《生物化学与分子生物学》基因表达调控-课课件

第十八章基因表达调控

RegulationofGeneExpression1ppt课件神经元淋巴细胞2ppt课件第一节基因表达调控基本概念与特点基因(gene)基因（gene）：编码蛋白质或RNA等具有特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。一、基因表达是基因转录和翻译的过程除了某些以RNA为基因组的RNA病毒外，基因通常是指染色体或基因组的一段DNA序列。基因包括编码序列（外显子）、调控序列和间隔序列（内含子）。3ppt课件基因组（genome）指细胞或生物体的一套单倍体遗传物质基础的总和。人类基因组包含了细胞核染色体DNA（常染色体和性染色体）及线粒体DNA所携带的所有遗传物质。4ppt课件基因表达（geneexpression）是基因转录及翻译的过程

rRNA、tRNA编码基因转录过程也属基因表达。

生物基因组中只有部分基因表达，其表达水平会随时间、环境而变化。DNARNA转录蛋白质翻译逆转录复制5ppt课件（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。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。（二）空间特异性

基因表达的时间、空间特异性由特异的基因启动子和（或）增强子与调节蛋白相互作用决定。二、基因表达的特异性

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。又称细胞特异性或组织特异性。6ppt课件（一）基本表达(constitutivegeneexpresstion)指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。区别于其它基因,这类表达称为基本表达(或组成性)基因表达，这些基因通常被称为管家基因(housekeepinggene)。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，不受其它机制调节。三、基因表达的方式7ppt课件（二）适应性表达(adaptive

expression)诱导(induction)：指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。如：DNA损伤→修复酶基因激活阻遏(repression)：指在特定环境信号刺激下，相应的基因被抑制，基因表达产物减少。这种基因称为可阻遏基因。如：大肠杆菌的色氨酸合成酶系有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏。三、基因表达的方式8ppt课件在一定机制控制下，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)。（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节三、基因表达的调节9ppt课件四、基因表达调控的意义（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生长和增殖（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化个体发育突变10ppt课件第二节基因表达调控的基本原理一、基因表达调控呈现多层次性和复杂性

基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件，转录起始是基因表达的基本控制点。细胞核核孔DNA

初级RNA转录物mRNAmRNA蛋白质失活蛋白质1转录控制2RNA加工控制翻译控制34蛋白质活性控制细胞质11ppt课件二、基因转录激活的基本要素（一）特异DNA序列决定基因的转录活性原核生物——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)RNA-pol(2)

操纵子通常由2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。

基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节。12ppt课件RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。启动序列共有序列图13-1五种E.coli启动序列的共有序列13ppt课件

操纵序列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，阻遏转录。——阻遏蛋白(repressor)的结合位点编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)RNA-pol阻遏蛋白负性调节14ppt课件原核操纵子调节序列是还有一种特异DNA序列可结合激活蛋白(activator)

，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。

特异DNA序列正性调节编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)CAPRNA-pol(2)CAP：分解（代谢）物基因激活蛋白

转录15ppt课件编码序列ABDNA转录起始点RNA-pol真核生物的特异DNA序列

顺式作用元件(cis-actingelement)——可影响自身基因表达活性的DNA序列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。顺式作用元件分为启动子、增强子和沉默子等。编码序列BADNA转录起始点RNA-pol16ppt课件（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性

原核生物基因转录调节蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)特异因子CAP阻遏蛋白二、基因转录激活的基本要素

DNA调节序列本身并不行使功能，这些序列必须被基因转录调节蛋白识别和结合才能发挥作用。17ppt课件可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达的蛋白质因子。这种调节作用称为顺式作用（顺式调节）。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的识别、结合反式激活另一基因的转录。这种调节作用称为反式调节。真核基因转录调节蛋白(转录调节因子或转录因子)

反式作用蛋白或反式作用因子

顺式作用蛋白18ppt课件指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。有些调节蛋白在结合DNA前，需要通过蛋白质-蛋白质相互作用形成二聚体或多聚体。（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节DNA-蛋白质相互作用

蛋白质-蛋白质相互作用指由二个或多个蛋白质形成二聚体或多聚体。最常见的是二聚体（有同二聚体和异二聚体之分）对称、或不完全对称结构。19ppt课件（四）RNA聚合酶1.启动序列/启动子与RNA聚合酶活性

启动序列/启动子与RNA聚合酶的亲和力直接影响转录起动的频率。2.调节蛋白与RNA聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。如热休克反应。二、基因转录激活的基本要素20ppt课件第三节原核基因表达调节——调节的主要环节在转录起始一、原核基因转录调节特点（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性（二）操纵子模型的普遍性（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节

原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一转录单位----操纵子，如乳糖操纵子。

原核基因转录调节存在正性调节和负性调节,其中以负性调节为主。21ppt课件二、操纵子调控模式（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶调控区CAP结合位点启动序列操纵序列调节基因ZYAOPDNAIPI

操纵子调控模式在原核基因转录起始的调节中具有普遍性。22ppt课件（二）乳糖操纵子(lacoperon)的调节机制mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPRNA-pol

没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻遏状态1.阻遏蛋白的负性调节阻遏基因

乳糖操纵子受到阻遏蛋白和CAP的双重调节

图13-4lac操纵子与阻遏蛋白的负性调节抑制转录启动23ppt课件mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPRNA-pol启动转录乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶

有乳糖存在时，lac操纵子即可被诱导。作为诱导剂结合阻遏蛋白mRNA

图13-4lac操纵子与阻遏蛋白的负性调节24ppt课件++++转录

无葡萄糖及cAMP浓度高时2.CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPcAMP

有葡萄糖及cAMP浓度低时cAMP与CAP结合受阻lac操纵子表达下降RNA-pol25ppt课件3.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；ZYAOPDNAIPI(a)有葡萄糖，无乳糖阻遏蛋白CAPRNA-pol抑制转录启动图13-5CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节26ppt课件3.协调调节当乳糖存在时，去阻遏；但因有葡萄糖存在，CAP不能发挥作用，仍几无转录活性。(b)有葡萄糖，有乳糖ZYAOPDNAIPICAP阻遏蛋白诱导剂很少的mRNA转录图13-5CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节27ppt课件3.协调调节当葡萄糖不存在，乳糖存在时，既去阻遏；CAP又能发挥作用，对lac有强的诱导调节。(c)无葡萄糖，有乳糖ZYAOPDNAIPICAP阻遏蛋白诱导剂大量的mRNA转录RNA-pol图13-5CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节28ppt课件三、原核生物具有不同的转录终止调节机制四、原核生物翻译水平的调节两种终止调节方式：衰减和抗终止依赖Rho(ρ)因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止主要转录终止机制（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节（自我控制）（二）反义RNA结合于翻译起始部位互补序列对翻译进行调节（反义控制）29ppt课件第四节真核基因表达调节一、真核基因组的结构特点（一）真核基因组结构庞大（二）真核基因转录产物为单顺反子

单顺反子----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。（三）真核基因组含有大量的重复序列（四）真核基因具有不连续性根据重复频率分为高度重复序列、中度重复序列和单拷贝序列。30ppt课件二、真核基因表达调控特点（一）真核细胞内含有多种RNA聚合酶

真核RNA聚合酶有三种，即RNA-polⅠ、Ⅱ、Ⅲ，分别负责三种RNA转录。真核RNA-pol不直接结合模板，而需依靠转录因子(transcriptionalfactors,TF)协助起始转录。（二）处于转录激活状态的染色体结构变化

真核DNA被包装成核小体和更浓缩的染色质结构。启动子DNA包装成核小体会影响转录起始。基因激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化。31ppt课件（三）正性调节占主导（四）在真核细胞中转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工更为复杂

真核基因是由蛋白质组合来调控，并以正性调节为主，原因有二：

（1）采用正性调节机制更精确；

（2）采用负性调节不经济。二、真核基因表达调控特点32ppt课件三、RNApolⅠ和polⅢ转录体系的调节相对简单tRNA和5SrRNA基因启动子位于转录起始点下游即转录区内，称为内部控制区（internalcontrolregions,ICR）

（一）RNApolⅠ转录体系的控制

人rRNA前体基因的启动子有两个元件：核心元件与上游控制元件。

RNApolⅠ的两种转录因子：上游结合因子１与选择性因子１。（二）RNApolⅢ转录体系的控制33ppt课件

真核基因顺式作用元件影响基因转录活性。按功能特性，顺式作用元件分为：启动子、增强子和沉默子。真核基因启动子是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盒四、RNApolⅡ转录起始的调节非常复杂（一）顺式作用元件

1、启动子(promoter)34ppt课件2、增强子(enhancer)

指远离转录起始点(1～30kb)、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列。

增强子发挥作用的方式通常与方向、距离无关。从功能上讲，没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动子时，增强子也无法发挥作用。3、沉默子(silencer)

指某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。35ppt课件（二）反式作用因子1.转录调节因子(transcriptionfactors,TF)的分类*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(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。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。*特异转录因子转录激活因子转录抑制因子按功能分类

反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白36ppt课件2.转录调节因子结构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）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域（二）反式作用因子

反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白37ppt课件（三）mRNA转录激活需要转录起始复合物的形成真核RNA聚合酶Ⅱ不能单独识别、结合启动子，而是先由基本转录因子TFⅡD的组成成分TBP

识别TATA盒或启动元件。TBP为基本转录因子TFⅡD的亚基，折叠为两个功能非常相似的功能域（蓝色和绿色），负责识别和结合DNA中的TATA框序列（红色）。38ppt课件图13-9真核转录起始复合物的形成（三）mRNA转录激活需要转录起始复合物的形成TBP识别TATA盒或启动元件，在TAF、TFⅡA~F等参与下，与RNA聚合酶Ⅱ一起形成转录起始复合物。PolⅡTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPDNATATAEBPTBPTFⅡHTBP辅因子增强子结合蛋白39ppt课件真核生物细菌

细菌和真核生物基因转录激活机制主要差别的总结。另外，真核DNA包装成核小体（未显示）。基因调控序列RNA聚合酶转录起始转录因子调控蛋白启动子TATA框RNA聚合酶基因调控序列调控蛋白启动序列转录起始40ppt课件思考题1、试述原核生物和真核生物基因组的特点。4、试比较原核生物和真核生物基因转录激活机制。3、以乳糖操纵子为例介绍原核生物的操纵子调控模式。2、基因转录激活的基本要素有哪些？41ppt课件增强子

增强子（激活蛋白结合部位）激活蛋白转录起始转录起始TATA框转录因子和RNA聚合酶的结合转录因子RNA聚合酶42ppt课件T