基因表达的调控.ppt

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1、第三章第三章 基因表达的调控基因表达的调控转录基因表达调控基因表达调控第一节第一节 基因表达调控基本概念与原理基因表达调控基本概念与原理一、基因表达的概念一、基因表达的概念v 基因组基因组(genome):细胞或生物体携带的全部遗传信息细胞或生物体携带的全部遗传信息 （全套基因）（全套基因）v 基因表达基因表达：基因转录和翻译基因转录和翻译 基因表达不一定产生蛋白质基因表达不一定产生蛋白质 tDNAtRNA,rDNArRNA 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(temporal specificity)某一特定基因的表达按特定的时间顺序发生

2、某一特定基因的表达按特定的时间顺序发生 Hb 22 22 22（二）空间特异性（二）空间特异性(spatial specificity)细胞特异性或组织特异性细胞特异性或组织特异性 1.同一生长发育阶段，某一基因在不同的组织器同一生长发育阶段，某一基因在不同的组织器官表达多少是不相同的官表达多少是不相同的 2.不同基因在不同的组织器官的表达也是不同的不同基因在不同的组织器官的表达也是不同的 二、基因表达的方式二、基因表达的方式按对刺激的反应可分为：按对刺激的反应可分为：（一）组成性表达（一）组成性表达v 管家基因管家基因（housekeeping gene）：在生物体几乎）：在生物体几乎 所有

3、细胞中持续表达的基因所有细胞中持续表达的基因v 组成性表达组成性表达：管家基因的表达管家基因的表达 较少受环境因素的影响较少受环境因素的影响（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达诱导诱导(induction)：基因在环境信号刺激下，表达增强基因在环境信号刺激下，表达增强 DNA损伤损伤修复酶基因的表达修复酶基因的表达 阻遏阻遏(repression):基因在环境信号刺激下，表达降低基因在环境信号刺激下，表达降低 Trp 供应充足供应充足Trp 合成合成 酶基因表达酶基因表达协调表达协调表达(coordinate expression):功能相关的一组基功能相关的一组基 因，协调一致地表达，共

4、同完成某种调节因，协调一致地表达，共同完成某种调节 代谢途径的调节代谢途径的调节 三、基因表达调控的基本原理三、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 转录转录 翻译翻译基因结构活化基因结构活化,转录起始转录起始,转录后加工转录后加工,翻译及翻译后加工翻译及翻译后加工（二）基因转录起始调节基本要素（二）基因转录起始调节基本要素 特异特异DNA序列序列 调节蛋白调节蛋白 DNA-蛋白质，蛋白质蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用 RNA 聚合酶聚合酶 1.特异特异DNA序列序列 v 原核原核:-35区：区：TTGACA -10区：区：Pribnow box

5、v 真核真核 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element):调节调节自身自身基因基因 转录的转录的DNA序列序列 共有序列：共有序列：TATA盒，盒，CAAT盒，盒，GC盒，盒，enhancer 非编码序列非编码序列 并非都位于转录起始点上游并非都位于转录起始点上游2.调节蛋白调节蛋白v 原核生物原核生物 v 特异因子特异因子：亚基亚基(70,32)v 阻遏蛋白阻遏蛋白：阻遏基因转录阻遏基因转录v 激活蛋白激活蛋白：促进基因转录促进基因转录v真核生物真核生物v 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor):与顺式作用与顺式作用 元件结合，调节元件结合，

6、调节另一基因另一基因转录转录 的的蛋白质蛋白质 (反式作用反式作用)3.DNA-蛋白质，蛋白质蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用 RNA-pol与启动子的结合与启动子的结合蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用 调节蛋白之间的相互作用调节蛋白之间的相互作用 4.RNA聚合酶聚合酶 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 第二节第二节 原核基因转录调节原核基因转录调节一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点（一）（

7、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 阻遏蛋白阻遏蛋白-O 基因关（基因关（阻遏）阻遏）阻遏蛋白阻遏蛋白X O 基因开（去基因开（去阻遏）阻遏）二、操纵子二、操纵子v 操纵子操纵子（operon）：原核生物原核生物DNA上，由功能上，由功能 相关基因串联组成的转录单位相关基因串联组成的转录单位 v结构：结构：调控区调控区+结构基因结构基因 例：例：lac ara trp操纵子操纵子三、乳糖操纵子调节机制三、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子的结构（一）乳糖操纵子

8、的结构v 调控区调控区 I：调节基因调节基因编码阻遏蛋白编码阻遏蛋白 P：启动子：启动子结合结合RNA聚合酶聚合酶 O：操纵基因：操纵基因结合阻遏蛋白结合阻遏蛋白 CAP位点：位点：CAP-分解代谢物基因激活蛋白分解代谢物基因激活蛋白 (catabolite gene activation protein)-结合结合cAMP-CAPv 结构基因：结构基因：Z，Y，APOZYA结构基因调节基因启动子操纵基因编码阻遏蛋白结合RNA-pol结合阻遏蛋白IcAMP-CAPPOTTGACA -35区TATAAT -10区CAP位点5-ATTAATGTGAGTTAGCTCAC TCATTAGG-3（二）调

9、节机制（二）调节机制1.阻遏阻遏(repression)没有乳糖时没有乳糖时，lac operon 处于阻遏状态处于阻遏状态 I 编码的阻遏蛋白与编码的阻遏蛋白与O结合，阻碍结合，阻碍RNA聚合酶与聚合酶与P 结合，结构基因不转录结合，结构基因不转录 2.去阻遏去阻遏 有乳糖时有乳糖时，lac operon 被诱导被诱导 乳糖乳糖半乳糖，半乳糖与阻遏蛋白结合，改变阻遏半乳糖，半乳糖与阻遏蛋白结合，改变阻遏 蛋白的构象，使阻遏蛋白与蛋白的构象，使阻遏蛋白与O解离，结构基因转录解离，结构基因转录 v 只有乳糖存在，细菌利用乳糖获得能量只有乳糖存在，细菌利用乳糖获得能量Glu与与Lac共同存在时共同

10、存在时,细菌先利用细菌先利用Glu,还是先利用还是先利用Lac?3.CAP的正性调节的正性调节 Glu浓度低，浓度低，cAMP浓度高时浓度高时，cAMP与与CAP结合结合 与与CAP位点结合，促进位点结合，促进RNA-pol与与P结合，促进转录结合，促进转录 Glu浓度高，浓度高，cAMP浓度低时，浓度低时，cAMP不与不与 CAP结合，结构基因不转录。结合，结构基因不转录。4 协调调节协调调节 当当Glu/Lac同时存在时，同时存在时，Lac阻遏蛋白负性调节阻遏蛋白负性调节和和Cap正性调节协调作用，优先利用正性调节协调作用，优先利用Glu作为作为C源：源：无乳糖：阻遏蛋白结合无乳糖：阻遏蛋

11、白结合O基因，不能转录基因，不能转录Glu/Lac同时存在：阻遏蛋白不结合同时存在：阻遏蛋白不结合O基因，能基因，能转录；但因无转录；但因无cAMP-CAP的正性调节，的正性调节，RNA-pol与与P结合的亲和力低，转录呈低水平。结合的亲和力低，转录呈低水平。有乳糖无葡萄糖：阻遏蛋白不结合有乳糖无葡萄糖：阻遏蛋白不结合O基因，能转基因，能转录；且因有录；且因有cAMP-CAP的正性调节，的正性调节，RNA-pol与与P结合的亲和力高，转录呈高水平。为强诱结合的亲和力高，转录呈高水平。为强诱导作用。导作用。第三节第三节 真核基因转录调节真核基因转录调节一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点

12、（一）结构庞大（一）结构庞大：数目多数目多 结构复杂结构复杂（二）单顺反子（二）单顺反子：只能编码只能编码一条多肽链一条多肽链的的mRNA 原核原核(多顺反子）：编码多顺反子）：编码多条多肽链多条多肽链的的mRNA（三）重复序列（三）重复序列：比原核多比原核多 高度重复序列：重复频率高度重复序列：重复频率106次次 中度重复序列：重复频率中度重复序列：重复频率:103104 次次 单拷贝序列单拷贝序列（四）基因不连续性（四）基因不连续性 转录区（外显子转录区（外显子+内含子）内含子）+非转录区非转录区(调控区调控区)二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点（一）（一）RNA聚合酶：聚合

13、酶：，（二）活性染色体结构变化（二）活性染色体结构变化 1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感:DNaseI超敏位点，位于调节蛋白结合位点超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。附近。2.DNA拓扑结构变化：拓扑结构变化：RNA-pol前方转录区构向由负超螺旋前方转录区构向由负超螺旋变为正超螺旋，利于变为正超螺旋，利于RNA-pol前移。前移。3.DNA碱基修饰变化碱基修饰变化:CmC,CpG 低甲基化低甲基化 4.组蛋白变化组蛋白变化：发生广泛的化学修饰，使核小体结构松弛。：发生广泛的化学修饰，使核小体结构松弛。（三）正性调节占主导（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分区进行（四）转录与翻译分区进行 转录

14、转录-细胞核，翻译细胞核，翻译-胞浆胞浆（五）转录后修饰、加工（五）转录后修饰、加工:比原核复杂比原核复杂 三、真核基因转录激活调节三、真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件：按功能分（一）顺式作用元件：按功能分 1.启动子启动子：转录起始点转录起始点+功能元件功能元件(1)功能元件：功能元件：TATA盒盒,GC盒，盒，CAAT盒盒v最简单的启动子：转录起始点最简单的启动子：转录起始点+TATA盒盒v典型的启动子：转录起始点典型的启动子：转录起始点+TATA盒盒+GC盒盒+CAAT盒盒（转录活性高）（转录活性高）Sequence elements within a typical eukary

15、otic gene1GCTATACAATGC-25-50-80-95-1301based on the thymidine kinase geneoctamertranscriptionelementpromoterTATA box(TATAAAA)located approximately 25-30 bp upstream of the+1 start site determines the exact start site(not in all promoters)binds the TATA binding protein(TBP)which is a subunit of TFIID

16、GC box(CCGCCC)binds Sp1(Specificity factor 1)CAAT box(GGCCAATCT)binds CTF(CAAT box transcription factor)Octamer(ATTTGCAT)binds OTF(Octamer transcription factor)+1ATTTGCAT2.增强子增强子(enhancer)距离转录起始点（距离转录起始点（130kb）,增强启动子转录活性的增强启动子转录活性的 DNA序列序列。特点：特点：无方向性（上游，下游，内部），远距离作用。无方向性（上游，下游，内部），远距离作用。3.沉默子沉默子(silencer)抑制基因转录的抑制基因转录的DNA序列。序列。特异蛋白与沉默子结合特异蛋白与沉默子结合阻遏基因转录阻遏基因转录（二）反式作用因子（二）反式作用因子1转录因子的分类转录因子的分类(RNA-pol)基本转录因子基本转录因子:TFA,B,D,E,F,H TBP(TATA盒结合蛋白）盒结合蛋白）TAF(TBP相关因子）相关因子）特异转录因子特异转录因子 EBP（增强子结合蛋白（增强子结合蛋白)