基因表达调控重修

关于基因表达调控重修第一页，共六十八页，2022年，8月28日第一节

基因表达与基因表达调控的基本概念与特点BasicConceptionsandCharactersofGeneExpressionandit’sRegulation第二页，共六十八页，2022年，8月28日一、基因表达是基因转录和翻译的过程是细胞以基因DNA为模板，转录出RNA，以及，以mRNA为模板，翻译出蛋白质的过程如果基因表达了，那么，就有相应的mRNA和蛋白质出现否则，就是基因没有表达基因表达(geneexpression)每一个基因的表达是受调控的。第三页，共六十八页，2022年，8月28日二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporalspecificity)。

多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。胚胎发育期第四页，共六十八页，2022年，8月28日（二）空间特异性一种基因在个体的不同组织不同细胞或器官表达，这就是基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。又称细胞特异性(cellspecificity)或组织特异性(tissuespecificity)。第五页，共六十八页，2022年，8月28日三、基因表达的调控基因表达调控（regulationofgeneexpression）细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时在基因表达水平上做出应答的分子机制第六页，共六十八页，2022年，8月28日按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达诱导或阻遏表达第七页，共六十八页，2022年，8月28日（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，不易受环境条件的影响，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。这类基因表达被视为基本（或组成性）基因表达(constitutivegeneexpression)。ActinGAPDH第八页，共六十八页，2022年，8月28日（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏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，即这种基因表达是可诱导的。如：热应激蛋白可诱导基因(induciblegene)在一定的环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。

如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是可阻遏基因(repressiblegene)。第九页，共六十八页，2022年，8月28日四、基因表达：受顺式作用元件和反式作用因子共同调节顺式作用元件(cis-actingelement)：调控基因转录的DNA序列，一般可以和反式作用因子结合，包括：启动子，增强子和沉默子反式作用因子(trans-actingfactor)

能够和顺式作用元件结合，调控基因表达的蛋白质分子第十页，共六十八页，2022年，8月28日

研究重点每一个特定基因的顺式作用元件和反式作用因子的相互作用第十一页，共六十八页，2022年，8月28日五、基因表达调控呈现多层次和复杂性DNA层次：转录起始(最重要、最复杂)mRNA的加工蛋白质生物合成翻译后加工mRNA的降解第十二页，共六十八页，2022年，8月28日第二节

原核基因表达调控RegulationofGeneExpressioninProkaryote第十三页，共六十八页，2022年，8月28日原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位

蛋白质因子特异DNA序列编码序列

启动元件

操纵元件

其他调节基因(promoter)(operator)第十四页，共六十八页，2022年，8月28日操纵子模型的普遍性多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带了几个多肽链的编码信息。启动子是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件。各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称为共有序列。共有序列在-10区域是TATAAT，在-35区域为TTGACA共有序列决定启动序列的转录活性大小。第十五页，共六十八页，2022年，8月28日图18-15种E.coli启动序列的共有序列

第十六页，共六十八页，2022年，8月28日基因表达有正调控和负调控调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：阻遏蛋白----负调控因素激活蛋白----正调控因素第十七页，共六十八页，2022年，8月28日调节基因（regulatorygene）编码能够与操纵序列结合的调控蛋白，可以分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。调控蛋白的作用分别是①特异因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力；第十八页，共六十八页，2022年，8月28日②阻遏蛋白可以识别、结合特异DNA序列──操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（negativeregulation）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在；③激活蛋白可结合启动序列邻近的DNA序列，提高RNA聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转录活性，是一种正调控（positiveregulation）。第十九页，共六十八页，2022年，8月28日二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA第二十页，共六十八页，2022年，8月28日图18-2lac操纵子与阻遏蛋白的负性调节第二十一页，共六十八页，2022年，8月28日mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节阻遏基因1.阻遏蛋白的负性调节第二十二页，共六十八页，2022年，8月28日mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖别乳糖β-半乳糖苷酶图18-4lac

操纵子与阻遏蛋白的负性调节第二十三页，共六十八页，2022年，8月28日++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时2.CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第二十四页，共六十八页，2022年，8月28日分解代谢阻遏单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolicrepression)第二十五页，共六十八页，2022年，8月28日3.协同调节当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用。如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。。

第二十六页，共六十八页，2022年，8月28日mRNA低半乳糖时高半乳糖时

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO第二十七页，共六十八页，2022年，8月28日图18-3 CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节第二十八页，共六十八页，2022年，8月28日乳糖操纵子的开放条件（环境因素）1当仅有Glc时，乳糖操纵子不开放2当有Glc和Lac时，乳糖操纵子不开放3当没有Glc也没有Lac时，不开放4只有一种条件可以开放：没有Glc，有Lac：开放第二十九页，共六十八页，2022年，8月28日第三节

真核基因表达调控RegulationofGeneExpressioninEukaryote第三十页，共六十八页，2022年，8月28日图18-5真核生物基因表达的多层次复杂调控第三十一页，共六十八页，2022年，8月28日二、染色质结构与真核基因表达密切相关活性染色质(activechromatin)具有转录活性的染色质超敏位点（hypersensitivesite)当染色质活化后，常出现一些对核酸酶（如DNaseI）高度敏感的位点基因被激活的区域染色质对核酸酶极为敏感第三十二页，共六十八页，2022年，8月28日转录活化染色质的组蛋白发生改变组蛋白结构及其化学修饰（a）组蛋白与DNA组成的核小体；（b）组蛋白的氨基端伸出核小体，形成组蛋白尾巴；（c）四种组蛋白组成的八聚体第三十三页，共六十八页，2022年，8月28日组蛋白修饰和组蛋白密码1组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，2化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了“组蛋白密码”的假说。第三十四页，共六十八页，2022年，8月28日组蛋白氨基酸残基位点修饰类型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色质浓缩H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙酰化激活H3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙酰化防止Lys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙酰化装配H4Lys-12乙酰化装配H4Lys-16乙酰化核小体装配H4Lys-16乙酰化FlyX激活组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响第三十五页，共六十八页，2022年，8月28日

CpG岛甲基化水平降低CpG岛（CpGisland)：CG重复出现，长度约300-3000bp称为CpG岛，存在于整个基因组中，特别是常常位于基因的启动子和第一外显子区域。CpG岛：C可以被甲基化修饰，它的多少与基因被激活有关第三十六页，共六十八页，2022年，8月28日表观遗传

（epigeneticinheritance)

：染色质结构对基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机制是细胞内存在着具有维持甲基化作用的DNA甲基转移酶，可以在DNA复制后，依照亲本DNA链的甲基化位置催化子链DNA在相同位置上发生甲基化DNA相同，DNA的甲基化不同，基因表达不同同卵双生子，长相和行为有差异第三十七页，共六十八页，2022年，8月28日三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位順式作用元件

指可与反式作用因子结合，影响基因表达活性的DNA序列包括：启动子，增强子和沉默子第三十八页，共六十八页，2022年，8月28日图18-7 顺式作用元件

A、B分别代表同一基因中的两段特异DNA序列。B序列通过一定机制影响A序列，并通过A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。A、B序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件第三十九页，共六十八页，2022年，8月28日（一）真核基因启动子结构和调节启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。TATA盒GC盒CAAT盒第四十页，共六十八页，2022年，8月28日

启动子某一特定基因的转录起始点和上游200bp长的DNA序列，可以与反式作用因子结合，起始转录，称为第四十一页，共六十八页，2022年，8月28日CCAAT盒GC盒TATA盒转录起始点高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒转录起始点酵母真核基因启动子的典型结构第四十二页，共六十八页，2022年，8月28日特点启动子启动转录增强子增加转录的频率启动子必需有转录起始位点增强子远离转录起始位点第四十三页，共六十八页，2022年，8月28日（二）增强子能够提高转录效率增强子的功能及其作用特征与被调控基因位于同一条DNA链上，属于顺式作用元件。是特异性转录因子的结合部位不仅能够在基因的上游或下游起作用，而且还可以远距离实施调节作用作用与序列的方向性无关需要有启动子才能发挥作用第四十四页，共六十八页，2022年，8月28日（三）沉默子能够抑制基因的转录沉默子是基因表达的负性调控元件，当其结合特异转录因子时，对基因转录起阻遏作用第四十五页，共六十八页，2022年，8月28日四、转录因子TF真核基因的转录调节蛋白又称转录因子（transcriptionfactor,TF）。转录因子也被称为反式作用蛋白或反式作用因子。是转录调控的关键分子第四十六页，共六十八页，2022年，8月28日图18-8反式与顺式作用蛋白第四十七页，共六十八页，2022年，8月28日通用转录因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶结合启动子所必需的蛋白因子转录调节因子分类（按功能特性）通用转录因子特异转录因子第四十八页，共六十八页，2022年，8月28日特异转录因子(specialtranscriptionfactors)特点：个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录抑制因子分类第四十九页，共六十八页，2022年，8月28日转录因子结构特征DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）

谷氨酰胺富含结构域酸性激活结构域脯氨酸富含结构域第五十页，共六十八页，2022年，8月28日最常见的DNA结合域：锌指模体(zincfinger)常结合GC盒C=半胱氨酸；H=组氨酸；F=苯丙氨酸；L=亮氨酸；Y=酪氨酸；Zn=锌离子图18-9锌指结构第五十一页，共六十八页，2022年，8月28日碱性螺旋-环-螺旋（basichelix-loop-helix,bHLH)（a）独立的碱性螺旋-环-螺旋模体结构示意图；（b）bLHL模体二聚体与DNA结合的示意图。两个-螺旋的碱性区分别嵌入DNA双螺旋的大沟内常结合CAAT盒第五十二页，共六十八页，2022年，8月28日常结合CAAT盒3.碱性亮氨酸拉链(basicleucinezipper,bZIP)

（a）碱性亮氨酸拉链模体结构示意图；（b）bZIP模体与DNA结合的示意图。两个-螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨基酸残基的区域与DNA骨架上的磷酸基团结合第五十三页，共六十八页，2022年，8月28日五、转录起始复合物的动态构成（一）启动子，转录因子和RNA聚合酶活性启动子的核苷酸序列会影响其与转录因子和RNA聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录起始的YesorNo和频率第五十四页，共六十八页，2022年，8月28日图18-12转录起始复合物的形成真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。PolⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPDNATATAEBPTBP转录因子：7种TFIIABDEFHJTFIID：TBPTAF第五十五页，共六十八页，2022年，8月28日第五十六页，共六十八页，2022年，8月28日第五十七页，共六十八页，2022年，8月28日六、转录后调控第五十八页，共六十八页，2022年，8月28日有miRNA和siRNA。一些非编码小分子RNA可引起转录后基因沉默第五十九页，共六十八页，2022年，8月28日七、真核基因表达在翻译以及翻译后仍可受到调控（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行1．翻译起始因子eIF-2α的磷酸化抑制翻译起始第六十页，共六十八页，2022年，8月28日2．eIF-4E及eIF-4E结合蛋白的磷酸化激活翻译起始帽结合蛋白eIF-4E与mRNA帽结构的结合是翻译起始的限速步骤，磷酸化的eIF-4E与帽结构的结合力是非磷酸化的eIF-4E的4倍，因而可提高翻译的效率。第六十一页，共六十八页，2022年，8月28日非编码单链RNA，长度约20-25个碱基，miRNA与其他蛋白质构成沉默复合体（RNA-inducedsilencingcomplex,RISC），通过与其靶mRNA分子的3'端非翻译区域（3'UTR）互补匹配，抑制该mRNA分子的翻译。