基因表达调控课件

1 第十三章第十三章 基因表达调控基因表达调控 第一节第一节 基因表达调控基本概念基因表达调控基本概念 第二节第二节 基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理 第三节第三节 原核基因转录调节原核基因转录调节 第四节第四节 真核基因转录调节真核基因转录调节 2 第一节第一节 基因表达调控基本概念与原理基因表达调控基本概念与原理 一、基因表达的概念一、基因表达的概念 基因基因（genegene）：是为生物活性产物（）：是为生物活性产物（RNARNA 或蛋白质）编码的或蛋白质）编码的DNADNA功能片段，是遗传的基功能片段，是遗传的基 本单位。本单位。 基因组基因组(genome)(genome)：指一个细胞或病毒所：指一个细胞或病毒所 携带的全部遗传信息或整套基因。携带的全部遗传信息或整套基因。 基因表达基因表达(gene expression)(gene expression)：指基因转：指基因转 录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质 分子的过程。分子的过程。 3 二、基因表达的特异性二、基因表达的特异性 基因表达表现为严格的规律性：基因表达表现为严格的规律性：即时间即时间 、空间特异性、空间特异性。 时间、空间特异性由特异基因的启动子时间、空间特异性由特异基因的启动子 （序列）和（序列）和( (或或) )增强子与调节蛋白相互作用增强子与调节蛋白相互作用 决定决定。 4 （一）时间特异性（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，称之为基因表格按特定的时间顺序发生，称之为基因表 达的达的时间特异性时间特异性（temporal temporal specificityspecificity）。）。 多细胞生物基因表达的时间特异性又多细胞生物基因表达的时间特异性又 称称阶段特异性阶段特异性（stage specificitystage specificity）。 5 （二）空间特异性 （二）空间特异性 在个体发育、生长的全过程，一种基因在个体发育、生长的全过程，一种基因 产物在个体的不同组织或器官表达，即在个产物在个体的不同组织或器官表达，即在个 体的不同空间出现，称之为基因表达的体的不同空间出现，称之为基因表达的空间空间 特异性特异性（spatial specificityspatial specificity）。）。 基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出 的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器 官的分布决定的，因此基因表达的空间特异官的分布决定的，因此基因表达的空间特异 性又称性又称细胞特异性细胞特异性（cell specificitycell specificity）或）或 组织特异性组织特异性(tissue specificity)(tissue specificity)。 6 三、基因表达的方式三、基因表达的方式 按对内、外环境信号刺激的反应性，基按对内、外环境信号刺激的反应性，基 因表达的方式分为：因表达的方式分为： （一）基本表达（一）基本表达 管家基因管家基因: :某些基因在一个生物体的几乎某些基因在一个生物体的几乎 所有细胞中持续表达，这类基因称管家基因所有细胞中持续表达，这类基因称管家基因 （housekeeping genehousekeeping gene）。）。 管家基因的表达方式称管家基因的表达方式称基本（或组成性基本（或组成性 ）基因表达）基因表达，这类基因表达只受启动序列或，这类基因表达只受启动序列或 启动子与启动子与RNARNA聚合酶相互作用的影响，不受其聚合酶相互作用的影响，不受其 它机制调节。它机制调节。 7 （二）诱导和阻遏（二）诱导和阻遏 在特定环境信号刺激下，相应的基因被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，这种基因称为激活，基因表达产物增加，这种基因称为可可 诱导基因诱导基因。 可诱导基因在一定的环境中表达增强的可诱导基因在一定的环境中表达增强的 过程过程诱导诱导（inductioninduction）。）。 如果基因对环境信号应答时被抑制，这如果基因对环境信号应答时被抑制，这 种基因称为种基因称为可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产。可阻遏基因表达产 物水平降低的过程称为物水平降低的过程称为阻遏阻遏(repression)(repression)。 诱导和阻遏在生物界普遍存在，也是生 诱导和阻遏在生物界普遍存在，也是生 物体适应环境的基本途径。物体适应环境的基本途径。 8 在一定机制控制下，功能上相关的一组在一定机制控制下，功能上相关的一组 基因，无论其为何种表达方式，均需协调一基因，无论其为何种表达方式，均需协调一 致、共同表达，即为致、共同表达，即为协调表达协调表达（coodinate coodinate expressionexpression）。）。 四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义 （一）适应环境、维持生长和增殖；（一）适应环境、维持生长和增殖； （二）维持个体发育与分化。（二）维持个体发育与分化。 9 第二节 基因表达调控的基本原理第二节 基因表达调控的基本原理 一、基因表达调控的多层次和复杂性一、基因表达调控的多层次和复杂性 基因基因 激活 激活 转录起始 转录起始 基本控制点基本控制点 转录后加工 转录后加工 mRNAmRNA降解降解 蛋白质翻译 蛋白质翻译 翻译后加工修饰 翻译后加工修饰 蛋白质降解等 蛋白质降解等 10 二、基因转录激活调节的基本要素二、基因转录激活调节的基本要素 （一）特异（一）特异DNADNA序列序列 、原核生物特异、原核生物特异DNADNA序列序列 操纵子（操纵子（operonoperon）：是原核生物转录的：是原核生物转录的 基本单位，由个以上的编码序列与启动序基本单位，由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列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中 成簇串联组成。成簇串联组成。( (图图13-413-4） 启动序列启动序列（promoterpromoter）是）是RNARNA聚合酶结合聚合酶结合 并起动转录的特异并起动转录的特异DNADNA序列。（序列。（图图13-113-1 ） 当当操纵序列操纵序列(operator)(operator)结合有阻遏蛋白结合有阻遏蛋白 时会阻碍时会阻碍RNARNA聚合酶与启动序列的结合，或使聚合酶与启动序列的结合，或使 RNARNA聚合酶不能沿聚合酶不能沿DNADNA向前移动，阻遏转录，向前移动，阻遏转录， 介导负性调节。介导负性调节。 11 、真核生物特异、真核生物特异DNADNA序列序列 顺式作用元件 顺式作用元件：指可影响自身基因表达：指可影响自身基因表达 活性的活性的DNADNA序列序列 。 ( (图图13-213-2) ) 在不同真核生物基因的顺式作用元件中 在不同真核生物基因的顺式作用元件中 也发现一些共有序列，如也发现一些共有序列，如TATATATA盒盒、CCAATCCAAT盒盒等等 。这些共有序列就是顺式作用元件的核心序。这些共有序列就是顺式作用元件的核心序 列，它们是真核列，它们是真核RNARNA聚合酶或特异转录因子的聚合酶或特异转录因子的 结合位点。结合位点。 顺式作用元件分为顺式作用元件分为启动子、增强子和沉启动子、增强子和沉 默子默子等。等。 12 （二）调节蛋白（二）调节蛋白 、原核生物基因调节蛋白、原核生物基因调节蛋白 分为三类 分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活：特异因子、阻遏蛋白和激活 蛋白，都是蛋白，都是DNADNA结合蛋白。结合蛋白。 特异因子特异因子决定决定RNARNA聚合酶对一个或一套启聚合酶对一个或一套启 动序列的特异性识别和结合能力。动序列的特异性识别和结合能力。 阻遏蛋白阻遏蛋白可识别、结合操纵序列，抑制可识别、结合操纵序列，抑制 基因转录，介导负性调节。基因转录，介导负性调节。 激活蛋白激活蛋白可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNADNA序序 列，促进列，促进RNARNA聚合酶与启动序列的结合，增聚合酶与启动序列的结合，增 强强RNARNA聚合酶活性。聚合酶活性。 13 、真核生物、真核生物基因调节蛋白基因调节蛋白 真核基因调节蛋白又称 真核基因调节蛋白又称转录调节因子转录调节因子或或 转录因子转录因子(transcription factors,TF)(transcription factors,TF)，其，其 调节作用分为调节作用分为: :反式调节（主要）和顺式调节反式调节（主要）和顺式调节 ( (图图13-313-3) ) 绝大多数真核转录因子与特异的顺式作 绝大多数真核转录因子与特异的顺式作 用元件相互作用反式激活另一基因的转录，用元件相互作用反式激活另一基因的转录， 故称为故称为反式作用因子反式作用因子（trans-acting factorstrans-acting factors） . . 14 3 3、DNA-DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质- -蛋白质相互作用蛋白质相互作用 DNA-DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用指反式作用因子指反式作用因子 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，被调节蛋白识别的常是非共价结合，被调节蛋白识别的DNADNA结结 合位点通常呈对称、或不完全对称结构。合位点通常呈对称、或不完全对称结构。 绝大多数调节蛋白在结合前，需要通过绝大多数调节蛋白在结合前，需要通过 蛋白质蛋白质- -蛋白质相互作用蛋白质相互作用形成二聚体或多聚形成二聚体或多聚 体。体。 15 （四）（四）RNARNA聚合酶聚合酶 DNADNA元件与调节蛋白对转录激活的调节最元件与调节蛋白对转录激活的调节最 终是由终是由RNARNA聚合酶活性体现的。聚合酶活性体现的。 1 1、启动序列、启动序列/ /启动子与启动子与RNARNA聚合酶活性聚合酶活性 启动序列或启动子核苷酸序列会影响其启动序列或启动子核苷酸序列会影响其 与与RNARNA聚合酶的亲和力，从而直接影响转录起聚合酶的亲和力，从而直接影响转录起 动和频率。动和频率。 2 2、调节蛋白与、调节蛋白与RNARNA聚合酶活性聚合酶活性 特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在 细胞内表达，通过细胞内表达，通过DNA-DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质- -蛋白蛋白 质相互作用影响质相互作用影响RNARNA聚合酶活性，从而使基础聚合酶活性，从而使基础 转录频率发生改变，出现表达水平变化。转录频率发生改变，出现表达水平变化。 16 第三节第三节 原核基因转录调节原核基因转录调节 -主要调节环节在转录起始主要调节环节在转录起始 一、基因转录调节特点一、基因转录调节特点 （一）（一）因子决定因子决定RNARNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性 （二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性 （三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 原核基因转录调节原核基因转录调节以负性调节为主。以负性调节为主。 17 二、原核生物转录起始调节二、原核生物转录起始调节 （一）乳糖操纵子的结构（一）乳糖操纵子的结构（图图13-413-4） （二）乳糖操纵子的调节机制（二）乳糖操纵子的调节机制 1 1、阻遏蛋白的负性调节（、阻遏蛋白的负性调节（图图13-413-4） 2 2、CAPCAP的正性调节的正性调节 3 3、协调调节、协调调节 当当laclac阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAP对该系对该系 统不能发挥作用；但如果没有统不能发挥作用；但如果没有CAPCAP存在来加强存在来加强 转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚 仍无转录活性。（仍无转录活性。（图图13-513-5） 18 三、原核生物转录终止调节 四、原核生物翻译水平调节 （一）蛋白质分子的自我调节 （二）反义RNA对翻译的调节 19 第三节第三节 真核基因表达调节真核基因表达调节 一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点 （一）基因组结构庞大（一）基因组结构庞大 （二）单顺反子（二）单顺反子 指一个编码基因转录生成一个指一个编码基因转录生成一个mRNAmRNA分分 子，经翻译生成一条多肽链。子，经翻译生成一条多肽链。 （三）重复序列（三）重复序列 根据重复频率分为：根据重复频率分为： 高度重复序列（高度重复序列（1010 6 6 次）次） 中度重复序列（中度重复序列（1010 3 3 1010 4 4 次）次） 单拷贝序列（单拷贝序列（1010次）次） （四）基因不连续性（四）基因不连续性 20 二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点 （一）（一）RNARNA聚合酶聚合酶 （二）活性染色体结构变化（二）活性染色体结构变化 1 1、对核酸酶敏感、对核酸酶敏感 2 2、DNADNA拓扑结构变化拓扑结构变化 3 3、DNADNA碱基修饰变化碱基修饰变化 4 4、组蛋白变化、组蛋白变化 包括：包括：(1)(1)富含富含LysLys组蛋白水平降低；组蛋白水平降低； (2)H2A(2)H2A H2BH2B二聚体不稳定性增加；二聚体不稳定性增加；(3)H3(3)H3、 H4H4组蛋白修饰：乙酰化、磷酸化及泛素化等组蛋白修饰：乙酰化、磷酸化及泛素化等 。 21 （三）正性调节占主导（三）正性调节占主导 真核基因组广泛存在正性调节机制，真核基因组广泛存在正性调节机制， 原因有二：原因有二： （ （1 1）采用正性调节机制更有效；）采用正性调节机制更有效； （2 2）采用负性调节不经济。）采用负性调节不经济。 （四）转录与翻译分隔进行（四）转录与翻译分隔进行 （五）转录后修饰、加工（五）转录后修饰、加工 22 三、RNA pol和pol 的转录调节 （一）RNA pol转录体系的控制 人rRNA前体基因的启动子的两个元件 ：核心元件与上游控制元件 RNA pol的两种转录因子：上游结合 因子与选择性因子 23 （二）RNA pol 转录体系的控制 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（ internal control regions,ICR） tRNA基因的ICR主要由盒和盒两个 元件组成，RNA pol 转录起始需要转录因 子TF C和TFB。 5SrRNA基因的转录需要三种转录因子： TF C、TFB和TF。 24 四、四、RNA pol转录起始的调节转录起始的调节 （一）顺式作用元件（一）顺式作用元件 按功能特性，顺式作用元件分为：按功能特性，顺式作用元件分为：启动启动 子、增强子和沉默子。子、增强子和沉默子。 1 1、启动子启动子(promoter)(promoter)：是：是RNARNA聚合酶结合聚合酶结合 位点周围的一组转录控制组件，包括：位点周围的一组转录控制组件，包括： （1 1）TATATATA盒盒(TATAAAA)(TATAAAA)：位于转录起始点：位于转录起始点 上游上游-25 -25 -30bp-30bp，控制转录起始的准确性，控制转录起始的准确性 及频率。及频率。是转录因子是转录因子TFII DTFII D结合位点结合位点。 （2 2）GCGC盒盒(GGGCGG);(GGGCGG); （3 3）CAATCAAT盒盒(GCCAAT) (GCCAAT) (图图11-1311-13) ) 25 2 2、增强子增强子 (enhancer)(enhancer) 指远离转录起始点指远离转录起始点(1 (1 30kb)30kb)、决定、决定 基因的时间、空间特异表达、增强启动子基因的时间、空间特异表达、增强启动子 转录活性的转录活性的DNADNA序列。序列。 增强子发挥作用的方式通常与方向、增强子发挥作用的方式通常与方向、 距离无关距离无关 。从功能上讲，没有增强子存在。从功能上讲，没有增强子存在 ，启动子不表现活性；没有启动子时，增，启动子不表现活性；没有启动子时，增 强子也无法发挥作用。强子也无法发挥作用。 3 3、沉默子沉默子 (silencer)(silencer) 指某些基因的负性调节元件，当其结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合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作 用。用。 26 ( (二二) )反式作用因子反式作用因子 大多数转录调节因子以反式作用调节基大多数转录调节因子以反式作用调节基 因转录。因转录。 1 1、转录调节因子（简称转录因子）分类、转录调节因子（简称转录因子）分类 按功能特性分为：基本转录因子和特异按功能特性分为：基本转录因子和特异 转录因子。转录因子。 (1)(1)基本转录因子基本转录因子：是：是RNARNA聚合酶结合启聚合酶结合启 动子所必需的一组蛋白因子，决定三种动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNARNA 转录的类别。转录的类别。 (2)(2)特异转录因子特异转录因子：为个别基因转录所必：为个别基因转录所必 需的蛋白因子，决定该基因的时间、