第七章 基因表達(dá)調(diào)控課件

生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控生物化學(xué)染色體貯存著決定生物性狀的全部基因染色體染色纖維核小體組蛋白DNA生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控

生物體內(nèi)基因表達(dá)的開啟、關(guān)閉以及表達(dá)的強(qiáng)度受特定機(jī)制的調(diào)控，基因表達(dá)的調(diào)控是生物在長期進(jìn)化過程中逐漸形成的精確而靈敏的生存能力和應(yīng)變能力，在機(jī)體適應(yīng)環(huán)境、維持自身的生長和增殖、維持個體發(fā)育與分化等方面均具有重要的生物學(xué)意義。生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控第一節(jié)

基因表達(dá)調(diào)控的基本原理生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控*基因（gene）負(fù)責(zé)編碼RNA或一條多肽鏈的

DNA片段，包括編碼序列、編碼序列外的側(cè)翼序列及插入序列。（一）基因表達(dá)的概念一、概述生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控*基因組（genome）一個細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。

基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過程。*基因表達(dá)（geneexpresion）基因表達(dá)是受調(diào)控的生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控（二）基因表達(dá)的特性時間特異性

按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時間順序發(fā)生。

多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱階段特異性。生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控空間特異性

基因表達(dá)伴隨時間順序所表現(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，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性。

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)。生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控（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：組成性表達(dá)

無論表達(dá)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(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性表達(dá)。

某些基因在一個個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá),通常被稱為管家基因（housekeepinggene)生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)

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，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因。

可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程，稱為誘導(dǎo)（induction）。

如果基因表達(dá)對環(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因。可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物降低的過程稱為阻遏（repression）。生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控

在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(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)（coordinateexpression）。這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（coordinateregulation）生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控（四）基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義1.適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖2.維持個體發(fā)育與分化生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控二、基因表達(dá)調(diào)控的多層次和復(fù)雜性基因表達(dá)的多級調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾轉(zhuǎn)錄起始生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控

基因表達(dá)的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個體或細(xì)胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細(xì)胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白有關(guān)。三、基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)的因素生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控原核生物蛋白質(zhì)因子------操縱子(operon)機(jī)制特異DNA序列編碼序列啟動序列操縱序列其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)（一）

特異DNA序列生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAaraBADTTGACATATAAT共有序列：RNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列啟動序列生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控

共有序列（DNA）

決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。

某些特異因子（蛋白質(zhì)）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。生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控操縱序列——阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)

當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白

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

有些基因在沒有激活蛋白存在時,RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列。生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控真核生物順式作用元件(cis-actingelement)

----可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列BADNA編碼序列轉(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)一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。

生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控真核基因的調(diào)節(jié)蛋白

還有些蛋白質(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(dá)，稱順式作用。

由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達(dá)。

(trans-actingelement

)

反式作用因子

這種作用稱為反式作用

生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控CDNAADNA反式調(diào)節(jié)c順式調(diào)節(jié)mRNAc蛋白質(zhì)BBamRNA

蛋白質(zhì)Aa生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控

被識別的DNA結(jié)合位點(diǎn)通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)。

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，形成二聚體或多聚體。DNA-蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控RNA聚合酶1.原核啟動序列/真核啟動子RNA聚合酶與其的親和力,影響轉(zhuǎn)錄。2.調(diào)節(jié)蛋白

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),然后通過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。生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控

第二節(jié)

原核基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)系統(tǒng)生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控----調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)σ因子決定RNA聚合酶識別特異性操縱子模型的普遍性阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性特點(diǎn)：生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控一、乳糖操縱子(一)

乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNACAP第一次出現(xiàn)應(yīng)有注明生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(二)

阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時(三)CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控(四)

協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

※當(dāng)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)錄活性。

單純?nèi)樘谴嬖跁r，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,細(xì)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（catabolicrepression）。

生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控mRNA低半乳糖時高半乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控二、色氨酸操縱子(一)

色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控(二)

轉(zhuǎn)錄衰減trptrp高時trp低時mRNAOPI調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)肽衰減子

色氨酸操縱子生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控衰減子結(jié)構(gòu)(attenuator)核糖體新生肽鏈mRNADNA1234UUUU3’1.當(dāng)色氨酸濃度高時trp密碼子轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制:5’生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控12345’核糖體2.當(dāng)色氨酸濃度低時生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控SOS反應(yīng)SOS基因紫外線激活RecALexA阻遏蛋白

與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因表達(dá)LexA阻遏蛋白操縱序列DNA三其他轉(zhuǎn)錄調(diào)控方式生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控基因重組H2鞭毛素阻遏蛋白Hin重組酶轉(zhuǎn)位片段hinH2IH1H1鞭毛素沙門菌鞭毛素基因的調(diào)節(jié)hinH2IDNA啟動序列H1啟動序列生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控第三節(jié)

真核基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)系統(tǒng)生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控一、真核生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(一)

真核基因組結(jié)構(gòu)龐大9哺乳類動物基因組DNA

約3×10堿基對編碼基因約rDNA等重復(fù)基因約占5%

~

10%生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控(二)

單順反子（monocistron）

即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。(三)

重復(fù)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（10次）6中度重復(fù)序列（10~10次）43多拷貝序列(四)

基因不連續(xù)性生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控二、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.對核酸酶敏感

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。生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控2.DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在；基因活化后，RNA-pol正超螺旋負(fù)超螺旋轉(zhuǎn)錄方向3.DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達(dá)程度呈反比。生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控4.組蛋白變化①富含Lys組蛋白水平降低②H2AH2B二聚體不穩(wěn)定性增加③組蛋白修飾④H3組蛋白巰基暴露(三)

正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)(四)

轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行(五)

轉(zhuǎn)錄或修飾、加工生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控三、真核基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)(一)

順式作用元件1.啟動子

真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個以上的功能組件TATA盒GC盒CAAT盒生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控2.增強(qiáng)子（enhancer）

指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時間、空間特異性、增強(qiáng)啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。3.沉默子（silencer）

某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。生物化學(xué)07第七章基因表達(dá)調(diào)控(二)

反式作用因子1.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）*基本轉(zhuǎn)錄因子

是RNA