第十四章基因、基因组hlm

1、第十四章基因、基因组hlm1 第十三章基因、基因组和基因表达调控第十三章基因、基因组和基因表达调控 第十四章基因、基因组hlm2 本章主要内容 基因表达调控相关概念基因表达调控相关概念 基因、基因组、基因表达的概念 基因表达的规律和方式 基因表达调控的生物学意义 基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理 基因表达调控的多层次和复杂性 基因转录激活调节的基本要素 原核基因表达调节原核基因表达调节 原核基因转录调节特点 乳糖操纵子基因调控模式 真核基因表达调节真核基因表达调节 真核基因表达调控特点 转录、翻译及染色质水平的基因表达调控 第十四章基因、基因组hlm3 第一节 基因表达调控相关 概

2、念 Section 1 CORRELATIVE CONCEPTS OF GENE REGULATION 第十四章基因、基因组hlm4 是含有特定遗传信息的DNA片段，包括了编 码一 种RNA、大多表达一种多肽的核苷酸序 列区域。（结构基因；调节基因） 一、基因（Gene） 第十四章基因、基因组hlm5 是指一个细胞或生物体所携带的全部遗传是指一个细胞或生物体所携带的全部遗传 信息或整套基因信息或整套基因 二、二、基因组（Genome） 第十四章基因、基因组hlm6 （一）真核基因组结构庞大（一）真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组哺乳类动物基因组DNADNA约约3 310109 9bpbp 编

3、码基因编码基因3 34 4万个，约占基因组万个，约占基因组DNADNA的的6 6 重复基因占重复基因占DNA5DNA51010 功能不明序列约占基因组功能不明序列约占基因组DNA80DNA809090 第十四章基因、基因组hlm7 （二）（二） 单顺反子（单顺反子（monocistron） 一个结构基因转录生成一个一个结构基因转录生成一个mRNAmRNA分子，编分子，编 码一条多肽链码一条多肽链 第十四章基因、基因组hlm8 （三）基因不连续性（三）基因不连续性 存在非编码序列和间隔区 第十四章基因、基因组hlm9 人类基因组计划人类基因组计划 HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物的内

4、容就是制作高分辨率的人类遗传图和物 理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基 因组因组DNA序列测定，因此序列测定，因此HGP属于结构基因组学属于结构基因组学 范畴。范畴。 第十四章基因、基因组hlm10 第二节、基因表达调控第二节、基因表达调控 概念概念 特点特点 方式方式 意义意义 原理原理 第十四章基因、基因组hlm11 基因表达（Gene xpression） 简单说，就是基因转录及翻译的过程简单说，就是基因转录及翻译的过程 rRNA、tRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达的过程也属于基因表达 第十四章基因、基因组

5、hlm12 第十四章基因、基因组hlm13 一基因表达的概念一基因表达的概念 是指各种调节机制控制下，从基因激活开始，经历是指各种调节机制控制下，从基因激活开始，经历 转录、翻译等过程产生具有生物学功能的蛋白质分子，转录、翻译等过程产生具有生物学功能的蛋白质分子， 从而赋予细胞一定的功能或表型，或使生物体获得一定从而赋予细胞一定的功能或表型，或使生物体获得一定 的遗传性状。简单说即基因的遗传性状。简单说即基因转录转录及翻译的过程。及翻译的过程。 rRNArRNA、tRNAtRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNARNA的过程也属于基因的过程也属于基因 表达。表达。 第十四章基因、基因组hl

6、m14 二、基因表达调控的规律二、基因表达调控的规律 阶段特异性阶段特异性时间顺序时间顺序/ /特异性特异性 组织特异性组织特异性空间特异性空间特异性 第十四章基因、基因组hlm15 1. 1. 阶段特异性阶段特异性 阶段特异性：阶段特异性： 又称时间特异性。在特定环境中，按功能又称时间特异性。在特定环境中，按功能 需要，某一特定基因的表达随时间、环境而变需要，某一特定基因的表达随时间、环境而变 化，严格按特定时间顺序发生。化，严格按特定时间顺序发生。 例如：哺乳类例如：哺乳类AchRAchR分胚胎型和成年型：分胚胎型和成年型： 胚胎型的亚基组成为胚胎型的亚基组成为 2 2， 成年型的亚基组成

7、为成年型的亚基组成为 2 2；胚胎期表达；胚胎期表达亚基基因，亚基基因，亚基基因不表亚基基因不表 达，而出生后达，而出生后亚基基因关闭，亚基基因关闭，亚基基因表达。亚基基因表达。 第十四章基因、基因组hlm16 2.2.组织特异性组织特异性 组织特异性：组织特异性： 又称空间特异性。在发育、分化特定时期内不同又称空间特异性。在发育、分化特定时期内不同 基因的表达产物在不同组织细胞内并非平均分配，而基因的表达产物在不同组织细胞内并非平均分配，而 是按一定空间顺序出现，即同一基因产物在不同组织、是按一定空间顺序出现，即同一基因产物在不同组织、 细胞内的含量有所不同，不同基因产物在同一组织、细胞内的

8、含量有所不同，不同基因产物在同一组织、 细胞中的含量也有所不同。细胞中的含量也有所不同。 意义：它适应了不同组织器官功能的需要。基因表意义：它适应了不同组织器官功能的需要。基因表 达的组织特异性在分化、成熟的组织中适应了不同组达的组织特异性在分化、成熟的组织中适应了不同组 织器官功能的需要。织器官功能的需要。 例如：血红蛋白在红细胞的高水平表达适应了红细例如：血红蛋白在红细胞的高水平表达适应了红细 胞运输氧和二氧化碳的功能需要。胞运输氧和二氧化碳的功能需要。 第十四章基因、基因组hlm17 三、三、 基因表达的方式基因表达的方式 基本表达基本表达 诱导和阻遏诱导和阻遏 第十四章基因、基因组hl

9、m18 1. 基本的基因表达基本的基因表达 管家基因：管家基因： 生物体某些基因产物在整个生命过程中都生物体某些基因产物在整个生命过程中都 是需要的或必不可少的，这类产物的编码基因是需要的或必不可少的，这类产物的编码基因 在生物体的几乎所有细胞中持续表达，这类基在生物体的几乎所有细胞中持续表达，这类基 因叫因叫“管家基因管家基因”，它的基因表达即为基本的，它的基因表达即为基本的 基因表达。基因表达。 基本的基因表达也是在一定机制控制下进行基本的基因表达也是在一定机制控制下进行 的。的。 如：三羧酸循环中酶编码基因的表达，组成细胞如：三羧酸循环中酶编码基因的表达，组成细胞 的微管蛋白的表达。的微

10、管蛋白的表达。 第十四章基因、基因组hlm19 2.2.诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激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活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导 基因。基因。 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，可诱导基因在特定环境中表达增强的过程， 称为诱导称为诱导(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种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降低的过程称为阻遏(repression)。 第十

11、四章基因、基因组hlm20 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 适应环境和维持生长适应环境和维持生长 维持个体的发育与分化维持个体的发育与分化 第十四章基因、基因组hlm21 五五 基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理 （一）（一）基因表达的多级调控基因表达的多级调控 基因活化、转录起始、转录后加工、基因活化、转录起始、转录后加工、 mRNA降解、蛋白质翻译、翻译后加工修饰及降解、蛋白质翻译、翻译后加工修饰及 蛋白质降解等多个环节均可调节细胞内蛋白质蛋白质降解等多个环节均可调节细胞内蛋白质 的浓度。的浓度。 转录起始是基本控制点。转录起始是基本控制点。 第十四章基

12、因、基因组hlm22 （二）基因转录激活调节基本要素（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，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。以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。 1. 特异特异DNA序列和调节蛋白质序列和调节蛋白质 第十四章基因、基因组hlm23 原核生物原核生物 蛋白质因子蛋白质因子 操纵子操纵子(operon) 机制机制 特异特异DNA序列序列 编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列 (promoter) (operat

13、or) 第十四章基因、基因组hlm24 真核生物真核生物 1) 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element) 可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列 BA DNA 编码序列编码序列 转录起始点转录起始点 不同真核生物的顺式作用元件中也会发现不同真核生物的顺式作用元件中也会发现 一些共有序列一些共有序列 ，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，这盒等，这 些共有序列是些共有序列是RNA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。 第十四章基因、基因组hlm25 2) 2) 真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白 还有蛋白质因子可特异识

14、别、结合自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，身基因的调节序列，调节自身基因的表达， 称顺式作用。称顺式作用。 由某一基因表达产生的蛋白质因子，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。互作用，调节其表达。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) 这种调节作用称为反式作用。这种调节作用称为反式作用。 第十四章基因、基因组hlm26 3. RNA聚合酶聚合酶 原核启动序列原核启动序列/真核启动子与真核启动子与RNA聚合酶聚合酶 活性活性 RNA聚合

15、酶与其的亲和力，影响转录。聚合酶与其的亲和力，影响转录。 调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性 一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表 达，然后通过达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质相互蛋白质相互 作用影响作用影响RNA聚合酶活性。聚合酶活性。 第十四章基因、基因组hlm27 第三节、原核基因转录调节第三节、原核基因转录调节 一一 原核基因转录调节特点原核基因转录调节特点 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 操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性

16、二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制 第十四章基因、基因组hlm28 乳糖操纵子结构 CAP结合位点结合位点 P I IPOZYA 调控区调控区结构基因结构基因 I: 阻遏蛋白编码基因阻遏蛋白编码基因PI: 阻遏蛋白基因启动序列阻遏蛋白基因启动序列 Z: -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 Y: 透酶透酶 A: 乙酰基转移酶乙酰基转移酶 结构基因结构基因 O:操纵序列（阻遏蛋白结合部位）操纵序列（阻遏蛋白结合部位） P:启动序列启动序列 CAP结合位点结合位点 调控区调控区 第十四章基因、基因组hlm29 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节（无乳糖）（无乳糖） Lac阻遏蛋白结合阻遏蛋白结合O基

17、因基因, 抑制转录抑制转录, Lac操纵子表达量微少操纵子表达量微少 阻遏蛋白阻遏蛋白 mRNA CAP结合位点结合位点 P I I P OZYA RNA聚合酶聚合酶 第十四章基因、基因组hlm30 诱导剂结合于诱导剂结合于Lac阻遏蛋白，阻遏蛋白与阻遏蛋白，阻遏蛋白与O基因解离，基因解离， 不抑制转录，不抑制转录，Lac操纵子转录活性提高操纵子转录活性提高1000倍倍 乳糖乳糖 别乳糖别乳糖 CAP结合位点结合位点 P I I P OZYA mRNA 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节（有乳糖有乳糖） 第十四章基因、基因组hlm31 CAPCAP的正性调节的正性调节（无葡萄糖）（无葡萄糖）

18、 cAMP CAP蛋白蛋白 P I IPOZYA CAP结合位点结合位点 mRNA 无葡萄糖，无葡萄糖， cAMP浓度高浓度高 cAMP与与CAP结合结合 与与CAP结合位点结合结合位点结合 转录活性提高转录活性提高50倍倍 第十四章基因、基因组hlm32 CAPCAP的正性调节的正性调节（有葡萄糖） cAMP CAP蛋白蛋白 P I I P OZYA CAP结合位点结合位点 mRNA 有葡萄糖，有葡萄糖， cAMP浓度低浓度低 cAMP与与CAP结合受阻结合受阻转录活性下降转录活性下降 第十四章基因、基因组hlm33 Section 4 REGULATION OF EUKARYOTIC GE

19、NE EXPRESSION 第四节第四节 真核基因表达调节真核基因表达调节 第十四章基因、基因组hlm34 （二）正性调节占主导（二）正性调节占主导 （三）转录与翻译分隔进行（三）转录与翻译分隔进行 （四）转录后修饰、加工（四）转录后修饰、加工 一一 真核基因表达调控特点真核基因表达调控特点 （一）活性染色体结构变化（一）活性染色体结构变化 The Characteristics of Eukaryotic gene expression regulation (五五) RNA聚合酶聚合酶 第十四章基因、基因组hlm35 活性染色体结构变化活性染色体结构变化 1. 对核酸酶敏感对核酸酶敏感 2

20、. DNA拓扑结构变化拓扑结构变化 RNA-pol 正超螺旋正超螺旋 负超螺旋负超螺旋 转录方向转录方向 3. DNA碱基修饰变化碱基修饰变化 4. 组蛋白变化组蛋白变化 第十四章基因、基因组hlm36 二二 真核基因转录激活调节真核基因转录激活调节 转录（起始）调节实质上是调节蛋白与DNA 相互作用 （一）顺式作用元件（一）顺式作用元件 (cis-acting elements) （二）反式作用因子（二）反式作用因子 (trans-acting factors) （三）（三）mRNA转录激活及其调节转录激活及其调节 第十四章基因、基因组hlm37 启动子（promoter） RNA聚合酶结合

21、位点周围的一组转录控制组件， 包括转录起始位点和一个以上的机能组件 典型组件：TATA盒、GC盒、CAAT盒等 启动子决定基础转录启动频率启动子决定基础转录启动频率 （一）顺式作用元件（一）顺式作用元件 (cis-acting elements) 第十四章基因、基因组hlm38 Representative Promoter in Eukaryotes TATA BoxPromoter proximal elements Core Promoter Most core promoter alone NOT able to promote transcription - requires act

22、ivating elements 第十四章基因、基因组hlm39 增强子增强子（enhancer） 远离转录起始位点(130kb)，决定基因的特异 性表达，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 增强子决定基因表达的组织、阶段特异性增强子决定基因表达的组织、阶段特异性 （一）顺式作用元件（一）顺式作用元件 (cis-acting elements) 第十四章基因、基因组hlm40 Different Enhancers of Eukaryotic Promoter core promoterpromoter-proximal elements +1 transcr

23、ipt scale is in kb (kilobases) enhancers 第十四章基因、基因组hlm41 沉默子沉默子（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 有些DNA序列既可作为正性、又可作为负 性调节元件发挥顺式调节作用 （一）顺式作用元件（一）顺式作用元件 (cis-acting elements) 第十四章基因、基因组hlm42 （二）反式作用因子（二）反式作用因子 ( (trans-acting factors) ) 1. 转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性） 绝大多数转录调节因子以反式作用调节基因

24、转录绝大多数转录调节因子以反式作用调节基因转录 2. 转录调节因子的结构转录调节因子的结构 第十四章基因、基因组hlm43 1. 转录调节因子分类转录调节因子分类（按功能特性）（按功能特性） 基本转录因子基本转录因子(general transcription factors) 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors) 转录激活因子转录激活因子（transcription activators） 转录抑制因子转录抑制因子（transcription repressors） 第十四章基因、基因组hlm44 pol TFHTAF TFF TAF TAF TFA TFB TBP TATA DNA RNA polymerase and its general transcription factors TFE TBP (binding TATA box) TAF (TBP associated factor) TFD 第十四章基因、基因组hlm45 DNA domains of transcription factors binding double-helix DNA 第十四章基因、基因组hlm46 思考题思考题 什么是启动子、操纵子、限制性核