第十章基因表达调控课件.ppt

第十章第十章 基因表达调控基因表达调控（P257-349）Chapter 10 Regulation of Gene Expressionl基因表达调控基本概念与原理基因表达调控基本概念与原理l原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控l真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控第一节第一节 基因表达调控基本概念与原理基因表达调控基本概念与原理基因表达的概念及基因表达的概念及基因表达的特点基因表达的特点( (时间性时间性及空间性及空间性) )基因表达的方式基因表达的方式( (组成性、诱导、阻遏组成性、诱导、阻遏) )基因表达的生物学意义基因表达的生物学意义基因表达调控的基本原理（多级调控、表达激基因表达调控的基本原理（多级调控、表达激活基本要素）活基本要素）一、基因表达的概念及一、基因表达的概念及基因表达的基因表达的特点特点( (时间性及空间性时间性及空间性) )1.1.基因表达基因表达（gene expression）就是指在一）就是指在一定调节因素的作用下，定调节因素的作用下，DNA分子上特定分子上特定的基因（遗传信息）被激活并转录生成的基因（遗传信息）被激活并转录生成特定的特定的RNA，并由此引起特异性蛋白质，并由此引起特异性蛋白质合成的过程。

合成的过程 DNA中的遗传信息用以决定细胞的表型中的遗传信息用以决定细胞的表型和生物性状和生物性状 2.2.基因表达的时间基因表达的时间性性及空间性及空间性基基 因因 表表 达达 的的 时时 间间 特特 异异 性性 (temporal specificity)是是指指特特定定基基因因的的表表达达严严格格按按照照特特定定的的时时间间顺顺序序发发生生，以以适适应应细细胞胞或或个个体体特特定定分分化化、发发育育阶阶段段的的需需要要故故又又称称为阶段为阶段特异特异性 基基 因因 表表 达达 的的 空空 间间 特特 异异 性性 （ spatial specificity）是是指指多多细细胞胞生生物物个个体体在在某某一一特特定定生生长长发发育育阶阶段段，同同一一基基因因的的表表达达在在不不同同的的细细胞胞或或组组织织器器官官不不同同，从从而而导导致致特特异异性性的的蛋蛋白白质质分分布布于于不不同同的的细细胞胞或或组组织织器器官官故故又又称称为为细细胞胞特特异异性性或或组组织织特特异性 二、基因表达的方式二、基因表达的方式1. 组成性表达组成性表达 组组 成成 性性 基基 因因 表表 达达 （ constitutive gene expression）是是指指在在个个体体发发育育的的任任一一阶阶段段都都能能在在大大多多数数细细胞胞中中持持续续进进行行的的基基因因表表达达。

其其基基因因表表达达产产物物通通常常是是对对生生命命过过程程必必需需的的或或必必不不可可少少的，且受环境因素的影响较小的，且受环境因素的影响较小 这这类类基基因因通通常常被被称称为为管管家家基基因因（housekeeping gene）2.诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达诱诱导导表表达达（induction）：在在特特定定环环境境因因素素刺刺激激下下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加基因被激活，从而使基因的表达产物增加 调调节节分分解解代代谢谢的的操操纵纵子子是是诱诱导导型型这这类类基基因因称称为为可诱导基因可诱导基因诱导物诱导物阻阻遏遏表表达达（repression）：在在特特定定环环境境因因素素刺刺激激下下，基基因因被被抑抑制制，从从而而使使基基因因的的表表达达产产物物减减少少调调节节合合成成代代谢谢的的操操纵纵子子是是阻阻遏遏型型这这类类基基因因称称为为可可阻阻遏基因遏基因阻遏物阻遏物 正调控和负调控正调控和负调控正调控正调控(positive control)：任何促进转录的任何促进转录的调节负调控负调控 (negative control)：任何阻碍转录的任何阻碍转录的调节三、基因表达的生物学意义三、基因表达的生物学意义适应环境、维持生长和增殖。

适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化维持个体发育与分化四、基因表达调控的基本原理四、基因表达调控的基本原理基因表达的调控（基因表达的调控（control of gene expression）: 基基因因组组中中某某一一个个基基因因或或一一些些功功能能相相近近的的基基因因,表表达的开启、关闭和表达强度的直接调节达的开启、关闭和表达强度的直接调节1. 基因表达的多级调控基因表达的多级调控 基基因因表表达达调调控控从从基基因因激激活活到到蛋蛋白白质质生生物物合合成成的的各各个个阶阶段段，基基因因表表达达的的调调控控可可分分为为转转录录水水平平（基基因因激激活活及及转转录录起起始始），转转录录后后水水平平（加加工工及及转转运运），翻翻译译水水平平及及翻翻译译后后水水平平，但但以以转转录录水平的基因表达调控最重要水平的基因表达调控最重要2.基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素A顺式作用元件顺式作用元件 顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）：）：又又称分子内作用元件，指存在于称分子内作用元件，指存在于DNA分子分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。

序在在原原核核生生物物中中，大大多多数数基基因因表表达达通通过过操操纵纵子子模模型型进进行行调调控控，其其顺顺式式作作用用元元件件主主要要由由启启动动子子（promoter） 、操操作作子子(operator)和和调调节节基基因因(regulatory gene)组成在在真真核核生生物物中中，与与基基因因表表达达调调控控有有关关的的顺顺式式作作用用元元件件主主要要有有启启动动子子（promoter）、增增强强子子（enhancer）和沉默子（）和沉默子（silencer） 基因的组织结构及顺式作用元件基因的组织结构及顺式作用元件B反式作用因子反式作用因子反反式式作作用用因因子子（trans-acting factor）又又称称为为分分子子间间作作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子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间的的共共同同作作用用，才才能能够达到对特定基因进行调控的目的够达到对特定基因进行调控的目的原原核核生生物物中中的的反反式式作作用用因因子子主主要要分分为为特特异异因因子子、激激活活蛋蛋白白和和阻阻遏遏蛋蛋白白；而而真真核核生生物物中中的的反反式式作作用用因因子子通通常常称为称为转录因子转录因子。

顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：用： 大多数调节蛋白在与大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合这种结合通常分子结合这种结合通常是非共价键结合是非共价键结合第二节第二节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控基因表达基因表达（gene expression） ：是一个产：是一个产生基因产物生基因产物(RNA或蛋白质或蛋白质)的过程调控的三个层次：调控的三个层次：DNA、转录转录和翻译和翻译操纵子模型及其调控原理操纵子模型及其调控原理一、操纵子模型操纵子操纵子(operon)：相关功能的结构基因串连排列成：相关功能的结构基因串连排列成簇，它们编码同一个代谢途径中的不同的酶，由一簇，它们编码同一个代谢途径中的不同的酶，由一个调控蛋白所控制，一开俱开，一闭俱闭，对环境个调控蛋白所控制，一开俱开，一闭俱闭，对环境条件的改变作出相应的反应条件的改变作出相应的反应。

结构基因：产生酶和产生不直接影响其他基因表达结构基因：产生酶和产生不直接影响其他基因表达的蛋白质的的蛋白质的DNA序列序列 调节基因：产生阻抑蛋白质或转录激活因子的调节基因：产生阻抑蛋白质或转录激活因子的DNA序列序列操作子操作子(operator)：能与活性调节蛋白结合开闭结构：能与活性调节蛋白结合开闭结构基因表达的基因表达的DNA序列序列操纵子的主要类型操纵子的主要类型诱导型：分解代谢，如乳糖操纵子诱导型：分解代谢，如乳糖操纵子(lac operon)阻遏型：合成代谢，如色氨酸操纵子阻遏型：合成代谢，如色氨酸操纵子(trp operon) 弱化作用弱化作用：结构基因前提前终止转录：结构基因前提前终止转录二、乳糖操纵子二、乳糖操纵子(lac operon)1.1.结构结构控制区包括控制区包括调节基因（阻遏基因），启动子（其调节基因（阻遏基因），启动子（其CRP结结合位点位于合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵子；聚合酶结合位点上游）和操纵子；信息区信息区: :由由-半乳糖苷酶基因（半乳糖苷酶基因（lac z ），）， -半乳糖苷半乳糖苷透性酶基因（透性酶基因（lac y）和乙酰化酶基因（）和乙酰化酶基因（lac a）串联在）串联在一起构成。

一起构成P-O区共122个碱基对，P区84个；O区是阻遏物结合区，35个碱基对（78-112），和P区重叠7个碱基，Z基因始点与O区间隔10个碱基对O区和P区中的cAMP-CRP复合物结合位点碱基顺序有对称性O OP乳糖操纵子的结构基因及其表达产物乳糖操纵子的结构基因及其表达产物2 2、乳糖操纵子及调控机制、乳糖操纵子及调控机制A. 阻遏蛋白的负调控阻遏蛋白的负调控（Jacob-MonodJacob-Monod负调控模型）负调控模型） 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)：负调控系统中调节基因负调控系统中调节基因的产物的产物调节蛋白（调节蛋白（阻遏物）阻遏物）无辅基诱导蛋白无辅基诱导蛋白(apoinducer)：正调控系统中正调控系统中的调节蛋白（的调节蛋白（激活物）激活物） 具有与具有与DNA直接结合的蛋白质结构直接结合的蛋白质结构效应物效应物(effector)：能够与调节蛋白结合、并改能够与调节蛋白结合、并改变调节蛋白性质的小分子物质变调节蛋白性质的小分子物质诱导物诱导物(inducer)：与阻遏物或激活物结合，与阻遏物或激活物结合，启动操纵子转录的效应物启动操纵子转录的效应物辅阻遏物辅阻遏物(corepressor)：与阻遏物结合阻断与阻遏物结合阻断转录的效应物。

转录的效应物安慰诱导物化学合成的、结构类似于乳糖，不被化学合成的、结构类似于乳糖，不被-半乳糖苷半乳糖苷酶酶分解，能行使诱导物的功能分解，能行使诱导物的功能的化合物如的化合物如isopropylthiogalactosideisopropylthiogalactoside（IPTGIPTG，异，异丙基硫代半乳糖苷）丙基硫代半乳糖苷）X-galX-gal在基因工程中用于筛选蓝白菌落在基因工程中用于筛选蓝白菌落 B. CAP的正调控P265-266cAMP: 辅诱导物辅诱导物（葡萄糖葡萄糖影响腺苷酸环化酶活力）影响腺苷酸环化酶活力）ATP 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 cAMP+PPi CRP(cAMP receptor protein) cAMP受体蛋受体蛋白或称为白或称为CAP(catabolic gene activator protein)分解代谢基因激活蛋白分解代谢基因激活蛋白CAP结合位点：位于结合位点：位于P区区,是与是与cAMP- CAP复复合物相互结合的合物相互结合的DNA序列序列调控原理调控原理cAMP-CAP复合物是活性诱导物复合物是活性诱导物结合乳糖操纵子结合乳糖操纵子P区的区的CAP结合位点结合位点改变改变DNA二级结构，促进二级结构，促进RNA聚合酶结合聚合酶结合于于-10区形成开放式启动子复合物区形成开放式启动子复合物,促进转促进转录。

录正调控和负调控的比较正调控和负调控的比较 正调控体系正。