基因表达的调控

基因表达的调控第一页，共五十六页，2022年，8月28日

DNA

RNA

蛋白质分子生物学的中心法则(centraldogma)

复制转录翻译逆转录RNA复制第二页，共五十六页，2022年，8月28日基因表达（geneexpression)

基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。第三页，共五十六页，2022年，8月28日基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达的多级调控基因激活重排甲基化程度转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质翻译翻译后加工修饰蛋白质降解等转录起始第四页，共五十六页，2022年，8月28日基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性按功能需要，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)。第五页，共五十六页，2022年，8月28日（二）空间特异性基因表达伴随空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，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。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，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。第六页，共五十六页，2022年，8月28日基因表达调控为生物体生长、发育所必需（一）以适应环境、维持生长和增殖生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。第七页，共五十六页，2022年，8月28日（二）以维持细胞分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。第八页，共五十六页，2022年，8月28日第一节原核生物基因表达的调控

原核生物基因表达的调控方式:对生长环境变化的反应与适应诱导（正调控）阻遏（负调控）第九页，共五十六页，2022年，8月28日操纵子（operon）：

一些成簇排列、相互协同的基因串连所组成的基因表达的协同单位（acoordinatedunitofgeneexpression).编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)第十页，共五十六页，2022年，8月28日一、乳糖操纵子(lactoseoperon)第十一页，共五十六页，2022年，8月28日细菌以葡萄糖为能量来源葡萄糖充分时：

与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达

与其他糖代谢有关的酶基因---关闭葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：

与乳糖代谢有关的酶基因

---表达

与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭第十二页，共五十六页，2022年，8月28日

细菌对乳糖的利用及其相关的酶:

转乙酰基酶--功能未详乳糖(在通透酶作用下进入细菌）β半乳糖苷酶（细菌中少量存在）β半乳糖苷酶(细菌中少量存在)别位乳糖β半乳糖苷酶（细菌中少量存在）葡萄糖+半乳糖第十三页，共五十六页，2022年，8月28日IPOZYa

控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶1、乳糖操纵子的结构与诱导剂RNA聚合酶结合位点调控基因第十四页，共五十六页，2022年，8月28日生理性诱导剂实验常用诱导剂别位乳糖异丙基硫代半乳糖（IPTG）Lac操纵子诱导剂第十五页，共五十六页，2022年，8月28日诱导剂乳糖操纵子的负调控图15-42、Lac阻遏物的作用第十六页，共五十六页，2022年，8月28日3、CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中

的作用----乳糖操纵子的正调控低葡萄糖、高乳糖、高cAMP时：

Lac阻遏蛋白不封闭转录

CAP+cAMP加强转录cAMP－饥饿信号CAP－分解物基因激活物蛋白第十七页，共五十六页，2022年，8月28日葡萄糖存在时：优先利用葡萄糖作为能源。与阻遏蛋白的存在有关

--乳糖操纵子的负调控与cAMP有关：葡萄糖

cAMPLac操纵子（-）只有乳糖存在时：只能利用乳糖解除阻遏蛋白的作用CAP-cAMP复合物的激活作用

CAP+cAMP

乳糖操纵子导致结构基因转录(正调控)cAMP在原核生物中的作用（饥饿信号）CAP(分解物基因激活物蛋白):有二个相同亚基的蛋白质一个与DNA结合的domain

一个与cAMP结合的domain第十八页，共五十六页，2022年，8月28日IPOZYa调控基因控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列cAMP-CAP结合位点操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶乳糖操纵子（lactoseoperon）结构RNA聚合酶结合位点第十九页，共五十六页，2022年，8月28日

CAP-cAMP复合物

在乳糖操纵子表达中的作用---正调控图15-5葡萄糖和乳糖在乳糖操纵子基因表达中的联系效应(1)(2)(3)(4)第二十页，共五十六页，2022年，8月28日原核生物基因表达的一般情况

（乳糖操纵子）环境条件的变化是相关基因表达的外界信号基因表达的负调控基因表达的正调控正、负调控协同表达葡萄糖、乳糖浓度的变化Lac阻遏物与操纵基因cAMP+CAP与相应的DNA序列第二十一页，共五十六页，2022年，8月28日二、色氨酸操纵子第二十二页，共五十六页，2022年，8月28日1、阻遏物对色氨酸操纵子的负调控

阻遏物+Trp结合操纵基因相同二个共阻遏物亚基组成的蛋白质高Trp时：阻遏物+Trp结合操纵基因低Trp时：阻遏物不结合操纵基因第二十三页，共五十六页，2022年，8月28日

阻遏物对色氨酸操纵子的负调控

调控基因结构基因

催化分支酸转变为色氨酸的酶

TrpRTrp第二十四页，共五十六页，2022年，8月28日2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控衰减子（attenuator）---DNA位于L基因中,离E基因5’端约30-60bp。通过衰减子（转录终止结构）使转录终止。高Trp时：衰减子起作用，终止转录。

产生“衰减子转录产物”（mRNA)，转录、翻译偶联，同时产生“前导肽”。第二十五页，共五十六页，2022年，8月28日

前导肽转录终止结构图15-6第二十六页，共五十六页，2022年，8月28日高Trp时：

Trp-tRNATrp存在

核糖体通过片段1(2个Trp密码子)

封闭片段2

片段3，4形成发夹结构类似于不依赖ρ因子的转录终止序列

RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物转录、翻译偶联,产生前导肽第二十七页，共五十六页，2022年，8月28日低Trp时：

Trp-tRNATrp没有供应核糖体翻译停止在片段1

（2个Trp密码子）

片段2，3

形成发夹结构

转录不终止

RNA聚合酶继续转录第二十八页，共五十六页，2022年，8月28日原核生物转录、翻译偶联图15-8第二十九页，共五十六页，2022年，8月28日衰减作用的基础转录终止结构高色氨酸时低色氨酸时图15-7第三十页，共五十六页，2022年，8月28日第二节真核生物基因表达的调控一.真核生物调控的特征：真核生物基因表达的调控核心途径：环境信号转导染色质活化转录的激活基因表达以正调控为主（激活蛋白激活靶基因）转录与翻译在不同的亚细胞区域进行第三十一页，共五十六页，2022年，8月28日真核生物基因表达的方式及调节存在很大差异按对刺激的反应性，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三十二页，共五十六页，2022年，8月28日（一）基本（或组成性）表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。无论表达水平高低，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组成性基因表达(constitutivegeneexpression)。第三十三页，共五十六页，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，这种基因称为可诱导基因(induciblegene)。可诱导基因在特定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是被抑制，这种基因是可阻遏基因(repressiblegene)。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。第三十四页，共五十六页，2022年，8月28日真核生物染色体DNA组装不同层次的结构

第三十五页，共五十六页，2022年，8月28日DnaseI敏感性实验第三十六页，共五十六页，2022年，8月28日HistonecodeH1nucleosomenucleosomenucleosomenucleosome第三十七页，共五十六页，2022年，8月28日第三十八页，共五十六页，2022年，8月28日二、参与基因调控的顺式作用元件和反式作用因子（一）顺式作用元件(cisactingelements)真核生物DNA序列和被转录的结构基因距离较近包括：启动子（启动子上游近侧序列）增强子和转录调控有关

(可影响自身编码基因表达活性)第三十九页，共五十六页，2022年，8月28日1.启动子和启动子上游近侧序列是RNA聚合酶结合位点周围的DNA序列位于转录起始点的上游按其对RNA聚合酶的影响分为两类:位于较上游的元件，强烈影响转录起始

CAATbox,GCbox离转录点较近，起转录起始调控作用

TATAbox第四十页，共五十六页，2022年，8月28日第四十一页，共五十六页，2022年，8月28日CpG岛：基因的5’末端调控区存在一段富含成对的胞嘧啶、鸟嘧啶（CpG）的序列去甲基化的CpG岛对转录起始是必需的第四十二页，共五十六页，2022年，8月28日第四十三页，共五十六页，2022年，8月28日2.增强子(enhancers)一类能增强真核生物启动子功能的顺式作用元件（DNA序列）增强子、启动子交错覆盖/连续没有增强子启动子不表现活性没有启动子增强子无法发挥作用增强子作用不受序列方向的制约有组织特异性

第四十四页，共五十六页，2022年，8月28日3.反应元件(responseelements)真核细胞处于某一特定环境时,

有反应的基因具有相同的顺式作用元件这一类顺式作用元件--反应元件（DNA序列）特点：（１）具较短的保守序列

（２）与转录起始点的距离不固定

（３）可位于启动子或增强子内举例：激素反应元件（HRE）第四十五页，共五十六页，2022年，8月28日当糖皮质激素作用时,真核细胞中有反应的基因具有此类顺式作用元件第四十六页，共五十六页，2022年，8月28日（二）反式作用因子

（转录因子，transcriptionfactor）一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子

反式作用因子

识别/结合

顺式作用元件中的靶序列

调控转录第四十七页，共五十六页，2022年，8月28日*基本转录因子(generaltranscriptionfactors)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(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。第四十八页，共五十六页，2022年，8月28日*特异转录因子(specialtranscriptionfactors)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。转录激活因子转录抑制因子第四十九页，共五十六页，2022年，8月28日反式因子有两个必需的结构域

DNA结合结构域：与顺式元件识别、结合转录激活结构域：与RNA聚合酶结合蛋白质图15-9第五十页，共五十六页，2022年，8月28日反式作用因子（DNA结合域）结构模式

--蛋白质Helix-turn-helixα螺旋-β转角-α螺旋最常见DNA结合域之一例：CA