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1、关于基因表达调控关于基因表达调控 (2)(2)课件课件现在学习的是第1页，共86页第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理Basic Conceptions and Principle现在学习的是第2页，共86页一、基因表达的概念一、基因表达的概念*基因组基因组(genome)(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。息或整套基因。它也是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁它也是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。现在学习的是第3页，共86页n细胞器胞器DNA通常是通常是环
2、状状DNA分子，位于核外，基分子，位于核外，基因因结构与原核相似构与原核相似n真核生物中，包括一套完整单倍体真核生物中，包括一套完整单倍体DNA（染色体（染色体DNA）和细胞器）和细胞器DNA的全部的全部序列序列现在学习的是第4页，共86页是指储存遗传信息的是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。其生物功能的整个过程。典型的基因表达是典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的生有生物活性的蛋白质的过程。过程。基因表达基因表达(gene expression)(gene expression)现在学习的是第5
3、页，共86页基因表达是受调控的基因表达是受调控的 不是所有的基因表达都产生蛋白质，不是所有的基因表达都产生蛋白质，rRNArRNA或或tRNAtRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNArRNA或或tRNA,tRNA,也是也是rRNArRNA或或tRNAtRNA的基因表达，因为的基因表达，因为rRNArRNA或或tRNAtRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。就具有在蛋白质翻译方面的功能。但是但是基因表达转录翻译基因表达转录翻译现在学习的是第6页，共86页 人的基因组中通常只有一部分基因人的基因组中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的表达，
4、多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在哺乳类细胞中开放转录的基因约在1 1万个万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过超过20%20%的基因处于表达状态。的基因处于表达状态。生物基因组的遗传信息生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的并不是同时全部都表达出来的现在学习的是第7页，共86页二、基因表达的时间性及空间性二、基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性（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按功能需要
5、，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顺序发生，称之为基因表达的时间特异性时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性阶段特异性(stage specificity)(stage specificity)。现在学习的是第8页，共86页（二）空间特异性（二）空间特异性(spatialspecificity)又称又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)(cell or tissue specificity)在在个个体体生生长长全全过过程程，某某种种基基因因产产物物在在个个体
6、体按按不不同同组织空间顺序出现，称之为基因表达的组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性空间特异性。现在学习的是第9页，共86页三、基因表达的方式三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）组成性表达（一）组成性表达某某些些基基因因在在一一个个个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表达，通常被称为表达，通常被称为管家基因管家基因。管家基因管家基因(housekeepinggene)现在学习的是第10页，共86页无无论论表表达达水水平平高高低低，管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素影影响响，而而是是在在个个体体各各个个
7、生生长长阶阶段段的的大大多多数数或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小。区区别别于于其其他他基基因因，这这 类类 基基 因因 表表 达达 被被 视视 为为组组 成成 性性 基基 因因 表表 达达(constitutive gene expression)(constitutive gene expression)。基基本本的的基基因因表表达达只只受受到到启启动动序序列列或或者者启启动动子子与与RNARNA聚合酶相互作用的影响聚合酶相互作用的影响 组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。的
8、，其表达强弱也是受一定机制调控的。现在学习的是第11页，共86页（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达适适应应性性表表达达(adaptive(adaptive expression)expression)指指环环境境的的变变化容易使其表达水平变动的一类基因表达化容易使其表达水平变动的一类基因表达。诱导诱导 阻遏阻遏 现在学习的是第12页，共86页 是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。从而使基因的表达产物增加。如如:DNA:DNA发生损伤时，修复酶的诱导激活。发生损伤时，修复酶的诱导激活。诱导表达（诱导表达（indu
9、ctioninduction）在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因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，这种基因称为表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因。现在学习的是第13页，共86页如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，这这种种基基因是因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏阻遏。阻遏阻遏(repression)(repression)如：如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它萄糖作能源和碳源
10、，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭现在学习的是第14页，共86页在在一一定定机机制制控控制制下下，功功能能上上相相关关的的一一组组基基因因，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，均均需需协协调调一一致致、共共同同表表达达，即即为为协协调调表表达达(coordinate(coordinate expression)expression)，这这种调节称为协调调节种调节称为协调调节(coordinate regulation)(coordinate regulation)。现在学习的是第15页，共86页四、基因表达调控的生物学意义四、
11、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化（二）维持个体发育与分化现在学习的是第16页，共86页基因激基因激活活转录起始转录起始 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（一）基因表达的多级调控（一）基因表达的多级调控五、基因表达调控的基本原理五、基因表达调控的基本原理转录水平的基因表达调控最重要转录水平的基因表达调控最重要 现在学习的是第17页，共86页（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基因因表表达达的的调调
12、节节与与基基因因的的结结构构、性性质质，生生物物个个体体或或细细胞胞所所处处的的内内、外外环环境境，以以及及细细胞胞内内所所存存在在的的转录转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。1.1.特异特异DNADNA序列和调节蛋白质序列和调节蛋白质现在学习的是第18页，共86页原核生物原核生物 蛋白质因子蛋白质因子 操纵子操纵子(operon)(operon)机制机制特异特异DNADNA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)(promoter)(operator)(operator)现在学习的是第19页，共86页是是RNARNA聚合酶结合并
13、启动转录的特聚合酶结合并启动转录的特异异DNADNA序列。序列。1)1)启动序列启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAra BADTTGACATATAAT共有序列共有序列现在学习的是第20页，共86页共共有有序序列列(consensus(consensus sequence)sequence)决决定定启启动动序序列的转录活性大小。列的转录活性大小。某某些些特特异异因因子
14、子（蛋蛋白白质质）决决定定RNARNA聚聚合合酶酶对对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。现在学习的是第21页，共86页阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)(repressor)的结合位点的结合位点当当操操纵纵序序列列结结合合有有阻阻遏遏蛋蛋白白时时，会会阻阻碍碍RNARNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，或或是是RNARNA聚聚合合酶酶不不能能沿沿DNADNA向前移动向前移动 ，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polpol阻遏蛋白阻遏蛋白2 2 操纵序列操纵序列 现在学习的是第22页，共86
15、页3)3)其他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白例如例如激激活活蛋蛋白白(activator)(activator)可可结结合合启启动动序序列列邻邻近近的的DNADNA序序列列，促促进进RNARNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，增增强强RNARNA聚合酶活性。聚合酶活性。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol激活蛋白激活蛋白现在学习的是第23页，共86页有有些些基基因因在在没没有有激激活活蛋蛋白白存存在在时时，RNARNA聚聚合合酶很少或完全不能结合启动序列。酶很少或完全不能结合启动序列。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol激
16、活蛋白激活蛋白现在学习的是第24页，共86页真核生物真核生物1)1)顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)(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DNADNA序列序列 顺式作用元件并非都位于转录起始点的上游顺式作用元件并非都位于转录起始点的上游(5(5端端)启动子启动子 增强子增强子 沉默子沉默子RNA聚合酶聚合酶BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点mRNARNA聚合酶聚合酶BADNA转录起始点转录起始点mRNA现在学习的是第25页，共86页顺式作用元件通常是基因的非编码序列。顺式作用元件通常是基因的非编码序列
17、。不不同同真真核核生生物物的的顺顺式式作作用用元元件件中中也也会会发发现现一一些些共共有有序序列列 ，如如TATATATA盒盒、CAATCAAT盒盒等等，这这些些共共有有序序列列是是RNARNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。聚合酶或特异转录因子的结合位点。现在学习的是第26页，共86页2)2)真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白由由某某一一基基因因表表达达产产生生的的蛋蛋白白质质因因子子，通通过过与与另另一一基基因因的的特特异异的的顺顺式式作作用用元元件件相相互互作作用用，调调节节其其表表达。达。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)(trans-acting f
18、actor)这种调节作用称为这种调节作用称为反式作用反式作用。aDNA反式调节反式调节BAmRNA蛋白质蛋白质AA现在学习的是第27页，共86页cDNAC顺式调节顺式调节mRNAC蛋白质蛋白质C还还有有蛋蛋白白质质因因子子可可特特异异识识别别、结结合合自自身身基基因因的的调调节节序序列列，调调节节自自身身基基因因的的表表达达，称称顺式作用顺式作用。现在学习的是第28页，共86页指指的的是是反反式式作作用用因因子子与与顺顺式式作作用用元元件件之之间间的的特特异异识识别别及及结结合合。通通常常是是非非共共价价结结合合，被被识识别的别的DNADNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。结合位点通常呈
19、对称、或不完全对称结构。2.DNA-2.DNA-蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质-蛋白质蛋白质的相互作用的相互作用现在学习的是第29页，共86页DNA-binding protein can facilitate interaction between DNA-binding proteins at a distance现在学习的是第30页，共86页绝绝大大多多数数调调节节蛋蛋白白质质结结合合DNADNA前前，需需通通过过蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作作用用，形形成成二二聚聚体体(dimer)(dimer)或或多多聚聚体体(polymer)(polymer)。（。（同质或异质同质或异质）也也有有
20、的的是是在在结结合合DNADNA前前，需需要要蛋蛋白白质质与与蛋蛋白白质质之之间间的解聚过程的解聚过程 真核生物中由于蛋白质因子真核生物中由于蛋白质因子的浓度等的不同，会造成不同细的浓度等的不同，会造成不同细胞中同一基因表达程度的不同胞中同一基因表达程度的不同现在学习的是第31页，共86页 Action at a Distance and DNA Looping.一些蛋白彼此相互作用，即使它们结合在DNA上的位点彼此分开现在学习的是第32页，共86页3.RNA3.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RNARNA聚合酶活性聚合酶活性 启动子有强弱只分。启动子有强
21、弱只分。真核的真核的RNA-polRNA-pol活性除与启动子序列有关，和转录活性除与启动子序列有关，和转录因子的存在与否有关因子的存在与否有关现在学习的是第33页，共86页 调节蛋白与调节蛋白与RNARNA聚合酶活性聚合酶活性启启动动序序列列决决定定基基础础转转录录频频率率，一一些些特特异异调调节节蛋蛋白白在在适适当当环环境境信信号号（如如诱诱导导剂剂和和阻阻遏遏剂剂等等）刺刺激激下下在在细细胞胞内内表表达达，然然后后通通过过DNA-DNA-蛋蛋白白质质、蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作作用用影影响响RNARNA聚聚合合酶酶活活性性，使使基基础础转转录录频频率发生变化，从而引起表达的变化
22、。率发生变化，从而引起表达的变化。热休克反应热休克反应细菌的细菌的RNARNA聚合酶聚合酶 7070 （启动常规基因表达）被（启动常规基因表达）被 3232取代，从而启动另一套基因的表达。取代，从而启动另一套基因的表达。现在学习的是第34页，共86页第第 二二 节节 原核基因转录调节原核基因转录调节Regulation of Prokaryotic Gene Transcription现在学习的是第35页，共86页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RNARNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性 只有一种只有
23、一种RNA-polRNA-pol，但是有很多种，但是有很多种因子因子（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性现在学习的是第36页，共86页 存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（子（operonoperon）调控模式，该模式也见于低等真核生物）调控模式，该模式也见于低等真核生物中。中。在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其表在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式称为达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式称为操纵子（
24、操纵子（operonoperon）操纵子操纵子现在学习的是第37页，共86页n典型的操典型的操纵子可分子可分为控制区和信息区控制区和信息区两部分。控两部分。控制区由各种制区由各种调控基因所控基因所组成，而信息区成，而信息区则由若干由若干结构基因串构基因串联在一起构成。在一起构成。操纵子的结构操纵子的结构现在学习的是第38页，共86页可诱导和可阻遏的操纵子可诱导和可阻遏的操纵子现在学习的是第39页，共86页二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子(lac operon)(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAPCAP结合位点结合位点启动序列启动序
25、列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y：透酶透酶A A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶Z ZY YA AO OP PDNADNA现在学习的是第40页，共86页mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二）阻遏蛋白的负性调节（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因现在学习的是第41页，共86页mRNA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现在学习的是第42页，共86页+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMPcAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有
26、葡萄糖，cAMPcAMP浓度低时浓度低时（三）（三）CAPCAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP现在学习的是第43页，共86页（四）协调调节（四）协调调节当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAPCAP对对该该系系统统不不能能发发挥作用；挥作用；如如无无CAPCAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列列结合，操纵子仍无转录活性。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；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，细细菌菌首首先利用葡萄糖。先利用葡
27、萄糖。葡葡萄萄糖糖对对 lac lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分分解解代代谢谢阻遏阻遏(catabolic repression)(catabolic repression)。现在学习的是第44页，共86页a.缺乏调节蛋白缺乏调节蛋白(操纵元件操纵元件)b.抑制转录抑制转录 c.激活转录激活转录现在学习的是第45页，共86页mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半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cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO现在学习的是第46页，共86页2 2）当无乳糖，有葡萄糖时：）当无乳糖，有葡萄糖时：1 1）无乳糖也无葡萄糖存在时：）
28、无乳糖也无葡萄糖存在时：OO总结：总结：所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭现在学习的是第47页，共86页3 3）既有乳糖，又有葡萄糖时：）既有乳糖，又有葡萄糖时：O4 4）有乳糖，无葡萄糖时：）有乳糖，无葡萄糖时：mRNARNA-polO所以：有乳糖时，只有没有葡萄糖，操纵子才开放所以：有乳糖时，只有没有葡萄糖，操纵子才开放 有葡有葡萄糖存在，操纵子关闭萄糖存在，操纵子关闭现在学习的是第48页，共86页三三、原核生物转录的终止调节原核生物转录的终止调节原核生物转录的终止：原核生物转录的终止：1 1）依赖于）依赖于RhoRho的转录终止的转录终止
29、2 2）不依赖于）不依赖于RhoRho的转录终止的转录终止形成发夹结构形成发夹结构 原核生物转录过程中可以通过形成相应的结原核生物转录过程中可以通过形成相应的结构，而使得转录提前终止，达到调节的目的，如构，而使得转录提前终止，达到调节的目的，如衰减衰减。如果要制止终止的发生，可以形成。如果要制止终止的发生，可以形成抗终止。抗终止。现在学习的是第49页，共86页衰减是转录衰减是转录-翻译的偶联调控翻译的偶联调控色色氨氨酸酸操操纵纵子子（trpoperon）除除了了产产物物阻阻遏遏负负调调控控外外，还还有有转转录录衰衰减减（attenuation）调调控控方方式。式。现在学习的是第50页，共86页
30、TrpTrp高时高时Trp低时低时mRNAOPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 色氨酸操纵子的作用原理色氨酸操纵子的作用原理操纵子关闭操纵子关闭现在学习的是第51页，共86页操纵子操纵子基础状态基础状态调控方式调控方式分解代谢分解代谢关闭关闭由由诱导物诱导物开放开放合成代谢合成代谢开放开放由由阻遏物阻遏物关闭关闭分解和合成代谢的操纵子分解和合成代谢的操纵子现在学习的是第52页，共86页TrpTrp高时高时Trp低时低时mRNAOPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 色氨酸操纵子的作用原理色氨酸操纵子的作用原理现在学习的是第53页
31、，共86页UUUUUUUU调节区调节区结构基因结构基因trpROP前导序列前导序列衰减子区域衰减子区域UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构第第10、11密码子为密码子为trp密码子密码子终止密码子终止密码子14aa前导肽编码区前导肽编码区:包含序列包含序列1形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱：序列序列1/2序列序列2/3序列序列3/4 trp 密码子密码子UUUU现在学习的是第54页，共86页UUUU34UUUU334核糖体核糖体前导肽前导肽前导前导mRNA当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时转录衰减机制转录衰减机制125 trp 密码子密码子衰减子结构衰减子结构就是终止子
32、就是终止子可使转录可使转录前导前导DNAUUUU3 RNA聚合酶聚合酶终止终止现在学习的是第55页，共86页UUUU342423UUUU核糖体核糖体前导肽前导肽15 trp 密码子密码子结构基因结构基因前导前导DNA RNA聚合酶聚合酶当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录序列序列3、4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构前导前导mRNA现在学习的是第56页，共86页四、原核生物翻译水平的调节四、原核生物翻译水平的调节n调节蛋白蛋白结合合mRNA靶位点，阻止核蛋白体靶位点，阻止核蛋白体识别翻翻译起始区，从而阻断翻起始区，从而阻断翻译n调节蛋白
33、一般作用于自身蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的，抑制自身的合成，称合成，称为自我控制自我控制调节的位点主要在翻译的起始阶段调节的位点主要在翻译的起始阶段1 1、蛋白质分子的自我调节、蛋白质分子的自我调节现在学习的是第57页，共86页这类操纵子有转录这类操纵子有转录-翻译偶联调控现象，称为翻译偶联调控现象，称为自我自我调节（调节（autogenouscontrol）。现在学习的是第58页，共86页n调节基因表达的基因表达的RNA，称，称为调节RNAn反反义RNA：细菌中的一种菌中的一种调节RNA,含有与特含有与特定定mRNA翻翻译的起始部位互的起始部位互补的序列，通的序列，通过与与mRNA
34、的的杂交阻断交阻断30S小小亚基基对AUG的的识别及及与与SD序列的序列的结合，抑制翻合，抑制翻译的起始的起始n反反义RNA的的调节作用，称作用，称为反反义控制控制2 2、反义、反义RNARNA对翻译的调节作用对翻译的调节作用现在学习的是第59页，共86页第 三 节 真核基因转录调节Regulation of Eukaryotic Gene Transcription现在学习的是第60页，共86页一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大（一）真核基因组结构庞大哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNA DNA 约约 3 10 3 10 9 9 碱基对碱基对编码基因编码基
35、因约约 有有 40000 40000 个，占总长的个，占总长的6%6%rDNArDNA等重复基因等重复基因约约 占占 5%5%10%10%现在学习的是第61页，共86页（二）单顺反子（二）单顺反子单顺反子单顺反子(monocistron)(monocistron)即即一一个个编编码码基基因因转转录录生生成成一一个个mRNAmRNA分分子子，经翻译生成一条多肽链。经翻译生成一条多肽链。（三）重复序列（三）重复序列（正向重复、反向重复）（正向重复、反向重复）单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（10106 6 次）次）中度重复序列（中度重复序列（10103 3
36、 10 104 4次）次）多拷贝序列多拷贝序列（四）基因不连续性（四）基因不连续性断裂基因断裂基因现在学习的是第62页，共86页内含子、启动子内含子、启动子假基因假基因基因片段基因片段非编码序列非编码序列 90编码序列编码序列10结构基因及其相关序列结构基因及其相关序列2030 SINEsLINEs卫星卫星DNA小卫星小卫星DNA微卫星微卫星DNA散在分布重复序列散在分布重复序列40串联重复序列串联重复序列60中中/高度重复序列高度重复序列2030 单单/低拷贝序列低拷贝序列7080 基因外基因外DNA7080人类基因组（人类基因组（3103109 9bpbp）结构组成）结构组成现在学习的是第
37、63页，共86页二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点（一）（一）RNARNA聚合酶聚合酶 真核生物中存在真核生物中存在RNA polRNA pol、三种不同的三种不同的RNARNA聚合酶，分别负责转录不同的聚合酶，分别负责转录不同的RNARNA。这些这些RNARNA聚合酶与相应的转录因子形成复合体，聚合酶与相应的转录因子形成复合体，从而激活或抑制该酶的催化活性。从而激活或抑制该酶的催化活性。现在学习的是第64页，共86页（二）活性染色体结构变化（二）活性染色体结构变化1.1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感活活化化基基因因常常有有超超敏敏位位点点，位位于于调调节节蛋蛋白白结结合位点附近。合
38、位点附近。2.DNA2.DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNADNA均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后基因活化后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现在学习的是第65页，共86页3.DNA3.DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNADNA约有约有5%5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。CpGCpG岛岛甲基化常发生在某些基因的甲基化常发生在某些基因的5 5侧翼区侧翼区的的CpGCpG序列序列现在学习的是第66页，共86页基因组印记Genomic imprinti
39、ng现在学习的是第67页，共86页4.4.组蛋白变化组蛋白变化 富含富含LysLys组蛋白水平降低组蛋白水平降低 H2A,H2BH2A,H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰（乙酰化、磷酸化和甲基化等）组蛋白修饰（乙酰化、磷酸化和甲基化等）H3H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露现在学习的是第68页，共86页（四）转录与翻译分隔进行（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工（五）转录后修饰、加工（三）正性调节占主导（三）正性调节占主导 真核基因基因组大，通过利用各种转录因子真核基因基因组大，通过利用各种转录因子正性激活正性激活RNARNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。聚合酶是
40、真核基因调控的主要机制。更精确，更经济更精确，更经济 转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位，转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位，可分别进行调控。可分别进行调控。现在学习的是第69页，共86页三、真核基因转录激活调节三、真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件（一）顺式作用元件1.1.启动子启动子真真核核基基因因启启动动子子是是RNARNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点周周围围的的一一组组转转录录控控制制组组件件，至至少少包包括括一一个个转录起始点转录起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件。TATATATA盒盒GCGC盒盒CAATCAAT盒盒现在学习的是第70页，共86页TAT
41、ATATA盒盒 转录因子转录因子TF-DTF-D结合位点结合位点典型的启动子：典型的启动子：CAATCAAT盒和（或）盒和（或）GCGC盒盒 TATATATA盒盒 转录起始点转录起始点最简单的启动子：最简单的启动子：TATATATA盒盒 转录起始点转录起始点但是，不是所有的启动子都有但是，不是所有的启动子都有TATATATA盒盒现在学习的是第71页，共86页2.2.增强子增强子(enhancer)(enhancer)指指远远离离转转录录起起始始点点、决决定定基基因因的的时时间间、空空间间特特异异性性、增增强强启启动动子子转转录录活活性性的的DNADNA序序列列，其其发发挥挥作作用的方式通常与方
42、向、距离无关。用的方式通常与方向、距离无关。在转录起始点在转录起始点5 5或或3 3侧均能起作用；侧均能起作用；相对于启动子的任一指向均能起作用；相对于启动子的任一指向均能起作用；发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；对异源性启动子也能发挥作用；对异源性启动子也能发挥作用；通常具有一些短的重复顺序。通常具有一些短的重复顺序。特点特点现在学习的是第72页，共86页3.3.沉默子沉默子(silencer)(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋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。白因子时，对基因转录起阻遏作用
43、。现在学习的是第73页，共86页n同一同一DNA序列可被不同蛋白序列可被不同蛋白质识别n同一蛋白同一蛋白质因子可与多种不同因子可与多种不同DNADNA序列序列发生生联系，少数是直接系，少数是直接结合，多数是蛋白合，多数是蛋白质-蛋白蛋白质相互作用后再影响相互作用后再影响DNA。n蛋白蛋白质-蛋白蛋白质或或DNA-蛋白蛋白质的的结合，均合，均导致构象上的微致构象上的微细变化，构象化，构象变化常是化常是实现调控功能的分子基控功能的分子基础。n反式作用因子在自身生物合成反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可程中，有相当大的可变性和可塑性和可塑性。性。（二）反式作用因子（二）反式作用因子 现在
44、学习的是第74页，共86页1.1.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）基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)(general transcription factors)是是RNARNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组蛋蛋白白因因子子，决定三种决定三种RNA(mRNARNA(mRNA、tRNAtRNA及及rRNA)rRNA)转录的类别。转录的类别。个个别别因因子子，如如TFDTFD为为通通用用的的，大大部部分分转转录录调调节因子为不同节因子为不同RNARNA聚合酶特有，决定转录的类别聚合酶特有，决定
45、转录的类别 现在学习的是第75页，共86页特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)(special transcription factors)能能够够选选择择性性调调控控某某种种或或某某些些基基因因转转录录表表达达的的蛋蛋白白质质因因子子称称为为特特异异性性转转录录因因子子.为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定该该基基因因的的时时间间、空空间间特特异异性表达。性表达。转录激活因子（转录激活因子（如增强子的结合蛋白如增强子的结合蛋白)转录抑制因子转录抑制因子(如沉默子的结合蛋白，或是与其他如沉默子的结合蛋白，或是与其他因子结合，抑制转
46、录的蛋白质）因子结合，抑制转录的蛋白质）现在学习的是第76页，共86页2.2.转录调节因子结构转录调节因子结构DNADNA结合域结合域转录激活域转录激活域TFTF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现在学习的是第77页，共86页最常见的最常见的DNADNA结合域结合域 1.1.锌指锌指(zinc finger)(zinc finger)CCysHHis常结合常结合GCGC盒盒一个单位以指部伸入一个单位以指部伸入DNADNA双螺双螺旋的深沟，接触旋的深沟，接触5 5 个核苷酸。个核苷酸。现在
47、学习的是第78页，共86页ZnCysHis现在学习的是第79页，共86页 2.-2.-螺旋螺旋常结合常结合CAATCAAT盒盒现在学习的是第80页，共86页 3.3.亮氨酸拉链亮氨酸拉链现在学习的是第81页，共86页（三）（三）mRNA mRNA 转录激活及其调节转录激活及其调节polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核真核RNARNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，形成的转录起在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物始复合物TATADNATBPTBP相关因子相关因子现在学习的是第82页，共86页真核基因转录调节是真核基因转录调节是复杂的、多样的复杂的、多样的*不不同同的的DNAD
48、NA元元件件组组合合可可产产生生多多种种类类型型的的转转录录调调节节方式；方式；*多种转录因子又可结合相同或不同的多种转录因子又可结合相同或不同的DNADNA元件。元件。*转转录录因因子子与与DNADNA元元件件结结合合后后，对对转转录录激激活活过过程程所所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。现在学习的是第83页，共86页（四）小分子（四）小分子RNARNA微小微小RNA（miRNA):由发夹状由发夹状单链单链RNA前体经前体经Dicer酶剪切形成的酶剪切形成的与其他蛋白一起构成与其他蛋白一起构成RISC（RNA诱导诱导的沉默复合体），与的沉默复
49、合体），与mRNA3-非翻译区非翻译区结合，一直翻译结合，一直翻译现在学习的是第84页，共86页siRNA是细胞内的是细胞内的双链双链RNA，在特定条件下酶，在特定条件下酶切成特定长度（切成特定长度（21-23bp）含特定序列的小片段）含特定序列的小片段RNA,参与参与RICS组成，组成，与靶与靶mRNA特异性识别特异性识别结合，结合，导致靶导致靶mRNA降降解解，从而阻断翻译，从而阻断翻译现在学习的是第85页，共86页siRNA片段解旋成单链片段解旋成单链RNA，然后单链，然后单链RNA和蛋白结合形成和蛋白结合形成RNA诱导的诱导的沉默复合物（沉默复合物（RNA-InducedSilencingComplex，RISC）。）。RISC然后和与短然后和与短siRNA互补的内源互补的内源mRNA结合。如果这种结合具结合。如果这种结合具有特异性，那么内源有特异性，那么内源mRNA就会被内切酶切割成不具翻译功能的无意义就会被内切酶切割成不具翻译功能的无意义的的RNA片段。但如果结合不具特异性，片段。但如果结合不具特异性，RISC复合物就黏附在复合物就黏附在mRNA上，从而阻止核糖体在内源上，从而阻止核糖体在内源mRNA上的移动和翻译，最终导致不能合成任上的移动和翻译，最终导致不能合成任何蛋白。何蛋白。现在学习的是第86页，共86页