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目录目录关于基因表达调控 第1页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录第十八章第十八章基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene Expression第2页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录第一节第一节基因表达与基因表达调控的基基因表达与基因表达调控的基本概念与特点本概念与特点Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and its Regulation第3页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录一、基因表达是基因转录和翻译的过程一、基因表达是基因转录和翻译的过程是基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的是基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的的RNA序列，对于蛋白质编码基因，序列，对于蛋白质编码基因，mRNA继继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物。产物。n基因表达基因表达(gene expression)n基因表达是受调控的。基因表达是受调控的。第4页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录二、基因表达具有时间特异性和空间特异性二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间顺序（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间顺序发生发生n按功能需要，某一特定基因的表达严格按一按功能需要，某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。n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段阶段特异性特异性(stage specificity)。第5页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特定生（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同表达不同 n在在个个体体生生长长、发发育育过过程程中中，一一种种基基因因产产物物在在个个体体的的不不同同组组织织或或器器官官表表达达，即即在在个个体体的的不不同同空空间间出出现现，这这就就是基因表达的是基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。n基基因因表表达达伴伴随随时时间间或或阶阶段段顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种空空间间分分布布差差异异，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所所决决定定的的，因因此此基基因因表表达达的的空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞特特异异性性(cell specificity)或或组组织织特特异异性性(tissue specificity)。第6页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录三、基因表达的方式存在多样性三、基因表达的方式存在多样性n基因表达调控（基因表达调控（regulation of gene expression）就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适应就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。第7页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录按对刺激的反应性，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：n基本（或组成性）表达基本（或组成性）表达n诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达第8页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达n某某些些基基因因在在一一个个生生物物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，不不 易易 受受 环环 境境 条条 件件 的的 影影 响响，通通 常常 被被 称称 为为管管 家家 基基 因因(housekeeping gene)。n管管家家基基因因的的表表达达水水平平受受环环境境因因素素影影响响较较小小，而而是是在在生生物物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。这这类类基基因因表表达达被被视视为为基基本本（或或组组成成性性）基基因因表达表达(constitutive gene expression)。基本的基因表达水平并非绝对基本的基因表达水平并非绝对“一成不变一成不变”，所谓所谓“不变不变”是相对的。是相对的。第9页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏阻遏n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，基基因表达产物增加，即这种基因表达是可诱导的。因表达产物增加，即这种基因表达是可诱导的。n可可诱诱导导基基因因(inducible gene)在在一一定定的的环环境境中中表表达达增增强强的过程，称为的过程，称为诱导诱导(induction)。n如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答时时被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因(repressible gene)。可可阻阻遏遏基基因因表表达达产产物物水水平降低的过程称为平降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。第10页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录n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，即即为为协协同同表表达达(coordinate expression)，这这种种调调节节称为称为协同调节协同调节(coordinate regulation)。（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第11页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录四、基因表达调控受顺式作用元件和四、基因表达调控受顺式作用元件和反式作用因子共同调节反式作用因子共同调节n一一般般说说来来，调调节节序序列列与与被被调调控控的的编编码码序序列列位位于于同同一一条条DNADNA链链上上，称称为为顺顺式式作作用用元元件件(cis-acting element)。n调调节节序序列列远远离离被被调调控控的的编编码码序序列列，实实际际上上是是其其他他分分子子的的编编码码基基因因，只只能能通通过过其其表表达达产产物物来来发发挥挥作作用用，这这些些蛋蛋白白质质分分子子称称为为反反式式作作用用因因子子(trans-acting factor)。第12页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录五、基因表达调控呈现多层次和复杂性五、基因表达调控呈现多层次和复杂性n首先，遗传信息以基因的形式贮存于首先，遗传信息以基因的形式贮存于DNADNA中。中。n其其次次，遗遗传传信信息息经经转转录录由由DNADNA传传向向RNA RNA 过过程程中中的的许多环节。许多环节。(最重要、最复杂最重要、最复杂)n最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工。最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工。第13页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录六、基因表达调控为生物体生长、发六、基因表达调控为生物体生长、发育的基础育的基础（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生长和增殖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。第14页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育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。第15页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录第二节第二节 原核基因表达调控原核基因表达调控Regulation of Gene Expression in Prokaryote 第16页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录原核生物基因组结构特点原核生物基因组结构特点 基因组中很少有重复序列；基因组中很少有重复序列；编编码码蛋蛋白白质质的的结结构构基基因因为为连连续续编编码码，且且多多为为单单拷拷贝贝基因，但编码基因，但编码rRNArRNA的基因仍然是多拷贝基因；的基因仍然是多拷贝基因；结结构构基基因因在在基基因因组组中中所所占占的的比比例例（约约占占50%50%）远远远远大大于真核基因组；于真核基因组；许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子分子 第17页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录原核生物大多数基因表达调控是通过原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制操纵子机制实现实现一、一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位操纵子是原核基因转录调控的基本单位 蛋白质因子蛋白质因子特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动子启动子 操纵元件操纵元件 其他调节基因其他调节基因(promoter)(operator)第18页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性n多顺反子多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带了几个多肽链的编码分子携带了几个多肽链的编码信息。信息。n启动子启动子是是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件。表达效率的关键元件。n各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游游-10及及-35区域存在一些相似序列，称为区域存在一些相似序列，称为共有序列共有序列。n E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域是区域是TATAAT，在，在-35区域为区域为TTGACAn 共有序列决定启动序列的转录活性大小。共有序列决定启动序列的转录活性大小。第19页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录图图18-1 518-1 5种种E.coliE.coli启动序列的共有序列启动序列的共有序列第20页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录基因表达有正调控和负调控基因表达有正调控和负调控调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：阻遏蛋白阻遏蛋白-负调控因素负调控因素 激活蛋白激活蛋白-正调控因素正调控因素 第21页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录调调节节基基因因（regulatory gene）编编码码能能够够与与操操纵纵序序列列结结合合的的调调控控蛋蛋白白，可可以以分分为为三三类类：特特异异因因子子、阻阻遏遏蛋蛋白白和和激活蛋白。激活蛋白。调控蛋白的作用分别是调控蛋白的作用分别是 特异因子特异因子决定决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力；识别和结合能力；第22页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录 阻遏蛋白阻遏蛋白可以识别、结合特异可以识别、结合特异DNA序列序列操纵序列，抑制基因操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（转录，所以阻遏蛋白介导负调节（negative regulation）。阻遏）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在；蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在；激活蛋白激活蛋白可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列，提高序列，提高RNA聚合酶与聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转录活性，是一聚合酶的转录活性，是一种正调控（种正调控（positive regulation）。）。第23页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控（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第24页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录图图18-2 lac 18-2 lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节第25页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录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）乳糖操纵子受阻遏蛋白和乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节的双重调节阻遏基因阻遏基因1.1.阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节第26页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录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乳糖乳糖别乳糖别乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶图图18-4 18-4 laclac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节第27页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录+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2.CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第28页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录3.3.协协同同调节调节n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发挥挥作用。作用。n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，操纵子仍无转录活性。合，操纵子仍无转录活性。n单单纯纯乳乳糖糖存存在在时时，细细菌菌利利用用乳乳糖糖作作碳碳源源；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，细细菌菌首首先先利利用用葡葡萄萄糖糖。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阻遏遏(catabolic repression)。第29页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录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第30页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录图图18-318-3CAPCAP、阻遏蛋白、阻遏蛋白、cAMPcAMP和诱导剂对和诱导剂对laclac操纵子的调节操纵子的调节 第31页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录三、三、色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达基因表达色氨酸操纵子的作用原理色氨酸操纵子的作用原理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聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 操纵子关闭操纵子关闭第32页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录四、原核基因表达在转录终止阶段有四、原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制不同的调控机制（一一）不依）不依赖赖RhoRho因子的因子的转录终转录终止止（二）依（二）依赖赖RhoRho因子的因子的转录终转录终止止常见于噬菌体中，结构特点不清楚。常见于噬菌体中，结构特点不清楚。n两段富含两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；核苷酸；n下游含一系列下游含一系列T序列。序列。终止子结构特点：终止子结构特点：第33页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录五、原核基因表达在翻译水平的多个环节受五、原核基因表达在翻译水平的多个环节受到精细调节到精细调节（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性控的有效性衰减是转录衰减是转录-翻译的偶联调控翻译的偶联调控色色氨氨酸酸操操纵纵子子（trp operon）除除了了产产物物阻阻遏遏负负调调控外，还有控外，还有转录衰减（转录衰减（attenuation）调控方式。调控方式。第34页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录图图18-4 18-4 色氨酸操纵子的结构及其关闭机制色氨酸操纵子的结构及其关闭机制第35页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（二）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进（二）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节行自我调节 n调节蛋白结合调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。译起始区，从而阻断翻译。n调节蛋白一般作用于自身调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，抑制自身的合成，称称自我控制自我控制(autogenous control)。第36页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的结合的结合实现对翻译起始的调控实现对翻译起始的调控n编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或RNA）直接）直接或间接地结合来决定翻译起始或间接地结合来决定翻译起始n调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖体调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖体的结合的结合第37页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（四）反义（四）反义RNA结合结合mRNA翻译起始部位的互翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节补序列对翻译进行调节n可调节基因表达的可调节基因表达的RNA称为调节称为调节RNA。n细细菌菌中中含含有有与与特特定定mRNA翻翻译译起起始始部部位位互互补补的的RNA，通通过过与与mRNA杂杂交交阻阻断断30S小小亚亚基基对对起起始始密密码码子子的的识识别别及及与与SD序序列列的的结结合合，抑抑制制翻翻译译起起始。这种调节称为始。这种调节称为反义控制反义控制(antisense control)。第38页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（五）（五）mRNA密码子的编码频率影响翻译速度密码子的编码频率影响翻译速度当基因中的密码子是常用密码子时，当基因中的密码子是常用密码子时，mRNA的翻译的翻译速度快，反之，速度快，反之，mRNA的翻译速度慢。的翻译速度慢。第39页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录第三节第三节 真核基因表达调控真核基因表达调控Regulation of Gene Expression in Eukaryote第40页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录一、真核细胞基因表达的特点一、真核细胞基因表达的特点 真核基因组比原核基因组真核基因组比原核基因组大大得多得多 原原核核基基因因组组的的大大部部分分序序列列都都为为编编码码基基因因，而而哺哺乳乳类类基基因因组组中中只只有有10%的的序序列列编编码码蛋蛋白白质质、rRNA、tRNA等等，其其余余90%的的序序列列，包包括括大大量量的的重重复复序序列列功功能能至今还不清楚，可能参与调控至今还不清楚，可能参与调控 真真核核生生物物编编码码蛋蛋白白质质的的基基因因是是不不连连续续的的，转转录录后后需需要要剪剪接接去去除除内内含含子子，这这就就增增加加了了基基因因表表达达调调控控的层次的层次 第41页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录 原原核核生生物物的的基基因因编编码码序序列列在在操操纵纵子子中中，多多顺顺反反子子mRNA使使得得几几个个功功能能相相关关的的基基因因自自然然协协调调控控制制；而而真真核核生生物物则则是是一一个个结结构构基基因因转转录录生生成成一一条条mRNA，即即mRNA是是单单顺顺反反子子（monocistron），许许多多功功能能相相关关的的蛋蛋白白、即即使使是是一一种种蛋蛋白白的的不不同同亚亚基基也也将将涉涉及及到到多个基因的协调表达多个基因的协调表达第42页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录 真真核核生生物物DNA在在细细胞胞核核内内与与多多种种蛋蛋白白质质结结合合构构成成染染色质色质，这种复杂的结构直接影响着基因表达；，这种复杂的结构直接影响着基因表达；真真核核生生物物的的遗遗传传信信息息不不仅仅存存在在于于核核DNA上上，还还存存在在线线粒粒体体DNA上上，核核内内基基因因与与线线粒粒体体基基因因的的表表达达调调控控既既相互独立而又需要协调。相互独立而又需要协调。第43页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录图图18-5 18-5 真核生物基因表达的多层次复杂调控真核生物基因表达的多层次复杂调控第44页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录二、染色质结构与真核基因表达密切相关二、染色质结构与真核基因表达密切相关n活性染色质活性染色质 (active chromatin)(active chromatin)具有转录活性的染色质具有转录活性的染色质n超敏位点（超敏位点（hypersensitive site)hypersensitive site)当染色质活化后，常出现一些对核酸酶（如当染色质活化后，常出现一些对核酸酶（如DNase I）高度敏感的位点）高度敏感的位点（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感 第45页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录(二二)转录活化染色质的组蛋白发生改变转录活化染色质的组蛋白发生改变 组蛋白结构及其化学修饰组蛋白结构及其化学修饰（a a）组蛋白与）组蛋白与DNADNA组成的核小体；（组成的核小体；（b b）组蛋白的氨基端伸出核小体，形）组蛋白的氨基端伸出核小体，形 成成组蛋白尾巴；（组蛋白尾巴；（c c）四种组蛋白组成的八聚体）四种组蛋白组成的八聚体第46页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录n组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，以及化学修饰征集了其他色质或核小体的结构，以及化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了白结合搭建了一个平台。这些理论构成了“组蛋组蛋白密码白密码”的假说。的假说。第47页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录组组蛋白蛋白氨基酸残基位点氨基酸残基位点修修饰类饰类型型功功 能能H3Lys-4甲基化甲基化激活激活H3Lys-9甲基化甲基化染色染色质浓缩质浓缩H3Lys-9甲基化甲基化DNA甲基化所必需甲基化所必需H3Lys-9乙乙酰酰化化激活激活H3Ser-10磷酸化磷酸化激活激活H3Lys-14乙乙酰酰化化防止防止Lys-9的甲基化的甲基化H3Lys-79甲基化甲基化端粒沉默端粒沉默H4Arg-3甲基化甲基化H4Lys-5乙乙酰酰化化装配装配H4Lys-12乙乙酰酰化化装配装配H4Lys-16乙乙酰酰化化核小体装配核小体装配H4Lys-16乙乙酰酰化化Fly X激活激活组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响 第48页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（三三）CpG岛岛甲基化水平降低甲基化水平降低nCpG岛岛（CpG island)：甲甲基基化化胞胞嘧嘧啶啶在在基基因因组组中中并并不不是是均均匀匀分分布布，有有些些成成簇簇的的非非甲甲基基化化CG存存在在于于整整个个基基因因组组中中，人人们将这些们将这些GC含量可达含量可达60%，长度为，长度为300-3000bp的区段的区段n表表观观遗遗传传（epigenetic inheritance)：染染色色质质结结构构对对基基因因表表达达的的影影响响可可以以遗遗传传给给子子代代细细胞胞，其其机机制制是是细细胞胞内内存存在在着着具具有有维维持持甲甲基基化化作作用用的的DNA甲甲基基转转移移酶酶，可可以以在在DNA复复制制后后，依依照照亲亲本本DNA链链的的甲甲基基化化位位置置催催化化子子链链DNA在在相相同同位位置置上上发生甲基化发生甲基化第49页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录三、基因组中的顺式作用元件是转录起始三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位的关键调节部位順式作用元件順式作用元件 指可影响自身基因表达活性的指可影响自身基因表达活性的DNADNA序列序列第50页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录图图18-718-7顺式作用元件顺式作用元件A A、B B分别代表同一基因中的两段特异分别代表同一基因中的两段特异DNADNA序列。序列。B B序列通过一定机制影响序列通过一定机制影响A A序列，序列，并通过并通过A A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。A A、B B序列就是调节这个基因序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件转录活性的顺式作用元件第51页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（一）真核生物启（一）真核生物启动动子子结结构和构和调节远较调节远较原核生原核生物复物复杂杂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，至至少少包包括括一一个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盒盒第52页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录CCAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒转录起始点转录起始点高等真核生物高等真核生物上游激活序上游激活序列（列（UAS）TATA盒盒转录起始点转录起始点酵母酵母真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构第53页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（二）增（二）增强强子是能子是能够够提高提高转录转录效率的效率的顺顺式式调调控元控元件件增强子的功能及其作用特征如下：增强子的功能及其作用特征如下：n与被调控基因位于同一条与被调控基因位于同一条DNA链上，属于链上，属于顺式作顺式作用元件用元件。n是组织特异性转录因子的是组织特异性转录因子的结合部位结合部位n不仅能够在基因的不仅能够在基因的上游上游或或下游下游起作用，而且还可起作用，而且还可以以远距离远距离实施调节作用实施调节作用n作用与序列的作用与序列的方向性无关方向性无关n需要有启动子需要有启动子才能发挥作用才能发挥作用第54页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（三）沉默子能（三）沉默子能够够抑制基因的抑制基因的转录转录n沉沉默默子子是是一一类类基基因因表表达达的的负负性性调调控控元元件件，当当其其结结合合特特异异蛋蛋白白因因子子时时，对对基基因因转转录录起起阻阻遏遏作用作用第55页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录四、转录因子是转录调控的关键分子四、转录因子是转录调控的关键分子n真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或转录转录因子因子（transcription factor,TF）。）。n绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达后，进绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达后，进入细胞核，通过识别、结合特异的顺式作用元件而增入细胞核，通过识别、结合特异的顺式作用元件而增强或降低相应基因的表达。强或降低相应基因的表达。n转录因子也被称为反式作用蛋白或转录因子也被称为反式作用蛋白或反式作用因子反式作用因子。第56页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白n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，称称顺顺式作用式作用。n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，调调节节其其表表达达。这这种种调调节节作作用用称称为为反反式式作用作用。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)第57页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录图图18-8 18-8 反式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白第58页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录n通用转录因子通用转录因子(general transcription factors)是是RNA聚聚合合酶酶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)转录的类别。转录的类别。1.转录调节因子分类转录调节因子分类（按功能特性）（按功能特性）通用转录因子通用转录因子特异转录因子特异转录因子第59页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录n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间、空间特异性表达。时间、空间特异性表达。n转录激活因子转录激活因子n转录抑制因子转录抑制因子第60页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录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第61页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录最常见的最常见的DNA结合域：结合域：1.锌指模体锌指模体(zinc finger)常结合常结合GC盒盒C=半胱氨酸；半胱氨酸；H=组氨酸；组氨酸；F=苯丙氨苯丙氨酸；酸；L=亮氨酸；亮氨酸；Y=酪氨酸；酪氨酸；Zn=锌离锌离子子图图18-9锌指结构锌指结构第62页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录2.2.碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋（螺旋（basic helix-loop-helix,bHLH)（a）独立的碱性螺旋）独立的碱性螺旋-环环-螺旋模体结构示意图；（螺旋模体结构示意图；（b）bLHL模体二聚体与模体二聚体与DNA结合的示意图。两个结合的示意图。两个-螺旋的碱性区分别嵌入螺旋的碱性区分别嵌入DNA双螺旋的大沟内双螺旋的大沟内常结合常结合CAAT盒盒第63页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录常结合常结合CAAT盒盒3.3.碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper,Bzip)（a）碱性亮氨酸拉链模体结构示意图；（）碱性亮氨酸拉链模体结构示意图；（b）bZIP模体与模体与DNA结合的示意图。两个结合的示意图。两个-螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨基酸残基的区域与螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨基酸残基的区域与DNA骨架骨架上的磷酸基团结合上的磷酸基团结合第64页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录五、转录起始复合物的动态构成是转录五、转录起始复合物的动态构成是转录调控的主要方式调控的主要方式（一）启动序列（一）启动序列/启动子与启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性（二）调节蛋白与（二）调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性启启动动序序列列或或启启动动子子的的核核苷苷酸酸序序列列会会影影响响其其与与RNA聚聚合合酶酶的的亲亲和和力力，而而亲亲和和力力大大小小则则直直接接影影响响转转录录起起始始的频率的频率真真核核RNA聚聚合合酶酶II不不能能单单独独识识别别、结结合合启启动动子子，而而是是先先由由基基本本转转录录因因子子与与RNA聚聚合合酶酶II形形成成一一个个功功能能性性的的转录前起始复合物。转录前起始复合物。第65页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录图图18-12 转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成 真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，形成在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。转录起始复合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP第66页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录六、转录后调控主要影响真核六、转录后调控主要影响真核mRNA的结的结构与功能构与功能（一）（一）mRNA稳定性的影响真核生物基因表达稳定性的影响真核生物基因表达1.5-端的帽子结构可以增加端的帽子结构可以增加mRNA的稳定性的稳定性2.3-端的端的poly(A)尾结构防止尾结构防止mRNA降解降解 RNA无无论论是是在在核核内内进进行行加加工工、由由胞胞核核运运至至胞胞浆浆，还还是是在在胞胞浆浆内内停停留留（至至降降解解），都都是是通通过过与与蛋蛋白白质质结结合合形形成成核核蛋蛋白白颗颗粒粒(ribonucleoprotein,RNP)进行的。进行的。第67页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录与原核基因表达调节一样，某些小分子与原核基因表达调节一样，某些小分子RNA也可调节真核基因表达。也可调节真核基因表达。这这些些RNA都都是是非非编编码码RNA（noncoding RNA,ncRNA）。如如：具具有有催催化化活活性性的的RNA（核核酶酶）、细细胞胞核核小小分分子子RNA（snRNA）以以及及核仁小分子核仁小分子RNA（snoRNA）目前人们广泛关注的非编码目前人们广泛关注的非编码RNA有有miRNA和和siRNA。小分子小分子RNA对基因表达的调节十分复杂，对基因表达的调节十分复杂，（二）一些非编码小分子（二）一些非编码小分子RNA可引起转录后基可引起转录后基因沉默因沉默第68页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录（三）（三）mRNA前体的选择性剪接可以调节真核前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达生物基因表达n真真核核生生物物基基因因所所转转录录出出的的mRNA前前体体含含有有交交替替连连接接的的内内含含子子和和外外显显子子。通通常常状状态态下下，mRNA前前体体经经过过剔剔除除内内含含子子序序列列后后成成为为一一个个成成熟熟的的mRNA，并并被被翻翻译译成成为为一一条条相相应应的的多多肽肽链链。但但是是，参参与与拼拼接接的的外外显显子子可可以以不不按按照照其其在在基基因因组组内内的的线线性性分分布布次次序序拼拼接接，内内含含子子也也可可以以不不完完全全被被切切除除，由由此此产产生生了了选选择性剪接择性剪接第69页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录七、真核基因表达在翻译以及翻译后七、真核基因表达在翻译以及翻译后仍可受到调控仍可受到调控（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行饰进行蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（eukaryotic initiation factor,eIF）的活性对起始阶）的活性对起始阶段有重要的控制作用。段有重要的控制作用。1 1翻译起始因子翻译起始因子eIF-2eIF-2的磷酸化抑制翻译起始的磷酸化抑制翻译起始 第70页，讲稿共79张，创作于星期日目录目录2 2eIF-4EeIF-4E及及eIF-4EeIF-4E结合蛋白的磷酸化激活翻译起始结合蛋白的磷酸化激活翻译起始 帽结合蛋白帽结合蛋白eIF-4E与与mRNA帽结构的结合是翻译起始帽结构的结合是翻译起始的限速步骤，磷酸化修饰及与抑制物蛋白的结合均可调的限速步骤，磷酸化修饰及与抑制物蛋白的结合均可调节节eIF-4E的活性。的活性。磷酸化的磷酸化的eIF-4E与帽结构的结合力是非磷酸化与帽结构的结合力是非磷酸化 的的eIF-4E的的4倍，因而可提高翻译的效率。倍，因而可提高翻译的效率。第71页，讲