《基因表達(dá)調(diào)控》課件

第十三章

基因表達(dá)調(diào)控

第一節(jié)

基因表達(dá)調(diào)控基本概念

第二節(jié)

基因表達(dá)調(diào)控的基本原理

第三節(jié)原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

第四節(jié)真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

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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

基因（gene）：是為生物活性產(chǎn)物（RNA或蛋白質(zhì)）編碼的DNA功能片段，是遺傳的基本單位。

基因組(genome)：指一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。

基因表達(dá)(geneexpression)：指基因轉(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(guò)程。

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二、基因表達(dá)的特異性

基因表達(dá)表現(xiàn)為嚴(yán)格的規(guī)律性：即時(shí)間、空間特異性。

時(shí)間、空間特異性由特異基因的啟動(dòng)子（序列）和(或)增強(qiáng)子與調(diào)節(jié)蛋白相互作用決定。

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（一）時(shí)間特異性

按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性（temporalspecificity）。

多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性（stagespecificity）。

4精選課件（二）空間特異性

在個(gè)體發(fā)育、生長(zhǎng)的全過(guò)程，一種基因產(chǎn)物在個(gè)體的不同組織或器官表達(dá)，即在個(gè)體的不同空間出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性（spatialspecificity）。

基因表達(dá)伴隨時(shí)間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，因此基因表達(dá)的空間特異性又稱細(xì)胞特異性（cellspecificity）或組織特異性(tissuespecificity)。

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三、基因表達(dá)的方式

按對(duì)內(nèi)、外環(huán)境信號(hào)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：

（一）基本表達(dá)

管家基因:某些基因在一個(gè)生物體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，這類基因稱管家基因（housekeepinggene）。

管家基因的表達(dá)方式稱基本（或組成性）基因表達(dá)，這類基因表達(dá)只受啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響，不受其它機(jī)制調(diào)節(jié)。

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（二）誘導(dǎo)和阻遏

在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因。

可誘導(dǎo)基因在一定的環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程誘導(dǎo)（induction）。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因稱為可阻遏基因。可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程稱為阻遏(repression)。

誘導(dǎo)和阻遏在生物界普遍存在，也是生物體適應(yīng)環(huán)境的基本途徑。

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在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無(wú)論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá)（coodinateexpression）。

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(zhǎng)和增殖；

（二）維持個(gè)體發(fā)育與分化。

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第二節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本原理

一、基因表達(dá)調(diào)控的多層次和復(fù)雜性

基因

激活轉(zhuǎn)錄起始基本控制點(diǎn)

轉(zhuǎn)錄后加工

mRNA降解

蛋白質(zhì)翻譯

翻譯后加工修飾

蛋白質(zhì)降解等

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二、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的基本要素

（一）特異DNA序列

１、原核生物特異DNA序列

操縱子（operon）：是原核生物轉(zhuǎn)錄的基本單位，由２個(gè)以上的編碼序列與啟動(dòng)序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成。(圖13-4）

啟動(dòng)序列（promoter）是RNA聚合酶結(jié)合并起動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。（圖13-1

）

當(dāng)操縱序列(operator)結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng)，阻遏轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負(fù)性調(diào)節(jié)。

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２、真核生物特異DNA序列順式作用元件：指可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列。(圖13-2)在不同真核生物基因的順式作用元件中也發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CCAAT盒等。這些共有序列就是順式作用元件的核心序列，它們是真核RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。

順式作用元件分為啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和沉默子等。

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（二）調(diào)節(jié)蛋白

１、原核生物基因調(diào)節(jié)蛋白

分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白，都是DNA結(jié)合蛋白。

特異因子決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。

阻遏蛋白可識(shí)別、結(jié)合操縱序列，抑制基因轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負(fù)性調(diào)節(jié)。

激活蛋白可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性。

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２、真核生物基因調(diào)節(jié)蛋白

真核基因調(diào)節(jié)蛋白又稱轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactors,TF)，其調(diào)節(jié)作用分為:反式調(diào)節(jié)（主要）和順式調(diào)節(jié)(圖13-3)絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄因子與特異的順式作用元件相互作用反式激活另一基因的轉(zhuǎn)錄，故稱為反式作用因子（trans-actingfactors）.

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3、DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用

DNA-蛋白質(zhì)相互作用指反式作用因子與順式作用元件之間的特異識(shí)別及結(jié)合。通常是非共價(jià)結(jié)合，被調(diào)節(jié)蛋白識(shí)別的DNA結(jié)合位點(diǎn)通常呈對(duì)稱、或不完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在結(jié)合前，需要通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用形成二聚體或多聚體。

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（四）RNA聚合酶

DNA元件與調(diào)節(jié)蛋白對(duì)轉(zhuǎn)錄激活的調(diào)節(jié)最終是由RNA聚合酶活性體現(xiàn)的。

1、啟動(dòng)序列/啟動(dòng)子與RNA聚合酶活性

啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子核苷酸序列會(huì)影響其與RNA聚合酶的親和力，從而直接影響轉(zhuǎn)錄起動(dòng)和頻率。

2、調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性

特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號(hào)刺激下在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，通過(guò)DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性，從而使基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率發(fā)生改變，出現(xiàn)表達(dá)水平變化。

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第三節(jié)

原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

----主要調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始

一、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)

（一）σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性

（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

原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)以負(fù)性調(diào)節(jié)為主。

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二、原核生物轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)

（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)（圖13-4）

（二）乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制

1、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)（圖13-4）

2、CAP的正性調(diào)節(jié)

3、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

當(dāng)lac阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；但如果沒有CAP存在來(lái)加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，即使阻遏蛋白從操縱序列上解聚仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。（圖13-5）

17精選課件三、原核生物轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)四、原核生物翻譯水平調(diào)節(jié)（一）蛋白質(zhì)分子的自我調(diào)節(jié)（二）反義RNA對(duì)翻譯的調(diào)節(jié)

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第三節(jié)

真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)

一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（一）基因組結(jié)構(gòu)龐大

（二）單順反子

指一個(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。

（三）重復(fù)序列

根據(jù)重復(fù)頻率分為：

高度重復(fù)序列（106次）

中度重復(fù)序列（103～104次）

單拷貝序列（<10次）

（四）基因不連續(xù)性

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二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)

（一）RNA聚合酶

（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化

1、對(duì)核酸酶敏感

2、DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化

3、DNA堿基修飾變化

4、組蛋白變化

包括：(1)富含Lys組蛋白水平降低；

(2)H2A?H2B二聚體不穩(wěn)定性增加；(3)H3、H4組蛋白修飾：乙?；⒘姿峄胺核鼗?。

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（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)

真核基因組廣泛存在正性調(diào)節(jié)機(jī)制，原因有二：

（1）采用正性調(diào)節(jié)機(jī)制更有效；

（2）采用負(fù)性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟(jì)。

（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行

（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工

21精選課件三、RNApolⅠ和polⅢ的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)（一）RNApolⅠ轉(zhuǎn)錄體系的控制人rRNA前體基因的啟動(dòng)子的兩個(gè)元件：核心元件與上游控制元件

RNApolⅠ的兩種轉(zhuǎn)錄因子：上游結(jié)合因子１與選擇性因子１

22精選課件（二）RNApolⅢ轉(zhuǎn)錄體系的控制

tRNA和5SrRNA基因啟動(dòng)子位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)下游即轉(zhuǎn)錄區(qū)內(nèi)，稱為內(nèi)部控制區(qū)（internalcontrolregions,ICR）

tRNA基因的ICR主要由Ａ盒和Ｂ盒兩個(gè)元件組成，RNApolⅢ轉(zhuǎn)錄起始需要轉(zhuǎn)錄因子TFⅢC和TFⅢB。

5SrRNA基因的轉(zhuǎn)錄需要三種轉(zhuǎn)錄因子：TFⅢC、TFⅢB和TFⅢＡ。

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四、RNApolⅡ轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)

（一）順式作用元件

按功能特性，順式作用元件分為：?jiǎn)?dòng)子、增強(qiáng)子和沉默子。

1、啟動(dòng)子(promoter)：是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，包括：

（1）TATA盒(TATAAAA)：位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-25～-30bp，控制轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率。是轉(zhuǎn)錄因子TFIID結(jié)合位點(diǎn)。

（2）GC盒(GGGCGG);

（3）CAAT盒(GCCAAT)(圖11-13)

24精選課件2、增強(qiáng)子

(enhancer)

指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)(1～30kb)、決定基因的時(shí)間、空間特異表達(dá)、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。

增強(qiáng)子發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無(wú)關(guān)。從功能上講，沒有增強(qiáng)子存在，啟動(dòng)子不表現(xiàn)活性；沒有啟動(dòng)子時(shí)，增強(qiáng)子也無(wú)法發(fā)揮作用。

3、沉默子

(silencer)

指某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。

25精選課件(二)反式作用因子

大多數(shù)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子以反式作用調(diào)節(jié)基

因轉(zhuǎn)錄。

1、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)錄因子）分類

按功能特性分為：基本轉(zhuǎn)錄因子和特異轉(zhuǎn)錄因子。

(1)基本轉(zhuǎn)錄因子：是RNA聚合酶結(jié)合啟

動(dòng)子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA

轉(zhuǎn)錄的類別。

(2)特異轉(zhuǎn)錄因子：為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需的蛋白因子，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)。包括轉(zhuǎn)錄激活因子和轉(zhuǎn)錄抑制因子。

26精選課件2、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)

所有轉(zhuǎn)錄因子至少包括二個(gè)不