基因表達(dá)調(diào)控課件

第十六章基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpression16-基因表達(dá)調(diào)控第一節(jié)

基本概念與原理BasicConceptionsandPrinciple16-基因表達(dá)調(diào)控一、基因表達(dá)的概念*基因組(genome)一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因?；蚪?jīng)過(guò)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。*基因表達(dá)(geneexpression)基因表達(dá)是受調(diào)控的目錄16-基因表達(dá)調(diào)控二、基因表達(dá)的特異性（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(chēng)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(chēng)階段特異性(stagespecificity)。目錄16-基因表達(dá)調(diào)控（二）空間特異性基因表達(dá)伴隨時(shí)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(chēng)細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱(chēng)之為基因表達(dá)的空間特異性(spatialspecificity)。目錄16-基因表達(dá)調(diào)控三、基因表達(dá)的方式按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：（一）組成性表達(dá)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱(chēng)為管家基因(housekeepinggene)。16-基因表達(dá)調(diào)控?zé)o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(gè)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。區(qū)別于其他基因，這類(lèi)基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)。16-基因表達(dá)調(diào)控（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)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(chēng)為可誘導(dǎo)基因?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程，稱(chēng)為誘導(dǎo)(induction)。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程稱(chēng)為阻遏(repression)。16-基因表達(dá)調(diào)控（三）、協(xié)調(diào)表達(dá)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)(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱(chēng)為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。16-基因表達(dá)調(diào)控四、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16-基因表達(dá)調(diào)控（一）基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素基因表達(dá)的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個(gè)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)。1.特異DNA序列和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)五、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理16-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(dòng)序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)16-基因表達(dá)調(diào)控是RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1)

啟動(dòng)序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列16-基因表達(dá)調(diào)控共有序列(consensussequence)

決定啟動(dòng)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(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。16-基因表達(dá)調(diào)控2

操縱序列

——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點(diǎn)當(dāng)操縱序列結(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，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng)，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白16-基因表達(dá)調(diào)控3)

其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如激活蛋白(activator)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。有些基因在沒(méi)有激活蛋白存在時(shí)，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動(dòng)序列。16-基因表達(dá)調(diào)控真核生物（一）順式作用元件1.啟動(dòng)子真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周?chē)囊唤M轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒16-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(huì)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)。

16-基因表達(dá)調(diào)控16-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(shí)間、空間特異性、增強(qiáng)啟動(dòng)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(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。16-基因表達(dá)調(diào)控真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識(shí)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(chēng)順式作用。由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過(guò)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(dá)。反式作用因子(trans-actingfactor)

這種調(diào)節(jié)作用稱(chēng)為反式作用。16-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(lèi)（按功能特性）*轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)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(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類(lèi)別。16-基因表達(dá)調(diào)控*轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子(specialregulationfactors)為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)。DNA-蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄阻遏因子16-基因表達(dá)調(diào)控通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，影響轉(zhuǎn)錄因子或轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的構(gòu)象,從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。

蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)

共激活因子共阻遏因子共調(diào)節(jié)因子16-基因表達(dá)調(diào)控2.RNA聚合酶⑴

原核啟動(dòng)序列/真核啟動(dòng)子與RNA聚合酶活性RNA聚合酶與其的親和力，影響轉(zhuǎn)錄。⑵

調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號(hào)刺激下表達(dá)，然后通過(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。16-基因表達(dá)調(diào)控（二）基因表達(dá)的多級(jí)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16-基因表達(dá)調(diào)控第二節(jié)

原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)RegulationofProkaryoticGeneTranscription16-基因表達(dá)調(diào)控操縱子模型調(diào)節(jié)基因–編碼阻遏蛋白I(與O序列結(jié)合)操縱部位啟動(dòng)子P

操縱基因O結(jié)構(gòu)基因

16-基因表達(dá)調(diào)控一、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制（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ZYAOPDNA16-基因表達(dá)調(diào)控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒(méi)有乳糖存在時(shí)（二）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)基因16-基因表達(dá)調(diào)控mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶16-基因表達(dá)調(diào)控++++轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)（三）CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP16-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(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(chēng)分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

16-基因表達(dá)調(diào)控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-polOOOO16-基因表達(dá)調(diào)控TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶?二、其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制（一）轉(zhuǎn)錄衰減色氨酸操縱子16-基因表達(dá)調(diào)控UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……16-基因表達(dá)調(diào)控UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’RNA聚合酶終止16-基因表達(dá)調(diào)控UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶2.當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)16-基因表達(dá)調(diào)控——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始三、原核基因轉(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（四）多順?lè)醋?操縱子同時(shí)控制多個(gè)相關(guān)基因16-基因表達(dá)調(diào)控第三節(jié)

真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)RegulationofEukaryoticGeneTranscription16-基因表達(dá)調(diào)控★一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類(lèi)動(dòng)物基因組DNA約3×109

堿基對(duì)編碼基因約有40000個(gè)，占總長(zhǎng)的6%rDNA等重復(fù)基因約占5%~10%16-基因表達(dá)調(diào)控（二）單順?lè)醋訂雾樂(lè)醋?monocistron)

即一個(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)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106

次）中度重復(fù)序列（103~104次）多拷貝序列16-基因表達(dá)調(diào)控（六）多為非編碼區(qū)（五）染色體結(jié)構(gòu)（四）斷裂基因—基因不連續(xù)性16-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(duì)核酸酶敏感活化基因常有超敏位