基因表达调控已改总结

1、第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理Basic Conceptions and Principle 一、一、基因表达基因表达 (gene expression) 基因经历转录及翻译基因经历转录及翻译，产生具有生物学功能的产物的过程。，产生具有生物学功能的产物的过程。基因表达的产物？基因表达的产物？二、基因表达的特异性二、基因表达的特异性（一）时间特异性（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，称之为基因表达的间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性时间特异性。 多细胞生物基因表达表现为与生长、分化和发育阶多细胞生物

2、基因表达表现为与生长、分化和发育阶段一致的时间性，因此又称段一致的时间性，因此又称阶段特异性阶段特异性。（二）空间特异性（二）空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特细胞或组织特异性异性。在个体生长、发育全过程，一种基因产物在个体的不同组织在个体生长、发育全过程，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称之为基因表达的或器官表达，即在个体的不同空间出现，称之为基因表达的空间空间特异性特异性。如：乳酸

3、脱氢酶（如：乳酸脱氢酶（LDH）在不同组织中表达程度不同）在不同组织中表达程度不同三、基因表达的方式三、基因表达的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：（一）基本表达（一）基本表达管家基因管家基因的表达方式。的表达方式。（二）诱导和阻遏（适应性）表达（二）诱导和阻遏（适应性）表达适变基因的表达方式。适变基因的表达方式。有诱导和阻遏两种方式。有诱导和阻遏两种方式。（三）协调表达（三）协调表达四、基因表达调控本质四、基因表达调控本质: : 通过通过 DNADNA蛋白质相互作用来实现蛋白质相互作用来实现 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting ele

4、ment)可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列。顺式作用元件包括顺式作用元件包括启动子启动子、增强子增强子、沉默子沉默子等等 通常是非编码序列通常是非编码序列 并非都位于转录起始点上游并非都位于转录起始点上游通过与通过与另一基因另一基因的的顺式作用元件顺式作用元件相互作用，调节相互作用，调节其表达的其表达的蛋白质蛋白质。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) aAD N Am R N A蛋 白 质 AbA反反 式式 调调 节节五、基因表达的多层次和复杂性五、基因表达的多层次和复杂性基因激活基因激活（拷贝数、（拷贝数、重排、甲基化程度）重排、

5、甲基化程度）转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNA降解降解翻译起始、延长翻译起始、延长翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等转录起始转录起始基因表达在全过程的各水平上都可以受调控：基因表达在全过程的各水平上都可以受调控：主要调节环节主要调节环节遗传信息水平遗传信息水平转录水平转录水平翻译和翻译后水平翻译和翻译后水平六、基因表达调控的生物学意义六、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和繁殖（一）适应环境、维持生长和繁殖（二）维持个体发育和分化（二）维持个体发育和分化第第 二二 节节 原核基因转录调节原核基因转录调节Regulation of Prokaryoti

6、c Gene Transcription原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子 一条一条mRNA编码几种功能相关的蛋白质编码几种功能相关的蛋白质真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子 一条一条mRNA仅编码一种蛋白质仅编码一种蛋白质非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG -5 3 蛋白质蛋白质目目 录录单复制子，多顺反子单复制子，多顺反子多复制子，单顺反子多复制子，单顺反子 1、 原核生物的操纵子原核生物的操纵子 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 列列

7、与与启动子启动子、操纵序列操纵序列以及以及其它调节序列其它调节序列 在基因组中成簇串联，组成一个基因表达调在基因组中成簇串联，组成一个基因表达调 控单位。控单位。结构基因结构基因启动子启动子编码序列编码序列2编码序列编码序列1调节序列调节序列操纵序列操纵序列其它调节序列其它调节序列一、操纵子是原核基因表达调控的基本单位2.操纵序列操纵序列阻遏蛋白的结合位点阻遏蛋白的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，当操纵序列结合有阻遏蛋白时，RNA聚合酶不能沿聚合酶不能沿DNA向前移向前移动动 ，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列特异因子特异因子：决定：决定RNA-po

8、l对启动序列的特异性识别和结合能力对启动序列的特异性识别和结合能力（如如因子因子 ）阻遏蛋白阻遏蛋白：识别和结合操纵序列：识别和结合操纵序列阻遏基因转录，介导负性调阻遏基因转录，介导负性调节节激活蛋白激活蛋白:可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列序列增强增强RNA-pol活性，活性，介导正性调节（介导正性调节（如如CAP） 3.调节蛋白调节蛋白 原核生物原核生物基因转录调节蛋白基因转录调节蛋白原核调节蛋白原核调节蛋白均为均为DNA结合蛋白结合蛋白The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965for their discoveries

9、concerning genetic control of enzyme and virus synthesisInstitut Pasteur Paris, France Jacques Monod Andr Lwoff Franois Jacob Institut Pasteur Paris, France Institut Pasteur Paris, France 雅各布（雅各布（1920-）雷沃夫（雷沃夫（1902-1994） 莫诺（莫诺（1910-1976） 培养基中只有葡萄糖时，菌体利用葡萄糖且生长良好；培养基中只有葡萄糖时，菌体利用葡萄糖且生长良好； 当葡萄糖换成乳糖时，菌体起

10、初不能很好利用乳糖，但一段当葡萄糖换成乳糖时，菌体起初不能很好利用乳糖，但一段 时间后开始利用乳糖，菌体生长良好；时间后开始利用乳糖，菌体生长良好； 当把葡萄糖和乳糖一起放入培养基时，菌体只利用葡萄糖。当把葡萄糖和乳糖一起放入培养基时，菌体只利用葡萄糖。乳糖操纵子乳糖操纵子葡萄糖如何阻遏葡萄糖如何阻遏乳糖利用的酶乳糖利用的酶？乳糖利用的酶乳糖利用的酶是如何被诱导的？是如何被诱导的？ AYZOPI透 酶 半 乳 糖 苷 酶乙 酰 转 移 酶（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构调控序列调控序列结构基因结构基因操纵基因操纵基因启动序列启动序列CAP结合位结合位点点调节

11、基因调节基因编码阻遏蛋白编码阻遏蛋白RNA-pol识识别结合别结合阻遏蛋白结合阻遏蛋白结合cAMP-CAP结结合合（负调节）（负调节）（正调节）（正调节）低表达条件：低表达条件：解除负调节解除负调节高表达条件：高表达条件：解除负解除负调节调节激活正调节激活正调节PImRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二）（二）Lac操纵子的调节机制操纵子的调节机制调节基因调节基因1、阻遏蛋白的负调节及其解除、阻遏蛋白的负调节及其解除mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOP有乳糖存在时有乳糖存在时polmRNA乳糖乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶启动转录启动转录诱导剂：半乳

12、糖、别乳糖诱导剂：半乳糖、别乳糖半乳糖半乳糖阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节及诱导机制及诱导机制TTTACATATGTTN17N6Alac TTGACA TATAAT共有序列共有序列乳糖操纵子是弱启动子乳糖操纵子是弱启动子，即便解除阻遏，仅低水平转录，即便解除阻遏，仅低水平转录若要高水平转录，还需若要高水平转录，还需cAMP-CAP的正调节的正调节2、CAP的正性调节的正性调节 CAP是同二聚体是同二聚体 含有含有DNA结合区结合区和和 cAMP结合位点结合位点 （需生成（需生成cAMP-CAP复合物才有活性复合物才有活性）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，c

13、AMP浓度低时浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP结合位点结合位点CAPcAMP-CAP复合物复合物 阻遏蛋白是负性调节因素。阻遏蛋白是负性调节因素。 半乳糖或别乳糖是诱导剂半乳糖或别乳糖是诱导剂(解除阻遏解除阻遏) CAP是正性调节因素是正性调节因素。 （需生成（需生成cAMP-CAP复合物才有活性复合物才有活性） 3、协调调节、协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不对该系统不 能发挥作用；能发挥作用；如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵存在，即使没有阻遏蛋白与操纵 序列结合，操纵子仅序列结合，操纵子仅低水平转录。低水平转录。

14、A、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；B、葡萄糖、葡萄糖/乳糖共同存在时，优先利用葡萄糖。乳糖共同存在时，优先利用葡萄糖。mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 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无转录无转录无转录无转录低水平转录低水平转录lac操纵子操纵子强的诱导作用的条件强的诱导作用的条件是：是：乳糖存在乳糖存在（解除阻遏）的（解除阻遏）的同时缺乏葡萄糖同时缺乏葡萄糖（激活（激活CAP）。）。第第 三三 节节 真核基因转录调节真核基因转录调节Regulation of Euka

15、ryotic Gene Transcription一、真核生物基因组的特点一、真核生物基因组的特点（一）基因组大（二）单顺反子（三）重复序列 P275（四）不连续性二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点（一）（一）RNA聚合酶聚合酶（二）活性染色体结构变化（二）活性染色体结构变化 1.核酸酶敏感核酸酶敏感 2.核小体稳定性核小体稳定性 3.甲基化水平甲基化水平 4.前方正超螺旋前方正超螺旋（三）正性调节占主导（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工（五）转录后修饰、加工三、转录起始的调节三、转录起始的调节（一）顺式作用元件1.启动子（

16、promotor）2.增强子（enhancer） 决定基因表达的时间和空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。 与位置无关 与方向无关 无专一性3.沉默子（silencer）基本转录因子基本转录因子：是：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种决定三种RNA转录的类别转录的类别特异转录因子特异转录因子：为个别基因转录所必需，决定该基因表达的时间、：为个别基因转录所必需，决定该基因表达的时间、空间特异性。空间特异性。 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 转录抑制因子转录抑制因子:沉默子结合蛋白沉默子结合蛋白（二）反式作用

17、因子（二）反式作用因子 （转录因子）（转录因子）1. 转录因子分类转录因子分类2. 转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）最常见的最常见的DNA结合域结合域 1. 锌指锌指(zinc finger)常结合常结合GC盒盒C CysH His 2. -螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒 3 、亮氨酸拉链（、亮氨酸拉链（leucine zipper） 4、螺旋、螺旋-环环-螺旋螺旋(helix-loop-helix)二、基因表达的特异性二、基因表达的特异性（一）时间特异性（一）时间特异性按功能需要

18、，某一特定基因的表达严格按特定的时按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性时间特异性。 多细胞生物基因表达表现为与生长、分化和发育阶多细胞生物基因表达表现为与生长、分化和发育阶段一致的时间性，因此又称段一致的时间性，因此又称阶段特异性阶段特异性。 1、 原核生物的操纵子原核生物的操纵子 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 列列与与启动子启动子、操纵序列操纵序列以及以及其它调节序列其它调节序列 在基因组中成簇串联，组成一个基因表达调在基因组中成簇串联，组成一个基因表达调 控单位。控单位。结构基因结构基因启动子启动子编码序列编码序列2编码序列编码序列1调节序列调节序列操纵序列操纵序列其它调节序列其它调节序列一、操纵子是原核基因表达调控的基本单位特异因子特异因子：决定：决定RNA-pol对启动序列的特异性识别和结合能力对启动序列的特异性识别和结合能力（如如因子因子 ）阻遏蛋白阻遏蛋白：识别和结合操纵序列：识别和结合操纵序列阻遏基因转录，介导负性调阻遏基因转录，介导负性调节节激活蛋白激活蛋白:可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的