基因表達(dá)調(diào)控1課件

從整體水平到分子水平示意圖分子水平細(xì)胞水平整體水平生命科學(xué)的發(fā)展過(guò)程：1.從整體水平到分子水平示意圖分子水平細(xì)胞水平整體水平生命科學(xué)的生命科學(xué)的研究?jī)?nèi)容：生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，生物與生物之間及生物與環(huán)境之間相互關(guān)系。

生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域：分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)，而分子生物學(xué)是生命科學(xué)的核心前沿。

生命科學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的一門綜合性學(xué)科。2.生命科學(xué)的研究?jī)?nèi)容：生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域：生

分子生物學(xué)——從分子水平研究生命現(xiàn)象及其規(guī)律的一門新興學(xué)科。它是生命科學(xué)中發(fā)展最快并且與其他學(xué)科廣泛交叉和滲透的前沿領(lǐng)域。3.分子生物學(xué)——從分子水平研究生命現(xiàn)象及其規(guī)律

由于分子生物學(xué)以其嶄新的觀點(diǎn)和技術(shù)對(duì)其他學(xué)科的全面滲透，推動(dòng)了細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)向分子水平的方向發(fā)展，使這些學(xué)科已不再是原來(lái)的經(jīng)典學(xué)科，而成為生命科學(xué)的前沿。4.由于分子生物學(xué)以其嶄新的觀點(diǎn)和技術(shù)對(duì)其他學(xué)科的全

分子生物學(xué)技術(shù)：

例如：DNA及RNA的印跡轉(zhuǎn)移、核酸分子雜交、基因克隆、基因體外擴(kuò)增、DNA測(cè)序等，形成了獨(dú)特的重組DNA技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)。由生物化學(xué)、生物物理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、應(yīng)用微生物學(xué)及免疫學(xué)等各專業(yè)技術(shù)的滲透、綜合而成，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明和創(chuàng)造了一系列新的技術(shù)。5.分子生物學(xué)技術(shù)：例如：DNA及RNA分子克隆(molecularcloning)

重組DNA(recombinantDNA)技術(shù)是近代分子生物學(xué)技術(shù)的核心。

基因操作(genemanipulation)

基因克隆(genecloning)基因工程(geneengineering)6.分子克隆(molecularcloning)分子醫(yī)學(xué)（molecularmedicine）：由于分子生物學(xué)滲透進(jìn)入生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的每一分支領(lǐng)域，全面推動(dòng)了生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的各個(gè)方面的發(fā)展，如疾病的發(fā)病機(jī)理研究、疾病的診斷和治療，使醫(yī)學(xué)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。

7.分子醫(yī)學(xué)（molecularmedicine）：7.遺傳性狀改變或治療疾病可能從某一生物體的基因組中分離出某一特定功能基因，導(dǎo)入到另一種生物的基因組。

基因工程和蛋白質(zhì)工程外源DNA與載體在體外進(jìn)行連接，或在基因水平上進(jìn)行有目的的定向誘變。生物技術(shù)進(jìn)入了分子水平，基因（或DNA）也進(jìn)入了社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的方方面面。8.遺傳性狀改變或治療疾病基因工程和蛋白質(zhì)工程8.按照自己的意愿和社會(huì)需求改造基因，制備各種具有生物活性的大分子。

DNA、RNA和蛋白質(zhì)成為人類治病、防病的一類新型的生物制品或藥物。生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上用于快速育種，改良品種，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量、質(zhì)量以及抗病蟲害，抗干旱等能力。9.按照自己的意愿和社會(huì)需求改造基因，制備各種具有生物活分子生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能，生物大分子之間的相互作用及其與疾病發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系。10.分子生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容生物大分子的結(jié)構(gòu)第一章基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpression11.第一章基因表達(dá)調(diào)控11.第一節(jié)

概述BasicConceptionsandCharacters12.第一節(jié)

概述BasicConceptionsan一、基因表達(dá)是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程，也是基因所攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過(guò)程，包括基因轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的RNA序列，對(duì)于蛋白質(zhì)編碼基因，mRNA繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加工成最終的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。基因表達(dá)(geneexpression)基因表達(dá)是受調(diào)控的。13.一、基因表達(dá)是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程，也二、基因表達(dá)具有時(shí)間特異性和空間特異性（一）時(shí)間特異性是指基因表達(dá)按一定的時(shí)間順序發(fā)生按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按一定的時(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)。14.二、基因表達(dá)具有時(shí)間特異性和空間特異性（一）時(shí)間特異性是指基（二）空間特異性是指多細(xì)胞生物個(gè)體在特定生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達(dá)不同在個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育過(guò)程中，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)，這就是基因表達(dá)的空間特異性(spatialspecificity)?；虮磉_(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)胞在器官的分布所決定的，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)。15.（二）空間特異性是指多細(xì)胞生物個(gè)體在特定生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基三、基因表達(dá)的方式存在多樣性基因表達(dá)調(diào)控（regulationofgeneexpression）就是指細(xì)胞或生物體在接受內(nèi)外環(huán)境信號(hào)刺激時(shí)或適應(yīng)環(huán)境變化的過(guò)程中在基因表達(dá)水平上做出應(yīng)答的分子機(jī)制，即位于基因組內(nèi)的基因如何被表達(dá)成為有功能的蛋白質(zhì)（或RNA），在什么組織表達(dá)，什么時(shí)候表達(dá)，表達(dá)多少等。

16.三、基因表達(dá)的方式存在多樣性基因表達(dá)調(diào)控（regulatio按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：組成性表達(dá)誘導(dǎo)或阻遏表達(dá)17.按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：組成性表達(dá)17.（一）有些基因幾乎在所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)某些基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，不易受環(huán)境條件的影響，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。管家基因的表達(dá)水平受環(huán)境因素影響較小，而是在生物體各個(gè)生長(zhǎng)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。這類基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)?；镜幕虮磉_(dá)水平并非絕對(duì)“一成不變”，所謂“不變”是相對(duì)的。18.（一）有些基因幾乎在所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)某些基因在一個(gè)生物個(gè)體（二）有些基因的表達(dá)受到環(huán)境變化的誘導(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，即這種基因表達(dá)是可誘導(dǎo)的?？烧T導(dǎo)基因(induciblegene)在一定的環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程，稱為誘導(dǎo)(induction)。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegene)?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程稱為阻遏(repression)。19.（二）有些基因的表達(dá)受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)和阻遏在特定環(huán)境信號(hào)刺在一定機(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)同表達(dá)(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)同調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。（三）生物體內(nèi)不同基因的表達(dá)受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)20.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)方式四、基因表達(dá)調(diào)控受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)一般說(shuō)來(lái)，調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，稱為順式作用元件(cis-actingelement)。調(diào)節(jié)序列遠(yuǎn)離被調(diào)控的編碼序列，實(shí)際上是其他分子的編碼基因，只能通過(guò)其表達(dá)產(chǎn)物來(lái)發(fā)揮作用，這些蛋白質(zhì)分子稱為反式作用因子(trans-actingfactor)。21.四、基因表達(dá)調(diào)控受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)一般說(shuō)來(lái)五、基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性首先，遺傳信息以基因的形式貯存于DNA中。其次，遺傳信息經(jīng)轉(zhuǎn)錄由DNA傳向RNA過(guò)程中的許多環(huán)節(jié)。(最重要、最復(fù)雜)最后，蛋白質(zhì)生物合成即翻譯與翻譯后加工。22.五、基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性首先，遺傳信息以基因的形式六、基因表達(dá)調(diào)控為生物體生長(zhǎng)、發(fā)育的基礎(chǔ)（一）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖生物體所處的內(nèi)、外環(huán)境是在不斷變化的。通過(guò)一定的程序調(diào)控基因的表達(dá)，可使生物體表達(dá)出合適的蛋白質(zhì)分子，以便更好地適應(yīng)環(huán)境，維持其生長(zhǎng)和增殖。23.六、基因表達(dá)調(diào)控為生物體生長(zhǎng)、發(fā)育的基礎(chǔ)（一）生物體調(diào)節(jié)基因（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以維持細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育在多細(xì)胞個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育的不同階段，或同一生長(zhǎng)發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白質(zhì)分子分布、種類和含量存在很大差異，這些差異是調(diào)節(jié)細(xì)胞表型的關(guān)鍵。24.（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以維持細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育在多細(xì)胞個(gè)體第二節(jié)

原核生物基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpressioninProkaryote25.第二節(jié)

原核生物基因表達(dá)調(diào)控Regulationof原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)①基因組中很少有重復(fù)序列；②編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因?yàn)檫B續(xù)編碼，且多為單拷貝基因，但編碼rRNA的基因仍然是多拷貝基因；③結(jié)構(gòu)基因在基因組中所占的比例（約占50%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真核基因組；④許多結(jié)構(gòu)基因在基因組中以操縱子為單位排列原核生物基因組是具有超螺旋結(jié)構(gòu)的閉合環(huán)狀DNA分子26.原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)①基因組中很少有重復(fù)序列；原核生物基原核生物大多數(shù)基因表達(dá)調(diào)控是通過(guò)操縱子機(jī)制實(shí)現(xiàn)一、操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單位

蛋白質(zhì)因子特異DNA序列編碼序列

啟動(dòng)子

操縱元件

其他調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)27.原核生物大多數(shù)基因表達(dá)調(diào)控是通過(guò)操縱子機(jī)制實(shí)現(xiàn)一、操縱子是原操縱子模型的普遍性多順?lè)醋?polycistron)：mRNA分子攜帶了幾個(gè)多肽鏈的編碼信息。啟動(dòng)子是RNA聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是決定基因表達(dá)效率的關(guān)鍵元件。各種原核基因啟動(dòng)序列特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-10及-35區(qū)域存在一些相似序列，稱為共有序列。

E.coli及一些細(xì)菌啟動(dòng)序列的共有序列在-10區(qū)域是TATAAT，在-35區(qū)域?yàn)門TGACA共有序列決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。28.操縱子模型的普遍性多順?lè)醋?polycistron)：mRN基因表達(dá)有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控調(diào)節(jié)原核生物基因表達(dá)的效應(yīng)蛋白可分：阻遏蛋白----負(fù)調(diào)控因素激活蛋白----正調(diào)控因素29.基因表達(dá)有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控調(diào)節(jié)原核生物基因表達(dá)的效應(yīng)蛋白可分：調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）編碼能夠與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白，可以分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白。調(diào)控蛋白的作用分別是①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；30.調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）編碼能夠與操縱序列②阻遏蛋白可以識(shí)別、結(jié)合特異DNA序列──操縱序列，抑制基因轉(zhuǎn)錄，所以阻遏蛋白介導(dǎo)負(fù)調(diào)節(jié)（negativeregulation）。阻遏蛋白介導(dǎo)的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制在原核生物中普遍存在；③激活蛋白可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNA序列，提高RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合能力，從而增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，是一種正調(diào)控（positiveregulation）。31.②阻遏蛋白可以識(shí)別、結(jié)合特異DNA序列──操縱序列，抑制基二、乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)型調(diào)控（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA32.二、乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)型調(diào)控（一）乳糖操縱子(lacolac操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)33.lac操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)33.mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒(méi)有乳糖存在時(shí)（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)阻遏基因1.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)34.mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒(méi)有乳糖存在時(shí)（二）mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶

lac

操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)35.mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄++++轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)2.CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP36.++++轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cA3.協(xié)同調(diào)節(jié)當(dāng)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。如無(wú)CAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對(duì)lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

37.3.協(xié)同調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作mRNA低半乳糖時(shí)高半乳糖時(shí)

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO38.mRNA低半乳糖時(shí)高半乳糖時(shí)葡萄糖低cAMP濃度 CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對(duì)lac操縱子的調(diào)節(jié)39. CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對(duì)lac操縱子的調(diào)節(jié)3三、