第08章基因表达调控.ppt

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1、目目 录录Regulation of Gene Expression目目 录录目目 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 Principle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。基因转录、翻译的过程。经过一系列基因转录、翻译的过程。经过一系列生化反生化反应应产生具有特异生物学功能的产生具有特异生物学功能的终末产物终末产物的过程。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

2、是受调控的目目 录录目目 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 录录目目 录录（二）空间特异性（二）空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细

3、胞在器官的分布决定的，布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。目目 录录目目 录录三、基因表达的方式三、基因表达的方式按对刺激的反应性，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：（一）组成性表达（一）组成性表达某些基因在一个个体的几乎所有细

4、胞中持某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为续表达，通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。目目 录录无论表达水平高低，管家基因无论表达水平高低，管家基因较少受环境较少受环境因素影响因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基组成性基因表达因表达(constitutive gene expression)。目目 录录（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下

5、，相应的基因被激在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导可诱导基因基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为称为诱导诱导(induction)。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。目目 录录在一定机制控制下，功能上相关的一组基在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、因，无

6、论其为何种表达方式，均需协调一致、共 同 表 达，即 为共 同 表 达，即 为 协 调 表 达协 调 表 达(c o o r d i n a t e e x p re s s i o n)，这 种 调 节 称 为 协 调 调 节这 种 调 节 称 为 协 调 调 节(coordinate regulation)。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目目 录录五、基因表达调控的基本原理五、基因表达调控的基本原理（一）基因表达的多级调控（一）基因表达的多级调控基

7、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基因表达的调节与基因表达的调节与基因基因的结构、性的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外质，生物个体或细胞所处的内、外环境环境，以及细胞内所存在的转录以及细胞内所存在的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。1.特异特异DNA序列和调节蛋白质序列和调节蛋白质目目 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

8、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)目目 录录是是RNA聚合酶结合并启动转录聚合酶结合并启动转录的特异的特异DNA序列。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共有序列共有序列目目 录录共有序列共有序列(consensus sequence)决定

9、启动决定启动序列的转录活性大小。序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）某些特异因子（蛋白质）决定决定RNA聚合聚合酶酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。合能力。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操纵序列结合有当操纵序列结合有阻遏蛋白阻遏蛋白时，会阻碍时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚聚合酶不能沿合酶不能沿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阻遏蛋白阻遏蛋白目目 录录3)3)其

10、他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白例如例如激活蛋白激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近可结合启动序列邻近的的DNA序列，促进序列，促进RNA聚合酶与启动序列的聚合酶与启动序列的结合，增强结合，增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时，有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。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不同真核生物的顺式

11、作用元件中也会发现不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列一些共有序列，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，这盒等，这些共有序列是些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的聚合酶或特异转录因子的结合位点。结合位点。目目 录录2)2)真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白还有蛋白质因子可特异识别、结合自还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列身基因的调节序列，调节自身基因的表达，调节自身基因的表达，称称顺式作用顺式作用。由某一基因表达产生的蛋白质因子，由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。互作用，调

12、节其表达。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)这种调节作用称为这种调节作用称为反式作用反式作用。目目 录录cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CBA mRNA蛋白质蛋白质AA目目 录录指的是反式作用因子与顺式作用元件之指的是反式作用因子与顺式作用元件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，被识别的被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。全对称结构。绝大多数调节蛋白质结合绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通前，需通过蛋白质过蛋白质-蛋白质相互作用，形成

13、蛋白质相互作用，形成二聚体二聚体(dimer)或或多聚体多聚体(polymer)。2.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目目 录录3.RNA聚合酶聚合酶 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，影响转录。聚合酶与其的亲和力，影响转录。调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质相互蛋白质相互作用影响作用影响RNA聚合酶活性。聚合酶活性。目目 录录第第 二二

14、 节节 原核基因转录调节原核基因转录调节Regulation of Prokaryotic Gene Transcription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）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

15、基因结构基因Z：-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ZYAOPDNA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-半乳糖苷酶半乳糖苷酶目目 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的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP目目 录录（四四

16、）协调调节协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能对该系统不能发挥作用；发挥作用；如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，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；若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代分解代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。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-polOOOO目目 录录目目 录录UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码