基因表达调控

基因表达调控第1页，共87页，2023年，2月20日，星期四第一节

基因的结构与功能第2页，共87页，2023年，2月20日，星期四1．基因的分子基础现代分子生物学研究已经证实DNA是遗传信息的主要载体，基因的化学本质就是一段DNA分子片段。Watson和Crick提出的DNA分子双螺旋结构模型为遗传信息传递提供了物质结构基础。根据这个模型，DNA分子是由2条互补的多核苷酸链相互缠绕而成，2条链之间通过碱基配对结合在一起。第3页，共87页，2023年，2月20日，星期四第4页，共87页，2023年，2月20日，星期四基因作为一个遗传功能单位，它所对应的一段核苷酸序列被称为顺反子（cistron）。显然，一个顺反子编码一种完整多肽链。因此，顺反子是一个功能单位。基因和顺反子这两个术语常被等同使用，但仔细分析，两者是有区别的：在原核细胞和低等真核细胞中，基因和顺反子是等价的；而在高等真核细胞中，由于基因中内含子的存在，此时顺反子等价于真核基因的外显子。第5页，共87页，2023年，2月20日，星期四2．基因的结构结构上，基因由多个不同的区域组成。无论是原核基因还是真核基因，都可划分为编码区和非编码区两个基本组成部分。编码区是可以被转录的区域，由连续的密码子组成，其中包括起始密码（通常是AUG）和终止密码（UAA、UAG和UGA）。编码区中包含5’端的非翻译区（5’UTR）和3’端的非翻译区（3’UTR）第6页，共87页，2023年，2月20日，星期四第7页，共87页，2023年，2月20日，星期四第8页，共87页，2023年，2月20日，星期四启动子（promoter）：是位于基因5’端上游紧靠转录起点的一段非编码序列，其功能是引导RNA聚合酶与基因相应部位的正确结合，启动基因的转录。一般来说，原核基因的启动子比较简单，只有数十个碱基组成，而真核基因的启动子较大，可能涉及数千个碱基。终止子（terminator）：基因3’端下游外侧与终止密码子相邻的一段非编码的核苷酸短序列，具有终止转录的功能。即一旦RNA聚合酶完全通过了基因的转录单位后，聚合酶就不能继续向前移动，使转录活动终止。第9页，共87页，2023年，2月20日，星期四3．原核生物基因结构与调控模式——操纵子(operon)

机制编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)第10页，共87页，2023年，2月20日，星期四由P序列、O序列和CAP结合位点共同构成lac操纵子的调控区，他们相互协调，共同控制着信息区中三个酶的编码基因的表达第11页，共87页，2023年，2月20日，星期四3．真核生物基因结构与调控模式1)顺式作用元件(cis-actingelement)——可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。

第12页，共87页，2023年，2月20日，星期四2)

真核基因的调节蛋白还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。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，调节其表达。反式作用因子(trans-actingfactor)

这种调节作用称为反式作用。第13页，共87页，2023年，2月20日，星期四cDNAaDNA反式调节C顺式调节mRNAC蛋白质CBAmRNA蛋白质AA第14页，共87页，2023年，2月20日，星期四启动子启动子是RNA聚合酶特异性识别和结合的DNA序列。启动子有方向性，位于结构基因转录起始点的上游，本身并不被转录。TATA盒（TATAbox）是主要的真核生物的启动子元件，它位于转录起始点上游-25bp处，几乎所有已发现的真核生物基因的启动子都有此序列。TATA盒与一种称为TATA因子的转录因子结合后即成为完整的启动子，精确地决定RNA合成的起始位点第15页，共87页，2023年，2月20日，星期四上游启动子元件上游启动子元件（upstreampromoterelements）是TATA盒上游的一些特定的DNA序列。反式作用因子可与这些元件结合，通过调节TATA因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与启动子的结合及转录起始复合物的形成（转录起始因子与RNA聚合酶结合）来调控基因的转录效率。包括CAAT盒、CACA盒及GC盒等。第16页，共87页，2023年，2月20日，星期四反应元件（responseelements）是一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的DNA序列。反应元件都具有较短的保守序列。这些元件通常位于启动子附近和增强子内，如热休克反应元件（heatshockresponseelement，HSE）糖皮质激素反应元件（glucocorticoidresponseelement，GRE）。第17页，共87页，2023年，2月20日，星期四增强子（enhancer）增强子是一段DNA序列，其中含有多个能被反式作用因子识别与结合的顺式作用元件。反应作用因子与这些元件结合后能够调控（通常为增强）邻近基因的转录。增强子一般位于转录起始点上游-100～-300bp处，但在基因之外或某些内含子也有增强子序列。第18页，共87页，2023年，2月20日，星期四转位基因，也称转位因子（transposableelements），是指可以从染色体基因组上的一个位置转移到另一个位置，甚至在不同的染色体之间跃迁的基因成分，因此有些文献形象地称之为跳跃基因（jumpinggenes）。转位基因最早由美国冷泉港实验室的女科学家B.McClintock，于上世纪40年代晚期在玉米中首次发现。4．特殊结构与功能的基因第19页，共87页，2023年，2月20日，星期四原核生物的转位因子分三种不同的类型：插入序列：分子量小于2000bp

转座子：大于2000bp

可转座的噬菌体：如，噬菌体Mu和D108。第20页，共87页，2023年，2月20日，星期四假基因（pseudogene）：因碱基顺序发生某些突变而失去功能，不能表达或表达异常，生成无生物活性多肽的基因。假基因4个显著特点：①没有内含子；②具有与mRNA的poly(A)尾的相应结构；③两侧有顺向重复序列；④随机出现在非正常的位置。第21页，共87页，2023年，2月20日，星期四重叠基因（overlappinggenes），或嵌套基因（nestedgenes）：基因的核苷酸序列是彼此重叠。第22页，共87页，2023年，2月20日，星期四基因家族（genefamily）就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。（1）核酸序列相同即多拷贝基因。如rRNA基因，tRNA基因等。（2）核酸序列高度同源如人类生长激素基因家族：人生长激素(hGH)、人胎盘促乳素(hCS)和催乳素(prolactin)。第23页，共87页，2023年，2月20日，星期四（3）编码产物具有同源功能区：如src癌基因家族，基因产物都含有250个氨基酸顺序的同源蛋白激酶结构域。（4）编码产物具有小段保守基序：如DEAD盒基因家族的产物都具有解旋酶的功能，其结构特征是8个氨基酸序列，内含DEAD序列：Asp-Glu-Ala-Asp。第24页，共87页，2023年，2月20日，星期四基因超家族（genesuperfamily）是指一组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。它们可能起源于相同的祖先基因，但是它们的功能并不一定相同(区别于多基因家族）。第25页，共87页，2023年，2月20日，星期四第二节基因组的结构与功能一、病毒基因组的结构与功能特点二、原核生物基因组的结构与功能特点三、真核生物基因组结构与功能的特点四、线粒体基因组五、人类基因组*基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。第26页，共87页，2023年，2月20日，星期四一、病毒基因组的结构与功能特点1．不同病毒基因组大小相差较大乙肝病毒（HBV）DNA为3.2

kb痘病毒基因组DNA长达300kb第27页，共87页，2023年，2月20日，星期四2．不同病毒的基因组可以是不同结构的核酸腺病毒基因组为线性双链DNA第28页，共87页，2023年，2月20日，星期四3．病毒基因组有连续的也有不连续的流感病毒由8条单链RNA分子构成第29页，共87页，2023年，2月20日，星期四4．病毒基因组的编码序列大于90%

病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，只有很小的一部分不编码蛋白质。第30页，共87页，2023年，2月20日，星期四5．单倍体基因组除逆转录病毒基因组有两个拷贝外，至今发现的病毒基因组都是单倍体，每个基因在病毒颗粒中只出现一次。第31页，共87页，2023年，2月20日，星期四6．基因有连续的和间断的感染细菌的病毒（噬菌体）基因组与细菌基因组结构特征相似，基因是连续的；而感染真核细胞的病毒基因组与真核生物基因组结构特征相似，有的基因含有内含子，基因是间断的。第32页，共87页，2023年，2月20日，星期四7．相关基因丛集如腺病毒晚期基因编码表达的12种外壳蛋白，在晚期基因转录时是在1个启动子作用下生成多顺反子mRNA，然后加工成各种mRNA，编码病毒的各种外壳蛋白，它们在功能上都是相关的。第33页，共87页，2023年，2月20日，星期四8．基因重叠有些病毒核酸分子很小，又需要装入尽可能多的基因，因此在进化过程中形成了重叠基因，即同一段核酸序列能够编码2种或2种以上蛋白质。第34页，共87页，2023年，2月20日，星期四9．病毒基因组含有不规则结构基因主要类型有：①几个结构基因的编码区无间隔，而是连续的、不间断的。②mRNA没有5端的帽结构。③结构基因本身没有翻译起始序列第35页，共87页，2023年，2月20日，星期四二、原核生物基因组的结构与功能特点1．具有操纵子结构这是原核基因组的一个突出的结构特点。所谓操纵子由信息区和调控区组成，前者包括数个编码蛋白质的序列，后者包括启动子、操纵基因，以及下游的转录终止信号。2．编码序列在基因组中约占50%

原核生物基因的编码序列在基因组中约占50%，远大于真核基因组，但又小于病毒基因组；编码顺序不重叠，其转录产物多为多顺反子结构。第36页，共87页，2023年，2月20日，星期四3．多顺反子结构，无内含子原核基因是多顺反子结构，同时基因内无内含子，是连续的，因此转录后不需要剪切。4．基因组中重复序列很少原核基因很少重复序列，其结构基因多为单拷贝，只有编码rRNA的基因往往是多拷贝的，这有利于核糖体的快速组装。5．存在移动基因原核基因组中存在着可移动的DNA序列，包括插入序列和转座子。第37页，共87页，2023年，2月20日，星期四三、真核生物基因组结构与功能的特点

真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组DNA

约3×109

碱基对编码基因约有40000个，占总长的6%rDNA等重复基因约占5%~10%第38页，共87页，2023年，2月20日，星期四1．多条染色体，两份同源的基因组配子（精子和卵子）为单倍体，体细胞一般为双倍体，即含两份同源的基因组，而原核生物的基因组则是单拷贝的。2．基因组庞大、复杂真核基因组远远大于原核生物的基因组，结构复杂，基因数庞大，具有许多复制起点。3．单顺反子结构（monocistron）即一分子mRNA只能翻译成一种蛋白质。第39页，共87页，2023年，2月20日，星期四4．非编码顺序占绝大部分，含有大量重复顺序真核生物基因组内非编码的顺序占90%以上。这是与细菌、病毒的重要区别，且在一定程度上也是生物进化的标尺。6．具有内含子结构，普遍存在选择性剪接大多数真核生物的结构基因具有内含子结构，是断裂基因。7．有基因家族功能相关的基因可串联在一起，构成各种基因家族。第40页，共87页，2023年，2月20日，星期四四、线粒体基因组一个细胞里有许多个线粒体，而且一个线粒体里也有几份基因组拷贝，所以一个细胞里也就有许多个线粒体基因组。真核细胞内存在两个遗传系统，一个在细胞核内，一个在细胞质内，各自合成一些蛋白质和基因产物，造成了细胞核和细胞质对遗传的相互作用；但是，核基因在生物体的遗传控制中仍起主宰作用。第41页，共87页，2023年，2月20日，星期四五、人类基因组（一）人类基因组DNA的多态性

DNA序列存在着多态性(polymorphism)，这种多态性可以分为两类，即DNA位点多态性和长度多态性。第42页，共87页，2023年，2月20日，星期四（二）人类基因组的重复序列

1．反向重复序列是指两个顺序相同的拷贝在DNA链上呈反向排列。人类基因组约含5%的反向重复序列，散布于整个基因组中，常见于基因组调控区内，可能与复制的调控有关。第43页，共87页，2023年，2月20日，星期四2．串联重复序列（tandemrepeats）其特点是具有一个固定的重复单位，该重复单位头尾相连形成重复顺序片段，约占整个人类基因组的10%。第44页，共87页，2023年，2月20日，星期四第三节基因的表达与调控

第45页，共87页，2023年，2月20日，星期四一、基因表达的概念基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。*基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的第46页，共87页，2023年，2月20日，星期四二、基因表达的时间性及空间性（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47页，共87页，2023年，2月20日，星期四（二）空间特异性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，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48页，共87页，2023年，2月20日，星期四三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）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)。第49页，共87页，2023年，2月20日，星期四无论表达水平高低，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50页，共87页，2023年，2月20日，星期四（二）诱导和阻遏表达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。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。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。第51页，共87页，2023年，2月20日，星期四在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。第52页，共87页，2023年，2月20日，星期四四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化第53页，共87页，2023年，2月20日，星期四五、基因表达调控的基本原理（一）基因表达的多级调控基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰转录起始第54页，共87页，2023年，2月20日，星期四（二）基因转录激活调节基本要素基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。1.特异DNA序列和调节蛋白质第55页，共87页，2023年，2月20日，星期四原核生物

蛋白质因子——操纵子(operon)

机制特异DNA序列编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)第56页，共87页，2023年，2月20日，星期四是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1)

启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列第57页，共87页，2023年，2月20日，星期四共有序列(consensussequence)

决定启动序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）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58页，共87页，2023年，2月20日，星期四2操纵序列

——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白第59页，共87页，2023年，2月20日，星期四3)

其他调节序列、调节蛋白例如：激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。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。第60页，共87页，2023年，2月20日，星期四(1)螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix）这种结构模式具有两个较短的α螺旋片段，每个片段有7至9个氨基酸残基，两个螺旋片段之间有β转角结构联系。一个α螺旋被认为是识别螺旋，含有较多能与DNA相互作用的氨基酸残基，此螺旋进入DNA双螺旋结构的大沟。2.DNA与蛋白质之间的相互作用第61页，共87页，2023年，2月20日，星期四(2)锌指（zincfingers）锌指结构含有约30个氨基酸残基，其中4个氨基酸残基（两个是半脱氨酸两个是组氨酸，或4个都是半脱氨酸）以配位键与Zn2+相互作用，如图2-6所示。锌指能与DNA双螺旋大沟结合。第62页，共87页，2023年，2月20日，星期四2.DNA与蛋白质之间的相互作用(1)亮氨酸拉链（leucinezippers）这种结构是指在一段肽链中每隔7个氨基酸残基就有一个亮氨酸残基，这段肽链所形成的α-螺旋就会出现一个由亮氨酸残基组成的疏水面，而另一面则是由亲水性氨基酸残基所构成的亲水面。第63页，共87页，2023年，2月20日，星期四(2)螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix）第64页，共87页，2023年，2月20日，星期四六、原核生物的基因表达调控

第65页，共87页，2023年，2月20日，星期四——调节的主要环节在转录起始（一）原核基因转录调节特点1.σ因子决定RNA聚合酶识别特异性2.操纵子模型的普遍性3.阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性第66页，共87页，2023年，2月20日，星期四（二）乳糖操纵子调节机制1.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67页，共87页，2023年，2月20日，星期四mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时2.阻遏蛋白的负性调节阻遏基因第68页，共87页，2023年，2月20日，星期四mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第69页，共87页，2023年，2月20日，星期四++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时3.CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第70页，共87页，2023年，2月20日，星期四4.协调调节

※

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。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71页，共87页，2023年，2月20日，星期四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72页，共87页，2023年，2月20日，星期四TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶?（三）其他转录调节机制1.转录衰减色氨酸操纵子第73页，共87页，2023年，2月20日，星期四UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……第74页，共87页，2023年，2月20日，星期四UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止第75页，共87页，2023年，2月20日，星期四UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子

结构基因前导DNARNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构第76页，共87页，2023年，2月20日，星期四2.基因重组沙门菌鞭毛素基因的调节H2鞭毛素