第13章基因表达调控LT.ppt

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1、目目 录录Gene Expression Regulation 目目 录录中心法则与操纵子中心法则与操纵子目目 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*基因基因（gene）是遗传的基本单位，含有编码一种是遗传的基本单位，含有编码一种RNA，大多数情况是，大多数情况是编码一种多肽的信息单位。编码一种多肽的信息单位。*cDNA(complementary DNA)cDNA(complementary DNA)是人为地由是人为地由mRNAmRNA反转录而得反转录而得,与与mRNAmR

2、NA序列互补的序列互补的DNADNA。*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整套基一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。因。目目 录录*基因表达基因表达(gene expression)就是基因转录、翻译，生成具有生就是基因转录、翻译，生成具有生物学功能的产物的过程。物学功能的产物的过程。基因表达是受调控的基因表达是受调控的 rRNA、tRNA编码基因转录产生编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达。的过程也属于基因表达。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按功能

3、需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的达的时间特异性时间特异性(temporal specificity)。例。例如如AFPAFP 多细胞生物基因表达的时间特异性又多细胞生物基因表达的时间特异性又称称阶段特异性阶段特异性(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的，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

4、(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)。例如胰岛素。例如胰岛素目目 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 为中持续表达，通常被 称 为 管 家 基 因管 家

5、基 因(housekeeping gene)。目目 录录无论表达水平高低，管家基因较少受无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段环境因素影响，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，或的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被称为达被称为组成性基因表达组成性基因表达(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，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为活

6、，基因表达产物增加，这种基因称为可诱可诱导基因导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为程，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，均需组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调一致、共同表达，即为协调表达协调表达(coord

7、inate expression)，这种调节称为这种调节称为协调调节协调调节(coordinate regulation)。目目 录录四、基因表达调控为生物体生长、四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需发育所必需（一）以适应环境、维持生长和增殖（一）以适应环境、维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。目目 录录（二）以维持细胞分化与个体发育（

8、二）以维持细胞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。目目 录录第二节第二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 Expression Regulation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表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活拷贝数拷

9、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降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等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、性质，的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外生物个体或细胞所处的内、外环境环境，以及，以及细胞内所存在的转录细胞内所存在的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。（一）特异（一）特异DNA序列序列 指具有调控功能的指具有调控功能的DNA序列序列 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(oper

10、on)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聚合酶结合并启动转录的特异录的特异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

11、有序列(consensus sequence)决决定启动序列的转录活性大小。定启动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聚合酶聚合酶对一个或一套启动序列的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。目目 录录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阻遏蛋白时，会阻碍当操纵序列结合有阻遏蛋白时，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

12、序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白目目 录录真核生物真核生物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 是指能直接或间接作用于特异是指能直接或间接作用于特异DNA 序列的蛋白质因子序列的蛋白质因子 1.原核生物调节蛋白分为三类：原

13、核生物调节蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。特异因子：特异因子：决定决定RNA聚合酶对一个或一套聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。启动序列的特异性识别和结合能力。阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)：可结合操纵序列，阻：可结合操纵序列，阻 遏基因转录。遏基因转录。（二）调节蛋白（二）调节蛋白目目 录录激活蛋白激活蛋白(activator)可结合启动序列邻可结合启动序列邻近的近的DNA序列，促进序列，促进RNA聚合酶与启动序聚合酶与启动序列的结合，增强列的结合，增强RNA聚合酶活性。如聚合酶活性。如分解分解物基因激活蛋白物基因激活蛋白(ca

14、tabolite gene activator protein,CAP)。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、结合自身还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列基因的调节序列，调节自身基因的表达，称调节自身基因的表达，称顺式作用顺式作用。由某一基因表达产生的蛋白质因子，通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互作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。用，调节其表达。反式作

15、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。又称为转录因子又称为转录因子(transcription factor)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DNA-蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用指的是反式或指的是反式或顺式作用因子与顺式作用元件之间的特异顺式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合，识别及结合，形成形成DNA-蛋白质复合物蛋白质复合物。通常是非共价结合，被识别的通常是非共价结合，被识别的DNA结结合位点通常呈对称、或不完全

16、对称结构。合位点通常呈对称、或不完全对称结构。例如例如SP1 GGGACCC（三）（三）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 大多数调节蛋白单体形式不能结合大多数调节蛋白单体形式不能结合DNA序序列，也有一些调节因子不能直接结合列，也有一些调节因子不能直接结合DNA序序列，故需要通过蛋白质蛋白质相互作用，列，故需要通过蛋白质蛋白质相互作用，才能调节基因转录。才能调节基因转录。最常见的作用形式是二聚化最常见的作用形式是二聚化(dimerization)即两分子单体通过一定结构域结合成二聚即两分子单体通过一定结构域结合成二聚体体(dimer),分为同源二聚体分为同源二聚体(homodimer)和异和异源二聚体源二聚体(heterodimer)。也有多聚化(polymer)目目 录录 蛋白质蛋白质相互作用蛋白质蛋白质相互作用结果结果:有些有些增强增强与与DNA结合能力，有些结合能力，有些丧失丧失DNA结合能力，有结合能力，有些不能直接结合些不能直接结合DNA的蛋白质可通过相互作的蛋白质可通过相互作用间接结合用间接结合DNA调节基因转录。调节基因转录。