最新基因表达控制课件

基因表达控制基因表达控制1第一节概述

一、基因表达的概念

1、基因（gene）：从遗传学讲，基因就是遗传的基本单位或单元，具有编码RNA或多数情况下编码多肽功能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗传信息的DNA分子片段

2、基因表达(geneexpression)：基因表达就是基因转录及翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型；rRNA、tRNA编码基因转录生成相应RNA的过程也属于基因表达

第一节概述一、基因表达的概念1、基因（gene）：最新基因表达控制课件最新基因表达控制课件最新基因表达控制课件最新基因表达控制课件最新基因表达控制课件最新基因表达控制课件3.2蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结合DNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的DNA结合能力

3.3RNA聚合酶：转录激活调节最终由RNA聚合酶活性体现

五、原核与真核基因表达调控的区别

1、真核基因与原核基因的结构特点

真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一条多肽链）

3.2蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结合DN2、原核基因表达调控特点

σ因子决定RNA聚合酶识别特异性

操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调控单个启动基因的活性来完成协调表达

阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导

3、真核基因表达调控特点

活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结构变化、DNA碱基修饰、组蛋白减少

正性调节占主导

转录与翻译分隔进行

2、原核基因表达调控特点σ因子决定RNA聚合酶识别特异转录后修饰、加工

RNA聚合酶有三种

第二节原核基因转录调节

一、乳糖操纵子（元）的调节机制

1、乳糖操纵子(元)的结构：I-CAP-P-O-Z-Y-A

结构基因：Z、Y及A，分别编码β-半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶

控制序列：操纵序列O、启动序列P、分解代谢物基因激活蛋白(CAP，cAMP结合蛋白)结合位点

调节基因I：编码阻遏蛋白（与O序列结合，关闭操纵子）

转录后修饰、加工RNA聚合酶有三种第二节原核基因转录调2、阻遏蛋白的负性调节

诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来）机理：别乳糖与阻遏蛋白结合，促使阻遏蛋白从操纵序列脱离，诱导基因表达

3、CAP的正性调节

正调节物：cAMP

。葡萄糖可促使cAMP浓度降低

机理：cAMP与CAP结合形成复合物，促使CAP结合CAP位点，激活RNA聚合酶

4、协调调节负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作

功能相关基因协调合作，共同表达二、其它操纵子2、阻遏蛋白的负性调节诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来）第三节真核基因表达调控

一、真核基因组结构特点

二、真核基因转录激活调节

1、顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子

启动子（promoter）：RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，包括至少一个转录起始点及一个以上的机能组件（TATA盒、GC盒、CAAT盒，等）

典型的启动子由TATA盒及上游的CAAT盒和/或GC盒组成

第三节真核基因表达调控一、真核基因组结构特点二、真核基增强子（enhancer）：远离转录起始点、决定基因的时空特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，它的作用方式通常与方向、距离无关。增强子也是由若干机能组件──增强体（enhanson）组成

有些机能组件既可在增强子、也可在启动子中出现

沉默子（silencer）：结合特异蛋白因子时对基因转录起阻遏作用

增强子（enhancer）：远离转录起始点、决定基因的时空特2、反式作用因子：基本因子、特异因子

2.1基本转录因子：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子,决定三种RNA转录的类别。TFⅡD是通用的基本因子

多数基本因子是不同RNA聚合酶所特有的

2.2特异转录因子：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

3、转录因子结构：DNA结构域、二聚化结构域、转录激活区

2、反式作用因子：基本因子、特异因子2.1基本转Commonpatternsofregulationoftranscriptioninitiation

负性调节正性调节1、诱导表达2、阻遏表达3、阻遏表达4、诱导表达调控方式Commonpatternsofregulation基因表达基因表达高等生物酵母调控元件启动子的常见组件原核生物Consensussequenceforpromotersthatregulatetheexpressionofgenesinvolvedintheheat-shockresponseinE.coli.BindingofRNApolymerasetoheat-shockpromotersismediatedbyaspecializedβsubunitoftheenzymecalledσ32,whichreplacesσ70高等生物酵母调控元件启动子的常见组件原核生物ConsensuAnoperon.GenesA,B,andCaretranscribedononepolycistronicmRNA.Typicalregulatorysequencesincludebindingsitesforproteinsthateitheractivateorrepresstranscriptionfromthepromoter操纵子结构激活蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点启动子调控序列结构基因调控元件Anoperon.GenesA,B,andCa调控蛋白调控蛋白调控蛋白调控蛋白调控蛋白调控蛋白Aspace-fillingrepresentationofaCAPhomodimerboundtoDNA.Basepairsrecognizedbytheproteinareshowningreen,andaminoacidsidechainsthatbindtothesebasepairsareshowninred.NotethebendingoftheDNAaroundtheprotein

DNA-蛋白质相互作用Aribbonrepresentationwithsubunitsshowninwhiteandlightblue.Thehelix-turn-helixDNA-bindingmotifisshowninred.BoundmoleculesofcAMPareshownindarkblue.CAP同源二聚体Aspace-fillingrepresentationThebacteriophageλrepressorboundtoDNA.Thetwoidenticalsubunitsofthedimericproteinareshowningrayandlightblue.噬菌体阻遏蛋白DNA-蛋白质相互作用ThebacteriophageλrepressorTwoexamplesofspecificaminoacid-basepairinteractionsthathavebeenobservedinthestructuresofDNA-boundregulatoryproteinsDNA-蛋白质相互作用Twoexamplesofspecificamino噬菌体434阻遏蛋白thehelix-turn-helixmotifineachisshowninredandyellow.TheredhelicesaretherecognitionhelicesDNA-蛋白质相互作用噬菌体434阻遏蛋白thehelix-turn-hel调控机理调控机理1、抑制状态2、诱导状态一、乳糖操纵子的负性调节乳糖操纵子1、抑制状态2、诱导状态一、乳糖操纵子的负性调节乳糖操纵子乳糖操纵子的负性调控结构.Thebasesshadedbeigeexhibittwofold(palindromic)symmetryabouttheaxisindicatedbythedashedline.

乳糖操纵子乳糖操纵子的负性调控结构.Thebasesshaded2、别乳糖的生成诱导物的结构1、丙基硫代半乳糖苷乳糖操纵子2、别乳糖的生成诱导物的结构1、丙基硫代半乳糖苷乳糖操纵子二、乳糖操纵子的正性调节正性调控序列启动子结构乳糖操纵子二、乳糖操纵子的正性调节正性调控序列启动子结构乳糖操纵子正性调控乳糖操纵子正性调控乳糖操纵子三、乳糖操纵子的协调调节1、只有正性诱导物2、同时有正、负性诱导物3、无正、负性诱导物4、只有负性诱导物乳糖操纵子三、乳糖操纵子的协调调节1、只有正性诱导物2、同时有正、负性色氨酸操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子阻遏蛋白结构色氨酸操纵子阻遏蛋白结构色氨酸操纵子的前导序列色氨酸操纵子色氨酸操纵子的前导序列色氨酸操纵子前导序列的配对方式色氨酸操纵子前导序列的配对方式色氨酸操纵子色氨酸操纵子的衰减机理1、Trp浓度高时衰减2、Trp浓度低时转录色氨酸操纵子的衰减机理1、Trp浓度高时衰减2、Trp浓度低阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子噬菌体操纵子噬菌体操纵子其它操纵子类型其它操纵子类型TheSOSresponseinE.coli.TheLexAproteinistherepressorinthissystem,withanoperatorsite(indicatedinred)neareachgene.(a)TherecAgeneisnotentirelyrepressedbytheLexArepressor,andabout1,000RecAproteinmonomersarenormallyfoundinthecell.(b)WhenDNAisextensivelydamaged(e.g.,byUVlight),DNAreplicationishaltedandthenumberofsingle-strandgapsintheDNAincreases.(c)RecAproteinbindstothissingle-strandedDNA,activatingtheprotein'scoproteaseactivity.(d)WhileboundtoDNAtheRecAproteinfacilitatesthecleavageandinactivationoftheLexArepressor.Whentherepressorisinactivated,theSOSgenes,includingrecA,areinduced.RecAproteinlevelsincrease50-to100-foldSOS反应TheSOSresponseinE.coli.TSOS反应SOS反应细菌鞭毛蛋白重组细菌鞭毛蛋白重组AleucinezipperfromtheyeastactivatorproteinGCN4.Thehelicesareshowninwhiteandlightblue.TheinteractingLeuresiduesareshowninredandpurple.一、亮氨酸拉链（Leucinezippers）闭合拉链开放拉链拉链全貌反式作用因子Aleucinezipperfromtheyea亮氨酸拉链反式作用因子亮氨酸拉链反式作用因子碱性α螺旋反式作用因子碱性α螺旋反式作用因子锌指结构反式作用因子锌指结构反式作用因子(a)AribbonrepresentationofasinglezincfingerderivedfromtheregulatoryproteinZif268.Thezincatomisinorangeandtheaminoacidresiduesthatcoordinateit(twoHisandtwoCys)areshowninred.锌指结构(b)Threezincfingers(lightblueandgray)fromZif268areshowncomplexedwithDNA.Thezincatomsareagainshowninorange.

反式作用因子(a)Aribbonrepresentationof真核基因表达调控真核基因表达调控(a)TypicaleukaryotictranscriptionalactivatorsthataffectRNApolymeraseII.TFIIDisageneraltranscriptionfactor.CTFI,GAL4,andSplaretranscriptionalactivatorsthatbindtospecificDNAsites.PPP:proline-rich;--:acidic;QQQ:glutamine-rich.Someoralloftheseproteinsmayactivatetranscriptionviaintermediaryproteinscalledcoactivators.(b)AchimericproteinwiththeDNA-bindingdomainofSplandtheactivationdomainofCTFIactivatestranscriptionifaGCboxispresent.真核基因表达调控(a)Typicaleukaryotictranscr个体发育与分化ThelifecycleofthefruitflyDrosophilamelanogaster

个体发育与分化Thelifecycleofthef果蝇幼虫（蛹）最早期只有一组“母亲效应基因”表达，使受精卵发生头尾轴和背腹轴固定三组“分节基因”顺序表达、控制蛹的“分节”发育过程，最后这些“节”分别发育为成虫的头、胸、翅膀、肢体、腹及尾等

个体发育与分化果蝇幼虫（蛹）最早期只有一组“母亲效应基因”表达，使受精卵发AmicrographofanimmunologicallystainedDrosophilaegg,showingdistributionofthebicoid(bcd)geneproduct.Thegraphmeasuresstainintensity.Thisdistributionisessentialfornormaldevelopmentoftheanteriorstructuresoftheanimal.Ifthebcdgeneisnotexpressed,theresultingembryohastwoposteriors,asshown

个体发育与分化AmicrographofanimmunologicTheeffectsofmutationsinhomeoticgenes.(a)NormalDrosophilahead.(b)Drosophilahomeoticmutant(Antennapaedia)inwhichantennaearereplacedbylegs.(c)NormalDrosophilczbodystructure.(d)Homeoticmutant(Bithorax)inwhichasegmenthasdevelopedincorrectlytoproduceanextrasetofwings.

个体发育与分化TheeffectsofmutationsinhoDNA结构域：锌指（zincfinger）、碱性α螺旋（basicαhelix）、碱性亮氨酸拉链（basicleucinezipper,bZIP）、碱性螺旋-环-螺旋（basichelix-loop-helix,bHLH）

二聚体结构域：亮氨酸拉链、螺旋-环-螺旋

转录激活区：酸性激活域、Gln富含域、Pro富含域4、mRNA转录激活及其调节

真核RNA聚合酶Ⅱ不能单独识别、结合启动子

TFIID是唯一具有位点特异的DNA结合能力的因子DNA结构域：锌指（zincfinger）、碱性α螺旋（b最新基因表达控制课件58基因表达控制基因表达控制59第一节概述

一、基因表达的概念

1、基因（gene）：从遗传学讲，基因就是遗传的基本单位或单元，具有编码RNA或多数情况下编码多肽功能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗传信息的DNA分子片段

2、基因表达(geneexpression)：基因表达就是基因转录及翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型；rRNA、tRNA编码基因转录生成相应RNA的过程也属于基因表达

第一节概述一、基因表达的概念1、基因（gene）：最新基因表达控制课件最新基因表达控制课件最新基因表达控制课件最新基因表达控制课件最新基因表达控制课件最新基因表达控制课件3.2蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结合DNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的DNA结合能力

3.3RNA聚合酶：转录激活调节最终由RNA聚合酶活性体现

五、原核与真核基因表达调控的区别

1、真核基因与原核基因的结构特点

真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一条多肽链）

3.2蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结合DN2、原核基因表达调控特点

σ因子决定RNA聚合酶识别特异性

操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调控单个启动基因的活性来完成协调表达

阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导

3、真核基因表达调控特点

活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结构变化、DNA碱基修饰、组蛋白减少

正性调节占主导

转录与翻译分隔进行

2、原核基因表达调控特点σ因子决定RNA聚合酶识别特异转录后修饰、加工

RNA聚合酶有三种

第二节原核基因转录调节

一、乳糖操纵子（元）的调节机制

1、乳糖操纵子(元)的结构：I-CAP-P-O-Z-Y-A

结构基因：Z、Y及A，分别编码β-半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶

控制序列：操纵序列O、启动序列P、分解代谢物基因激活蛋白(CAP，cAMP结合蛋白)结合位点

调节基因I：编码阻遏蛋白（与O序列结合，关闭操纵子）

转录后修饰、加工RNA聚合酶有三种第二节原核基因转录调2、阻遏蛋白的负性调节

诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来）机理：别乳糖与阻遏蛋白结合，促使阻遏蛋白从操纵序列脱离，诱导基因表达

3、CAP的正性调节

正调节物：cAMP

。葡萄糖可促使cAMP浓度降低

机理：cAMP与CAP结合形成复合物，促使CAP结合CAP位点，激活RNA聚合酶

4、协调调节负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作

功能相关基因协调合作，共同表达二、其它操纵子2、阻遏蛋白的负性调节诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来）第三节真核基因表达调控

一、真核基因组结构特点

二、真核基因转录激活调节

1、顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子

启动子（promoter）：RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，包括至少一个转录起始点及一个以上的机能组件（TATA盒、GC盒、CAAT盒，等）

典型的启动子由TATA盒及上游的CAAT盒和/或GC盒组成

第三节真核基因表达调控一、真核基因组结构特点二、真核基增强子（enhancer）：远离转录起始点、决定基因的时空特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，它的作用方式通常与方向、距离无关。增强子也是由若干机能组件──增强体（enhanson）组成

有些机能组件既可在增强子、也可在启动子中出现

沉默子（silencer）：结合特异蛋白因子时对基因转录起阻遏作用

增强子（enhancer）：远离转录起始点、决定基因的时空特2、反式作用因子：基本因子、特异因子

2.1基本转录因子：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子,决定三种RNA转录的类别。TFⅡD是通用的基本因子

多数基本因子是不同RNA聚合酶所特有的

2.2特异转录因子：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

3、转录因子结构：DNA结构域、二聚化结构域、转录激活区

2、反式作用因子：基本因子、特异因子2.1基本转Commonpatternsofregulationoftranscriptioninitiation

负性调节正性调节1、诱导表达2、阻遏表达3、阻遏表达4、诱导表达调控方式Commonpatternsofregulation基因表达基因表达高等生物酵母调控元件启动子的常见组件原核生物Consensussequenceforpromotersthatregulatetheexpressionofgenesinvolvedintheheat-shockresponseinE.coli.BindingofRNApolymerasetoheat-shockpromotersismediatedbyaspecializedβsubunitoftheenzymecalledσ32,whichreplacesσ70高等生物酵母调控元件启动子的常见组件原核生物ConsensuAnoperon.GenesA,B,andCaretranscribedononepolycistronicmRNA.Typicalregulatorysequencesincludebindingsitesforproteinsthateitheractivateorrepresstranscriptionfromthepromoter操纵子结构激活蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点启动子调控序列结构基因调控元件Anoperon.GenesA,B,andCa调控蛋白调控蛋白调控蛋白调控蛋白调控蛋白调控蛋白Aspace-fillingrepresentationofaCAPhomodimerboundtoDNA.Basepairsrecognizedbytheproteinareshowningreen,andaminoacidsidechainsthatbindtothesebasepairsareshowninred.NotethebendingoftheDNAaroundtheprotein

DNA-蛋白质相互作用Aribbonrepresentationwithsubunitsshowninwhiteandlightblue.Thehelix-turn-helixDNA-bindingmotifisshowninred.BoundmoleculesofcAMPareshownindarkblue.CAP同源二聚体Aspace-fillingrepresentationThebacteriophageλrepressorboundtoDNA.Thetwoidenticalsubunitsofthedimericproteinareshowningrayandlightblue.噬菌体阻遏蛋白DNA-蛋白质相互作用ThebacteriophageλrepressorTwoexamplesofspecificaminoacid-basepairinteractionsthathavebeenobservedinthestructuresofDNA-boundregulatoryproteinsDNA-蛋白质相互作用Twoexamplesofspecificamino噬菌体434阻遏蛋白thehelix-turn-helixmotifineachisshowninredandyellow.TheredhelicesaretherecognitionhelicesDNA-蛋白质相互作用噬菌体434阻遏蛋白thehelix-turn-hel调控机理调控机理1、抑制状态2、诱导状态一、乳糖操纵子的负性调节乳糖操纵子1、抑制状态2、诱导状态一、乳糖操纵子的负性调节乳糖操纵子乳糖操纵子的负性调控结构.Thebasesshadedbeigeexhibittwofold(palindromic)symmetryabouttheaxisindicatedbythedashedline.

乳糖操纵子乳糖操纵子的负性调控结构.Thebasesshaded2、别乳糖的生成诱导物的结构1、丙基硫代半乳糖苷乳糖操纵子2、别乳糖的生成诱导物的结构1、丙基硫代半乳糖苷乳糖操纵子二、乳糖操纵子的正性调节正性调控序列启动子结构乳糖操纵子二、乳糖操纵子的正性调节正性调控序列启动子结构乳糖操纵子正性调控乳糖操纵子正性调控乳糖操纵子三、乳糖操纵子的协调调节1、只有正性诱导物2、同时有正、负性诱导物3、无正、负性诱导物4、只有负性诱导物乳糖操纵子三、乳糖操纵子的协调调节1、只有正性诱导物2、同时有正、负性色氨酸操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子阻遏蛋白结构色氨酸操纵子阻遏蛋白结构色氨酸操纵子的前导序列色氨酸操纵子色氨酸操纵子的前导序列色氨酸操纵子前导序列的配对方式色氨酸操纵子前导序列的配对方式色氨酸操纵子色氨酸操纵子的衰减机理1、Trp浓度高时衰减2、Trp浓度低时转录色氨酸操纵子的衰减机理1、Trp浓度高时衰减2、Trp浓度低阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子噬菌体操纵子噬菌体操纵子其它操纵子类型其它操纵子类型TheSOSresponseinE.coli.TheLexAproteinistherepressorinthissystem,withanoperatorsite(indicatedinred)neareachgene.(a)TherecAgeneisnotentirelyrepressedbytheLexArepressor,andabout1,000RecAproteinmonomersarenormallyfoundinthecell.(b)WhenDNAisextensivelydamaged(e.g.,byUVlight),DNAreplicationishaltedandthenumberofsingle-strandgapsintheDNAincreases.(c)RecAproteinbindstothissingle-strandedDNA,activatingtheprotein'scoproteaseactivity.(d)WhileboundtoDNAtheRecAproteinfacilitatesthecleavageandinactivationoftheLexArepressor.Whentherepressorisinactivated,theSOSgenes,includingrecA,areinduced.RecAproteinlevelsincrease50-to100-foldSOS反应TheSOSresponseinE.coli.TSOS反应SOS反应细菌鞭毛蛋白重组细菌鞭毛蛋白重组AleucinezipperfromtheyeastactivatorproteinGCN4.Thehelicesareshowninwhiteandlightblue.TheinteractingLeuresiduesareshowninredandpurple.一、亮氨酸拉链（Leucinezippers）闭合拉链开放拉链拉链全貌反式作用因子Aleucinezipperfromtheyea亮氨酸拉链反式作用因子亮氨酸拉链反式作用因子碱性α螺旋反式作用因子碱性α螺旋反式作用因子锌指结构反式作用因子锌指结构反式作用因子(a)AribbonrepresentationofasinglezincfingerderivedfromtheregulatoryproteinZif268.Thezincatomisinorangeandtheaminoacidresiduesthatcoordinateit(twoHisandtwoCys)areshowninred.锌指结构(b)Threezincfingers(lightblueandgray)fromZif268areshowncomplexedwithDNA.Thezincatomsareagainshowninorange.

反式作用因子(a)Aribbonrepresentationof真核基因表达调控真核基因表达调控(a)TypicaleukaryotictranscriptionalactivatorsthataffectRNApolymeraseII.TFIIDisageneraltranscriptionfactor.CTFI,GAL4,andSplaretranscriptionalactivatorsthatbindtospecificDNAsites.PPP:proline-rich;--:acidic;QQQ:glutamine-r