基因表达调控 (4)讲稿

1、关于基因表达调控 (4)第一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月主 要 内 容概 述1原核生物的基因表达调控2真核生物的基因表达调控3小 结4第二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月2教 学 要 求【教学课时】 4 学时【掌握内容】 基因表达、管家基因的概念；基因表达的多级调控；基因表达调控的基本要素；乳糖操纵子调节机制；顺式作用元件和反式作用因子。【熟悉内容】 原核生物基因转录调节特点；真核生物基因组结构特点；真核生物基因表达调节特点。【了解内容】 基因表达的方式；其他转录调节机制。第三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月3第一节 概 述Basic Conceptions

2、of Gene Expression Regulation第四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月4 基因组(genome) 是指来自一个生物体的一整套遗传物质。 基因(gene) 是遗传的基本单位，是负载着特定遗传信息的DNA片段，编码具有生物学功能的多肽链或RNA。第五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月5 基因表达(gene expression)是指基因转录及翻译的过程。而对上述过程的调节与控制就是基因表达调控（control of gene expression ）一、基因表达的特异性时间特异性空间特异性第六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月6（一）时间特异性按功

3、能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。第七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月7（二）空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞特异性(cell specificity)或组织特异性(tissue 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，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。

4、第八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月8二、基因表达调控的方式 在个体生长和发育过程中，基因的适度表达而产生特定的生物效应，而且基因表达随环境变化而变化，呈现出一定的特异性，这就是基因表达调控(regulation of gene expression)。第九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月9按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达诱导表达和阻遏表达协调表达第十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月10（一）基本（或组成性）表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。无论表达水平高低，管家基因

5、较少受环境因素影响，而是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。管家基因的这种表达方式称为组成性表达(constitutive expression)。第十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月11（二）诱导表达和阻遏表达有些基因的表达受环境信号的刺激而开放或增强，基因表达产物水平升高，这一过程称为诱导表达(induction expression)。 相反，有些基因的表达受环境信号的刺激而关闭或减弱，基因表达产物水平下降，这一过程称为阻遏表达(repression expression)。第十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月12在一定机制控制下，功能

6、上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调控方式称为协调调控(coordinate regulation)。（三）协同表达第十三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月13三、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。 第十四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月14（二）维持细胞分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同

7、组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。 第十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月15四、基因表达的多级调控激活转录起始翻译后加工 蛋白质降解 翻译成熟mRNA基因肽链转录后加工mRNA降解初级转录产物功能蛋白转录后加工翻译后修饰转运核苷酸降解氨基酸降解第十六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月16 2010-4Institute of Genetic Engineering第十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月17五、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

8、调节蛋白有关。（一）特异DNA序列和调节蛋白质第十八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月18原核生物 蛋白质因子 操纵子(operon) 机制特异DNA序列编码序列 启动序列 操纵序列 其他调节序列(promoter)(operator)第十九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月19是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1) 启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrec

9、AAra BAD TTGACA TATAAT共有序列第二十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。第二十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月212 操纵序列 阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白第二十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月223) 其他调节序列、调节蛋

10、白例如激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。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序列。第二十三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月23真核生物1) 顺式作用元件(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列 ，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。 第二十四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月242) 真核基因的调节蛋白还有蛋白质因

11、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，称顺式作用。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互作用，调节其表达。 反式作用因子(trans-acting factor) 这种调节作用称为反式作用。 第二十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月25cDNAaDNA反式调节C顺式调节 mRNA C蛋白质CBA mRNA蛋白质AA第二十六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月指的是反式作用因子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，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋

12、白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。（二） DNA - 蛋白质 蛋白质-蛋白质的相互作用第二十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月27（三）RNA聚合酶1) 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性 RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。2) 调节蛋白与RNA聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。第二十八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月28第二节 原核生物的基因表达调控Regulation of Gene Expression in Prokaryote 第二十九张

13、，PPT共七十七页，创作于2022年6月29调节的主要环节在转录起始。一、原核生物基因表达调控的特点（一）因子决定转录的特异性 在转录起始阶段，因子识别特异启动序列；不同的因子可以竞争结合核心酶决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。 第三十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月30（二）操纵子模型的普遍性 操纵子(operon)是原核生物绝大多数基因的转录单位，由启动子、操纵基因和一组结构基因组成。 一个操纵子只含一个启动序列及数个可转录的编码基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子mRNA (polycistronic mRNA)。 原核基因的协调表达就是通

14、过调控单个启动基因的活性来完成的。 第三十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月31（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。第三十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月32二、原核生物基因表达调控的基本要素 RNA聚合酶 调控序列 调控蛋白第三十三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月33调控序列主要指具有调节功能的特异DNA序列原核生物操纵子调控机制。1. 启动序列 RNA聚合酶结合并启动转录。2. 操纵序列与启动序列毗邻，其DNA序列常与启动序列交错、重叠，它是

15、原核阻遏蛋白的结合位点介导负性调节。3. 其他调节序列：结合激活蛋白介导正性调节。第三十四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月34调控蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白 转录特异因子(specificity factor)决定RNA聚合酶对启动序列的特异性识别和结合能力 激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性阻遏蛋白(repressor)可结合特异DNA序列操纵序列，阻遏基因转录，介导负性调节机制 第三十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月35（一）乳糖操纵子的结构 结构基因Z： -半乳糖苷酶Y

16、： 透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA三、乳糖操纵子(lac operon)I 调控区CAP结合位点启动序列操纵序列调节基因I 编码阻遏Pr第三十六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月36（二）乳糖操纵子的阻遏调控-可诱导调控无乳糖存在时有乳糖存在时半乳糖与阻遏物结合阻遏物变构阻遏物不能结合操纵基因转录进行基因开放阻遏物结合在操纵基因上阻止转录过程基因关闭第三十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月37mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时调节基因第三十八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月38mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mR

17、NA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶第三十九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月39（三）乳糖操纵子的激活调控-CAP正性调节CAP是同二聚体CAP是激活蛋白，包含DNA结合域和cAMP结合域CAP + cAMP 复合物结合在CAP位点上促进RNA pol向前移动促转录乳糖操纵子是弱启动子，被RNA-pol结合后，还需cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化。第四十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月40+ + + + 转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第四十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月41 有葡

18、萄糖存在时，cAMPcAMP-CAP形成复合物，不能结合CAP位点上正调控作用乳糖操纵子不能表达。（虽然有乳糖存在，乳糖操纵子不开放基因）无葡萄糖存在时，cAMPcAMP-CAP形成复合物正调控作用 基因表达。 当有葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，因此lac操纵子表达下降。Q:葡萄糖、乳糖同时存在时，先利用?第四十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月42mRNA低乳糖高乳糖 葡萄糖低 cAMP浓度高 葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO无转录无转录低水平转录第四十三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月43协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系

19、统不能发挥作用。如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。 第四十四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月44第三节 真核生物的基因表达调控Regulation of Gene Expression in Eukaryote 第四十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月45一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组DNA 约 3109碱基对。 人编码基因约4

20、万个，编码序列仅占总长的1%。 rDNA等重复基因约占5%10%。第四十六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月46（二）真核基因转录产物为单顺反子mRNA单顺反子(monocistron)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链。（三）真核基因组含有大量的重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106 次）中度重复序列（103 105次）多拷贝序列第四十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月47 真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含子(intron)、外显子(exon)之分，因此真核基因是不连续的。 （

21、四）真核基因是断裂基因，编码序列是不连续的第四十八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月48二、真核基因表达调控的特点（一）真核细胞内含有多种RNA聚合酶真核RNA聚合酶有三种，即RNA pol I、II及 III，分别负责三种RNA转录。 转录起始仍是最基本环节第四十九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月49（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化 对核酸酶敏感 DNA拓扑结构变化 DNA碱基修饰变化 组蛋白变化第五十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月50对核酸酶敏感DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后:RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录

22、方向活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。第五十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月51DNA碱基的甲基化修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化甲基化范围与基因表达程度呈反比,处于转录活化状态的基因CpG序列一般是低甲基化4. 组蛋白变化富含Lys组蛋白水平降低H2AH2B二聚体不稳定性增加组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰第五十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月52（三）以正性调节占主导采用正性调节机制更精确：一个负性调节元件的结合足可阻断RNA聚合酶的结合，因此同时采用几个负性调节元件一般不会改变特异性；相反，如果采用多种正性调节元件、正性调节蛋

23、白可提高基因表达调节的特异性和精确性。采用负性调节不经济：在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。第五十三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月53（四）在真核细胞中转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工更为复杂 真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同细胞部位进行，转录在细胞核，翻译在细胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。第五十四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月54三、RNA Pol I和Pol III转录体系的调节相对简单（一）RNA Pol I转录体系RNA Pol I的转

24、录产物只有rRNA前体，经剪接修饰生成除5S rRNA外的各种rRNA。启动子元件包括：核心元件(core element)或核心启动子(core promoter)和上游控制元件(upstream control element, UCE)。 第五十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月55（二）RNA Pol III转录体系RNA Pol III的转录产物：多种小分子RNA，包括tRNA、5S rRNA和一部分小核RNA。启动子位于转录起始点下游，称内部控制区(internal control regions, ICR)。 第五十六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月56（一）

25、真核基因顺式作用元件影响基因转录活性四、RNA Pol II转录起始的调节非常复杂 即调控序列，是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的DNA序列。包括启动子(promoter) 启动转录所必需 增强子(enhancer) 起正性调控作用 沉默子(silencer) 起负性调控作用 第五十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月57 启动子 定义 指RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。 特点 核心启动子：TATA盒；由TATA盒及转录起始点即可构成最简单的启动子 CAAT盒、GC盒非必需 上游活化序列，由其它序列代替此两种序列。第五十

26、八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月5853-80 -110-70 -80-25 -30CGboxCAATboxTATAboxTATA: 控制转录的精确起始。CAATCG控制转录起始频率第五十九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月59CCAAT盒GC盒TATA盒转录起始点高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒转录起始点酵母真核基因启动子的典型结构第六十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月60 定义 远离转录起始点(130Kb)，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。 特点远距离作用、无严格专一性（一种增强子可增强不同类型的启动子）、没有方向性

27、 从功能上讲，没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动子时，增强子也无法发挥作用。 增强子第六十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月61 定义 指真核细胞中能阻遏启动子转录作用的远方顺式作用元件负性调控序列。 特点 其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。 沉默子第六十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月62 指与DNA调控序列相互作用的因子，本质是蛋白质，也称调控蛋白。通常与顺式作用元件结合而影响转录，故又称转录因子。（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录 调控蛋白第六十三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月63按功能分类基本转录因子：RNA聚合酶与启动子

28、结合所必需的一组蛋白因子特异转录因子：是个别基因转录所必须，决定该基因的时间、空间特异性表达。包括转录调节因子和共调节因子 转录激活因子：与增强子结合转录抑制因子：与沉默子结合第六十四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月64转录调节因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域第六十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月65最常见的DNA结合域：锌指(zinc finger)C CysH His常结合GC盒第六十六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月66a-螺旋常结合CAAT盒碱性螺旋-环-螺旋碱性亮氨酸拉链 第六

29、十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月67（三）mRNA转录激活需要转录起始复合物的形成真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP图13-9 转录起始复合物的形成 第六十八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月68五、转录后水平的调节也是基因表达调控的重要环节（一）hnRNA加工成熟的调节（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。 通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物(ribonucleoprotein, RNP)进行。 第六十九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月69六、基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节 （一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸 化修饰进行蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（eukaryotic initiation factor, eIF）的活性对起始阶段有重要的控制作用。第七十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月70（二）RNA结