13第十三章基因表达调控.ppt

目目 录录Regulation of Gene Expression1目目 录录第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理Basic Conceptions and Principle2目目 录录一、基因表达的概念一、基因表达的概念* *基因组基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因整套基因基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程功能的蛋白质分子的过程 *基因表达基因表达(gene expression)基因表达是受调控的基因表达是受调控的目目 录录3目目 录录二、基因表达的时间性及空间性二、基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性（一）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity) 多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性(stage specificity)。

目目 录录4目目 录录（二）空间特异性（二）空间特异性在在个个体体生生长长全全过过程程，，某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，，称称之之为为基基因因表表达达的的空间特异性空间特异性(spatial specificity)目目 录录5目目 录录¡细胞要维持其功能、有些基因的表达产物在任细胞要维持其功能、有些基因的表达产物在任何时候都是必需何时候都是必需¡有些蛋白则相对特化，只是在发育的某个特定有些蛋白则相对特化，只是在发育的某个特定阶段或某些特定的组织中才用得上阶段或某些特定的组织中才用得上6目目 录录三、基因表达的方式三、基因表达的方式（一）组成性表达（一）组成性表达必必 需需 蛋蛋 白白 的的 基基 因因 称称 为为 管管 家家 基基 因因(housekeeping gene)管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素影影响响，，并并且且在在一一个个个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表表达达这这类类基基因因表表达达被被 视视 为为 组组 成成 性性 基基 因因 表表 达达 (constitutive gene expression)。

7目目 录录（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，，相相应应的的基基因因被被激激活活，，基基因因表表达达产产物物增增加加，，这这种种基基因因称称为为可可诱诱导导基因基因可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中表表达达增增强强的的过过程程，，称为称为诱导诱导(induction) 如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因可可阻阻遏遏基基因因表表达达产产物物水水平平降低的过程称为降低的过程称为阻遏阻遏(repression)8目目 录录在在一一定定机机制制控控制制下下，，功功能能上上相相关关的的一一组组基基因因，，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，，均均需需协协调调一一致致、、共共同同表表达达，，即即为为协协调调表表达达这这种种调调节节称称为为协协调调调节调节(coordinate regulation)9目目 录录四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化（二）维持个体发育与分化10目目 录录第二节第二节基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理Basic Principles of Gene Expression Regulation11目目 录录（一）基因表达的多级调控（一）基因表达的多级调控基因基因激活激活转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰转录起始转录起始12目目 录录（二）基因转录激活调节基本要素（二）基因转录激活调节基本要素1. 特异特异DNA序列序列2. 调节蛋白调节蛋白3. DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用4. RNA聚合酶聚合酶13目目 录录1. 特异特异DNA序列序列*特异特异DNA序列：序列：主要指具有主要指具有调节调节功能的功能的DNA序列。

序列原核生物原核生物的基因表达调控是通过的基因表达调控是通过操纵子操纵子机制实现的机制实现的真核基因真核基因调控机制普遍涉及编码基因两侧的调控机制普遍涉及编码基因两侧的DNA序列序列—— 顺式作用元件顺式作用元件14目目 录录*操纵子（操纵子（operon）：）：通常由通常由2个以上的个以上的编码序列编码序列与与启动序列启动序列（（promotor）、）、操纵序列操纵序列（（operator）以及）以及其它调节序列其它调节序列在基因组中成在基因组中成簇串联组成簇串联组成15目目 录录原核生物原核生物 蛋白质因子蛋白质因子—— 操纵子操纵子(operon) 机制机制特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)16目目 录录*启动序列（启动序列（promotor）：）：RNA聚合酶结合并启动转录的特异聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列原核生序列原核生物物的的启动序列按功能的不同可分为启动序列按功能的不同可分为三个部位，即三个部位，即起始起始部位、结合部位、识别部位部位、结合部位、识别部位。

17目目 录录是是RNA聚合酶结合并启动转录的特聚合酶结合并启动转录的特异异DNA序列1) 启动序列启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列共有序列决共有序列决定启动序列定启动序列转录活性大转录活性大小18目目 录录不同真核生物的顺式作用元件不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列中也会发现一些共有序列 ，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，这些共盒等，这些共有序列是有序列是RNA聚合酶或特异转聚合酶或特异转录因子的结合位点录因子的结合位点19目目 录录*操纵序列（操纵序列（operator）：）：与启动序列毗邻或接近的与启动序列毗邻或接近的DNA序列，是原核序列，是原核阻遏蛋阻遏蛋白白的结合位点其的结合位点其DNA序列常与启动序列交错、重序列常与启动序列交错、重叠20目目 录录2 2  操纵序列操纵序列 ————阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点当当操操纵纵序序列列结结合合有有阻阻遏遏蛋蛋白白时时，，会会阻阻碍碍RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，，或或是是RNA聚聚合合酶不能沿酶不能沿DNA向前移动向前移动 ，阻碍转录。

阻碍转录启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏阻遏蛋白蛋白21目目 录录原核生物原核生物编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)3) 其他调节序列其他调节序列CAP结合位点结合位点22目目 录录真核生物真核生物1) 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)——可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点 23目目 录录-30bp 控制转录起始的精确性控制转录起始的精确性启动子上游激活序列启动子上游激活序列 （（UAS））控制着转录起始的频率控制着转录起始的频率 真核基因的真核基因的顺式作用元件顺式作用元件 1.启动子启动子启动子启动子结构基因结构基因顺式作用元件顺式作用元件24目目 录录2. 调节蛋白调节蛋白1））原核生物原核生物基因调节蛋白分为三类：基因调节蛋白分为三类：v特异因子：特异因子：决定决定RNA聚合酶聚合酶对一个或一套启动序列的特对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。

异性识别和结合能力v阻遏蛋白（阻遏蛋白（repressor）：）：可识别结合特异性的可识别结合特异性的DNA序列序列——操纵序列操纵序列，阻遏基因转录阻遏基因转录v激活蛋白（激活蛋白（activator）：）：可结合可结合启动序列邻近的启动序列邻近的DNA序序列列，，促进促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合聚合酶活性25目目 录录 有些基因在没有分解代谢物基因激活有些基因在没有分解代谢物基因激活蛋白存在时，蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能聚合酶很少或完全不能结合启动序列结合启动序列如如Lac operon CAP (catabolite gene activator protein)分解（代谢）物基因激活蛋白分解（代谢）物基因激活蛋白26目目 录录2 2、、真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白Ø还还有有蛋蛋白白质质因因子子可可特特异异识识别别、、结结合合自自身身基基因因的的调调节节序序列列，，调调节节自自身身基基因因的的表表达达，，称称顺式作用顺式作用Ø由由某某一一基基因因表表达达产产生生的的蛋蛋白白质质因因子子，，通通过过与与另另一一基基因因的的特特异异的的顺顺式式作作用用元元件件相相互互作作用用，，调调节节其其表表达达。

这这种种调调节节作作用用称称为为反式作用反式作用 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) 27目目 录录cDNAaDNA反式作用反式作用C顺式作用顺式作用 mRNA C蛋白质蛋白质CbA mRNA蛋白质蛋白质AA由某一基因表达由某一基因表达由某一基因表达由某一基因表达产生的蛋白质因产生的蛋白质因产生的蛋白质因产生的蛋白质因子，通过与另一子，通过与另一子，通过与另一子，通过与另一基因的特异的顺基因的特异的顺基因的特异的顺基因的特异的顺式作用元件相互式作用元件相互式作用元件相互式作用元件相互作用，调节其表作用，调节其表作用，调节其表作用，调节其表达这种蛋白质达这种蛋白质达这种蛋白质达这种蛋白质因子被称为因子被称为因子被称为因子被称为* *反式反式反式反式作用因子作用因子作用因子作用因子(trans-(trans-acting factor) acting factor) 2) 真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白28目目 录录指指的的是是反反式式作作用用因因子子与与顺顺式式作作用用元元件件之之间的特异识别及结合通常是非共价结合间的特异识别及结合。

通常是非共价结合绝绝大大多多数数调调节节蛋蛋白白质质结结合合DNA前前，，需需通通过过蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作作用用，，形形成成二二聚聚体体(dimer)或或多聚体多聚体(polymer)3. DNA - 蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质-蛋白质蛋白质的相互作用的相互作用29目目 录录POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由由RNA-Pol Ⅱ催化转录的催化转录的PIC POL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC组装完成，组装完成，TFⅡH使使CTD磷酸化磷酸化羧基末端羧基末端的结构域的结构域30目目 录录4. RNA聚合酶聚合酶⑴⑴ 原核启动序列原核启动序列/真核启动子与真核启动子与RNA聚合酶聚合酶活性活性 RNA聚合酶与其的亲和力聚合酶与其的亲和力，，影响转录影响转录⑵⑵ 调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性一一些些特特异异调调节节蛋蛋白白在在适适当当环环境境信信号号刺刺激激下下表表达达，，然然后后通通过过DNA-蛋蛋白白质质、、蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作用影响作用影响RNA聚合酶活性。

聚合酶活性31目目 录录第第 三三 节节 原核基因转录调节原核基因转录调节Regulation of Prokaryotic Gene Transcription32目目 录录——调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点（（一一））σ因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性33目目 录录二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（（一一））乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z：： β-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：： 透酶透酶A：：乙酰基转移酶乙酰基转移酶ZYAOPDNA34目目 录录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（（二二））阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因35目目 录录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 IPTG异丙基硫代半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷36目目 录录 乳糖在透酶催化、转运进入细胞，再经乳糖在透酶催化、转运进入细胞，再经 -半乳糖半乳糖苷酶催化，转变成苷酶催化，转变成别乳糖别乳糖。

37目目 录录+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时（（三三））CAP的的正性调节正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP38目目 录录（（四四））协调调节协调调节※当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，，CAP对对该该系系统统不不能能发挥作用；发挥作用；※如如无无CAP存存在在，，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列结合，操纵子仍无转录活性列结合，操纵子仍无转录活性单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，，细细菌首先利用葡萄糖菌首先利用葡萄糖葡葡萄萄糖糖对对 lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分分解解代代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression) 39目目 录录mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO40目目 录录第第 四四 节节 真核基因转录调节真核基因转录调节Regulation of Eukaryotic Gene Transcription41目目 录录一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点（（一）真核基因组结构庞大一）真核基因组结构庞大哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNA 约约 3 × 10 9 碱基对碱基对编码基因编码基因约约 有有 40000 个个，，占总长的占总长的6 %重复基因重复基因约约 占占 5% ~ 10%42目目 录录（（二）单顺反子二）单顺反子单顺反子单顺反子(monocistron) 即即一一个个编编码码基基因因转转录录生生成成一一个个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。

分子，经翻译生成一条多肽链三）重复序列三）重复序列单单拷贝序列（一次或数次）拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（106 次）次）中度重复序列（中度重复序列（103 ~ 104次）次）多拷贝序列多拷贝序列（（四）基因不连续性四）基因不连续性43目目 录录二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点（（一）一）RNA聚合酶聚合酶（（二）活性染色体结构变化二）活性染色体结构变化1. 对核酸酶敏感对核酸酶敏感活活化化基基因因常常有有超超敏敏位位点点，，位位于于调调节节蛋蛋白结合位点附近白结合位点附近44目目 录录2. DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向3. DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比甲基化范围与基因表达程度呈反比45目目 录录4. 组蛋白变化组蛋白变化①① 富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低②② H2A, H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加③③ 组蛋白修饰组蛋白修饰④④ H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露（（三三））正正性性调节占主导调节占主导（（四四））转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行（（五）转录后修饰、加工五）转录后修饰、加工46目目 录录三、真核基因转录激活调节三、真核基因转录激活调节（（一）顺式作用元件一）顺式作用元件1. 启动子启动子真真核核基基因因启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点周周围围的的一一组组转转录录控控制制组组件件，，至至少少包包括括一一个个转转录录起起始始点点以以及及一一个个以以上上的的功能组件功能组件。

TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒47目目 录录48目目 录录2. 增强子增强子(enhancer)指指远远离离转转录录起起始始点点、、决决定定基基因因的的时时间间、、空空间间特特异异性性、、增增强强启启动动子子转转录录活活性性的的DNA序序列列发挥作用的方式通常与方向、距离无关发挥作用的方式通常与方向、距离无关 3. 沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用49目目 录录（（二）反式作用因子二）反式作用因子 1. 转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）* 基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组蛋蛋白白 因因 子子 ，， 决决 定定 三三 种种 RNA(mRNA、、 tRNA及及rRNA)转录的类别转录的类别50目目 录录* 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，，决决定定该该基基因因的的时间、空间特异性表达。

时间、空间特异性表达转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子51目目 录录2. 转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域52目目 录录最最常见的常见的DNA结合域结合域 1. 锌指锌指(zinc finger)C —— CysH —— His常常结合结合GC盒盒53目目 录录ZnCysHis54目目 录录 2. α-螺旋螺旋常常结合结合CAAT盒盒55目目 录录蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）56目目 录录（三（三））mRNA 转录激活及其调节转录激活及其调节polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBP真核真核RNA聚合酶聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物的转录起始复合物TATA DNATBP相关因子相关因子57目目 录录真核基因转录调节是真核基因转录调节是复杂的、多样的复杂的、多样的*不不同同的的DNA元元件件组组合合可可产产生生多多种种类类型型的的转转录录调节方式；调节方式；*多多种种转转录录因因子子又又可可结结合合相相同同或或不不同同的的DNA元元件。

件转转录录因因子子与与DNA元元件件结结合合后后，，对对转转录录激激活活过过程程所所产产生生的的效效果果各各异异，，有有正正性性调调节节或或负负性性调调节之分58目目 录录summary¡1. Some genes are expressed constitutively, but the transcription of other genes is regulated. Transcription may be regulated by a repressor or an activator.¡2. In prokaryotes, coordinated gene control is achieved by clustering coordinated structural genes on the chromosome (operon) so that they are transcribed into multigenic mRNAs (polycistron). 59目目 录录¡3. Transcription of the three genes of the lac operon is blocked when lac repressor binds to operator near the promoter. The repressor dissociates from the DNA when it binds the inducer allolactose. Transcription is activated by a complex of cAMP and CAP.¡4. In eukaryotes, gene expression is controlled by the interaction of cis-acting element and trans-acting factor. 60目目 录录¡5. In eukaryotes, additional regulatory DNA sites, such as enhancers, can act at a considerable distance from the transcription start site to modulate gene experssion by interacting with specific regulatory proteins. 61目目 录录1、基因、基因组，基因表达、基因表达调控。

基因、基因组，基因表达、基因表达调控2、操纵子概念和原核生物乳糖操纵子的结构及调控机理操纵子概念和原核生物乳糖操纵子的结构及调控机理 3、真核生物基因组结构特点、真核生物基因组结构特点 4、顺式作用元件与反式作用因子的概念顺式作用元件与反式作用因子的概念。