十六章節(jié)基因表達(dá)調(diào)控

十六章節(jié)基因表達(dá)調(diào)控第1頁/共50頁第十六章基因表達(dá)調(diào)控

（RegulationofGeneExpression）

第2頁/共50頁

本章主要內(nèi)容

基本概念與原理原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控真核生物基因表達(dá)調(diào)控第3頁/共50頁第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控基本概念與原理

一、基因表達(dá)的概念二、基因表達(dá)的特異性三、基因表達(dá)的方式四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義五、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的基本要素

第4頁/共50頁一、基因表達(dá)的概念

基因表達(dá)

是指生物體基因組種結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄及翻譯等一系列過程，合成特定的蛋白質(zhì)，進(jìn)而發(fā)揮其特定生物學(xué)功能的全過程。

基因表達(dá)產(chǎn)物各種RNA(tRNA、mRNA和rRNA)以及蛋白質(zhì)、多肽。第5頁/共50頁二、基因表達(dá)的特異性

（一）時間特異性往往與細(xì)胞或個體的特定分化、發(fā)育階段相適應(yīng)，又稱階段特異性。（二）空間特異性由細(xì)胞在各組織器官的分布差異所決定的，故又稱為細(xì)胞特異性或組織特異性。第6頁/共50頁三、基因表達(dá)的方式

（一）組成性表達(dá)管家基因

在生命全過程都是必需的、且在一個生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。組成性基因表達(dá)

管家基因較少受環(huán)境因素的影響，在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)。第7頁/共50頁（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)表達(dá)

在特定環(huán)境信號刺激下，基因表現(xiàn)為開放或增強(qiáng)，表達(dá)產(chǎn)物增加。阻遏表達(dá)在特定環(huán)境信號刺激下，基因被抑制，從而使表達(dá)產(chǎn)物減少。第8頁/共50頁（三）協(xié)調(diào)表達(dá)協(xié)調(diào)表達(dá)

在一定機(jī)制控制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。第9頁/共50頁四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境變化、維持細(xì)胞增殖、分化（二）維持個體生長、發(fā)育

第10頁/共50頁五、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素

（一）特異DNA序列（二）調(diào)節(jié)蛋白（三）RNA聚合酶第11頁/共50頁

原核生物的特異DNA序列

原核生物的基因表達(dá)與調(diào)控是通過操縱子機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。

操縱子

是由功能上相關(guān)聯(lián)的多個編碼序列（2個以上）及其上游的調(diào)控序列（包括操縱序列、啟動序列和調(diào)節(jié)序列）等成簇串聯(lián)在一起，構(gòu)成的一個轉(zhuǎn)錄協(xié)調(diào)單位。

（一）特異DNA序列第12頁/共50頁

操縱子調(diào)節(jié)序列啟動序列操縱序列編碼序列

表達(dá)

轉(zhuǎn)錄ICAPPOZYA阻遏蛋白結(jié)合部位RNA聚合酶結(jié)合部位

編碼序列

規(guī)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，又稱結(jié)構(gòu)基因；多順反子mRNA

由多個結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，受同一個啟動序列調(diào)控，轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA,翻譯生成多個蛋白質(zhì),稱此為多順反子mRNA.多順反子mRNA阻遏蛋白第13頁/共50頁

原核生物的共有序列

原核生物的啟動序列，在距離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)－10區(qū)和－35區(qū)往往含有一些重要的保守序列（共有序列）。

－10區(qū)：含TATAAT序列，又稱Pribnow盒。

－35區(qū)：含TTGACA序列。RNA聚合酶結(jié)合部位決定轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)第14頁/共50頁真核生物的特異DNA序列

真核生物基因組中含有可以調(diào)控自身基因表達(dá)活性的特異DNA序列，稱為順式作用元件。

順式作用元件能夠被轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白特異識別和結(jié)合，從而影響基因表達(dá)活性。

啟動子

順式作用元件又分增強(qiáng)子

沉默子第15頁/共50頁

（1）啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)及其周圍的一組轉(zhuǎn)錄調(diào)控組件（包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及典型的TATA盒）。

（2）增強(qiáng)子是增強(qiáng)啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列，并決定組織特異性表達(dá)。

（3）沉默子能夠?qū)蜣D(zhuǎn)錄起阻遏作用的DNA片段，屬于負(fù)性調(diào)控元件。

第16頁/共50頁第17頁/共50頁（二）調(diào)節(jié)蛋白原核生物的調(diào)節(jié)蛋白（3類）特異因子

決定RNA聚合酶對啟動序列的特異識別和結(jié)合能力；

(RNA聚合酶的－因子)阻遏蛋白

通過與操縱序列結(jié)合，阻遏基因轉(zhuǎn)錄；（由調(diào)節(jié)基因表達(dá)的阻遏蛋白）激活蛋白

與啟動子上游DNA序列結(jié)合，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動序列結(jié)合，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄。（CAP—分解代謝物基因活化蛋白）第18頁/共50頁

2.真核生物的調(diào)節(jié)蛋白

反式作用因子

能直接或間接與順式作用元件相互作用，進(jìn)而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的一類調(diào)節(jié)蛋白，統(tǒng)稱為反式作用因子。

按其功能不同，常有以下三類：

（基本）轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子：DNA-蛋白質(zhì)共調(diào)節(jié)因子：蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)第19頁/共50頁第20頁/共50頁（1）基本轉(zhuǎn)錄因子

是指能夠直接或間接與啟動子核心序列TATA盒特異結(jié)合、并啟動轉(zhuǎn)錄的一類調(diào)節(jié)蛋白。（參與構(gòu)成基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄裝置所需的一類通用轉(zhuǎn)錄因子）

真核生物RNA聚合酶Ⅱ（RNApolⅡ）識別啟動子所需的轉(zhuǎn)錄因子（TFⅡ）有多種亞類：

TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I等。

其中TFⅡD最先、最直接與啟動子TATA盒結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，然后按一定時空順序依次結(jié)合RNApolⅡ和其他轉(zhuǎn)錄因子，形成一個轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物（PIC）。第21頁/共50頁轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合體的組裝（PIC)轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物（PIC）第22頁/共50頁(2)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子

這類調(diào)經(jīng)蛋白能識別并結(jié)合轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游激活序列和遠(yuǎn)端的增強(qiáng)子元件，通過DNA－蛋白質(zhì)相互作用而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性。

起激活轉(zhuǎn)錄作用——轉(zhuǎn)錄激活因子；阻遏轉(zhuǎn)錄作用——轉(zhuǎn)錄阻遏因子。（3）共調(diào)節(jié)因子

首先與轉(zhuǎn)錄因子或轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子發(fā)生蛋白－蛋白相互作用，進(jìn)而影響它們的分子構(gòu)象，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性。

如果與轉(zhuǎn)錄激活因子有協(xié)同作用——共激活因子；與轉(zhuǎn)錄阻遏因子有協(xié)同作用——共阻遏因子。第23頁/共50頁

反式作用因子的特殊功能域

DNA結(jié)合域；轉(zhuǎn)錄激活域；結(jié)合其他蛋白質(zhì)的功能域。

鋅指結(jié)構(gòu)

亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)第24頁/共50頁

(三)RNA聚合酶

1.啟動子與RNA聚合酶活性啟動子核苷酸序列影響與RNA聚合酶的親和力。

2.調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶的活性調(diào)節(jié)蛋白通過DNA-蛋白質(zhì)相互作用、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA酶活性。第25頁/共50頁六、基因表達(dá)的多級調(diào)控

基因結(jié)構(gòu)活化轉(zhuǎn)錄水平

轉(zhuǎn)錄起始

轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄后水平

轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)

翻譯調(diào)控翻譯水平

翻譯后加工第26頁/共50頁

第二節(jié)原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控一、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制控制區(qū)信息區(qū)結(jié)構(gòu)基因(S)操縱序列（O）啟動序列（P）調(diào)節(jié)基因（I）CPA第27頁/共50頁

乳糖操縱子結(jié)構(gòu)基因表達(dá)產(chǎn)物第28頁/共50頁（一）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)作用I阻遏蛋白

無乳糖存在時，結(jié)構(gòu)基因受阻遏第29頁/共50頁

有乳糖存在時，結(jié)構(gòu)基因表達(dá)第30頁/共50頁2CAPCAP位點(diǎn)-G,-Lac

阻遏蛋白

操縱序列-G,+LacRNA聚合酶無葡萄糖，無乳糖②無葡萄糖，有乳糖③有葡萄糖，無乳糖④有葡萄糖，有乳糖

啟動序列cAMPmRNA5'（二）CAP的正性調(diào)節(jié)作用③①

＋G,-Lac+G,+Lac②④第31頁/共50頁當(dāng)培養(yǎng)基中乳糖濃度降低而葡萄糖濃度升高時

細(xì)胞中cAMP濃度降低

缺乏乳糖與阻遏蛋白結(jié)合

CAP失活

阻抑蛋白與操縱基因結(jié)合

CAP及RNA聚合酶不能與啟動基因結(jié)合

基因轉(zhuǎn)錄被阻遏

阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)第32頁/共50頁

當(dāng)培養(yǎng)基中乳糖濃度升高而葡萄糖濃度降低時

細(xì)胞中cAMP濃度升高

乳糖作為誘導(dǎo)劑與阻抑蛋白結(jié)合

cAMP與CRP結(jié)合并使之激合

促使阻抑蛋白與操縱基因分離

CRP與啟動基因結(jié)合并促使RNA聚合酶與啟動基因結(jié)合

基因轉(zhuǎn)錄激活

CAP的正性調(diào)節(jié)第33頁/共50頁二、色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制

色氨酸操縱子（trpoperon）：阻遏型操縱子；主要參與調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)缺乏色氨酸時，此操縱子開放；而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)合成的色氨酸過多時，此操縱子被關(guān)閉。

第34頁/共50頁O

阻遏蛋白（無活性）mRNAtrpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前導(dǎo)trpL衰減子

結(jié)構(gòu)基因

調(diào)控區(qū)二、色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制

色氨酸合成的酶蛋白第35頁/共50頁O

阻遏蛋白mRNATrp

trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前導(dǎo)序列（L）衰減子（結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉）調(diào)節(jié)區(qū)

在高濃度色氨酸存在下，通過形成特殊的“衰減子”結(jié)構(gòu)，對轉(zhuǎn)錄進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)控。

色氨酸的負(fù)性調(diào)控作用

有活性第36頁/共50頁Trp操縱子的trpE基因5′－端“前導(dǎo)序列”

衰減子結(jié)構(gòu)10、11第37頁/共50頁前導(dǎo)肽核蛋白體衰減子結(jié)構(gòu)RNA聚合酶5'mRNATrp密碼子1234UUUU3'DNADNA前導(dǎo)肽5'1234Trp結(jié)構(gòu)基因MKAIFVLKGMKAIFVLKGWWRTSRNA聚合酶Trp操縱子的轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制第38頁/共50頁三、原核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)

主要在轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)行調(diào)節(jié)1）σ因子的特異啟動作用

2）操縱子調(diào)控機(jī)制具有普遍性3）結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行多順反子轉(zhuǎn)錄4）阻遏蛋白阻遏轉(zhuǎn)錄具有普遍性第39頁/共50頁第三節(jié)真核生物基因表達(dá)調(diào)控

一、真核生物基因組特點(diǎn)

（一）基因組結(jié)構(gòu)龐大

人類的單倍體基因組由3X109的核苷酸組成，含有大約2.63.9萬個基因。（二）形成染色體結(jié)構(gòu)真核生物的基因組是以DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體結(jié)構(gòu)形式而存在于細(xì)胞核。第40頁/共50頁（三）單順反子真核基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一般是單順反子。單順反子

一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，并指導(dǎo)翻譯一條多肽鏈。（四）重復(fù)序列

真核生物基因普遍存在重復(fù)序列。根據(jù)重復(fù)頻率不同，分為以下3類：

高度重復(fù)序列中度重復(fù)序列單拷貝重復(fù)序列反向重復(fù)序列（回文序列）第41頁/共50頁1.高度重復(fù)序列

重復(fù)數(shù)百萬次，序列簡單序列，不到10bp;稱為衛(wèi)星DNA；2.中度重復(fù)序列重復(fù)上千次，序列由幾百個bp構(gòu)成；3.單拷貝序列只出現(xiàn)1次或幾次。真核生物極大多數(shù)為單一基因；反向重復(fù)序列是指在DNA鏈某些區(qū)域，出現(xiàn)反向排列的堿基序列。如：

“－－－CGTACC---/---CCATGC---”,又稱“回文結(jié)構(gòu)”。第42頁/共50頁（五）斷裂基因

外顯子具有實(shí)際編碼意義的結(jié)構(gòu)基因序列；內(nèi)含子不具有編碼意義的堿基序列，又稱插入序列。（六）大多數(shù)為非編碼區(qū)（95％左右）第43頁/共50頁（一）DNA、染色體水平的變化特點(diǎn)二、真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)

1．對核酸酶極度敏感第44頁/共50頁2．DNA拓樸結(jié)構(gòu)變化

天然雙鏈