第7章基因表达调控.ppt

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1、第第7 7章章 基因表达调控基因表达调控1 1、原核生物原核生物表达调控表达调控 2 2、真核生物表达调控、真核生物表达调控本次内容本次内容 组成型基因（蛋白质）组成型基因（蛋白质）诱导型（调节型）基因（蛋白质）诱导型（调节型）基因（蛋白质）本底水平的基因表达本底水平的基因表达 基因的表达包括转录和翻译两步过程，基因的表达包括转录和翻译两步过程，基因的表达调控可以发生在基因表达的任何基因的表达调控可以发生在基因表达的任何阶段，涉及到多种因子。阶段，涉及到多种因子。转录水平的调控转录水平的调控 转录后水平的调控转录后水平的调控基因表达调控基因表达调控mRNA加工成熟水平调控加工成熟水平调控翻译水

2、平调控翻译水平调控 基因活性的调控主要通过基因活性的调控主要通过反式作用因子反式作用因子（trans-acting factor,通常是蛋白质）通常是蛋白质）与与顺式作用元件顺式作用元件（cis-acting element,通常为通常为DNA上的特定序列）上的特定序列）相互作用而实现。相互作用而实现。顺式作用顺式作用：任一不转变为任何其他形式的：任一不转变为任何其他形式的DNA序列，它只序列，它只在原位发挥在原位发挥DNA序列的作用，它仅影响与其在物理上相连序列的作用，它仅影响与其在物理上相连的的DNA，有时顺式调节序列最终发挥作用的分子不是有时顺式调节序列最终发挥作用的分子不是DNA，而是

3、而是RNA。顺式作用元件顺式作用元件：是指对基因表达有调节活性的：是指对基因表达有调节活性的DNA序列，序列，其活性影响与其自身同处在一个其活性影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，分子上的基因；同时，这种序列通常这种序列通常不编码蛋白质不编码蛋白质，多位于基因傍侧或内含子中。，多位于基因傍侧或内含子中。反式作用反式作用：游离基因产物扩散至目标场所的过程。因此游离基因产物扩散至目标场所的过程。因此反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列一般不在同一个列一般不在同一个DNA分子上。分子上。反式作用因子反式作用因子：由调节基因编码

4、，调节基因是一种特殊：由调节基因编码，调节基因是一种特殊的结构基因，其编码产物（的结构基因，其编码产物（RNA或蛋白质，通常是蛋或蛋白质，通常是蛋白质或蛋白质亚基）可以扩散，控制其他基因的表达。白质或蛋白质亚基）可以扩散，控制其他基因的表达。基因表达的调节控制基本上是反式作用因子与顺式作基因表达的调节控制基本上是反式作用因子与顺式作用元件的相互作用。反式作用因子只识别用元件的相互作用。反式作用因子只识别DNA上非常短的上非常短的一段序列（顺式元件）。一段序列（顺式元件）。Cis-elementTrans-acting factorRegulator RNA polymarase 为了区分调控过

5、程中的调控成分和其调控的基因，又使用结构基因(Structural gene)和调控基因(Regulator gene)的概念。n结构基因结构基因是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码大量结构和功能各异的蛋白质，包括结构蛋白、具有催化活性的酶和调控蛋白。n调控基因调控基因(调节基因调节基因)是参与其它基因表达调控的蛋白质的结构基因。调控的关键调控的关键是调控基因编码的蛋白质通过与DNA 上的特异位点的结合来调控转录。这种相互作用可以通过正(Positive)调控的方式(打开基因的作用)和负(Negative)调控的形式(关闭基因的作用)来调控一个靶基因(Target gene)。它们在D

6、NA上的位点通常但不是专一的位于目的基因的上游。多顺反子（多顺反子（polycistronic mRNA）:是一组相邻或相互是一组相邻或相互重叠基因的重叠基因的 转录产物，是编码多个蛋白质的转录产物，是编码多个蛋白质的mRNA。由操纵区同两个或多个功能相关的结构基因连在一起，由操纵区同两个或多个功能相关的结构基因连在一起，受同一调节基因和启动区的调控，形成一个受同一调节基因和启动区的调控，形成一个操纵子操纵子(operon)。它包括结构基因、操纵位点、调节基因。是。它包括结构基因、操纵位点、调节基因。是基因表达和调节的单位。基因表达和调节的单位。大多数细菌基因的表达调控依赖于大多数细菌基因的表

7、达调控依赖于操纵区操纵区(operator),这这是与启动子连接的一段序列，可控制基因的转录起始是与启动子连接的一段序列，可控制基因的转录起始。操纵区操纵区（operator）:基因编码序列前面的基因编码序列前面的DNA区，它区，它可结合阻遏物或活化物，从而可结合阻遏物或活化物，从而控制基因的转录起始控制基因的转录起始。操纵基因位于基因的启动子后面，或与启动子重叠。操纵基因位于基因的启动子后面，或与启动子重叠。阻遏蛋白阻遏蛋白/物物（repressor）:基因或操纵子转录起始点基因或操纵子转录起始点上游特定上游特定DNA序列（操纵基因）上的结合蛋白，可阻序列（操纵基因）上的结合蛋白，可阻止止R

8、NA多聚酶开始合成多聚酶开始合成mRNA,即阻止基因表达。即阻止基因表达。1.2.1 原核基因调控的类型和特点。1.2.2 弱化子对基因活性影响n弱化子（衰减子）：n举例：色氨酸操纵子1.2.3 降解物1.2.4 细菌的应急反应 氨基酸饥饿空载tRNA激活焦磷酸转移酶 ppGpp关闭许多基因（/打开氨基酸合成基因）2.2 乳糖操纵子与负控诱导系统o Jacob 和Monod提出的操纵子学说 原核生物基因表达调控的模式和机制 围绕着乳糖操纵子转录启始位点，阻遏蛋白和RNA聚合酶的结合区域相互重叠。当抑制因子（当抑制因子（lactose repressor）附着在操纵子上时基因关闭附着在操纵子上时

9、基因关闭。乳乳糖操纵子中抑制因子与启动子的结合取决于细胞中是否存在异乳糖，糖操纵子中抑制因子与启动子的结合取决于细胞中是否存在异乳糖，即乳糖的同分异构体（即乳糖的同分异构体（isomer）。）。异乳糖是乳糖操纵子诱导物（异乳糖是乳糖操纵子诱导物（inducer），），它可与乳糖抑制因子结它可与乳糖抑制因子结合使其脱离操纵基因，随后合使其脱离操纵基因，随后RNA多聚酶接触启动子。当乳糖被消耗完多聚酶接触启动子。当乳糖被消耗完时，抑制因子又再次结合操纵基因阻止转录。时，抑制因子又再次结合操纵基因阻止转录。乳糖操纵基因中抑制因子结合位点位于乳糖操纵基因中抑制因子结合位点位于+11。抑制因子是一个同源

10、。抑制因子是一个同源四聚体，它们成对附着在操纵基因上。四聚体，它们成对附着在操纵基因上。色氨酸的生物合成途径：色氨酸的生物合成途径：分支酸分支酸-邻氨基苯甲酸邻氨基苯甲酸-吲哚甘油磷酸吲哚甘油磷酸-色氨酸色氨酸 由多种酶完成色氨酸的合成由多种酶完成色氨酸的合成色氨酸供应短缺时，基因活化；色氨酸过剩时，与组遏因子结合，抑制基因转录色氨酸供应短缺时，基因活化；色氨酸过剩时，与组遏因子结合，抑制基因转录1 1、转录起始的调节、转录起始的调节2、衰减子衰减子(转录终止的调节转录终止的调节)：提前终止转：提前终止转 录，调节基因表达的功能区域。录，调节基因表达的功能区域。转录起始点前，存在前导序列：转录

11、起始点前，存在前导序列：162nt162nt The trp Attenuator1 1、原核生物表达调控、原核生物表达调控 2 2、真核生物表达调控真核生物表达调控本次内容本次内容o 2.1 2.1 真核基因结构和转录活性真核基因结构和转录活性 2.1.1 2.1.1 基因家族基因家族 2.1.2 2.1.2 断裂基因断裂基因 2.1.3 DNA2.1.3 DNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 2.1.4 DNA2.1.4 DNA甲基化与基因活性调控甲基化与基因活性调控o 2.2 2.2 真核基因的转录真核基因的转录o 2.3 2.3 反式作用因子反式作用因子o 2.4 2.4 真

12、核生物转录调控的主要模式真核生物转录调控的主要模式o 2.5 2.5 其他水平上的转录调控其他水平上的转录调控第二节第二节 真核转录调控真核转录调控 2.1.1 基因家族基因家族 2.1.2 断裂基因断裂基因 2.1.3 DNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 1 1）开放型活性染色质结构对转录影响开放型活性染色质结构对转录影响 2 2）基因扩增基因扩增 3 3）基因重排与交换基因重排与交换 2.1.4 DNA甲基化与基因活性调控甲基化与基因活性调控 1 1）DNADNA甲基化甲基化 2 2）DNADNA甲基化抑制基因转录的机理甲基化抑制基因转录的机理 3 3）DNADNA甲基化与甲基

13、化与X X染色体失活染色体失活2.1 真核基因结构和转录活性真核基因结构和转录活性 2.1.3 DNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 1 1）开放型活性染色质结构对转录影响开放型活性染色质结构对转录影响 活跃转录在常染色体上进行。特定区域解旋松弛活跃转录在常染色体上进行。特定区域解旋松弛 核小体结构的消除或改变；核小体结构的消除或改变；DNADNA本身结构变化（从右旋变为左旋）；灯刷染色体本身结构变化（从右旋变为左旋）；灯刷染色体 2 2）基因扩增基因扩增 某些基因的拷贝数专一性大量增加，使细胞短时间内产某些基因的拷贝数专一性大量增加，使细胞短时间内产生大量的基因产物满足生长发育的需

14、要。生大量的基因产物满足生长发育的需要。3 3）基因重排与交换基因重排与交换 基因重排；基因转换基因重排；基因转换 2.1.4 DNA甲基化与基因活性调控甲基化与基因活性调控 1 1）DNADNA甲基化甲基化 2 2）DNADNA甲基化抑制基因转录的机理甲基化抑制基因转录的机理 某些区域某些区域DNADNA构象变化，影响蛋白质与构象变化，影响蛋白质与DNADNA相互作用，抑相互作用，抑制转录因子与启动区制转录因子与启动区DNADNA的结合效率。的结合效率。3 3）DNADNA甲基化与甲基化与X X染色体失活染色体失活2.2 真核基因的转录（真核基因的转录（p255）真核生物没有像原核生物那样的

15、操纵子结构，真核生物没有像原核生物那样的操纵子结构，真核生物的转录调控大多数是通过真核生物的转录调控大多数是通过顺式作顺式作用元件用元件和和反式作用因子反式作用因子复杂的相互作用复杂的相互作用来实现的。来实现的。顺式作用元件组成基因转录的调控区，影响顺式作用元件组成基因转录的调控区，影响基因的表达。基因的表达。真核生物的顺式作用元件主要包括：真核生物的顺式作用元件主要包括：（1 1）启动子（）启动子（promoterpromoter）核心启动子元件核心启动子元件 包括包括 TATA box:主要作用使转录精确地起始。主要作用使转录精确地起始。上游启动子元件上游启动子元件 CAAT box和和G

16、C box:控制转录起始的频率。控制转录起始的频率。核心启动子结构 TFIIDTFIID是惟一能独立且特异结合于核心启动子是惟一能独立且特异结合于核心启动子DNADNA的通用转录因子。它是一的通用转录因子。它是一种包含种包含TBPTBP和和1010个或更多个或更多TBPTBP相关因子相关因子(或或TAFTAF)的多亚基蛋白。的多亚基蛋白。核心启动子包括距离转录起始位点约核心启动子包括距离转录起始位点约4040到到+50+50范围内的大部分范围内的大部分DNADNA序列。序列。1 1TATATATA框框 HognessHogness框，这一序列元件含有，这一序列元件含有TATAAATATAAA共有序列共有序列。TATATATA框位于转录转录起始位点上游25 25 bpbp30 bp30 bp处处，能独立指导导Pol IIPol II在离体条件下的裸DNADNA模板或活体中转转化的DNADNA模板上进进行低水平转录转录。当一个激活因子结结合到附近的调调控元件时时，TATATATA框就能够指导导活化转录转录。TFIIDTFIID中的TBPTBP亚亚基和TATATATA框直接接触。TFIIDT