第13章原来基因表达调控.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产物的过程。功能的产物的过程。*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 录录目目 录录二、基因表达的时间

2、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，实际上是由细胞在器官的分布决定的，布差异，实际上是由细胞在器

3、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胞中持某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达

4、，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，相应的基因被激在特定环境信号刺激下，相应的基因

5、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，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共 同 表 达

6、，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因基因激活激活转录起始转录起始 转录后加工转录后

7、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列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节

8、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)决定启动决定启动序列的转录活性大小。序列的转录活性大

9、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)其他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白例如例

10、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

11、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，调节其表达。反式作用因子反式作用因子(trans-a

12、cting 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，形成蛋白质相互作用，形成二聚体二聚体(dimer)或或

13、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聚合酶与其的亲和力，影响转录。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达，然后通过然后通过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 节节 原核基因转录调节原核基因转录调节Regulat

14、ion 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 在转录起始阶段，在转录起始阶段，因子识别特异启动序因子识别特异启

15、动序列；不同的列；不同的因子决定特异基因的转录激活，因子决定特异基因的转录激活，决定决定mRNA、rRNA和和tRNA基因的转录。基因的转录。目目 录录（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性 原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位单位操纵子（操纵子（operon）。一个操纵子只含一）。一个操纵子只含一个启动序列（个启动序列（promoter）及数个可转录的编码）及数个可转录的编码基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子mRNA。

16、原核基因的协调表达就是通过调控单。原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完成的。个启动基因的活性来完成的。目目 录录（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节 原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。与的开、关调节机制。当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。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）乳糖操纵子（一）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：-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）阻遏蛋白的负性调节（二）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