点1、瞬时及发育调控、瞬时及发育调控2、调控环节多、调控环节多3、染色质结构变化与转录效率、染色质结构变化与转录效率4、正性调控为主、正性调控为主5、调

13、控序列与转录区可能相距很远、调控序列与转录区可能相距很远6、调节蛋白多、调节蛋白多四、染色质水平的调控四、染色质水平的调控目目 录录 可影响自身基因转录活性的可影响自身基因转录活性的dna序列序列。 结构基因结构基因调控序列调控序列rna-pol等等调节蛋白调节蛋白启动子启动子顺式作用元件顺式作用元件反式作用因子反式作用因子五、转录水平的调控五、转录水平的调控（一）调控序列（顺式作用元件）（一）调控序列（顺式作用元件）目目 录录1. 启动子启动子真核基因启动子是真核基因启动子是rna聚合酶结聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个少包括一个转录起始点转

14、录起始点以及一些以及一些功能功能组件。组件。如如tata盒。盒。目目 录录2. 增强子增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、空间特异性、当其结合特异蛋白因子时，当其结合特异蛋白因子时，增增强启动子转录活性的强启动子转录活性的dna序列。序列。3. 沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。目目 录录转录起始点转录起始点tata盒盒caat盒盒gc盒盒 增强子增强子顺式作用元件顺式作用元件(cis-a

15、cting element)转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 aataaa切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 oct-1 目目 录录与特异的顺式作用元件相互作用的蛋与特异的顺式作用元件相互作用的蛋白质，可调节基因的转录活性。白质，可调节基因的转录活性。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) ，也即转，也即转录因子。录因子。（二）调节蛋白（二）调节蛋白目目 录录反式作用因子与顺式作用元件之间的特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。异识别及结合通常是非共价结合。绝大多

16、数调节蛋白质结合绝大多数调节蛋白质结合dna前，需通前，需通过蛋白质过蛋白质-蛋白质相互作用，形成蛋白质相互作用，形成二聚体二聚体(dimer)或或多聚体多聚体(polymer)。属于蛋白质蛋白。属于蛋白质蛋白质相互作用质相互作用.目目 录录1. 调节蛋白分类调节蛋白分类 通用转录因子通用转录因子(general transcription factors)是是rna聚合酶结合启动子所必需的一组蛋聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种白因子，决定三种rna(mrna、trna及及rrna)转录的类别。转录的类别。tf、。目目 录录 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因的为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子(增强子结合蛋白增强子结合蛋白ebp)转录抑制因子转录抑制因子 共调节子共调节子(mediator)不直接与不直接与dna结合，而是介导转录调节因结合，而是介导转录调节因子作用于子作用于rna聚合酶聚合酶-通用转录因子复合体而调通用转录因子复合体而调节转录。节转录。目目 录录目目 录录2. 调节蛋白结构调节蛋白结构dna结合域结合域转录激活域转录激活域tf蛋白质蛋