《基因表达调控》课件.ppt

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1、Regulation of Gene Expression 第七章第七章基因表达调控基因表达调控生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材染色体贮存着决定生物性状的全部基因染色体贮存着决定生物性状的全部基因 染色体染色纤维核小体组蛋白DNA生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 生物体内基因表达的开启、关闭以及表达的强度受特定机制的调控，基因表达的调控是生物在长期进化过程中逐渐形成的精确而灵敏的生存能力和应变能力，在机体适应环境、维持自身的生长和增殖、维持个体发育与分化等方面均具有重要的生物学意义。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材第一节第一节基因表达

2、调控的基本原理基因表达调控的基本原理生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材*基因（基因（genegene）负责编码负责编码RNARNA或一条多肽链的或一条多肽链的 DNADNA片段，包括编码序列、编码序列外片段，包括编码序列、编码序列外 的侧翼序列及插入序列。的侧翼序列及插入序列。（一）基因表达的概念（一）基因表达的概念一、概一、概 述述生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材*基因组（基因组（genomegenome）一个细胞或病毒所一个细胞或病毒所 携带的全部遗传信息或整套基因。携带的全部遗传信息或整套基因。基因经过转录、翻译，产生具有特异生物基因经过转录、翻译，

3、产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。学功能的蛋白质分子的过程。*基因表达基因表达（geneexpresiongeneexpresion）基因表达是受调控的基因表达是受调控的生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材（二）基因表达的特性（二）基因表达的特性时间特异性时间特异性 按功能需要，某一特定基因的表达严按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。格按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又多细胞生物基因表达的时间特异性又称称阶段特异性阶段特异性。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材空间特异性空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的这

4、种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定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异细胞或组织特异性性。在个体生长全过程，某种基因产物在个在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现。体按不同组织空间顺序出现。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材（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：组成性表达组成性表达 无论表达水平高低，管家基因无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影较少受环境因素影响响，而是在

5、个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组，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。区别于其他基因，这类织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为基因表达被视为组成性表达组成性表达。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,通常被称为通常被称为管家基因管家基因（housekeeping gene)生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，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，这种基因称为基因表达产物增加，这种基因

6、称为可诱导基因可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为称为诱导诱导（induction）。如果基因如果基因表达表达对环境信号应答是被抑制，这对环境信号应答是被抑制，这种基因是种基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物降低的。可阻遏基因表达产物降低的过程称为过程称为阻遏（阻遏（repression）。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 在一定机制控制下，功能上相关的一组在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为致、共同表达，即为协调表达

7、协调表达 （coordinate expression）。）。这种调节称为协调调节这种调节称为协调调节（coordinate regulation）生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材（四）基因表达调控的生物学意义（四）基因表达调控的生物学意义 1.1.适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖 2.2.维持个体发育与分化维持个体发育与分化生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材二、基因表达调控的多层次和复杂性二、基因表达调控的多层次和复杂性基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因基因激活激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

8、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生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 基因表达的调节与基因表达的调节与基因基因的结构、性质，的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外生物个体或细胞所处的内、外环境环境，以及细，以及细胞内所存在的转录胞内所存在的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材三、基因转录起始调节的因素三、基因转录起始调节的因素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)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

9、节序列其他调节序列(promoter)(operator)生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材（一）（一）特异特异DNA序列序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecA araBAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列：RNARNA聚合酶结合并启动转录的特聚合酶结合并启动转录的特异异DNADNA序列序列启动序列启动序列生物化学生物化学护理学专业本科教材护理

10、学专业本科教材 共有序列（共有序列（DNA）决定启动序列的转决定启动序列的转录活性大小。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聚聚合合酶酶对对一一个个或或一一套套启启动动序序列列的的特特异异性性识识别别和结合能力。和结合能力。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白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 聚合酶不能沿聚合酶不能沿DNA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

11、纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材其他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白 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列的结合，增强序列的结合，增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时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。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材真核生物真核生物顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)-可影

12、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。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白 还还有有些些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。由由某某一

13、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顺顺式式作作用用元元件件相相互互作作用用，调调节其表达。节其表达。(trans-acting element)反式作用因子反式作用因子 这种作用称为这种作用称为反式作用反式作用 生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材CDNAADNA反式调节反式调节c顺式调节顺式调节mRNAc蛋白质蛋白质B BBa mRNA 蛋白质蛋白质A Aa生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 被识别的被识别的DNA结合位点通常呈对称、或结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。不完全对称结构。绝大多数调节蛋白质结

14、合绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通前，需通过蛋白质过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体。聚体。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生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材RNARNA聚合酶聚合酶1.1.原核启动序列原核启动序列 /真核启动子真核启动子 RNA聚合酶与其的亲和力聚合酶与其的亲和力,影响转录。影响转录。2.调节蛋白调节蛋白 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-蛋白质相互作用影响蛋白质相互作用影响RNA聚

15、合酶活性。聚合酶活性。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材第二节第二节原核基因转录的调节系统原核基因转录的调节系统生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材-调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始原核基因转录调节特点原核基因转录调节特点因子决定因子决定RNA 聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材特点：特点：一、乳糖操纵子一、乳糖操纵子(一一)乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操

16、纵序列操纵序列结构基因结构基因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生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材CAP第一次出现应有注明第一次出现应有注明mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时(二二)阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材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生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材+转录转录无葡

17、萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时(三三)CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材(四四)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对该系统不能对该系统不能发挥作用；发挥作用；如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。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；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若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时乳糖

18、共同存在时,细菌首先细菌首先利用葡萄糖。利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 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 repressioncatabolic repression）。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材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生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材二、色氨酸操纵子二、色氨酸操纵子(一一)色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学

19、专业本科教材(二二)转录衰减转录衰减trptrp 高时高时trp 低时低时mRNAOPI调节区调节区结构基因结构基因前导肽前导肽衰减子衰减子 色氨酸操纵子色氨酸操纵子生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材衰减子结构衰减子结构 (attenuator)核糖体核糖体新生肽链新生肽链mRNADNA1234UUUU 3 1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 trp 密码子密码子转录衰减机制转录衰减机制:5生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材12345核糖体核糖体2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材SOS反应反应 SOS基

20、因基因紫外线紫外线激活激活Rec ALex A阻遏蛋白阻遏蛋白 与与DNA 损伤修复损伤修复有关的酶和蛋白质有关的酶和蛋白质基因基因表达表达Lex A阻遏蛋白阻遏蛋白操纵序列操纵序列DNA三三 其他转录调控方式其他转录调控方式生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材基因重组基因重组H2鞭毛素鞭毛素阻遏蛋白阻遏蛋白Hin重组酶重组酶转位片段转位片段hinH2IH1H1鞭毛素鞭毛素沙沙门门菌菌鞭鞭毛毛素素基基因因的的调调节节hinH2IDNA启动序列启动序列H1启动序列启动序列生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材第三节第三节真核基因转录的调节系统真核基因转录的调节系统生

21、物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材一、真核生物基因组结构的特点一、真核生物基因组结构的特点(一一)真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大9哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNA 约约 3 10 碱基对碱基对编码基因编码基因约约 rDNA等重复基因等重复基因约约 占占 5%10%生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材(二二)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。(三三)重复序列重复序列单拷贝序列单拷贝序列（一次或数次一次或数次）高度重复序列高度重复序

22、列（10 次次）6中度重复序列中度重复序列（10 10 次次）4 3多拷贝序列多拷贝序列(四四)基因不连续性基因不连续性生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材二、二、真核基因表达调控特点真核基因表达调控特点(一一)RNA聚合酶聚合酶(二二)活性染色体结构变化活性染色体结构变化1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感 活化基因常有超敏位点，位于调节活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。蛋白结合位点附近。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材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；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后，基因活化后，RNA-pol

23、正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核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。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材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 组蛋白修饰组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露(三三)正性调节占主导正性调节占主导(四四)转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行(五五)转录或修饰、加工转录或修饰、加工生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材三、

24、三、真核基因转录起始调节真核基因转录起始调节(一一)顺式作用元件顺式作用元件1.启动子启动子 真真核核基基因因启启动动子子是是RNA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转录录起起始始点点以以及及一一个个以以上上的的功能组件功能组件TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材2.增强子增强子（enhancer）指远离转录起始点、决定基因的时指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性间、空间特异性、增强启动子转录活性的的DNA序列。序列。3.沉默子沉默子（silencer）

25、某些基因的负性调节元件，当其结某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。作用。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材(二二)反式作用因子反式作用因子 1.转录调节因子分类转录调节因子分类（按功能特性按功能特性）*基本转录因子基本转录因子 是是RNA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质质因因子子，决决定定三三种种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材*特异转录因子特异转录因子 为个别基因转录所必需，决定该为个别基因

26、转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材2.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生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材最常见的最常见的DNA结合域：结合域：1.锌指锌指（zinc finger）C CysH His常结合常结合GC盒盒生物化学生物化学护理学专业本科教材护理

27、学专业本科教材123表示锌离子表示锌离子生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 2.-螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材(三三)mRNA 转录激活及其调节转录激活及其调节polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP 真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物帮助下，形成的转录起始复合物TATA DNATBP相关因子相关因子生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材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：*不同的不同的DNA元件组合可产生多种类型的转元件组合可产生多种类型的转录调节方式；录调节方式；*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DNA元件。元件。*转转录录因因子子与与DNA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产生生的的效效果果各各异异，有有正正性性调调节节或或负负性性调调节之分。节之分。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材