基因表达调控ppt课件

1、基 因 表 达 调 控,李 子 博,Regulation of Gene Expression,第一节 概 述,一、基因表达是基因转录及翻译的过程,二、基因表达具有时间特异性和空间特异性,是指按功能需要，某一特定基因的表达严格按照一定的时间顺序发生,1、时间特异性,2、空间特异性,是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同,三、基因表达的方式及调节,按照对刺激的反应性，基因表达的方式或调节方式存在很大差异,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，其表达产物通常是对生命全过程都是必需的或必不可少的，这类基因称为管家基因(housekeeping gene,1、

2、基本表达,这类基因表达称为基本表达，又称组成性基因 表达(constitutive gene expression,某些基因的表达水平很容易受环境变化影响，随着外界环境信号变化，表达水平出现升高或降低,2、诱导与阻遏,可诱导基因：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。 诱导(induction)：可诱导基因在特定环境中表达增强的过 程,可阻遏基因：如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因 被称为可阻遏基因。 阻遏(repression)：可阻遏基因表达产物水平降低的过程,3、协调调节,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

3、需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation,第二节 基因表达调控的基本原理,基因表达调控可发生在遗传信息专递过程的任何环节。 转录水平的调控，尤其是转录起始水平的调控，对基因表达起着至关重要的作用，即转录起始是基因表达的基本控制点,1、基因表达调控呈现多层次和复杂性,2、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,基因转录激活调节基本要素,1）特异DNA序列-决定基因的转录活性 主要指具有调节功能的DNA序列. 原核生物主要是通过操纵子模型进行调控； 真核生物主要是通过顺式作用元件进

4、行调控,2）调节蛋白-可以增强或抑制转录活性。 原核生物中的调节蛋白主要分为特异因子、激活蛋白和阻 遏蛋白。 真核生物中的调节蛋白通常称为转录调节因子或转录因子,3）DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用： 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-蛋白质相互作用指反式调节因子与顺式作用元件之间的特异识别与结合。 一些调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合,4）RNA聚合酶： 对转录激活的调节最终是由RNA聚合酶活性体现的。启动序列/启动子结构、调节蛋白的性质对其活性影响很

5、大,第二节 原核生物基因表达的调控,一、原核基因转录调节特点,1、因子决定RNA聚合酶识别特异性,由于因子含有识别启动区的结构域，因而因子能确保RNA 聚合酶与特异启动区稳定结合，而不是与其它位点结合。 不同的因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA、tRNA基因的转录,2、操纵子模型的普遍性,操纵子（operon）：在原核生物中，若干功能相关的结构基因可串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，共同组成一个转录单位，这种基因的组织形式称为操纵子,乳糖操纵子(Lac operon,3、原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调控 在很多原核操纵子系统，特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列的重要因素。

6、当阻遏蛋白与相应的操纵序列结合时，就会发生特异基因表达的阻遏,二、原核生物转录起始调控,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,乳糖操纵子(Lac operon,调节基因I编码一种阻遏蛋白，后者与操纵序列（O序列）结合，使操纵子受阻遏而处于关闭状态。 P序列上游有一个分解（代谢）物基因激活蛋白（CAP）结合位点，其与P序列、O序列共同构成乳糖操纵子的调控区,乳糖操纵子受到阻遏蛋白和CAP的双重调节,a) 没有乳糖存在时,1、阻遏蛋白的负性调控,b) 开始没有乳糖，再加入乳糖,CAP与乳糖操纵子启动序列附近的CAP位点结合，可刺激转录活性，提高转录效率,2、CAP的正性调控,CAP

7、的活性依赖cAMP,cAMP水平与葡萄糖水平相关： 葡萄糖高时, cAMP水平低； 葡萄糖缺乏时, cAMP水平高,在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控,3、协调调控,Lac的转录起始是由CAP和阻遏蛋白两种正、负调控因子来控制的： 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP不能发挥作用； 当阻遏蛋白从操纵序列上解聚，如无CAP，仍几乎无转录活性。可见，两种机制相辅相成，互相协调，相互制约,阻遏蛋白与cAMP-CAP对乳糖操纵子转录的调控示意图,有葡萄糖无乳糖时，阻遏蛋白与操纵基因结合，lac结构基因不转录；cAMP处于低水平，CAP 蛋白不能

8、与启动子附近的CAP位点结合,阻遏蛋白与cAMP-CAP对乳糖操纵子转录的调控示意图,葡萄糖和乳糖均存在时，尽管有诱导物乳糖存在，但细菌优先利用葡萄糖，不予理睬乳糖。阻遏蛋白与乳糖结合，空间构象改变，不再与操纵基因结合；但cAMP处于低水平,CAP蛋白不与CAP位点结合，结构基因有少量表达,无葡萄糖有乳糖时，阻遏蛋白不与操纵基因结合，cAMP处于高水平，形成cAMP-CAP复合物并与CAP位点结合，结构基因大量表达,阻遏蛋白与cAMP-CAP对乳糖操纵子转录的调控示意图,三、转录终止的调控,原核生物的转录终止调控方式分两大类：A.依赖因子的终止调控；B.不依赖因子的终止调控。此外，核糖体也参与

9、转录终止,四、 翻译水平的调控,翻译起始的调节主要靠调节分子，调节分子可以是RNA，也可以是蛋白质。 1、蛋白质分子的自我调节 2、反义RNA,第三节 真核生物基因表达的调控,一、真核基因表达调控特点,1、真核细胞内含有多种RNA聚合酶,2、处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化,3、正性调节占主导,4、转录与翻译分隔进行,5、转录后修饰、加工更为复杂,6、不存在超基因式操纵子结构,三、真核转录水平的调控,主要通过反式作用因子与顺式作用元件和RNA聚合酶（RNA polymerase, RNA pol）的相互作用完成,1 、顺式作用元件(cis-acting element,是指影响自身基因

10、表达活性的DNA序列。按照功能分为启动子、增强子、沉默子,1）启动子(promoter) 指的是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件。是决定RNA聚合酶转录起始点和转录频率的关键元件。 启动子包括至少一个转录起始点以及一个以上的功能组件,TATA盒(TATAAAA) GC盒(GGGCGG) CAAT盒(GCCAAT,功能组件,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,2) 增强子(enhancer) 指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列。 增强

11、子本身不具备启动子活性，没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动子，增强子也无法发挥作用,增强子具有如下特性： a.通过启动子提高同一条DNA链上靶基因转录效率,b.位置可在基因5上游、基因内或其 3下游序列中;可远 离转录起始位点,c.在DNA双链中没有5与3固定的方向性，即增强子从 53或是由35均可对启动子发挥作用,3)沉默子（silencer） 结合特异蛋白因子时，能够对基因转录起阻遏作用的 DNA片段，属于负性调控元件,2、反式作用因子(trans-acting factor,指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质，也称序列特

12、异性DNA结合蛋白(sequence specific DNA binding protein，SDBP)，这是一类细胞核内蛋白质因子。 真核生物转录激活的反式作用因子通常属于转录因子（transcription factor，TF,基本转录因子： 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白质因子，决 定三种RNA转录的类别。 真核生物中存在的三种RNA聚合酶分别有相应的转录因 子，即TF，TF，TF,特异性转录因子： 为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特 异性表达的蛋白质因子,1）转录因子的分类,3、转录起始激活及其调控： 真核基因转录起始的调节，首先表现为反式作用因子的功能调节，即特定的反式作用因子被激活后，可以启动特定基因的转录。 反式作用因子对基因表达的调控不是由单一反式作用因子完成的，而是由几种因子组合，发挥特定的作用。不