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1、基因表达与基因表达调控基因表达与基因表达调控第五章第五章12/21/202212/21/20221 1第一节第一节 基因表达的过程和特点基因表达的过程和特点第二节第二节 环境对基因表达的影响环境对基因表达的影响第三节第三节 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控第四节第四节 真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控第五节第五节 基因表达调控异常与疾病基因表达调控异常与疾病12/21/202212/21/20222 2基因表达（基因表达（gene expression）是指基因所贮存的遗传信息通过转录是指基因所贮存的遗传信息通过转录（transcription）和翻译（和翻译（tran
2、slation）产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程 12/21/202212/21/20223 3第一节第一节基因表达的过程和特点基因表达的过程和特点 一、基因的转录一、基因的转录RNA的合成的合成 二、蛋白质的生物合成二、蛋白质的生物合成翻译翻译12/21/202212/21/20224 4复制和转录的区别复制和转录的区别模板模板原料原料酶酶产物产物配对配对两股链均复制两股链均复制模板链转录模板链转录dNTPNTPDNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶子代双链子代双链DNAmRNA,tRNA,rRNAA-T,G-CA-U,C-A,G-C复复 制制 转转 录
3、录12/21/202212/21/20225 5复制和转录的比较复制和转录的比较 多核苷酸链的合成方向都是多核苷酸链的合成方向都是53 在在3-OH末端与加入的核苷酸形成磷酸二酯键末端与加入的核苷酸形成磷酸二酯键不同点不同点类似点类似点 对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因的转录都受到相对独立的控制而且每个基因的转录都受到相对独立的控制 转录是不对称的转录是不对称的 转录时不需要引物转录时不需要引物 RNA链的合成是连续的链的合成是连续的12/21/202212/21/20226 6 定义定义转录是以转录是以DNA为模板合成为模板
4、合成RNA的过程的过程mRNA、tRNA、rRNA、小小分子分子RNA 转录产物转录产物一、基因的转录一、基因的转录12/21/202212/21/20227 7 1.转录的转录的体系体系 原核细胞原核细胞 全酶（全酶（holoenzyme）2真核细胞真核细胞 RNA聚合酶聚合酶I RNA聚合酶聚合酶II RNA聚合酶聚合酶III 模板模板DNA 原料原料ATP、CTP、GTP、UTP RNA聚合酶聚合酶（一）基因转录的基本方式（一）基因转录的基本方式12/21/202212/21/20228 8结构基因结构基因结构基因结构基因模板链，有意义链，模板链，有意义链，Waston 链链编码链，反意
5、义链，编码链，反意义链，编码链，反意义链，编码链，反意义链，Crick Crick 链链链链5335RNA合成中的合成中的 DNA模板模板12/21/202212/21/20229 9E.coli RNA聚合酶全酶聚合酶全酶(holoenzyme)的结构的结构 决定被转录的基因决定被转录的基因识别转录起始点识别转录起始点结合结合DNA模板模板与与转录全过程有关转录全过程有关核心酶核心酶12/21/202212/21/20221010 RNA-pol I 核仁核仁 45S-rRNA 不敏感不敏感 RNA-pol II 核质核质 hnRNA 低浓度敏感低浓度敏感RNA-pol III 核质核质 5
6、S-rRNA,tRNA,snRNA 高浓度敏感高浓度敏感Mt RNA-pol 线粒体线粒体 线粒体线粒体RNAs 不敏感不敏感 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶种类种类 细胞内定位细胞内定位 转录产物转录产物 对抑制剂鹅膏对抑制剂鹅膏 蕈碱反应蕈碱反应12/21/202212/21/20221111(二二)转录的过程转录的过程 1.起始起始原核细胞原核细胞RNA聚合酶与启动子相互作用聚合酶与启动子相互作用真核细胞真核细胞RNA聚合酶、反式作用因子与顺聚合酶、反式作用因子与顺式元件相互作用式元件相互作用拼板理论拼板理论12/21/202212/21/20221212DNA原核生物启动子原核
7、生物启动子5335TTGACATATAAT10bp15bp Start of transcriptionPribnowPribnow box boxRNA polymerase-35区区-10区区+1+112/21/202212/21/20221313DNA5335真核生物启动子真核生物启动子 Start of transcription TATA10bpTATA boxHogness boxCCAATGCGCCAAT boxGC box -70区区 -25区区 +1 RNA polymerase12/21/202212/21/20221414 2.延伸延伸核心酶催化核心酶催化 磷酸化的磷酸化
8、的RNARNA聚合酶催聚合酶催化，核小体解聚化，核小体解聚原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞12/21/202212/21/202215153.终止终止原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞结合富含结合富含C的的RNA区段，发区段，发挥挥ATP酶及解螺旋酶活性酶及解螺旋酶活性 转录终止的修饰点处切离并加尾转录终止的修饰点处切离并加尾转录终止的修饰点处切离并加尾转录终止的修饰点处切离并加尾依赖依赖因子因子不依赖不依赖因子因子RNA 3 端形成茎环结构端形成茎环结构12/21/202212/21/20221616RNA-RNA-polpol5 5 33 DNADNARNARNA polyCpolyC因子和
9、因子和因子和因子和RNARNA转录产物结合转录产物结合转录产物结合转录产物结合RNARNA聚合酶构象改变引起转录终止聚合酶构象改变引起转录终止聚合酶构象改变引起转录终止聚合酶构象改变引起转录终止12/21/202212/21/20221717（三）转录后加工（三）转录后加工原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞tRNAtRNA和和和和rRNArRNA需加工，需加工，需加工，需加工，mRNAmRNA不需加工不需加工不需加工不需加工tRNAtRNA、rRNArRNA和和和和mRNAmRNA均需加工均需加工均需加工均需加工1.原核细胞和真核细胞的差异原核细胞和真核细胞的差异12/21/202212/21/
10、202218182.真核生物真核生物mRNA的转录后加工的转录后加工 5 端加帽端加帽转录未终止时加入转录未终止时加入m7G5ppp，与稳与稳定定mRNA及翻译起始有关及翻译起始有关5pppG5pGppi5GpppGpppG pi甲基化酶甲基化酶mGpppG磷酸酶磷酸酶CH312/21/202212/21/20221919核酸酶核酸酶 poly(A)3-OH引入引入100-200bp A真核基因真核基因3端端AATAA切除切除3尾尾1025碱基碱基3 端加尾端加尾加尾信号处切离加尾信号处切离,并加并加poly(A)，与稳与稳定定mRNA及翻译效率有关及翻译效率有关12/21/202212/21
11、/20222020 剪接（剪接（splicing）由小分子细胞核内核蛋白颗粒由小分子细胞核内核蛋白颗粒（snRNP）去除核不均一去除核不均一RNA（hnRNA）中的内含子转录序列中的内含子转录序列12/21/202212/21/20222121 通过不同剪接方式选择性使用外显子，合成功通过不同剪接方式选择性使用外显子，合成功能不同而结构只有微小差异的蛋白质能不同而结构只有微小差异的蛋白质选择性剪接选择性剪接12/21/202212/21/20222222 RNA编辑编辑（RNA editing）RNA编辑是对编辑是对mRNA前前体的序列进行的改编，在体的序列进行的改编，在mRNA前体分子的碱基
12、序列前体分子的碱基序列中中 C被被U取代，取代，A被被G取代，取代，使成熟使成熟mRNA的序列与基因的序列与基因组组DNA序列不同序列不同12/21/202212/21/20222323成熟成熟mRNA蛋白质蛋白质细胞核细胞核细胞质细胞质3.真核生物成熟真核生物成熟mRNA的运输的运输信使核糖核蛋白颗粒信使核糖核蛋白颗粒(mRNP)12/21/202212/21/20222424二、蛋白质的生物合成二、蛋白质的生物合成翻译翻译 以特定核苷酸序列的以特定核苷酸序列的mRNA为模板，合成相应为模板，合成相应氨基酸序列的多肽链，即将带有遗传信息的核苷氨基酸序列的多肽链，即将带有遗传信息的核苷酸顺序转
13、换为氨基酸顺序的过程酸顺序转换为氨基酸顺序的过程 组成蛋白质的氨基酸由其特定的组成蛋白质的氨基酸由其特定的tRNA携带和携带和转运，在核蛋白体上按照模板转运，在核蛋白体上按照模板mRNA所提供的编所提供的编码信息合成具有特定序列的多肽链码信息合成具有特定序列的多肽链12/21/202212/21/20222525 (一一)翻译的体系翻译的体系(二二)翻译的基本过程翻译的基本过程(三三)肽链翻译后的加工修饰肽链翻译后的加工修饰(四四)蛋白质的分拣与转运蛋白质的分拣与转运 12/21/202212/21/20222626(一一)翻译的体系翻译的体系 模板模板 mRNA 氨基酸运输氨基酸运输 tRN
14、A肽链合成场所肽链合成场所 核糖体（核糖体（rRNA+蛋白质）蛋白质）蛋白质因子蛋白质因子 起始、延长、终止因子起始、延长、终止因子原料原料 20种有遗传密码的氨基酸种有遗传密码的氨基酸12/21/202212/21/20222727 模板模板 mRNA mRNA是翻译的直接模板是翻译的直接模板 mRNA的寿命一般较短的寿命一般较短 编码单个蛋白或多个蛋白编码单个蛋白或多个蛋白 mRNA具有方向性，从具有方向性，从5端到端到3端。端。对应肽链从氨基端到羧基端对应肽链从氨基端到羧基端 3个核苷酸构成个核苷酸构成1个密码子，指令氨基酸个密码子，指令氨基酸12/21/202212/21/202228
15、28 连续性连续性 简并性简并性 通用性通用性 摆动性摆动性 方向性方向性密码子特点密码子特点遗传密码表遗传密码表12/21/202212/21/20222929由氨基酰由氨基酰-tRNA合成酶催化与氨合成酶催化与氨基酸的连接基酸的连接 氨基酸运输氨基酸运输 tRNAT C 环环反密码子反密码子氨基酸臂氨基酸臂额外环额外环(可变的可变的)DHU 环环具有绝对专一具有绝对专一性和校正功能性和校正功能运输氨基酸运输氨基酸12/21/202212/21/20223030肽链合成场所肽链合成场所 核糖体（核糖体（rRNA+蛋白质）蛋白质）原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞30S:16S rRNA和和21
16、种蛋白质种蛋白质50S:5S、23S rRNA和和34种蛋白质）种蛋白质）40 40S:18SS:18S rRNA和和和和3333种蛋白质种蛋白质种蛋白质种蛋白质 60 60S:5SS:5S、5.8S5.8S、23S23S rRNA和和和和4949种种种种 蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质70S80S12/21/202212/21/20223131 蛋白质因子蛋白质因子 名称名称原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞IF1,IF2,IF3eIFn(10余种余种)延长因子延长因子EFTu,EFTs,EFGEF1(,),EF2释放因子释放因子RF1,RF2,RF3eRF起始因子起始因子12/21/202212/
17、21/20223232 原料原料 20种有遗传密码的氨基酸种有遗传密码的氨基酸原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞起始氨基酸为起始氨基酸为N-甲酰蛋氨酸甲酰蛋氨酸 （密码子（密码子AUG、GUG、UUG）起始氨基酸为蛋氨酸（密码子起始氨基酸为蛋氨酸（密码子AUG）12/21/202212/21/20223333氨基酸氨基酸+ATP+tRNA氨基酰氨基酰tRNA+AMP+PPi氨基酸的活化与转运氨基酸的活化与转运氨基酰氨基酰tRNA的表示方法的表示方法ala-ala-tRNAtRNAalaalamet-met-tRNAtRNAe emetmetargarg-tRNAtRNAargargmet-met
18、-tRNAtRNAi imet met 真核细胞起始用蛋氨酰真核细胞起始用蛋氨酰tRNA真核细胞延伸用蛋氨酰真核细胞延伸用蛋氨酰tRNAfmetfmet-tRNAitRNAimetmet 原核细胞延伸用甲酰蛋氨酰原核细胞延伸用甲酰蛋氨酰tRNA12/21/202212/21/202234341.一种氨基酸可由一种氨基酸可由一种氨基酸可由一种氨基酸可由2-62-6种种种种tRNAtRNA特异地运载特异地运载特异地运载特异地运载2.tRNAtRNA的总数（的总数（的总数（的总数（40-5040-50）大于氨基酸的数目）大于氨基酸的数目）大于氨基酸的数目）大于氨基酸的数目3.氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰
19、tRNAtRNA合成酶具有高度特异性（副密码子）合成酶具有高度特异性（副密码子）合成酶具有高度特异性（副密码子）合成酶具有高度特异性（副密码子）4.氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰tRNAtRNA合成酶具有校读活性合成酶具有校读活性合成酶具有校读活性合成酶具有校读活性5.真核生物携带蛋氨酸的真核生物携带蛋氨酸的真核生物携带蛋氨酸的真核生物携带蛋氨酸的tRNAtRNA有两种，分别为有两种，分别为有两种，分别为有两种，分别为tRNAtRNAi imetmet和和和和tRNAtRNAe emetmet6.原原原原核生物核生物核生物核生物AUGAUG只能辨认甲酰化的蛋氨酸只能辨认甲酰化的蛋氨酸只能辨认甲酰化的
20、蛋氨酸只能辨认甲酰化的蛋氨酸氨基酸的活化与转运特点氨基酸的活化与转运特点12/21/202212/21/20223535 （二）（二）翻译的基本过程翻译的基本过程1.起始起始 形成翻译起始复合物形成翻译起始复合物2.延长延长 指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位3.终止终止 原核细胞原核细胞 RF1,RF2识别终止密码，识别终止密码，RF3激活转激活转 肽酶释放肽链肽酶释放肽链 真核细胞真核细胞 eRF同时具有上述功能同时具有上述功能12/21/202212/21/20223636大小亚基的拆分大小亚基的拆分大小亚基的拆分大小亚基的拆分mRNAmRNA与与与
21、与小亚基结合小亚基结合小亚基结合小亚基结合fmetfmet-tRNAtRNA的结合的结合的结合的结合核糖体大亚基结合核糖体大亚基结合核糖体大亚基结合核糖体大亚基结合翻译起始复合物形成过程翻译起始复合物形成过程1.起始起始12/21/202212/21/2022373730SmRNAfMettRNAfmetGTPIF2 IF3IF1+mRNA70S核糖体核糖体+IF3+IF1 30S小亚基小亚基IF3 IF1+50S大亚基大亚基fMet tRNAfmet+GTP+IF2 fMettRNAfmetIF2GTP+50SIF2IF1IF3 GDP70SmRNAfMettRNAfmet70S 起始复合物
22、的形成起始复合物的形成12/21/202212/21/202238381.特异的起始特异的起始tRNA2.mRNA有有5端帽子结构和端帽子结构和3 尾巴。尾巴。2种帽子结合种帽子结合 蛋白（蛋白（CBP）参与参与mRNA与核蛋白体小亚基结合与核蛋白体小亚基结合3.起始阶段起始阶段,eIF2与与met-tRNA及及GTP结合形成复结合形成复 合物，合物，eIF2是翻译所必须的因子是翻译所必须的因子真核生物翻译起始真核生物翻译起始12/21/202212/21/2022393940S Met tRNAimet GTP80S核蛋白体核蛋白体+eIF3 40S小亚基小亚基eIF3+60S大亚基大亚基M
23、ettRNAimet+GTP+e+eIFIF2 2 MettRNAfmeteIF2GTP80S Met tRNAfmet mRNA80S 起始复合物起始复合物40S mRNA Met tRNAimet GTPeIF4CeIF4C+mRNAeIF4A,4B,4E,4FeIF4A,4B,4E,4F+60SeIF2,3,4C,5eIF2,3,4C,5eIF4DeIF4D80S 起始复合物的形成起始复合物的形成12/21/202212/21/202240402.延长延长进位、成肽和转位三个阶段进位、成肽和转位三个阶段核核糖糖体体循循环环P P位：给位或肽位位：给位或肽位位：给位或肽位位：给位或肽位 D
24、onor site or Donor site or P Peptidyleptidyl site siteA A位：受位或氨基酰位位：受位或氨基酰位位：受位或氨基酰位位：受位或氨基酰位 Acceptor site or Acceptor site or A Aminoacylminoacyl site site进位进位成肽成肽转位转位核糖体小亚基核糖体小亚基PAmRNAA U G U U A G G U C C C A A C A G C A U CU A C核糖体大亚基核糖体大亚基tRNAA A UtRNA蛋蛋亮亮PAmRNAA U G U U C G G U C C C A A C A
25、G C A U CU A C A A G蛋蛋亮亮PAmRNAA U G U U C G G U C C C A A C A G C A U CA A G亮亮蛋蛋12/21/202212/21/202241413.终止终止释放因子（释放因子（RF）辨认终止码辨认终止码RF3激活转肽酶，催化激活转肽酶，催化P位上的肽与位上的肽与tRNA解离解离在在释放因子（释放因子（RR）的作用下，的作用下，tRNA，mRNA和和RF从核糖体上解离，在从核糖体上解离，在IF的作用下核糖体自的作用下核糖体自身分解为大小亚基。身分解为大小亚基。12/21/202212/21/20224242（三）肽链翻译后的加工修饰
26、（三）肽链翻译后的加工修饰 1.一级结构修饰一级结构修饰 去掉去掉N-甲酰基、甲酰基、N-蛋氨酸或蛋氨酸或N端序列端序列 个别氨基酸的修饰（羟化、磷酸化、个别氨基酸的修饰（羟化、磷酸化、形成形成-S-S-等）等）多蛋白（多蛋白（polyprotein）的水解修饰的水解修饰12/21/202212/21/202243432.空间结构修饰空间结构修饰 折叠成天然构象折叠成天然构象 分子伴侣（分子伴侣（molecular chaperon）帮助新生多帮助新生多 肽链折叠成高级结构的一类蛋白质肽链折叠成高级结构的一类蛋白质 亚基聚合亚基聚合 辅基的结合（如糖基化等）辅基的结合（如糖基化等）12/21/
27、202212/21/20224444(四四)蛋白质的分拣与转运蛋白质的分拣与转运 1.分拣（分拣（sorting）分拣信号分拣信号蛋白质的一级结构或高级结构中存在被分配到目的地的信息蛋白质的一级结构或高级结构中存在被分配到目的地的信息蛋白质的一级结构或高级结构中存在被分配到目的地的信息蛋白质的一级结构或高级结构中存在被分配到目的地的信息细胞核：细胞核：核定位信号（富含碱性氨基酸）核定位信号（富含碱性氨基酸）各种细胞器：各种细胞器：细胞器定位信号细胞器定位信号 分泌至细胞外：分泌至细胞外：信号肽（信号肽（signal peptide）碱性氨基酸疏水氨基酸剪切位点碱性氨基酸疏水氨基酸剪切位点12/
28、21/202212/21/20224545 翻译转运同步（如多数分泌性蛋白）翻译转运同步（如多数分泌性蛋白）翻译后转运（如核翻译后转运（如核DNA编码的线粒体蛋白）编码的线粒体蛋白）2.转运转运靶向运输靶向运输分泌至胞外分泌至胞外留在胞浆内留在胞浆内进入核内或进入核内或其他细胞器其他细胞器穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质为分泌性蛋白蛋白质为分泌性蛋白12/21/202212/21/20224646蛋白质合成的调节蛋白质合成的调节四环素类，抑制原核氨基四环素类，抑制原核氨基酰酰tRNA与核糖体结合与核糖体结合氯霉素类，阻断延长，原核氯霉素类，阻断延长
29、，原核链霉素类，改变构象，原核链霉素类，改变构象，原核嘌呤霉素，竞争抑制酪嘌呤霉素，竞争抑制酪氨酰氨酰tRNA,原核真核原核真核放线菌酮，放线菌酮，抑制转肽酶，真核抑制转肽酶，真核12/21/202212/21/20224747抑制蛋白质合成的生物活性物质抑制蛋白质合成的生物活性物质1.白喉毒素白喉毒素(DT)：对对EF2进行修饰而失活进行修饰而失活2.干扰素干扰素(IF)：-IF,-IF,-IF3.诱导并激活一种蛋白激酶，使诱导并激活一种蛋白激酶，使eIF2磷酸化磷酸化而失活而失活,使病毒蛋白的合成受到抑制；此外，使病毒蛋白的合成受到抑制；此外，还可诱导产生一种还可诱导产生一种RNA内切酶，
30、破坏病毒内切酶，破坏病毒RNA12/21/202212/21/20224848第二节第二节 环境对基因表达的影响环境对基因表达的影响 一、外环境因素对基因表达的影响一、外环境因素对基因表达的影响二、基因表达时空调控二、基因表达时空调控三、基因表达调控的基本原理三、基因表达调控的基本原理 12/21/202212/21/20224949一、外环境因素对基因表达的影响一、外环境因素对基因表达的影响 原核生物基因表达原核生物基因表达 环境压力形成了特殊的表达方式环境压力形成了特殊的表达方式 该表达方式对环境有高度适应性应变能力该表达方式对环境有高度适应性应变能力 12/21/202212/21/20
31、225050 大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源，葡萄大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源，葡萄糖、乳糖、果糖等等糖、乳糖、果糖等等 但大肠杆菌优先利用葡萄糖。当环境中的但大肠杆菌优先利用葡萄糖。当环境中的葡萄糖缺乏时，开始利用乳糖或其它糖。葡萄糖缺乏时，开始利用乳糖或其它糖。1960年，法国科学家年，法国科学家Jacob-Monod提出提出操操纵元模型纵元模型 乳糖操纵元（乳糖操纵元（Lactose Operon)12/21/202212/21/20225151 乳糖操纵子乳糖操纵子 组成组成结构基因（结构基因（z、y、a ）调控元件（启动子，操纵基因）调控元件（启动子，操纵基因）调控方式调控方式葡萄
32、糖充足时，阻遏物与操纵基因结合葡萄糖充足时，阻遏物与操纵基因结合,阻碍阻碍RNA聚聚合酶对下游三个结构基因的转录合酶对下游三个结构基因的转录 葡萄糖不足时，利用乳糖去阻遏物葡萄糖不足时，利用乳糖去阻遏物,允许允许RNA聚合聚合酶对下游三个结构基因的转录。酶对下游三个结构基因的转录。12/21/202212/21/20225252大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子(lac operon)的调节的调节12/21/202212/21/20225353真核生物基因表达真核生物基因表达 外环境比原核生物优越外环境比原核生物优越 主要受内环境变化的影响主要受内环境变化的影响 (有些细胞的基因表达也会受到
33、环境变化的影响有些细胞的基因表达也会受到环境变化的影响)12/21/202212/21/20225454二、基因表达的时空调控二、基因表达的时空调控调控对象调控对象可调节基因（可调节基因（regulated gene），），是特是特定时空条件下特异性表达的基因定时空条件下特异性表达的基因调控特点调控特点阶段特异性（时间特异性）阶段特异性（时间特异性）组织特异性（空间特异性）组织特异性（空间特异性）生物学意义生物学意义分化与发育分化与发育适应环境适应环境12/21/202212/21/20225555 多细胞生物不同组织细胞中的基因组是相同的多细胞生物不同组织细胞中的基因组是相同的 不同细胞表达
34、不同基因不同细胞表达不同基因 同一细胞不同的发育阶段，表达不同基因同一细胞不同的发育阶段，表达不同基因 同一种细胞中不同基因表达水平不同同一种细胞中不同基因表达水平不同 丰富丰富mRNA(高高丰度丰度)稀少稀少mRNA(低低丰度丰度)基因差异表达特征基因差异表达特征基因差异表达是多细胞生物进化的结果基因差异表达是多细胞生物进化的结果,是细胞活动分工的基础是细胞活动分工的基础12/21/202212/21/20225656三、基因表达调控的基本原理三、基因表达调控的基本原理基因表达调控的环节基因表达调控的环节基因转录的调控基因转录的调控蛋白质合成的调控蛋白质合成的调控12/21/202212/2
35、1/20225757DNA元件元件原核生物：原核生物：启动序列、操纵序列启动序列、操纵序列 真核生物：真核生物：启动子、增强子、抑制子启动子、增强子、抑制子 顺式作用元件顺式作用元件特异特异DNA序列序列 基因表达调控的因素基因表达调控的因素蛋白分子蛋白分子真核生物：真核生物：转录因子转录因子 原核生物原核生物：RNA聚合酶特异因子、聚合酶特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白阻遏蛋白、激活蛋白转录因子转录因子反式作用因子反式作用因子基本转录因子基本转录因子增强子结合因子增强子结合因子抑制子结合因子抑制子结合因子12/21/202212/21/20225858第三节第三节 原核生物基因表达的调控原核生物
36、基因表达的调控 特点特点 转录与翻译紧密偶联转录与翻译紧密偶联操纵子是主要调节机制操纵子是主要调节机制多顺反子多顺反子mRNA阻遏蛋白介导的负性调节为主阻遏蛋白介导的负性调节为主转录起始是调节的关键转录起始是调节的关键12/21/202212/21/20225959调节层次调节层次 转录水平调节转录水平调节 起始调节是关键起始调节是关键 依靠操纵子依靠操纵子(operonoperon)与阻遏蛋白与阻遏蛋白(负负)、激活蛋、激活蛋 白白(正正)的相互作用的相互作用12/21/202212/21/20226060阻遏蛋白对大肠杆菌乳糖操纵子的负调节阻遏蛋白对大肠杆菌乳糖操纵子的负调节12/21/2
37、02212/21/20226161激活蛋白对阿拉伯糖启动子的正调节激活蛋白对阿拉伯糖启动子的正调节 无阿拉伯糖时，无阿拉伯糖时，AraC同二聚体同二聚体与与O2和和I1结合，结合，BAD基因不发生基因不发生转录转录 有阿拉伯糖时，有阿拉伯糖时，AraC用另一种用另一种方式形成二聚体方式形成二聚体与与I1和和I2结合，结合，从而激活从而激活BAD基基因转录因转录12/21/202212/21/20226262转录终止调节转录终止调节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子trp operon依赖依赖因子或者依赖转录产物因子或者依赖转录产物3 端发夹结构，端发夹结构，使转录过早终止，称为衰减（使转录过早终止，称
38、为衰减（attenuation）12/21/202212/21/20226363有色氨酸时，转录过有色氨酸时，转录过早终止，只生成先导早终止，只生成先导mRNA色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trp operon）表达的衰减表达的衰减缺色氨酸时，缺色氨酸时，转录完全，生转录完全，生成全长成全长mRNA12/21/202212/21/20226464翻译调节翻译调节 稀有密码子对翻译影响稀有密码子对翻译影响 主要影响翻译的速度主要影响翻译的速度 mRNA的的5端或端或3端形成发夹结构，可防止被外切酶水端形成发夹结构，可防止被外切酶水解，延长其寿命解，延长其寿命 翻译阻遏翻译阻遏反义反义RNA（ant
39、isense RNA）阻碍核糖体与靶阻碍核糖体与靶mRNA结合结合 mRNA稳定性对翻译的影响稳定性对翻译的影响 调节蛋白竞争调节蛋白竞争mRNA的核糖体结合位点的核糖体结合位点12/21/202212/21/20226565第四节第四节 真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控一、转录前的调控一、转录前的调控二、二、真核基因转录激活调节真核基因转录激活调节三、三、翻译水平的调控翻译水平的调控12/21/202212/21/20226666真核生物转录调控的环节真核生物转录调控的环节转录起始转录起始转录后修饰转录后修饰染色质结构染色质结构转录起始复合物转录起始复合物剪接剪接加帽、加尾加帽、
40、加尾出核转运出核转运12/21/202212/21/20226767真核基因结构特点真核基因结构特点单顺反子单顺反子重复序列重复序列断裂基因断裂基因真核基因转录特点真核基因转录特点染色体结构变化染色体结构变化正向调节正向调节转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行12/21/202212/21/20226868调控元件多而复杂，不同的基因调控元件组调控元件多而复杂，不同的基因调控元件组合不同，构成它特有的组合模式合不同，构成它特有的组合模式不同的基因转录除需要普通转录因子与不同的基因转录除需要普通转录因子与RNA 聚合酶作用外，还需要特异转录因子聚合酶作用外，还需要特异转录因子特异转录因子与增强子
41、，沉默子等结合，决特异转录因子与增强子，沉默子等结合，决定基因表达的特异性定基因表达的特异性基因转录调控中始终体现基因转录调控中始终体现DNA与蛋白质、蛋与蛋白质、蛋白质与蛋白质的相互作用白质与蛋白质的相互作用真核生物基因转录调控特点真核生物基因转录调控特点12/21/202212/21/20226969一、转录前的调控一、转录前的调控 特点特点 多层次调控多层次调控(正性调节为主正性调节为主)核小体结构松弛、缺失核小体结构松弛、缺失核小体结构松弛、缺失核小体结构松弛、缺失对核酸酶敏感对核酸酶敏感对核酸酶敏感对核酸酶敏感CpGCpG岛低甲基化岛低甲基化岛低甲基化岛低甲基化组蛋白乙酰化（组蛋白乙
42、酰化（组蛋白乙酰化（组蛋白乙酰化（HH1 1缺失）缺失）缺失）缺失）转录活跃区域的特点转录活跃区域的特点12/21/202212/21/20227070组蛋白的乙酰化和甲基化组蛋白的乙酰化和甲基化DNA的甲基化的甲基化与其他蛋白的相互作用与其他蛋白的相互作用转录前调控的方式转录前调控的方式转录复合物不能进入致密染色质转录复合物不能进入致密染色质 高致密度的染色质高致密度的染色质(heterochromatin)不能转录不能转录染色质的致密程度依赖于染色质的致密程度依赖于12/21/202212/21/20227171属翻译后修饰属翻译后修饰Acetyl group(CH3COO)共价与组蛋白的
43、碱共价与组蛋白的碱性氨基酸结合性氨基酸结合中和正电荷中和正电荷消除组蛋白与消除组蛋白与DNA的离子键结合的离子键结合松弛染色质松弛染色质活化转录活化转录组蛋白乙酰化的作用组蛋白乙酰化的作用12/21/202212/21/20227272二、真核基因转录调节二、真核基因转录调节顺式作用元件顺式作用元件反式作用因子反式作用因子顺式作用元件和反式作用因子的相顺式作用元件和反式作用因子的相互作用决定基因是否转录互作用决定基因是否转录12/21/202212/21/20227373DNA结构中蕴藏着调控序列结构中蕴藏着调控序列顺式作用元件与基因表达顺式作用元件与基因表达ciscis-acting ele
44、ment-acting element 真核细胞编码蛋白质的基因中存在一真核细胞编码蛋白质的基因中存在一些参与基因转录调控的非编码区域些参与基因转录调控的非编码区域12/21/202212/21/20227474100300 bp位置灵活位置灵活是否发挥作用取决组织细胞是否存在特异是否发挥作用取决组织细胞是否存在特异转录因子转录因子增强子增强子 位于转录起始上下游的位于转录起始上下游的DNA元件。与特异转录因元件。与特异转录因子结合后增强启动子活性，决定基因表达时空性子结合后增强启动子活性，决定基因表达时空性12/21/202212/21/20227575 沉默子（沉默子（silencer)结
45、合特异转录因子后抑制启动子的活性，结合特异转录因子后抑制启动子的活性，一般属于负调控元件一般属于负调控元件 主要取决于特异转录因子的作用主要取决于特异转录因子的作用12/21/202212/21/20227676 反应元件（反应元件（response element)举例举例 热休克反应元件热休克反应元件-HSE 糖皮质激素反应元件糖皮质激素反应元件-GRE 金属离子反应元件金属离子反应元件-MRE TPA反应元件反应元件-TRE 低氧诱导低氧诱导 因子反应元件因子反应元件 干扰素反应元件干扰素反应元件12/21/202212/21/20227777DNA结构中蕴藏着调控序列结构中蕴藏着调控序
46、列蛋白质蛋白质-转录因子决定基因的开放转录因子决定基因的开放或关闭或关闭12/21/202212/21/20227878 也称转录因子（也称转录因子（transcription factors，TF），），是是一类细胞核内蛋白质因子，通过与顺式作用元件和一类细胞核内蛋白质因子，通过与顺式作用元件和 RNA聚合酶的相互作用来调节转录的活性聚合酶的相互作用来调节转录的活性 反式作用因子对基因表达的调控反式作用因子对基因表达的调控反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor）12/21/202212/21/20227979反式作用因子反式作用因子类型类型基础转录因子基础转录因子
47、 basal transcription factor结合结合RNA聚合酶和转录核心元件聚合酶和转录核心元件结合转录非核心元件和基础转录因子，结合转录非核心元件和基础转录因子，激活或者抑制两类作用激活或者抑制两类作用特异转录因子特异转录因子 special transcription factor12/21/202212/21/20228080反式作用因子的反式作用因子的结构结构DNA结合域结合域 DNA binding domain转录激活域转录激活域 activation domainDNA结合域的四种模体结合域的四种模体 螺旋转角螺旋（螺旋转角螺旋（helix-turn-helix,HT
48、H）锌指（锌指（zinc finger）亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（leucine zipper）螺旋环螺旋（螺旋环螺旋（helix-loop-helix,HLH）12/21/202212/21/20228181反式作用因子中的亮氨酸拉链模体反式作用因子中的亮氨酸拉链模体 12/21/202212/21/20228282反式作用因子中的螺旋反式作用因子中的螺旋-环环-螺旋结构螺旋结构 12/21/202212/21/20228383反式作用因子中的反式作用因子中的锌指锌指锌指锌指模体模体 12/21/202212/21/20228484反式作用因子中的转录激活域反式作用因子中的转录激活域酸性氨基酸
49、酸性氨基酸 脯氨酸脯氨酸 谷氨酰胺谷氨酰胺 富含：富含：12/21/202212/21/20228585不具有组织特异性。是不具有组织特异性。是RNA聚合酶结合启动聚合酶结合启动子必需的一组蛋白质分子，是所有基因转录起子必需的一组蛋白质分子，是所有基因转录起始都需要的始都需要的转录因子的分类转录因子的分类组织细胞特异性转录因子组织细胞特异性转录因子具有组织细胞特异性。与增强子，沉默子结具有组织细胞特异性。与增强子，沉默子结合后决定该基因表达的时空性合后决定该基因表达的时空性基本转录因子基本转录因子12/21/202212/21/20228686组织细胞特异性转录因子的类别组织细胞特异性转录因子
50、的类别转录激活因子转录激活因子转录阻遏因子转录阻遏因子transcription activitortranscription repressorDNA结合结合蛋白蛋白 非非DNA结合蛋白结合蛋白辅转录激活因子辅转录激活因子辅转录阻遏因子辅转录阻遏因子co-transcription activitorco-transcription repressor12/21/202212/21/20228787三、翻译水平的调控三、翻译水平的调控 5 端帽子端帽子：保持保持mRNA稳定，提高翻译的效率稳定，提高翻译的效率 3 端尾巴端尾巴：poly(A)和蛋白多聚体形成的复合物和蛋白多聚体形成的复合物