大学生物遗传学第十三章基因表达调控演示文稿

大学生物遗传学第十三章基因表达调控演示文稿第一页，共六十七页。大学生物遗传学第十三章基因表达调控第二页，共六十七页。基本概念与原理BasicConceptionsandPrinciple第一节第三页，共六十七页。一、基因表达的概念基因：(gene)

负载特定遗传信息的DNA片段，其结构包括由DNA编码序列、非编码调节序列和内含子组成的DNA区域。

cDNA(complementaryDNA)与mRNA互补的DNA不含基因转录的调控序列，但含翻译调控和多肽链的编码序列。第四页，共六十七页。概念原核生物：环状染色体全部基因真核生物：染色体基因组核外遗传物质：线粒体基因组、叶绿体基因组基因组

(genome)

来自一个遗传体系的一整套遗传信息。第五页，共六十七页。基因表达

(geneexpression)

基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。并非所有基因表达过程都产生蛋白质。如基因转录生成rRNA，tRNA概念第六页，共六十七页。基因表达是受调控的在某一特定时期或生长阶段，基因组中只有一小部分基因处于表达状态。个体某种功能的基因产物在细胞中的数量随着时间、环境而变化。概念第七页，共六十七页。二、基因表达的特异性（一）时间特异性(temporalspecificity)按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。阶段特异性(stagespecificity)与分化、发育阶段一致第八页，共六十七页。（二）空间特异性(spatialspecificity)细胞或组织特异性

(cellortissuespecificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现。二、基因表达的特异性第九页，共六十七页。三、基因表达的方式（一）基本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(housekeepinggene)。

基本或组成性基因表达

(constitutivegeneexpression)。第十页，共六十七页。（二）诱导和阻遏表达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。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导

(induction)。举例：DNA损伤修复酶基因激活

第十一页，共六十七页。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降低的过程称为阻遏

(repression)。（二）诱导和阻遏表达举例：色氨酸充分色氨酸合成酶编码基因抑制第十二页，共六十七页。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，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。协调表达第十三页，共六十七页。四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖原核生物：葡萄糖、乳糖代谢高等生物：常饮酒者体内醇氧化酶活性高（二）维持个体发育与分化各组织、器官的发育、分化是由特定的基因控制的。第十四页，共六十七页。

基因表达调控的基本原理

BasicPrincipleofRegulationofGeneExpression

第二节第十五页，共六十七页。一、基因表达调控的多层性和复杂性DNA扩增DNA重排甲基化蛋白质降解蛋白质翻译翻译后加工修饰基本控制点转录起始转录后加工mRNA降解转录水平转录水平第十六页，共六十七页。二、基因转录激活调节基本要素特异DNA序列

有调节功能的DNA序列。原核生物

——操纵子(operon)机制第十七页，共六十七页。

通常由2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。操纵子编码序列启动序列

操纵序列其他调节序列(promoter)(operator)(codingsequence)第十八页，共六十七页。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

tRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列第十九页，共六十七页。——阻遏蛋白(repressor)的结合位点启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白2操纵序列第二十页，共六十七页。3)其他调节序列、调节蛋白激活蛋白(activator)可结合原核操纵子调节序列中特异的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，使转录激活，介导正性调节。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。第二十一页，共六十七页。真核生物的特异DNA序列顺式作用元件(cis-actingelement)——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共有序列：如TATA盒、CCAAT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。第二十二页，共六十七页。顺式作用元件非编码序列不一定都位于转录起始点上游真核基因的顺式作用元件分为：

启动子、增强子、沉默子第二十三页，共六十七页。2.调节蛋白原核生物特异因子：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。阻遏蛋白——负性调节激活蛋白——正性调节第二十四页，共六十七页。真核基因的调节蛋白：转录因子顺式作用顺式作用蛋白真核转录调节因子由其编码基因表达后，通过与特异的顺式作用元件的识别、结合（即DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因的转录，称反式作用蛋白或反式作用因子。反式作用因子

(trans-actingfactor)第二十五页，共六十七页。aDNA反式调节C顺式调节cDNA

mRNAC蛋白质CBA

mRNA蛋白质AA第二十六页，共六十七页。DNA-蛋白质相互作用指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。非共价结合绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。3.DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质的相互作用第二十七页，共六十七页。4.RNA聚合酶⑴启动序列/启动子与RNA聚合酶活性启动序列会影响其与RNA聚合酶的亲和力，直接影响转录起动的频率。共有序列决定启动序列的转录活性大小。

第二十八页，共六十七页。⑵调节蛋白与RNA聚合酶活性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，从而使基础转录频率发生改变，出现表达水平变化。4.RNA聚合酶第二十九页，共六十七页。原核基因转录调节RegulationofProkaryoticGeneTranscription第三节第三十页，共六十七页。调节的主要环节在转录起始一、原核基因转录调节特点（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性第三十一页，共六十七页。二、原核生物转录起始调节（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA第三十二页，共六十七页。mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因第三十三页，共六十七页。（二）阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol启动转录mRNA有乳糖存在时半乳糖β-半乳糖苷酶乳糖第三十四页，共六十七页。++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时（三）CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第三十五页，共六十七页。（四）协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；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。第三十六页，共六十七页。问题单纯乳糖存在时，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的机制?第三十七页，共六十七页。mRNA低半乳糖时高半乳糖时

葡萄糖低cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO第三十八页，共六十七页。三、原核生物转录终止调节转录终止机制：

依赖Rho因子的转录终止

不依赖Rho因子的转录终止终止调节方式：

衰减导致RNA链的过早终止；

抗终止阻止衰减的发生，使下游基因得以表达。1)两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；2)下游含一系列T。第三十九页，共六十七页。调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称为自我控制（autogenouscontrol)。四、原核生物翻译水平调节（一）蛋白质分子的自我调节第四十页，共六十七页。（二）反义RNA对翻译的调节作用调节RNA：可调节基因表达的RNA分子。反义RNA含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始，称为反义控制(antisensecontrol)。第四十一页，共六十七页。

真核基因表达调节RegulationofEukaryoticGeneExpression第四节第四十二页，共六十七页。一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大（二）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。第四十三页，共六十七页。（三）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（103~104次）多拷贝序列反向重复序列一、真核基因组结构特点（四）基因不连续性第四十四页，共六十七页。二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚合酶（RNApolⅠ、Ⅱ、Ⅲ）

TATA盒结合蛋白（TBP）为共有亚基（二）活性染色体结构变化1.对核酸酶敏感活化基因常有核酸酶超敏位点（hypersensitivesite)，位于调节蛋白结合位点附近。第四十五页，共六十七页。2.DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在。RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向二、真核基因表达调控特点第四十六页，共六十七页。3.DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化甲基化程度与基因表达程度呈反比，处于转录活化状态的基因CpG序列一般低甲基化。4.组蛋白变化二、真核基因表达调控特点核小体结构不稳定第四十七页，共六十七页。采用正性调节机制更精准采用负性调节不经济（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工第四十八页，共六十七页。（一）RNApolⅠ转录体系的控制三、RNApolⅠ和polⅢ的转录调节人rRNA基因上游调控元件和核心元件+1-100rRNA前体基因上游调控元件核心元件转录区Upstreamcontrolelement,UCECoreelement第四十九页，共六十七页。转录因子上游结合因子1

(upstreambindingfactor1,UBF),UBF先与DNA结合，结合的部位是UCE和核心元件的上游部分。再结合选择性因子1(selectivityfactor1,SL1)，然后由聚合酶Ⅰ结合启动子，并启动转录。第五十页，共六十七页。tRNA和5SrRNA基因的转录启动子位于转录起始点下游即转录区内，称内部控制区（internalcontrolregions,ICR)（二）RNApolⅢ转录体系的控制

tRNA基因的内部启动子

tRNA基因AboxBbox5s-rRNA5sRNA基因的内部启动子Cbox第五十一页，共六十七页。四、RNApolⅡ转录起始的调节（一）顺式作用元件1.启动子真核基因启动子是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。典型的启动子由TATA盒及上游的CAAT盒和/或GC盒组成。第五十二页，共六十七页。真核启动子的典型结构第五十三页，共六十七页。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，其作用方式通常与方向、距离无关。酵母中存在上游激活序列（upstreamactivatorsequences,UASs）3.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。第五十四页，共六十七页。（二）反式作用因子1.转录调节因子分类（按功能特性）

基本转录因子(generaltranscriptionfactors)RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。TFⅡD是三种聚合酶的基本转录因子。第五十五页，共六十七页。特异转录因子(specialtranscriptionfactors)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。

转录激活因子：增强子结合蛋白

转录抑制因子：沉默子结合蛋白

(transcriptionactivators)

(transcriptioninhibitors)（二）反式作用因子第五十六页，共六十七页。2.转录调节因子结构TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）转录激活域谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域DNA结合域锌指结构α螺旋第五十七页，共六十七页。最常见的DNA结合域

1.

锌指

(zincfinger)C——CysH——His常结合GC盒第五十八页，共六十七页。

2.α-螺旋常结合CAAT盒碱性氨基酸残基组成最常见的DNA结合域第五十九页，共六十七页。（三）mRNA转录激活及其调节polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBP真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物.TATA

DNATBP相关因子EBP第六十页，共六十七页。真核基因转录调节是复杂的、多样的不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式；多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。第六十一页，共六十七页。（一）HIV基因组转录终止调节抗终止蛋白Tat

可使RNApolⅡ通过转录终止点，其作用方式是通过Tat与转录产物5´端特异RNA序列结合，并与宿主蛋白质、RNApolⅡ相互作用，使延长中的RNA形成一定的二级结构，阻止HIV基因组转录过程的提前终止。（二）热休克蛋白基因的转录终止调节五、RNAp