基因表达调控08级课件.pptx

1、 主要内容主要内容 一、一、二、二、三、三、四、四、目的要求目的要求 1.。.第第 一一 节节基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念Basic Conceptions of Gene Expression Regulation 基因表达、管家基因的概念。基因表达、管家基因的概念。基因及基因组的概念；基因及基因组的概念；基因表达的时间、空间特异性；基因表达的时间、空间特异性；基因表达的方式：基本表达、诱导基因表达的方式：基本表达、诱导和阻遏、协调表达。和阻遏、协调表达。是携带特定遗传信息的是携带特定遗传信息的DNA片断片断，其，其结构组成有：结构组成有：DNA编码序列编码序列、非编码调节序

2、列非编码调节序列和和内含子内含子。基因是生物遗传的基本单位，也就基因是生物遗传的基本单位，也就是编码是编码一种一种RNA,进而编码一种多肽的信息单位进而编码一种多肽的信息单位。由由mRNA反转录生成的反转录生成的cDNA也习惯上也称也习惯上也称为为“基因基因”，但不含有基因转录的调控序列，但不含有基因转录的调控序列，只含翻译调控和多肽链编码序列。只含翻译调控和多肽链编码序列。基因组是指一个细胞或病毒所携带的全部基因组是指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。遗传信息或整套基因。原核生物和噬菌体的基因组是其单个环状原核生物和噬菌体的基因组是其单个环状染色体所含的全部基因；真核生物基因组是

3、指染色体所含的全部基因；真核生物基因组是指一个生物体的染色体所包含的全部一个生物体的染色体所包含的全部DNA，称为，称为染色体基因组。染色体基因组。不同生物的基因组含有不同数量的基因。细不同生物的基因组含有不同数量的基因。细菌基因组约含菌基因组约含4000个基因，人类基因组约个基因，人类基因组约3万万4万万个基因。所有基因并非同时表达，而是在某一特个基因。所有基因并非同时表达，而是在某一特定时期或生长阶段，只有一小部分基因处于表达定时期或生长阶段，只有一小部分基因处于表达状态，大部分基因不表达。状态，大部分基因不表达。是基因转录及翻译从而生成具有生物学功能产是基因转录及翻译从而生成具有生物学功

4、能产物的过程。物的过程。大多数基因经过激活、转录、翻译，产大多数基因经过激活、转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，使细胞或个生具有特异生物学功能的蛋白质分子，使细胞或个体具有一定的功能或形态表型。体具有一定的功能或形态表型。例如：例如：大肠杆菌通常只有大肠杆菌通常只有5%的基因高表达，其余不的基因高表达，其余不表达或低表达。表达或低表达。平时与细菌蛋白质生物合成有关的延长因子平时与细菌蛋白质生物合成有关的延长因子编码基因表达活跃，而与编码基因表达活跃，而与DNA损伤修复有关的酶损伤修复有关的酶分子编码基因很少表达；分子编码基因很少表达；当紫外线照射引起当紫外线照射引起DNA损伤时，

5、修复酶编码基损伤时，修复酶编码基因表达活跃。因表达活跃。说明说明基因表达是在一定调控机制下进行基因表达是在一定调控机制下进行。生。生物体随时调整不同基因的表达状态，适应环境，物体随时调整不同基因的表达状态，适应环境，维持生长。维持生长。所有生物基因表达都表现严格的时间和空间特异性所有生物基因表达都表现严格的时间和空间特异性多细胞生物在组织器官形成的各个不同发育阶段多细胞生物在组织器官形成的各个不同发育阶段相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。这种基因表达的时间分化、发育阶段一致的时间性。这种基因表达的时间特异性又

6、称特异性又称阶段特异性阶段特异性(stage specificity)按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称为基因表达的时间顺序发生，称为基因表达的时间特异性时间特异性(temporal specificity)。如细菌、病毒、噬菌体感染宿主后。如细菌、病毒、噬菌体感染宿主后 ，随，随感染阶段发展，生长环境变化，有些基因开放，有些感染阶段发展，生长环境变化，有些基因开放，有些基因关闭。如基因关闭。如AFPAFP基因基因-胎儿肝胎儿肝C-C-成人肝成人肝C-C-肝癌肝肝癌肝C C。在个体生长、发育的全过程中，某种基因产物在在个体生长、

7、发育的全过程中，某种基因产物在个体的不同组织器官表达不一致，即个体的不同组织器官表达不一致，即按不同组织空间按不同组织空间顺序出现，称为基因表达的空间特异性顺序出现，称为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。如编码胰岛素的基因只在胰岛的。如编码胰岛素的基因只在胰岛的细胞中细胞中表达；肌浆蛋白基因在肌原细胞中高表达，而在成纤表达；肌浆蛋白基因在肌原细胞中高表达，而在成纤维细胞中几乎不表达。维细胞中几乎不表达。基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞所在器官的分布决定的，所以基因表实际上是由细胞所在器官的分布决

8、定的，所以基因表达的空间特异性又称为达的空间特异性又称为细胞特异性或组织特异性细胞特异性或组织特异性(cell or tissue specificity)。三、基因表达的方式及调节存在很大差异三、基因表达的方式及调节存在很大差异 由于不同的基因对内、外环境信号刺激的反应由于不同的基因对内、外环境信号刺激的反应不同，按对刺激的反应性，基因表达的方式分为不同，按对刺激的反应性，基因表达的方式分为基本基本表达表达和和诱导阻遏表达诱导阻遏表达。（一）基本表达（一）基本表达有些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持有些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续 表 达，这 类 基 因 通 常 被 称 为 管

9、 家 基 因续 表 达，这 类 基 因 通 常 被 称 为 管 家 基 因(housekeeping gene)如：三羧循环途径中所有酶的如：三羧循环途径中所有酶的编码基因编码基因。管家基因的管家基因的表达水平表达水平较少受环境因素的影较少受环境因素的影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎响，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。这类基因全部组织中持续表达，或变化很小。这类基因表 达 被 称表 达 被 称 为为 基 本 表 达 或 组 成 性 基 因 表 达基 本 表 达 或 组 成 性 基 因 表 达(constitutive gene expression

10、)。基本表达的调节特点是：基本表达的调节特点是：只受启动序列或只受启动序列或启动子与启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，不受其聚合酶相互作用的影响，不受其他机制调节。他机制调节。（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏1.1.诱导：诱导：在特定环境信号刺激下，相应的基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，这种基因称为可因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导称为诱导(induction)。如：。如：DNA损伤时，修复酶损伤时

11、，修复酶基因被激活，修复酶被诱导增加。基因被激活，修复酶被诱导增加。表现为随着环境信号的变化其表达增强或降低。表现为随着环境信号的变化其表达增强或降低。2.阻遏：阻遏：如果基因对环境信号应答时被抑制，如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是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可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏平降低的过程称为阻遏(repression)。如：当细菌。如：当细菌培养基中色氨酸供应充足时，细菌体内与色氨酸培养基中色氨酸供应充足时，细菌体内与色氨酸合成有关的酶编码基因表达被抑制。合成有关的酶编码基因表达被抑制。可诱导或可阻遏基因既受启动子可诱导或可阻遏基因既受

12、启动子或启动序列与或启动序列与RNA聚合酶相互作用影响，又受其聚合酶相互作用影响，又受其他机制调节。因其调控机制中通常含有特异刺激他机制调节。因其调控机制中通常含有特异刺激的反应元件。的反应元件。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、共同表达，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达即为协调表达(coordinate expression)。（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 例如：体内每条代谢途径中所需要的多种酶和例如：体内每条代谢途径中所需要的多种酶

13、和转运作用物的多种蛋白质的编码基因被统一调节，转运作用物的多种蛋白质的编码基因被统一调节，使它们的分子比例适当，以保证代谢的正常进行。使它们的分子比例适当，以保证代谢的正常进行。这种调节称为协调调节这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。协调表达协调表达协调调节协调调节（一）适应环境、维持生长和增殖（一）适应环境、维持生长和增殖 生物体对不断变化的内、外环境的适应能力，生物体对不断变化的内、外环境的适应能力，与某些蛋白质分子功能有关，而某些功能蛋白质与某些蛋白质分子功能有关，而某些功能蛋白质的多少又取决于编码这些蛋白质分子的基因表达。的多少又取决于编码这些蛋白质分子

14、的基因表达。通过一定的程序调控基因表达，可使生物体表达通过一定的程序调控基因表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，从而适应环境，维持生长出合适的蛋白质分子，从而适应环境，维持生长和繁殖。和繁殖。在多细胞生物个体生长、发育的不同阶段，在多细胞生物个体生长、发育的不同阶段，需要不同种类和数量的蛋白质。同一生长发育阶需要不同种类和数量的蛋白质。同一生长发育阶段，不同组织、器官内蛋白质分子的分布也有很段，不同组织、器官内蛋白质分子的分布也有很大差异，这是由基因表达调控所决定的。大差异，这是由基因表达调控所决定的。（二）维持个体发育与分化（二）维持个体发育与分化 高等动物各组织、器官的发育、分化都是由

15、高等动物各组织、器官的发育、分化都是由一些特定基因控制的，当某种基因缺陷或表达异一些特定基因控制的，当某种基因缺陷或表达异常时，出现相应组织器官发育异常。常时，出现相应组织器官发育异常。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Basic Principles of Gene Expression Regulation 基因表达调控最重要的环节是转录起始水基因表达调控最重要的环节是转录起始水平的调控；平的调控；反式作用因子与顺式作用元件的概念；反式作用因子与顺式作用元件的概念；基因转录激活调节的基本要素；特异基因转录激活调节的基本要素；特异DNA序列的概念；操纵子的组成；启

16、动序列和序列的概念；操纵子的组成；启动序列和操纵序列的作用。操纵序列的作用。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基因表达的基本控制点基因表达的基本控制点 基因表达产物是蛋白质，从基因表达产物是蛋白质，从DNA到蛋白质的遗传到蛋白质的遗传信息传递过程要经过多个层次，每个层次都具有调控信息传递过程要经过多个层次，每个层次都具有调控作用，称为作用，称为基因表达的多级调控基因

17、表达的多级调控：基因表达调控是在遗传信息基因表达调控是在遗传信息传递的各个水平上进行传递的各个水平上进行多多级调控。其中级调控。其中最重要的是转最重要的是转录起始水平的调控录起始水平的调控（一）（一）特异特异DNA序列决定基因的转录活性序列决定基因的转录活性二、二、基因转录激活受到转录调节蛋白基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节与启动子相互作用的调节 与基因表达调节有关的因素包括：与基因表达调节有关的因素包括：基因基因的结构、的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外性质，生物个体或细胞所处的内、外环境环境，以及细，以及细胞内所存在的转录胞内所存在的转录调节蛋白调节蛋白，其中与转录

18、激活调节，其中与转录激活调节有关的要素有以下几个方面：有关的要素有以下几个方面：特异特异DNA序列主要是指具有调节功能的序列主要是指具有调节功能的DNA序序列，列，它与基因特异的表达方式有关。它与基因特异的表达方式有关。1.原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控大多数基因表达调控是通过大多数基因表达调控是通过操纵子操纵子机制实现的。机制实现的。操纵子（操纵子（operon）组成）组成在基因组中成簇串在基因组中成簇串联排列。联排列。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

19、序列其他调节序列(promoter)(operator)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。通常含有一。通常含有一些相似性序列，称为共有序列些相似性序列，称为共有序列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(Pribnow box)共有序列共有序列(consensus sequen

20、ce)中的任中的任一碱基突变或变异，都会影响一碱基突变或变异，都会影响RNA聚合聚合酶与启动序列结合及转录起始。所以酶与启动序列结合及转录起始。所以共有共有序列决定序列决定启动序列的转录活性大小。启动序列的转录活性大小。(2)编码序列：编码蛋白质的编码序列：编码蛋白质的DNA序列序列结构基因。结构基因。阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点当当阻遏蛋白阻遏蛋白与操纵序列结合时，会阻碍与操纵序列结合时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能聚合酶不能沿沿DNA向前移动向前移动，阻碍转录。导致负性调节。，阻碍转录。导致负性调节。启动

21、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(4)其他调节序列其他调节序列例如例如:激活蛋白激活蛋白(activator)可结合启动序列可结合启动序列邻近的邻近的DNA序列序列，促进，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。导致正性调节。聚合酶活性。导致正性调节。2.真核生物基因表达调控：真核生物基因表达调控：可结合激活蛋白的特异可结合激活蛋白的特异DNA序列序列 绝大多数真核基因的调控机制普遍涉及编码绝大多数真核基因的调控机制普遍涉及编码基因两侧的基因两侧的DNA序列序列顺式作用元件顺式作用元件。真核生物真核生物1、(cis-

22、acting element)RNA聚合酶聚合酶BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点mRNARNA聚合酶聚合酶BADNA转录起始点转录起始点mRNA图图13-2 顺式作用元件顺式作用元件A.B序列是调节该基因转录活性的顺式作用元件序列是调节该基因转录活性的顺式作用元件顺式作用元件的特点及种类顺式作用元件的特点及种类 不同基因具有各自不同的顺式作用元件；同基因具有各自不同的顺式作用元件；在在不同真核生物的顺式作用元件中也常发现一不同真核生物的顺式作用元件中也常发现一些共有序列些共有序列，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等；盒等；这些共有序列就是顺式作用元件的核心序列，这些共有序列就是顺

23、式作用元件的核心序列，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。顺式作用元件根据在基因中的位置、激活作用顺式作用元件根据在基因中的位置、激活作用性质及作用方式分为性质及作用方式分为启动子启动子、增强子增强子和和沉默子沉默子等。等。TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列 1.原核基因调节蛋白原核基因调节蛋白：分为三类：分为三类：特异因子特异因子、阻遏蛋白阻遏蛋白和和激活蛋白激活蛋白，都是，都是DNA结合蛋白。结合蛋白。(

24、1)特异因子特异因子：是决定是决定RNA聚合酶对一个或一聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力的蛋白因子。套启动序列的特异性识别和结合能力的蛋白因子。(2)阻遏蛋白（阻遏蛋白（repressors）：可识别、结合特可识别、结合特异异DNA序列序列操纵序列，抑制基因转录。介导负操纵序列，抑制基因转录。介导负性调节性调节 (3)激活蛋白激活蛋白(activator)：可结合启动序列可结合启动序列邻近的邻近的DNA序列，促进序列，促进RNA聚合酶与启动序聚合酶与启动序列的结合，增强列的结合，增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。如：如：分解代谢物基因激活蛋白分解代谢物基因激活蛋白(catabo

25、lite gene activator protein,ACP)典型的激活蛋白。典型的激活蛋白。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聚聚合酶很少或完全不能结合启动序列，基因不能合酶很少或完全不能结合启动序列，基因不能转录。转录。2.2.真核基因调节蛋白真核基因调节蛋白:又叫转录调节因子或转录因子。又叫转录调节因子或转录因子。由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与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，反式另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，反式激活另一基因的转录，故称反式作用蛋白或反式激活另一基因的转录，故称反式作用蛋白或反式

26、作用因子。作用因子。(1)(1)反式作用因子反式作用因子多数是多数是DNA结合蛋白。这种调结合蛋白。这种调节作用称为节作用称为反式作用反式作用。(2)顺式作用因子顺式作用因子：有些：有些蛋白质因子蛋白质因子可特异识可特异识别、结合别、结合自身基因自身基因的调节序列的调节序列，调节自身基因的调节自身基因的表达，称表达，称顺式作用顺式作用，这些蛋白质因子称为顺式作，这些蛋白质因子称为顺式作用因子。用因子。(3)蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用：有些调节蛋白蛋白质相互作用：有些调节蛋白不能直接结合不能直接结合DNA，通过蛋白质，通过蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用调节转录。调节转录。cDNAaDNA

27、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图图13-3 反式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白1.DNA-蛋白质相互作用：蛋白质相互作用：是指反式作用因子与顺式作用元件之间的特是指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。常呈对称、或不完全对称结构。当调节蛋白进入当调节蛋白进入DNA大沟或小沟时，通过调节大沟或小沟时，通过调节蛋白的某些氨基酸残基侧链与蛋白的某些氨基酸残基侧链与DNA中的某些碱基中的某些碱基相互联系，形成相

28、互联系，形成DNA-蛋白质复合物。蛋白质复合物。(三三)转录调节蛋白通过与转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质或与蛋白质 相互作用对转录起始进行调节相互作用对转录起始进行调节2.蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用：蛋白质相互作用：绝大多数调节蛋白质结合绝大多数调节蛋白质结合DNA前，先通过蛋白前，先通过蛋白质质-蛋白质相互作用，形成蛋白质相互作用，形成二聚体二聚体(dimer)或或多聚体多聚体(polymer)。最常见的是二聚体，是由两个蛋白质分子单体最常见的是二聚体，是由两个蛋白质分子单体通过一定结构域结合而成。通过一定结构域结合而成。与与DNA结合的能力异二聚体强于同二聚体。结合的能力异二聚体强于

29、同二聚体。由于调节蛋白的结构不同，有时形成二聚体后由于调节蛋白的结构不同，有时形成二聚体后会丧失结合会丧失结合DNA的能力。的能力。也有一些蛋白质，不是通过二聚化或多聚化，也有一些蛋白质，不是通过二聚化或多聚化，而是通过蛋白质而是通过蛋白质-蛋白质相互作用间接结合蛋白质相互作用间接结合DNA，调，调节基因转录。节基因转录。启动序列或启动子是由转录起始点、启动序列或启动子是由转录起始点、RNA聚合聚合酶结合位点及转录调节组件构成。酶结合位点及转录调节组件构成。启动序列或启动子的核苷酸序列会影响其与启动序列或启动子的核苷酸序列会影响其与RNA聚合酶的亲和力，影响转录起始。聚合酶的亲和力，影响转录起

30、始。如：如：E.coli的有些基因每秒转录一次，而有些的有些基因每秒转录一次，而有些基因的转录在一代细胞中可能还不到一次。这种基因的转录在一代细胞中可能还不到一次。这种差异就是因为启动序列不同所致。差异就是因为启动序列不同所致。影响影响RNA聚合酶活性的主要因素是启动序列聚合酶活性的主要因素是启动序列/启动启动子结构及调节蛋白性质。子结构及调节蛋白性质。启动序列启动序列/启动子与启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性 如果如果E.coli的启动序列的启动序列10区和区和35区共有区共有序列序列TATAAT和和TTGACA被置换为非共有序列，被置换为非共有序列，转录活性会降低；启动序列的非共有序列换

31、成共转录活性会降低；启动序列的非共有序列换成共有序列，转录活性会增加。因此，有序列，转录活性会增加。因此，RNA聚合酶活聚合酶活性与启动序列或启动子有关。性与启动序列或启动子有关。在真核细胞，在真核细胞，RNA聚合酶必须先与基本转录聚合酶必须先与基本转录因子结合成复合物才能与启动子结合，因子结合成复合物才能与启动子结合，RNA聚合聚合酶单独存在时与启动子亲和力很低。故酶单独存在时与启动子亲和力很低。故真核细胞真核细胞RNA聚合酶活性与启动子和转录调节因子二者有聚合酶活性与启动子和转录调节因子二者有关。关。调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性 一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下被一些

32、特异调节蛋白在适当环境信号刺激下被表达，然后通过表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质相蛋白质相互作用影响互作用影响RNA聚合酶活性，改变表达水平。聚合酶活性，改变表达水平。诱导剂、阻遏剂等小分子信号可引起调节诱导剂、阻遏剂等小分子信号可引起调节蛋白分子构象改变，再经蛋白分子构象改变，再经DNA-蛋白质或蛋白质蛋白质或蛋白质-蛋白质相互作用，调节蛋白质相互作用，调节RNA聚合酶转录活性。聚合酶转录活性。热休克蛋白反应时，细菌热休克蛋白反应时，细菌RNA聚合聚合酶全酶中通常的酶全酶中通常的70被被32取代，使取代，使RNA聚合酶改变了对常规启动序列的识别而聚合酶改变了对常规启

33、动序列的识别而结合另一套启动序列，启动另一套基因结合另一套启动序列，启动另一套基因表达。这是因为原核特异因子表达。这是因为原核特异因子改变了改变了RNA聚合酶识别启动序列的特异性。聚合酶识别启动序列的特异性。第第 三三 节节 原核基因表达调节原核基因表达调节Regulation of Prokaryotic Gene Transcription n原核基因转录调节的特点。（标题）原核基因转录调节的特点。（标题）n操纵子操纵子(operon)的概念；的概念；n乳糖操纵子的结构及调节机制。（详细）乳糖操纵子的结构及调节机制。（详细）调节的主要环节在转录起始调节的主要环节在转录起始一、原核基因转录调

34、节特点一、原核基因转录调节特点 原核生物原核生物RNA聚合酶只有一种，转录起始需聚合酶只有一种，转录起始需要全酶。转录起始时，由要全酶。转录起始时，由 因子识别起始序列，不因子识别起始序列，不同的同的 因子决定不同特异基因的转录，从而决定三因子决定不同特异基因的转录，从而决定三种种RNARNA的转录的转录。（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 原核生物绝大多数功能相关的基因成簇串连原核生物绝大多数功能相关的基因成簇串连在一起，共同组成一个转录单位在一起，共同组成一个转录单位操纵子操纵子。如。如乳糖操纵子，色氨酸操纵子等。乳糖操纵子，色氨酸操纵子等。在原核基因的调控

35、中普遍存在操纵子机制。在原核基因的调控中普遍存在操纵子机制。在一个操纵子中，只有一个启动序列，同时在一个操纵子中，只有一个启动序列，同时有多个可转录的编码基因，都受同一启动序列调有多个可转录的编码基因，都受同一启动序列调控，产生协调表达，转录出多顺反子控，产生协调表达，转录出多顺反子mRNA。（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节 在原核操纵子调控机制中，特异阻遏蛋白是在原核操纵子调控机制中，特异阻遏蛋白是调控启动序列的重要因素。调控启动序列的重要因素。当阻遏蛋白与操纵序列结合时，特异基因受当阻遏蛋白与操纵序

36、列结合时，特异基因受阻遏而关闭；阻遏而关闭；当阻遏蛋白脱离启动序列时，特异基因去阻当阻遏蛋白脱离启动序列时，特异基因去阻遏而开放表达。遏而开放表达。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ZYAOPDNAI调节基因调节基因二二.原核生物转录起始调节原核生物转录起始调节 （重点）（重点）原核生物的基因表达调控中，普遍存在操纵子调控原核生物的基因表达调控中，普遍存在操纵子调控机制，以乳糖操纵子为例介绍原核生物操纵子调控模型机制，以乳糖操纵子为例介绍原核生物操纵子调控模型（一）乳糖操纵子（

37、一）乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构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-半乳糖苷酶半乳糖苷酶通透通透酶酶乙酰基乙酰基转移酶转移酶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半乳糖是真正的诱导剂。半乳糖是真正的诱导剂。+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

38、低时2.CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP CAP分子内有分子内有DNA结合区和结合区和cAMP结合位点。结合位点。3.3.协调调节协调调节 (1)当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不对该系统不能发挥作用；能发挥作用；(2)如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。序列结合，操纵子仍无转录活性。阻遏蛋白负性调节与阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制相正性调节两种机制相互协调，相互制约，共同调节基因表达。互协调，相互制约，共同调节基因表达。是指阻遏蛋白负性调节与是指阻

39、遏蛋白负性调节与CAP正性调节的协正性调节的协调作用。调作用。葡萄糖对乳糖操纵子的阻遏作用葡萄糖对乳糖操纵子的阻遏作用 单纯有乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯有乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。用葡萄糖。原因：葡萄糖存在时，葡萄糖通过降低原因：葡萄糖存在时，葡萄糖通过降低cAMP浓度，浓度，阻碍阻碍cAMP与与CAP结合，抑制乳糖操纵子转录，不能结合，抑制乳糖操纵子转录，不能生成生成-半乳糖苷酶，细菌不能利用乳糖，只能利用半乳糖苷酶，细菌不能利用乳糖，只能利用葡萄糖葡萄糖。葡萄糖对乳糖操纵子的阻遏

40、作用称为葡萄糖对乳糖操纵子的阻遏作用称为分解代谢阻遏。分解代谢阻遏。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乳糖操纵子的强诱导作用需要有乳糖而无葡萄糖。乳糖操纵子的强诱导作用需要有乳糖而无葡萄糖。三、原核生物转录终止调节机制三、原核生物转录终止调节机制（了解）（了解）（一一）不依赖）不依赖RhoRho因子的转录终止因子的转录终止（二）依赖（二）依赖RhoRho因子的转录终止因子的转录终止常见于噬菌体中，结构特点不清楚。常见于噬菌体中，结构特点不清楚。两段富含两段富含GC的反向重复序列，中

41、间间隔若干的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸。核苷酸。下游含一系列下游含一系列T序列。序列。这种结构使转录生成的这种结构使转录生成的RNA分子形成发夹结构及分子形成发夹结构及下游的多个下游的多个U序列，使转录终止。序列，使转录终止。是依赖模板是依赖模板DNA上的上的终止子，其序列结构特点：终止子，其序列结构特点：E.coli转录终止的调节有两种方式：转录终止的调节有两种方式：一种是转录衰减，通过衰减子在距离转一种是转录衰减，通过衰减子在距离转录起始点较近的位置过早终止转录，使录起始点较近的位置过早终止转录，使下游基因不能被转录。另一种为抗终止，下游基因不能被转录。另一种为抗终止，阻止转录衰减发

42、生，使下游基因得以转阻止转录衰减发生，使下游基因得以转录。录。四四.原核生物在翻译水平的调节原核生物在翻译水平的调节（了解）（了解）翻译水平的调节一般也是发生在起始和终止阶段，翻译水平的调节一般也是发生在起始和终止阶段，尤其是起始阶段。调节翻译起始的物质称为尤其是起始阶段。调节翻译起始的物质称为调节分子调节分子，调节分子可以是调节分子可以是，也可以是，也可以是。它们可以直。它们可以直接或间接地接或间接地影响翻译起始。影响翻译起始。调节蛋白一般结合于自身调节蛋白一般结合于自身mRNA靶位点，阻止靶位点，阻止核糖体识别翻译起始区，从而阻断调节蛋白自身的核糖体识别翻译起始区，从而阻断调节蛋白自身的合

43、成，故称合成，故称自我调控自我调控。（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围（一）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进行自我调节 （二）反义（二）反义RNA结合结合mRNA翻译起始部位的翻译起始部位的 互补序列对翻译进行调节互补序列对翻译进行调节 有些有些RNA分子能调节基因表达，被称为分子能调节基因表达，被称为调节调节RNA。细菌中有种调节细菌中有种调节RNA，。反义反义RNA含有与特定含有与特定mRNA翻译起始部位互补的翻译起始部位互补的碱基序列，可与碱基序列，可与mRNA发生杂交，阻断核糖体小发生杂交，阻断核糖体小亚基对亚基对mRNA起始密码子的识别以及与起始密码子的

44、识别以及与SD序列的序列的结合，抑制翻译起始，故称结合，抑制翻译起始，故称反义控制反义控制(antisense control)。第第 四四 节节 真核基因表达调节真核基因表达调节Regulation of Eukaryotic Gene Transcription n真核基因表达调控的特点。（大小标题）真核基因表达调控的特点。（大小标题）n真核基因顺式作用元件的功能组件及其作用。真核基因顺式作用元件的功能组件及其作用。n启动子启动子(promoter)、增强子、增强子(enhancer)、沉默子、沉默子(silencer)的英文单词及概念。的英文单词及概念。特异转录因子的概念。特异转录因子的

45、概念。一、真核基因组具有独特的结构特点一、真核基因组具有独特的结构特点 哺乳动物基因组哺乳动物基因组DNA 约由约由 3 10 9 碱基对组成。碱基对组成。人类基因组人类基因组约约 有有 3万万4万个基因，编码序列仅占总万个基因，编码序列仅占总全长的全长的1%。其中重复基因其中重复基因约占约占5%10%。其余其余80%90%的基因组没有编码功能。的基因组没有编码功能。真核细胞真核细胞DNA与组蛋白结合形成复杂的染色体，使与组蛋白结合形成复杂的染色体，使基因表达调控更加复杂。基因表达调控更加复杂。（一）真核基因组结构庞大（一）真核基因组结构庞大（二）真核基因转录产物为单顺反子（二）真核基因转录产

46、物为单顺反子 多种真核蛋白质由几条不同肽链多种真核蛋白质由几条不同肽链组成，需几个基因协调表达。组成，需几个基因协调表达。（三）真核基因组含有大量的重复序列（三）真核基因组含有大量的重复序列 在真核在真核DNA中含有比原核更多出现的重复核中含有比原核更多出现的重复核苷酸序列。根据重复频率将重复序列分为：苷酸序列。根据重复频率将重复序列分为：单拷贝序列单拷贝序列（一次或数次）（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 反转重复序列反转重复序列：是由两个互补序列，在同一：是由两个互补序列，在同一DNA链上反向排列。链

47、上反向排列。某些重复序列出现在调控区，可能对某些重复序列出现在调控区，可能对DNA的复的复制、转录具有调控作用。制、转录具有调控作用。（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区，（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区，故：具有不连续性故：具有不连续性 真核基因称之为断裂基因。原因是：真核基因称之为断裂基因。原因是：(1)在结构基因两侧有不被转录的非编码序列，一在结构基因两侧有不被转录的非编码序列，一般是基因表达的调控区。般是基因表达的调控区。(2)在编码基因内有编码序列（外显子）和非编码在编码基因内有编码序列（外显子）和非编码序列（内含子）相间组成。序列（内含子）相间组成。故真核基因是不连续的。在

48、转录后的加工过程中故真核基因是不连续的。在转录后的加工过程中切除内含子，拼接外显子，形成成熟的切除内含子，拼接外显子，形成成熟的mRNA。二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点 真核细胞真核细胞RNA聚合酶有三种，分别称为聚合酶有三种，分别称为RNA聚聚合酶合酶、，分别转录生成三种，分别转录生成三种RNA。三种酶都约由三种酶都约由10个亚基组成，有些亚基在三种酶是个亚基组成，有些亚基在三种酶是相同的，有些亚基是每种酶所特有的。如：相同的，有些亚基是每种酶所特有的。如：TATA盒盒结合蛋白结合蛋白(TBP)就是三种就是三种RNA聚合酶共有的。聚合酶共有的。转录因子转录因子D(TFD)在

49、在RNAPol催化催化mRNA转录转录中起核心作用。中起核心作用。TFD是由是由TBP和和TBP相关因子相关因子(TAF)组成的多蛋白复合物，其中组成的多蛋白复合物，其中TAF起传递上游激活因起传递上游激活因子子(UAS)信息作用。信息作用。真核基因表达调控同样主要是在转录起始阶段。真核基因表达调控同样主要是在转录起始阶段。（一）（一）真核细胞内含有多种真核细胞内含有多种RNA聚合酶聚合酶（二）（二）处于转录激活状态的染色质结构发生处于转录激活状态的染色质结构发生 明显变化明显变化 基因被激活时，发现染色体相应区域的结构基因被激活时，发现染色体相应区域的结构和性质发生变化，称为活性染色体。和性

50、质发生变化，称为活性染色体。1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感活 化 基 因 对 核 酸 酶 产 生 极 度 敏 感。用活 化 基 因 对 核 酸 酶 产 生 极 度 敏 感。用DNase处理时，染色体处理时，染色体DNA常出现一些常出现一些DNase超敏位点，通常位于调节蛋白结合位点超敏位点，通常位于调节蛋白结合位点附近。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，最常发生的