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第15章基因表达调控本讲稿第一页，共五十五页Regulation of Gene Expression目目 录录本讲稿第二页，共五十五页第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理Basic Conceptions and Principle本讲稿第三页，共五十五页一、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。基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。能的蛋白质分子的过程。*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 录录本讲稿第四页，共五十五页二、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 录录本讲稿第五页，共五十五页（二）空间特异性（二）空间特异性基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的，所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特异异性性(cell or tissue specificity)。在在个个体体生生长长全全过过程程，某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，称称之之为为基基因因表表达达的的空空间间特特异异性性(spatial specificity)。目目 录录本讲稿第六页，共五十五页三、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）组成性表达某某些些基基因因在在一一个个个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表表达达，通常被称为通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。本讲稿第七页，共五十五页无无论论表表达达水水平平高高低低，管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素影影响响，而而是是在在个个体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小。区区别别于于其其他他基基因因，这这类类基基因因表表达达被被视视为为组组成成性性基基因因表表达达(constitutive gene expression)。本讲稿第八页，共五十五页（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，相相应应的的基基因因被被激激活活，基因表达产物增加，这种基因称为基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因。可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中表表达达增增强强的的过过程程，称称为为诱导诱导(induction)。如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因。可可阻阻遏遏基基因因表表达达产产物物水水平平降降低低的的过过程程称为称为阻遏阻遏(repression)。本讲稿第九页，共五十五页在在一一定定机机制制控控制制下下，功功能能上上相相关关的的一一组组基基因因，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，均均需需协协调调一一致致、共共同同表表达达，即即为为协协调调表表达达(coordinate expression)，这这种种调调节节称称为协调调节为协调调节(coordinate regulation)。本讲稿第十页，共五十五页四、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本讲稿第十一页，共五十五页第第 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本讲稿第十二页，共五十五页（一）基因表达的多级调控（一）基因表达的多级调控基因激基因激活活转录起始转录起始 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本讲稿第十三页，共五十五页（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基因因表表达达的的调调节节与与基基因因的的结结构构、性性质质，生生物物个个体体或或细细胞胞所所处处的的内内、外外环环境境，以以及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。1.特异特异DNA序列和调节蛋白质序列和调节蛋白质本讲稿第十四页，共五十五页原核生物原核生物 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 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)本讲稿第十五页，共五十五页是是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共有序列共有序列本讲稿第十六页，共五十五页共共有有序序列列(consensus sequence)决决定定启启动动序序列列的转录活性大小。的转录活性大小。某某些些特特异异因因子子（蛋蛋白白质质）决决定定RNA聚聚合合酶酶对对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。本讲稿第十七页，共五十五页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当操操纵纵序序列列结结合合有有阻阻遏遏蛋蛋白白时时，会会阻阻碍碍RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，或或是是RNA聚聚合合酶酶不不能沿能沿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阻遏蛋白阻遏蛋白本讲稿第十八页，共五十五页3)3)其他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白例如例如激激活活蛋蛋白白(activator)可可结结合合启启动动序序列列邻邻近近的的DNA序序列列，促促进进RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，增强增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。有有些些基基因因在在没没有有激激活活蛋蛋白白存存在在时时，RNA聚聚合合酶酶很少或完全不能结合启动序列。很少或完全不能结合启动序列。本讲稿第十九页，共五十五页真核生物真核生物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不同同真真核核生生物物的的顺顺式式作作用用元元件件中中也也会会发发现现一一些些共共有有序序列列，如如TATA盒盒、CAAT盒盒等等，这这些些共共有有序序列是列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。聚合酶或特异转录因子的结合位点。本讲稿第二十页，共五十五页2)2)真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白还还有有蛋蛋白白质质因因子子可可特特异异识识别别、结结合合自自身身基基因因的的调调节节序序列列，调调节节自自身身基基因因的的表表达达，称称顺顺式式作作用用。由由某某一一基基因因表表达达产产生生的的蛋蛋白白质质因因子子，通通过过与与另另一一基基因因的的特特异异的的顺顺式式作作用用元元件件相相互互作作用用，调节其表达。调节其表达。反式作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。本讲稿第二十一页，共五十五页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本讲稿第二十二页，共五十五页指指的的是是反反式式作作用用因因子子与与顺顺式式作作用用元元件件之之间间的的特特异异识识别别及及结结合合。通通常常是是非非共共价价结结合合，被被识识别别的的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。绝绝大大多多数数调调节节蛋蛋白白质质结结合合DNA前前，需需通通过过蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作作用用，形形成成二二聚聚体体(dimer)或或多多聚聚体体(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本讲稿第二十三页，共五十五页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聚合酶活性聚合酶活性 RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。聚合酶与其的亲和力，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一一些些特特异异调调节节蛋蛋白白在在适适当当环环境境信信号号刺刺激激下下表表达达，然然后后通通过过DNA-蛋蛋白白质质、蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作作用用影影响响RNA聚合酶活性。聚合酶活性。本讲稿第二十四页，共五十五页第第 三三 节节 原核基因表达调控原核基因表达调控Regulation of Prokaryotic Gene Transcription本讲稿第二十五页，共五十五页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本讲稿第二十六页，共五十五页二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（一一）乳糖操纵子乳糖操纵子(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本讲稿第二十七页，共五十五页mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二二）阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因本讲稿第二十八页，共五十五页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乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶本讲稿第二十九页，共五十五页+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时（三三）CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP本讲稿第三十页，共五十五页（四四）协调调节协调调节当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAP对对该该系系统统不不能能发挥作用；发挥作用；如如无无CAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列列结结合合，操纵子仍无转录活性。操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，细细菌菌首先利用葡萄糖。首先利用葡萄糖。葡葡萄萄糖糖对对 lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分分解解代代谢谢阻遏阻遏(catabolic repression)。本讲稿第三十一页，共五十五页mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO本讲稿第三十二页，共五十五页Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 三、其他转录调节机制三、其他转录调节机制（一一）转录衰减转录衰减色氨酸操纵子色氨酸操纵子本讲稿第三十三页，共五十五页UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区:包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱：序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUU本讲稿第三十四页，共五十五页UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1.1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止本讲稿第三十五页，共五十五页UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 2.2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 本讲稿第三十六页，共五十五页（二二）基因重组基因重组沙沙门门菌菌鞭鞭毛毛素素基基因因的的调调节节 H2鞭毛素鞭毛素 阻遏蛋白阻遏蛋白 Hin重组酶重组酶转位片段转位片段hinH2IH1 H1鞭毛素鞭毛素hinH2IDNA启动序列启动序列H1启动序列启动序列本讲稿第三十七页，共五十五页（三三）SOS反应反应 SOS基因基因紫外线紫外线激活激活Rec ALex A阻遏蛋白阻遏蛋白 与与DNA 损伤修复有关损伤修复有关的酶和蛋白质的酶和蛋白质基因基因表达表达Lex A阻遏蛋白阻遏蛋白操纵序列操纵序列DNA本讲稿第三十八页，共五十五页第第 四四 节节 真核基因表达调控真核基因表达调控Regulation of Eukaryotic Gene Transcription本讲稿第三十九页，共五十五页一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大一）真核基因组结构庞大哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNA 约约 3 10 9 碱基对碱基对编码基因编码基因约约 有有 40000 个个，占总长的占总长的6%rDNA等重复基因等重复基因约约 占占 5%10%本讲稿第四十页，共五十五页（二）单顺反子二）单顺反子单顺反子单顺反子(monocistron)即即一一个个编编码码基基因因转转录录生生成成一一个个mRNA分分子子，经翻译生成一条多肽链。经翻译生成一条多肽链。（三）重复序列三）重复序列单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（106 次）次）中度重复序列（中度重复序列（103 104次）次）多拷贝序列多拷贝序列（四）基因不连续性四）基因不连续性本讲稿第四十一页，共五十五页二、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活活化化基基因因常常有有超超敏敏位位点点，位位于于调调节节蛋蛋白白结合位点附近。结合位点附近。本讲稿第四十二页，共五十五页2.DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向3.DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。本讲稿第四十三页，共五十五页4.组蛋白变化组蛋白变化 富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低 H2A,H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露（三三）正性调节占主导正性调节占主导（四四）转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工五）转录后修饰、加工本讲稿第四十四页，共五十五页三、真核基因转录激活调节三、真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件一）顺式作用元件1.启动子启动子真真核核基基因因启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点周周围围的的一一组组转转录录控控制制组组件件，至至少少包包括括一个一个转录起始点转录起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒本讲稿第四十五页，共五十五页本讲稿第四十六页，共五十五页2.增强子增强子(enhancer)指指远远离离转转录录起起始始点点、决决定定基基因因的的时时间间、空空间间特特异异性性、增增强强启启动动子子转转录录活活性性的的DNA序序列。列。3.沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。本讲稿第四十七页，共五十五页（二）反式作用因子二）反式作用因子 1.转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）*基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚聚合合酶酶II结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组蛋蛋白白因因子子，决决定定三三种种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转转录录的的类别。类别。本讲稿第四十八页，共五十五页*特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定该该基基因因的的时时间、空间特异性表达。间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子本讲稿第四十九页，共五十五页2.转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域本讲稿第五十页，共五十五页最常见的最常见的DNA结合域结合域 1.锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒本讲稿第五十一页，共五十五页ZnCysHis本讲稿第五十二页，共五十五页 2.-螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒本讲稿第五十三页，共五十五页（三（三）mRNA 转录激活及其调节转录激活及其调节polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，形成的转在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物录起始复合物TATA DNATBP相关因子相关因子本讲稿第五十四页，共五十五页真核基因转录调节是真核基因转录调节是复杂的、多样的复杂的、多样的*不不同同的的DNA元元件件组组合合可可产产生生多多种种类类型型的的转转录录调调节节方方式；式；*多种转录因子又可结合相同或不同的多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。元件。*转转录录因因子子与与DNA元元件件结结合合后后，对对转转录录激激活活过过程程所所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。本讲稿第五十五页，共五十五页