第14章基因表達(dá)調(diào)控

1、會計(jì)學(xué)1第第14章基因表達(dá)調(diào)控章基因表達(dá)調(diào)控第1頁/共39頁一、基因表達(dá)的概念一、基因表達(dá)的概念* * 基因組基因組(genome)一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。整套基因。基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過程。功能的蛋白質(zhì)分子的過程。* * 基因表達(dá)基因表達(dá)(gene expression)基因表達(dá)是受調(diào)控的基因表達(dá)是受調(diào)控的目目 錄錄第2頁/共39頁二、基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性二、基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性（一）時(shí)間特異性（一）時(shí)間特異性按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按按功能需

2、要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間時(shí)間特異性特異性(temporal specificity)。 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階階段特異性段特異性(stage specificity)。目目 錄錄第3頁/共39頁（二）空間特異性（二）空間特異性基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性細(xì)胞或組織特異性(cell or ti

3、ssue specificity)。在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的稱之為基因表達(dá)的空間特異性空間特異性(spatial specificity)。目目 錄錄第4頁/共39頁三、基因表達(dá)的方式三、基因表達(dá)的方式按對刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：按對刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：（一）組成性表達(dá)（一）組成性表達(dá)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因管家基因(housekeeping gene)。第5頁/共39

4、頁無論表達(dá)水平高低，管家基因無論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境較少受環(huán)境因素影響因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長階段的大多數(shù)，而是在個(gè)體各個(gè)生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性基組成性基因表達(dá)因表達(dá)(constitutive gene expression)。第6頁/共39頁（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)-可調(diào)控表達(dá)可調(diào)控表達(dá)在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基

5、因稱為可誘導(dǎo)可誘導(dǎo)基因基因?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程，稱為，稱為誘導(dǎo)誘導(dǎo)(induction)。 如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為降低的過程稱為阻遏阻遏(repression)。第7頁/共39頁四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個(gè)體發(fā)育與分化（二）維持個(gè)體發(fā)育與分化第8頁/共39頁五、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理五、基因表達(dá)調(diào)控的

6、基本原理（一）基因表達(dá)的多級調(diào)控（一）基因表達(dá)的多級調(diào)控基因基因激活激活轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾翻譯后加工修飾轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始第9頁/共39頁（二）基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素（二）基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素基因表達(dá)的調(diào)節(jié)與基因表達(dá)的調(diào)節(jié)與基因基因的結(jié)構(gòu)、性的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個(gè)體或細(xì)胞所處的內(nèi)、外質(zhì)，生物個(gè)體或細(xì)胞所處的內(nèi)、外環(huán)境環(huán)境，以及細(xì)胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄，以及細(xì)胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白有有關(guān)。關(guān)。1. 特異特異DNA序列和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)序列和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)第10頁/共39頁原核生物原核生物 蛋白質(zhì)因子蛋白質(zhì)因

7、子 操縱子操縱子(operon) 機(jī)制機(jī)制特異特異DNA序列序列編碼序列編碼序列 啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列 操縱序列操縱序列 其他調(diào)節(jié)序列其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)第11頁/共39頁是是RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異的特異DNA序列。序列。1) 啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列RNA轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)區(qū)-10區(qū)區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAA

8、T共有序列共有序列第12頁/共39頁2 2 操縱序列操縱序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)當(dāng)操縱序列結(jié)合有當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白阻遏蛋白時(shí)，會阻礙時(shí)，會阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是RNA聚聚合酶不能沿合酶不能沿DNA向前移動(dòng)向前移動(dòng) ，阻礙轉(zhuǎn)錄。，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列編碼序列編碼序列操縱序列操縱序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白第13頁/共39頁真核生物真核生物1) 順式作用元件順式作用元件(cis-acting element)可影響自身基因表達(dá)活性的可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列序列BADNA編碼序列編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)

9、轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列一些共有序列 ，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，這盒等，這些共有序列是些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。結(jié)合位點(diǎn)。 第14頁/共39頁2 2) ) 真核基因的調(diào)節(jié)蛋白真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達(dá)調(diào)節(jié)自身基因的表達(dá)，稱，稱順式作用順式作用。由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相通過與另一基因的特異

10、的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達(dá)?；プ饔?，調(diào)節(jié)其表達(dá)。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) 這種調(diào)節(jié)作用稱為這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用反式作用。 第15頁/共39頁指的是反式作用因子與順式作用元件之指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結(jié)合。通常是非共價(jià)結(jié)合，間的特異識別及結(jié)合。通常是非共價(jià)結(jié)合，被識別的被識別的DNA結(jié)合位點(diǎn)通常呈對稱、或不完結(jié)合位點(diǎn)通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)。全對稱結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合DNA前，需通前，需通過蛋白質(zhì)過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體二聚體(dimer)或或多聚體多

11、聚體(polymer)。2. DNA - 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的相互作用的相互作用第16頁/共39頁3. RNA聚合酶聚合酶 原核啟動(dòng)序列原核啟動(dòng)序列/真核啟動(dòng)子與真核啟動(dòng)子與RNA聚合酶聚合酶活性活性 RNA聚合酶與其的親和力聚合酶與其的親和力，影響轉(zhuǎn)錄。影響轉(zhuǎn)錄。 調(diào)節(jié)蛋白與調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性聚合酶活性一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號刺激下表一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號刺激下表達(dá)達(dá)，然后通過然后通過DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互蛋白質(zhì)相互作用影響作用影響RNA聚合酶活性。聚合酶活性。第17頁/共39頁Regulation of Prokaryot

12、ic Gene Transcription第18頁/共39頁調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)（一一）因子決定因子決定RNA聚合酶識別特異性聚合酶識別特異性（二）操縱子模型的普遍性（二）操縱子模型的普遍性（三）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性（三）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性第19頁/共39頁二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制（一一）乳糖操縱子乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位結(jié)合位點(diǎn)點(diǎn)啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列操縱序列操縱序列 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶

13、：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA第20頁/共39頁mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)沒有乳糖存在時(shí)（二二）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因阻遏基因第21頁/共39頁mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶第22頁/共39頁+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)濃度高時(shí)有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)濃度低時(shí)（三三）CAP的正性調(diào)節(jié)的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第23頁/共39頁Regul

14、ation of Eukaryotic Gene Transcription第24頁/共39頁一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動(dòng)哺乳類動(dòng)物基因組物基因組DNA 約約 3 10 9 堿基對堿基對編碼基因編碼基因約約 有有 40000 個(gè)個(gè)，占總長的占總長的6 %rDNA等重復(fù)基因等重復(fù)基因約約 占占 5% 10%第25頁/共39頁（二）單順反子二）單順反子單順反子單順反子(monocistron) 即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。（三）重復(fù)序列三）重

15、復(fù)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（高度重復(fù)序列（106 次）次）中度重復(fù)序列（中度重復(fù)序列（103 104次）次）多拷貝序列多拷貝序列（四）基因不連續(xù)性四）基因不連續(xù)性第26頁/共39頁二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)（一）一）RNA聚合酶聚合酶（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化1. 對核酸酶敏感對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點(diǎn)，位于調(diào)節(jié)蛋活化基因常有超敏位點(diǎn)，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)附近。白結(jié)合位點(diǎn)附近。第27頁/共39頁2. DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化天然雙鏈天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在；均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在；基因活化

16、后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向3. DNA堿基修飾變化堿基修飾變化真核真核DNA約有約有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達(dá)程度呈反比。甲基化范圍與基因表達(dá)程度呈反比。第28頁/共39頁4. 組蛋白變化組蛋白變化 富含富含Lys組蛋白水平降低組蛋白水平降低 H2A, H2B二聚體不穩(wěn)定性增加二聚體不穩(wěn)定性增加 組蛋白修飾組蛋白修飾 H3組蛋白巰基暴露組蛋白巰基暴露（三三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)（四四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工第29頁/共39頁三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)三

17、、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)（一）順式作用元件一）順式作用元件1. 啟動(dòng)子啟動(dòng)子真核基因啟動(dòng)子是真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上以及一個(gè)以上的的功能組件功能組件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒第30頁/共39頁2. 增強(qiáng)子增強(qiáng)子(enhancer)指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、空間特異性、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的空間特異性、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序序列。列。3. 沉默子沉默子(silencer)某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異某些基因的

18、負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。蛋白因子時(shí)，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。第31頁/共39頁（二）反式作用因子二）反式作用因子 1. 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）* 基本轉(zhuǎn)錄因子基本轉(zhuǎn)錄因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子，決定三種白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。轉(zhuǎn)錄的類別。第32頁/共39頁* 特異轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子(special transcription factors)為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，

19、決定該基因的為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)。時(shí)間、空間特異性表達(dá)。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子轉(zhuǎn)錄抑制因子第33頁/共39頁2. 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）（二聚化結(jié)構(gòu)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34頁/共39頁（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)-可調(diào)控表達(dá)可調(diào)控表達(dá)在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)可誘導(dǎo)基因基因?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程，稱為，