基因表达的调节基因表达调节的基本概念及原理原核

1、会计学1基因表达的调节基因表达调节的基本概基因表达的调节基因表达调节的基本概念及原理原核念及原理原核第1页/共82页基因表达调节的基本概念及原理基因表达调节的基本概念及原理原核生物基因转录调节原核生物基因转录调节真核生物基因转录调节真核生物基因转录调节第1页/共82页第2页/共82页第2页/共82页第3页/共82页一、基本概念一、基本概念基因（基因（gene） 一段编码蛋白质多肽链和功能一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的的DNA片段。片段。基因组基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传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。第3页/共82页第4页/共82页典型

2、的基因表达是储典型的基因表达是储存遗传信息的基因，在一存遗传信息的基因，在一定调节机制控制下，经过定调节机制控制下，经过转录、翻译，产生有生物转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质或活性的蛋白质或成熟的成熟的rRNA和和tRNA的过程。的过程。基因表达基因表达基因表达转录翻译基因表达转录翻译第4页/共82页第5页/共82页 大肠杆菌基因组（约大肠杆菌基因组（约40004000个基因个基因) )，一般情况下只有，一般情况下只有5 510%10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。表达，或者暂时不表达。 人的基因组约含有人的基因

3、组约含有1010万个基因，但在一个组织细胞中通万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1 1万个上下，即使蛋万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过也只有不超过20%20%的基因处于表达状态。的基因处于表达状态。 生物基因组的遗传信息生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的并不是同时全部都表达出来的第5页/共82页第6页/共82页二、基因表达的规律二、基因表

4、达的规律 -时间性及空间性时间性及空间性（1 1）时间特异性）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性。特异性。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性。段特异性。第6页/共82页第7页/共82页（2 2）空间特异性）空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的布差异，实际上是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

5、特异性细胞或组织特异性。在个体生长全过程，某种基因产物在个体在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性空间特异性。第7页/共82页第8页/共82页三、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：（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。管家基因管家基因第8页/共82页第9页/共82页无论表达水平高低，管家基因较少受环境因无论表达水平高

6、低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达组成性基因表达。组成性基因表达组成性基因表达只受到启动序列或者启动子只受到启动序列或者启动子与与RNA聚合酶相互作用的影响。聚合酶相互作用的影响。 组成性基因表达也是相对的，而不是一成不组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。 第9页/共82页第10页/共82页（2

7、2）诱导和阻遏表达）诱导和阻遏表达适应性表达适应性表达指环境的变化容易使其表达水指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达平变动的一类基因表达。 改变基因表达的情况以适应环境，例如与适改变基因表达的情况以适应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的同；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物情况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。适应环境生存的必需

8、。第10页/共82页第11页/共82页 是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。激活，从而使基因的表达产物增加。 如如:DNA发生损伤时，修复酶的基因被诱导激活发生损伤时，修复酶的基因被诱导激活。 诱导表达诱导表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活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，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因。第11页/共82页第12页/共82页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

9、达产物水平降低的过程称为可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。阻遏。阻遏阻遏如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。第12页/共82页第13页/共82页在一定机制控制下，功能上相关的在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为需协调一致、共同表达，即为协调表达协调表达(coordinate expression)，这种

10、调节称为，这种调节称为协调调节协调调节(coordinate regulation)。第13页/共82页第14页/共82页1 1、基因表达的多级调控、基因表达的多级调控四、基因表达调控的基本原理四、基因表达调控的基本原理基因基因激活激活转录起始转录起始 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转录水平的基因表达调控最重要转录水平的基因表达调控最重要 第14页/共82页第15页/共82页2 2、特异特异DNA序列对基因转录激活的调节序列对基因转录激活的调节基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素基因表达的调节与基因表达的

11、调节与基因基因的结构、性质，的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外生物个体或细胞所处的内、外环境环境，以及细，以及细胞内所存在的转录胞内所存在的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。第15页/共82页第16页/共82页原核生物原核生物 操纵子操纵子(operon)(operon) 机制机制 编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列共有序列共有序列决定启动序列的转录活性大小决定启动序列的转录活性大小。第16页/共82页第17页/共82页 RNA聚合酶结合并启动转录的聚合酶结合并启动转录的特异特异DNA序列。序列。启动序列启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-

12、10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列第17页/共82页第18页/共82页真核生物真核生物 顺式作用元件顺式作用元件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 顺式作用元件并非都位于转录起始点的上游顺式作用元件并非都位于转录起始点的上游(5 (5端端) ) 启动子启动子 增强子增强子 沉默子沉默子转录起始点转录起始点增强子增强子DNA

13、编码序列编码序列启动子启动子第18页/共82页第19页/共82页顺式作用元件通常是基因的非编码序列。顺式作用元件通常是基因的非编码序列。不同真核生物的顺式作用元件中也会发现不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列一些共有序列 ，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，盒等，这些共有序列是这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子聚合酶或特异转录因子的结合位点。的结合位点。第19页/共82页第20页/共82页3 3、调节蛋白对转录起始的调节、调节蛋白对转录起始的调节原核生物基因的调节蛋白原核生物基因的调节蛋白-DNA结合蛋白结合蛋白特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白真核生

14、物基因的调节蛋白真核生物基因的调节蛋白-反式作用因子反式作用因子与与DNA结合的调节蛋白结合的调节蛋白与蛋白质结合的调节蛋白与蛋白质结合的调节蛋白第20页/共82页第21页/共82页热休克反应热休克反应细菌的细菌的RNA聚合酶聚合酶 70 （启动常规基因表达）（启动常规基因表达）被被 32取代，从而启动另一套基因的表达。取代，从而启动另一套基因的表达。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白是由调节基因编码产生的调节是由调节基因编码产生的调节蛋白。专一与操纵基因（操纵序列）结合蛋白。专一与操纵基因（操纵序列）结合。第21页/共82页第22页/

15、共82页当操纵序列结合有当操纵序列结合有阻遏蛋白阻遏蛋白时，会阻碍时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚聚合酶不能沿合酶不能沿DNA向前移动向前移动 ，阻碍转录。，阻碍转录。 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 因阻遏蛋白结合因阻遏蛋白结合DNA产生的阻断转录调节产生的阻断转录调节作用称作用称负调节负调节。第22页/共82页第23页/共82页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序序列，促进列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增聚合酶与启动序列的结合，增强强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。启动序列启动序列编码

16、序列编码序列操纵序列操纵序列polpol激活蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白是由调节基因编码产生的调节蛋白。是由调节基因编码产生的调节蛋白。 因激活蛋白结合因激活蛋白结合DNADNA产生的增强转录调节产生的增强转录调节作用称作用称正调节正调节。第23页/共82页第24页/共82页有些基因在没有激活蛋白存在时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。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol激活蛋白激活蛋白第24页/共82页第25页/共82页真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白- -反式作用因子（转录因子反式作用因子（转

17、录因子）由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作用称为调节其表达。这种调节作用称为反式作用反式作用。 反式调节反式调节BAaDNAmRNA蛋白质蛋白质AA第25页/共82页第26页/共82页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蛋白质蛋白质结合域蛋白质蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）酸性激活域酸性激活域谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域脯氨酸富含域脯氨酸富含域第26页/共82页第27页/共82页（1）调节蛋白与）调节蛋白与D

18、NA的结合的结合 大部分调节蛋白与大部分调节蛋白与DNA的结合为的结合为特异结合特异结合。 调节蛋白中与调节蛋白中与DNA特异结合的结构域中有特征特异结合的结构域中有特征性的亚结构性的亚结构-即即结构模序结构模序。如：。如：螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（HTH）、锌指（）、锌指（zinc finger）、同质异形结构域）、同质异形结构域等等。 调节蛋白中的一些极性带电荷的氨基酸残基调节蛋白中的一些极性带电荷的氨基酸残基Asn、Gln、Glu、Arg、Lys与与DNA碱基形成碱基形成氢键氢键。第27页/共82页第28页/共82页螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（HTH） 由两个由两个7-9个氨基

19、个氨基酸残基组成的酸残基组成的 螺旋螺旋。 一个用于识别一个用于识别DNA，结合在，结合在DNA分子分子的大沟中。的大沟中。第28页/共82页第29页/共82页锌指（锌指（zinc finger） 见于见于TFA和类固醇激素受体中，由一段富含半和类固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸的多肽链构成。每四个半胱氨酸残基或胱氨酸的多肽链构成。每四个半胱氨酸残基或His残残基螯合一分子基螯合一分子Zn2+，其余约，其余约12-13个残基则呈指样突个残基则呈指样突出，刚好能嵌入出，刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中而与之相结合双螺旋的大沟中而与之相结合。每个蛋白质分子中可含。每个蛋白质分子中可含2-9个锌指结

20、构。个锌指结构。 第29页/共82页第30页/共82页常结合常结合DNA的的GC盒，也盒，也有与有与mRNA结合的功能。结合的功能。第30页/共82页第31页/共82页同质异形结构域同质异形结构域由由6060个氨基酸残基组成，结构与个氨基酸残基组成，结构与HTHHTH相相似似。 在真核生物发育，如身体形成期间在真核生物发育，如身体形成期间起作用。起作用。 编码这种结构域的编码这种结构域的DNADNA序列，叫做序列，叫做同同质异形盒质异形盒。第31页/共82页第32页/共82页（2 2）调节蛋白中）调节蛋白中 蛋白质蛋白质- -蛋白质相互作用结构域蛋白质相互作用结构域绝大多数调节蛋白质结合绝大多

21、数调节蛋白质结合DNA前，需通过前，需通过蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用，形成蛋白质相互作用，形成二聚体二聚体或或多聚体多聚体。（同质或异质）（同质或异质）也有的是在结合也有的是在结合DNA前，需要蛋白质与蛋前，需要蛋白质与蛋白质之间的解聚过程白质之间的解聚过程第32页/共82页第33页/共82页二聚体二聚体亮氨酸之间相互作用形成亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成二聚体，形成“拉链拉链” 。肽链氨基端肽链氨基端2030个富含个富含碱性氨基酸结构域与碱性氨基酸结构域与DNA结合。结合。亮氨酸拉链亮氨酸拉链(zip)(zip)第33页/共82页第34页/共82页亮氨酸拉链亮氨酸拉链第34页/共82页

22、第35页/共82页碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋(HLH)可形成二聚体可形成二聚体由由50个氨基酸残基的个氨基酸残基的保守区组成保守区组成肽环长度可变肽环长度可变碱性螺旋与碱性螺旋与DNA结合结合第35页/共82页第36页/共82页4、RNA聚合酶聚合酶 DNA顺式作用元件、调节蛋白对转录顺式作用元件、调节蛋白对转录激活的调节最终是由激活的调节最终是由RNA聚活酶的活性聚活酶的活性体现的。体现的。 启动子的结构、调节蛋白的性质对启动子的结构、调节蛋白的性质对RNA聚活酶活性影响最大。聚活酶活性影响最大。第36页/共82页第37页/共82页 启动序列与启动序列与RNA聚合酶活性聚合酶活性 启动

23、子有强弱只分，原核、真核启动子启动子有强弱只分，原核、真核启动子碱基碱基序列序列影响影响RNA聚合酶与其亲和力，进而影响转聚合酶与其亲和力，进而影响转录启动频率。录启动频率。 启动子序列的差别，使细胞中不同的管家启动子序列的差别，使细胞中不同的管家基因在不同的水平表达。基因在不同的水平表达。第37页/共82页第38页/共82页 调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性启动序列决定基础转录频率，一些特异调节启动序列决定基础转录频率，一些特异调节蛋白在适当环境信号（如诱导剂和阻遏剂等）刺蛋白在适当环境信号（如诱导剂和阻遏剂等）刺激下在细胞内表达激下在细胞内表达，然后通过然后通过DNA-蛋白质

24、、蛋蛋白质、蛋白质白质-蛋白质相互作用影响蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，使聚合酶活性，使基础转录频率发生变化，从而引起表达的变化。基础转录频率发生变化，从而引起表达的变化。第38页/共82页第39页/共82页第39页/共82页第40页/共82页调节的主要环节在转录起始调节的主要环节在转录起始一、原核生物基因转录调节特点一、原核生物基因转录调节特点（1 1）因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性 只有一种只有一种RNA-pol，但是有很多种，但是有很多种因子因子（2 2）操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性 功能相关基因成簇串联通过单个启动子协调表达功能相关基因成簇串联通过

25、单个启动子协调表达（3 3）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 原核生物主要以这种负调节方式为主原核生物主要以这种负调节方式为主第40页/共82页第41页/共82页二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（1 1）乳糖操纵子）乳糖操纵子(lac operon)(lac operon)的结构的结构 结构基因结构基因Z Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y： 透酶透酶A A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶 调控区调控区CAPCAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列Z ZY YA AO OP PDNADNA第41页/共82页第42页/共82页mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白I

26、DNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（2 2）阻遏蛋白的负性调节）阻遏蛋白的负性调节调节基因调节基因第42页/共82页第43页/共82页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第43页/共82页第44页/共82页CAP降解物基因活化蛋白降解物基因活化蛋白 CAP-cAMP复合物复合物CAP+ + + + + + + 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）CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPC

27、APCAP第44页/共82页第45页/共82页 调节基因转录翻译阻遏蛋白调节基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基与操纵基因结合，阻止结合在启动子上的因结合，阻止结合在启动子上的RNA-pol前移，前移，结构基因结构基因不被转录不被转录 。1 1）无乳糖也无葡萄糖存在时：）无乳糖也无葡萄糖存在时：2 2）当无乳糖，有葡萄糖时）当无乳糖，有葡萄糖时： 由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量含量低，低，CAP的正性调节不起作用。的正性调节不起作用。总结：总结：所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子

28、关闭所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭OPOP第45页/共82页第46页/共82页 由于葡萄糖降解物能降低由于葡萄糖降解物能降低cAMP含量，不含量，不与与CAP形成复合物，形成复合物， CAP不能结合到启动子附不能结合到启动子附近，近，RNA聚合酶不能有效转录，使细菌只能利聚合酶不能有效转录，使细菌只能利用葡萄糖。用葡萄糖。3 3）既有乳糖，又有葡萄糖时：）既有乳糖，又有葡萄糖时：O 乳糖与阻遏蛋白结合，乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落。纵基因结合的能力而脱落。第46页/共82页第47页/共82页 细胞内细胞内cAMP含量高含

29、量高，cAMP与与CAP结合成复结合成复合物，与合物，与DNA结合，并推结合，并推动动RNA-pol向前移动，促向前移动，促进转录。进转录。 4 4）有乳糖，无葡萄糖时：）有乳糖，无葡萄糖时：mRNARNA-polO 乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的RNA-pol向前移动，结构基因被转录翻译，合成与向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖。乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖。所以：有乳糖时，没有葡萄糖，操纵子才开放所以：有乳糖时，没有葡萄

30、糖，操纵子才开放； 有葡萄糖存在，操有葡萄糖存在，操纵子关闭纵子关闭第47页/共82页第48页/共82页（4 4）协调调节）协调调节 阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用对该系统不能发挥作用； 没有阻遏蛋白与操纵序列结合，如无没有阻遏蛋白与操纵序列结合，如无CAP存在加强存在加强转录，操纵子仍无转录活性。转录，操纵子仍无转录活性。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。若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/ /乳糖共同存在时，细乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对laclac操纵子的阻遏作用称操纵子

31、的阻遏作用称分解代谢阻遏。分解代谢阻遏。第48页/共82页第49页/共82页三三、其它转录调节机制其它转录调节机制1 1、阿拉伯糖操纵子的正调节和负调节作用、阿拉伯糖操纵子的正调节和负调节作用 阿拉伯糖是另一个可以为代谢提供碳源的五阿拉伯糖是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要araB、araA和和araD 3个基因编码个基因编码3个酶：个酶：核酮糖激酶核酮糖激酶，L-阿拉伯糖异构酶阿拉伯糖异构酶和和L-核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸-4-差向差向异构酶异构酶。与。与araBAD相邻的是一个复合的启动子相邻的是一个复合的启动子区域和一

32、个调节基因区域和一个调节基因araC， araC 产生的产生的AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能蛋白同时显示正、负调节因子的功能。第49页/共82页第50页/共82页第50页/共82页第51页/共82页 AraC蛋白通过两种异构体（蛋白通过两种异构体（ P1和和P2 ）来）来实现正、负调节因子的双重功能。实现正、负调节因子的双重功能。 在没有阿拉伯糖时，在没有阿拉伯糖时，P1形式占优势，可以形式占优势，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合， 起起阻遏作用。阻遏作用。 一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使蛋白

33、结合，使P1离开操纵基因位点，构象平离开操纵基因位点，构象平衡趋向于衡趋向于P2形式。形式。 P2是起诱导作用的形式，是起诱导作用的形式，它通过与启动子结合促进它通过与启动子结合促进RNA-pol开始转录开始转录，发挥正向调节作用，发挥正向调节作用。第51页/共82页第52页/共82页第52页/共82页第53页/共82页RDNAECAOPDBL调节基因调节基因启动子启动子操纵基因操纵基因前导序列前导序列结构基因结构基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白辅阻遏物辅阻遏物（Trp）研究发现，有研究发现，有色氨酸，转录总色氨酸，转录总是在这个区域终是在这个区域终止，这种终止是止，这种终止是被调节的，这个被调节

34、的，这个区域被称为区域被称为衰减衰减子（弱化子）子（弱化子）。第53页/共82页第54页/共82页阻遏阻遏-操纵机制操纵机制是一级开关，主管转录是否启动是一级开关，主管转录是否启动，相当于粗调开关。，相当于粗调开关。前导序列翻译前导肽前导序列翻译前导肽是二级开关，属细调控，是二级开关，属细调控，指示已经启动的转录是否继续下去。这个细微调指示已经启动的转录是否继续下去。这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率。止的频率。 色氨酸操纵子是色氨酸操纵子是翻

35、译翻译与与转录转录相偶联相偶联的基因表达调节机制的基因表达调节机制第54页/共82页第55页/共82页第55页/共82页第56页/共82页第56页/共82页第57页/共82页第57页/共82页第58页/共82页反义反义RNA对翻译的调节作用对翻译的调节作用第58页/共82页第59页/共82页第59页/共82页第60页/共82页一、真核生物基因组结构特点一、真核生物基因组结构特点1 1、真核基因组结构庞大、真核基因组结构庞大哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNADNA 约约 3 3 10 10 9 9 碱基对碱基对编码基因编码基因 约有约有 40000 40000 个，占总长的个，占总长的6%6

36、%rDNArDNA等重复基因等重复基因 约占约占 5% 5% 10%10%2 2、染色质的独特结构、染色质的独特结构 DNA与组蛋白、非组蛋白和少量与组蛋白、非组蛋白和少量RNA等等其它物质相结合，组蛋白可以保护其它物质相结合，组蛋白可以保护DNA免受免受损伤，维持稳定，调节表达。损伤，维持稳定，调节表达。第60页/共82页第61页/共82页3 3、单顺反子、单顺反子即一个编码基因转录生成一个即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。分子，经翻译生成一条多肽链。4 4、重复序列、重复序列（正向重复、反向重复）（正向重复、反向重复）单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数

37、次）高度重复序列（高度重复序列（10106 6 次）次）中度重复序列（中度重复序列（10103 3 10104 4次）次）多拷贝序列多拷贝序列5 5、基因不连续性、基因不连续性断裂基因断裂基因第61页/共82页第62页/共82页 - -是指核苷酸序列或编码产物的结构具有是指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因。一定程度同源性的一组基因。 同一家族的基因成员是由同一祖先基因进同一家族的基因成员是由同一祖先基因进化而来。其编码产物常常具有相似的功能。化而来。其编码产物常常具有相似的功能。 基因家族中，某些成员并不能表达出有功基因家族中，某些成员并不能表达出有功能的产物，这些基因称

38、为能的产物，这些基因称为假基因假基因，表示为，表示为“ ”。哺乳动物中普遍存在这一现象。可能。哺乳动物中普遍存在这一现象。可能由突变产生。由突变产生。6 6、基因家族、基因家族第62页/共82页第63页/共82页二、真核生物基因表达调节的特点二、真核生物基因表达调节的特点1 1、组织特异性表达和时相性、组织特异性表达和时相性 真核生物和原核生物的分界线是真核生物真核生物和原核生物的分界线是真核生物染色体由一层核膜所包围，真核生物转录和翻染色体由一层核膜所包围，真核生物转录和翻译在时空上是分隔的；原核生物是紧密偶联的译在时空上是分隔的；原核生物是紧密偶联的。（1 1）时间特异性）时间特异性/ /

39、阶段特异性阶段特异性（2 2）空间特异性）空间特异性/ /细胞特异性细胞特异性/ /组织特异性组织特异性第63页/共82页第64页/共82页2 2、活性染色体结构变化、活性染色体结构变化（1 1）对核酸酶敏感）对核酸酶敏感活化基因常有超活化基因常有超敏位点，位于调节蛋敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。白结合位点附近。（2 2）DNADNA拓扑结构变拓扑结构变化化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在。均以负性超螺旋构象存在。基因活化后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向第64页/共82页第65页/共82页（3）DNA碱基修饰变化碱基修饰变化 真核真核D

40、NA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。化范围与基因表达程度呈反比。CpG岛岛甲基化常发生在某些基因的甲基化常发生在某些基因的5侧翼区侧翼区的的CpG序列序列（4 4）组蛋白变化）组蛋白变化 富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低 H2A, H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露第65页/共82页第66页/共82页4 4、多级调节系统、多级调节系统3 3、正性调节占主导、正性调节占主导 真核基因基因组大，通过利用各种转录因子真核基因基因组大，通过利用各种转录因子正性激活正性激活RNA

41、聚合酶是真核基因调控的主要机制聚合酶是真核基因调控的主要机制。 特异性强，更精确，更经济特异性强，更精确，更经济 在在转录前、转录、转录后与翻译、转录前、转录、转录后与翻译、mRNAmRNA降降解、翻译后、转运等不同水平分别进行调控。解、翻译后、转运等不同水平分别进行调控。短期调节（可逆）短期调节（可逆）- -环境、代谢物对合成的影响环境、代谢物对合成的影响。长期调节（不可逆）长期调节（不可逆）- -发育中的细胞决定和分化发育中的细胞决定和分化。第66页/共82页第67页/共82页（1）DNA水平调节（转录前）水平调节（转录前）染色质的丢失染色质的丢失 不可逆调节不可逆调节基因扩增基因扩增 增

42、加基因拷贝数增加基因拷贝数基因重排基因重排 主要调节方式主要调节方式DNA甲基化甲基化 甲基化与基因表达呈负相关甲基化与基因表达呈负相关（2）转录水平调节）转录水平调节RNA聚合酶活性调节聚合酶活性调节Britten-Davidson模型模型第67页/共82页第68页/共82页Britten-Davidson模型模型CDNAS1S2STZ1传感基因传感基因Z2st整合基因整合基因(受体基因受体基因)结构基因结构基因受体序列受体序列mRNA传感蛋白传感蛋白激素激素激活蛋白激活蛋白第68页/共82页第69页/共82页（3 3）转录后水平调节）转录后水平调节 mRNA前体加工对基因表达调节的影响前体

43、加工对基因表达调节的影响 mRNA的剪接对基因表达调节的影响的剪接对基因表达调节的影响 mRNA运输的控制运输的控制（4）翻译水平的调节）翻译水平的调节翻译起始的调节：阻遏蛋白的调节；起始因翻译起始的调节：阻遏蛋白的调节；起始因子的调节；子的调节；5AUG（不是起始密码子）的调节（不是起始密码子）的调节； 5非编码区长度的影响等。非编码区长度的影响等。mRNA稳定性调节稳定性调节小分子小分子RNA的影响的影响第69页/共82页第70页/共82页三、真核生物基因转录起始的调节三、真核生物基因转录起始的调节1 1、顺式作用元件、顺式作用元件是是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件聚合酶结合位

44、点周围的一组转录控制组件，至少包括一个，至少包括一个转录起始点转录起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件。典型的启动子：典型的启动子：CAAT盒和（或）盒和（或）GC盒盒 TATA盒盒 转录起始点转录起始点最简单的启动子：最简单的启动子：TATA盒盒 转录起始点转录起始点有的启动子没有有的启动子没有GC盒盒 或或TATA盒盒 （1 1）启动子）启动子与结构基因表达相关、能够被转录因子识别和结合的与结构基因表达相关、能够被转录因子识别和结合的DNA序列序列.第70页/共82页第71页/共82页2. 2. 增强子增强子(enhancer)(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、空间指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的特异性、增强启动子转录活性的DNA序列，其序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。发挥作用的方式通常与方向、距离无关。在转录起始点在转录起始点5或或3侧均能起作用；侧均能起作用；相对于启动子的任一指向均能起作用；相对于启动子的任一指向均能起作用；发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；对异源性启动子也能发挥作用；对异源性启动子也能发挥作用；通常具有一些短的重复顺序。通常具有一些短的重复顺