表达调控课件

1、12第一节第一节3 基因（基因（gene） 是负载特定遗传信息的是负载特定遗传信息的dna功能片段。功能片段。 其结构包括：其结构包括：dna编码序列、非编码调控序列编码序列、非编码调控序列 和内含子组成的和内含子组成的dna区域。区域。基因组（基因组（genome） 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。即来自一个遗传体系的一套遗传信息。套基因。即来自一个遗传体系的一套遗传信息。4基因表达（基因表达（gene expresion） 是指基因转录和翻译的过程。是指基因转录和翻译的过程。 在各种调节机制的控制下，基因经过转在各种调节机制的控制下，基因

2、经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。质分子的过程。 并非所有基因表达过程都产生蛋白质，并非所有基因表达过程都产生蛋白质，编码编码trna、rrna的基因转录产生的基因转录产生rna的过的过程也属于基因表达调控。程也属于基因表达调控。 5 所有生物的基因表达都表现为严格所有生物的基因表达都表现为严格的规律性，即的规律性，即时间特异性时间特异性和和空间特异性空间特异性。 在特定生物的不同时期或不同发育阶段，在特定生物的不同时期或不同发育阶段，按功能需要，某一特定基因的表达（开启或按功能需要，某一特定基因的表达（开启或关闭）严格按特定的时间

3、顺序发生。关闭）严格按特定的时间顺序发生。 6 多细胞生物在发育的各个阶段，都多细胞生物在发育的各个阶段，都会有不同的基因严格按照自己特定的会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序表达（开启或关闭），表现时间顺序表达（开启或关闭），表现为为与发育阶段一致的时间性与发育阶段一致的时间性。 多细胞生物基因表达的时间特异性多细胞生物基因表达的时间特异性又称为又称为阶段特异性阶段特异性。7（二）（二） 空间特异性空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的基因表达伴随时间顺序所表现出的这种空间分布差异，实质上是由细胞这种空间分布差异，实质上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异在器官的分布决定的，所以

4、空间特异性又称性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性。 在个体生长发育的全过程，某种基在个体生长发育的全过程，某种基因产物在个体不同组织和器官表达，因产物在个体不同组织和器官表达，即即按不同组织空间顺序出现按不同组织空间顺序出现。8 按对环境刺激的反应性，基因表达按对环境刺激的反应性，基因表达的方式分为：的方式分为：（一）（一） 组成性表达组成性表达（二）（二） 诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达（三）（三） 协调表达协调表达9（一）（一） 组成性表达组成性表达 某些基因产物对生命过程都是必需某些基因产物对生命过程都是必需的或必不可少的。这些基因在个体的的或必不可少的。这些基因在个体的几乎所有细胞中

5、持续表达几乎所有细胞中持续表达, , 通常被称为通常被称为管家基因管家基因( housekeeping gene ) 。10 管家基因表达水平受环境因素影响较管家基因表达水平受环境因素影响较小，在个体各个生长阶段的大多数或几小，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，这乎全部组织中持续表达或变化很小，这种基因表达方式称为种基因表达方式称为组成性表达组成性表达或或基基本表达本表达。特点：特点：1、不受环境影响、不受环境影响2、生命各个阶段表达、生命各个阶段表达11（二二） 诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达 与管家基因不同，另有一些基因表达极与管家基因不同，另有一些基因表达极易受

6、环境变化影响，随外环境的变化可以易受环境变化影响，随外环境的变化可以升高或降低。升高或降低。 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，这种基因称为可诱导基因可诱导基因。 可诱导基因在特定环境中表达增强的过可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为程，称为诱导诱导（ induction ）。 12 如果基因对环境信号应答是被抑制，如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是这种基因是可阻遏基因可阻遏基因。 可阻遏基因表达产物降低的过程称为可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏（阻遏（ repression ）。1

7、3 在一定机制控制下在一定机制控制下,功能上相关的一功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式组基因，无论其为何种表达方式,均需协均需协调一之致调一之致 、共同表达，即为、共同表达，即为协调表达协调表达(coordinate expression) 。（三）（三） 协调表达协调表达14 （一）基因表达的多级调控（一）基因表达的多级调控 从基因激活开始到蛋白质的生物从基因激活开始到蛋白质的生物合成，对于蛋白质来说，以下几个环合成，对于蛋白质来说，以下几个环节均可以调节蛋白质在细胞内的浓度。节均可以调节蛋白质在细胞内的浓度。15基因表达的基本调控点基因表达的基本调控点基因基因激活激活转录起始转录起

8、始 转录后加工转录后加工mrnamrna降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰转录起始转录起始16 （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表达的调节与基因基因的结构、的结构、性质，生物个体或细胞所处的性质，生物个体或细胞所处的内、内、外环境外环境，以及细胞内所存在的，以及细胞内所存在的转转录调节蛋白录调节蛋白有关。有关。17主要指具有调节功能的主要指具有调节功能的dnadna序列。序列。原核生物原核生物操纵子操纵子真核生物真核生物顺式作用元件顺式作用元件1、特异、特异dna序列序列18 通常由通常由两个以上编

9、码序列与启两个以上编码序列与启动序列、操纵序列动序列、操纵序列以及以及其他调控其他调控序列序列在基因组中成簇串联而成。在基因组中成簇串联而成。原核生物原核生物操纵子操纵子19原核生物原核生物- 操纵子操纵子(operon) 机制机制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是是rnarna聚合酶结合并启动聚合酶结合并启动转录的特异转录的特异dnadna序列。序列。1) 启动序列启动序列20rna转录起始转录起始-35区区-10区区ttgacattaacttttacatatgattttacatatgttttgatatataatctgacgtactgtn17n16n1

10、7n16n16n7n7n6n7n6aaaaatrp trnatyrlacreca arabad ttgaca tataat共有序列共有序列 共有序列（共有序列（dna） 决定启动序决定启动序列的转录活性大小。列的转录活性大小。212 2 操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白的结合位点的结合位点 当操纵序列结合有当操纵序列结合有阻遏蛋白阻遏蛋白时，时，会阻碍会阻碍rna聚合酶与启动序列的结合，聚合酶与启动序列的结合，或是或是rna 聚合酶不能沿聚合酶不能沿dna向前移向前移动动 ，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白223) 其他调节序列、调

11、节蛋白其他调节序列、调节蛋白原核生物基因调节蛋白分为三类：原核生物基因调节蛋白分为三类：、特异因子、特异因子 、阻遏蛋白、阻遏蛋白 、激活蛋白、激活蛋白23 特异因子（蛋白质）特异因子（蛋白质）决定决定rna聚合酶聚合酶对一个或一套启动序列的特对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。异性识别和结合能力。、特异因子、特异因子24 阻遏蛋白阻遏蛋白可以可以识别和结合特异识别和结合特异dna序列序列操纵序列，抑制基因操纵序列，抑制基因转录，介导负性调节。转录，介导负性调节。、阻遏蛋白、阻遏蛋白 阻遏蛋白阻遏蛋白介导的负性调节在原核介导的负性调节在原核生物中普遍存在。生物中普遍存在。25 激活蛋白

12、激活蛋白可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的dna 序列序列 ，促进，促进rna聚合酶与启动序聚合酶与启动序列的结合，增强列的结合，增强rna聚合酶转录活性。聚合酶转录活性。 有些基因在没有激活蛋白存在时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聚合酶很少或完全不能结合启动序列。序列。、激活蛋白、激活蛋白26真核生物真核生物1) 顺式作用元件顺式作用元件 -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 主要包括：主要包括： 、启动子、启动子 、增强子、增强子 、沉默子、沉默子27顺式作用元件顺式作用元件 -可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达

13、活性的dna序列序列badna编码序列编码序列转录起始点转录起始点 真核生物的顺式作用元件中也发现一些真核生物的顺式作用元件中也发现一些共有序列共有序列 ，如，如tata 盒、盒、caat盒等，它们盒等，它们是真核是真核rna聚合酶或特异转录因子的结合位聚合酶或特异转录因子的结合位点，也是顺式作用元件的点，也是顺式作用元件的核心序列核心序列。 282) 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还有蛋白质因子可特异识别、结合识别、结合自身基因自身基因的调节序列的调节序列, 调节自身基因的表调节自身基因的表达，称达，称顺式作用顺式作用。 由某一基因表达产生的由某一基因表达产生的蛋

14、白质因子蛋白质因子，通，通过与过与另一基因另一基因特异的顺式作用元件相互作用，特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。调节其表达。 反式作用因子反式作用因子 这种作用称为这种作用称为反式作用反式作用 ，这种蛋白质，这种蛋白质因子称为因子称为反式作用因子。反式作用因子。 29cdnaadna反式调节反式调节c顺式调节顺式调节mrnac蛋白质蛋白质c cba mrna 蛋白质蛋白质a aa3031-调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点 (一一) 、因子决定因子决定rna 聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性( (二二) ) 、操纵子模型的普遍

15、性操纵子模型的普遍性 一个操纵子只含有一个启动序列，原一个操纵子只含有一个启动序列，原核基因协调表达就是通过调控单个启动核基因协调表达就是通过调控单个启动序列完成。序列完成。( (三三) ) 、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 特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。活性的重要因素。32 通常由通常由两个以上编码序列两个以上编码序列与与启启动序列、操纵序列动序列、操纵序列以及以及其他调控其他调控序列序列在基因组中成簇串联而成。在基因组中成簇串联而成。二、操纵子结构二、操纵子结构33三、乳糖操纵子调节机制三、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖

16、操纵子的结构（一）乳糖操纵子的结构调控区调控区cap结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列结构基因结构基因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zyaopdnai调节基因调节基因34mrna阻遏蛋白阻遏蛋白idnazyaoppol没有乳糖存在时没有乳糖存在时(二二) 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节调节基因调节基因35mrna阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时idnazyaoppol启动转录启动转录mrna乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶36+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，camp浓度高时浓度高时有葡萄

17、糖，有葡萄糖，camp浓度降低时浓度降低时(三三) cap（分解代谢物激活蛋白）（分解代谢物激活蛋白）的正性调节的正性调节zyaopdnacapcapcapcapcapcap转录增强转录增强转录下降转录下降37(四四) 协调调节协调调节 当当阻遏蛋白封闭阻遏蛋白封闭转录时，转录时，cap对对该系统不能发挥作用；该系统不能发挥作用； 如如无无cap存在，即使没有阻遏蛋存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。活性。 说明在乳糖操纵子中说明在乳糖操纵子中cap对于对于基因表达是必不可少的。基因表达是必不可少的。38 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作单纯

18、乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在乳糖共同存在时时 , 细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。 葡萄糖通过降低葡萄糖通过降低campcamp浓度，阻碍浓度，阻碍campcamp与与capcap结合而抑制结合而抑制laclac操纵子转录。操纵子转录。 葡萄糖对葡萄糖对laclac操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代分解代谢阻遏（谢阻遏（catabolic repressioncatabolic repression）。）。 39mrna 无乳糖时无乳糖时 高乳糖时高乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 camp浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高ca

19、mp浓度低浓度低rna-poloooo40四四 其他转录调节机制其他转录调节机制(一一) 转录衰减转录衰减trptrp 高时高时trp 低时低时mrnaopi调节区调节区结构基因结构基因前导肽前导肽衰减子衰减子 色氨酸操纵子色氨酸操纵子41衰减子结构衰减子结构 (attenuator)核糖体核糖体新生肽链新生肽链mrnadna1234uuuu 3 1、当色氨、当色氨酸浓度高时酸浓度高时 trp 密码子密码子转录衰减机制转录衰减机制: :5不依赖不依赖因子转录终止因子转录终止形成茎环结构能力：形成茎环结构能力： 1 1和和2 2 2 2和和3 3 3 3和和4 44212345核糖体核糖体2、当

20、色氨、当色氨酸浓度低时酸浓度低时体内缺乏色氨酰体内缺乏色氨酰-trna-trna转录衰减实质上是转录与前导肽的翻译偶联转录衰减实质上是转录与前导肽的翻译偶联4344一一 、真核基因组结构特点、真核基因组结构特点(一一) 真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大9哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组dna 约约 3 10 碱基对碱基对编码基因编码基因约约 有有 40000 个个重复基因约重复基因约 占占 5% 10%45 (二二) 单顺反子单顺反子（monocistron） 即一个编码基因转录生成一个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分子，经翻译生成一条多肽链。链。 对于对于原核

21、生物原核生物来说，结构基因来说，结构基因 按功能相关性成簇串联形成操纵按功能相关性成簇串联形成操纵子，转录生成的子，转录生成的mrna是是多顺反多顺反子子，即翻译生成多条多肽链。，即翻译生成多条多肽链。46(三三) 重复序列重复序列单拷贝序列单拷贝序列（一次或数次一次或数次）高度重复序列高度重复序列（ 10 次次）6中度重复序列中度重复序列（ 10 10 次次）4 3多拷贝序列多拷贝序列 重复序列具有种属特异性，基因组越大，重复序列具有种属特异性，基因组越大，重复序列越多。重复序列越多。 由两个互补序列在同一由两个互补序列在同一dna链上反向排链上反向排列而成，称为反转重复序列。列而成，称为反

22、转重复序列。47 真核的结构基因又称真核的结构基因又称断裂基断裂基因因，基因内部有非编码序列（内，基因内部有非编码序列（内含子），编码序列（外显子），含子），编码序列（外显子），基因之间又被非编码序列（基因基因之间又被非编码序列（基因间隔）分隔开来。间隔）分隔开来。(四四) 基因不连续性基因不连续性48二、二、 真核基因转录激活调节真核基因转录激活调节(一一) 顺式作用元件顺式作用元件1、启动子、启动子 真核基因启动子是真核基因启动子是rna聚合酶结聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个少包括一个转录起始点转录起始点以及一个以上以及一个以上的的功能组

23、件功能组件tata盒盒gc盒盒caat盒盒49 tata盒（盒（hogness盒）其共有序盒）其共有序列是列是tataaaa，通常位于转录起始，通常位于转录起始点上游点上游-25 -30bp，控制转录起始的，控制转录起始的准确性及频率，是准确性及频率，是tfdd结合部位。结合部位。 典型的启动子典型的启动子由由tata盒盒及及上游的上游的caat盒盒和（或）和（或）gc盒盒组成。组成。502、增强子、增强子（enhancer） 通过启动子来增强转录速度和效通过启动子来增强转录速度和效率的率的dna序列。序列。 指远离转录起始点、决定基因的指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子

24、转录时间、空间特异性、增强启动子转录活性的活性的dna序列。序列。 从功能上看，从功能上看，没有增强子没有增强子存在，存在，启动子通常不能表现活性；启动子通常不能表现活性；没有启动没有启动子子的存在，增强子也无法发挥作用。的存在，增强子也无法发挥作用。513、沉默子、沉默子（silencer） 某些基因的负性调节元件，当某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。录起阻遏作用。52(二二) 反式作用因子反式作用因子 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* 特异转录因子特异转录因子53

25、* 基本转录因子基本转录因子 是是rna聚合酶结合启动子所必需聚合酶结合启动子所必需的 一 组 蛋 白 因 子 ， 决 定 三 种的 一 组 蛋 白 因 子 ， 决 定 三 种rna(mrna、trna及及rrna ) 转录的转录的类别。类别。54* 特异转录因子特异转录因子 为个别基因转录所必需，决定该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。基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子552、转录调节因子结构、转录调节因子结构dna结合域结合域转录激活域转录激活域tf蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域锌指结构锌指结构碱性碱性螺旋螺旋螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链56最常见的最常见的dna结合域：结合域： 1、锌指锌指（zinc finger）c cysh his常结合常结合gc盒盒57zncyshis58 2、碱性碱性螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋常结合常结合caat盒盒59真核基因表达调控特点真核基因表达调控特点(一一) rna聚合酶聚合酶(二二) 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 活化基因常