生物化学课件：第13章 基因表达调控(已改)

1、第十三章基因表达调控,Regulation of Gene Expression,基因表达的相关概念 基因表达的原理和意义 原核生物基因表达的调控模式 真核生物基因表达调控,第 一 节基本概念与原理,Basic Conceptions and Principle,一、基因表达的概念,从遗传学角度讲，就是编码一种RNA、一种多肽的信息单位；从分子生物学角度看，是负载特定遗传信息DNA片段。 编码序列 非编码调节序列 内含子 cDNA,*基因(gene),*基因组 (genome) 一个细胞或生物所携带的整套遗传信息或全部基因。,人类基因组含约 2万2.5万个基因。,*基因表达 (gene exp

2、ression) 基因经历转录及翻译，产生具有生物学功能的产物的过程。,基因表达的产物？,二、基因表达的特异性,（一）时间特异性,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，称之为基因表达的时间特异性。,多细胞生物基因表达表现为与生长、分化和发育阶段一致的时间性，因此又称阶段特异性。,（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或组织特异性。,在个体生长、发育全过程，一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，称之为基因表达的空间特异性。,如：乳酸脱氢酶（LDH）在不同组织中表达程度不同,

3、三、基因表达的方式,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为： （一）基本表达 管家基因的表达方式。 （二）诱导和阻遏（适应性）表达 适变基因的表达方式。 有诱导和阻遏两种方式。 （三）协调表达,四、基因表达调控的生物学意义,（一）适应环境、维持生长和繁殖 （二）维持个体发育和分化,*基因组 (genome) 一个细胞或生物所携带的整套遗传信息或全部基因。,*基因表达 (gene expression) 基因经历转录及翻译，产生具有生物学功能的产物的过程。,基因表达的产物？,二、基因表达的特异性,（一）时间特异性,阶段特异性,（二）空间特异性,细胞或组织特异性,三、基因表达的方式,按对刺激的反应性

4、，基因表达的方式分为： （一）基本表达 管家基因的表达方式。 （二）诱导和阻遏（适应性）表达 适变基因的表达方式。 有诱导和阻遏两种方式。 （三）协调表达,第二节基因表达调控的基本原理,Basic Principles of Gene Expression Regulation,一、基因表达的多层次和复杂性,基因激活 拷贝数 重排 甲基化程度,转录起始 转录后加工 mRNA降解,翻译起始、延长 翻译后加工修饰 蛋白质降解等,转录起始,基因表达在全过程的各水平上都可以受调控：,主要调节环节,遗传信息水平,转录水平,翻译和翻译后水平, 特异DNA序列（如：启动子） 调节蛋白（如：转录因子） DNA

5、蛋白质、蛋白质蛋白质相互作用 RNA聚合酶,二、基因转录激活调节基本要素,基因表达调控本质: 通过 DNA蛋白质相互作用来实现,(一)特异DNA序列 1、 原核生物的操纵子 操纵子(operon)：通常由2个以上的编码序 列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列 在基因组中成簇串联，组成一个基因表达调 控单位。,启动序列,编码序列2,编码序列1,操纵序列,其它调节序列,启动序列决定转录活性的大小,2)操纵序列阻遏蛋白的结合位点,当操纵序列结合有阻遏蛋白时，RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。,2、 真核生物的顺式作用元件(cis-acting element),可影响自身基因表达活性的

6、DNA序列。,顺式作用元件包括启动子、增强子、沉默子等,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。 通常是非编码序列 并非都位于转录起始点上游,特异因子：决定RNA-pol对启动序列的特异性识别和结合能力（如因子 ） 阻遏蛋白：识别和结合操纵序列阻遏基因转录，介导负性调节 激活蛋白:可结合启动序列邻近的DNA序列增强RNA-pol活性，介导正性调节（如CAP）,（二）调节蛋白 1、 原核生物基因转录调节蛋白,原核调节蛋白均为DNA结合蛋白,2、真核生物的基因调节蛋白,通过与另一基因的顺式作用元件相互作用，

7、调节其表达的蛋白质。,反式作用因子(trans-acting factor),这种调节作用称为反式作用。,通过与自身基因的顺式作用元件相互作用，调节自身基因表达的蛋白质,这种调节作用称为顺式作用,顺式作用因子(cis-acting factor),（三）DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用1.DNA-蛋白质相互作用： 2. 蛋白质-蛋白质相互作用：间接结合DNA 多见于真核生物,基因表达调控本质: 通过 DNA蛋白质相互作用来实现,(四) RNA聚合酶,1. 原核：强启动子、弱启动子,2.真核：RNA-pol不能直接结合启动子。,第 三 节 原核基因转录调节,Regulation of Pr

8、okaryotic Gene Transcription,（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性,（二）操纵子模型的普遍性,（三）阻遏机制的普遍性,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965,for their discoveries concerning genetic control of enzyme and virus synthesis,Institut Pasteur Paris, France,Jacques Monod,Andr Lwoff,Franois Jacob,Institut Pasteur Paris, France,

9、Institut Pasteur Paris, France,雅各布（1920-）,雷沃夫（1902-1994）,莫诺（1910-1976）,培养基中只有葡萄糖时，菌体利用葡萄糖且生长良好； 当葡萄糖换成乳糖时，菌体起初不能很好利用乳糖，但一段 时间后开始利用乳糖，菌体生长良好； 当把葡萄糖和乳糖一起放入培养基时，菌体只利用葡萄糖。,Why?,乳糖操纵子,葡萄糖如何阻遏乳糖利用的酶？,乳糖利用的酶是如何被诱导的？,二、原核生物转录起始调节,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,调控序列,结构基因,操纵基因,启动序列,CAP结合位点,调节基因,编码阻遏蛋白,RNA-pol识别结合,阻遏

10、蛋白结合,cAMP-CAP结合,（负调节）,（正调节）,低表达条件： 解除负调节 高表达条件：解除负调节 激活正调节,没有乳糖存在时,（二）Lac操纵子的调节机制,1、阻遏蛋白的负调节及其解除,有乳糖存在时,诱导剂：半乳糖、别乳糖,半乳糖,阻遏蛋白的负性调节及诱导机制,TTTACA,TATGTT,N17,N6,A,lac,乳糖操纵子是弱启动子，即便解除阻遏，仅低水平转录 若要高水平转录，还需cAMP-CAP的正调节,2、CAP的正性调节, CAP是同二聚体 含有DNA结合区和 cAMP结合位点 （需生成cAMP-CAP复合物才有活性）,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,C

11、AP结合位点,+ + + + 转录,cAMP-CAP复合物, 阻遏蛋白是负性调节因素。 半乳糖或别乳糖是诱导剂(解除阻遏) CAP是正性调节因素。 CAP是同二聚体 含有DNA结合区和cAMP结合位点 （需生成cAMP-CAP复合物才有活性）,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,无转录,无转录,低水平转录,lac操纵子强的诱导作用的条件是： 乳糖存在（解除阻遏）的同时缺乏葡萄糖（激活CAP）。,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,三、色氨酸操纵子,转录衰减(转录-翻译的偶联调控),色氨酸

12、操纵子,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力强弱： 序列2/3序列3/4,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,第 四 节 真核基因转录调节,Regulation of Eukaryotic Gene Transcription,一、真核生物基因组的特点,（一）基因组大 （二）单顺反子 （三）重复序列 （四）不连续性,二、真核

13、基因表达调控特点,（一）RNA聚合酶 （二）活性染色体结构变化 1.核酸酶敏感 2.前方正超螺旋 3.甲基化水平 4.核小体稳定性 （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,四、RNA-pol 转录起始的调节,（一）顺式作用元件 1.启动子（promotor） 2.增强子（enhancer） 远离转录起始点、决定基因表达的时间和空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。 与位置无关 与方向无关 无专一性 3.沉默子（silencer）,基本转录因子：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA转录的类别 特异转录因子：为个别基因转录所必需，决定该

14、基因表达的时间、空间特异性。 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,（二）反式作用因子 （转录因子）,1. 转录因子分类,2. 转录调节因子结构,锌指结构 碱性氨基酸形成的螺旋 亮氨酸拉链（bZIP） 碱性螺旋-环-螺旋（bHLH）,酸性激活域 谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域,最常见的DNA结合域,1. 锌指(zinc finger),常结合GC盒,C Cys H His,2. -螺旋,常结合CAAT盒,3 、亮氨酸拉链（leucine zipper）,两个结构相同或相似的单体并列，依赖侧面多个亮氨酸的分子间的疏水作用在C-端形成一个短的卷曲结构，形似拉链。N-端未结合部分相互分开，形成一个倒Y字结构。Y字结构分开的两臂亲水区骑跨在DNA双螺旋的大沟上。,4、螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix),转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC),（三）mR