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基因表达的调控 (Control of Gene Expression） 制作：郑 鸣 第一节 概述 (Introduction) 基因表达(gene expression)-基因转录及翻译的过程。 rRNA、tRNA的合成属于基因表达 中心法则(the central dogma)： 一、基因表达的时空特异性 (temporal and spatial specificity) n时间特异性(temporal specificity) 某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生。 n Hb (hemoglobin) n珠蛋白基因簇： （胚胎型） 、 n珠蛋白基因簇： （胚胎型）、 （胎儿型）、 、 n22 22 22 n空间特异性(spatial specificity) 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 n同形异位盒基因(homeobox) :高度保守的一段核 苷酸序列（180bp）,控制胚胎发育的基因 n同形异位现象(homeosis): 果蝇头部长触角部位长出脚来 一、基因表达的时空特异性 (temporal and spatial specificity) 二、基因表达的方式 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。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。这类基因通常被 称为持家基因（housekeeping gene）。 1、组成型表达（constitutive gene expression） 二、基因表达的方式 2、诱导和阻遏表达 n诱导（induction）：是指在特定环境因素刺激下 ，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这 类基因称为可诱导基因。 nDNA损伤 修复酶基因激活 n乳糖 利用乳糖的三种酶表达 n阻遏（repression）：是指在特定环境因素刺激 下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。 这类基因称为可阻遏基因。 n色氨酸 色氨酸合成酶系 三、基因表达调控的环节 多级调控 基因表达调控 可见于从基因激活 到蛋白质生物合成 的各个阶段，因此 基因表达的调控可 分为转录水平（基 因激活及转录起始 ），转录后水平（ 加工及转运），翻 译水平及翻译后水 平，但以转录水平 的基因表达调控最 重要。 n适应环境、维持生长和增殖 n维持个体发育与分化 四、基因表达调控的生物学意义 第二节 原核生物基因表达的调控 (Control of Prokaryotic Gene Exepression ) 一、转录水平的调控(control of transcription) n操纵元(operon)：由调控区（启动子和操纵子 ）与信息区（结构基因）组成 二、翻译水平的调控(control of translation) 一、转录水平的调控 (control of transcription) 1、启动子(promoter)：指能被RNA聚合酶识别 、结合并启动基因转录的一段DNA序列 A、启动子决定转录方向及模板链 B、启动子决定转录效率 启动子有三个功能区：启始部位（+1区）、结合 部位（-10区）、识别部位（-35区） (一)、影响转录的因素 2、因子：识别基因的启动子，控制转录时序 70：识别大多数基因的启动子 32：识别热休克诱导基因的启动子，控制热休克蛋 白(heat shock protein,Hsp)基因表达。 (一) 、影响转录的因素 一、转录水平的调控 (control of transcription) 激活蛋白(activating protein)：与操纵子结合后能增强 或起动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白，所介 导的调控方式称为正性调控(positive regulation)，促 进转录。 3、阻遏蛋白与激活蛋白：调控转录 阻遏蛋白(repressive protein)：与操纵子结合后能减弱 或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白,其介 导的调控方式称为负性调控(negative regulation)，抑 制转录； 一、转录水平的调控 (control of transcription) (一) 、影响转录的因素 它是一段位于结构基因上游前导区具 有终止子结构的短序列，通过前导序列转 录产生的mRNA形成类似于终止子的二级结 构，达到终止转录的目的。 一、转录水平的调控 (control of transcription) 4)、弱化子（attenuator） (一) 、影响转录的因素 n乳糖操纵元调控的机制 n色氨酸操纵元的调控机制 （二）、转录的调控机制 一、转录水平的调控 (control of transcription) 莫洛(Monod)和雅各布(Jacob) 获1965年诺贝尔生理学和医学奖 乳糖操纵元调控的机制 一、操纵子模型的提出 n1940年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖 的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖 用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生 长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。 n文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与适应酶（ 诱导酶）。 n1947年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化 中的意义”。 乳糖操纵元调控的机制 一、操纵子模型的提出 n1951年，Monod与Jacob合作。 n发现两对基因： nZ基因：与合成-半乳糖苷酶有关； nI基因：决定细胞对诱导物的反应。 nSzilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时 ，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻 遏物。 n Jacob：结构基因旁有开关基因（即操纵基因）， 阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表 达。 乳糖操纵元调控的机制 一、操纵子模型的提出 二、操纵元的结构与功能 操纵元(operon): 结构基因(structural gene)、启 动子(promoter,P)和操纵子(operator,O)。 n阻遏物基因(inhibitor,I),产生阻遏物 (repressor)。 乳糖操纵元调控的机制 1、阻遏蛋白的负调节(negative control of repressor) n无乳糖(no lactose): lac操纵元处于阻遏 状态(repression) n有乳糖(presence of lactose) ：lac操纵 元即可被诱导(derepression,induction) n 诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、 IPTG（异丙基硫代半乳糖苷） 乳糖操纵元调控的机制 三、乳糖操纵元调控方式 阻遏蛋白的负调节(negative control of repressor) 2、CAP的正调节（Positive Control of CAP） nCAP(catabolite activator protein) 分解代谢基因激活蛋白 n同二聚体 nDNA结合区 ncAMP(cyclic AMP)结合位点 乳糖操纵元调控的机制 三、乳糖操纵元调控方式 CAP的正性调节（Positive Control of CAP） n负调节与正调节协调合作 n阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 n如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无 转录活性 葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖 n葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转 录 结论：lac操纵元强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖。 乳糖操纵元调控的机制 三、乳糖操纵元调控方式 3、协调调节(coordinate regulation) 色氨酸操纵元的调控机制 trp操纵元属阻遏型操纵元，主要 调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的 转录合成。 色氨酸操纵子通常处于开放状态，其辅阻 遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当 色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅 阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基 因结合而使基因转录关闭 一、辅阻遏蛋白的负调控 trp 操纵元辅阻遏蛋白的负调控 无色氨酸时操纵子基因开始转录，此后转 录速率受转录弱化机制(attenuation)调节。在 结构基因与 O 之间有一衰减子区域 ，该区域含 有4段特殊的序列，高浓度色氨酸时能形成不依 赖因子的转录终止信号，RNA聚合酶脱落，转 录终止。低浓度色氨酸时则不能形成转录终止信 号，转录继续。 色氨酸操纵元的调控机制 二、弱化子的负调控 trp 操纵元弱化子的负调控 二、翻译水平的调控 nSD序列(Shine-Dalgarno sequence)： mRNA 起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。(9-12bp) 5-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3 nSD序列的顺序及位置对翻译的影响 nmRNA二级结构隐蔽SD序列的作用 （一）、SD序列对翻译的影响 mRNA二级结构隐蔽SD序列 肠杆菌有7个操纵元与核糖体蛋白质合成有 关。从这些操纵元转录而来的每一种mRNA，能够 被同一操纵元内编码的核糖体蛋白质识别与结合 。如果其中有一种核糖体蛋白质在细胞中过量积 累，它们将与其自身的mRNA结合，阻止进一步翻 译。结合位点通常包括 mRNA 5 端非翻译区 (untranslated region，UTR)：启动子区域的 Shine-Dalgarno 序列。 二、翻译水平的调控 （二）、核糖体合成反馈抑制 （三）、mRNA的稳定性 mRNA的降解速度受细菌的生理状态、环境因素及 mRNA结构的影响。 反义RNA主要通过以下三种方式调控翻译： 1、反义RNA与mRNA上核糖体结合位点结合，使核糖体脱 落，使得翻译不能起始。 2、反义RNA可与目的基因的5 UTR或翻译起始区的 Shine-Dalgarno序列结合，使mRNA不能与核糖体有效 地结合，从而阻止蛋白质的合成。 3、反义RNA也可与mRNA结合，形成双螺旋结构，由于所 形成的双螺旋结构成为内切酶的特异底物，使与其结 合的RNA变得不稳定。 二、翻译水平的调控 （四）、反义RNA(antisense)的调控 真核基因组结构特点 n真核基因组结构庞大 3109bp n单顺反子 n含有大量重复序列 n基因不连续性 内含子 外显子 n非编码区较多 多于编码序列(9:1) 第三节 真核生物基因表达的调控 (Control of Eukaryotic Gene Exepression ) 第二节 真核生物基因表达的调控 (Control of Eukaryotic Gene Exepression ) nDNA水平的调控 n转录水平的调控(transcriptional regulation) n转录后水平的调控(post transcriptional regulation) n翻译水平的调控(translational regulation) n翻译后水平的调控(protein maturation) 一、DNA水平的调控 （一）、基因的丢失：不可逆 n核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必需的 全部基因 （二）、基因剂量与基因扩增：增加基因的拷贝数 n非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增4000 倍，达1012个核糖体 n药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌 基因拷贝数异常增加 （三）、基因重排： n如免疫球蛋白基因重排，多样性 一、DNA水平的调控 （四）、DNA甲基化(DNA methylation)： n mCpG，即“CpG岛(CpG-rich islands)” n甲基化(methylated)程度高，基因表达降低； n去甲基化(undermethylated)：基因表达增加 一、DNA水平的调控 （五）、染色质(chromatin)结构改变参与基因表达的调控 常染色质:结构松散，基因表达 异染色质:结构紧密，基因不表达 有基因表达活性的染色质DNA对 DNase更敏感 ，即Dnase的敏感性可作为该基因的转录活性的标 志 二、转录水平的调控 （一 ）、顺式作用元件的调控 （二）、反式作用因子的调控 （一）、顺式作用元件的调控 顺式作用元件（cis-acting element）又称分子内 作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调 控有关的特殊顺序。主要包括启动子、增强子、沉默 子 1、启动子：存在于结构基因上游，与基因转录启动有 关的一段特殊DNA顺序称为启动子。与原核生物类似， 也含有一段富含TATA的顺序，称为TATA盒。除此之外 ，还可见CAAT盒和GC盒。 2、沉默子：负性调节元件，起阻遏作用 二、转录水平的调控 3、增强子：位于结构基因附近，远离转录起始点（ 130kb），能够增强该基因转录活性的一段DNA顺序 称为增强子。 结构特点： 在转录起始点5或3侧均能起作用； 相对于启动子的任一指向均能起作用； 发挥作用与受控基因的远近距离相对无关 ； 对异源性启动子也能发挥作用； 通常具有一些短的重复顺序。 （一）、顺式作用元件的调控 二、转录水平的调控 （二）、反式作用因子的调控 反式作用因子（trans-acting factor）又称为 分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋 白质因子。真核生物反式作用因子通常属于转录因 子（transcription factor，TF）反式作用因子与 顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定 基因进行调控的目的。 1、转录因子的种类 基本转录因子(general transcription factors):RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白 因子,主要包括TF，TF，TF 。 特异转录因子( special transcription factors):个别基因转录所必需的转录因子. 二、转录水平的调控 2、转录因子的结构 三个功能结构域：DNA结合功能域（DNA- banding domain ） ；转录活性功能域(transcriptional activation domain) ；其它转录因子结合功能域。 其中DNA结合功能域的模式主要有三种： HTH(helix-turn-helix )和HLH(helix-loop- helix,HLH)结构 锌指结构 (zinc finger motif) 亮氨酸拉链结构 (leucine zipper) （二）、反式作用因子的调控 二、转录水平的调控 Next 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