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1、关于基因基因组第1页，讲稿共50张，创作于星期日2第一节 基因表达调控相关概念Section 1 CORRELATIVE CONCEPTS OF GENE REGULATION第2页，讲稿共50张，创作于星期日3 是含有特定遗传信息的DNA片段，包括了编码一 种RNA、大多表达一种多肽的核苷酸序列区域。（结构基因；调节基因）一、基因（Gene）第3页，讲稿共50张，创作于星期日4 是指一个细胞或生物体所携带的全部遗传是指一个细胞或生物体所携带的全部遗传 信息或整套基因信息或整套基因 二、二、基因组（Genome）第4页，讲稿共50张，创作于星期日5（一）真核基因组结构庞大（一）真核基因组结构庞
2、大哺乳类动物基因组哺乳类动物基因组DNADNA约约3103109 9bpbp编码基因编码基因3 34 4万个，约占基因组万个，约占基因组DNADNA的的6 6重复基因占重复基因占DNA5DNA51010功能不明序列约占基因组功能不明序列约占基因组DNA80DNA809090第5页，讲稿共50张，创作于星期日6（二）（二）单顺反子（单顺反子（monocistron）一个结构基因转录生成一个一个结构基因转录生成一个mRNAmRNA分子，编码分子，编码一条多肽链一条多肽链第6页，讲稿共50张，创作于星期日7（三）基因不连续性（三）基因不连续性存在非编码序列和间隔区第7页，讲稿共50张，创作于星期日8
3、人类基因组计划人类基因组计划HGP的的内内容容就就是是制制作作高高分分辨辨率率的的人人类类遗遗传传图图和和物物理理图图，最最终终完完成成人人类类和和其其它它重重要要模模式式生生物物全全部部基基因因组组DNA序列测定，因此序列测定，因此HGP属于结构基因组学范畴。属于结构基因组学范畴。第8页，讲稿共50张，创作于星期日9第二节、基因表达调控第二节、基因表达调控概念概念特点特点方式方式意义意义原理原理第9页，讲稿共50张，创作于星期日10基因表达（Gene xpression）简单说，就是基因转录及翻译的过程简单说，就是基因转录及翻译的过程 rRNA、tRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNA
4、的过程也属于基因表达的过程也属于基因表达第10页，讲稿共50张，创作于星期日11第11页，讲稿共50张，创作于星期日12一基因表达的概念一基因表达的概念 是指各种调节机制控制下，从基因激活开始，经历转是指各种调节机制控制下，从基因激活开始，经历转录、翻译等过程产生具有生物学功能的蛋白质分子，从而录、翻译等过程产生具有生物学功能的蛋白质分子，从而赋予细胞一定的功能或表型，或使生物体获得一定的遗传赋予细胞一定的功能或表型，或使生物体获得一定的遗传性状。简单说即基因性状。简单说即基因转录转录及翻译的过程。及翻译的过程。rRNArRNA、tRNAtRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNARNA的过
5、程也属于基因表达。的过程也属于基因表达。第12页，讲稿共50张，创作于星期日13二、基因表达调控的规律二、基因表达调控的规律阶段特异性阶段特异性时间顺序时间顺序/特异性特异性组织特异性组织特异性空间特异性空间特异性第13页，讲稿共50张，创作于星期日141.1.阶段特异性阶段特异性 阶段特异性：阶段特异性：又称时间特异性。在特定环境中，按功能需要，又称时间特异性。在特定环境中，按功能需要，某一特定基因的表达随时间、环境而变化，严格按特某一特定基因的表达随时间、环境而变化，严格按特定时间顺序发生。定时间顺序发生。例如：哺乳类例如：哺乳类AchRAchR分胚胎型和成年型：分胚胎型和成年型：胚胎型的
6、亚基组成为胚胎型的亚基组成为 2 2，成年型的亚基组成为成年型的亚基组成为2 2；胚胎期表达；胚胎期表达亚基基因，亚基基因，亚基基因不表达，亚基基因不表达，而出生后而出生后亚基基因关闭，亚基基因关闭，亚基基因表达。亚基基因表达。第14页，讲稿共50张，创作于星期日152.2.组织特异性组织特异性 组织特异性：组织特异性：又称空间特异性。在发育、分化特定时期内不同基又称空间特异性。在发育、分化特定时期内不同基因的表达产物在不同组织细胞内并非平均分配，而是按因的表达产物在不同组织细胞内并非平均分配，而是按一定空间顺序出现，即同一基因产物在不同组织、细胞一定空间顺序出现，即同一基因产物在不同组织、细
7、胞内的含量有所不同，不同基因产物在同一组织、细胞中内的含量有所不同，不同基因产物在同一组织、细胞中的含量也有所不同。的含量也有所不同。意义：它适应了不同组织器官功能的需要。基因表达的意义：它适应了不同组织器官功能的需要。基因表达的组织特异性在分化、成熟的组织中适应了不同组织器官功组织特异性在分化、成熟的组织中适应了不同组织器官功能的需要。能的需要。例如：血红蛋白在红细胞的高水平表达适应了红细胞运例如：血红蛋白在红细胞的高水平表达适应了红细胞运输氧和二氧化碳的功能需要。输氧和二氧化碳的功能需要。第15页，讲稿共50张，创作于星期日16三、三、基因表达的方式基因表达的方式基本表达基本表达 诱导和阻
8、遏诱导和阻遏第16页，讲稿共50张，创作于星期日171.基本的基因表达基本的基因表达管家基因：管家基因：生物体某些基因产物在整个生命过程中都是生物体某些基因产物在整个生命过程中都是需要的或必不可少的，这类产物的编码基因在生需要的或必不可少的，这类产物的编码基因在生物体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因叫物体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因叫“管家基因管家基因”，它的基因表达即为基本的基因表达。，它的基因表达即为基本的基因表达。基本的基因表达也是在一定机制控制下进行的。基本的基因表达也是在一定机制控制下进行的。如：三羧酸循环中酶编码基因的表达，组成细胞的微如：三羧酸循环中酶编码基因的表达，组成
9、细胞的微管蛋白的表达管蛋白的表达。第17页，讲稿共50张，创作于星期日182.2.诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，相相应应的的基基因因被被激激活活，基因表达产物增加，这种基因称为基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因。可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中表表达达增增强强的的过过程程，称称为为诱导诱导(induction)。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，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因。可可阻阻遏遏基基因因表表达达产产物物水水平平降降低低的的过过程程称为称为阻遏阻遏(repression)。第18页
10、，讲稿共50张，创作于星期日19四、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适应环境和维持生长适应环境和维持生长维持个体的发育与分化维持个体的发育与分化第19页，讲稿共50张，创作于星期日20五五 基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理 （一）（一）基因表达的多级调控基因表达的多级调控 基因活化、转录起始、转录后加工、基因活化、转录起始、转录后加工、mRNA降解、蛋白质翻译、翻译后加工修饰及降解、蛋白质翻译、翻译后加工修饰及 蛋白质降解等多个环节均可调节细胞内蛋白质蛋白质降解等多个环节均可调节细胞内蛋白质 的浓度。的浓度。转录起始是基本控制点。转录起始是基本控制点。第20页，
11、讲稿共50张，创作于星期日21（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，以以及及细胞内所存在的转录细胞内所存在的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。1.特异特异DNA序列和调节蛋白质序列和调节蛋白质第21页，讲稿共50张，创作于星期日22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22页
12、，讲稿共50张，创作于星期日23真核生物真核生物1)顺式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是列是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。第23页，讲稿共50张，创作于星期日242)2)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
13、自身身基基因因的调节序列的调节序列，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，调调节其表达。节其表达。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24页，讲稿共50张，创作于星期日253.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。聚合酶与其的亲和力，影响转录。调节蛋
14、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聚合酶活性。聚合酶活性。第25页，讲稿共50张，创作于星期日26 第三节、原核基因转录调节第三节、原核基因转录调节一一 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RNARNA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二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制第26页，讲稿共50张，创
15、作于星期日27乳糖操纵子结构 CAP结合位点结合位点P IIPOZYA调控区调控区结构基因结构基因I:阻遏蛋白编码基因阻遏蛋白编码基因PI:阻遏蛋白基因启动序列阻遏蛋白基因启动序列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结构基因结构基因O:操纵序列（阻遏蛋白结合部位）操纵序列（阻遏蛋白结合部位）P:启动序列启动序列CAP结合位点结合位点调控区调控区第27页，讲稿共50张，创作于星期日28阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节（无乳糖）（无乳糖）Lac阻遏蛋白结合阻遏蛋白结合O基因基因,抑制转录抑制转录,Lac操纵子表达量微少操纵子表达量微少阻遏蛋白阻遏蛋白mRNACAP
16、结合位点结合位点P IIPOZYARNA聚合酶聚合酶 第28页，讲稿共50张，创作于星期日29诱导剂结合于诱导剂结合于Lac阻遏蛋白，阻遏蛋白与阻遏蛋白，阻遏蛋白与O基因解离，不抑基因解离，不抑制转录，制转录，Lac操纵子转录活性提高操纵子转录活性提高1000倍倍乳糖乳糖别乳糖别乳糖CAP结合位点结合位点P IIPOZYAmRNA阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节（有乳糖有乳糖）第29页，讲稿共50张，创作于星期日30CAPCAP的正性调节的正性调节（无葡萄糖）（无葡萄糖）cAMPCAP蛋白蛋白P IIPOZYACAP结合位点结合位点mRNA无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高浓度高cAMP与
17、与CAP结合结合 与与CAP结合位点结合结合位点结合转录活性提高转录活性提高50倍倍 第30页，讲稿共50张，创作于星期日31CAPCAP的正性调节的正性调节（有葡萄糖）cAMPCAP蛋白蛋白P IIPOZYACAP结合位点结合位点mRNA有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低浓度低cAMP与与CAP结合受阻结合受阻转录活性下降转录活性下降 第31页，讲稿共50张，创作于星期日32Section 4 REGULATION OF EUKARYOTIC GENE EXPRESSION第四节第四节 真核基因表达调节真核基因表达调节第32页，讲稿共50张，创作于星期日33（二）正性调节占主导（二）正性调节
18、占主导（三）转录与翻译分隔进行（三）转录与翻译分隔进行（四）转录后修饰、加工（四）转录后修饰、加工一一 真核基因表达调控特点真核基因表达调控特点（一）活性染色体结构变化（一）活性染色体结构变化The Characteristics of Eukaryotic gene expression regulation(五五)RNA聚合酶聚合酶第33页，讲稿共50张，创作于星期日34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2.DNA拓扑结构变化拓扑结构变化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3.DNA碱基修饰变化碱基修饰变化4.组蛋白变化组蛋白变化
19、第34页，讲稿共50张，创作于星期日35二二 真核基因转录激活调节真核基因转录激活调节 转录（起始）调节实质上是调节蛋白与DNA相互作用（一）顺式作用元件（一）顺式作用元件(cis-acting elements)（二）反式作用因子（二）反式作用因子(trans-acting factors)（三）（三）mRNA转录激活及其调节转录激活及其调节第35页，讲稿共50张，创作于星期日36启动子（promoter）RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，包括转录起始位点和一个以上的机能组件 典型组件：TATA盒、GC盒、CAAT盒等启动子决定基础转录启动频率启动子决定基础转录启动频率（一）顺式作
20、用元件（一）顺式作用元件(cis-acting elements)第36页，讲稿共50张，创作于星期日37Representative Promoter in EukaryotesTATA BoxPromoter proximal elementsCore PromoterMost core promoter alone NOT able to promote transcription-requires activating elements第37页，讲稿共50张，创作于星期日38增强子增强子（enhancer）远离转录起始位点(130kb)，决定基因的特异性表达，增强启动子转录活性的DNA
21、序列 其发挥作用的方式通常与方向、距离无关增强子决定基因表达的组织、阶段特异性增强子决定基因表达的组织、阶段特异性（一）顺式作用元件（一）顺式作用元件(cis-acting elements)第38页，讲稿共50张，创作于星期日39Different Enhancers of Eukaryotic Promotercore promoterpromoter-proximal elements+1transcriptscale is in kb(kilobases)enhancers第39页，讲稿共50张，创作于星期日40沉默子沉默子（silencer）某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因
22、子时，对基因转录起阻遏作用 有些DNA序列既可作为正性、又可作为负 性调节元件发挥顺式调节作用（一）顺式作用元件（一）顺式作用元件(cis-acting elements)第40页，讲稿共50张，创作于星期日41（二）反式作用因子（二）反式作用因子 (trans-acting factors)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）绝大多数转录调节因子以反式作用调节基因转录绝大多数转录调节因子以反式作用调节基因转录2.转录调节因子的结构转录调节因子的结构第41页，讲稿共50张，创作于星期日421.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
23、本转录因子(general transcription factors)特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)转录激活因子转录激活因子（transcription activators）转录抑制因子转录抑制因子（transcription repressors）第42页，讲稿共50张，创作于星期日43 polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBPTATA DNARNA polymerase and its general transcription factorsTFETBP(binding TATA box)TAF(TBP assoc
24、iated factor)TFD第43页，讲稿共50张，创作于星期日44DNA domains of transcription factors binding double-helix DNA第44页，讲稿共50张，创作于星期日45思考题思考题什么是启动子、操纵子、限制性核酸内切酶、基什么是启动子、操纵子、限制性核酸内切酶、基因工程？因工程？试述乳糖操纵子的工作原理？（回答要点包括乳试述乳糖操纵子的工作原理？（回答要点包括乳糖操纵子的结构；阻遏蛋白的负性调节；糖操纵子的结构；阻遏蛋白的负性调节；CAPCAP的正的正性调节。）性调节。）简述基因工程的基本过程。简述基因工程的基本过程。第45页，
25、讲稿共50张，创作于星期日461.基因表达就是指遗传信息或基因 E A.复制的过程B.转录的过程C.反转录的过程D.翻译的过程E.转录及翻译的过程2.基因表达的空间特异性又称 BA.阶段特异性B.组织特异性C.个体特异性D.种属特异性E.以上都不是第46页，讲稿共50张，创作于星期日473.基因的诱导表达是指，在一定环境或条件下基因表达 B A.增强或减弱的过程 B.增强的过程 C.减弱的过程 D.停止的过程 E.以上都不是4.基因的阻遏表达是指，在一定环境或条件下基因表达 E A.增强或减弱的过程 B.增强的过程 C.减弱的过程 D.停止的过程 E.减弱或停止的过程第47页，讲稿共50张，创
26、作于星期日485.管家基因的表达过程 A A.变化很小 B.没有变化 C.明显变化 D.变化较大 E.变化极大6.目前认为基因表达调控的主要环节是 B A.基因活化 B.转录起始 C.转录后加工 D.翻译起始 E.翻译后加工第48页，讲稿共50张，创作于星期日497.顺式作用元件是指 E A.基因的5侧翼序列 B.基因的3侧翼序列 C.基因的5侧翼序列以外的序列 D.基因3侧翼序列以外的序列 E.具有转录调节功能的特异DNA序列8.原核阻遏蛋白的特异性结合 B A.启动序列 B.操纵序列 C.CAP结合位点 D.转录起始点 E.转录终止点 第49页，讲稿共50张，创作于星期日感谢大家观看第50页，讲稿共50张，创作于星期日