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1、关于基因表达调控关于基因表达调控(3)第1页，讲稿共87张，创作于星期日基因表达的概念基因表达的概念*基因组基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。因。基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。蛋白质分子的过程。*基因表达基因表达(gene expression)基因表达是受调控的基因表达是受调控的目目 录录第2页，讲稿共87张，创作于星期日基因表达调控：基因表达调控：生物体通过特定的蛋白质与生物体通过特定的蛋白质与DNA、蛋白质与、蛋白质与蛋白质之间的相互作用
2、来控制基因是否表达，或蛋白质之间的相互作用来控制基因是否表达，或调节表达产物的多少以满足生物体的自身需求以调节表达产物的多少以满足生物体的自身需求以及适应环境变化的过程。及适应环境变化的过程。第3页，讲稿共87张，创作于星期日第一节第一节 基因表达调控的基本规律基因表达调控的基本规律第4页，讲稿共87张，创作于星期日（一）基因表达具有时空特异性（一）基因表达具有时空特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序先后发生，称之为基因表达的特定的时间顺序先后发生，称之为基因表达的时间特异性时间特异性(temporal specificity)。多细胞生
3、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阶段特异性段特异性(stage specificity)。第5页，讲稿共87张，创作于星期日第6页，讲稿共87张，创作于星期日一个基因是不是所有组织中表达？一个基因是不是所有组织中表达？一个基因是不是所有组织中表达？一个基因是不是所有组织中表达？肝细胞、肾细胞等基因组是一样，为什么功能不肝细胞、肾细胞等基因组是一样，为什么功能不肝细胞、肾细胞等基因组是一样，为什么功能不肝细胞、肾细胞等基因组是一样，为什么功能不同？同？同？同？第7页，讲稿共87张，创作于星期日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
4、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或或组组织织特特异异性性(cell or tissue specificity)。在在个个体体生生长长发发育育全全过过程程，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或或器器官官表表达达，即即在在个个体体的的不不同同空空间间出出现现，称称之之为基因表达的为基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。第8页，讲稿共87张，创作于星期日 同一个体内的不同器官、组织、细胞的差异性同一个体内的不同器官、组织、细胞的差异性的基础是特异的基因
5、表达或称为的基础是特异的基因表达或称为差异基因表达差异基因表达(differential gene expression)。细胞的基因表达谱细胞的基因表达谱(gene expression profile),即基因表达的种类和强度决定了细胞的分即基因表达的种类和强度决定了细胞的分化状态和功能。换句话说，在个体内决定细胞类化状态和功能。换句话说，在个体内决定细胞类型的不是基因本身，而是型的不是基因本身，而是基因表达模式基因表达模式(gene expression pattern)第9页，讲稿共87张，创作于星期日（二）诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的（二）诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普遍
6、方式普遍方式 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，通通常常被被称称为为管管家家基基因因(housekeeping gene)。1.1.组成性表达组成性表达按对刺激的反应性，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：第10页，讲稿共87张，创作于星期日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织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小。区区别别于于其其他他基基因因，这这类类基基因因表表达达被被视视为
7、为基本基本(组成性组成性)基因表达基因表达(constitutive gene expression)(constitutive gene expression)。仅仅受受启启动动序序列列或或启启动动子子与与RNARNA聚聚合合酶酶相相互互作作用用的的影响，而不受其他机制调节。影响，而不受其他机制调节。第11页，讲稿共87张，创作于星期日2.2.诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达适适应应性性表表达达(adaptive(adaptive expression)expression)指指环环境境的的变变化化容易使其表达水平变动的一类基因表达。容易使其表达水平变动的一类基因表达。诱导诱导 阻遏阻遏 第12
8、页，讲稿共87张，创作于星期日 是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。而使基因的表达产物增加。如如:DNA:DNA发生损伤时，修复酶的诱导激活。发生损伤时，修复酶的诱导激活。诱导表达（诱导表达（inductioninduction）在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达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，这种基因称为产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因。第13页，讲稿共87张，创作于星期日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，这这种种基基因是因是可阻遏基因
9、可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏阻遏。阻遏阻遏(repression)(repression)如：如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭第14页，讲稿共87张，创作于星期日n一个基因是否表达和表达多少与一个基因是否表达和表达多少与调节序列（调节序列（regulatory sequence）密切相关。调节序列位于被调控的密切相关。调节序列位于被调控的结构
10、基因（结构基因（structural gene）的上游，具有特定的核苷酸序列。的上游，具有特定的核苷酸序列。n根据调节序列与结构基因的相对位置关系，人们将这些根据调节序列与结构基因的相对位置关系，人们将这些调节序调节序列列称为称为顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element），），包括启动子包括启动子（promoter）、增强子（）、增强子（enhancer）、沉默子（）、沉默子（silencer）等。）等。（三）基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同（三）基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节调节第15页，讲稿共87张，创作于星期日 顺式作用元件（顺式作用元件（c
11、is-acting element)是同一是同一DNA分子中具有转录调节功能的特异分子中具有转录调节功能的特异DNA序列序列。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)是指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作是指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质。白质。第16页，讲稿共87张，创作于星期日顺式顺式/反式的调节方式反式的调节方式第17页，讲稿共87张，创作于星期日（四）蛋白质（四）蛋白质-DNA及蛋白质及蛋白质-蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用是基因表达调控的分子基础是基因表达调控的
12、分子基础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DNADNA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。1)DNA-1)DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用结合位点：双螺旋结合位点：双螺旋DNA的大小沟的大小沟第18页，讲稿共87张，创作于星期日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-蛋白质相互作用，形成蛋白质相互作用，形成二聚体二聚体(dimer)或或多聚体多聚体(polymer)。2)2)蛋白质蛋白质-
13、蛋白质相互作用蛋白质相互作用二聚化是指两个相同的分子形成的二聚体。二聚化是指两个相同的分子形成的二聚体。同（质）二聚体同（质）二聚体异（质）二聚体异（质）二聚体第19页，讲稿共87张，创作于星期日（五）基因表达调控是多层次的复杂调节（五）基因表达调控是多层次的复杂调节第20页，讲稿共87张，创作于星期日第二节第二节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控第21页，讲稿共87张，创作于星期日真核生物和原核生物基因表达的对比真核生物和原核生物基因表达的对比第22页，讲稿共87张，创作于星期日n n原核生物基因组是一个闭合环状的原核生物基因组是一个闭合环状的原核生物基因组是一个闭合环状的原核生
14、物基因组是一个闭合环状的DNADNA分子。分子。分子。分子。n n原核生物的细胞结构也比较简单，它的全部物质原核生物的细胞结构也比较简单，它的全部物质原核生物的细胞结构也比较简单，它的全部物质原核生物的细胞结构也比较简单，它的全部物质（DNADNA，RNARNA和蛋白质）都包容在细胞膜内。和蛋白质）都包容在细胞膜内。和蛋白质）都包容在细胞膜内。和蛋白质）都包容在细胞膜内。n n原核生物基因组的转录和翻译在同一空间内完成，时原核生物基因组的转录和翻译在同一空间内完成，时原核生物基因组的转录和翻译在同一空间内完成，时原核生物基因组的转录和翻译在同一空间内完成，时间上的差异不大。在转录过程终止之前，
15、间上的差异不大。在转录过程终止之前，间上的差异不大。在转录过程终止之前，间上的差异不大。在转录过程终止之前，mRNAmRNA就已就已就已就已经结合在由经结合在由经结合在由经结合在由rRNArRNA和核蛋白体蛋白共同构成的核蛋白体和核蛋白体蛋白共同构成的核蛋白体和核蛋白体蛋白共同构成的核蛋白体和核蛋白体蛋白共同构成的核蛋白体上，开始了蛋白质的生物合成。上，开始了蛋白质的生物合成。上，开始了蛋白质的生物合成。上，开始了蛋白质的生物合成。第23页，讲稿共87张，创作于星期日n n19691969年，年，年，年，J.R.Beckwith J.R.Beckwith 从大肠杆菌的从大肠杆菌的从大肠杆菌的从
16、大肠杆菌的DNADNA中分离出乳中分离出乳中分离出乳中分离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。一、转录水平调控是原核生物基因表达的关键环一、转录水平调控是原核生物基因表达的关键环节节第24页，讲稿共87张，创作于星期日（一）操纵子是原核生物基因表达调控的基本单元（一）操纵子是原核生物基因表达调控的基本单元 操纵子是原核生物基因组构的基本单位，也是操纵子是原核生物基因组构的基本单位，也是基本转录单位，由结构基因和调控序列组成。基本转录单位，由结构基因和调控序列组成。编码序列编码序列 启动序列启
17、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25页，讲稿共87张，创作于星期日（二）乳糖操纵子模型诠释了原核生物转录起（二）乳糖操纵子模型诠释了原核生物转录起始诱导的基本机制始诱导的基本机制第26页，讲稿共87张，创作于星期日mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏基因阻遏基因第27页，讲稿共87张，创作于星期日LacI 阻遏蛋白的阻遏作用阻遏蛋白的阻遏作用阻遏蛋白的四聚体结合在操纵序列上，抑制了阻遏蛋白的四聚体结合在操纵序列上，抑制了 lac 操纵子中结构操纵子中结构基因的表达。基因的表达。第28页，讲稿
18、共87张，创作于星期日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第29页，讲稿共87张，创作于星期日CAP 的结合位点的结合位点CAP：catabolite gene activation proteinCAP的结合位点在的结合位点在-60 处。处。CAP以同源二聚物的形式与以同源二聚物的形式与 cAMP 结合，这个复合物结合，这个复合物结合在结合在 CAP结合位点上。结合位点上。外环境中葡萄糖的减少可以增加外环境中葡萄糖的减少可以增加cAMP 合成。合成。第30页，讲稿共87张，创作于星期日（三）
19、乳糖操纵子的高效表达需要另外的正调（三）乳糖操纵子的高效表达需要另外的正调控方式控方式葡萄糖效应：培养基中有葡萄糖存在时，即使有葡萄糖效应：培养基中有葡萄糖存在时，即使有乳糖存在，不诱导靶基因表达。这样的操纵子称乳糖存在，不诱导靶基因表达。这样的操纵子称葡萄糖敏感操纵子。这种效应由一种正控制机制葡萄糖敏感操纵子。这种效应由一种正控制机制决定。决定。葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低腺苷酸环化酶活性降低 ATPATP无法无法转变成转变成cAMP cAMP 不能形成不能形成CAP-cAMPCAP-cAMP复合蛋白复合蛋白 RNARNA酶无法结合在酶无
20、法结合在DNADNA上上 结构基因不表达。结构基因不表达。第31页，讲稿共87张，创作于星期日乳糖操纵子的协同调控乳糖操纵子的协同调控第32页，讲稿共87张，创作于星期日乳糖操纵子的意义乳糖操纵子的意义阻遏蛋白的抑制作用和阻遏蛋白的抑制作用和CAP介导的正调控共同担负着介导的正调控共同担负着原核生物体系内糖源的协调利用。原核生物体系内糖源的协调利用。乳糖操纵子的协调调控方式保证了葡萄糖是原核生物体乳糖操纵子的协调调控方式保证了葡萄糖是原核生物体系优先利用的碳源，并只有在葡萄糖完全耗尽后，原核系优先利用的碳源，并只有在葡萄糖完全耗尽后，原核生物才利用乳糖作为碳源。生物才利用乳糖作为碳源。第33页
21、，讲稿共87张，创作于星期日trp operon第34页，讲稿共87张，创作于星期日二、翻译水平调控是对转录调控的补充二、翻译水平调控是对转录调控的补充（一）转录与翻译的偶联调控提高了基因表达调控（一）转录与翻译的偶联调控提高了基因表达调控的有效性的有效性 trp operon的有效关闭还有一种属于促进已的有效关闭还有一种属于促进已经开始转录的经开始转录的mRNA合成终止的方式来进一步加合成终止的方式来进一步加强，称为强，称为转录衰减转录衰减。第35页，讲稿共87张，创作于星期日色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trp operon）结构基因：结构基因：trpE、trpD、trpC、trpB 和和
22、trpA上游调控区：调节基因（上游调控区：调节基因（trpR）、启动子（）、启动子（P）和操纵序列（）和操纵序列（O）。）。启动子（启动子（P）和操纵序列（）和操纵序列（O）有部分重叠。）有部分重叠。第36页，讲稿共87张，创作于星期日开放状态的色氨酸操纵子开放状态的色氨酸操纵子 当培养基中色氨酸含量很少时，当培养基中色氨酸含量很少时，trpR 阻遏蛋白以同源二聚体的阻遏蛋白以同源二聚体的形式存在，不能与操纵序列形式存在，不能与操纵序列 O 结合，使得结合，使得RNA聚合酶能够启动转录。聚合酶能够启动转录。第37页，讲稿共87张，创作于星期日关闭状态的色氨酸操纵子关闭状态的色氨酸操纵子 当色氨
23、酸含量丰富时，色氨酸与色氨酸阻遏蛋白结合，使当色氨酸含量丰富时，色氨酸与色氨酸阻遏蛋白结合，使其能够与操纵序列结合，抑制转录。色氨酸被称为辅阻遏剂其能够与操纵序列结合，抑制转录。色氨酸被称为辅阻遏剂（corepressor）。）。第38页，讲稿共87张，创作于星期日色氨酸操纵子色氨酸操纵子 mRNA 前导序列前导序列第39页，讲稿共87张，创作于星期日前导序列前导序列L的结构特点：的结构特点：可转录生成一段长为可转录生成一段长为162bp、内含、内含4个特殊序列的前导个特殊序列的前导mRNA其中序列其中序列1有独立的起始和终止密码，可翻译成为一个有有独立的起始和终止密码，可翻译成为一个有14个
24、氨基个氨基酸残基的前导肽酸残基的前导肽序列序列1和序列和序列2间、序列间、序列2和序列和序列3间、序列间、序列3和序列和序列4间存在一些互间存在一些互补序列，分别都可以形成发夹结构补序列，分别都可以形成发夹结构序列序列4下游有一个连续下游有一个连续U序列，是一个不依赖序列，是一个不依赖因子的转录终止因子的转录终止信号信号第40页，讲稿共87张，创作于星期日UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 1
25、4aa14aa前导肽编码区前导肽编码区:包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱：序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUU第41页，讲稿共87张，创作于星期日转录中的色氨酸操纵子转录中的色氨酸操纵子 当色氨酸的浓度降低时，核蛋白体在合成前导肽的两个色氨当色氨酸的浓度降低时，核蛋白体在合成前导肽的两个色氨酸部位上出现暂停，占据了序列酸部位上出现暂停，占据了序列1。而此时的转录仍在进行，序。而此时的转录仍在进行，序列列2和序列和序列3形成了稳定的形成了稳定的2:3茎茎-环结构环结构。RNA聚合酶可以转录聚合酶可以转录5
26、个结个结构基因。构基因。第42页，讲稿共87张，创作于星期日转录衰减子终止了转录转录衰减子终止了转录 当色氨酸含量丰富时，有足够的色氨酸用于合成前导肽。核当色氨酸含量丰富时，有足够的色氨酸用于合成前导肽。核蛋白体可顺利通过序列蛋白体可顺利通过序列1，并继续向前与序列，并继续向前与序列2结合。核蛋白体与结合。核蛋白体与序列序列1和序列和序列2的结合，使序列的结合，使序列3和序列和序列4形成了形成了3:4茎茎-环结构环结构。这一。这一结构与随后的多聚结构与随后的多聚U序列使序列使RNA聚合酶终止了转录。聚合酶终止了转录。第43页，讲稿共87张，创作于星期日第44页，讲稿共87张，创作于星期日衰减子
27、（衰减子（attenuator）前导序列起到了随前导序列起到了随trp浓度升高而降低转录的浓度升高而降低转录的作用，故将操纵子前导区内一段类似于终止子结作用，故将操纵子前导区内一段类似于终止子结构的构的DNA序列称为序列称为衰减子衰减子，其作用是减弱操纵子，其作用是减弱操纵子的转录，实现对转录过程的精确调节。在的转录，实现对转录过程的精确调节。在trp操纵操纵子中，阻遏蛋白对结构基因转录的负调控起到粗子中，阻遏蛋白对结构基因转录的负调控起到粗调作用，而衰减子起到精调的作用。调作用，而衰减子起到精调的作用。第45页，讲稿共87张，创作于星期日（二）（二）SD序列影响翻译起始速度序列影响翻译起始速
28、度（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的结合实的结合实现翻译起始的调控现翻译起始的调控（四）（四）mRNA密码子的编码频率影响翻译的延伸速度密码子的编码频率影响翻译的延伸速度第46页，讲稿共87张，创作于星期日第三节第三节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控第47页，讲稿共87张，创作于星期日真核生物的基因表达调控比原核生物复杂得多：真核生物的基因表达调控比原核生物复杂得多：1.真核基因组比原核基因组大得多真核基因组比原核基因组大得多2.真核基因组只有真核基因组只有10%的编码序列，其余序列功能尚不清楚的编码序列，其余序列功能尚不清楚3.真核生物编码蛋
29、白质的基因不连续真核生物编码蛋白质的基因不连续4.真核生物是单顺反子结构真核生物是单顺反子结构5.真核生物真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构成染色质，在细胞核内与多种蛋白质结合构成染色质，这种复杂结构直接影响着基因表达这种复杂结构直接影响着基因表达6.真核生物的遗传信息不仅存在于核真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在于线粒上，还存在于线粒体体DNA上上第48页，讲稿共87张，创作于星期日真核生物体系的基因表达要比原核生物体系基因表达复杂的多，真核生物体系的基因表达要比原核生物体系基因表达复杂的多，其原因在于：其原因在于：1.大小不同。大小不同。大肠杆菌基因组的长度为大肠杆菌基
30、因组的长度为4 106bp，约有，约有4000个个基因；而哺乳类基因组的长度为基因；而哺乳类基因组的长度为 109bp，约有，约有3万万3.5万个基万个基因。因。2.编码特性不同。编码特性不同。原核基因组的大部分序列都是编码基因；而哺原核基因组的大部分序列都是编码基因；而哺乳类基因组中只有乳类基因组中只有10%的序列编码蛋白质、的序列编码蛋白质、rRNA和和tRNA等，等，其余其余90%的序列功能至今尚不清楚。的序列功能至今尚不清楚。第49页，讲稿共87张，创作于星期日3.连续性不同。连续性不同。原核生物的基因是连续的，转录后即可被翻译原核生物的基因是连续的，转录后即可被翻译成为蛋白质；而真核
31、生物编码蛋白质的基因是不连续的，含有成为蛋白质；而真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，含有外显子和内含子。转录产物需去除内含子后，才能成为成熟的外显子和内含子。转录产物需去除内含子后，才能成为成熟的mRNA。4.排列方式不同。排列方式不同。原核生物的基因是以串联的形式排列的，可原核生物的基因是以串联的形式排列的，可转录出多顺反子的转录出多顺反子的mRNA；而真核生物是一个结构基因转录；而真核生物是一个结构基因转录生成一条生成一条mRNA，即，即mRNA是单顺反子。真核细胞的许多功能是单顺反子。真核细胞的许多功能蛋白是由多个多肽链构成的，因此需要多个基因的协调表达。蛋白是由多个多肽链构成的，因此
32、需要多个基因的协调表达。第50页，讲稿共87张，创作于星期日5.序列重复度不同。序列重复度不同。原核基因组中基本上没有重复序列；而真原核基因组中基本上没有重复序列；而真核细胞基因组存在着大量的重复序列（核细胞基因组存在着大量的重复序列（repetitive sequence）。）。6.存在的形式不同。存在的形式不同。原核基因组是裸露的环状双链原核基因组是裸露的环状双链DNA；而真核；而真核基因组与组蛋白结合构成了核小体，具有串珠形状的双链基因组与组蛋白结合构成了核小体，具有串珠形状的双链DNA再经盘绕和浓缩后形成染色质，组装在细胞核内。再经盘绕和浓缩后形成染色质，组装在细胞核内。7.遗传信息的
33、载体不同。遗传信息的载体不同。原核基因组的遗传信息存在于原核基因组的遗传信息存在于DNA上；而真核生物的遗传信息不仅存在于核上；而真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在线粒体上，还存在线粒体DNA上。上。第51页，讲稿共87张，创作于星期日8.基因表达的时空性不同。基因表达的时空性不同。原核细胞中基因表达在同一空间完原核细胞中基因表达在同一空间完成，而且时间性差异也较小，而真核细胞中细胞核的存在使得成，而且时间性差异也较小，而真核细胞中细胞核的存在使得转录和翻译过程表现出空间和时间上的差异。转录和翻译过程表现出空间和时间上的差异。9.基本调节方式不同。基本调节方式不同。处于基本状态下的
34、原核生物基因转录具处于基本状态下的原核生物基因转录具有天然活性，因此多采用负调控机制；虽然真核细胞具有天然活性，因此多采用负调控机制；虽然真核细胞具有正、负两种调节机制，但是正性调节是主要形式，即有正、负两种调节机制，但是正性调节是主要形式，即需要使得每个真核细胞基因活化才能被转录。需要使得每个真核细胞基因活化才能被转录。第52页，讲稿共87张，创作于星期日第53页，讲稿共87张，创作于星期日一、真核生物染色质结构直接影响基因转录一、真核生物染色质结构直接影响基因转录1.转录活化的染色质对核酸酶极为敏感转录活化的染色质对核酸酶极为敏感被激活的染色质上常出现一些对核酸酶高度敏感的位点，称之被激活
35、的染色质上常出现一些对核酸酶高度敏感的位点，称之超敏感超敏感位点（位点（hypersensitive site）。）。超敏感位点通常位于被活化基因的超敏感位点通常位于被活化基因的5-侧翼区侧翼区1000bp内，但有时也内，但有时也会出现在更远的会出现在更远的5-侧翼区或侧翼区或3-侧翼区。侧翼区。许多超敏感位点是核小体相对缺少的区域，使得调节蛋白易与之结合。许多超敏感位点是核小体相对缺少的区域，使得调节蛋白易与之结合。第54页，讲稿共87张，创作于星期日2.转录活化的染色质的组蛋白发生改变转录活化的染色质的组蛋白发生改变 富含富含Lys的的H1组蛋白水平降低组蛋白水平降低 H2A-H2B二聚体
36、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 组蛋白乙酰化酶（组蛋白乙酰化酶（HAT）组蛋白去乙酰化酶（组蛋白去乙酰化酶（HDAC）第55页，讲稿共87张，创作于星期日3.RNA3.RNA聚合酶结合位点的上游和下游具有不同的超聚合酶结合位点的上游和下游具有不同的超螺旋构象螺旋构象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第56页，讲稿共87张，创作于星期日4.CpG4.CpG岛甲基化水平降低岛甲基化水平降低 真核生物真核生物真核生物真核生物DNA
37、DNADNADNA中，约有中，约有中，约有中，约有5 5 5 5的胞嘧啶被甲基化的胞嘧啶被甲基化的胞嘧啶被甲基化的胞嘧啶被甲基化为为为为5-5-5-5-甲基胞嘧啶，并与其甲基胞嘧啶，并与其甲基胞嘧啶，并与其甲基胞嘧啶，并与其3333的鸟嘌呤形成的鸟嘌呤形成的鸟嘌呤形成的鸟嘌呤形成CpGCpGCpGCpG结结结结构。发生在基因构。发生在基因构。发生在基因构。发生在基因5555侧翼区的侧翼区的侧翼区的侧翼区的CpGCpGCpGCpG结构称为结构称为结构称为结构称为CpGCpGCpGCpG岛。岛。岛。岛。染色质甲基化程度与基因转录的活化状态呈反染色质甲基化程度与基因转录的活化状态呈反染色质甲基化程度
38、与基因转录的活化状态呈反染色质甲基化程度与基因转录的活化状态呈反比。管家基因多富含比。管家基因多富含比。管家基因多富含比。管家基因多富含CpGCpGCpGCpG岛，并且岛，并且岛，并且岛，并且CpGCpGCpGCpG岛中胞嘧啶多岛中胞嘧啶多岛中胞嘧啶多岛中胞嘧啶多处在非甲基化的状态。处在非甲基化的状态。处在非甲基化的状态。处在非甲基化的状态。第57页，讲稿共87张，创作于星期日DNADNA甲基化（甲基化（甲基化（甲基化（DNA methylationDNA methylation）CGCG岛（岛（岛（岛（CG islandCG island）：基因组）：基因组）：基因组）：基因组DNADNA中
39、富含中富含中富含中富含GCGC碱基的区域，碱基的区域，碱基的区域，碱基的区域，其中一些对称序列中的其中一些对称序列中的其中一些对称序列中的其中一些对称序列中的 5-CG-3 5-CG-3 二核苷酸的胞嘧啶（二核苷酸的胞嘧啶（二核苷酸的胞嘧啶（二核苷酸的胞嘧啶（C C）常被甲基化修饰；常被甲基化修饰；常被甲基化修饰；常被甲基化修饰；与基因的失活有关与基因的失活有关与基因的失活有关与基因的失活有关。DNADNA甲基转移酶（甲基转移酶（甲基转移酶（甲基转移酶（DNA methyltransferase,DNMTDNA methyltransferase,DNMT）维持性维持性维持性维持性DNMTDN
40、MT（maintenance DNMTmaintenance DNMT）：使）：使）：使）：使DNADNA甲基化甲基化甲基化甲基化 的模式（的模式（的模式（的模式（patternpattern）在细胞分裂中得以保持（可遗传性）在细胞分裂中得以保持（可遗传性）在细胞分裂中得以保持（可遗传性）在细胞分裂中得以保持（可遗传性）构建性构建性构建性构建性DNMTDNMT（establishment DNMT;de novo DNMTestablishment DNMT;de novo DNMT）：）：）：）：使非甲基化的使非甲基化的使非甲基化的使非甲基化的DNADNA模板甲基化模板甲基化模板甲基化模板甲
41、基化 DNADNA甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精 卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。第58页，讲稿共87张，创作于星期日胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶C C的甲基化修饰的甲基化修饰的甲基化修饰的甲基化修饰DNADNA甲基化甲基化甲基化甲基化 pattern pattern 维持
42、的方式（维维持的方式（维维持的方式（维维持的方式（维持性持性持性持性DNMTDNMT的作用）的作用）的作用）的作用）第59页，讲稿共87张，创作于星期日 表观遗传（表观遗传（epigenetics）是指是指DNA序列不发生序列不发生变化，但基因表达却发生了可遗传的改变。这种变化，但基因表达却发生了可遗传的改变。这种改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质发生的改变，且这种改变在发育和细胞增殖过质发生的改变，且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定传递。程中能稳定传递。表观遗传的现象很多，已知的有表观遗传的现象很多，已知的有DNA甲基化，基甲基化，基因
43、组印记（因组印记（genomic impriting）和）和DNA编辑编辑（RNA editing）、基因沉默、核仁显性和休眠）、基因沉默、核仁显性和休眠转座子激活等。转座子激活等。第60页，讲稿共87张，创作于星期日二、转录速度决定二、转录速度决定RNA合成效率合成效率（一）顺式作用元件可直接影响基因表达活性（一）顺式作用元件可直接影响基因表达活性1.启动子启动子2.增强子增强子3.沉默子沉默子第61页，讲稿共87张，创作于星期日1.真核生物启动子结构和调节较原核生物复杂真核生物启动子结构和调节较原核生物复杂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
44、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盒盒第62页，讲稿共87张，创作于星期日 TATATATATATATATA盒（盒（盒（盒（TATA boxTATA boxTATA boxTATA box）：位于）：位于）：位于）：位于-25 -35-25 -35-25 -35-25 -35处，一致保守序处，一致保守序处，一致保守序处，一致保守序列为列为列为列为TATAAAATATAAAATATAAAATATAAAA CAAT CAAT CAAT CAAT 盒（盒（盒（盒（CAAT boxCAAT
45、boxCAAT boxCAAT box）：位于）：位于）：位于）：位于-70 -80-70 -80-70 -80-70 -80处，保守序列为处，保守序列为处，保守序列为处，保守序列为CCAATCCAATCCAATCCAAT GC GC GC GC 盒盒盒盒 （GC boxGC boxGC boxGC box）：位于）：位于）：位于）：位于-80 -110-80 -110-80 -110-80 -110处，保守序列为处，保守序列为处，保守序列为处，保守序列为GCCACACCCGCCACACCCGCCACACCCGCCACACCC或或或或GGGCGGG GGGCGGG GGGCGGG GGGCGG
46、G 第63页，讲稿共87张，创作于星期日 2.增强子是一种能够提高转录的顺式调控元件增强子是一种能够提高转录的顺式调控元件 远离转录起始点，决定基因的时间、空间特远离转录起始点，决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，其序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。发挥作用的方式通常与方向、距离无关。长度大约是长度大约是200bp,可使旁侧的基因效率提高可使旁侧的基因效率提高100倍。增强子由若干组件构成，基本核心组件倍。增强子由若干组件构成，基本核心组件常为常为812bp，可以单拷贝或多拷贝串联的形式，可以单拷贝或多拷贝串联的形式存在。存在
47、。第64页，讲稿共87张，创作于星期日增强子的功能及其作用特征：增强子的功能及其作用特征：1.增强子与被调控基因位于同一条增强子与被调控基因位于同一条DNA链上，属于链上，属于顺式作用元件顺式作用元件2.增强子是组织特异性转录因子的结合部位增强子是组织特异性转录因子的结合部位3.增强子不仅能够在基因的上游和下游起作用，而增强子不仅能够在基因的上游和下游起作用，而且还可以远距离实施调节作用且还可以远距离实施调节作用4.增强子作用与序列的方向性无关增强子作用与序列的方向性无关5.增强子需要有启动子才能发挥作用增强子需要有启动子才能发挥作用第65页，讲稿共87张，创作于星期日3.沉默子能够抑制基因的
48、转录沉默子能够抑制基因的转录 沉默子是沉默子是沉默子是沉默子是是一种参与基因表达的负性调控元件，对是一种参与基因表达的负性调控元件，对是一种参与基因表达的负性调控元件，对是一种参与基因表达的负性调控元件，对基因的转录具有抑制作用。基因的转录具有抑制作用。基因的转录具有抑制作用。基因的转录具有抑制作用。沉默子的作用不受序列方向的影响，也能远距离发沉默子的作用不受序列方向的影响，也能远距离发沉默子的作用不受序列方向的影响，也能远距离发沉默子的作用不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。挥作用，并可对异源基因的表达起作用。挥作用，并可对异源基因的表达起作用。挥作用，并可对
49、异源基因的表达起作用。第66页，讲稿共87张，创作于星期日第67页，讲稿共87张，创作于星期日第68页，讲稿共87张，创作于星期日（二）转录因子是转录调控的关键分子（二）转录因子是转录调控的关键分子转录因子一般含有三个不同的功能结构域：转录因子一般含有三个不同的功能结构域：DNA 结合结构域结合结构域 转录激活结构域转录激活结构域 与其他蛋白质结合的结构域与其他蛋白质结合的结构域反式作用因子的作用是调控靶基因表达效率的蛋白质。又称反式作用因子的作用是调控靶基因表达效率的蛋白质。又称反式作用因子的作用是调控靶基因表达效率的蛋白质。又称反式作用因子的作用是调控靶基因表达效率的蛋白质。又称为转录因子
50、，能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件为转录因子，能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件为转录因子，能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件为转录因子，能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件的（的（的（的（8bp12bp8bp12bp8bp12bp8bp12bp）核心序列上，参与调控靶基因表达效率的蛋白）核心序列上，参与调控靶基因表达效率的蛋白）核心序列上，参与调控靶基因表达效率的蛋白）核心序列上，参与调控靶基因表达效率的蛋白质。质。质。质。第69页，讲稿共87张，创作于星期日1.转录因子利用特定的蛋白质模体与转录因子利用特定的蛋白质模体与DNA结合结合（1）锌指模体结构：）锌指模体结