基因表达调控 (5).ppt

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1、关于基因表达调控 (5)现在学习的是第1页，共89页第第 一一 节节基因的结构与功能基因的结构与功能现在学习的是第2页，共89页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，基是遗传信息的主要载体，基因的化学本质就是一段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，息传递提供了物质结构基础。根据这个模型，DNA分子是分子是由由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

2、基条链之间通过碱基配对结合在一起。配对结合在一起。现在学习的是第3页，共89页现在学习的是第4页，共89页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子（顺反子（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，基因和顺反子是等有区别的：在原核细胞和低等真核细胞中，基因和顺反子是

3、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，此时顺反子等价于真核基因的外显子。顺反子等价于真核基因的外显子。现在学习的是第5页，共89页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真核结构上，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。编码区是两个基本组成部分。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（通常可以被转录的区域，由连续的密码子组成，其中包括起始密码（通常是是AUG）和终止密码（）和终止密码（U

4、AA、UAG和和UGA）。编码区中包含）。编码区中包含5端的非翻译区（端的非翻译区（5 UTR）和）和3 端的非翻译区（端的非翻译区（3 UTR）现在学习的是第6页，共89页ATGTAA3 UTR5 UTRRNA起点转录终止位点核糖体结合位点启动子终止子转录区基因图1-3 典型的编码蛋白质的原核基因结构示意图现在学习的是第7页，共89页ATGTAA3 UTR5 UTRRNA起点polyA位点启动子终止子转录区基因图1-4 典型的编码蛋白质的真核基因结构示意图内含子外显子现在学习的是第8页，共89页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端上游紧靠转

5、录起点的一段非编码序列，其功能是引导段非编码序列，其功能是引导RNA聚合酶与基因相应部位的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，只有数十个碱基组成，而真核基因的启动子较大，比较简单，只有数十个碱基组成，而真核基因的启动子较大，可能涉及数千个碱基。可能涉及数千个碱基。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。即一旦一段非编码的核苷酸短序列，具有终止转录的功能。即一旦RNA聚合酶完全通过了基

6、因的转录单位后，聚合酶就不能继续向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，使转录活动终止。前移动，使转录活动终止。现在学习的是第9页，共89页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)现在学习的是第10页，共89页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表达 现

7、在学习的是第11页，共89页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-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同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列有序列 ，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，这些共有序列是盒等，这些共有序列是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。 现在学习的是第12页，共89页2 2) ) 真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因还有蛋

8、白质因子可特异识别、结合自身基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，称顺式作顺式作用用。由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。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。 现在学习的是第13页，共89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现在学习的是第14页，共89页启动子n启动子是启

9、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。并不被转录。 nTATA盒（盒（TATA box）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处，几乎所有已发现的真核生物基因的启动子都有此序列。物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因因子的转录因子结合后即成为完整的启动子，精确地决定子的转录因子结合后即成为完整的启动子，精确地决定RN

10、A合成的起始位点合成的起始位点 现在学习的是第15页，共89页上游启动子元件n上游启动子元件（上游启动子元件（upstream promoter elements）是）是TATA盒上游的一些特定的盒上游的一些特定的DNA序列。反式作用因子可与这些元件序列。反式作用因子可与这些元件结合，通过调节结合，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（转录起始因子与启动子的结合及转录起始复合物的形成（转录起始因子与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

11、等。盒等。 现在学习的是第16页，共89页反应元件（response elements）n是一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应是一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的的DNA序列。反应元件都具有较短的保守序列。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，如热这些元件通常位于启动子附近和增强子内，如热休克反应元件（休克反应元件（heat shock response element，HSE）糖皮质激素反应元件（糖皮质激素反应元件（glucocorticoid response element，GRE）。）。 现在学习的是第17页，共89页增强子增强子（en

12、hancer）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式作序列，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。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为增强）邻近基因的转录。增强子一般位于转录起始点上游起始点上游-100-300bp处，但在基因之外或某些处，但在基因之外或某些内含子也有增强子序列。内含子也有增强子序列。 现在学习的是第18页，共89页n转位基因，也称转位因子（转位基因，也称转位因子（transposable elements），是指）

13、，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，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，因此有些文献形象地称之为跳跃基因（献形象地称之为跳跃基因（jumping genes）。转位基因最）。转位基因最早由美国冷泉港实验室的女科学家早由美国冷泉港实验室的女科学家B.McClintock，于上世纪，于上世纪40年代晚期在玉米中首次发现。年代晚期在玉米中首次发现。 4特殊结构与功能的基因现在学习的是第19页，共89页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：

14、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 。现在学习的是第20页，共89页n假基因（假基因（pseudogene） ：因碱基顺序发生某些突变：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，生成无生物活性而失去功能，不能表达或表达异常，生成无生物活性多肽的基因。多肽的基因。n假基因假基因4个显著特点：没有内含子；具有与个显著特点：没有内含子；具有与mRNA 的的poly(A)尾的相应结构；两侧有顺向重复尾的相应结构；两侧有顺向重复序列；随机出现在非正常的位置。序列；随机出现在非正

15、常的位置。 现在学习的是第21页，共89页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。现在学习的是第22页，共89页基因家族基因家族（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的一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

16、(hGH)、人胎、人胎盘促乳素盘促乳素(hCS)和催乳素和催乳素(prolactin)。 现在学习的是第23页，共89页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个氨基酸顺序的个氨基酸顺序的同源蛋白激酶结构域。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，其结盒基因家族的产物都具有解旋酶的功能，其结构特征是构特征是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。 现在学习的是第24

17、页，共89页n基因超家族（基因超家族（gene superfamily）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）。 现在学习的是第25页，共89页第二节第二节 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

18、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基一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。因。现在学习的是第26页，共89页一、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3.2 kb痘病毒基因组痘病毒基因组DNA长达长达300kb现在学习的是第27页，共89页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链腺病毒基因组为线性双链DNA 现在学习的是第2

19、8页，共89页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 现在学习的是第29页，共89页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。现在学习的是第30页，共89页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。现在学习的是第31页，共89页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。 现在学习的是第32页，

20、共89页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个个启动子作用下生成多顺反子启动子作用下生成多顺反子mRNA，然，然后加工成各种后加工成各种mRNA，编码病毒的各种，编码病毒的各种外壳蛋白，它们在功能上都是相关的。外壳蛋白，它们在功能上都是相关的。 现在学习的是第33页，共89页n8基因重叠基因重叠 有些病毒核酸分子很小，又需要装入尽可能多的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，即同一段基因，因此在进化过程中形成了重叠基因，即同一段核酸序列能

21、够编码核酸序列能够编码2种或种或2种以上蛋白质。种以上蛋白质。 现在学习的是第34页，共89页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 现在学习的是第35页，共89页二、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

22、。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，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，其转录产物多为多顺反子结构。产物多为多顺反子结构。现在学习的是第36页，共89页n3多顺反子结构，无内含子多顺反子结构，无内含子

23、原核基因是多顺反子结构，同时基因内无内含子，是连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。续的，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。现在学习的是第37页，共89页三、真核生物基因组结

24、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 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%现在学习的是第38页，共89页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，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。的。n2基因组庞大、复杂基因组

25、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。 现在学习的是第39页，共89页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。这是与细菌、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标尺。病毒的重要区别，且在一定程度上也是生物进化的

26、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，是断裂基大多数真核生物的结构基因具有内含子结构，是断裂基因。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。 现在学习的是第40页，共89页四、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

27、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 。现在学习的是第41页，共89页五、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)，这种多态，这种多态性可以分为两类，即性可以分为两类，即DNA位点多态性和长度多态性。位点多态

28、性和长度多态性。 现在学习的是第42页，共89页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。现在学习的是第43页，共89页n2串联重复序列串联重复序列 （tandem repeats） 其特点是具有一个固定的重复单位，该重复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

29、复顺序片段，约占整个人类单位头尾相连形成重复顺序片段，约占整个人类基因组的基因组的10%。现在学习的是第44页，共89页第三节第三节 基因的表达与调控基因的表达与调控现在学习的是第45页，共89页一、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的基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。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现在学习的是第46页，共89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

30、格按特按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异时间特异性性(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段阶段特异性特异性(stage specificity)。现在学习的是第47页，共89页（二）空间特异性（二）空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(ce

31、ll or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，织空间顺序出现，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。现在学习的是第48页，共89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）组成性表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为达，通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gen

32、e)。现在学习的是第49页，共89页无论表达水平高低，管家基因无论表达水平高低，管家基因较少受环境因较少受环境因素影响素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达组成性基因表达(constitutive gene expression)。现在学习的是第50页，共89页（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基

33、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。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为为诱导诱导(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为为阻遏阻遏(repression)。现在学习的是第51页，共89页在一定机制控制下，功能上相关的一组基因在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为表达，即为协调

34、表达协调表达(coordinate expression)，这这种调节称为协调调节种调节称为协调调节(coordinate regulation)。现在学习的是第52页，共89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现在学习的是第53页，共89页五、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

35、翻译后加工修饰转录起始转录起始现在学习的是第54页，共89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因表达的调节与基因表达的调节与基因基因的结构、性质，的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外生物个体或细胞所处的内、外环境环境，以及细胞，以及细胞内所存在的转录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现在学习的是第55页，共89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(promote

36、r)(operator)现在学习的是第56页，共89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共有序列共有序列现在学习的是第57页，共89页共有序列共有序列(consensus sequence) 决定启决定启动序列的转录活性大小。动序列

37、的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）某些特异因子（蛋白质）决定决定RNA聚合酶聚合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。现在学习的是第58页，共89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操纵序列结合有当操纵序列结合有阻遏蛋白阻遏蛋白时，会阻碍时，会阻碍RNA聚聚合酶与启动序列的结合，或是合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿聚合酶不能沿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阻遏蛋白阻遏蛋白现在学习的是第59页，共89页3

38、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：激活蛋白激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列，促进序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，聚合酶与启动序列的结合，增强增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合聚合酶很少或完全不能结合启动序列。酶很少或完全不能结合启动序列。现在学习的是第60页，共89页n(1) 螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（helix-turn-helix） 这种结构模式具有这种结构模式具有两个较短的两个较短的螺旋片段，每个片段有螺旋片段，每个片段有7至至

39、9个氨基酸残基，两个氨基酸残基，两个螺旋片段之间有个螺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现在学习的是第61页，共89页n(2) 锌指（锌指（zinc fingers） 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个氨基酸个氨基酸残基（两个是半脱氨酸两个是组氨酸，或残基（两个是半脱氨酸两个是组氨酸，或4个都是半脱氨个都是半

40、脱氨酸）以配位键与酸）以配位键与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。 CysHisCysHisZn2+CysHisCysHisZn2+现在学习的是第62页，共89页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（leucine zippers） 这种结构是指在一段肽链中每隔这种结构是指在一段肽链中每隔7个氨基酸残基就有一个亮氨酸个氨基酸残基就有一个亮氨酸残基，这段肽链所形成的残基，这段肽链所形成的-螺旋螺旋就会出现一个由亮氨酸残基组成就会出现一个由亮氨酸残基组成的疏水面，而另一面

41、则是由亲水的疏水面，而另一面则是由亲水性氨基酸残基所构成的亲水面。性氨基酸残基所构成的亲水面。 现在学习的是第63页，共89页n(2) 螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（helix-loop-helix） 现在学习的是第64页，共89页六、原核生物的基因表达调控六、原核生物的基因表达调控现在学习的是第65页，共89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现在学习的是第66页，共89

42、页（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(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现在学习的是第67页，共89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现在学习的是第68页，共89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

43、糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶现在学习的是第69页，共89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3. CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP现在学习的是第70页，共89页4. 4. 协调调节协调调节 当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能对该系统不能发挥作用；发挥作用； 如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。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

44、时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代谢分解代谢阻遏阻遏(catabolic repression)。 现在学习的是第71页，共89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现在学习的是第72页，共89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

45、 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现在学习的是第73页，共89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 UU

46、UU现在学习的是第74页，共89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 终止终止现在学习的是第75页，共89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

47、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 现在学习的是第76页，共89页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启动序列启动序列现在学习的是第77页，共89页3. 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 损伤修复有关的损伤修复有关的酶和蛋白质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现在学

48、习的是第78页，共89页七、真核生物的基因表达调控现在学习的是第79页，共89页（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化基因常有超敏位点，位于调节蛋白活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。结合位点附近。现在学习的是第80页，共89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

49、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。现在学习的是第81页，共89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、加工现在学习的是第82页，共89页（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 启动子启动子真核基因启动子是真核基因启动子是RN

50、A聚合酶结合位聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个点周围的一组转录控制组件，至少包括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盒盒现在学习的是第83页，共89页现在学习的是第84页，共89页增强子增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、空指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。序列。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