第13章基因表达调控08级.ppt

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1、目目 录录Regulation of Gene Expression目目 录录目目 录录 主要内容主要内容 一、一、二、二、三、三、四、四、目目 录录 目的要求目的要求 1.。.目目 录录第第 一一 节节基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念Basic Conceptions of Gene Expression Regulation目目 录录n基因表达、管家基因的概念。基因表达、管家基因的概念。n基因及基因组的概念；基因及基因组的概念；n基因表达的时间、空间特异性；基因表达的时间、空间特异性；n基因表达的方式：基本表达、诱导基因表达的方式：基本表达、诱导和阻遏、协调表达。和阻遏、协调表

2、达。目目 录录是携带特定遗传信息的是携带特定遗传信息的DNA片断片断，其，其结构组成有：结构组成有：DNA编码序列编码序列、非编码调节序列非编码调节序列和和内含子内含子。n 基因是生物遗传的基本单位，也就基因是生物遗传的基本单位，也就是编码是编码一种一种RNA,进而编码一种多肽的信息单位进而编码一种多肽的信息单位。n 由由mRNA反转录生成的反转录生成的cDNA也习惯上也也习惯上也称为称为“基因基因”，但不含有基因转录的调控序列，但不含有基因转录的调控序列，只含翻译调控和多肽链编码序列。只含翻译调控和多肽链编码序列。目目 录录 基因组是指一个细胞或病毒所携带的全部基因组是指一个细胞或病毒所携带

3、的全部遗传信息或整套基因。遗传信息或整套基因。原核生物和噬菌体的基因组是其单个环状原核生物和噬菌体的基因组是其单个环状染色体所含的全部基因；真核生物基因组是指染色体所含的全部基因；真核生物基因组是指一个生物体的染色体所包含的全部一个生物体的染色体所包含的全部DNA，称为，称为染色体基因组。染色体基因组。目目 录录 不同生物的基因组含有不同数量的基因。细不同生物的基因组含有不同数量的基因。细菌基因组约含菌基因组约含4000个基因，人类基因组约个基因，人类基因组约3万万4万万个基因。所有基因并非同时表达，而是在某一特个基因。所有基因并非同时表达，而是在某一特定时期或生长阶段，只有一小部分基因处于表

4、达定时期或生长阶段，只有一小部分基因处于表达状态，大部分基因不表达。状态，大部分基因不表达。是基因转录及翻译从而生成具有生物学功能产是基因转录及翻译从而生成具有生物学功能产物的过程。物的过程。大多数基因经过激活、转录、翻译，产大多数基因经过激活、转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，使细胞或个生具有特异生物学功能的蛋白质分子，使细胞或个体具有一定的功能或形态表型。体具有一定的功能或形态表型。目目 录录例如：例如：n 大肠杆菌通常只有大肠杆菌通常只有5%的基因高表达，其余的基因高表达，其余不表达或低表达。不表达或低表达。n 平时与细菌蛋白质生物合成有关的延长因子平时与细菌蛋白质生物合成

5、有关的延长因子编码基因表达活跃，而与编码基因表达活跃，而与DNA损伤修复有关的酶损伤修复有关的酶分子编码基因很少表达；分子编码基因很少表达；n 当紫外线照射引起当紫外线照射引起DNA损伤时，修复酶编码损伤时，修复酶编码基因表达活跃。基因表达活跃。n 说明说明基因表达是在一定调控机制下进行基因表达是在一定调控机制下进行。生。生物体随时调整不同基因的表达状态，适应环境，物体随时调整不同基因的表达状态，适应环境，维持生长。维持生长。目目 录录所有生物基因表达都表现严格的时间和空间特异性所有生物基因表达都表现严格的时间和空间特异性多细胞生物在组织器官形成的各个不同发育阶段多细胞生物在组织器官形成的各个

6、不同发育阶段相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。这种基因表达的时间分化、发育阶段一致的时间性。这种基因表达的时间特异性又称特异性又称阶段特异性阶段特异性(stage specificity)按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称为基因表达的时间顺序发生，称为基因表达的时间特异性时间特异性(temporal specificity)。如细菌、病毒、噬菌体感染宿主后。如细菌、病毒、噬菌体感染宿主后 ，随，随感染阶段发展，生长环境变化，有些基因开放，有些感

7、染阶段发展，生长环境变化，有些基因开放，有些基因关闭。如基因关闭。如AFPAFP基因基因-胎儿肝胎儿肝C-C-成人肝成人肝C-C-肝癌肝肝癌肝C C。目目 录录 在个体生长、发育的全过程中，某种基因产物在在个体生长、发育的全过程中，某种基因产物在个体的不同组织器官表达不一致，即个体的不同组织器官表达不一致，即按不同组织空间按不同组织空间顺序出现，称为基因表达的空间特异性顺序出现，称为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。如编码胰岛素的基因只在胰岛的。如编码胰岛素的基因只在胰岛的细胞中细胞中表达；肌浆蛋白基因在肌原细胞中高表达，而在成纤表达；肌浆蛋白基因在肌原细胞中高表

8、达，而在成纤维细胞中几乎不表达。维细胞中几乎不表达。基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞所在器官的分布决定的，所以基因表实际上是由细胞所在器官的分布决定的，所以基因表达的空间特异性又称为达的空间特异性又称为细胞特异性或组织特异性细胞特异性或组织特异性(cell or tissue specificity)。目目 录录三、基因表达的方式及调节存在很大差异三、基因表达的方式及调节存在很大差异 由于不同的基因对内、外环境信号刺激的反应由于不同的基因对内、外环境信号刺激的反应不同，按对刺激的反应性，基因表达的方式分为不同，按对刺激的反应

9、性，基因表达的方式分为基本基本表达表达和和诱导阻遏表达诱导阻遏表达。（一）基本表达（一）基本表达有些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持有些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续 表 达，这 类 基 因 通 常 被 称 为 管 家 基 因续 表 达，这 类 基 因 通 常 被 称 为 管 家 基 因(housekeeping gene)如：三羧循环途径中所有酶的如：三羧循环途径中所有酶的编码基因编码基因。目目 录录管家基因的管家基因的表达水平表达水平较少受环境因素的影较少受环境因素的影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎响，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

10、。这类基因全部组织中持续表达，或变化很小。这类基因表 达 被 称表 达 被 称 为为 基 本 表 达 或 组 成 性 基 因 表 达基 本 表 达 或 组 成 性 基 因 表 达(constitutive gene expression)。基本表达的调节特点是：基本表达的调节特点是：只受启动序列或只受启动序列或启动子与启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，不受其聚合酶相互作用的影响，不受其他机制调节。他机制调节。目目 录录（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏1.1.诱导：诱导：在特定环境信号刺激下，相应的基在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活

11、，基因表达产物增加，这种基因称为可因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因诱导基因。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，称为诱导称为诱导(induction)。如：。如：DNA损伤时，修复酶损伤时，修复酶基因被激活，修复酶被诱导增加。基因被激活，修复酶被诱导增加。表现为随着环境信号的变化其表达增强或降低。表现为随着环境信号的变化其表达增强或降低。目目 录录 2.阻遏：阻遏：如果基因对环境信号应答时被抑如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是制，这种基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏产物水平降低的

12、过程称为阻遏(repression)。如：。如：当细菌培养基中色氨酸供应充足时，细菌体内当细菌培养基中色氨酸供应充足时，细菌体内与色氨酸合成有关的酶编码基因表达被抑制。与色氨酸合成有关的酶编码基因表达被抑制。可诱导或可阻遏基因既受启动子可诱导或可阻遏基因既受启动子或启动序列与或启动序列与RNA聚合酶相互作用影响，又受其聚合酶相互作用影响，又受其他机制调节。因其调控机制中通常含有特异刺激他机制调节。因其调控机制中通常含有特异刺激的反应元件。的反应元件。目目 录录在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，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、共同表达，无论其为何

13、种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达即为协调表达(coordinate expression)。（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 例如：体内每条代谢途径中所需要的多种酶和例如：体内每条代谢途径中所需要的多种酶和转运作用物的多种蛋白质的编码基因被统一调节，转运作用物的多种蛋白质的编码基因被统一调节，使它们的分子比例适当，以保证代谢的正常进行。使它们的分子比例适当，以保证代谢的正常进行。这种调节称为协调调节这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。协调表达协调表达协调调节协调调节目目 录录（一）适应环境、维持生长

14、和增殖（一）适应环境、维持生长和增殖 生物体对不断变化的内、外环境的适应能力，生物体对不断变化的内、外环境的适应能力，与某些蛋白质分子功能有关，而某些功能蛋白质与某些蛋白质分子功能有关，而某些功能蛋白质的多少又取决于编码这些蛋白质分子的基因表达。的多少又取决于编码这些蛋白质分子的基因表达。通过一定的程序调控基因表达，可使生物体表达通过一定的程序调控基因表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，从而适应环境，维持生长出合适的蛋白质分子，从而适应环境，维持生长和繁殖。和繁殖。目目 录录在多细胞生物个体生长、发育的不同阶段，在多细胞生物个体生长、发育的不同阶段，需要不同种类和数量的蛋白质。同一生长发育

15、阶需要不同种类和数量的蛋白质。同一生长发育阶段，不同组织、器官内蛋白质分子的分布也有很段，不同组织、器官内蛋白质分子的分布也有很大差异，这是由基因表达调控所决定的。大差异，这是由基因表达调控所决定的。（二）维持个体发育与分化（二）维持个体发育与分化 高等动物各组织、器官的发育、分化都是由高等动物各组织、器官的发育、分化都是由一些特定基因控制的，当某种基因缺陷或表达异一些特定基因控制的，当某种基因缺陷或表达异常时，出现相应组织器官发育异常。常时，出现相应组织器官发育异常。目目 录录 第第 二二 节节 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 E

16、xpression Regulation目目 录录n基因表达调控最重要的环节是转录起始水基因表达调控最重要的环节是转录起始水平的调控；平的调控；n反式作用因子与顺式作用元件的概念；反式作用因子与顺式作用元件的概念；n基因转录激活调节的基本要素；特异基因转录激活调节的基本要素；特异DNA序列的概念；操纵子的组成；启动序列和序列的概念；操纵子的组成；启动序列和操纵序列的作用。操纵序列的作用。目目 录录一、基因表达调控呈现多层次和复杂性一、基因表达调控呈现多层次和复杂性基因激活基因激活拷贝数拷贝数重排重排甲基化程度甲基化程度转录起始转录起始 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基因表达的基本控制点基因表达的基本控制点 基因表达产物是蛋白质，从基因表达产物是蛋白质，从DNA到蛋白质的遗传到蛋白质的遗传信息传递过程要经过多个层次，每个层次都具有调控信息传递过程要经过多个层次，每个层次都具有调控作用，称为作用，称为基因表达的多级调控基因表达的多级调控：基因表达调控是在遗传信息基因表达调控是在遗传信息传递的各个水