《基因表达调控》课件

第十三章基因表达调控RegulationofGeneExpression1精选ppt第十三章基因表达调控RegulationofGen第一节

基本概念与原理BasicConceptionsandPrinciple2精选ppt第一节

基本概念与原理BasicConception一、基因表达的概念*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。——它也是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。

3精选ppt一、基因表达的概念*基因组(genome)3精选ppt是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。基因表达(geneexpression)4精选ppt是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过基因表达是受调控的

不是所有的基因表达都产生蛋白质，rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。但是基因表达＝转录＋翻译5精选ppt基因表达是受调控的不是所有的基因表达都产生蛋白质

大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的6精选ppt生物基因组的遗传信息6精选ppt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)。7精选ppt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（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)。8精选ppt（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，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)。管家基因9精选ppt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)。基本的基因表达只受到启动序列或者启动子与RNA聚合酶相互作用的影响

组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。10精选ppt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（二）诱导和阻遏表达适应性表达(adaptiveexpression)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。

改变基因表达的情况以适应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。11精选ppt（二）诱导和阻遏表达适应性表达(adaptiveexpre

是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。如:DNA发生损伤时，修复酶的诱导激活。诱导表达（induction）

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。12精选ppt是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基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。阻遏(repression)如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭13精选ppt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)。14精选ppt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15精选ppt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（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（一）基因表达的多级调控五、基因表达调控的基本原理转录水平的基因表达调控最重要16精选ppt基因激活转录起始蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰转录起（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17精选ppt（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)18精选ppt原核生物蛋白质因子——操纵子(operon)机制特异是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19精选ppt是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1)启动序列共有序列(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。20精选ppt共有序列(consensussequence)决定启动序——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2

操纵序列

21精选ppt——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有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。启动序列编码序列操纵序列pol激活蛋白22精选ppt3)其他调节序列、调节蛋白例如激活蛋白(activator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。启动序列编码序列操纵序列pol激活蛋白23精选ppt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真核生物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

顺式作用元件并非都位于转录起始点的上游(5’端)

启动子增强子沉默子24精选ppt真核生物1)顺式作用元件(cis-actingeleme顺式作用元件通常是基因的非编码序列。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。25精选ppt顺式作用元件通常是基因的非编码序列。25精选ppt2)真核基因的调节蛋白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。aDNA反式调节BAmRNA蛋白质AA26精选ppt2)真核基因的调节蛋白由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过cDNAC顺式调节mRNAC蛋白质C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。27精选pptcDNAC顺式调节mRNAC蛋白质C还有蛋白质因子可指的是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。2.DNA-蛋白质蛋白质-蛋白质的相互作用28精选ppt指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。（同质或异质）也有的是在结合DNA前，需要蛋白质与蛋白质之间的解聚过程

真核生物中由于蛋白质因子的浓度等的不同，会造成不同细胞中同一基因表达程度的不同29精选ppt绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用3.RNA聚合酶⑴原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性

原核启动序列/真核启动子的碱基序列影响RNA聚合酶与其的亲和力，而亲和力大小直接影响转录启动的频率。所以启动子有强弱只分。另外，由于真核启动子与RNA-pol的结合需要转录因子的参与，所以真核的RNA-pol活性除与启动子序列有关，和转录因子的存在与否有关30精选ppt3.RNA聚合酶⑴原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶⑵调节蛋白与RNA聚合酶活性启动序列决定基础转录频率，一些特异调节蛋白在适当环境信号（如诱导剂和阻遏剂等）刺激下在细胞内表达，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，使基础转录频率发生变化，从而引起表达的变化。热休克反应细菌的RNA聚合酶

70

（启动常规基因表达）被32取代，从而启动另一套基因的表达。31精选ppt⑵调节蛋白与RNA聚合酶活性启动序列决定基础转录频率，一些第二节

原核基因转录调节RegulationofProkaryoticGeneTranscription32精选ppt第二节

原核基因转录调节Regulationof——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

——只有一种RNA-pol，但是有很多种σ因子（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性33精选ppt——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

存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（operon）调控模式，该模式也见于低等真核生物中。在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式称为操纵子（operon）操纵子34精选ppt存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（op典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。

操纵子的结构35精选ppt典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调控基因可诱导和可阻遏的操纵子36精选ppt可诱导和可阻遏的操纵子36精选ppt二、乳糖操纵子调节机制（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ZYAOPDNA37精选ppt二、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子(lacoperonmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因38精选pptmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）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39精选pptmRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时（三）CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP40精选ppt++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cA

阻遏基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基因结合，阻止结合在启动子上的DDRP前移，结构基因不被转录

1）无乳糖也无葡萄糖存在时：OO2）当无乳糖，有葡萄糖时：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作用总结：所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭41精选ppt阻遏基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基因结合，阻止结

由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作用，抑制乳糖操纵子的转录，使细菌只能利用葡萄糖。

3）既有乳糖，又有葡萄糖时：O

乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落42精选ppt由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作

由于不含葡萄糖，细胞内cAMP含量高，cAMP与CAP结合成复合物，与DNA结合，并推动DDRP向前移动，促进转录。4）有乳糖，无葡萄糖时：mRNARNA-polO

乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的DDRP向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖所以：有乳糖时，只有没有葡萄糖，操纵子才开放有葡萄糖存在，操纵子关闭43精选ppt由于不含葡萄糖，细胞内cAMP含量高，cAMP与C（四）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)。

44精选ppt（四）协调调节※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥三、原核生物转录的终止调节原核生物转录的终止：1）依赖于Rho的转录终止2）不依赖于Rho的转录终止——形成发夹结构

原核生物转录过程中可以通过形成相应的结构，而使得转录提前终止，达到调节的目的，如衰减。如果要制止终止的发生，可以形成抗终止。45精选ppt三、原核生物转录的终止调节原核生物转录的终止：原核生物四、原核生物翻译水平的调节调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称为自我控制调节的位点主要在翻译的起始阶段1、蛋白质分子的自我调节46精选ppt四、原核生物翻译水平的调节调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核调节基因表达的RNA，称为调节RNA反义RNA：细菌中的一种调节RNA,含有与特定mRNA翻译的起始部位互补的序列，通过与mRNA的杂交阻断30S小亚基对AUG的识别及与SD序列的结合，抑制翻译的起始反义RNA的调节作用，称为反义控制2、反义RNA对翻译的调节作用47精选ppt2、反义RNA对翻译的调节作用47精选ppt第三节

真核基因转录调节RegulationofEukaryoticGeneTranscription48精选ppt第三节

真核基因转录调节Regulationo一、真核基因组结构特点（一）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%49精选ppt一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大哺乳类动物基因（二）单顺反子单顺反子(monocistron)

即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）重复序列（正向重复、反向重复）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106

次）中度重复序列（103~104次）多拷贝序列（四）基因不连续性——断裂基因50精选ppt（二）单顺反子单顺反子(monocistron)（三）重复二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚合酶

真核生物中存在RNApolⅠ、Ⅱ、Ⅲ三种不同的RNA聚合酶，分别负责转录不同的RNA。这些RNA聚合酶与相应的转录因子形成复合体，从而激活或抑制该酶的催化活性。51精选ppt二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚合酶真核生物中（二）活性染色体结构变化1.对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。2.DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向52精选ppt（二）活性染色体结构变化1.对核酸酶敏感活化基因常有超敏位3.DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。CpG岛——甲基化常发生在某些基因的5’侧翼区的CpG序列4.组蛋白变化①富含Lys组蛋白水平降低②H2A,H2B二聚体不稳定性增加③组蛋白修饰④H3组蛋白巯基暴露53精选ppt3.DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工（三）正性调节占主导

真核基因基因组大，通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。

——

更精确，更经济

转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位，可分别进行调控。54精选ppt（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工（三）正性调节三、真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件1.启动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55精选ppt三、真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件1.启动子真核基TATA盒——

转录因子TF-ⅡD结合位点典型的启动子：CAAT盒和（或）GC盒＋TATA盒＋转录起始点最简单的启动子：TATA盒＋转录起始点但是，不是所有的启动子都有TATA盒56精选pptTATA盒——转录因子TF-ⅡD结合位点典型的启动子2.增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。①在转录起始点5’或3’侧均能起作用；②相对于启动子的任一指向均能起作用；③发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；④对异源性启动子也能发挥作用；⑤通常具有一些短的重复顺序。

特点57精选ppt2.增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的3.沉默子(silencer)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。58精选ppt3.沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其同一DNA序列可被不同蛋白质识别同一蛋白质因子可与多种不同DNA序列发生联系，少数是直接结合，多数是蛋白质-蛋白质相互作用后再影响DNA。蛋白质-蛋白质或DNA-蛋白质的结合，均导致构象上的微细变化，构象变化常是实现调控功能的分子基础。反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可变性和可塑性。（二）反式作用因子59精选ppt同一DNA序列可被不同蛋白质识别（二）反式作用因子59精选1.转录调节因子分类（按功能特性）基本转录因子(genera