04基因表达调控ppt课件

1、第四章第四章基因表达调控基因表达调控第一节第一节 概述概述n一、基因表达的基本过程一、基因表达的基本过程n1、转录：、转录：DNA mRNAn2、转录后加工、转录后加工n3、翻译：合成蛋白质、翻译：合成蛋白质n蛋白质的一级结构决定了蛋白质空间结构，从而蛋白质的一级结构决定了蛋白质空间结构，从而决定了蛋白质的性质和功能决定了蛋白质的性质和功能n4、翻译后加工、翻译后加工n对蛋白质加工后，使蛋白质有了空间结构，从而对蛋白质加工后，使蛋白质有了空间结构，从而有了生物功能。有了生物功能。n基因表达为有生物功能的蛋白。基因表达为有生物功能的蛋白。第一节第一节 概述概述n二、调理二、调理n对某种变化进行调

2、整和节制，使其在时、空、度对某种变化进行调整和节制，使其在时、空、度三方面符合某种需要或标准，这个过程叫调节。三方面符合某种需要或标准，这个过程叫调节。n生命活着是为了适应内外环境的变化。生命活着是为了适应内外环境的变化。n因此，基因表达为了适应内外环境变化的需要。因此，基因表达为了适应内外环境变化的需要。第一节第一节 概述概述n三、基因表达特征三、基因表达特征n基因表达是特殊的代谢途径基因表达是特殊的代谢途径n1、组成：基因表达是多个代谢途径、多个代谢、组成：基因表达是多个代谢途径、多个代谢反应组成的体系。反应组成的体系。n各条途径之间、各个反应之间、各途径内部存在各条途径之间、各个反应之间

3、、各途径内部存在着相互协调、制约，相互依存的关系，表现出各着相互协调、制约，相互依存的关系，表现出各种代谢有规则地进行。因此，基因表达具有调节种代谢有规则地进行。因此，基因表达具有调节机制。机制。n2、功能：体内各种代谢是表达的结果，是系统、功能：体内各种代谢是表达的结果，是系统的、综合性功能现象。基因表达存在着多种机制的、综合性功能现象。基因表达存在着多种机制的调节。的调节。第一节第一节 概述概述n四、基因表达调控四、基因表达调控n对基因表达的过程从时、空、度三方面进行调节，对基因表达的过程从时、空、度三方面进行调节，使其符合内外环境变化的需要的机制称为基因表使其符合内外环境变化的需要的机制

4、称为基因表达调控。达调控。n时：各种基因按照需求的时间准确地开放、封锁。时：各种基因按照需求的时间准确地开放、封锁。n空：各种独立的反应之间协调、制约、限制的关空：各种独立的反应之间协调、制约、限制的关系。系。n度：正常基因、肿瘤基因表达平衡为正常；当肿度：正常基因、肿瘤基因表达平衡为正常；当肿瘤基因过度表达，就形成肿瘤，因此，基因表达瘤基因过度表达，就形成肿瘤，因此，基因表达要有度。要有度。第一节第一节 概述概述n五、基因表达调控的意义五、基因表达调控的意义n1、基因表达调控与基因表达一样是生命的基础。、基因表达调控与基因表达一样是生命的基础。n2、是高级生命的重要的机制和标志。、是高级生命

5、的重要的机制和标志。n 细胞细胞组织组织机体体系机体体系 高级生命高级生命n3、学术研究：是现代分子生物学的一个发展方、学术研究：是现代分子生物学的一个发展方向，是系统分子生物学的基础。向，是系统分子生物学的基础。第二节第二节 研究内容研究内容n一、基本内容一、基本内容n转录前水平调节转录前水平调节n转录水平调节转录水平调节n转录后加工水平调节转录后加工水平调节n翻译水平调节翻译水平调节n翻译后加工水平调节翻译后加工水平调节n其中转录水平和翻译水平是关键环节，而转录其中转录水平和翻译水平是关键环节，而转录水平又是最主要的调节。水平又是最主要的调节。第二节第二节 研究内容研究内容n二、研究对象二

6、、研究对象n1、酶：、酶：n酶是调节的基础，酶具有多种调节功能。酶是调节的基础，酶具有多种调节功能。n酶也有结合其他调节因子的部位。酶也有结合其他调节因子的部位。n如：变构酶如：变构酶+激活因子激活因子n 变构酶变构酶+抑制因子抑制因子n所以，酶是实现调节的中心环节所以，酶是实现调节的中心环节第二节第二节 研究内容研究内容n二、研究对象二、研究对象n2、DNA和和RNA特殊序列及空间结构特殊序列及空间结构n进化上很保守的进化上很保守的DNA序列起基因表达调控作用，序列起基因表达调控作用，这些特殊调控序列称为顺式调控元件这些特殊调控序列称为顺式调控元件cis-acting element）。）。

7、n3、蛋白质因子：、蛋白质因子：n有大量蛋白质因子在调控中其决定性作用，这有大量蛋白质因子在调控中其决定性作用，这些起调控作用的蛋白称为反式调控因子些起调控作用的蛋白称为反式调控因子trans-acting factor）。）。n与某些调控序列结合的调节蛋白是细胞外化学与某些调控序列结合的调节蛋白是细胞外化学信号的受体。这些调控序列称为应答元件信号的受体。这些调控序列称为应答元件RE），其与化学信号），其与化学信号-受体复合物的结合是信受体复合物的结合是信号转导的一个效应环节。号转导的一个效应环节。第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n一、原核生物基因表达调控的特点一、原

8、核生物基因表达调控的特点n1、基因以操纵子为单位进行转录、基因以操纵子为单位进行转录 n操纵子操纵子operon是原核生物基因的转是原核生物基因的转录单位，由启动子、操纵基因及其所控制录单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一个或一组结构基因组成。的一个或一组结构基因组成。n2、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n不同的不同的 因子与核心酶结合，可以转录不因子与核心酶结合，可以转录不同的基因。环境变化可以诱导产生特定的同的基因。环境变化可以诱导产生特定的 因子，启动转录特定的基因。已经确定因子，启动转录特定的基因。已经确定的的 因子有因子有70、54、32、38 、 28 、

9、 24 。大肠杆菌中的各种因子比较因子因子编码基因编码基因主要功能主要功能7070RpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控5454RpoN参与多数氮源利用基因的调控38 38 RpoH分裂间期特异基因的表达调控3232RpoS热休克基因的表达调控28 28 RpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控2424RpoE过度热休克基因的表达调控第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n一、原核生物基因表达调控的特点一、原核生物基因表达调控的特点n3、基因表达既有正调控，又有负调控、基因表达既有正调控，又有负调控n4、既有可诱导调节又有可阻遏调节、既有可诱导调节又有可阻遏调节n可诱

10、导调节：是指一些基因在特殊的代谢可诱导调节：是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。使基因活化。n一般地，可诱导基因总是一些编码糖和氨一般地，可诱导基因总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因。基酸分解代谢蛋白的基因。n可阻遏调节：是指一些基因平时是开启的，可阻遏调节：是指一些基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作状态，由于某处在产生蛋白质或酶的工作状态，由于某些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因表达。

11、阻遏了基因表达。n一般地，可阻遏基因是一些合成各种细胞一般地，可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程中所必需的小分子化合物如氨代谢过程中所必需的小分子化合物如氨基酸、嘌呤、嘧啶等的基因。基酸、嘌呤、嘧啶等的基因。第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n一、原核生物基因表达调控的特点一、原核生物基因表达调控的特点n5、基因表达存在应急应答调控机制、基因表达存在应急应答调控机制n细菌遇到紧急状况，如氨基酸饥饿氨基酸全细菌遇到紧急状况，如氨基酸饥饿氨基酸全面匮乏时，细菌就会产生应急反应面匮乏时，细菌就会产生应急反应停止停止几乎全部的生物化学反应。实施这一反应的信几乎全部的生物化学反

12、应。实施这一反应的信号是号是ppGpp和和pppGpp。n当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的基酸的tRNA，这种空载的，这种空载的tRNA会激活焦磷酸会激活焦磷酸转移酶，使转移酶，使ppGpp大量合成，大量合成，ppGpp的出现回的出现回关闭许多基因，也会打开一些合成氨基酸的基关闭许多基因，也会打开一些合成氨基酸的基因，以应对这种紧急状况。因，以应对这种紧急状况。第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n二、转录水平调控二、转录水平调控n（一调控因素（一调控因素n原核生物基因的转录调控是由原核生物基因的转录调控是由RNA 聚

13、合酶、调聚合酶、调控序列和调节蛋白决定的。控序列和调节蛋白决定的。n1、调控序列、调控序列 n原核生物基因的调控序列包括启动子、终止子、原核生物基因的调控序列包括启动子、终止子、操纵基因和分解代谢物基因激活蛋白结合位点操纵基因和分解代谢物基因激活蛋白结合位点CAP位点位点启动子启动子操纵基因操纵基因结构基因结构基因终止子终止子第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n二、转录水平调控二、转录水平调控n（一调控因素（一调控因素n1、调控序列、调控序列 n（1操纵基因操纵基因operator）：是调节蛋白的结合位点。）：是调节蛋白的结合位点。当调节蛋白与操纵基因结合时，当调节蛋白

14、与操纵基因结合时，RNA 聚合酶不能与启动聚合酶不能与启动子结合，即使结合也不能启动结构基因的解链和转录。子结合，即使结合也不能启动结构基因的解链和转录。n（2分解代谢物基因激活蛋白结合位点：简称分解代谢物基因激活蛋白结合位点：简称CAP 位位点，位于启动子上游，是分解代谢物基因激活蛋白点，位于启动子上游，是分解代谢物基因激活蛋白CAP的结合位点。当的结合位点。当CAP 结合于结合于CAP 位点时，可位点时，可以增强以增强RNA 聚合酶的转录活性，从而促进转录。聚合酶的转录活性，从而促进转录。CAP位点位点启动子启动子操纵基因操纵基因结构基因结构基因终止子终止子第三节第三节 原核生物的基因表达

15、调控原核生物的基因表达调控n二、转录水平调控二、转录水平调控n（一调控因素（一调控因素n2、调节蛋白、调节蛋白 n原核生物基因的调节蛋白都是原核生物基因的调节蛋白都是DNA 结合蛋白，通过与调结合蛋白，通过与调控序列结合影响转录。控序列结合影响转录。n（1分类：分类：n特异因子特异因子specificity factor）：即转录起始因子）：即转录起始因子，决定决定RNA 聚合酶与启动子识别和结合的特异性；聚合酶与启动子识别和结合的特异性；n阻遏蛋白阻遏蛋白repressor）：与操纵基因结合，阻遏）：与操纵基因结合，阻遏RNA 聚合酶结合、转录，产生负调控效应；聚合酶结合、转录，产生负调控效

16、应；n激活蛋白激活蛋白activator）：与）：与CAP 位点结合，促进位点结合，促进RNA聚合酶结合、转录，产生正调控效应。聚合酶结合、转录，产生正调控效应。第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n二、转录水平调控二、转录水平调控n（一调控因素（一调控因素n2、调节蛋白、调节蛋白 n（2作用模式：调节蛋白的调控作用受诱导物和阻遏物作用模式：调节蛋白的调控作用受诱导物和阻遏物等环境信号影响。诱导物和阻遏物与调节蛋白结合，改变等环境信号影响。诱导物和阻遏物与调节蛋白结合，改变调节蛋白构象，影响调节蛋白与调控序列的结合，调控基调节蛋白构象，影响调节蛋白与调控序列的结合，调控基

17、因表达。因表达。n根据调控机制的不同分为负转录调控系统和正转录调控系根据调控机制的不同分为负转录调控系统和正转录调控系统。统。n负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白，起阻止负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白，起阻止基因转录的作用，据其作用分为负控诱导系统和负控阻遏基因转录的作用，据其作用分为负控诱导系统和负控阻遏系统。系统。n正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白，也可分正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白，也可分为正控诱导系统和正控阻遏系统。为正控诱导系统和正控阻遏系统。负控诱导系统：阻遏蛋白不与诱导物结合时，结构基因不转录。当阻遏蛋白当阻遏蛋白与诱导物结与诱导物结合

18、，阻遏蛋合，阻遏蛋白从操纵基白从操纵基因上下来，因上下来，结构基因开结构基因开始转录。始转录。 负控阻遏系统：阻遏蛋白与阻遏物结合时，结构基因不转录。正控诱导系统：诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，基因开启正控阻遏系统：阻遏物的存在使激活蛋白处于非活性状态，基因关闭。原核基因转录调控的类型及特点原核基因转录调控的类型及特点调节物结合到调节物结合到DNA上上正调控正调控负调控负调控是基因开启基因关闭否基因关闭基因开启在调控过程中：在调控过程中：基因由关闭基因由关闭 开启开启 诱导调节诱导调节基因由开启基因由开启 封锁封锁 阻遏调节阻遏调节小结小结第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基

19、因表达调控n二、转录水平调控二、转录水平调控n（二乳糖操纵子（二乳糖操纵子n1960 年，年，Jacob 和和Monod1965 年诺贝尔生年诺贝尔生理学或医学奖获得者提出乳糖操纵子模型，理学或医学奖获得者提出乳糖操纵子模型，被视为阐述原核生物基因转录调控机制的经典被视为阐述原核生物基因转录调控机制的经典模型。模型。1乳糖操纵子的结构 大肠杆菌乳糖操纵子lac operon包含三个结构基因lacZ、lacY 和lacA，分别编码催化乳糖代谢的酶：-半乳糖苷酶、半乳糖苷通透酶和硫代半乳糖苷转乙酰基酶。结构基因上游还有操纵基因lacO、启动子lacP 和CAP 位点2乳糖操纵子的负控诱导系统乳糖操

20、纵子上游存在调节基因lacI，组成性表达阻遏蛋白lacI。lacI 为同四聚体，在没有乳糖时会与lacO 结合，阻挡RNA 聚合酶沿着DNA 模板移动，即阻遏转录，转录启动效率极低。2乳糖操纵子的负控诱导系统在有乳糖存在时，乳糖被微量存在的-半乳糖苷酶催化水解，同时生成少量副产物别乳糖半乳糖苷16 葡萄糖）。别乳糖作为诱导物与lacI 结合使之变构，不再与lacO 结合，因而不再阻遏RNA 聚合酶移动，乳糖操纵子转录启动效率可以提高1,000 倍。3乳糖操纵子的正控诱导系统CAP是乳糖操纵子的激活蛋白，CAP的激活效应受cAMP浓度的控制。在大肠杆菌细胞内cAMP 的浓度与葡萄糖的浓度呈负相关

21、。当葡萄糖缺乏时，cAMP浓度高，cAMP-CAP 复合物浓度高，与CAP 位点的结合效应强，通过与RNA 聚合酶亚基作用促进其与启动子的结合，可以将转录启动效率提高50 倍第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n二、转录水平调控二、转录水平调控n（三色氨酸操纵子（三色氨酸操纵子n1色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构 n大肠杆菌色氨酸操纵子编码合成色氨酸的酶类，受操纵基大肠杆菌色氨酸操纵子编码合成色氨酸的酶类，受操纵基因和衰减子双重负调控。因和衰减子双重负调控。n色氨酸操纵子包含五个结构基因，分别为色氨酸操纵子包含五个结构基因，分别为trpE、trpD、trpC、trpB

22、 和和trpA，编码三种酶，用于合成色氨酸。，编码三种酶，用于合成色氨酸。n结构基因上游还有操纵基因结构基因上游还有操纵基因trpO、启动子、启动子trpP 和前导序列和前导序列trpL。2色氨酸操纵子的阻遏调控色氨酸操纵子的阻遏调控 色氨酸操纵子上游存在调节基因色氨酸操纵子上游存在调节基因trpR，编码同二聚，编码同二聚体阻遏蛋白体阻遏蛋白trpR。（1当培养基色氨酸缺乏时，游离的阻遏蛋白当培养基色氨酸缺乏时，游离的阻遏蛋白trpR 不能与操纵基因不能与操纵基因trpO 结合，结合，RNA 聚合酶可以聚合酶可以有效地转录结构基因，最终提高色氨酸的合成速度有效地转录结构基因，最终提高色氨酸的合

23、成速度（2当培养基色氨酸充足时，色氨酸作为阻遏物与阻遏蛋白trpR 结合，使之变构成为活性trpR，与操纵基因trpO 结合，阻遏RNA 聚合酶与启动子trpP 结合。已经转录的mRNA 也很快降解其半衰期约3 min），最终降低色氨酸的合成速度。3色氨酸操纵子的衰减调控色氨酸操纵子的衰减调控是通过控制一个前导肽的合成来进行的。是通过控制一个前导肽的合成来进行的。（1当培养基色氨酸缺乏时，色氨酰tRNA 供给不足，合成前导肽的核糖体停滞于序列1 的色氨酸密码子位点，序列2 与序列3 形成茎环结构，使序列3 不能与序列4 形成衰减子结构，下游的结构基因可以被RNA 聚合酶有效转录。（2当培养基色

24、氨酸充足时，色氨酰tRNA 供给充足，核糖体迅速翻译序列1 合成前导肽，并对序列2 形成约束，使序列3 不能与序列2 形成茎环结构，转而与序列4 形成转录终止子结构衰减子，使下游正在转录结构基因的RNA 聚合酶脱落，终止转录。第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n三、翻译水平的调控三、翻译水平的调控n原核生物基因表达在翻译水平上的调控与原核生物基因表达在翻译水平上的调控与mRNA 稳定性、稳定性、5端端SD 序列、翻译阻遏、序列、翻译阻遏、反义反义RNA、核糖开关及、核糖开关及RNA 干扰有关。干扰有关。n1、mRNA 稳定性稳定性 n细菌的增殖周期是细菌的增殖周期是20

25、30 min，所以细菌，所以细菌代谢速度很快，需要快速合成或降解代谢速度很快，需要快速合成或降解mRNA 以适应环境变化。原核生物不同以适应环境变化。原核生物不同mRNA 的半衰期不同，多数为的半衰期不同，多数为23min。降解降解mRNA 的酶主要是的酶主要是3核酸外切酶。如核酸外切酶。如果果mRNA 的的3端存在茎环结构，可以提高端存在茎环结构，可以提高mRNA 的稳定性，抵抗的稳定性，抵抗3核酸外切酶的降核酸外切酶的降解。破坏茎环结构将降低解。破坏茎环结构将降低mRNA 的稳定性。的稳定性。第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n三、翻译水平的调控三、翻译水平的调控n

26、2、SD 序列序列 nmRNA 的翻译效率受控于的翻译效率受控于SD 序列。序列。SD序序列与核糖体列与核糖体16SrRNA的的3端序列结合，决端序列结合，决定翻译的起始。定翻译的起始。mRNA的的SD序列与共有序列与共有序列的差异；序列的差异； mRNA的的SD序列与起始密序列与起始密码子的距离。这些都影响翻译。码子的距离。这些都影响翻译。n3、翻译阻遏、翻译阻遏n在大肠杆菌在大肠杆菌RNA噬菌体噬菌体Q中发现这种现象。中发现这种现象。n体外实验证明，纯化的复制酶可以和外壳蛋体外实验证明，纯化的复制酶可以和外壳蛋白的翻译起始区结合，抑制蛋白质的合成。白的翻译起始区结合，抑制蛋白质的合成。成熟

27、蛋白基因成熟蛋白基因A 外壳蛋白基因外壳蛋白基因 RNA复制酶基因复制酶基因（+）第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n三、翻译水平的调控三、翻译水平的调控n4、反义、反义RNA n反义反义RNAasRNA是一类小分子单链是一类小分子单链RNA，与细胞内，与细胞内mRNA 序列也包括其他序列也包括其他RNA互补，在原核细胞内广泛存在，染互补，在原核细胞内广泛存在，染色体、质粒、噬菌体、转座子等都含有反义色体、质粒、噬菌体、转座子等都含有反义RNA 编码序列。编码序列。n研究表明反义研究表明反义RNA 参与基因表达调控，作参与基因表达调控，作用机制包括阻遏复制、转录、转录后

28、加工及用机制包括阻遏复制、转录、转录后加工及mRNA 的转运和翻译，促进的转运和翻译，促进mRNA 降解。降解。第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n三、翻译水平的调控三、翻译水平的调控n4、反义、反义RNA n作用环节：作用环节：n在复制环节，反义在复制环节，反义RNA 可以与可以与RNA 引物引物结合，阻遏复制。结合，阻遏复制。n在转录环节，反义在转录环节，反义RNA 可以与可以与RNA 结合，结合，阻遏转录。阻遏转录。n在翻译环节，反义在翻译环节，反义RNA 与靶与靶mRNA 的的SD 序列或开放阅读框结合，阻遏翻译；或序列或开放阅读框结合，阻遏翻译；或结合之后使结

29、合之后使mRNA 被被RNase 降解。降解。RNase 是一类核酸内切酶，催化切割双是一类核酸内切酶，催化切割双链链RNA，生成带有二碱基，生成带有二碱基3黏端的双链黏端的双链RNA 片段。片段。第三节第三节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控n三、翻译水平的调控三、翻译水平的调控n5、核糖开关、核糖开关 除了蛋白质与核酸之外，一些除了蛋白质与核酸之外，一些小分子也可以调控基因表达。小分子也可以调控基因表达。n研究发现细菌研究发现细菌mRNA 中含有一种保守序列，中含有一种保守序列，它主要位于它主要位于5非翻译区内，可以与特定小分非翻译区内，可以与特定小分子结合而改变子结合而改变m

30、RNA 构像，从而影响翻译构像，从而影响翻译效率以及效率以及mRNA 寿命。这种序列称为核糖寿命。这种序列称为核糖开关开关riboswitch）。）。n核糖开关可以特异性结合代谢物核糖开关可以特异性结合代谢物 ，通过构，通过构象变化象变化 ,在转录或翻译水平上调节基因表达在转录或翻译水平上调节基因表达 。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n真核生物的基因表达调控涉及DNA 和染色体水平、转录水平、转录后加工水平、翻译水平和翻译后修饰水平等环节，其中转录水平依然是最主要的调控环节。n一、真核生物基因表达调控的特点n1、调控环节更多 n有些环节是原核生物没有的，例如mRNA

31、 的转录后加工。多多调调控控环环节节第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n一、真核生物基因表达调控的特点n2、既有瞬时调控又有发育调控 n瞬时调控也称为可逆性调控，相当于原核细胞对环境变化作出的反应，是通过改变代谢物水平或激素水平、引起细胞内某些酶或特异蛋白质合成的改变来实现的。n发育调控也称为不可逆性调控，在正常情况下，体细胞的生长和分化遵循一定程序，使个体发育顺利进行。 瞬时调控 发育调控第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n一、真核生物基因表达调控的特点n3、染色质结构变化影响转录效率 n真核生物DNA 与蛋白质形成染色质结构。基因表达过程中发

32、生DNA 与蛋白质的解离，以暴露特定DNA 序列。真核生物还能根据生长发育的需要进行DNA 重排、甚至扩增某些基因。n4、转录调控以正调控为主 n真核生物的RNA 聚合酶对启动子的亲和力小，必须依赖多种调节蛋白的协助才能结合。真核生物既有起正调控作用的调控序列和调节蛋白，又有起负调控作用的调控序列和调节蛋白，但负调控并不普遍，以正调控为主。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n一、真核生物基因表达调控的特点n5、调节蛋白种类繁多，作用机制复杂 n真核生物调节蛋白种类远多于原核生物，并且不都是DNA 结合蛋白。可以有十几种甚至几十种调节蛋白与RNA 聚合酶装配成转录起始复合

33、物，调节一种基因的表达。n6、转录后加工更复杂 n与原核生物相比，真核生物的mRNA 前体只是一个初级转录产物，其后加工过程是真核生物基因表达必不可少的环节。实际上，只有很少的mRNA 最终到达细胞质，指导蛋白质合成。这显然是基因表达调控的结果。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n一、真核生物基因表达调控的特点n7、转录和翻译分隔进行，存在时空隔离 n真核生物的细胞核和细胞质是被核膜分隔的两个不同的区域，这使真核生物可以通过信号转导途径及mRNA 转运途径调控基因表达。n8、翻译及翻译后修饰更复杂 n参与翻译的除了有更多的蛋白因子之外，还有小分子ncRNA；翻译后修饰内

34、容丰富，涉及各种修饰因子，修饰场所遍布细胞内各个部位。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n二、染色质和DNA水平的调控nDNA 水平调控的本质是改变染色质和DNA 的结构n1、染色质结构改变n异染色质结构紧密，没有转录活性；常染色质结构疏松，包含转录区。组蛋白可以看成是真核生物基因转录的阻遏蛋白。组蛋白与DNA 的结合与解离是真核生物基因表达调控的重要环节之一。n2、DNA 甲基化 n由甲基化酶催化，主要是CpG 岛中特定CpG 序列的胞嘧啶被甲基化，形成5-甲基胞嘧啶；另有少量腺嘌呤也可以被甲基化，形成N6-甲基腺嘌呤。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基

35、因表达调控n二、染色质和DNA水平的调控甲基化改变甲基化改变DNA 构象，导构象，导致染色质结构改变；甲基致染色质结构改变；甲基化影响化影响DNA 与蛋白质的相与蛋白质的相互作用，因而影响启动子互作用，因而影响启动子与转录因子的结合。与转录因子的结合。DNA 甲基化导致基因沉默甲基化导致基因沉默gene silencing），），DNA 去甲基化导致基因激去甲基化导致基因激活活gene activation）第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n二、染色质和DNA水平的调控n3、基因重排 n基因重排可以使一个基因更换调控序列，例如置于另一个强启动子或增强子的控制之下，从而

36、提高表达效率。通过基因重排获得功能型免疫球蛋白重链基因通过基因重排获得功能型免疫球蛋白重链基因第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n二、染色质和二、染色质和DNA水平的调控水平的调控n4、基因扩增、基因扩增 n基因扩增基因扩增gene amplification也称为也称为DNA 扩增扩增DNA amplification），是细胞内单独复制某一），是细胞内单独复制某一个或一组基因拷贝、从而增加基因拷贝数的过程，个或一组基因拷贝、从而增加基因拷贝数的过程，是细胞为了适应生长环境而在短时间内大量表达特是细胞为了适应生长环境而在短时间内大量表达特定基因产物的一种有效方式。定基

37、因产物的一种有效方式。n基因扩增产物以两种形式存在：基因扩增产物以两种形式存在：n在染色体某一位点形成串联重复序列，成为一个在染色体某一位点形成串联重复序列，成为一个均染区均染区HSR）。）。n形成独立于染色体之外的极微染色体形成独立于染色体之外的极微染色体mini-chromosome构造。构造。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n二、染色质和二、染色质和DNA水平的调控水平的调控n4、基因扩增、基因扩增 n基因扩增在真核生物中普遍存在：基因扩增在真核生物中普遍存在：n某些类型的正常细胞在其生长发育过程中需要大某些类型的正常细胞在其生长发育过程中需要大量相关蛋白，常常

38、通过基因扩增方式来促进表达量量相关蛋白，常常通过基因扩增方式来促进表达量增加。增加。n基因扩增赋予肿瘤细胞抗药性。例如甲氨蝶呤基因扩增赋予肿瘤细胞抗药性。例如甲氨蝶呤MTX抑制肿瘤细胞内二氢叶酸还原酶抑制肿瘤细胞内二氢叶酸还原酶DHFR的活性，使的活性，使dTMP 合成减少，从而杀死细胞；在甲合成减少，从而杀死细胞；在甲氨蝶呤培养基中培养一段时间之后，其二氢叶酸还氨蝶呤培养基中培养一段时间之后，其二氢叶酸还原酶基因原酶基因dhfr扩增，拷贝数可以增加扩增，拷贝数可以增加200250 倍，从而抵抗更高浓度甲氨蝶呤的杀伤作用。倍，从而抵抗更高浓度甲氨蝶呤的杀伤作用。是原癌基因的激活方式之一是原癌基

39、因的激活方式之一第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n二、染色质和DNA水平的调控n5、染色质丢失 n一些低等真核生物在细胞发育过程中丢失染色质或染色质片段。某些基因在丢失这些片段之前并不表达，丢失之后才表达。因此，这些片段的存在可能阻遏了相关基因的表达。高等生物也有染色质丢失，例如红细胞在成熟过程中丢失整个细胞核。染色质丢失属于不可逆性调控。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控三、转录水平的调控n转录水平的调控主要通过转录水平的调控主要通过RNA 聚合酶、调控序列聚合酶、调控序列和调节蛋白的相互作用来实现。其中和调节蛋白的相互作

40、用来实现。其中RNA 聚合酶聚合酶催化合成催化合成mRNA 前体，前体，mRNA 前体加工成为前体加工成为mRNA。所以。所以RNA 聚合酶聚合酶是转录调控的核心。是转录调控的核心。n（一调控序列（一调控序列真核生物调控序列真核生物调控序列第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控三、转录水平的调控n1、启动子、启动子n 真核生物的三种真核生物的三种RNA 聚合酶各识别一类启动子。聚合酶各识别一类启动子。RNA 聚合酶聚合酶识别的启动子通常含有识别的启动子通常含有TATA 框、起框、起始子、上游元件始子、上游元件GC 框或框或CCAAT 框和下游元框和下游元

41、件等。件等。RNA聚合酶聚合酶识别并结合启动子时需要相应识别并结合启动子时需要相应调节蛋白的协助。调节蛋白的协助。n2、增强子、增强子 n1981 年，年，Banerji在在SV40 晚期基因晚期基因late gene区发现一种区发现一种72 bp 的重复序列，它可以使重组的重复序列，它可以使重组SV40 携带的兔血红蛋白携带的兔血红蛋白 亚基基因的表达水平提亚基基因的表达水平提高高200 倍，这是发现的第一个增强子。倍，这是发现的第一个增强子。n增强子增强子enhancer通过启动子提高转录效率。通过启动子提高转录效率。增强子与启动子可以相邻、重叠或包含。它们相互增强子与启动子可以相邻、重叠

42、或包含。它们相互依存、相互作用，决定基因表达的时空特异性。依存、相互作用，决定基因表达的时空特异性。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控三、转录水平的调控n（一调控序列（一调控序列n2、增强子、增强子 n增强子有以下特性：增强子有以下特性：n（1增强效应十分明显：增强子一般能使转录效率增强效应十分明显：增强子一般能使转录效率提高数十倍，甚至上千倍。提高数十倍，甚至上千倍。n（2增强效应与增强子所处的位置和取向无关：增增强效应与增强子所处的位置和取向无关：增强子可以位于结构基因的上游、下游或内部内含强子可以位于结构基因的上游、下游或内部内含子内）；用重组

43、子内）；用重组DNA 技术改变其位置或取向，仍然技术改变其位置或取向，仍然可以产生增强效应。可以产生增强效应。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（一调控序列n2、增强子 n增强子有以下特性：n（3没有基因特异性：增强子与不同结构基因重组均产生增强效应。n（4具有组织细胞特异性：增强子是否产生增强效应，取决于组织细胞内是否存在调节蛋白。增强子只有与调节蛋白结合才能产生增强效应。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（一调控序列n2、增强子 n增强子有以下特性：n（5远距离提高转录效率：增强子通常距离转录起始位

44、点5005,000 bp，有时可达30,000 bp。n（6多含重复对称序列：增强子序列长度一般为100200 bp，由一个或多个独立的称为增强子元enhanson的核心序列组成。核心序列长813 bp，部分序列有回文特征。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（一调控序列n2、增强子 n增强子有以下特性：n（7增强子的作用具有协同性：一个mRNA 基因平均拥有六个增强子，它们共同促进基因表达。n（8许多增强子还受环境信号的调控：例如金属硫蛋白基因的增强子受锌和铬浓度的影响。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控

45、n（一调控序列n2、增强子 n增强子提高转录效率的两种假说：n增强子为调节蛋白提供进入启动子区的位点：不同组织细胞有不同的调节蛋白，同源增强子与调节蛋白具有更强的亲和力；n增强子能够改变染色质的构象，这种改变决定了DNA 与调节蛋白的结合效率。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（一调控序列n3、沉默子 n真核生物阻遏基因转录的调控序列称为沉默子silencer）。沉默子与相应的调节蛋白结合之后，使正调控失去作用。沉默子对丛集基因的选择表达起重要作用。沉默子和增强子协调作用可以决定基因表达的时空顺序。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因

46、表达调控n三、转录水平的调控三、转录水平的调控n（二调节蛋白（二调节蛋白n调控真核生物基因转录的调节蛋白也称为转录因调控真核生物基因转录的调节蛋白也称为转录因子子transcription factor）、反式作用因子）、反式作用因子trans-acting factor），它们通过识别并结合调），它们通过识别并结合调控序列等调控转录。控序列等调控转录。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n1、调节蛋白分类 n对真核生物基因表达起调控作用的调节蛋白可以分为三类：n（1通用转录因子general transcription factor）：

47、是与启动子特异结合并启动转录的调节蛋白，是RNA 聚合酶转录各种基因所必需的，分布在各种细胞内。n（2转录调节因子transcription regulation factor）：是通过与增强子或沉默子结合来调控转录的调节蛋白，其中促进转录的称为转录激活因子transcription activator），阻遏转录的称为转录阻遏因子transcription repressor）。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n1、调节蛋白分类 n对真核生物基因表达起调控作用的调节蛋白可以分为三类：n（3共调节因子mediator）：由Kornbe

48、rg2019 年诺贝尔化学奖获得者于1990 年发现。n共调节因子不是直接与DNA 结合，而是通过蛋白质蛋白质相互作用改变通用转录因子或转录调节因子的构象，从而调控转录。其中促进转录的称为共激活因子coactivator），阻遏转录的称为共阻遏因子corepressor）。n共调节因子的合成和作用受细胞类型和发育阶段的控制，并对细胞外信号产生应答，例如维生素D 受体相互作用蛋白DRIP）。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n2、调节蛋白结构 n调节蛋白含有特定的DNA 结合域、转录激活域或二聚化域。n（1DNA 结合域：调节蛋白通过DN

49、A 结合域DBD与DNA 调控序列结合。许多DNA 结合域含有锌指或螺旋转角螺旋结构。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n2、调节蛋白结构 n锌指zinc finger）：全长约30 个氨基酸，序列中有两对氨基酸Cys2His2 或Cys4通过配位键结合一个Zn2+，形成锌指。n锌指结构属于DNA 结合基序DNA-bindingmotif，是DNA 结合域直接与DNA 结合的部位），单一锌指与DNA 的结合很弱，但DNA 结合蛋白通常含有多个锌指结构。它们同时与DNA 结合，所以结合非常稳定。 锌指锌指 锌指锌指-DNA结合构象结合构象

50、第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n2、调节蛋白结构 n螺旋转角螺旋HTH）：全长约20 个氨基酸，由各含有79 个氨基酸的两个 螺旋通过一个 转角连接，属于DNA 结合基序，其位于C 端的螺旋直接与DNA 双螺旋的大沟特异结合，称为识别螺旋recognition helix）。n螺旋转角螺旋在原核生物DNA 结合蛋白例如LacI、CAP、TrpR中也存在。螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n2、调节蛋白结构 n发育同源域homeodomain）：全长

51、约60 个氨基酸，属于DNA 结合域，通过一个HTH 基序与DNA 结合。发育同源域存在于真核生物的一些DNA 结合蛋白中，调控发育。n发育同源域在结构上及与DNA 的作用方式上极为保守。发育同源域发育同源域第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调三、转录水平的调控控n（二调节蛋白（二调节蛋白n2、调节蛋白结构、调节蛋白结构 n（2转录激活域：转录激活域：激活蛋白除了存在激活蛋白除了存在DNA 结合域之外，结合域之外，还存在与其它转录还存在与其它转录因子特别是共激活因子特别是共激活因子相互作用的部因子相互作用的部位，称为转录激活位，称为转录激活域域TAD）。

52、）。n分为三类：分为三类：第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n2、调节蛋白结构 n（2转录激活域：n酸性激活域：酵母转录激活因子Gal4p 的N 端为含有类锌指的DNA 结合域，C 端为转录激活域。该转录激活域富含酸性氨基酸，所以称为酸性激活域acidic activation domain），其激活作用是由氨基酸的酸性而不是由序列决定的。nGal4p 先形成具有卷曲螺旋coiled-coil结构的同二聚体，然后与上游活化序列UASG ）结合。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n

53、2、调节蛋白结构 n（2转录激活域：n富含谷氨酰胺域：Sp1 是高等真核生物许多基因的转录激活因子，通过靠近C 端的DNA 结合域的三个锌指与GC 框结合。Sp1 有两个转录激活域，称为富含谷氨酰胺域GD），其25%的氨基酸为谷氨酰胺。其它许多转录激活因子也有富含谷氨酰胺域。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n2、调节蛋白结构 n（2转录激活域：n富含脯氨酸域：转录激活因子CTF1 与CCAAT 框结合。CTF1 除了有一个富含碱性氨基酸的DNA 结合域之外，还有一个富含脯氨酸域PD），其20%的氨基酸为脯氨酸。第四节第四节 真核生物的

54、基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n2、调节蛋白结构 n（3二聚化域：真核生物的许多调节蛋白常先形成二聚体，再通过含有锌指的DNA结合域与DNA 结合。n某些结构域是形成二聚体所必需的，称为二聚化域。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n2、调节蛋白结构 n（3二聚化域：目前发现这些二聚化域含有以下基序结构：n亮氨酸拉链：含有规则排列的亮氨酸，亮氨酸之间被六个其他氨基酸隔开。在形成 螺旋时，亮氨酸恰好沿着螺旋一侧排列成行，形成疏水侧面，这种 螺旋为两性结构，称为两性 螺旋。亮氨酸拉链亮氨酸拉链两个两性两个

55、两性 螺螺旋的亮氨酸平旋的亮氨酸平行排列，以疏行排列，以疏水作用相互结水作用相互结合成二聚体，合成二聚体，像拉链一样绞像拉链一样绞在一起，所以在一起，所以称为亮氨酸拉称为亮氨酸拉链链LZ）。）。含有亮氨酸拉链的调节蛋白通常含有含有亮氨酸拉链的调节蛋白通常含有DNA结合域，该结合域富含赖结合域，该结合域富含赖氨酸氨酸/精氨酸，可以与精氨酸，可以与DNA 骨架中带负电荷的磷酸基结合。骨架中带负电荷的磷酸基结合。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n2、调节蛋白结构 n（3二聚化域：目前发现这些二聚化域含有以下基序结构：n碱性螺旋-环-螺旋HL

56、H） ：n由一个螺旋-环-螺旋和一个碱性短序列构成。 螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋（a螺旋螺旋-环环-螺旋长约螺旋长约50 个个氨基酸，由两段两性氨基酸，由两段两性螺旋通螺旋通过一段长度不一的环连接构成，过一段长度不一的环连接构成，所以称为螺旋所以称为螺旋-环环-螺旋螺旋HLH）。两个螺旋）。两个螺旋-环环-螺旋螺旋通过一端的亮氨酸相互结合，通过一端的亮氨酸相互结合，形成二聚体。形成二聚体。（b富含碱性氨基酸的短序富含碱性氨基酸的短序列位于螺旋列位于螺旋-环环-螺旋的另一端，螺旋的另一端，与亮氨酸拉链一端的碱性区类与亮氨酸拉链一端的碱性区类似，直接与似，直接与DNA 结合。这种结合。这种碱性螺旋碱

57、性螺旋-环环-螺旋螺旋bHLH结结构存在于部分真核生物的调节构存在于部分真核生物的调节蛋白中，在多细胞生物的发育蛋白中，在多细胞生物的发育过程中参与基因表达调控。过程中参与基因表达调控。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n三、转录水平的调控n（二调节蛋白n3、调节蛋白调节 n调节蛋白通过数量调节、化学修饰调节、变构调节、蛋白质蛋白质相互作用等方式形成活性结构，调节基因表达。n调节蛋白与调控序列的结合具有相对特异性：一种调节蛋白能与一种或多种调控序列结合；一种调控序列能与一种或多种调节蛋白结合。真核生物调节蛋白活性调节方式调节方式举例数量调节转录因子E2F化学修饰调节信号

58、转导和转录激活因子（STAT）变构调节糖皮质激素受体（GR）蛋白质蛋白质相互作用转录因子Myc-Max第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n四、转录后加工水平的调控n1、加帽和加尾 n真核生物的mRNA 转录时要在5端加接帽子。不同帽子结构的甲基化程度不同。真核生物的mRNA 转录之后还要在3端加接poly(A)尾。n除了组蛋白mRNA 之外，真核生物的mRNA 都有poly(A)尾。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n四、转录后加工水平的调控n2、选择性剪接 n利用多个5端转录起始位点或剪接位点产生不同蛋白质：小鼠肌球蛋白轻链基因第四节第四节 真

59、核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n四、转录后加工水平的调控n2、选择性剪接 n利用多个5端转录起始位点或剪接位点产生不同蛋白质：小鼠肌球蛋白轻链基因n利用多个加polyA位点和不同剪接方式产生不同的蛋白质：大鼠降钙素基因，高等生物免疫球蛋白M、D、E、G和H基因，人血纤维蛋白原基因等。pre-mRNA不同的剪接方式造成不同的剪接方式造成不同组织中不同的降钙素样蛋白不同组织中不同的降钙素样蛋白第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n四、转录后加工水平的调控n3、转运 n只有约20%的mRNA 进入细胞质，留在细胞核内的mRNA 有50%在一小时内被降解。mRNA 从

60、细胞核向细胞浆转运的机制目前尚未阐明，但以下事实表明转运受到调控：nmRNA 的出核过程是一个主动转运过程；nmRNA 与特定蛋白质装配成mRNP 才能转运出核。此外还有选择性剪接、编辑和转录后基因沉默等。第四节第四节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控n五、翻译水平的调控n真核生物翻译调控比原核生物更重要：n一些较大基因的转录及转录后加工时间长达数小时，可以调控已有mRNA 的翻译活性，满足急需；n有些基因的翻译调控属于微调；n一些无核细胞对已有mRNA 的翻译进行调控。翻译水平的调控主要表现在控制mRNA 稳定性、翻译因子活性和选择性翻译，其中mRNA 的5非翻译区和3非翻译区是