生物化学与分子生物学14-1基因表达调控.pptx

1、前前 言言本电子课件依据本电子课件依据生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学第八版设计制作。选择的第八版设计制作。选择的制作软件主要为制作软件主要为Microsoft PowerPointMicrosoft PowerPoint。本课件主要为便于师生的教与学，。本课件主要为便于师生的教与学，使用对象主要为医学院校的生物化学教师和医学类专业的五年制学生，以使用对象主要为医学院校的生物化学教师和医学类专业的五年制学生，以及研究生入学考试准备和各种资格考试时医学生物化学的复习使用。及研究生入学考试准备和各种资格考试时医学生物化学的复习使用。第八版第八版生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学的参编

2、单位有全国的参编单位有全国2121所高等院校。所高等院校。课件光盘由华中科技大学同济医学院生物化学与分子生物学系与生物化学课件光盘由华中科技大学同济医学院生物化学与分子生物学系与生物化学第八版编委会共同设计制作，由人民卫生出版社出版发行。版权所有，未第八版编委会共同设计制作，由人民卫生出版社出版发行。版权所有，未经许可，不得随便翻刻销售发行，违者必究。经许可，不得随便翻刻销售发行，违者必究。孙军、查锡良、药立波教授负责本课件总体设计；华中科技大学同济孙军、查锡良、药立波教授负责本课件总体设计；华中科技大学同济医学院生物化学与分子生物学系陈娟、袁萍、段秋红、尹燕华、卢涛、刘医学院生物化学与分子生

3、物学系陈娟、袁萍、段秋红、尹燕华、卢涛、刘琳、周洁、张颖、田俊、熊宇芳等老师参与了课件设计和制作的具体工作；琳、周洁、张颖、田俊、熊宇芳等老师参与了课件设计和制作的具体工作；教材全体编委在课件制作过程中提出了宝贵的修改意见并进行了审定，在教材全体编委在课件制作过程中提出了宝贵的修改意见并进行了审定，在此一并致谢。此一并致谢。由于我们水平有限，本课件的缺点再所难免，敬请使用者批评指正，由于我们水平有限，本课件的缺点再所难免，敬请使用者批评指正，以便今后修订。以便今后修订。目目 录录 第第01章蛋白质的结构与功能章蛋白质的结构与功能 第第02章核酸的结构与功能章核酸的结构与功能 第第03章酶章酶

4、第第04章聚糖的结构与功能章聚糖的结构与功能 第第05章维生素和无机盐章维生素和无机盐 第第06章糖代谢章糖代谢 第第07章脂类代谢章脂类代谢 第第08章生物氧化章生物氧化 第第09章氨基酸代谢章氨基酸代谢 第第10章核苷酸代谢章核苷酸代谢 第第11章非营养物质代谢章非营养物质代谢 第第12章物质代谢的整合与调节章物质代谢的整合与调节 第第13章真核基因与基因组章真核基因与基因组 第第14章章DNA的生物合成的生物合成 第第15章章DNA损伤与修复损伤与修复 第第16章章RNA的生物合成的生物合成 第第17章蛋白质的生物合成章蛋白质的生物合成 第第18章基因表达调控章基因表达调控 第第19章细

5、胞信号转导的分子机制章细胞信号转导的分子机制 第第20章常用分子生物学技术的原理及其应用章常用分子生物学技术的原理及其应用 第第21章章DNA重组和重组重组和重组DNA技术技术 第第22章基因结构与功能分析技术章基因结构与功能分析技术 第第23章癌基因、肿瘤抑制基因与生长因子章癌基因、肿瘤抑制基因与生长因子 第第24章疾病相关基因的鉴定与基因功能研究章疾病相关基因的鉴定与基因功能研究 第第25章基因诊断与基因治疗章基因诊断与基因治疗 第第26章组学与医学章组学与医学概念、理论、研究、应用概念、理论、研究、应用Conception,theory,research,and applicationC

6、onception,theory,research,and application逻辑和自学逻辑和自学 Logic and LIY(Learn It Yourself)目录目录第一节第一节基因表达与基因表达调控的基因表达与基因表达调控的基本概念与特点基本概念与特点Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and its Regulationn基因表达调控基因表达调控nRegulation of Gene Expression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

7、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，包括基携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码序列，对于蛋白质编码基因，基因，mRNA继而翻译成多肽链，并装配加继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物。工成最终的蛋白质产物。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。基因表达在那些环节被调控？基因表达在那些环节被调控？Genomic DNARNA polymerasePre-mRNASplicingmRNA(10%Pre-mRNA left)ProteinTranslati

8、onTranscriptionExpressionPost-translational regulation5 URTPromoterIntronExon3 URTExport to cytosol?Functional/Mature protein/peptidePhosphorylationAcetylationFoldingpeptidesReleaseSecretory proteins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（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间顺序发生顺序发生 按功能需要，某一特定

9、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)。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)。目录目录（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特定生长发育阶段，同一基因在不同的定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同组织器官表达不同 在个体生长、发育过程中，一种基因产物在个体的在个体生长、发育过程中，一种基因产物在个体的不同组织或器

10、官表达，即在个体的不同空间出现，不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，这就是基因表达的这就是基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布所决定的，分布差异，实际上是由细胞在器官的分布所决定的，因此基因表达的空间特异性又称因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性细胞特异性(cell specificity)或组织特异性或组织特异性(tissue specificity)。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基因表

11、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，即位于基因组内的基因如何被表应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。达，什么时候表达，表达多少等。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：基本（或组成性）表达基本（或组成

12、性）表达 诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达目录目录（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 某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，不易受环境条件的影响，通常被称为达，不易受环境条件的影响，通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。管家基因管家基因的的表达水平受环境因素影响较小，而是在表达水平受环境因素影响较小，而是在生物体各个生长阶段的大多数、或几乎全部组织中生物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。这类基因表达被视为持续表达，或变化很小。这类基因表达被视为基本

13、基本（或组成性）基因表达（或组成性）基因表达(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。目录目录目录目录（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏和阻遏 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，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，即这种基因表达是可诱基因表达产物增加，即这种基因表达是可诱导的。导的。可诱导基因可诱导基因(inducible gene)在一定的环境中在一定的环境中表达增强的过程，称为表达增

14、强的过程，称为诱导诱导(induction)。如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是因是可阻遏基因可阻遏基因(repressible gene)。可阻遏基。可阻遏基因 表 达 产 物 水 平 降 低 的 过 程 称 为因 表 达 产 物 水 平 降 低 的 过 程 称 为 阻 遏阻 遏(repression)。目录目录 在一定机制控制下，功能上相关的一组基在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为致、共同表达，即为协同表达协同表达(coordinate expressi

15、on)，这种调节称为，这种调节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目录目录四、基因表达调控受顺式作用元件四、基因表达调控受顺式作用元件和反式作用因子共同调节和反式作用因子共同调节 一般说来，调节序列与被调控的编码序列位一般说来，调节序列与被调控的编码序列位于同一条于同一条DNADNA链上，称为链上，称为顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)。调节序列远离被调控的编码序列，实际上是调节序列远离被调控的编码序列，实际上是其他分子的编码基因，只能通过其表达产物其他

16、分子的编码基因，只能通过其表达产物来发挥作用，这些蛋白质分子称为来发挥作用，这些蛋白质分子称为反式作用反式作用因子因子(trans-acting factor)。目录目录目录目录五、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 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。其次，遗传信息经转录由其次，遗传信息经转录由DNADNA传向传向RNA RNA 过程过程中的许多环节。中的许多环节。(最重要、最复杂最重要、最复杂)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。目录目录目录目录目录目录目录目录六、基因

17、表达调控为生物体生长、六、基因表达调控为生物体生长、发育的基础发育的基础（一）生物体调节基因表达以适应环境、（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生长和增殖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。目录目录（二）生物体调节基因表达以维持细胞（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的在多细胞个体生长、发

18、育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、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，这些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。差异是调节细胞表型的关键。目录目录目录目录目录目录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 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；编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷贝基因，但编码贝

19、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；结构基因在基因组中所占的比例（约占结构基因在基因组中所占的比例（约占50%50%）远）远远大于真核基因组；远大于真核基因组；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 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操纵子是原核基因转录调控的基本单位单位 蛋白质因子蛋白质因子特异特异DNA序列序列编码序

20、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)目录目录操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性 多顺反子多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带了几个多肽链分子携带了几个多肽链的编码信息。的编码信息。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。决定基因表达效率的关键元件。各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始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点上游-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

21、序列。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TTGACA 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。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 目录目录调节基因（调节基因（regulatory gene）编码能够与操

22、纵）编码能够与操纵序列结合的调控蛋白，可以分为三类：特异因子、序列结合的调控蛋白，可以分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。阻遏蛋白和激活蛋白。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聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力；特异性识别和结合能力；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，操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（negative regulation）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在

23、原核生物中普遍存在；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聚聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转聚合酶的转录活性，是一种正调控（录活性，是一种正调控（positive regulation）。）。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）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区分解代谢物基因激活蛋分解代谢物基因激活蛋白（白（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

24、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）乳糖操纵子受阻遏蛋白和（二）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

25、性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节目录目录+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目录目录3.3.协同调节协同调节 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。如无分解代谢物基因激活蛋白（如无分解代谢物基因激活蛋白（CAP）存在，）存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳

26、源；若有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对先利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作操纵子的阻遏作用称用称分解代谢阻遏分解代谢阻遏(catabolic repression)。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 目录目录三、三、色氨酸操纵子通过转录衰减的方式色氨酸操纵子通过转

27、录衰减的方式阻遏基因表达阻遏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目录目录四、原核基因表达在转录终止阶段四、原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制有不同的调控机制（一）不依赖（一）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，中间间隔的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸

28、；若干核苷酸；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：目录目录五、原核基因表达在翻译水平的多个环五、原核基因表达在翻译水平的多个环节受到精细调节节受到精细调节（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性达调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氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trp operon）除了产物阻遏除了产物阻遏负调控外，还有负调控外，还有转录衰减（转录衰减（attenuation）调控方调控方式。式。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

29、目录目录（二）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列（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周围进行自我调节 调节蛋白结合调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。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，抑制自身的，抑制自身的合成，称合成，称自我控制自我控制(autogenous control)。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的的结合实现对翻译起始的调控结合实现对翻译起始的调控 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

30、白质或RNA）直接或间接地结合来决定翻译起始直接或间接地结合来决定翻译起始 调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖体的结合糖体的结合目录目录（四）反义（四）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 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。细菌中含有与特定细菌中含有与特定mRNA翻译起始部位互补翻译起始部位互补的的RNA，通过与，通过与mRNA杂交阻断杂交阻断30S小亚基对小亚基对起始密码子的识别及与起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制序列的结合，抑制翻译起始。这种调节

31、称为翻译起始。这种调节称为反义控制反义控制(antisense control)。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n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的翻译速度快，反之，的翻译速度快，反之，mRNA的翻译速度慢。的翻译速度慢。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 原核基因组的大部分序列都为

32、编码基因，而哺原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺乳类基因组中只有乳类基因组中只有10%的序列编码的序列编码蛋白质、蛋白质、rRNA、tRNA等，其余等，其余90%的序列，包括大量的序列，包括大量的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控 真核生物编码蛋白质的基因是真核生物编码蛋白质的基因是不连续的不连续的，转录，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达调控的层次调控的层次 目录目录 原核生物的基因编码序列在操纵子中，原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制

33、；使得几个功能相关的基因自然协调控制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一条而真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即，即mRNA是是单顺反子单顺反子（monocistron），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同，许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚基也将涉及到多个基因的协调表达亚基也将涉及到多个基因的协调表达目录目录 真核生物真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构在细胞核内与多种蛋白质结合构成成染色质染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表，这种复杂的结构直接影响着基因表达；达；真核生物的遗传信息不仅存在于真核生物的遗传信息不仅存在于核核DNA上，还上，还存在存在线粒体

34、线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的上，核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立而又需要协调。表达调控既相互独立而又需要协调。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当染色质活化后，常出现一些对

35、核酸酶（如（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 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）组蛋白的氨基端伸出核小体，形小体，形 成组蛋白尾巴；（成组蛋白尾巴；（c c）四种组蛋白组成的八聚体）四种组蛋白组成的八聚体目录目录 组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括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：两种

36、相互包容的理论。即：组蛋白的修饰组蛋白的修饰直直接影响染色质或核小体的结构，以及化学修接影响染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白结合搭建了一个平台。他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了这些理论构成了“组蛋白密码组蛋白密码”的假说。的假说。目录目录组蛋白组蛋白氨基酸残基位点氨基酸残基位点修饰类型修饰类型功功 能能H3Lys-4甲基化甲基化激活激活H3Lys-9甲基化甲基化染色质浓缩染色质浓缩H3Lys-9甲基化甲基化DNA甲基化所必需甲基化所必需H3Lys-9乙酰化乙酰化激活激活H3Ser-

37、10磷酸化磷酸化激活激活H3Lys-14乙酰化乙酰化防止防止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乙酰化乙酰化装配装配H4Lys-12乙酰化乙酰化装配装配H4Lys-16乙酰化乙酰化核小体装配核小体装配H4Lys-16乙酰化乙酰化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 目录目录（三）（三）CpG岛甲基化水平降低岛甲基化水平降低 CpG岛（岛（CpG island)：甲基化胞嘧啶在基因组中并：甲基化胞嘧啶在基因组中并不是均匀分布，有些成簇的非甲基化不是均匀分布，有些成簇的非甲基

38、化CG存在于整个存在于整个基因组中，人们将这些基因组中，人们将这些GC含量可达含量可达60%，长度为，长度为300-3000bp的区段的区段 表观遗传（表观遗传（epigenetic inheritance)：染色质结构对：染色质结构对基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机制是细基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机制是细胞内存在着具有维持甲基化作用的胞内存在着具有维持甲基化作用的DNA甲基转移酶，甲基转移酶，可以在可以在DNA复制后，复制后，依照亲本依照亲本DNA链的甲基化位置链的甲基化位置催化子链催化子链DNA在相同位置上发生甲基化在相同位置上发生甲基化目录目录三、基因组中的顺式作用元件是

39、转录起三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位始的关键调节部位n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序列通过一定机制影响响A A序列，并通过序列，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转录活性的顺式作用元件序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件目录目录（一）真核生物

40、启动子结构和调节远较原核（一）真核生物启动子结构和调节远较原核生物复杂生物复杂真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结合位聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一点周围的一组转录控制组件，至少包括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目录目录（二）增强子是能够提高转录效率的顺式（二）增强子是能够提高转录效率的

41、顺式调控元件调控元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：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，属于顺式作用元件顺式作用元件。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 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，而且起作用，而且还可以还可以远距离远距离实施调节作用实施调节作用 作用与序列的作用与序列的方向性无关方向性无关 需要有启动子需要有启动子才能发挥作用才能发挥作用目录目录（三）沉默子能够抑制基因的转录（三）沉默子能够抑制基因的转录 沉默子是一类基因表达的负性调控元件，当其结沉默子是一类基因表达的负性调控

42、元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用目录目录四、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因子转录因子（transcription factor,TF）。）。绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达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、结合特异的顺式后，进入细胞核，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。作用元件而增强或降低相应基因的表达。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

43、白或反式作用因反式作用因子子。目录目录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、结合自身还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列基因的调节序列，调节自身基因的表达，调节自身基因的表达，称称顺式作用顺式作用。由某一基因表达产生的蛋白质因子，通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过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作用称互作用，调节其表达。这种调节作用称为为反式作用反式作用。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)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目录

44、目录通用转录因子通用转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种组蛋白因子，决定三种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目录目录特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子

45、转录抑制因子转录抑制因子目录目录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=苯苯丙氨酸；丙氨酸；L=亮氨酸；亮氨酸；Y=酪氨酸；酪氨酸；Zn=锌离子锌离子图图18-9锌指结构锌指结构目录目录2.2.碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋（basic helix-loop

46、-helix,bHLH)（a）独立的碱性螺旋）独立的碱性螺旋-环环-螺旋模体结构示螺旋模体结构示意图；（意图；（b）bLHL模体二聚体与模体二聚体与DNA结合结合的示意图。两个的示意图。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结合的示意图结合的示意图。两个。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

47、，而富含碱性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氨基酸残基的区域与DNA骨架上的磷酸基团结合骨架上的磷酸基团结合目录目录五、转录起始复合物的动态构成是五、转录起始复合物的动态构成是转录调控的主要方式转录调控的主要方式（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，而亲和力大小则直接影响聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录起始的频率转录起始的频率真核真核RNA聚合酶聚合酶

48、II不能单独识别、结合启动不能单独识别、结合启动子，而是先由基本转录因子与子，而是先由基本转录因子与RNA聚合酶聚合酶II形成形成一个功能性的转录前起始复合物。一个功能性的转录前起始复合物。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，在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。形成转录起始复合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP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的结构与功能的结构与功能（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

49、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无论是在核内进行加工、由胞核运至胞浆，还无论是在核内进行加工、由胞核运至胞浆，还是在胞浆内停留（至降解），都是通过与蛋白质结合形是在胞浆内停留（至降解），都是通过与蛋白质结合形成成核蛋白颗粒核蛋白颗粒(ribonucleoprotein,RNP)进行的。进行的。目录目录n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也可调节真也可调节真核基因表达。核基因表达。n这些这些RNA都是非编码都是非编码RNA（noncod

50、ing RNA,ncRNA）。）。如：具有催化活性的如：具有催化活性的RNA（核酶）、细胞核小分子（核酶）、细胞核小分子RNA（snRNA）以及核仁小分子）以及核仁小分子RNA（snoRNA）n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。n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可引起转录后可引起转录后基因沉默基因沉默目录目录（三）（三）mRNA前体的选择性剪接可以调节真前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达核生物基因表达 真核生物基因所转录出的真核生物基因所转录出的mRN