基因表達調(diào)控級臨床醫(yī)學

1、關于基因表達調(diào)控級臨床醫(yī)學第一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月概 述基因表達調(diào)控: 生物體隨時調(diào)整不同基因的表達狀態(tài),以適應環(huán)境、維持生長和發(fā)育需要。 主要是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控第二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月基因表達(轉(zhuǎn)錄)調(diào)控的物質(zhì)基礎1.DNA序列：有特征性的序列2.調(diào)控蛋白(因子)： DNA-蛋白質(zhì)(轉(zhuǎn)錄因子)相互作用 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用 第三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月基因表達的調(diào)控方式: 阻遏負調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列 基因的表達 (相應蛋白質(zhì)降低) 促進正調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列 基因的表達 (相應蛋白質(zhì)增加)第四張，PPT共一

2、百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié)基因表達調(diào)控的基本概念Basic Conceptions of Gene Expression Regulation第五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、基因表達是指基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程遺傳學：基因就是遺傳的基本單位或單元，含有編碼一種RNA，大多數(shù)情況是編碼一種多肽的信息單位。分子生物學：基因是負載特定遺傳信息的DNA片段，可以編碼單個具有生物功能的產(chǎn)物。如RNA;多數(shù)情況下還有多肽鏈。其結(jié)構(gòu)包括由DNA編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列、內(nèi)含蛋白質(zhì)子組成的DNA區(qū)域。第六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月(一)基因基因 為生物活性產(chǎn)物

3、編碼的 DNA 功能片段,這些產(chǎn)物主要是蛋白質(zhì)或各種RNA。注意：cDNA第七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）基因組基因組(genome)是指含有一個生物體生存、發(fā)育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸（DNA）。第八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）基因表達基因表達是指儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。典型的基因表達是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。即 基因表達= 基因轉(zhuǎn)錄 +，多數(shù)還要 翻譯。 注意： 經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工產(chǎn)生成熟的rRNA或tRNA,也屬于基因表達。第九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2

4、022年6月一般說，同一個體的所有細胞生物個體的各種組織細胞都有相同的染色體數(shù)目，每個細胞含的DNA量基本相近，均含有一套相同的基因組。但基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來，即使極簡單的生物(如最簡單的病毒)，其基因組所含的全部基因也不是以同樣的強度同時表達的。大腸桿菌基因組含有約4000個基因，一般情況下只有510%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達，有的就暫時不表達。進一步說明：1第十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月哺乳類基因組更復雜，人的基因組約含有5萬個基因，但在一個組織細胞中通常只有一部分基因表達，多數(shù)基因處在沉靜狀態(tài)，典型的哺乳類細胞中開放轉(zhuǎn)錄的基

5、因約在1萬個上下，即使蛋白質(zhì)合成量比較多、基因開放比例較高的肝細胞，一般也只有不超過30%的基因處于表達狀態(tài)。心心進一步說明：2第十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、基因表達具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性（階段特異性）按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporal specificity)。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stage specificity)。 第十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一個受精卵含有發(fā)育成一個成熟個體的全部遺傳信息，在個體發(fā)育分化的各個階段，各種基因極為

6、有序地表達，隨著分化發(fā)展，細胞中某些基因關閉、某些基因轉(zhuǎn)向開放。發(fā)育不同階段、不同部位的細胞中開放的基因及其開放的程度不一樣，即使是同一個細胞，處在不同的細胞周期狀態(tài)，其基因的表達和蛋白質(zhì)合成的情況也不盡相同，這種細胞生長過程中基因表達調(diào)控的變化，正是細胞生長繁殖的基礎。進一步說明：第十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）空間特異性（組織特異性）在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatial specificity)?；虮磉_伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組

7、織特異性(cell or tissue specificity)。第十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月生物個體的各種組織細胞一般都有相同的染色體數(shù)目，每個細胞含的DNA量基本相近，一樣含有個體發(fā)育、生存和繁殖的全部遺傳信息。但這些遺傳信息的表達是受到嚴格調(diào)控的，通常各組織細胞只合成其自身結(jié)構(gòu)和功能所需要的蛋白質(zhì)。不同組織細胞中不僅表達的基因數(shù)量不相同，而且基因表達的強度和種類也各不相同，這就是基因表達的空間特異性or組織特異性。進一步說明：第十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、基因表達的方式及調(diào)節(jié)存在很大差異（一）基本表達(組成性表達)： 指不大受環(huán)境變動而變

8、化的一類基因表達。某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因(housekeeping gene)。第十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達(constitutive gene expression)。這些基因表達也不是一成不變的，其表達強弱也是受一定機制調(diào)控的。第十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）誘導和阻遏環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。因環(huán)境條件變化導致基因表達水

9、平- 增高的現(xiàn)象稱為誘導(induction)，這類基因被稱為可誘導的基因(inducible gene)；降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應的基因被稱為可阻遏的基因(repressible gene)。 第十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月四、基因表達調(diào)控為生物體生長、發(fā)育所必需(生物學意義)（一）適應環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個體發(fā)育與分化第十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 基因表達調(diào)控的基本原理一、基因表達調(diào)控的多層次和復雜性目前巳知，至少有以下幾個環(huán)節(jié)可參與調(diào)控：1.基因激活2.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控：轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄后加工及轉(zhuǎn)運3.翻譯

10、水平的調(diào)控：核糖體循環(huán)、翻譯后加工第二十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(transcriptional level)目前巳知的及正在研究的大多數(shù)基因表達調(diào)控都屬于此類，特別是轉(zhuǎn)錄起始(激活)。第二十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進一步說明1：轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控主要有轉(zhuǎn)錄起始(激活)、轉(zhuǎn)錄后加工及轉(zhuǎn)運等。對于細胞來說,它不應合成超過它所需要mRNA,即不浪費原料和能量。 因此這是一種最經(jīng)濟的辦法,可以免去浪費從mRNA合成蛋白質(zhì)的各種元件和材料。這大概是生物在長期進化過程中自然選擇的結(jié)果。 所以講義上說：轉(zhuǎn)錄起始是基因表達的基本控制點。第二十二張，PP

11、T共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進一步說明2： 翻譯水平的調(diào)控(translational level)包括核糖體循環(huán)、翻譯后加工。是在mRNA合成后,控制從mRNA翻譯成多肽鏈的速度,包含一些分子裝置問題,如與核糖體的結(jié)合速度等。這種調(diào)控是較少的，或者說不太了解。 第二十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月基因表達調(diào)控第二十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、基因轉(zhuǎn)錄激活受到轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白與啟動子相互作用的調(diào)節(jié) (基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素)基因表達的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個體或細胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白有關。基因表達(轉(zhuǎn)錄)調(diào)控

12、的物質(zhì)基礎1.DNA序列：有特征性的序列2.調(diào)控蛋白： DNA-蛋白質(zhì)(轉(zhuǎn)錄因子)相互作用 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用3.環(huán)境:第二十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）特異DNA序列決定基因的轉(zhuǎn)錄活性基因上往往有些片（節(jié)）段參與表達調(diào)控，而且有一定規(guī)律性。1.原核生物參與表達調(diào)控的特異DNA序列原核生物中參與表達調(diào)控的特異DNA序列的代表為操縱子(operon) 。第二十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月背 景 操縱子學說 基因表達調(diào)控的許多成就是在研究E.coli的乳糖代謝調(diào)節(jié)時所取得的。法國巴斯德研究院的Francois Jacob(F.雅各布)，與Jacqu

13、es Monod（ J.莫諾 ）于1960年在法國科學院院報上發(fā)表了一篇論文,提出乳糖代謝中的半乳糖苷酶（水解乳糖成為半乳糖）和半乳糖苷透過酶（運輸乳糖到細胞中）兩個基因被一靠近它們的遺傳因子所調(diào)節(jié)。在此文中他們首先提出了操縱子(operon)和操縱基因(operator)的概念,并逐步形成了操縱子學說(theory of operon)，首次從分子水平認識基因表達的調(diào)控,這是一個劃時代的突破,因此他們二人于1965年榮獲諾貝爾醫(yī)學與生理學獎。 第二十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月操縱子的概念在原核生物的DNA鏈上由數(shù)個功能相關的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，受上游的調(diào)控元件控制，形成

14、一個轉(zhuǎn)錄單位,即（一個）操縱子。操縱子是原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單元。注意：操縱子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為一條mRNA鏈，上面帶有多個可編碼蛋白質(zhì)（多肽）的序列，所以這種mRNA也稱為多順反子（polycistron）。第二十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月操縱子（模型）的基本結(jié)構(gòu)對操縱子（元）研究最深入的就是E.coli的乳糖操縱子(lac operon)。 I P O Z Y aZ .Y. a -結(jié)構(gòu)基因P (promoter) -啟動子（啟動序列）O（oprator）-操縱區(qū)（操縱序列）注意：I -調(diào)控基因（調(diào)節(jié)基因）不屬于操縱子的基本結(jié)構(gòu)，但兩者有密切關系。上述的這些DNA片斷（序列

15、）在基因組中成簇串聯(lián)組成。第二十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 I C P O Z Y az、Y、a : 大腸桿菌編碼利用乳糖所需酶類的基因；P : 轉(zhuǎn)錄z、 Y 、 a所需要的啟動子；O : 操縱序列；能決定基因開放;I（ i ） :調(diào)控基因；能編碼合成調(diào)控蛋白R;C ：CAP（分解代謝物基因激活蛋白）結(jié)合位點。第三十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 進一步說明1 乳糖操縱元(子)的基本組成 (1)結(jié)構(gòu)基因群(z、y、a) 乳糖操縱元含有z、y和a三個結(jié)構(gòu)基因。 z基因編碼半乳糖苷酶，催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘呛推咸烟?；y基因編碼半乳糖透過酶，促使環(huán)境中的乳糖進入細

16、菌；a基因編碼轉(zhuǎn)乙?；?，催化半乳糖的乙?；?。z基因5側(cè)具有大腸桿菌核糖體識別結(jié)合位點特征的SD序列，因而當乳糖操縱元（子）開放時，核糖體能結(jié)合在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA上。由于z、y、a三個基因頭尾相接，上一個基因的翻譯終止碼靠近下一個基因的翻譯起始碼，因而同一個核糖體能沿此轉(zhuǎn)錄生成的多順反子mRNA移動，在翻譯合成了上一個基因編碼的蛋白質(zhì)后，不從mRNA上掉下來而繼續(xù)沿mRNA移動合成下一個基因編碼的蛋白質(zhì)，一氣依次合成基因群所編碼的所有蛋白質(zhì)。第三十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進一步說明2 (2)啟動子（P） 啟動子是指能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序

17、列。操縱元（子）至少有一個啟動子，一般在第一個結(jié)構(gòu)基因5側(cè)上游（非鄰居），控制整個結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。雖然不同的啟動子序列有所不同，但比較已經(jīng)研究過的上百種原核生物的啟動子的序列，發(fā)現(xiàn)有一些共同規(guī)律：在啟動子序列內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始點上游-10及-35區(qū)域存在一些相似序列的保守性段落稱為共有性序列(consensus sequences)，它們一般長4060bp。啟動子一般可分為識別、結(jié)合和起始三個區(qū)段。轉(zhuǎn)錄起始第一個堿基(通常標記位置為1)最常見的是A；在-10bp附近有TATAAT一組共有序列，因為這段共有序列是Pribnow首先發(fā)現(xiàn)的，稱為Pribnow盒(Pribnow box)；在-35

18、bp處又有TTGACA一組共有序列 。第三十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月是RNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。啟動序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列第三十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月原核生物基因轉(zhuǎn)錄起始區(qū)第三十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進一步說明3 (3) 操縱序

19、列（O）操縱序列(子)是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列。常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊，當調(diào)控蛋白（i 蛋白）結(jié)合在O上，會影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強弱。第三十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進一步說明4 (4)調(diào)控基因（ I or i ） 調(diào)控基因(regulatory gene)是編碼能與操縱序列(o)結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。一般認為，調(diào)控基因（調(diào)節(jié)基因）在上游的較遠處，不屬于操縱子的基本結(jié)構(gòu)（但也有人認為屬于操縱子），但無論如何兩者有密切關系。第三十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月調(diào)控蛋白有兩類：1.與操縱序列(o)結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的

20、調(diào)控蛋白稱為阻遏蛋白(repressive protein)，其介導的調(diào)控方式稱為負性調(diào)控(negative regulation)；2.與操縱子結(jié)合后能增強或起動調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為激活蛋白(activating protein)，所介導的調(diào)控方式稱為正性調(diào)控(positive regulation)。第三十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月某些特定的物質(zhì)（如某類蛋白質(zhì)因子）能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生變化，從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄的影響，這些特定物質(zhì)可稱為效應物(effector)-其中凡能引起誘導發(fā)生的分子稱為誘導劑(inducer)；能導致阻遏發(fā)生的分子稱

21、為阻遏劑或輔助阻遏劑(corepressor)。第三十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進一步說明5 (5)終止子終止子按其作用是否需蛋白因子的協(xié)助至少可以分為兩類：一類是不依賴因子的終止子。另一類是依賴因子(蛋白性終止因子)的終止子，即其終止轉(zhuǎn)錄的作用需要因子的協(xié)同，或至少是受因子的影響。第三十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月項目功 能結(jié)構(gòu)基因3個不同結(jié)構(gòu)基因能夠產(chǎn)生3種不同的酶.操縱基因是結(jié)構(gòu)基因的開關.通過對RNA聚合酶阻抑與否來控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄或停止.啟動子是RNA聚合酶與DNA結(jié)合的部位,可識別轉(zhuǎn)錄起始點.調(diào)控基因能產(chǎn)生阻抑物.通過阻抑物與操縱基因的結(jié)

22、合與否來控制操縱基因的關閉和開啟乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能第四十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進一步說明6啟動子、操縱子位于緊鄰結(jié)構(gòu)基因群的上游，終止子在結(jié)構(gòu)基因群之后，它們都在結(jié)構(gòu)基因的附近，只能對同一條DNA鏈上的基因表達起調(diào)控作用，這種作用稱為順式作用(cis action)，調(diào)控基因可以在結(jié)構(gòu)基因群附近、也可以遠離結(jié)構(gòu)基因，它是通過其基因產(chǎn)物調(diào)控蛋白來發(fā)揮作用的，因而調(diào)控基因不僅能對同一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起表達調(diào)控作用(順式作用)，而且能對不在一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起作用，稱為反式作用(transaction)。第四十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2

23、.真核生物參與表達調(diào)控的特異DNA序列原核基因組的大部分序列都為基因編碼，而真核生物基因組中僅約10%的序列為蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA等編碼，其余約90%的序列功能至今還不清楚。原核生物的基因為蛋白質(zhì)編碼的序列絕大多數(shù)是連續(xù)的，而真核生物為蛋白質(zhì)編碼的基因絕大多數(shù)是不連續(xù)的，即有外顯子和內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)剪接去除內(nèi)含子，才能翻譯獲得完整的蛋白質(zhì)，這就增加了基因表達調(diào)控的環(huán)節(jié)。第四十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月原核生物多數(shù)基因按功能相關成串排列，組成操縱元的基因表達調(diào)控的單元，共同開啟或關閉，轉(zhuǎn)錄出多順反子的mRNA；真核生物則是一個結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一條mRNA，即mRNA

24、是單順反子，基本上沒有操縱元（子）的結(jié)構(gòu)，同時很多真核生物的蛋白質(zhì)有多個亞基及相應的四級結(jié)構(gòu)，這就涉及到多個基因協(xié)調(diào)表達的問題。第四十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月真核基因表達調(diào)控的DNA序列-順式作用元件順式作用元件(cis acting elements) 概念：真核基因中與結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)并能調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的DNA序列，包括啟動子、增強子（沉默子）、加尾及終止信號等。注意：可以這樣理解，基因表達的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控元件- 原核為操縱子（元）；真核為順式作用元件。當然前者比后者簡單的多，且具有相當?shù)牡湫托约肮残?。三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)第四十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022

25、年6月順式作用元件(cis-acting element)可影響自身基因表達活性的DNA序列RNA聚合酶BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點mRNARNA聚合酶BADNA轉(zhuǎn)錄起始點mRNA圖13-2 順式作用元件第四十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達，稱順式作用。由某一基因表達產(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互作用，調(diào)節(jié)其表達。這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用。 第四十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月與原核基因類似，在順式作用元件中也會有共有序列，如TATA盒、CCAAT盒等，這些共有序列

26、是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。但與原核基因不同是，順式作用元件一般不含結(jié)構(gòu)基因，也不一定與被調(diào)控基因串聯(lián)，有時相距很遠，甚至不一定處于上游。第四十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白可以增強 或抑制轉(zhuǎn)錄活性DNA鏈上一些基因合成的調(diào)控另一基因的蛋白質(zhì)分子。它們可以與（被調(diào)控的）DNA結(jié)合（ DNA結(jié)合蛋白）；也可以與其它能影響DNA、調(diào)控DNA的蛋白質(zhì)結(jié)合（見后）。第四十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1.原核生物的調(diào)節(jié)蛋白： 均是DNA結(jié)合蛋白。分三類：（1）特異因子：決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力。（2）阻

27、遏蛋白：能結(jié)合特異DNA序列操縱序列，阻遏基因轉(zhuǎn)錄。（3）激活蛋白：能結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，增強RNA聚合酶活性。 例：分解（代謝物）基因激活蛋白（CAP）。第四十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2.真核生物的調(diào)節(jié)蛋白：調(diào)節(jié)蛋白多稱為轉(zhuǎn)錄因子，其主要就是反式作用因子(transacting factors)。第五十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié) mRNA C蛋白質(zhì)CbA mRNA蛋白質(zhì)AA圖13-3 反式與順式作用蛋白第五十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十二張，PP

28、T共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月反式作用因子概念：主要存在于真核生物的細胞內(nèi)的一類蛋白質(zhì)，通過與順式作用元件和RNA聚合酶的相互作用而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性。反式作用因子少數(shù)也是DNA結(jié)合蛋白；多數(shù)參與蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用。其次，有些基因可以合成調(diào)控自身基因的蛋白質(zhì)分子順式作用蛋白。注意：與原核基因不同，真核細胞RNA聚合酶通常不能單獨發(fā)揮轉(zhuǎn)錄作用，而需要被轉(zhuǎn)錄因子(主要就是反式作用因子)識別、結(jié)合后才被激活而發(fā)揮作用。第五十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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。通常是非共價結(jié)合，被識別的DNA結(jié)合位點通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)-

29、DNA-蛋白質(zhì)相互作用（三）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白通過與DNA或與蛋白質(zhì)相互作用對轉(zhuǎn)錄起始進行調(diào)節(jié)第五十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合DNA前，需通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)-蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用轉(zhuǎn)錄因子之間或轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合都會引起（調(diào)節(jié)蛋白、DNA）構(gòu)象的變化，從而影響轉(zhuǎn)錄的效率。第五十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）RNA聚合酶與基因的啟動 序列/啟動子相結(jié)合上述各種調(diào)控作用，最終影響RNA聚合酶活性。1.啟動序列/啟動子與RNA聚合酶活性： 巳證明，如果啟動序列/啟動子的共有序

30、列被置換為非共有序列；或?qū)有蛄械姆枪灿行蛄写怨灿行蛄?，則會得到使轉(zhuǎn)錄活性降低或增加兩種截然不同的結(jié)果。2.調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性 通過DNA-蛋白質(zhì)相互作用;蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用調(diào)節(jié)RNA聚合酶活性。第五十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月笫三節(jié) 原核基因表達調(diào)節(jié)一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點（一）因子決定RNA聚合酶識別特異性 在轉(zhuǎn)錄起始階段，因子識別特異啟動序列；不同的因子決定特異基因的轉(zhuǎn)錄激活，決定mRNA、rRNA和tRNA基因的轉(zhuǎn)錄。 （二）操縱子模型的普遍性(見后) 乳糖操縱子、阿拉伯糖操縱子、色氨酸操縱子等 第五十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年

31、6月（三）原核操縱子受到阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)原核基因調(diào)控普遍涉及特異阻遏蛋白參與的開、關調(diào)節(jié)機制。當阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合或解聚時，就會發(fā)生特異基因的阻遏或去阻遏。第五十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、操縱子調(diào)控模式在原核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)中具有普遍性（一）乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu)（見前） I P O Z Y aZ .Y. a -結(jié)構(gòu)基因P (promoter) -啟動子（啟動序列）O（oprator）-操縱區(qū)（操縱序列）注意：I -調(diào)控基因（調(diào)節(jié)基因）不屬于操縱子的基本結(jié)構(gòu)，但兩者有密切關系。上述的這些DNA片斷（序列）在基因組中成簇串聯(lián)組成。第五十九張，P

32、PT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖。當培養(yǎng)基中有葡萄糖和乳糖時，細菌優(yōu)先使用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，經(jīng)過短時間的適應，就能利用乳糖，細菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。大腸桿菌分解糖類概述第六十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月大腸桿菌利用乳糖至少需要3個酶：催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘呛推咸烟堑陌肴樘擒彰?；促使環(huán)境中的乳糖進入細菌的乳糖透過酶;催化半乳糖的乙酰化的轉(zhuǎn)乙?；?。第六十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月在環(huán)境中沒有乳糖或其他-半乳糖苷時，大腸桿菌合成-半乳糖苷酶量極少，加入乳糖23分鐘后，

33、細菌大量合成-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作為唯一碳源時，菌體內(nèi)的-半乳糖苷酶量可占到細菌總蛋白量的3%。這就是乳糖對lac operon的誘導作用。這種典型的誘導現(xiàn)象，是研究基因表達調(diào)控的極好模型。這個模型是人們第一次開始認識基因表達調(diào)控的分子機理。第六十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)-操縱子負性調(diào)控模式之一(分解代謝酶系的誘導表達)第六十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月沒有乳糖存在時， lac operon處于阻遏狀態(tài)。原因：調(diào)控基因i編碼合成的調(diào)控蛋白（阻遏蛋白）與O結(jié)合而阻礙從P開始的基因轉(zhuǎn)錄。1

34、. 阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)第六十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu) 調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列 結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶Y：乳糖透過酶A：(轉(zhuǎn))乙?；?轉(zhuǎn)移)酶ZYAOPDNA第六十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏基因第六十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月有乳糖存在時，乳糖能改變阻遏蛋白結(jié)構(gòu)使其不能與O結(jié)合，因而乳糖濃度增高時基因就開放，轉(zhuǎn)錄合成所編碼的酶類，這樣大腸桿菌就能適應外界乳糖供應的變化而改變,利用乳糖第六十七張，PPT共一百一十五頁

35、，創(chuàng)作于2022年6月mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶圖13-4 lac 操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)第六十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Jacob和Monod提出的lac operon模式第六十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月調(diào)控基因（I）調(diào)控基因(regulatory gene)是編碼能與操縱序列（O）結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。與操縱子結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為阻遏蛋白(repressive protein)，其介導的調(diào)控方式稱為負性調(diào)控(negative regulation)；與操

36、縱子結(jié)合后能增強或起動其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為激活蛋白(activating protein)，所介導的調(diào)控方式稱為正性調(diào)控(positive regulation)。第七十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2. CAP的正性調(diào)節(jié) CAP （分解代謝物基因激活蛋白）細菌中有一種能與cAMP特異結(jié)合的cAMP受體蛋白CRP，當CRP未與cAMP結(jié)合時它是沒有活性的，當cAMP濃度升高時，CRP與cAMP結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，此時就稱為CAP，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合。細菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代

37、謝有關，當細菌利用葡萄糖分解供給能量時，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當環(huán)境中無葡萄糖可供利用時，cAMP含量就升高。第七十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月在lac操縱元的啟動子Plac上游端有一段能與CAP特異結(jié)合，稱為CAP結(jié)合位點(CAp binding site)。 當有乳糖、無葡萄糖時， cAMP含量增加，隨之CAP 含量增加，CAP與CAP結(jié)合位點結(jié)合時，可增強RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。相反，當有葡萄糖可供分解利用時，cAMP濃度降低，CRP不能被活化， CAP 含量下降， lac操縱元的結(jié)構(gòu)基因表達下降。第七十三張，PPT共一百一十

38、五頁，創(chuàng)作于2022年6月+ + + + 轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時,CAP容易結(jié)合。有葡萄糖，cAMP濃度低時，CAP不易結(jié)合。ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第七十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進一步學習：由于P1ac是弱啟動子，所以僅單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使1ac操縱元轉(zhuǎn)錄開放也還是不能使細胞很好利用乳糖，必須同時有CAP來加強轉(zhuǎn)錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。第七十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)

39、錄活性。lac操縱元充分發(fā)揮作用，既需要有乳糖的存在，又沒有葡萄糖可供利用。通過這種機制，細菌優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無葡萄糖而又有乳糖時，細菌才去充分利用乳糖。第七十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對 lac 操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolic repression)。 第七十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月葡萄糖利用對乳糖操縱元的影響第七十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月其它轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機制(自學)除lac operon類型的調(diào)控

40、機制外，原核生物還有其它調(diào)控機制。第七十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月色氨酸操縱（子）元-操縱子負性調(diào)控模式之二（合成代謝酶系的阻遏表達）(自學)第八十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細菌提供足夠的色氨酸，細菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時，細菌就會充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負擔（轉(zhuǎn)錄衰減）。細菌所以能做到這點是因為有色氨酸操縱元(trp operon)的調(diào)控。第八十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月合成色氨酸所需要酶類的基因E、D、

41、C、B、A等頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱子O的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠離P-O-結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動子作用下，低水平表達調(diào)控蛋白R。第八十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月R并沒有與O結(jié)合的活性，當環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化，就能夠與O特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，因此這是屬于一種負性調(diào)控的、可阻遏的操縱元(repressible operon)，即這種操縱元通常是開放轉(zhuǎn)錄的，當有效應物(色氨酸為阻遏劑)作用時，則阻遏關閉轉(zhuǎn)錄。細菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱元都屬于這種類型，其調(diào)控可使細菌處在生存繁

42、殖最經(jīng)濟最節(jié)省的狀態(tài)。第八十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月操縱子正性調(diào)控模式（本課程不講?。┑诎耸膹?，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、原核生物具有不同的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)機制（見前述）（一）不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（二）依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止常見于噬菌體中，結(jié)構(gòu)特點不清楚。 兩段富含GC的反向重復序列，中間間隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。 終止子結(jié)構(gòu)特點：第八十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大真核基因組比原核基因組大得多，大腸桿菌基因組約4106bp，哺乳類基因組在3 10

43、9bp數(shù)量級，比細菌大千倍；大腸桿菌約有4000個基因，人則約有3-5萬個基因。哺乳類基因組中僅約10%的序列為蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA等編碼，編碼蛋白質(zhì)序列僅占總長的1%。其余約90%的序列功能至今還不清楚。第八十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子如前所述：原核細胞的多數(shù)基因按功能相關成串排列，組成操縱元形式的基因表達調(diào)控單元，共同開啟或關閉，轉(zhuǎn)錄出多順反子的mRNA；真核生物則是即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子(單順反子)，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈,基本上沒有操縱元的結(jié)構(gòu)。第八十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）真核基因

44、組含有大量的重復序列與原核基因組相比，真核基因組中存在著較多的重復 序列(repetitive sequences)。實驗表明有三類重復序列：高度重復序列：這類序列一般較短，長10300bp，在基因組中重復106次左右，占基因組DNA序列總量的1060%，人的基因組中這類序列約占20%，功能還不明了。中度重復序列：這類序列多數(shù)長100500bp，重復10105次，占基因組10-40%。例如在人的基因組中18S/28SrRNA基因重復280次，5SrRNA基因重復2000次，tRNA基因重復1300次。單拷貝序列：這類序列基本上不重復，在人基因組中約占65%。絕大多數(shù)真核生物的為蛋白質(zhì)編碼的基因

45、在單倍體基因組中都不重復，是單拷貝的基因。第八十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）基因不連續(xù)性原核生物的基因為蛋白質(zhì)編碼的序列絕大多數(shù)是連續(xù)的；真核生物為蛋白質(zhì)編碼的基因絕大多數(shù)是不連續(xù)的，即有外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)，轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)剪接(splicing)去除內(nèi)含子，才能翻譯獲得完整的蛋白質(zhì)，這就增加了基因表達調(diào)控的環(huán)節(jié)。第八十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、真核基因表達調(diào)控更為復雜（一）真核細胞內(nèi)含有多種RNA聚合酶（二）處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化第九十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）在真核基因表達調(diào)控

46、中以正性調(diào)節(jié)占主導采用正性調(diào)節(jié)機制更精確：一個負性調(diào)節(jié)元件的結(jié)合足可阻斷RNA聚合酶的結(jié)合，因此同時采用幾個負性調(diào)節(jié)元件一般不會改變特異性；相反，如果采用多種正性調(diào)節(jié)元件、正性調(diào)節(jié)蛋白可提高基因表達調(diào)節(jié)的特異性和精確性。采用負性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟：在正性調(diào)節(jié)中，大多數(shù)基因不結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白，所以是沒有活性的；只要細胞表達一組激活蛋白時，相關靶基因即可被激活。第九十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、RNA Pol I和Pol III轉(zhuǎn)錄體系的調(diào)節(jié)相 對簡單第九十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月四、RNA Pol II轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)非 常復雜（一）真核基因順式作用元件影響基因

47、 轉(zhuǎn)錄活性真核基因的順式作用元件是基因周圍能與特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合而影響轉(zhuǎn)錄的DNA序列。第九十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1.啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒順式作用元件分類：第九十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 真核啟動子不像原核那樣有明顯共同一致的序列，而是需要多種蛋白質(zhì)因子的相互協(xié)調(diào)作用，不同蛋白質(zhì)因子又能與不同DNA序列相互作用。不同基因轉(zhuǎn)錄起始及其調(diào)控所需的蛋白因子也不完全相同。真核啟動子一般包括轉(zhuǎn)錄起始點及其上游約100200bp序列，包含有

48、若干具有獨立功能的DNA序列元件，每個元件約長730bp。注意：第九十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月CCAAT盒GC盒TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點酵母圖13-7 真核基因啟動子的典型結(jié)構(gòu)第九十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 增強子概念：指遠離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關。 最早是在SV40病毒中發(fā)現(xiàn)的長約200bp的一段DNA，可使旁側(cè)的基因轉(zhuǎn)錄提高100倍，其后在多種真核生物，甚至在原核生物中都發(fā)現(xiàn)了增強子。增強子通常占1002

49、00bp長度，也和啟動子一樣由若干組件構(gòu)成，基本核心組件常為812bp，可以單拷貝或多拷貝串連形式存在。第九十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月增強子的特點1.所在位置不固定:可位于結(jié)構(gòu)基因的上游、下游甚至結(jié)構(gòu)基因內(nèi)。2.可遠距離作用（可近可遠，遠的可達幾十kb）。3.無基因特異性：即對各種基因均有作用，但有組 織或細胞特異性。4.增強子要有啟動子才能發(fā)揮作用:沒有啟動子存在，增強子不能表現(xiàn)活性。但增強子對啟動子沒有嚴格的專一性，同一增強子可以影響不同類型啟動子的轉(zhuǎn)錄。第九十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月增強子的作用機理增強子的作用機理雖然還不明確，但與其他順式調(diào)控元件一樣，必須與特定的蛋白質(zhì)因子結(jié)合后才能發(fā)揮增強轉(zhuǎn)錄的作用。增強子一般具有組織或細胞特異性，許多增強子只在某些細胞或組織中表現(xiàn)活性，是由這些細胞或組織中具有的特異性蛋白質(zhì)因子所決定的。第九十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年