基因表达调控RegulationofGeneExpression000002学习教案

1、会计学1基因表达基因表达(biod)调控调控RegulationofGeneExpression000002第一页，共47页。第1页/共46页第二页，共47页。第一节第一节 基因表达调控概念基因表达调控概念(ginin)(ginin) 与转录调节基本要素与转录调节基本要素 一、一、 基因表达的概念基因表达的概念(ginin)(ginin) 二、二、 基因表达的特点基因表达的特点 三、三、 基因表达的方式基因表达的方式 四、四、 基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义 五、五、 基因转录激活调节的基本要素基因转录激活调节的基本要素 第2页/共46页第三页，共47页。第3页/共46页第四

2、页，共47页。对于多细胞生物，即使处在对于多细胞生物，即使处在同一生长同一生长(shngzhng)(shngzhng)发育阶发育阶段，不同组织细胞内的基因表达段，不同组织细胞内的基因表达水平也是不一致的，称此为空间水平也是不一致的，称此为空间特异性（又称细胞特异性或组织特异性（又称细胞特异性或组织特异性）。特异性）。第4页/共46页第五页，共47页。管家基因较少受环境因素的影响，管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。多数细胞中持续表达。第5页/共46页第六页，共47页。第6页/共46页第七页，共47页。第7页/共46页第八页，

3、共47页。第8页/共46页第九页，共47页。五、基因转录激活调节基本要素五、基因转录激活调节基本要素 （一）（一） 特异特异DNA序列序列(xli) （二）（二） 调节蛋白调节蛋白 （三）（三） RNA聚合酶聚合酶第9页/共46页第十页，共47页。原核生物的特异原核生物的特异DNADNA序列序列 原核生物基因表达与调控是通过操纵子机制来实原核生物基因表达与调控是通过操纵子机制来实现的。现的。 操纵子操纵子 是由功能上相关联的多个编码序列（结构基因）是由功能上相关联的多个编码序列（结构基因）及其上游及其上游 的调控序列成簇串联在一起构成的一个转录的调控序列成簇串联在一起构成的一个转录(zhun

4、(zhun l)l)协调单位。协调单位。 调控序列调控序列 包括操纵序列包括操纵序列(O)(O)、启动序列、启动序列(P)(P)和调节基因和调节基因(I/R)(I/R)等组件。等组件。 （一）特异（一）特异(ty)DNA(ty)DNA序列序列第10页/共46页第十一页，共47页。 操纵子操纵子调节基因调节基因 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 编码序列（结构基编码序列（结构基因）因） 表达表达(biod) 转录转录ICAPPOZYA阻遏阻遏(z )蛋白蛋白结合部位结合部位RNARNA聚合酶聚合酶结合部位结合部位多顺反子多顺反子mRNAmRNA 功能上相关联的多个结构基因受同一启动序列功能上相

5、关联的多个结构基因受同一启动序列(xli)(xli)调控，被一起转录和翻译生成多种蛋白质的调控，被一起转录和翻译生成多种蛋白质的 mRNA mRNA 。启动序列启动序列(xli)(xli)（P P）：）： 其中的其中的-35-35区区 -10 -10区是区是RNARNA聚合酶识别并结合的部位。聚合酶识别并结合的部位。 多顺反子多顺反子mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白（负性调节）（负性调节） （ 正性调节正性调节）多种蛋白质多种蛋白质第11页/共46页第十二页，共47页。 原核生物的共有(n yu)序列 RNA RNA聚合酶（聚合酶（因子）识别并结合启动部位因子）识别并结合启动部位(bwi)(b

6、wi)特异碱基序列特异碱基序列 DNA DNA双链局部解开双链局部解开 RNA RNA聚合酶移向转录起始点聚合酶移向转录起始点 启动转录启动转录 转录转录(zhun l)起始点起始点-35-35区区-10-10区区第12页/共46页第十三页，共47页。真核生物真核生物(shngw)(shngw)的特异的特异DNADNA序列序列 真核生物真核生物(shngw)(shngw)基因组中含有可基因组中含有可以调控自身基因表达的特异以调控自身基因表达的特异DNADNA序列，称为顺序列，称为顺式作用元件。式作用元件。 顺式作用元件能够被各种转顺式作用元件能够被各种转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表

7、录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达活性。达活性。 启动子启动子 顺式作用元件又分顺式作用元件又分 增强增强子子 沉默子沉默子第13页/共46页第十四页，共47页。（1 1）启动子）启动子 是是RNARNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件。聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件。 包括转录起始包括转录起始(q sh)(q sh)点、共有序列点、共有序列TATATATA盒（核心盒（核心序列）以及序列）以及GCGC盒或盒或CAATCAAT盒等盒等 共有共有(n yu)序列序列 110bp -30 -25bp CAATCAAT盒盒 GCGC盒盒 TATATATA盒盒 TFD TFDR

8、NA PolRNA Pol结合结合(jih)(jih)位点位点（2 2）增强子）增强子 是增强启动子转录活性的特异是增强启动子转录活性的特异DNADNA序列。序列。 （远离转录起始点，位置灵活，其作用与启动子相互依存）远离转录起始点，位置灵活，其作用与启动子相互依存） （3 3）沉默子）沉默子 对基因转录起阻遏作用的特异对基因转录起阻遏作用的特异DNADNA序列，属于负性调控元件。序列，属于负性调控元件。 第14页/共46页第十五页，共47页。原核生物的调节蛋白（原核生物的调节蛋白（3类）类）特异因子特异因子 决定决定RNA聚合酶对启动聚合酶对启动(qdng)序列的特异识别序列的特异识别和结合

9、能力；和结合能力； (如，如，RNA聚合酶的聚合酶的 因子因子)阻遏蛋白阻遏蛋白 通过与操纵序列结合，阻遏基因转录，发挥负性通过与操纵序列结合，阻遏基因转录，发挥负性调控作用；调控作用； （由调节基因表达的阻遏蛋白）（由调节基因表达的阻遏蛋白）激活蛋白激活蛋白 与启动与启动(qdng)子上游子上游DNA序列结合，促进序列结合，促进RNA聚合酶转录活性，发聚合酶转录活性，发 挥正性调控作用。（如，挥正性调控作用。（如，CAP分解代谢物基因活化分解代谢物基因活化蛋白）蛋白）第15页/共46页第十六页，共47页。 2. 真核生物的调节蛋白真核生物的调节蛋白 反式作用因子反式作用因子 能直接或间接与顺

10、式作用元件相互作用，进而能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录调控基因转录(zhun l)的一类调节蛋白，统称的一类调节蛋白，统称为反式（作用）因子。为反式（作用）因子。 按其功能不同，常有以下三类：按其功能不同，常有以下三类： 基本转录基本转录(zhun l)因子因子 转录转录(zhun l)调节因子调节因子 共调节因子共调节因子 第16页/共46页第十七页，共47页。第17页/共46页第十八页，共47页。转录转录(zhun l)(zhun l)前起始复合体的组装（前起始复合体的组装（PIC)PIC)第18页/共46页第十九页，共47页。(2) (2) 转录调节因子转录调节因子

11、 这类调节蛋白能识别并结合转录起始点上游的调控序这类调节蛋白能识别并结合转录起始点上游的调控序列或远端的增强子元件，通过蛋白质列或远端的增强子元件，通过蛋白质-DNA-DNA相互作用而影响转录相互作用而影响转录活性。活性。 起激活转录作用起激活转录作用转录激活因子；转录激活因子； 起阻遏转录作用起阻遏转录作用转录阻遏因子。转录阻遏因子。（3 3） 共调节因子共调节因子 另有一类与转录调节因子发生蛋白蛋白相互作用，进而另有一类与转录调节因子发生蛋白蛋白相互作用，进而(jn r)(jn r)影响它们的分子构象，影响转录活性，称共调节因影响它们的分子构象，影响转录活性，称共调节因子。子。 如果与转录

12、激活因子有协同作用如果与转录激活因子有协同作用共激活因子；共激活因子； 与转录阻遏因子有协同作用与转录阻遏因子有协同作用共阻遏因子。共阻遏因子。第19页/共46页第二十页，共47页。 锌子结构锌子结构 亮氨酸拉链亮氨酸拉链(llin)(llin)结构结构第20页/共46页第二十一页，共47页。第21页/共46页第二十二页，共47页。六、基因六、基因(jyn)(jyn)表达的多级调控表达的多级调控 基因结构活化基因结构活化 转录转录(zhun l)(zhun l)水平水平 转录转录(zhun l)(zhun l)起始（基因表达基本起始（基因表达基本控制点）控制点） 转录转录(zhun l)(zh

13、un l)后加工后加工 转录转录(zhun l)(zhun l)后水平后水平 转录转录(zhun l)(zhun l)产物的转运产物的转运 翻译调控翻译调控 翻译水平翻译水平 翻译后加工翻译后加工第22页/共46页第二十三页，共47页。控制区控制区信息信息(xnx)区区结构结构(jigu)基因基因(S)操纵序列（操纵序列（O）启动序列（启动序列（P P）调节基因调节基因（I）CPA第23页/共46页第二十四页，共47页。 乳糖操纵子结构基因(jyn)表达产物第24页/共46页第二十五页，共47页。（一）阻遏（一）阻遏(z )蛋白的负性调节作用蛋白的负性调节作用O O第25页/共46页第二十六页

14、，共47页。2CAP位点位点 操纵操纵(cozng)序列序列RNARNA聚合酶聚合酶 启动启动(qdng)序列序列cAMPmRNA 5 DNA DNA结合结合(jih)(jih)区区与与CAPCAP位点结合位点结合(jih)(jih)CAP(CAP(同二聚体同二聚体),),含含 cAMP cAMP结合结合(jih)(jih)区区 cAMP-CAPcAMP-CAP复合物（有活性）复合物（有活性）CAP（二）（二） CAPCAP的正性调节作用的正性调节作用第26页/共46页第二十七页，共47页。LacLac操纵子基因表达受阻遏蛋白和操纵子基因表达受阻遏蛋白和CAPCAP的双重的双重(shungch

15、ng)(shungchng)调控调控第27页/共46页第二十八页，共47页。O 阻遏阻遏(z )蛋白蛋白 （无活性）（无活性） mRNAtrpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导前导(qindo)trpL衰减衰减(shui jin)子子 结结 构构 基基 因因 调控区调控区二、色氨酸操纵子的调节机制二、色氨酸操纵子的调节机制 （色氨酸合成的酶蛋白）（色氨酸合成的酶蛋白） E1 E2 E3第28页/共46页第二十九页，共47页。O 阻遏阻遏(z )蛋白蛋白 mRNATrp trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA转录生成转录生成162162核苷酸长的前导序列，核苷酸长的前导

16、序列， 可以形成可以形成“衰减衰减(shui jin)(shui jin)子子”结构结构（结构基因（结构基因(jyn)关闭）关闭）调节区调节区 在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的“衰减子衰减子”结构结构，对转录进行更精细的调控。，对转录进行更精细的调控。 色氨酸的负性调控作用色氨酸的负性调控作用 有活性有活性第29页/共46页第三十页，共47页。 衰减衰减(shui jin)子子 结构结构 10、 11第30页/共46页第三十一页，共47页。前导前导(qindo)肽肽核蛋白体核蛋白体衰减衰减(shui jin)子结构子结构RNA聚合酶聚合酶5mRNA10、

17、11位位Trp密码子密码子1234UUUU 3DNADNA前导前导(qindo)肽肽51234Trp结构基因结构基因RNA聚合酶聚合酶 Trp操纵子的转录衰减机制操纵子的转录衰减机制第31页/共46页第三十二页，共47页。第32页/共46页第三十三页，共47页。第33页/共46页第三十四页，共47页。第34页/共46页第三十五页，共47页。1. 1. 高度重复高度重复(chngf)(chngf)序列序列 重复重复(chngf)(chngf)数百万次，序列简单、不到数百万次，序列简单、不到10bp10bp，称为卫，称为卫星星DNADNA；2. 2. 中度重复中度重复(chngf)(chngf)序

18、列序列 重复重复(chngf)(chngf)上千次，序列由几百个上千次，序列由几百个bpbp构成；构成；3. 3. 单拷贝序列单拷贝序列 只出现只出现1 1次或几次。真核生物极大多数为单一结构基因；次或几次。真核生物极大多数为单一结构基因；反向重复反向重复(chngf)(chngf)序列序列 是指在是指在DNADNA链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如：链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如： “ “CGTACC-/-CCATGC-”, CGTACC-/-CCATGC-”, 又称又称“回文结构回文结构”。 第35页/共46页第三十六页，共47页。（五）断裂基因（五）断裂基因 外显子外显子 具

19、有实际编码意义的结构基因具有实际编码意义的结构基因(jyn)(jyn)序列；序列；内含子内含子 不具有编码意义的碱基序列不具有编码意义的碱基序列 ，又称插入序列。，又称插入序列。（六）大多数为非编码区（六）大多数为非编码区（9595左右）左右）第36页/共46页第三十七页，共47页。1 1对核酸酶极度对核酸酶极度(jd)(jd)敏感敏感第37页/共46页第三十八页，共47页。第38页/共46页第三十九页，共47页。第39页/共46页第四十页，共47页。 TATA盒结合(jih)蛋白第40页/共46页第四十一页，共47页。采用负性调节不经济采用负性调节不经济（四）转录和翻译过程分开进行（四）转录

20、和翻译过程分开进行转录与翻译过程分别转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位（胞核存在于不同的亚细胞部位（胞核与胞浆），可分别进行调控。与胞浆），可分别进行调控。第41页/共46页第四十二页，共47页。第42页/共46页第四十三页，共47页。 基因表达调控课堂练习基因表达调控中最重要的环节是基因活化 B. 转录(zhun l)起始C. 转录(zhun l)后加工 D. 翻译过程E. 翻译后加工2. 典型操纵子的调控序列包括A. 编码序列 B. 操纵序列C. 启动序列 D. 调节基因E. 结构基因3. 最先、最直接与启动子核心序列TATA盒结合的 转录(zhun l)因子是A. TFA B. T

21、FB C. TFD D. TFE E. TFF第43页/共46页第四十四页，共47页。4. 以下是关于真核基因表达调控基本要素的叙述，错误的是顺式作用元件的化学本质是蛋白质B. 顺式作用元件的化学本质是DNA反式作用因子的化学本质是DNA反式作用因子的化学本质是蛋白质E. 反式作用因子与顺式作用元件结合(jih)后，可激活或抑制基因表达5. 以下是关于lac操纵子调节机制的叙述，正确的是A. 阻遏蛋白与操纵序列的结合(jih)，对基因表达起负性调控作用B. 乳糖与阻遏蛋白结合(jih)而使之变构，进而与操纵序列结合(jih)更牢固C. CAP蛋白与CAP位点的结合(jih)，对基因表达起正性调控作用D. RNA Pol催化结构基因表达单顺反子mRNAE. 当培养液中有乳糖而缺乏葡萄糖时，基因表达活性最强第44页/共46页第四十五页，共47页。以下是关于以下是关于trptrp操纵子调节机制的叙述，错误的是操纵子调节机制的叙述，错误的是A. A. 调节基因表达有活性的阻遏蛋白，能与操纵基因结合，阻遏基因表达