基因表达调控

基因表达调控第1页，课件共82页，创作于2023年2月第一节基因表达调控的基本概念

BASICCONCEPTSOFGENEREGULATION第2页，课件共82页，创作于2023年2月

基因表达（geneexpression）：在基因组携带的固有遗传信息指导下生成各种具有生物学功能的RNA和蛋白质的过程。

第3页，课件共82页，创作于2023年2月

基因表达是转录和翻译的过程，但不是所有的基因表达都产生蛋白质，rRNA和tRNA的产生也属于基因表达。

基因组内基因的数量非常庞大，但是只有少数表达，大多数不表达或表达水平极低。一、基因表达是转录和翻译的过程第4页，课件共82页，创作于2023年2月

二、基因表达的规律

SpecificitiesofGeneExpression（一）时间特异性（阶段特异性）

TemporalSpecificity(StageSpecificity)（二）空间特异性（组织/细胞特异性）

SpatialSpecificity(Tissue/CellSpecificity)

第5页，课件共82页，创作于2023年2月（一）时间特异性按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。

甲胎蛋白碱性磷酸酶

受精卵发育二、基因表达的时间和空间特异性第6页，课件共82页，创作于2023年2月1龄期2龄期3龄期蛹第7页，课件共82页，创作于2023年2月ExpressionpatternsofsomegenesduringtheEScelldifferentiation第8页，课件共82页，创作于2023年2月（二）空间间特异性指在个体生长、发育过程中，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异。又称细胞或组织特异性。

胰岛素

血红蛋白：红细胞鸟氨酸循环酶类：肝细胞第9页，课件共82页，创作于2023年2月三、基因表达方式存在多样性（一）持续表达（组成性表达）

constitutivegeneexpression

（二）适应性表达

adaptiveexpression不同的基因对生物体内、外环境信号刺激的反应性不同，表达方式也会不同。第10页，课件共82页，创作于2023年2月（一）持续表达（基本表达、组成性表达）

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。管家基因

定义p358actin、tublin、GAPDH等第11页，课件共82页，创作于2023年2月bcl-2β-actin12第12页，课件共82页，创作于2023年2月中文名称英文缩写Beta－肌动蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脱氢酶GAPDHTATABox结合蛋白 TBP18s核糖体核糖核酸 18srRNA微管蛋白α

α-Tubulin常用的管家基因第13页，课件共82页，创作于2023年2月基本的基因表达一般只受启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而很少受其他机制的调节。第14页，课件共82页，创作于2023年2月（二）适应性表达：诱导和阻遏诱导(induction)在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因产物表达增加。如DNA损伤修复、HSP阻遏(repression)在特定环境信号刺激下，相应的基因被抑制，基因产物表达减少。如色氨酸第15页，课件共82页，创作于2023年2月（三）协调表达在一定机制控制下，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。第16页，课件共82页，创作于2023年2月顺式作用元件p513

四、顺式作用元件和反式作用因子第17页，课件共82页，创作于2023年2月真核生物——顺式作用元件(cis-actingelement)第18页，课件共82页，创作于2023年2月增强子（enhancer）正性调节元件沉默子（silencer）负性调节元件启动子（promoter）基础元件，决定基因的基本表达含有共有序列：

TATA盒（－25区）

GC盒和CAAT盒（－40～－110区）决定基因的组织特异性表达第19页，课件共82页，创作于2023年2月反式作用因子p508

绝大多数转录因子属于反式作用因子第20页，课件共82页，创作于2023年2月第21页，课件共82页，创作于2023年2月五、基因表达调控的多层次和复杂性

基因组

转录

转录后

翻译

翻译后第22页，课件共82页，创作于2023年2月

基因表达调控的多层次和复杂性

Multi-levelsandCompliexityofGeneExpressionRegulation基因激活

转录起始

转录后加工及转运mRNA降解

翻译及翻译后加工

蛋白质降解DNA甲基化组蛋白乙酰化DNAelement,TFmRNA可变剪接、编辑siRNA化学修饰泛素化降解第23页，课件共82页，创作于2023年2月六、基因表达调控是生物生长发育的基础

适应环境、维持增长和增殖

维持细胞分化与体发育第24页，课件共82页，创作于2023年2月（一）适应环境，维持细胞的正常生长与繁殖细菌葡萄糖乳糖

与葡萄糖代谢有关的酶表达增强

与乳糖代谢有关的酶表达增强第25页，课件共82页，创作于2023年2月（二）维持细胞分化和个体发育多细胞生物第26页，课件共82页，创作于2023年2月Celldifferentiation第27页，课件共82页，创作于2023年2月第二节原核基因表达调控REGULATIONOFPROKARYOTICGENEEXPRESSION第28页，课件共82页，创作于2023年2月第二节原核细胞基因表达调控

原核细胞基因组的特点主要调控是在转录水平，其次是翻译水平。

第29页，课件共82页，创作于2023年2月遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron）。原核基因中多个功能相关的结构基因串联在一起构成一个转录单位。通常依赖同一调控序列对其转录进行调节，使这些相关基因实现协同表达。为多顺反子（polycistron）。真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（singlecistron）。

第30页，课件共82页，创作于2023年2月多顺反子：如色氨酸操纵子第31页，课件共82页，创作于2023年2月一、操纵子一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。

结构基因

调控序列启动子操控元件调节基因特异因子阻遏蛋白激活蛋白阻遏蛋白第32页，课件共82页，创作于2023年2月TheDiscoveryofOperonsIn1961,FrancoisJacobandJacquesMonod

proposedtheoperonmodelofgeneregulationinbacteria.TheyreceivedtheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965forthiswork.第33页，课件共82页，创作于2023年2月原核生物启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACA

TATAATConsensussequence第34页，课件共82页，创作于2023年2月二、乳糖操纵子是原核生物基因转录负调控的最典型模式。调节机制：阻遏蛋白的负性调节

CAP的正性调节协调调节第35页，课件共82页，创作于2023年2月乳糖操纵子结构CAP结合位点PIIPOZYA调控区结构基因I:阻遏蛋白编码基因

PI:阻遏蛋白基因启动序列

Z:β-半乳糖苷酶Y:透酶

A:乙酰基转移酶结构基因O:操纵序列（阻遏蛋白结合部位）P:启动序列CAP结合位点调控区第36页，课件共82页，创作于2023年2月乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节1阻遏蛋白的负调节2CAP的正性调节3协同调节第37页，课件共82页，创作于2023年2月阻遏蛋白的负性调节（无乳糖）阻遏蛋白与O序列结合,抑制转录,lac操纵子关闭。阻遏蛋白mRNACAP结合位点PIIPOZYARNA聚合酶

第38页，课件共82页，创作于2023年2月诱导剂结合于阻遏蛋白，阻遏蛋白与O序列解离，转录抑制解除，lac操纵子开启。乳糖半乳糖CAP结合位点PIIPOZYAmRNA阻遏蛋白的负性调节（有乳糖）

第39页，课件共82页，创作于2023年2月第40页，课件共82页，创作于2023年2月CAP:

分解代谢物基因激活蛋白catabolitegeneactivatorprotein同二聚体cAMP

结合区

DNA

结合区第41页，课件共82页，创作于2023年2月CAP的正性调节（无葡萄糖）cAMPCAP蛋白PIIPOZYACAP结合位点mRNA无葡萄糖，cAMP浓度高cAMP与CAP结合

与CAP结合位点结合转录活性提高约50倍

第42页，课件共82页，创作于2023年2月CAP的正性调节（有葡萄糖）cAMPCAP蛋白PIIPOZYACAP结合位点mRNA有葡萄糖，cAMP浓度低cAMP与CAP结合受阻转录活性下降

第43页，课件共82页，创作于2023年2月阻遏蛋白mRNACAP结合位点PIIPOZYARNA聚合酶

阻遏蛋白与CAP的协调调节（1）无乳糖时,

阻遏蛋白封闭转录，CAP无作用第44页，课件共82页，创作于2023年2月

（2）有乳糖时,乳糖操纵子去阻遏,虽可转录,

但活性很低,必须由CAP的正性调节来加强PIIPOZYACAP结合位点mRNA

第45页，课件共82页，创作于2023年2月※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46页，课件共82页，创作于2023年2月三、色氨酸操纵子通过衰减的方式阻遏基因的表达O

阻遏蛋白（无活性）trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导trpL衰减子

结构基因

调控区

色氨酸合成的酶蛋白第47页，课件共82页，创作于2023年2月TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?色氨酸操纵子6700个核苷酸140个核苷酸第48页，课件共82页，创作于2023年2月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:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……第49页，课件共82页，创作于2023年2月

色氨酸操纵子mRNA引导序列不同区域互补所形成的不同二级结构

引导序列由一段14氨基酸前导肽编码区和一个衰减子组成，AUG密码子后面紧跟13个密码子，第10、11为色氨酸密码子。第50页，课件共82页，创作于2023年2月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51页，课件共82页，创作于2023年2月UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA

15’

trp密码子

结构基因前导DNA

RNA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52页，课件共82页，创作于2023年2月色氨酸操纵子的转录衰减作用

色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合成完整的引导肽。RNA聚合酶停止在衰减子部位。色氨酸缺乏时，核蛋白体终止在1区Trp密码子部位，RNA聚合酶通过衰减子而继续转录。

第53页，课件共82页，创作于2023年2月四、终止阶段的调控五、翻译水平的调控

（一）转录翻译的耦联调节（见色氨酸操纵子）

（二）自我控制（三）翻译阻遏（四）反义RNA反义控制（五）mRNA密码子的编码频率

第54页，课件共82页，创作于2023年2月REGULATIONOFEUKARYOTICGENEEXPRESSION第四节真核基因表达调节50第55页，课件共82页，创作于2023年2月第三节真核生物基因表达的调控

单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同。

多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组DNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。第56页，课件共82页，创作于2023年2月一、真核生物基因表达的特点

基因组大只有10%为可表达的基因基因不连续，含有内含子单顺反子染色质的结构存在线粒体DNA第57页，课件共82页，创作于2023年2月二、染色质结构与真核基因表达

（2）基因表达的时间性和空间性

时间性：个体发育的不同阶段，基因表达的种类和数量是不同的；空间性：在不同组织和器官中，基因表达的种类和数量是不同的。1．对核酸酶极度敏感第58页，课件共82页，创作于2023年2月2组蛋白的变化乙酰化组蛋白乙酰化酶组蛋白去乙酰化酶甲基化第59页，课件共82页，创作于2023年2月3CpG岛的甲基化CpG岛：p504甲基化：胞嘧啶5位碳原子在DNA甲基化转移酶的作用下修饰为5-甲基胞嘧啶。表观遗传：506第60页，课件共82页，创作于2023年2月4.基因的甲基化修饰

DNA上特定的CpG序列处的胞嘧啶发生甲基化修饰（5mC）。甲基化程度与基因的表达一般呈反比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降低。去甲基化，基因的表达增加。意义：调控真核生物基因的表达，维护染色体的完整性，调节DNA重组的某些环节。第61页，课件共82页，创作于2023年2月三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位1.顺式作用元件(cis-actingelement)p513

指某些能影响基因表达但不编码新的蛋白质和RNA的DNA序列，按照功能分为启动子、增强子、负调控元件（沉默子等）。

第62页，课件共82页，创作于2023年2月

（1）启动子(promoter)

真核基因启动子是在基因转录起始位点(+1)及其5′上游近端大约100～200bp以内的一组具有独立功能的DNA序列。每个元件长度约为7～20bp，是决定RNA聚合酶Ⅱ转录起始点和转录频率的关键元件。

第63页，课件共82页，创作于2023年2月

真核Ⅱ类基因的顺式作用元件图

①核心启动子(corepromoter)②上游启动子元件(upstreampromoterelement,UPE)第64页，课件共82页，创作于2023年2月(2)增强子(enhancer)p516

指位于启动子上游或下游并通过启动子增强邻近基因转录效率的DNA顺序，增强子本身不具备启动子活性。第65页，课件共82页，创作于2023年2月(3)其他元件包括负调控元件和终止子等。负调控元件:沉默子（silencer）或衰减子（dehancer）p506

指在真核基因内能抑制基因转录的DNA序列,与反式作用因子相互结合而起作用。不受距离和方向的限制，并可对异源基因的表达起作用。第66页，课件共82页，创作于2023年2月四、转录因子、反式作用因子

指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件8～12bp核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质，也称序列特异性DNA结合蛋白(sequencespecificDNAbindingprotein，SDBP)，这是一类细胞核内蛋白质因子。在结构上含有与DNA结合的结构域。第67页，课件共82页，创作于2023年2月反式作用因子根据作用方式分为两类：

①通用转录因子。普遍存在的转录因子。如TATAbox结合因子TFⅡD、GCbox结合因子SP1等。②特异性转录因子。与基因表达的特异性有很大关系。

转录激活因子

转录抑制因子第68页，课件共82页，创作于2023年2月第69页，课件共82页，创作于2023年2月转录因子的结构和特点DNA结合域转录激活域

TF蛋白质-蛋白质结合域DNAbindingdomainActivationdomainProteininteractiondomain第70页，课件共82页，创作于2023年2月转录因子的结构和特点1DNA结合结构域

锌指结构

螺旋环螺旋

碱性亮氨酸拉链2激活结构域

酸性激活结构域

谷氨酰胺富含结构域

脯氨酸富含结构域第71页，课件共82页，创作于2023年2月第72页，课件共82页，创作于2023年2月最常见的