基因表达调控 (5)讲稿.ppt

关于基因表达调控(5)第一页，讲稿共八十九页哦第第 一一 节节基因的结构与功能基因的结构与功能第二页，讲稿共八十九页哦1基因的分子基础n现代分子生物学研究已经证实现代分子生物学研究已经证实DNA是遗传信息的主要载体，是遗传信息的主要载体，基因的化学本质就是一段基因的化学本质就是一段DNA分子片段。分子片段。nWatson和和Crick提出的提出的DNA分子双螺旋结构模型为遗传信息分子双螺旋结构模型为遗传信息传递提供了物质结构基础。根据这个模型，传递提供了物质结构基础。根据这个模型，DNA分子是由分子是由2条互补的多核苷酸链相互缠绕而成，条互补的多核苷酸链相互缠绕而成，2条链之间通过碱基条链之间通过碱基配对结合在一起。配对结合在一起。第三页，讲稿共八十九页哦第四页，讲稿共八十九页哦n基因作为一个遗传功能单位，它所对应的一段核苷酸序列被称为基因作为一个遗传功能单位，它所对应的一段核苷酸序列被称为顺反顺反子（子（cistron）。显然，一个顺反子编码一种完整多肽链。因此，。显然，一个顺反子编码一种完整多肽链。因此，顺反子是一个功能单位。顺反子是一个功能单位。n基因和顺反子这两个术语常被等同使用，但仔细分析，两者是有基因和顺反子这两个术语常被等同使用，但仔细分析，两者是有区别的：在原核细胞和低等真核细胞中，基因和顺反子是等价的；区别的：在原核细胞和低等真核细胞中，基因和顺反子是等价的；而在高等真核细胞中，由于基因中内含子的存在，此时顺反子等而在高等真核细胞中，由于基因中内含子的存在，此时顺反子等价于真核基因的外显子。价于真核基因的外显子。第五页，讲稿共八十九页哦2基因的结构n结构上，基因由多个不同的区域组成。无论是原核基因还是结构上，基因由多个不同的区域组成。无论是原核基因还是真核基因，都可划分为真核基因，都可划分为编码区编码区和和非编码区非编码区两个基本组成部分。编两个基本组成部分。编码区是可以被转录的区域，由连续的密码子组成，其中包括起始密码码区是可以被转录的区域，由连续的密码子组成，其中包括起始密码（通常是（通常是AUG）和终止密码（）和终止密码（UAA、UAG和和UGA）。编码区中包）。编码区中包含含5端的非翻译区（端的非翻译区（5UTR）和）和3端的非翻译区（端的非翻译区（3UTR）第六页，讲稿共八十九页哦第七页，讲稿共八十九页哦第八页，讲稿共八十九页哦n启动子（启动子（promoter）：是位于基因：是位于基因5端上游紧靠转录起点的一段端上游紧靠转录起点的一段非编码序列，其功能是引导非编码序列，其功能是引导RNA聚合酶与基因相应部位的正确结聚合酶与基因相应部位的正确结合，启动基因的转录。一般来说，原核基因的启动子比较简单，合，启动基因的转录。一般来说，原核基因的启动子比较简单，只有数十个碱基组成，而真核基因的启动子较大，可能涉及数千只有数十个碱基组成，而真核基因的启动子较大，可能涉及数千个碱基。个碱基。n终止子终止子（terminator）：基因：基因3端下游外侧与终止密码子相邻的一端下游外侧与终止密码子相邻的一段非编码的核苷酸短序列，具有终止转录的功能。即一旦段非编码的核苷酸短序列，具有终止转录的功能。即一旦RNA聚合聚合酶完全通过了基因的转录单位后，聚合酶就不能继续向前移动，使转酶完全通过了基因的转录单位后，聚合酶就不能继续向前移动，使转录活动终止。录活动终止。第九页，讲稿共八十九页哦3原核生物基因结构与调控模式操纵子操纵子(operon)机制机制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)第十页，讲稿共八十九页哦n由由P序列、序列、O序列和序列和CAP结合位点共同构成结合位点共同构成lac操纵子的调控操纵子的调控区，他们相互协调，共同控制着信息区中三个酶的编码基因的表区，他们相互协调，共同控制着信息区中三个酶的编码基因的表达达第十一页，讲稿共八十九页哦3真核生物基因结构与调控模式1)顺式作用元件顺式作用元件(cis-actingelement)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列是是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。第十二页，讲稿共八十九页哦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调节序列的调节序列，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-actingfactor)这种调节作用称为这种调节作用称为反式作用反式作用。第十三页，讲稿共八十九页哦cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节mRNAC蛋白质蛋白质CBAmRNA蛋白质蛋白质AA第十四页，讲稿共八十九页哦启动子n启动子是启动子是RNA聚合酶特异性识别和结合的聚合酶特异性识别和结合的DNA序列。启动序列。启动子有方向性，位于结构基因转录起始点的上游，本身并不被转录。子有方向性，位于结构基因转录起始点的上游，本身并不被转录。nTATA盒（盒（TATAbox）是主要的真核生物的启动子元件，）是主要的真核生物的启动子元件，它位于转录起始点上游它位于转录起始点上游-25bp处，几乎所有已发现的真核生物处，几乎所有已发现的真核生物基因的启动子都有此序列。基因的启动子都有此序列。TATA盒与一种称为盒与一种称为TATA因子的转因子的转录因子结合后即成为完整的启动子，精确地决定录因子结合后即成为完整的启动子，精确地决定RNA合成的合成的起始位点起始位点第十五页，讲稿共八十九页哦上游启动子元件n上游启动子元件（上游启动子元件（upstreampromoterelements）是）是TATA盒上盒上游的一些特定的游的一些特定的DNA序列。反式作用因子可与这些元件结序列。反式作用因子可与这些元件结合，通过调节合，通过调节TATA因子与因子与TATA盒的结合、盒的结合、RNA聚合酶与聚合酶与启动子的结合及转录起始复合物的形成（转录起始因子启动子的结合及转录起始复合物的形成（转录起始因子与与RNA聚合酶结合）来调控基因的转录效率。聚合酶结合）来调控基因的转录效率。包括包括CAAT盒、盒、CACA盒及盒及GC盒等。盒等。第十六页，讲稿共八十九页哦反应元件（response elements）n是一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的是一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的DNA序列。反应元件都具有较短的保守序列。这些序列。反应元件都具有较短的保守序列。这些元件通常位于启动子附近和增强子内，如热休克反元件通常位于启动子附近和增强子内，如热休克反应元件（应元件（heatshockresponseelement，HSE）糖）糖皮质激素反应元件（皮质激素反应元件（glucocorticoidresponseelement，GRE）。）。第十七页，讲稿共八十九页哦增强子增强子（enhancer）n增强子增强子是一段是一段DNA序列，其中含有多个能被反序列，其中含有多个能被反式作用因子识别与结合的顺式作用元件。式作用因子识别与结合的顺式作用元件。n反应作用因子与这些元件结合后能够调控（通常为增反应作用因子与这些元件结合后能够调控（通常为增强）邻近基因的转录。增强子一般位于转录起始点上强）邻近基因的转录。增强子一般位于转录起始点上游游-100-300bp处，但在基因之外或某些内含子也处，但在基因之外或某些内含子也有增强子序列。有增强子序列。第十八页，讲稿共八十九页哦n转位基因，也称转位因子（转位基因，也称转位因子（transposableelements），是指），是指可以从染色体基因组上的一个位置转移到另一个位置，甚可以从染色体基因组上的一个位置转移到另一个位置，甚至在不同的染色体之间跃迁的基因成分，因此有些文献形至在不同的染色体之间跃迁的基因成分，因此有些文献形象地称之为跳跃基因（象地称之为跳跃基因（jumpinggenes）。转位基因最早由）。转位基因最早由美国冷泉港实验室的女科学家美国冷泉港实验室的女科学家B.McClintock，于上世纪，于上世纪40年年代晚期在玉米中首次发现。代晚期在玉米中首次发现。4特殊结构与功能的基因第十九页，讲稿共八十九页哦n原核生物的转位因子分三种不同的类型：原核生物的转位因子分三种不同的类型：插入序列：分子量小于插入序列：分子量小于2000bp转座子：大于转座子：大于2000bp可转座的噬菌体：如，噬菌体可转座的噬菌体：如，噬菌体Mu和和D108。第二十页，讲稿共八十九页哦n假基因（假基因（pseudogene）：因碱基顺序发生某些：因碱基顺序发生某些突变而失去功能，不能表达或表达异常，生成突变而失去功能，不能表达或表达异常，生成无生物活性多肽的基因。无生物活性多肽的基因。n假基因假基因4个显著特点：个显著特点：没有内含子；没有内含子；具有与具有与mRNA的的poly(A)尾的相应结构；尾的相应结构；两侧有顺向重复两侧有顺向重复序列；序列；随机出现在非正常的位置。随机出现在非正常的位置。第二十一页，讲稿共八十九页哦n重叠基因重叠基因（overlapping genes），或嵌套嵌套基因基因（nested genes）：基因的核苷酸序列是彼此重叠。第二十二页，讲稿共八十九页哦基因家族基因家族（gene family）n就是指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性就是指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因的一组基因。n（1）核酸序列相同）核酸序列相同即多拷贝基因。即多拷贝基因。如如rRNA基因，基因，tRNA基因等基因等。n（2）核酸序列高度同源）核酸序列高度同源如人类生长激素基因家族：人生长激素如人类生长激素基因家族：人生长激素(hGH)、人胎盘、人胎盘促乳素促乳素(hCS)和催乳素和催乳素(prolactin)。第二十三页，讲稿共八十九页哦n（3）编码产物具有同源功能区）编码产物具有同源功能区：如如src癌基因家族，基因产物都含有癌基因家族，基因产物都含有250个氨基酸顺序个氨基酸顺序的同源蛋白激酶结构域。的同源蛋白激酶结构域。n（4）编码产物具有小段保守基序）编码产物具有小段保守基序：如如DEAD盒基因家族的产物都具有解旋酶的功能，其结构盒基因家族的产物都具有解旋酶的功能，其结构特征是特征是8个氨基酸序列，内含个氨基酸序列，内含DEAD序列：序列：Asp-Glu-Ala-Asp。第二十四页，讲稿共八十九页哦n基因超家族（基因超家族（genesuperfamily）是指一）是指一组由多基因家族及单基因组成的更大的组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。基因家族。它们可能起源于相同的祖先基因，它们可能起源于相同的祖先基因，但是它们的功能并不一定相同但是它们的功能并不一定相同(区别于多区别于多基因家族）。基因家族）。第二十五页，讲稿共八十九页哦第二节第二节基因组的结构与功能基因组的结构与功能n一、病毒基因组的结构与功能特点一、病毒基因组的结构与功能特点n二、原核生物基因组的结构与功能特点二、原核生物基因组的结构与功能特点n三、真核生物基因组结构与功能的特点三、真核生物基因组结构与功能的特点n四、线粒体基因组四、线粒体基因组n五、人类基因组五、人类基因组*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一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。基因。第二十六页，讲稿共八十九页哦一、病毒基因组的结构与功能特点一、病毒基因组的结构与功能特点1不同病毒基因组大小相差较大 乙肝病毒乙肝病毒（HBV）DNA为为3.2kb痘病毒基因组痘病毒基因组DNA长达长达300kb第二十七页，讲稿共八十九页哦n2不同病毒的基因组可以是不同结构的核酸不同病毒的基因组可以是不同结构的核酸腺病毒基因组为线性双腺病毒基因组为线性双链链DNA第二十八页，讲稿共八十九页哦n3病毒基因组有连续的也有不连续的流感病毒由8条单链RNA分子构成 第二十九页，讲稿共八十九页哦n4病毒基因组的编码序列大于90%病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，只有很小的一部分不编码蛋白质。第三十页，讲稿共八十九页哦n5单倍体基因组 除逆转录病毒基因组有两个拷贝外，至今发现的病毒基因组都是单倍体，每个基因在病毒颗粒中只出现一次。第三十一页，讲稿共八十九页哦n6基因有连续的和间断的 感染细菌的病毒（噬菌体）基因组与细菌基因组结构特征相似，基因是连续的；而感染真核细胞的病毒基因组与真核生物基因组结构特征相似，有的基因含有内含子，基因是间断的。第三十二页，讲稿共八十九页哦n7相关基因丛集相关基因丛集如腺病毒晚期基因编码表达的如腺病毒晚期基因编码表达的12种种外壳蛋白，在晚期基因转录时是在外壳蛋白，在晚期基因转录时是在1个启个启动子作用下生成多顺反子动子作用下生成多顺反子mRNA，然后，然后加工成各种加工成各种mRNA，编码病毒的各种外，编码病毒的各种外壳蛋白，它们在功能上都是相关的。壳蛋白，它们在功能上都是相关的。第三十三页，讲稿共八十九页哦n8基因重叠基因重叠有些病毒核酸分子很小，又需要装入尽可能有些病毒核酸分子很小，又需要装入尽可能多的基因，因此在进化过程中形成了重叠基因，多的基因，因此在进化过程中形成了重叠基因，即同一段核酸序列能够编码即同一段核酸序列能够编码2种或种或2种以上蛋白质。种以上蛋白质。第三十四页，讲稿共八十九页哦n9病毒基因组含有不规则结构基因病毒基因组含有不规则结构基因主要类型有：主要类型有：几个结构基因的编码区无间隔，而是连续几个结构基因的编码区无间隔，而是连续的、不的、不间断的。间断的。mRNA没有没有5 端的帽结构端的帽结构。结构基因本身没有翻译起始序列结构基因本身没有翻译起始序列第三十五页，讲稿共八十九页哦二、原核生物基因组的结构与功能特点二、原核生物基因组的结构与功能特点n1具有操纵子结构具有操纵子结构这是原核基因组的一个突出的结构特点。所谓操纵这是原核基因组的一个突出的结构特点。所谓操纵子由信息区和调控区组成，前者包括数个编码蛋白质的子由信息区和调控区组成，前者包括数个编码蛋白质的序列，后者包括启动子、操纵基因，以及下游的转录终序列，后者包括启动子、操纵基因，以及下游的转录终止信号。止信号。n2编码序列在基因组中约占编码序列在基因组中约占50%原核生物基因的编码序列在基因组中约占原核生物基因的编码序列在基因组中约占50%，远大于真核，远大于真核基因组，但又小于病毒基因组；编码顺序不重叠，其转录产物多基因组，但又小于病毒基因组；编码顺序不重叠，其转录产物多为多顺反子结构。为多顺反子结构。第三十六页，讲稿共八十九页哦n3多顺反子结构，无内含子多顺反子结构，无内含子原核基因是多顺反子结构，同时基因内无内含子，是连续原核基因是多顺反子结构，同时基因内无内含子，是连续的，因此转录后不需要剪切。的，因此转录后不需要剪切。n4基因组中重复序列很少基因组中重复序列很少原核基因很少重复序列，其结构基因多为单拷贝，只原核基因很少重复序列，其结构基因多为单拷贝，只有编码有编码rRNA的基因往往是多拷贝的，这有利于核糖体的的基因往往是多拷贝的，这有利于核糖体的快速组装。快速组装。n5存在移动基因存在移动基因原核基因组中存在着可移动的原核基因组中存在着可移动的DNA序列，包括插入序序列，包括插入序列和转座子。列和转座子。第三十七页，讲稿共八十九页哦三、真核生物基因组结构与功能的特点三、真核生物基因组结构与功能的特点真核基因组结构庞大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3109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%第三十八页，讲稿共八十九页哦n1多条染色体，两份同源的基因组多条染色体，两份同源的基因组配子（精子和卵子）为单倍体，体细胞一般为双倍体，即含配子（精子和卵子）为单倍体，体细胞一般为双倍体，即含两份同源的基因组，而原核生物的基因组则是单拷贝的。两份同源的基因组，而原核生物的基因组则是单拷贝的。n2基因组庞大、复杂基因组庞大、复杂真核基因组远远大于原核生物的基因组，结构复杂，基因真核基因组远远大于原核生物的基因组，结构复杂，基因数庞大，具有许多复制起点。数庞大，具有许多复制起点。n3单顺反子结构单顺反子结构（monocistron）即一分子即一分子mRNA只能翻译成一种蛋白质。只能翻译成一种蛋白质。第三十九页，讲稿共八十九页哦n4非编码顺序占绝大部分，含有大量重复顺序非编码顺序占绝大部分，含有大量重复顺序真核生物基因组内非编码的顺序占真核生物基因组内非编码的顺序占90%以上。这是与以上。这是与细菌、病毒的重要区别，且在一定程度上也是生物进化的细菌、病毒的重要区别，且在一定程度上也是生物进化的标尺。标尺。n6具有内含子结构，普遍存在选择性剪接具有内含子结构，普遍存在选择性剪接大多数真核生物的结构基因具有内含子结构，是断裂基因。大多数真核生物的结构基因具有内含子结构，是断裂基因。n7有基因家族有基因家族功能相关的基因可串联在一起，构成各种基因家族。功能相关的基因可串联在一起，构成各种基因家族。第四十页，讲稿共八十九页哦四、线粒体基因组四、线粒体基因组n一个细胞里有许多个线粒体，而且一个线粒体里也有几一个细胞里有许多个线粒体，而且一个线粒体里也有几份基因组拷贝，所以一个细胞里也就有许多个线粒体基份基因组拷贝，所以一个细胞里也就有许多个线粒体基因组。因组。n真核细胞内存在两个遗传系统，一个在细胞核内，一个真核细胞内存在两个遗传系统，一个在细胞核内，一个在细胞质内，各自合成一些蛋白质和基因产物，造成了在细胞质内，各自合成一些蛋白质和基因产物，造成了细胞核和细胞质对遗传的相互作用；但是，核基因在生细胞核和细胞质对遗传的相互作用；但是，核基因在生物体的遗传控制中仍起主宰作用物体的遗传控制中仍起主宰作用。第四十一页，讲稿共八十九页哦五、人类基因组五、人类基因组n（一）人类基因组（一）人类基因组DNA的多态性的多态性DNA序列存在着多态性序列存在着多态性(polymorphism)，这种多，这种多态性可以分为两类，即态性可以分为两类，即DNA位点多态性和长度多位点多态性和长度多态性。态性。第四十二页，讲稿共八十九页哦n（二）人类基因组的重复序列（二）人类基因组的重复序列1反向重复序列反向重复序列是指两个顺序相同的拷贝在是指两个顺序相同的拷贝在DNA链链上呈反向排列。上呈反向排列。人类基因组约含人类基因组约含5%的反向重复序列，的反向重复序列，散布于整个基因组中，常见于基因组调散布于整个基因组中，常见于基因组调控区内，可能与复制的调控有关。控区内，可能与复制的调控有关。第四十三页，讲稿共八十九页哦n2串联重复序列串联重复序列（tandemrepeats）其特点是具有一个固定的重复单位，该重复单其特点是具有一个固定的重复单位，该重复单位头尾相连形成重复顺序片段，约占整个人类基因位头尾相连形成重复顺序片段，约占整个人类基因组的组的10%。第四十四页，讲稿共八十九页哦第三节第三节基因的表达与调控基因的表达与调控第四十五页，讲稿共八十九页哦一、基因表达的概念一、基因表达的概念基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。的蛋白质分子的过程。*基因表达基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的基因表达是受调控的第四十六页，讲稿共八十九页哦二、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(temporalspecificity)。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(stagespecificity)。第四十七页，讲稿共八十九页哦（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 tissuespecificity)。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(spatialspecificity)。第四十八页，讲稿共八十九页哦三、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达，通常被称为表达，通常被称为管家基因管家基因(housekeepinggene)。第四十九页，讲稿共八十九页哦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(constitutivegeneexpression)。第五十页，讲稿共八十九页哦（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，基基因因表达产物增加，这种基因称为表达产物增加，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)。第五十一页，讲稿共八十九页哦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(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。第五十二页，讲稿共八十九页哦四、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五十三页，讲稿共八十九页哦五、基因表达调控的基本原理五、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基因基因激活激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第五十四页，讲稿共八十九页哦（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第五十五页，讲稿共八十九页哦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)第五十六页，讲稿共八十九页哦是是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TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAra BADTTGACATATAAT共有序列共有序列第五十七页，讲稿共八十九页哦共共有有序序列列(consensussequence)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。第五十八页，讲稿共八十九页哦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能沿沿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阻遏蛋白阻遏蛋白第五十九页，讲稿共八十九页哦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。第六十页，讲稿共八十九页哦n(1)螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（helix-turn-helix）这种结构模式具有两这种结构模式具有两个较短的个较短的螺旋片段，每个片段有螺旋片段，每个片段有7至至9个氨基酸残基，两个螺个氨基酸残基，两个螺旋片段之间有旋片段之间有转角结构联系。一个转角结构联系。一个螺旋被认为是识别螺螺旋被认为是识别螺旋，含有较多能与旋，含有较多能与DNA相互作用的氨基酸残基，此螺旋进入相互作用的氨基酸残基，此螺旋进入DNA双螺旋结构的大沟。双螺旋结构的大沟。2.DNA与蛋白质之间的相互作用与蛋白质之间的相互作用第六十一页，讲稿共八十九页哦n(2)锌指（锌指（zincfingers）锌指结构含有约锌指结构含有约30个氨基酸残基，其中个氨基酸残基，其中4个氨基酸残个氨基酸残基（两个是半脱氨酸两个是组氨酸，或基（两个是半脱氨酸两个是组氨酸，或4个都是半脱氨酸）以个都是半脱氨酸）以配位键与配位键与Zn2+相互作用，如图相互作用，如图2-6所示。所示。锌指能与锌指能与DNA双螺旋大沟结合。双螺旋大沟结合。第六十二页，讲稿共八十九页哦2.DNA与蛋白质之间的相互作用与蛋白质之间的相互作用n(1)亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（leucinezippers）这种结构是指在一段肽链中每这种结构是指在一段肽链中每隔隔7个氨基酸残基就有一个亮氨个氨基酸残基就有一个亮氨酸残基，这段肽链所形成的酸残基，这段肽链所形成的-螺旋就会出现一个由亮氨酸残螺旋就会出现一个由亮氨酸残基组成的疏水面，而另一面则基组成的疏水面，而另一面则是由亲水性氨基酸残基所构成是由亲水性氨基酸残基所构成的亲水面。的亲水面。第六十三页，讲稿共八十九页哦n(2)螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（helix-loop-helix）第六十四页，讲稿共八十九页哦六、原核生物的基因表达调控六、原核生物的基因表达调控第六十五页，讲稿共八十九页哦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1.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2.操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性3.阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性第六十六页，讲稿共八十九页哦（二）乳糖操纵子调节机制（二）乳糖操纵子调节机制1.乳糖操纵子乳糖操纵子(lacoperon)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第六十七页，讲稿共八十九页哦mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时2.2.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第六十八页，讲稿共八十九页哦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第六十九页，讲稿共八十九页哦+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3.CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第七十页，讲稿共八十九页哦4.4.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发挥作用；能发挥作用；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结合，操纵子仍无转录活性。列结合，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阻遏谢阻遏(catabolicrepression)。第七十一页，讲稿共八十九页哦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第七十二页，讲稿共八十九页哦TrpTrp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1.1.转录衰减转录衰减色氨酸操纵子色氨酸操纵子第七十三页，讲稿共八十九页哦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第七十四页，讲稿共八十九页哦UUUU34UUUU334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DNAUUUU3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止第七十五页，讲稿共八十九页哦UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA15 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 第七十六页，讲稿共八十九页哦2.2.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hinH2IH1H1鞭毛素鞭毛素hinH2IDNA启动序列启动序列H1启动序列启动序列第七十七页，讲稿共八十九页哦3.SOS反应反应SOS基因基因紫外线紫外线激活激活RecALexA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LexA阻遏蛋白阻遏蛋白操纵序列操纵序列DNA第七十八页，讲稿共八十九页哦七、真核生物的基因表达调控第七十九页，讲稿共八十九页哦（一）真核基因表达调控特点（一）真核基因表达调控特点1.RNA聚合酶聚合酶2.活性染色体结构变化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。第八十页，讲稿共八十九页哦（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。第八十一页，讲稿共八十九页哦（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3.正性调节占主导正性调节占主导4.转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行5.转录后修饰、加工转录后修饰、加工第八十二页，讲稿共八十九页哦（三）真核基因转录激活调节（三）真核基因转录激活调节1.顺式作用元件顺式作用元件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盒盒第八十三页，讲稿共八十九页哦第八十四页，讲稿共八十九页哦增强子增强子(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。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。第八十五页，讲稿共八十九页哦2.反式作用因子反式作用因子转录调节因子分类（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(generaltranscriptionfactors)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)转转录录的类别。的类别。第八十六页，讲稿共八十九页哦*特异转录因子特异转录因子(specialtranscriptionfactors)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间、空间特异性表达。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第八十七页，讲稿共八十九页哦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八十八页，讲稿共八十九页哦3.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，形成的在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物转录起始复合物TATADNA