生物化学与分子生物学课件基因表达调控本.ppt

目录目录第十八章第十八章基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene Expression目录目录第一节第一节基因表达与基因表达调控的基因表达与基因表达调控的基本概念与特点基本概念与特点Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and its Regulation目录目录一、基因表达是基因转录和翻译的过程一、基因表达是基因转录和翻译的过程是基因转录及翻译的过程，也是基因所是基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码序列，对于蛋白质编码基因，基因，mRNA继而翻译成多肽链，并装配加继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物工成最终的蛋白质产物 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录目录二、基因表达具有时间特异性和空间特异性二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间顺序发生顺序发生按功能需要，某一特定基因的表达严格按一按功能需要，某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，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段阶段特异性特异性(stage specificity)目录目录（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特定生长发育阶段，同一基因在不同的定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同组织器官表达不同 在在个个体体生生长长、发发育育过过程程中中，一一种种基基因因产产物物在在个个体体的的不不同同组组织织或或器器官官表表达达，即即在在个个体体的的不不同同空空间间出出现现，这就是基因表达的这就是基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)基基因因表表达达伴伴随随时时间间或或阶阶段段顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种空空间间分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布所所决决定定的的，因因此此基基因因表表达达的的空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞特特异异性性(cell specificity)或组织特异性或组织特异性(tissue specificity)目录目录目录目录三、基因表达的方式存在多样性三、基因表达的方式存在多样性基因表达调控（基因表达调控（regulation of gene expression）就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或质（或RNA），在什么组织表达，什么时候表达，表达），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。

多少等 目录目录按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达基本（或组成性）表达诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达目录目录（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达某某些些基基因因在在一一个个生生物物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，不不易易受受环环境境条条件件的的影影响响，通通常常被被称称为为管管家家基基因因(housekeeping gene)管管家家基基因因的的表表达达水水平平受受环环境境因因素素影影响响较较小小，而而是是在在生生物物体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数、或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小这这类类基基因因表表达达被被视视为为基基本本（或或组组成性）基因表达成性）基因表达(constitutive gene expression)基本的基因表达水平并非绝对基本的基因表达水平并非绝对“一成不变一成不变”， 所谓所谓“不变不变”是相对的是相对的 目录目录（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏和阻遏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，即即这这种种基基因因表表达达是是可可诱诱导的。

导的可可诱诱导导基基因因(inducible gene)在在一一定定的的环环境境中中表达增强的过程，称为表达增强的过程，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时时被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因(repressible gene)可可阻阻遏遏基基因因 表表 达达 产产 物物 水水 平平 降降 低低 的的 过过 程程 称称 为为 阻阻 遏遏(repression)目录目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，即即为为协协同同表表达达(coordinate expression)， 这这 种种 调调 节节 称称 为为 协协 同同 调调 节节(coordinate regulation)三）生物体内不同基因的表达受到协调调节（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节目录目录四、基因表达调控受顺式作用元件四、基因表达调控受顺式作用元件和反式作用因子共同调节和反式作用因子共同调节一一般般说说来来，调调节节序序列列与与被被调调控控的的编编码码序序列列位位于于同同一一条条DNADNA链链上上，称称为为顺顺式式作作用用元元件件( (cis -acting element) )。

调调节节序序列列远远离离被被调调控控的的编编码码序序列列，实实际际上上是是其其他他分分子子的的编编码码基基因因，只只能能通通过过其其表表达达产产物物来来发发挥挥作作用用，这这些些蛋蛋白白质质分分子子称称为为反反式式作作用用因子因子( (trans-acting factor) )目录目录五、基因表达调控呈现多层次和复杂性五、基因表达调控呈现多层次和复杂性首先，遗传信息以基因的形式贮存于首先，遗传信息以基因的形式贮存于DNADNA中其其次次，遗遗传传信信息息经经转转录录由由DNADNA传传向向RNA RNA 过过程程中的许多环节中的许多环节 (最重要、最复杂最重要、最复杂) )最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工目录目录六、基因表达调控为生物体生长、六、基因表达调控为生物体生长、发育的基础发育的基础（一）生物体调节基因表达以适应环境、维（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生长和增殖持生长和增殖生物体所处的内、外环境是在不断变化生物体所处的内、外环境是在不断变化的通过一定的程序调控基因的表达，可使的通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。

地适应环境，维持其生长和增殖 目录目录（二）生物体调节基因表达以维持细胞（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键些差异是调节细胞表型的关键 目录目录第二节第二节 原核基因表达调控原核基因表达调控Regulation of Gene Expression in Prokaryote 目录目录原核生物基因组结构特点原核生物基因组结构特点 基因组中很少有重复序列；基因组中很少有重复序列； 编编码码蛋蛋白白质质的的结结构构基基因因为为连连续续编编码码，且且多多为为单单拷拷贝基因，但编码贝基因，但编码rRNArRNA的基因仍然是多拷贝基因；的基因仍然是多拷贝基因； 结结构构基基因因在在基基因因组组中中所所占占的的比比例例（约约占占50%50%）远远远大于真核基因组；远大于真核基因组； 许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列目录目录原核生物大多数基因表达调控是通过原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制操纵子机制实现实现一、一、操纵子是原核基因转录调控的基本操纵子是原核基因转录调控的基本单位单位 蛋白质因子蛋白质因子特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动子启动子 操纵元件操纵元件 其他调节基因其他调节基因(promoter)(operator)目录目录操纵子操纵子结构基因：功能上有关联的数个基因结构基因：功能上有关联的数个基因 串联排列串联排列调控序列调控序列启动子启动子操纵元件操纵元件调节基因调节基因目录目录是是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是是决定基因表达效率的关键元件。

决定基因表达效率的关键元件各种原核基因启动序列特定区域内，在转录起各种原核基因启动序列特定区域内，在转录起始点上游始点上游-10区域存在区域存在TATAAT，-35区域存在区域存在TTGACA的相似序列，称为的相似序列，称为共有序列共有序列共有序列决定启动序列的转录活性大小共有序列决定启动序列的转录活性大小 1、启动子、启动子目录目录 不同启动子因序列差异而与不同启动子因序列差异而与RNA聚合酶的亲和力不同，聚合酶的亲和力不同，启动转录的频率有高有低，即起动基因转录的强弱不同启动转录的频率有高有低，即起动基因转录的强弱不同 目录目录2、操纵元件、操纵元件能被特异的阻遏蛋白识别和结合的能被特异的阻遏蛋白识别和结合的DNADNA序列；序列；操纵序列与启动序列毗邻或接近，其操纵序列与启动序列毗邻或接近，其DNADNA序列常与序列常与启动子交错、重叠；启动子交错、重叠；当操纵序列与阻遏蛋白结合，介导负性调节；当操纵序列与阻遏蛋白结合，介导负性调节；目录目录许多操纵子都具有类似的对称性许多操纵子都具有类似的对称性序列，可能与特定蛋白质的结合相关序列，可能与特定蛋白质的结合相关 目录目录3 3、结合激活蛋白的特异、结合激活蛋白的特异DNADNA序列序列与激活蛋白结合后，使与激活蛋白结合后，使RNARNA酶活性增强，转录激活，酶活性增强，转录激活， 介导正性调节。

介导正性调节目录目录编编码码能能够够与与操操纵纵序序列列结结合合的的调调控控蛋蛋白白，可可以以分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白 4、调节基因（、调节基因（regulatory gene）目录目录 阻遏蛋白阻遏蛋白可以识别、结合操纵序列，抑制基因转录，介可以识别、结合操纵序列，抑制基因转录，介导负调节（导负调节（negative regulation）; 激活蛋白激活蛋白可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列，提高序列，提高RNA聚聚合酶与启动序列的结合能力，增强合酶与启动序列的结合能力，增强RNA聚合酶的转录活聚合酶的转录活性，性，介导介导正调控（正调控（positive regulation） 特异因子特异因子决定决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力；特异性识别和结合能力；目录目录Jacob和和Monod等人对等人对E. coli利用乳糖的适应现象进行研究，利用乳糖的适应现象进行研究，1961年提出乳糖操纵子年提出乳糖操纵子(lac operon。