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1、一、基因表达的概念基因组基因组(genome)来自一个生物体的一整套遗传物质。来自一个生物体的一整套遗传物质。即生成具有生物学功能产物的过程。即生成具有生物学功能产物的过程。基因表达基因表达基因表达是受调控的基因表达是受调控的基因基因 (gene)转录翻译 =+第1页/共58页二、基因表达的时间特异性和空间特异性（一）时间特异性时间特异性时间特异性:按功能需要，某一特定基因的表按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。达严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称又称阶段阶段特异性特异性第2页/共58页第3页/共58页（二）空间特异性又称又称细胞或组织特异性细胞或
2、组织特异性空空间间特特异异性性：多多细细胞胞生生物物个个体体在在某某一一特特定定生生长长发发育育阶阶段段，同同一一基基因因的的表表达达在在不不同同的的细细胞胞或或组组织织器器官官不不同同，从从而而导导致致特特异异性性的的蛋蛋白白质质分分布布于于不不同同的的细细胞胞或组织器官或组织器官。第4页/共58页第5页/共58页三、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：基本（或组成性）表达基本（或组成性）表达诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达第6页/共58页（一）基本（或组成性）表达管管家家基基因因(housekeeping gene):某某些些基基因因在一个
3、个体的几乎所有细胞中持续表达。在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。组组成成性性基基因因表表达达: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中持续表达，或变化很小。织中持续表达，或变化很小。第7页/共58页（二）基因的表达的诱导和阻遏（二）基因的表达的诱导和阻遏可可诱诱导导基基因因:在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，相相应应的的基因被激活，基因表达产物增加。基因被激活，基因表达产物增加。诱诱导导(induction)：可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境
4、中中表达增强的过程表达增强的过程。阻阻遏遏(repression)：可可阻阻遏遏基基因因在在特特定定环环境境中中表达降低的过程表达降低的过程。可阻遏基因可阻遏基因:对环境信号应答是被抑制的基因。对环境信号应答是被抑制的基因。第8页/共58页协协调调表表达达：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，均需协调一致、共同表达均需协调一致、共同表达。第9页/共58页四、基因表达调控的生物学意义（一）以适应环境、维持生长和增殖通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适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
5、蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。（二）以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、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10页/共58页第二节第二节基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理Basic Principles of Gene Expression Regulation第11页/共58页一、基因
6、表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活拷贝数拷贝数重排重排甲基化程度甲基化程度转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等转录起始转录起始第12页/共58页二、基因转录激活调节的基本要素基因基因的结构、性质的结构、性质生物个体或细胞所处的生物个体或细胞所处的内、外环境内、外环境细胞内所存在的细胞内所存在的转录调节蛋白转录调节蛋白（一）特异DNA序列决定基因的转录活性（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性第13页/共58页原核生物 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DNA
7、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14页/共58页是是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 1、启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列图图13-1 13-1 五种五种E.coli
8、启动序列的共有序列启动序列的共有序列第15页/共58页共共有有序序列列(consensus 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和结结合能力。合能力。第16页/共58页2 2、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聚聚合合酶不能沿酶不能沿DNA向前移动向前移动，阻碍转
9、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17页/共58页3 3、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合，增强结合，增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。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聚聚合酶很少或完全不能结合启动序列。合酶很少或完全不能结合启动序列。第18页/共58页真核生物1、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
10、的DNA序列序列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图13-2 顺式作用元件第19页/共58页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：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聚聚合合酶酶或或特特异异转转录录因因子的结合位点。子的结合位点。第20页/共58页2 2、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节序列调节序列，调节自身基因的表达，称调节自身基因的表达，称顺式作用顺式
11、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。这这种种调调节节作作用用称称为为反式作用反式作用。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)第21页/共58页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图13-3 反式与顺式作用蛋白第22页/共58页第三节第三节 原核基因表达调节原核基因表达调节第23页/共58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
12、点（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性不不同同的的因因子子决决定定特特异异基基因因的的转转录录激激活活，决决定定mRNA、rRNA和和tRNA基因的转录。基因的转录。第24页/共58页（二）操纵子模型的普遍性操操纵纵子子（operon）:原原核核生生物物绝绝大大多多数数基基因因按按功功能能相相关关性性成成簇簇地地串串联联、密密集集于于染染色色体体上上，共共同同组成一个转录单位。组成一个转录单位。由由一一组组功功能能相相关关的的结结构构基基因因及及其其上上游游的的调调控控序列组成。序列组成。第25页/共58页（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制特异阻遏蛋白参与的
13、开、关调节机制特异基因的阻遏或去阻遏特异基因的阻遏或去阻遏第26页/共58页二、操纵子调控模式（一）乳糖操纵子(lac operon)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纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA第27页/共58页Catabolite gene activation protein site-10 site-35 siteCACCCCAGGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGAGCGGATAACAATTTCACACCTCATTAGGACTCGATTGAGTGTA
14、ATTA53Operon region20bpRNA polymerase binding region or promoter regionPrimary structure of lac operon regulation region5 TATAAT 3Pribnow box第28页/共58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）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节阻遏基因阻遏基因1 1、阻遏蛋白的负性调节第29页/共58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
15、乳糖苷酶半乳糖苷酶图图13-4 13-4 laclac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节第30页/共58页+转录转录无葡萄糖，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2、CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第31页/共58页3 3、协调调节当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAP对对该该系系统统不不能能发挥作用。发挥作用。如如无无CAP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结合，操纵子仍无转录活性。列结合，操纵子仍无转录活性。单单纯纯乳乳糖糖存存在在时时，细细菌菌利利用用乳乳
16、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，细细菌菌首首先利用葡萄糖。先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 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 第32页/共58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第33页/共58页第四节第四节 真核基因表达调节真核基因表达调节第34页/共58页一、真核基因组具有独特的结构特点（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
17、人编码基因约约4万个万个，编码蛋白质的序列仅占总长编码蛋白质的序列仅占总长的的1%。rDNA等重复基因等重复基因约占约占5%10%。第35页/共58页（二）真核基因转录产物为单顺反子单顺反子单顺反子(monocistron)一一个个编编码码基基因因转转录录生生成成一一个个mRNA分分子子，经经翻译生成一条多肽链。翻译生成一条多肽链。（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（103 104次）次）多拷贝序列多拷贝序列第36页/共58页 真核结构基因两侧存在有不被转录的非真核结构基因两侧
18、存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。编码序列，往往是基因表达的调控区。真核基因不连续性真核基因不连续性（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区四）真核基因中存在非编码序列和间隔区第37页/共58页（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性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。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒二、RNA Pol IIRNA Pol II转录起始的调节非常复杂第38页/共58页CCAAT盒G
19、C盒TATA盒转录起始点高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒转录起始点酵母图13-7 真核基因启动子的典型结构第39页/共58页2.增强子增强子(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表表达达、增增强强启启动动子子转转录录活活性性的的DNA序列。序列。发挥作用的方式通常发挥作用的方式通常与方向、距离无关与方向、距离无关。3.沉默子沉默子(silencer)某些基因的某些基因的负性调节元件负性调节元件，当其结合特，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。第40页/共58页（二）反式作
20、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)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 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。第41页/共58页特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)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时间、空间特异性表达
21、。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第42页/共58页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第43页/共58页最常见的DNA结合域：1.锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒第44页/共58页ZnCysHis图13-8 锌指结构第45页/共58页第46页/共58页2.2.碱性碱性a a-螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒碱性螺旋碱性螺旋-环环-
22、螺旋螺旋碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链 第47页/共58页碱性亮氨酸拉链，bZIPCOOHNH2COOHNH218152229361815222936LeucineresidueCNCOHCH2CHCH3CH3第48页/共58页第49页/共58页碱性螺旋-环-螺旋，bHLH第50页/共58页第51页/共58页第52页/共58页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，长度约约2025个碱基，由一段具有发夹环结构，长个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为度为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。小分子R
23、NA对基因表达的调节1微小RNA(microRNA,miRNA)第53页/共58页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。形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。nmiRNA的特点：第54页/共58页是是细细胞胞内内一一类类双双链链RNA(dsRNA)在在特特定定情情况况下下
24、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)和和特定序列的小片段特定序列的小片段RNA。双双链链siRNA参参与与RISC组组成成，与与特特异异的的靶靶mRNA完完全全互补结合，导致靶互补结合，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RNA(small interfering RNA,siRNA)第55页/共58页 30bp 双链RNA（dsRNA）水解生成21-23nt siRNA 5335 RISC形成 识别特异序列并使其降解RNA干扰作用机制第56页/共58页siRNAmiRNA前体前体内源或外源长双链内源或外源长双链RNA诱导诱导产生产生内源发夹环结构的转录产物内源发夹环结构的转录产物结构结构双链分子双链分子单链分子单链分子功能功能降解降解mRNA阻遏其翻译阻遏其翻译靶靶mRNA 结合结合需完全互补需完全互补不需完全互补不需完全互补生物学效应生物学效应抑制转座子活性和病毒感染抑制转座子活性和病毒感染发育过程的调节发育过程的调节siRNA 和和miRNA的差异比较的差异比较第57页/共58页感谢您的观看。第58页/共58页