第13章基因表达调控LT.ppt

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1、目目录录Gene Expression Regulation 目目录录中心法则与操纵子中心法则与操纵子目目录录第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理Basic Conceptions and Principle目目录录一、基因表达的概念一、基因表达的概念*基因基因（gene）是遗传的基本单位是遗传的基本单位，含有编码一种含有编码一种RNA，大多数情况是大多数情况是编码一种多肽的信息单位。编码一种多肽的信息单位。*cDNAcDNA(complementary DNA)(complementary DNA)是人为地由是人为地由mRNAmRNA反转录而得反转录而得,与与mRNAmRNA序列互补

2、的序列互补的DNADNA。*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。目目录录*基因表达基因表达(geneexpression)就是基因转录、翻译，生成具有生就是基因转录、翻译，生成具有生物学功能的产物的过程。物学功能的产物的过程。基因表达是受调控的基因表达是受调控的rRNA、tRNA编码基因转录产生编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达。的过程也属于基因表达。目目录录二、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按功能需要，某一特定基因的

3、表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的达的时间特异性时间特异性(temporalspecificity)。例。例如如AFPAFP 多细胞生物基因表达的时间特异性又多细胞生物基因表达的时间特异性又称称阶段特异性阶段特异性(stagespecificity)。目目录录目目录录（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(cellortissuespe

4、cificity)。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间特异性空间特异性(spatialspecificity)。例如胰岛素。例如胰岛素目目录录目目录录三、基因表达的方式三、基因表达的方式按对按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：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，通通常常被被称称为为管管家家基基因因(housekeepinggene)。目目录录无无论论表表达达水水

5、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称称为为组组成成性性基基因因表表达达(constitutivegeneexpression)。目目录录（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，基基因因表表达达产产物物增增加加，这这种种基基因因称称为为可可诱诱导基因导基因。可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中

6、表表达达增增强强的的过过程，称为程，称为诱导诱导(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低的过程称为降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。目目录录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)，这这种种调调节节称称为为协协调调节调调节(coordinateregulati

7、on)。目目录录四、基因表达调控为生物体生长、四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需发育所必需（一）以适应环境、维持生长和增殖（一）以适应环境、维持生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。目目录录（二）以维持细胞分化与个体发育（二）以维持细胞分化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

8、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。目目录录第二节第二节基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理Basic Principles of Gene Expression Regulation目目录录一、基因表达调控呈现多层次和复杂性一、基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活拷贝数拷贝数重排重排甲基化程度甲基化程度转录起始转录起始转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后

9、加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等转录起始转录起始目目录录二二、基因转录激活调节基本要素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。（一）特异一）特异DNA序列序列指具有调控功能的指具有调控功能的DNA序列序列目目录录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)目

10、目录录是是RNA聚合酶结合并启动转聚合酶结合并启动转录的特异录的特异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共有序列共有序列目目录录共共有有序序列列(consensussequence)决决定定启动序列的转录活性大小。启动序列的转录活性大小。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

11、对对一一个个或或一一套套启启动动序序列列的的特异性识别和结合能力。特异性识别和结合能力。目目录录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聚聚合酶不能沿合酶不能沿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阻遏阻遏蛋白蛋白目目录录真核生物真核生物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BA

12、DNA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聚聚合合酶酶或或特特异异转转录录因因子子的的结合位点。结合位点。目目录录是指能直接或间接作用于特异是指能直接或间接作用于特异DNA序列的蛋白质因子序列的蛋白质因子1.原核生物调节蛋白分为三类：原核生物调节蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。特异因子：特异因子：决定决定RNA聚合酶对一个或一套聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。启动序列的特

13、异性识别和结合能力。阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)：可结合操纵序列，：可结合操纵序列，阻阻遏基因转录。遏基因转录。（二）调节蛋白（二）调节蛋白目目录录激激活活蛋蛋白白(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，增增强强RNA聚聚合合酶酶活活性性。如如分分解解物物基基因因激激活活蛋蛋白白(catabolitegeneactivatorprotein,CAP)。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聚合酶很少或完全不能结合启动序列。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。目目录

14、录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，调节其表达。用，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。又称为转录因子又称为转录因子(transcriptionfactor)目目录录cDNAaDNA反式调节反式调节C

15、顺式调节顺式调节mRNAC蛋白质蛋白质CBAmRNA蛋白质蛋白质AA目目录录DNA-蛋蛋白白质质的的相相互互作作用用指指的的是是反反式式或或顺顺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别及结合，识别及结合，形成形成DNA-蛋白质复合物蛋白质复合物。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结结合合位位点点通通常常呈呈对对称称、或或不不完完全全对对称称结结构构。例如例如SP1GGGACCC（三）（三）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目目录录 大多数调节蛋白单体形式不能结合大多数调节蛋白单体形式不能结合DNA序序列，也有

16、一些调节因子不能直接结合列，也有一些调节因子不能直接结合DNA序序列，故需要通过蛋白质蛋白质相互作用，列，故需要通过蛋白质蛋白质相互作用，才能调节基因转录。才能调节基因转录。最常见的作用形式是二聚化最常见的作用形式是二聚化(dimerization)即两分子单体通过一定结构域结合成二聚即两分子单体通过一定结构域结合成二聚体体(dimer),分为同源二聚体分为同源二聚体(homodimer)和异源和异源二聚体二聚体(heterodimer)。也有多聚化(polymer)目目录录 蛋白质蛋白质相互作用蛋白质蛋白质相互作用结果结果:有些有些增强增强与与DNA结合能力，有些结合能力，有些丧失丧失DNA

17、结合能力，有结合能力，有些不能直接结合些不能直接结合DNA的蛋白质可通过相互作的蛋白质可通过相互作用间接结合用间接结合DNA调节基因转录。调节基因转录。目目录录（三）三）RNA聚合酶聚合酶1.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聚合聚合酶活性酶活性RNA聚合酶与其的亲和力聚合酶与其的亲和力，影响转录。影响转录。2.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-蛋蛋白质相互作用影响白质相互作用影响RNA聚合酶活性。聚合酶活性。目目录录第第 三三

18、 节节 原核基因表达调节原核基因表达调节Regulation of Prokaryotic Gene Expression目目录录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目目录录InhibitorgenePZYZ启动子启动子结构基因结构基因1，2，3.O操纵基因PromoterOperator geneStructure gene调控区调控区结构基因结构基因操纵子操纵

19、子表达阻遏蛋白 结合RNA聚合酶聚合酶 结合阻遏蛋白蛋白表达功能蛋白功能蛋白?I阻遏物基因操纵子(operon)的结构与功能二、原核生物转录起始调节二、原核生物转录起始调节目目录录（一一）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目目录录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol有葡萄糖存在时有葡萄糖存在时1.1.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（二）乳糖操纵子的调节机制二）乳糖操纵子的调节机制

20、目目录录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白无葡萄糖存在时无葡萄糖存在时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目目录录+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的的正性调节正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP目目录录3.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，

21、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，细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。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)。目目录录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目目录录细菌优先利用细菌优先利用葡萄糖葡萄糖作为能源作为能源有葡萄糖：有葡萄糖：cAMPCAP无活性无活性不促进转录不促进转录无葡萄糖：无葡萄糖：cAMPCAP

22、有活性有活性促进转录促进转录目目录录乳糖操纵子调控方式的比较乳糖操纵子调控方式的比较负调控正调控调节蛋白 阻遏蛋白 CAP变构物 别乳糖，乳糖 cAMP与变构物结合 无活性 有活性基因位点 O基因 CAP位点结合于基因位点 基因关闭 基因开放目目录录三、原核生物转录终止调节三、原核生物转录终止调节（一一）大肠杆菌转录终止机制大肠杆菌转录终止机制1.不依赖不依赖因子的转录终止因子的转录终止（1）RNA单链内部接近终止区域有富含单链内部接近终止区域有富含G-C配对区，形成稳定的二级结构。配对区，形成稳定的二级结构。茎茎环环（stemloop）或或发夹发夹（hairpin）结构结构（2）在）在发夹结

23、构发夹结构的下游有的下游有polyU结构结构。目目录录2.依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止功功能能v识别结合识别结合富含富含C的的RNA链链vATPase活性活性v解螺旋酶活性解螺旋酶活性因子因子与新合成的与新合成的RNA单链单链polyC结合，促进转录产物从转录复合物中释结合，促进转录产物从转录复合物中释放出来，终止转录。放出来，终止转录。目目录录 转录终止也可在距转录起始点较近的位置转录终止也可在距转录起始点较近的位置(约约几百几百bp)发生，阻止下游基因的转录。这种过发生，阻止下游基因的转录。这种过早终止受一定机制控制。在大肠杆菌存在两种早终止受一定机制控制。在大肠杆菌存在两种终止调

24、节方式，一种为衰减终止调节方式，一种为衰减(attenuation)，另一，另一种为抗终止。前者导致种为抗终止。前者导致RNA链的过早终止，后链的过早终止，后者则阻止前者的发生，使下游基因得以表达。者则阻止前者的发生，使下游基因得以表达。（二）转录衰减（二）转录衰减目目录录四、原核生物翻译水平调节四、原核生物翻译水平调节（一一）蛋白质分子的自我调节蛋白质分子的自我调节 调节蛋白结合调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身抑制自身的合成，因而这种调节方式称

25、的合成，因而这种调节方式称自我控制自我控制(autogenouscontrol)。目目录录（二二）反义反义RNA对翻译的调节作用对翻译的调节作用 某些某些RNA分子也可调节基因表达，这种分子也可调节基因表达，这种RNA成为成为调节调节RNA。细菌中的反义细菌中的反义RNA含有与特定含有与特定mRNA翻译起翻译起始部位互补的序列，通过与始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断小亚杂交阻断小亚基对起始密码子的识别及与基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑序列的结合，抑制翻译起始。这种调节成为反义控制制翻译起始。这种调节成为反义控制(antisensecontrol)。目目录录第第 四四 节节

26、真核基因表达调节真核基因表达调节Regulation of Eukaryotic Gene Expression目目录录一、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%目目录录（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分子，经翻译生成一条多肽链。分子，经翻译生成一条多肽链。（三）重复序列三）重复序列单单

27、拷贝序列（一次或数次）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（103104次）次）多拷贝序列多拷贝序列目目录录 还有一种重复序列是由两个互补序列、在同还有一种重复序列是由两个互补序列、在同一一DNA链上反向排列而成，称为链上反向排列而成，称为反转重复序列反转重复序列(invertedrepeat)。卫星。卫星DNA(satelliteDNA),可可做为很好的遗传标记。做为很好的遗传标记。内含子（内含子（intron）与外显子（与外显子（exon）相相间排列间排列,因此真核基因是不连续的。因此真核基因是不连续的。（四）基因不连续性四）基因不连续

28、性目目录录二、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 细菌细菌的的RNA聚合酶识别的是聚合酶识别的是一段一段DNA顺序顺序，而而真核生物真核生物RNA聚合酶识别的不单是聚合酶识别的不单是DNA顺序，顺序，而是而是DNA-蛋白质复合物蛋白质复合物，即只有当一个或多个，即只有当一个或多个转录因子（转录因子（transcriptionfactor，TF）结合到结合到DNA上，形成有功能性的启动子时，才能被上，形成有功能性的启动子时，才能被RNA聚合酶分子识别、结合。聚合酶分子识别、结合。目目录录（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

29、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结合位点附近。白结合位点附近。2.DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均均以负性超螺旋构象存在；以负性超螺旋构象存在；负性超螺旋变成正性超螺旋，阻碍核小负性超螺旋变成正性超螺旋，阻碍核小体形成，组蛋白解聚。体形成，组蛋白解聚。目目录录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。目目录录4.组蛋白变化组蛋白变化使核小体结

30、构变松弛使核小体结构变松弛富含富含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目目录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

31、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FlyX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 目目录录（三三）正正性性调节占主导调节占主导1.采用正性采用正性调节调节机制更精确机制更精确2.采用采用负负性性调节调节不不经济经济目目录录（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、加工目目录录真核细胞真核细胞内含有多种内含有多种RNA聚合酶聚合酶真核真核RNA聚合酶有三种，即聚合酶有三种，即RNApolI、II及及III，分别负责三种，分别负责

32、三种RNA转录。转录。目目录录三、三、RNApol转录起始的调节转录起始的调节 RNApolII转录生成所有转录生成所有mRNA前前体及大部分体及大部分snRNA。真核生物基因表达在转录水平上的调控，真核生物基因表达在转录水平上的调控，是各级调控中最重要的一步，主要涉及是各级调控中最重要的一步，主要涉及RNA聚合酶，顺式作用元件聚合酶，顺式作用元件和和反式作用因子反式作用因子三种三种因素的相互作用。因素的相互作用。目目录录真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶转录的转录的基因结构与功能基因结构与功能其他调其他调控元件控元件增强子增强子或或沉默子沉默子CAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒结构基因结构基因

33、+1调节调节基因表达水平基因表达水平决定基因表达的决定基因表达的时空特异性等。时空特异性等。激素，金属离子，激素，金属离子，小分子化合物等小分子化合物等反应元件。反应元件。决定基因决定基因表达的基表达的基础水平础水平与与RNApolyII结合，决定转录结合，决定转录起始点的精确定位起始点的精确定位使转录使转录增强增强或或减弱减弱维持维持基本基本的表达水平的表达水平目目录录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，至至少少包包括括一一个个转转录录起起始始点点以及一个以上以及一个以上的的功能组件功能组件。TATA

34、盒盒GC盒盒CAAT盒盒确保转录精确而有效地起始的确保转录精确而有效地起始的DNA序列序列（一）顺式作用元件一）顺式作用元件目目录录 能增强启动子活性的能增强启动子活性的DNA序列序列。特点：特点：1.能能远距离远距离增强启动子的活性；增强启动子的活性；2.在启动子的上游和下游均起作用；在启动子的上游和下游均起作用；3.无无方向性；方向性；4.对启动子的影响对启动子的影响无无严格的专一性。严格的专一性。作用机理：作用机理：目前已知目前已知增强子增强子与蛋白质与蛋白质因子结合后能改变因子结合后能改变染色质的结构染色质的结构。含义：含义：2.增强子增强子(enhancer)目目录录3.沉默子沉默子

35、(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。作用。目目录录（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(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)转录的类别。转录的类别。目目录录特异转录因子特异转录因子(specialtranscriptionf

36、actors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定该基因的时间、空间特异性表达。该基因的时间、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目目录录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目目录录最最常见的常见的DNA结合域结合域1.锌指锌指(zincfinger)CCysHHis常常结合结合GC盒盒目目录录ZnCysHis目目录录 锌指的锌指的N-端端部分形成部分形成折叠折叠结构，结

37、构，C-端端部分形成部分形成螺旋螺旋结构。结构。每个每个螺旋有两处识别特异的螺旋有两处识别特异的DNA序列；序列；3个个螺旋结构与一个螺旋结构与一个DNA双螺旋的深沟（双螺旋的深沟（majorgroove）结合，调控结合，调控RNA的转录。的转录。目目录录N NC C锌指N NC C目目录录 2.螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋（helix-turn-helix，HTH）HTH的基本结构基本结构含有两个螺旋,螺旋之间有一个转角,约有60个氨基酸。其中一个螺旋(羧基端)识别识别特异的顺式作用元件上的DNA序列，另一个螺旋(氨基端)则结合结合在DNA上，调控基因的转录。目目录录3.亮氨酸拉链（Leu

38、zipper）亮氨酸拉链亮氨酸拉链是蛋白质二聚体化是蛋白质二聚体化(蛋蛋白质相互作用的一种方式白质相互作用的一种方式)的一种结构的一种结构基础。基础。某些癌基因某些癌基因(如如c-jun，v-jun，c-fos，v-fos等等)表达产物通过表达产物通过亮氨酸拉链亮氨酸拉链形成同源或异源二聚体，大大增加对形成同源或异源二聚体，大大增加对DNA的结合能力，调控基因表达。的结合能力，调控基因表达。目目录录 在亮氨酸拉链近在亮氨酸拉链近N-端有富含端有富含碱性碱性(带正电荷带正电荷)氨基酸残基的区域，是氨基酸残基的区域，是DNA的结合区的结合区。亮氨酸拉链亮氨酸拉链是一个高亮氨酸组成的螺旋，每两个螺圈

39、出现一个亮氨酸，形成拉链的一边。两个蛋白质因子的螺旋通过亮氨酸亮氨酸的疏水作用结合在一起形成拉链结构拉链结构目目录录 亮氨酸拉链目目录录（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，形成在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物的转录起始复合物TATADNATBP相关因子相关因子目目录录五、五、RNAPolII转录终止的调节机制转录终止的调节机制尚不清楚尚不清楚（一）（一）HIV基因组转录终止调节基因组转录终止调节（二）热休克蛋白基因的转录终止调节（二）热休克蛋白基因的转录终止调节病病毒毒蛋蛋白白

40、Tat与与转转录录产产物物5端端特特异异RNA序序列列结结合合，并并与与宿宿主主蛋蛋白白质质、RNAPolII相相互互作作用用，阻阻止止HIV基因组转录的提早终止。基因组转录的提早终止。在在应应激激条条件件下下暂暂时时性性停停止止大大多多数数基基因因的的转转录录和和翻翻译译，启启动动一一套套能能够够提提高高细细胞胞生生存存能能力力的的蛋蛋白白质即热休克蛋白质即热休克蛋白(heatshockprotein)的表达。的表达。目目录录六、转录后水平的调节也是六、转录后水平的调节也是基因表达调控的重要环节基因表达调控的重要环节（一）（一）hnRNA加工成熟的调节加工成熟的调节（二）（二）mRNA运输、

41、胞浆内稳定性的调节运输、胞浆内稳定性的调节加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。基修饰和编辑等。通过与蛋白质结合形成通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物核蛋白体复合物(ribonucleoprotein,RNP)进行。进行。目目录录运铁蛋白受体(transferrin receptor TfR)通过延长mRNA的寿命进行基因表达调控目目录录七、基因表达在翻译水平以及翻译七、基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节后阶段仍然可以受到调节（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行酸化修饰进行蛋白质合成

42、速率的快速变化在很大程度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上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（始因子（eukaryoticinitiationfactor,eIF）的活性对起始阶段有重要的控制作用。的活性对起始阶段有重要的控制作用。目目录录（二）（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节结合蛋白参与了对翻译起始的调节RNA结合蛋白（结合蛋白（RNAbindingprotein,RBP），），是指那些能够与是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。特异序列结合的蛋白质。基因表达的许多调节环节都有基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如的参与，如前

43、述转录终止、前述转录终止、RNA剪接、剪接、RNA转运、转运、RNA胞胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。浆内稳定性控制以及翻译起始等。目目录录（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达调控基因表达新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素学功能的重要影响因素。因此，通过对新生肽。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具许多

44、蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性有功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。能的作用，是基因表达的快速调节方式。目目录录是一大家族小分子非编码单链是一大家族小分子非编码单链RNA，长度，长度约约2025个碱基，由一段具有发夹环结构，长个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为度为7090个碱基的单链个碱基的单链RNA前体前体(pre-miRNA)经经Dicer酶剪切后形成。酶剪切后形成。（四）小分子（四）小分子RNA对基因表达的调节十分复杂对基因

45、表达的调节十分复杂1微小微小RNA(microRNA,miRNA)目目录录其长度一般为其长度一般为2025个碱基；个碱基；在不同生物体中普遍存在；在不同生物体中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；miRNA基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。nmiRNA的特点：的特点：目目录录是是细细胞胞内内一一类类双双链链RNA(double-stranded RNA，dsRN

46、A)在在特特定定情情况况下下通通过过一一定定酶酶切切机机制制，转转变变为为具具有有特特定定长长度度(2123个个碱碱基基)和和特特定定序序列列的的小小片片段段RNA。双双链链siRNA参参与与RISC组组成成，与与特特异异的的靶靶mRNA完完全互补结合，导致靶全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。降解，阻断翻译过程。由由siRNA介介导导的的基基因因表表达达抑抑制制作作用用被被称称为为RNA干干涉涉(RNAinterference，RNAi)。2小干扰小干扰RNA(smallinterferingRNA,siRNA)目目录录 30bp 双链双链RNA（dsRNA）水解生成水解生成21-

47、23nt siRNA 5335 RISC形成形成 识别特异序列识别特异序列并使其降解并使其降解RNA干扰干扰作用机制作用机制目目录录siRNAmiRNA前体前体内源或外源长双链内源或外源长双链RNA诱导诱导产生产生内源发夹环结构的转录产物内源发夹环结构的转录产物结构结构双链分子双链分子单链分子单链分子功能功能降解降解mRNA阻遏其翻译阻遏其翻译靶靶mRNA结合结合需完全互补需完全互补不需完全互补不需完全互补生物学效应生物学效应抑制转座子活性和病毒感染抑制转座子活性和病毒感染发育过程的调节发育过程的调节siRNA和和miRNA的差异比较的差异比较目目录录基基本本概概念念:基基因因表表达达调调控控

48、,基基因因,cDNA,基基因因组组,基基因因表表达达,管管家家基基因因,诱诱导导表表达达,操操纵纵子子,顺顺式式作作用用原原件件,反反式式作作用用因因子子,转转录录因因子子,启启动动子子,核核心心元元件件,上上游游控控制制元元件件,P蛋蛋白白增增强强子子,沉沉默默子子,基基本本转转录录因因子子,特特异异转转录录因子因子,微小微小RNA。小结小结郛糖操纵子模型郛糖操纵子模型(负性调节及正怀调节负性调节及正怀调节)原核生物原核生物真核生物真核生物 顺式作用原件顺式作用原件(启动子启动子,增强子增强子,沉默子沉默子)反式作用因子反式作用因子(转录调节因子包括基本转录调节因子包括基本转因子和特异转录因

49、子转因子和特异转录因子)目目录录Gene,genome,complementaryDNA,geneexpression,regulation,temporal specificity,spatial specificity,housekeepinggene,induction,repression,amplification,rearrangement,methylation,operon,promoter,cis-acting element,CAP(catabolite geneactivation protein),transcription factor,trans-actingfactor,enhancer,英文单词英文单词目目录录1以以乳乳糖糖操操纵纵子子模模式式说说明明原原核核生生物物基基因因转转录录的负性调节及正性调节的负性调节及正性调节2试述真核基因表达调节特点试述真核基因表达调节特点3.比较原核与真核生物基因转录调节比较原核与真核生物基因转录调节思考题思考题