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1、关于基因表达关于基因表达调控控(4)第1页，讲稿共77张，创作于星期日2主主 要要 内内 容容概概 述述1原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控2真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控3小小 结结4第2页，讲稿共77张，创作于星期日3教教 学学 要要 求求【教学课时教学课时】4 学时学时【掌握内容掌握内容】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。反式作用因子。【熟悉内容熟悉内容】原核生物基因转录调节特点
2、；真核生物基因组结构特点；真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。核生物基因表达调节特点。【了解内容了解内容】基因表达的方式；其他转录调节机制。基因表达的方式；其他转录调节机制。第3页，讲稿共77张，创作于星期日4第一节第一节 概概 述述Basic Conceptions of Gene Expression Regulation第4页，讲稿共77张，创作于星期日5 基因组基因组(genome)是指来自一个生物体的一整套遗是指来自一个生物体的一整套遗传物质。传物质。基因基因(gene)是遗传的基本单位，是负载着特定遗传信息的是遗传的基本单位，是负载着特定遗
3、传信息的DNA片段，编码具有生物学功能的多肽链或片段，编码具有生物学功能的多肽链或RNA。第5页，讲稿共77张，创作于星期日6 基因表达基因表达(gene expression)是是指基因转录及翻译的过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程。而对上述过程的调节与控制就是基因表达调控基因表达调控（control of gene expression）一、基因表达的特异性一、基因表达的特异性时间特异性时间特异性空间特异性空间特异性第6页，讲稿共77张，创作于星期日7（一）时间特异性（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按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的
4、时间顺序发生，称之为基因表达的间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性时间特异性(temporal specificity)。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)。第7页，讲稿共77张，创作于星期日8（二）空间特异性（二）空间特异性基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的，所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞特特异异性性(cell specificity)或或组织特异性组织特异性(tissu
5、e 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体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，称称之之为为基基因因表表达达的的空空间间特特异异性性(spatial specificity)。第8页，讲稿共77张，创作于星期日9二、基因表达调控的方式二、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，这就是一定的特异性，这就是基因表达调控基因表达调控(regulatio
6、n of gene expression)。第9页，讲稿共77张，创作于星期日10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：基本（或组成性）表达基本（或组成性）表达诱导表达和阻遏表达诱导表达和阻遏表达协调表达协调表达第10页，讲稿共77张，创作于星期日11（一）基本（或组成性）表达（一）基本（或组成性）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表达达，通常被称为通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。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
7、在在个个体体各各个个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。管管家家基基因因的的这这种种表表达达方方式式称称为为组组成成性性表达表达(constitutive expression)。第11页，讲稿共77张，创作于星期日12（二）诱导表达和阻遏表达（二）诱导表达和阻遏表达有有些些基基因因的的表表达达受受环环境境信信号号的的刺刺激激而而开开放放或或增增强强，基基因因表表达达产产 物物 水水 平平 升升 高高，这这 一一 过过 程程 称称 为为 诱诱 导导 表表 达达(induction expression)。相相反反，有有些些基基
8、因因的的表表达达受受环环境境信信号号的的刺刺激激而而关关闭闭或或减减弱弱，基基因因表表达达产产物物水水平平下下降降，这这一一过过程程称称为为阻阻遏遏表表达达(repression expression)。第12页，讲稿共77张，创作于星期日13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 expression)，这这种种调调控控方方式式称称为为协协调调调调控控(coordinate regulation)。（三）协同表达（三）协同表
9、达第13页，讲稿共77张，创作于星期日14三、基因表达调控的生物学意义三、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（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。白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。第14页，讲稿共77张，创作于星期日15（二）维持细胞分化与个体发育（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，或同一生长发育在多细胞个体生长、
10、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大阶段，不同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。差异，这些差异是调节细胞表型的关键。第15页，讲稿共77张，创作于星期日16四、基因表达的多级调控四、基因表达的多级调控激活激活转录起始转录起始翻译后加工翻译后加工 蛋白质降解蛋白质降解 翻译翻译成熟成熟mRNA基因基因肽链肽链转录后加工转录后加工mRNA降解降解初级转录初级转录产物产物功能蛋白功能蛋白转录转录后加工后加工翻译翻译后修饰后修饰转运转运核苷酸核苷酸降解降解氨基酸氨基酸降解降解第16页，讲稿共77张，创作于星期
11、日17 2010-42010-4Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering第17页，讲稿共77张，创作于星期日18五、基因转录激活调节基本要素五、基因转录激活调节基本要素基基因因表表达达的的调调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转录的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。（一）特异（一）特异DNA序列和调节蛋白质序列和调节蛋白质第18页，讲稿共77张，创作于星期日19原核生物原核生物 蛋白质因子蛋白质因子 操纵子操纵
12、子(operon)机制机制特异特异DNA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)(operator)第19页，讲稿共77张，创作于星期日是是RNA聚合酶结合并启动转录聚合酶结合并启动转录的特异的特异DNA序列。序列。1)启动序列启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAA
13、T共有序列共有序列第20页，讲稿共77张，创作于星期日21共共有有序序列列(consensus sequence)决决定定启启动动序列的转录活性大小。序列的转录活性大小。某某些些特特异异因因子子（蛋蛋白白质质）决决定定RNA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。第21页，讲稿共77张，创作于星期日222 操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(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RNA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RNA聚聚合合酶酶不不能能沿沿
14、DNA向向前前移移动动，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阻遏蛋白阻遏蛋白第22页，讲稿共77张，创作于星期日233)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)可可结结合合启启动动序序列列邻邻近近的的DNA序序列列，促促进进RNA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RNA聚聚合合酶酶活性。活性。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，RNA聚聚合合酶酶很很少少或或完完全不能结合启动序列。全不能结合启动序列。第23页，讲稿共77张，创作于星期日24真核生物真核生物1)顺式
15、作用元件顺式作用元件(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DNA序列序列BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点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TATA盒盒、CAAT盒盒等等，这这些些共共有有序序列列是是RNA聚聚合酶或特异转录因子的结合位点。合酶或特异转录因子的结合位点。第24页，讲稿共77张，创作于星期日252)真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白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序列，调节自身基因的表达，称节序列，
16、调节自身基因的表达，称顺式作用顺式作用。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)这种调节作用称为这种调节作用称为反式作用反式作用。第25页，讲稿共77张，创作于星期日cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CBA mRNA蛋白质蛋白质AA第26页，讲稿共77张，创作于星期日27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
17、别别及及结结合合。通通常常是是非非共共价价结结合合，被被识识别别的的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。绝绝大大多多数数调调节节蛋蛋白白质质结结合合DNA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)或或多多聚聚体体(polymer)。（二）（二）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第27页，讲稿共77张，创作于星期日28（三）（三）RNA聚合酶聚合酶1)原核启动序列原核启动序列/真核启动子与真核启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性 RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。
18、聚合酶与其的亲和力，影响转录。2)调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性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刺刺激激下下表表达达，然然后后通通过过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RNA聚聚合合酶酶活性。活性。第28页，讲稿共77张，创作于星期日29第二节第二节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控Regulation of Gene Expression in Prokaryote 第29页，讲稿共77张，创作于星期日30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、原核生物基因表达调控的特点一、原核生物
19、基因表达调控的特点（一）（一）因子决定转录的特异性因子决定转录的特异性 在在转转录录起起始始阶阶段段，因因子子识识别别特特异异启启动动序序列列；不不同同的的因因子子可可以以竞竞争争结结合合核核心心酶酶决决定定特特异异基基因因的的转转录录激激活活，决定决定mRNA、rRNA和和tRNA基因的转录。基因的转录。第30页，讲稿共77张，创作于星期日31（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性 操操纵纵子子(operon)是是原原核核生生物物绝绝大大多多数数基基因因的的转转录录单单位位，由由启动子、操纵基因和一组结构基因组成。启动子、操纵基因和一组结构基因组成。一一个个操操纵纵子子只只含含一一
20、个个启启动动序序列列及及数数个个可可转转录录的的编编码码基基因因。通通常常，这这些些编编码码基基因因可可转转录录出出多多顺顺反反子子mRNA(polycistronic mRNA)。原原核核基基因因的的协协调调表表达达就就是是通通过过调调控控单单个个启启动动基基因因的的活活性性来来完完成的。成的。第31页，讲稿共77张，创作于星期日32（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 原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的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
21、阻遏。聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。第32页，讲稿共77张，创作于星期日33二、原核生物基因表达调控的基本要素二、原核生物基因表达调控的基本要素 RNA聚合酶聚合酶 调控序列调控序列 调控蛋白调控蛋白第33页，讲稿共77张，创作于星期日34调控序列调控序列主要指具有调节功能的特异主要指具有调节功能的特异DNA序列序列原核生物原核生物操纵子调控机制。操纵子调控机制。1.启动序列启动序列 RNA聚合酶结合并启动转录。聚合酶结合并启动转录。2.操纵序列操纵序列与启动序列毗邻，其与启动序列毗邻，其DNA序列常与启动序列交错、序列常与启动序列交错、重叠，它是原核阻遏蛋白的结合位点重叠，它是原核阻
22、遏蛋白的结合位点介导负性调节。介导负性调节。3.其他调节序列：结合激活蛋白其他调节序列：结合激活蛋白介导正性调节。介导正性调节。第34页，讲稿共77张，创作于星期日35调控蛋白调控蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白分为三类：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35页，讲稿共77张，创作
23、于星期日36（一）乳糖操纵子的结构（一）乳糖操纵子的结构 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ZYAOPDNA三、乳糖操纵子三、乳糖操纵子(lac operon)I 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调节基因调节基因I I 编码阻遏编码阻遏PrPr第36页，讲稿共77张，创作于星期日37（二）乳糖操纵子的阻遏调控（二）乳糖操纵子的阻遏调控-可诱导调控可诱导调控无乳糖存在时无乳糖存在时有乳糖存在时有乳糖存在时半乳糖与阻遏物结合半乳糖与阻遏物结合阻遏物变构阻遏物变构阻遏物不能结合操纵基因阻遏物不能结合操纵基因转转录进行
24、录进行基因开放基因开放阻遏物结合在操纵基因上阻遏物结合在操纵基因上阻止阻止转录过程转录过程基因关闭基因关闭第37页，讲稿共77张，创作于星期日38mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时调节基因调节基因第38页，讲稿共77张，创作于星期日39mRNA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第39页，讲稿共77张，创作于星期日40（三）乳糖操纵子的激活调控（三）乳糖操纵子的激活调控-CAP正性调节正性调节CAP是同二聚体是同二聚体CAP是激活蛋白，包含是激活蛋白，包含DN
25、A结合域和结合域和cAMP结合域结合域CAP+cAMP 复合物复合物结合在结合在CAP位点上位点上促进促进RNA pol向前移动向前移动促转录促转录 乳糖操纵子是弱启动子，被乳糖操纵子是弱启动子，被乳糖操纵子是弱启动子，被乳糖操纵子是弱启动子，被RNA-polRNA-pol结合后，还需结合后，还需cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化。（分解代谢物基因活化蛋白）活化。（分解代谢物基因活化蛋白）活化。（分解代谢物基因活化蛋白）活化。第40页，讲稿共77张，创作于星期日41+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，有葡萄糖，cAMPcAMP浓度低时浓度低时ZY
26、AOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第41页，讲稿共77张，创作于星期日42 有葡萄糖存在时，有葡萄糖存在时，cAMPcAMP-CAP形成复合物形成复合物，不能，不能结合结合CAP位点上位点上正调控作用正调控作用乳糖操纵子不能表达。（虽然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）有乳糖存在，乳糖操纵子不开放基因）无葡萄糖存在时，无葡萄糖存在时，cAMPcAMP-CAP形成复合物形成复合物正正调控作用调控作用 基因表达。基因表达。当有葡萄糖存在时，当有葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，浓度降低，cAMP与与CAP结合受结合受阻，因此阻，因此lac操纵子表达下降。操纵子
27、表达下降。Q:葡萄糖、乳糖同时存在时，先利用葡萄糖、乳糖同时存在时，先利用?第42页，讲稿共77张，创作于星期日43mRNA低乳糖低乳糖高乳糖高乳糖 葡萄糖低葡萄糖低 cAMPcAMP浓度高浓度高浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高葡萄糖高葡萄糖高cAMPcAMP浓度低浓度低浓度低浓度低RNA-polRNA-polOOOO无转录无转录无转录无转录无转录无转录无转录无转录低水平转录低水平转录低水平转录低水平转录第43页，讲稿共77张，创作于星期日44协调调节协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用。对该系统不能发挥作用。如如无无CAP存存在在，即即使使没没有有阻阻
28、遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列列结结合合，操操纵子仍无转录活性。纵子仍无转录活性。单单纯纯乳乳糖糖存存在在时时，细细菌菌利利用用乳乳糖糖作作碳碳源源；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，细细菌菌首首先先利利用用葡葡萄萄糖糖。葡葡萄萄糖糖对对lac操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏分解代谢阻遏(catabolic repression)。第44页，讲稿共77张，创作于星期日45第三节第三节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控Regulation of Gene Expression in Eukaryote 第45页，讲稿共77张，创作于星
29、期日46一、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 哺乳类动物基因组哺乳类动物基因组DNA 约约 3109碱基对。碱基对。人编码基因人编码基因约约4万个，编码序列仅占总长的万个，编码序列仅占总长的1%。rDNA等重复基因等重复基因约占约占5%10%。第46页，讲稿共77张，创作于星期日47（二）真核基因转录产物为单顺反子（二）真核基因转录产物为单顺反子mRNA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链。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
30、序列（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）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（106 次）次）中度重复序列（中度重复序列（103 105次）次）多拷贝序列多拷贝序列第47页，讲稿共77张，创作于星期日48 真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往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往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含子内含子(intron)、外显子、外显子(exon)之分，因此真核基因是不连续的。之分，因此真核基因是不连续的。（四）真核基因是断裂基因，编码序列是不连续的（四）真核基因是断裂基因，
31、编码序列是不连续的第48页，讲稿共77张，创作于星期日49二、真核基因表达调控的特点二、真核基因表达调控的特点（一）真核细胞内含有多种（一）真核细胞内含有多种RNA聚合酶聚合酶真核真核RNA聚合酶有三种，即聚合酶有三种，即RNA pol I、II及及 III，分别负责三种分别负责三种RNA转录。转录。转录起始仍是最基本环节转录起始仍是最基本环节第49页，讲稿共77张，创作于星期日50（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化 对核酸酶敏感对核酸酶敏感 DNA拓扑结构变化拓扑结构变化 DNA碱基修饰变化碱基修饰变化 组蛋白变化组蛋白变化第50页，
32、讲稿共77张，创作于星期日511.对核酸酶敏感对核酸酶敏感2.DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活均以负性超螺旋构象存在；基因活化后化后: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活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。点附近。第51页，讲稿共77张，创作于星期日523.DNA碱基的甲基化修饰变化碱基的甲基化修饰变化真核真核DNA约有约有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,处于转录活处于转录活化状态的基因化状态的基因Cp
33、G序列一般是低甲基化序列一般是低甲基化4.组蛋白变化组蛋白变化富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低H2AH2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加组蛋白组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰第52页，讲稿共77张，创作于星期日53（三）以正性调节占主导（三）以正性调节占主导采用正性调节机制更精确采用正性调节机制更精确：一个负性调节元件的结合足可：一个负性调节元件的结合足可阻断阻断RNA聚合酶的结合，因此同时采用几个负性调节元件聚合酶的结合，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、一般不会改变特异性；相反，如果采
34、用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。正性调节蛋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采用负性调节不经济：在正性调节中，大多数基因不结：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。活蛋白时，相关靶基因即可被激活。第53页，讲稿共77张，创作于星期日54（四）在真核细胞中转录与翻译分隔进行（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（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，转录与翻译在真核细胞
35、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，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。转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。第54页，讲稿共77张，创作于星期日55三、三、RNA Pol I和和Pol III转录体系的调节相对简单转录体系的调节相对简单（一）（一）RNA Pol I转录体系转录体系RNA Pol I的转录产物只有的转录产物只有rRNA前体，经剪接修饰生成前体，经剪接修饰生成除除5S rRNA外的各种外的各种rRNA。启动子元件包括：启动子元件包括：核心元件核心元件(co
36、re element)或或核心启动核心启动子子(core promoter)和和上游控制元件上游控制元件(upstream control element,UCE)。第55页，讲稿共77张，创作于星期日56（二）（二）RNA Pol III转录体系转录体系RNA Pol III的转录产物：多种小分子的转录产物：多种小分子RNA，包括，包括tRNA、5S rRNA和一部分小核和一部分小核RNA。启动子位于转录起始点下游，称启动子位于转录起始点下游，称内部控制区内部控制区(internal control regions,ICR)。第56页，讲稿共77张，创作于星期日57（一）真核基因顺式作用元件
37、影响基因转录活性（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性四、四、RNA Pol II转录起始的调节非常复杂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录的DNA序列序列。包括包括启动子启动子(promoter)启动转录所必需启动转录所必需 增强子增强子(enhancer)起正性调控作用起正性调控作用 沉默子沉默子(silencer)起负性调控作用起负性调控作用 第57页，讲稿共77张，创作于星期日58 启动子启动子 定义定义 指指RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一聚合酶结合位点周围的一组转
38、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。个转录起始点以及一个以上的功能组件。特点特点n 核心启动子：核心启动子：TATA盒盒；由；由TATA盒及转录起始点即可构成最简盒及转录起始点即可构成最简单的启动子单的启动子n CAAT盒、盒、GC盒盒非必需非必需n 上游活化序列，由其它序列代替此两种序列。上游活化序列，由其它序列代替此两种序列。第58页，讲稿共77张，创作于星期日5953-80 -110-70 -80-25 -30CGboxCAATboxTATAboxTATA:控制转录的精确起始。控制转录的精确起始。CAATCG控制转录起始频率控制转录起始频率第59页，讲稿共77张，创
39、作于星期日60CCAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒转录起始点转录起始点高等真核生物高等真核生物上游激活序上游激活序列（列（UAS）TATA盒盒转录起始点转录起始点酵母酵母真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构第60页，讲稿共77张，创作于星期日61 定义定义 远离转录起始点远离转录起始点(130Kb)，决定基因的时间、空间特异性，决定基因的时间、空间特异性表达，增强启动子转录活性的表达，增强启动子转录活性的DNA序列。序列。特点特点远距离作用、无严格专一性（一种增强子可增强不同类型的启动子）、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）、没有方向性没有方向性 从功能上讲
40、，没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没从功能上讲，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。有启动子时，增强子也无法发挥作用。增强子增强子第61页，讲稿共77张，创作于星期日62 定义定义 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。负性调控序列。特点特点 其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。沉默子沉默子第62页，讲稿共77张，创作于星期日63 指与指与DNA调控序列相互作用的因子调控序列相互作用的因子，本质是蛋白，本质是蛋白质，也称
41、质，也称调控蛋白调控蛋白。通常与顺式作用元件结合而影响转录，。通常与顺式作用元件结合而影响转录，故又称故又称转录因子转录因子。（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录 调控蛋白调控蛋白第63页，讲稿共77张，创作于星期日64按功能分类按功能分类基本转录因子：基本转录因子：RNA聚合酶与启动子结合所必需的一组蛋白因聚合酶与启动子结合所必需的一组蛋白因子子特异转录因子：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。包括间、空间特异性表达。包括转录调节因子转录调节因子和和共调节因子共调节因子 转录激活
42、因子：转录激活因子：与增强子结合与增强子结合转录抑制因子：转录抑制因子：与与沉默子结合沉默子结合第64页，讲稿共77张，创作于星期日65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第65页，讲稿共77张，创作于星期日66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盒盒第66页，讲稿共77张，创作于星期日672.a-螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒碱性螺旋碱性
43、螺旋-环环-螺旋螺旋碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链 第67页，讲稿共77张，创作于星期日68（三）（三）mRNA转录激活需要转录起始复合物的形成转录激活需要转录起始复合物的形成真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，形成转录起在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。始复合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP图图13-9 转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成 第68页，讲稿共77张，创作于星期日69五、转录后水平的调节也是基因表达调控的五、转录后水平的调节也是基因表达调控的重要环节重要环节（一）（一）hnRNA加工成熟的调节加工成熟的调节（二
44、）（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节运输、胞浆内稳定性的调节加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。等。通过与蛋白质结合形成通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物核蛋白体复合物(ribonucleoprotein,RNP)进行。进行。第69页，讲稿共77张，创作于星期日70六、基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可六、基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节以受到调节（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸 化修饰进行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蛋白质合成速率的快速
45、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（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）的活性对起始阶段有重要的控制作用。用。第70页，讲稿共77张，创作于星期日71（二）（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节结合蛋白参与了对翻译起始的调节RNA结合蛋白（结合蛋白（RNA binding protein,RBP），是指那些能），是指那些能够与够与RNA特异序列结合的蛋白质。特异序列结合的蛋白质。基因表达的许多调节环节都有基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如前述转录终止、的参与，如
46、前述转录终止、RNA剪接、剪接、RNA转运、转运、RNA胞浆内稳定性控制以及翻译起胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。始等。第71页，讲稿共77张，创作于星期日72（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速 调控基因表达调控基因表达新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素因素。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。平。许多蛋白质需要在合成后
47、经过特定的修饰才具有功能活许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。式。第72页，讲稿共77张，创作于星期日73是一大家族小分子非编码单链是一大家族小分子非编码单链RNA，长度约，长度约2025个个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为碱基，由一段具有发夹环结构，长度为7090个碱基的单链个碱基的单链RNA 前体前体(pre-miRNA)经经Dicer酶剪切后形成。酶剪切后形成。（四
48、）小分子（四）小分子RNA对基因表达的调节十分复杂对基因表达的调节十分复杂1微小微小RNA(microRNA,miRNA)第73页，讲稿共77张，创作于星期日74其长度一般为其长度一般为2025个碱基；个碱基；在不同生物体中普遍存在；在不同生物体中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。基因组中，大多位于基因间隔区。nmiRNA的特点：的特点：第74
49、页，讲稿共77张，创作于星期日75是是细细胞胞内内一一类类双双链链RNA(double-stranded RNA，dsRNA)在在特特定定情情况况下下通通过过一一定定酶酶切切机机制制，转转变变为为具具有有特特定定长长度度(2123个个碱碱基基)和特定序列的小片段和特定序列的小片段RNA。双双链链siRNA参参与与RISC（RNA诱诱导导的的沉沉默默复复合合体体）组组成成，与与特特异异的的靶靶mRNA完全互补结合，导致靶完全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。降解，阻断翻译过程。由由siRNA介介 导导 的的 基基 因因 表表 达达 抑抑 制制 作作 用用 被被 称称 为为RNA干干 涉涉(RNA interference，RNAi)。2小干扰小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)第75页，讲稿共77张，创作于星期日RNA干干扰扰机机制制第76页，讲稿共77张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第77页，讲稿共77张，创作于星期日