第十章基因表达调控课件

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1、第十章第十章 基因表达调控基因表达调控（P257-349）Chapter 10 Regulation of Gene Expressionl基因表达调控基本概念与原理基因表达调控基本概念与原理l原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控l真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控第一节第一节 基因表达调控基本概念与原理基因表达调控基本概念与原理基因表达的概念及基因表达的概念及基因表达的特点基因表达的特点(时间性时间性及空间性及空间性)基因表达的方式基因表达的方式(组成性、诱导、阻遏组成性、诱导、阻遏)基因表达的生物学意义基因表达的生物学意义基因表达调控的基本原理（多级调控、表达激基因表达调控的基本

2、原理（多级调控、表达激活基本要素）活基本要素）一、基因表达的概念及一、基因表达的概念及基因表达的基因表达的特点特点(时间性及空间性时间性及空间性)1.1.基因表达基因表达（gene expression）就是指在一）就是指在一定调节因素的作用下，定调节因素的作用下，DNA分子上特定分子上特定的基因（遗传信息）被激活并转录生成的基因（遗传信息）被激活并转录生成特定的特定的RNA，并由此引起特异性蛋白质，并由此引起特异性蛋白质合成的过程。合成的过程。DNA中的遗传信息用以决定细胞的表型中的遗传信息用以决定细胞的表型和生物性状。和生物性状。2.2.基因表达的时间基因表达的时间性性及空间性及空间性基基

3、 因因 表表 达达 的的 时时 间间 特特 异异 性性(temporal specificity)是是指指特特定定基基因因的的表表达达严严格格按按照照特特定定的的时时间间顺顺序序发发生生，以以适适应应细细胞胞或或个个体体特特定定分分化化、发发育育阶阶段段的的需需要要。故故又又称称为阶段为阶段特异特异性。性。基基 因因 表表 达达 的的 空空 间间 特特 异异 性性（spatial specificity）是是指指多多细细胞胞生生物物个个体体在在某某一一特特定定生生长长发发育育阶阶段段，同同一一基基因因的的表表达达在在不不同同的的细细胞胞或或组组织织器器官官不不同同，从从而而导导致致特特异异性性

4、的的蛋蛋白白质质分分布布于于不不同同的的细细胞胞或或组组织织器器官官。故故又又称称为为细细胞胞特特异异性性或或组组织织特特异性。异性。二、基因表达的方式二、基因表达的方式1.组成性表达组成性表达 组组 成成 性性 基基 因因 表表 达达（constitutive gene expression）是是指指在在个个体体发发育育的的任任一一阶阶段段都都能能在在大大多多数数细细胞胞中中持持续续进进行行的的基基因因表表达达。其其基基因因表表达达产产物物通通常常是是对对生生命命过过程程必必需需的的或或必必不不可可少少的，且受环境因素的影响较小。的，且受环境因素的影响较小。这这类类基基因因通通常常被被称称为

5、为管管家家基基因因（housekeeping gene）。）。2.诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达诱诱导导表表达达（induction）：在在特特定定环环境境因因素素刺刺激激下下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。基因被激活，从而使基因的表达产物增加。调调节节分分解解代代谢谢的的操操纵纵子子是是诱诱导导型型。这这类类基基因因称称为为可诱导基因可诱导基因。诱导物诱导物阻阻遏遏表表达达（repression）：在在特特定定环环境境因因素素刺刺激激下下，基基因因被被抑抑制制，从从而而使使基基因因的的表表达达产产物物减减少少。调调节节合合成成代代谢谢的的操操纵纵子子是是阻阻遏遏型型。这这类类基基因因称

6、称为为可可阻阻遏基因遏基因。阻遏物阻遏物 正调控和负调控正调控和负调控正调控正调控(positive control)：任何促进转录的任何促进转录的调节。调节。负调控负调控(negative control)：任何阻碍转录的任何阻碍转录的调节。调节。三、基因表达的生物学意义三、基因表达的生物学意义适应环境、维持生长和增殖。适应环境、维持生长和增殖。维持个体发育与分化。维持个体发育与分化。四、基因表达调控的基本原理四、基因表达调控的基本原理基因表达的调控（基因表达的调控（control of gene expression）:基基因因组组中中某某一一个个基基因因或或一一些些功功能能相相近近的的基

7、基因因,表表达的开启、关闭和表达强度的直接调节。达的开启、关闭和表达强度的直接调节。1.基因表达的多级调控基因表达的多级调控 基基因因表表达达调调控控从从基基因因激激活活到到蛋蛋白白质质生生物物合合成成的的各各个个阶阶段段，基基因因表表达达的的调调控控可可分分为为转转录录水水平平（基基因因激激活活及及转转录录起起始始），转转录录后后水水平平（加加工工及及转转运运），翻翻译译水水平平及及翻翻译译后后水水平平，但但以以转转录录水平的基因表达调控最重要。水平的基因表达调控最重要。2.基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素A顺式作用元件顺式作用元件 顺式作用元件（顺式作用元件（cis-act

8、ing element）：）：又又称分子内作用元件，指存在于称分子内作用元件，指存在于DNA分子分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。序。在在原原核核生生物物中中，大大多多数数基基因因表表达达通通过过操操纵纵子子模模型型进进行行调调控控，其其顺顺式式作作用用元元件件主主要要由由启启动动子子（promoter）、操操作作子子(operator)和和调调节节基基因因(regulatory gene)组成。组成。在在真真核核生生物物中中，与与基基因因表表达达调调控控有有关关的的顺顺式式作作用用元元件件主主要要有有启启动动子子（promoter）、增增强强子子（e

9、nhancer）和沉默子（）和沉默子（silencer）。）。基因的组织结构及顺式作用元件基因的组织结构及顺式作用元件B反式作用因子反式作用因子反反式式作作用用因因子子（trans-acting factor）又又称称为为分分子子间间作作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。反反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共共同同作作用用，才才能能够达到对特定基因进行调控的目的。够达到对特定基因进行调控的目的。原原核核生生物物中中的的反反式式作作用用因因子子主主要要分分为为特特异异因因子子、激激活活蛋蛋白白和和阻阻遏遏蛋蛋白

10、白；而而真真核核生生物物中中的的反反式式作作用用因因子子通通常常称为称为转录因子转录因子。顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：用：大多数调节蛋白在与大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常分子结合。这种结合通常是非共价键结合。是非共价键结合。第二节第二节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控基因表达基因表达（gene expression）

11、：是一个产：是一个产生基因产物生基因产物(RNA或蛋白质或蛋白质)的过程。的过程。调控的三个层次：调控的三个层次：DNA、转录转录和翻译和翻译操纵子模型及其调控原理操纵子模型及其调控原理一、操纵子模型操纵子操纵子(operon)：相关功能的结构基因串连排列成：相关功能的结构基因串连排列成簇，它们编码同一个代谢途径中的不同的酶，由一簇，它们编码同一个代谢途径中的不同的酶，由一个调控蛋白所控制，一开俱开，一闭俱闭，对环境个调控蛋白所控制，一开俱开，一闭俱闭，对环境条件的改变作出相应的反应条件的改变作出相应的反应。结构基因：产生酶和产生不直接影响其他基因表达结构基因：产生酶和产生不直接影响其他基因表

12、达的蛋白质的的蛋白质的DNA序列序列 调节基因：产生阻抑蛋白质或转录激活因子的调节基因：产生阻抑蛋白质或转录激活因子的DNA序列序列操作子操作子(operator)：能与活性调节蛋白结合开闭结构：能与活性调节蛋白结合开闭结构基因表达的基因表达的DNA序列序列操纵子的主要类型操纵子的主要类型诱导型：分解代谢，如乳糖操纵子诱导型：分解代谢，如乳糖操纵子(lac operon)。阻遏型：合成代谢，如色氨酸操纵子阻遏型：合成代谢，如色氨酸操纵子(trp operon)。弱化作用弱化作用：结构基因前提前终止转录：结构基因前提前终止转录二、乳糖操纵子二、乳糖操纵子(lac operon)1.1.结构结构控

13、制区包括控制区包括调节基因（阻遏基因），启动子（其调节基因（阻遏基因），启动子（其CRP结结合位点位于合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵子；聚合酶结合位点上游）和操纵子；信息区信息区:由由-半乳糖苷酶基因（半乳糖苷酶基因（lac z），），-半乳糖苷半乳糖苷透性酶基因（透性酶基因（lac y）和乙酰化酶基因（）和乙酰化酶基因（lac a）串联在）串联在一起构成。一起构成。P-O区共122个碱基对，P区84个；O区是阻遏物结合区，35个碱基对（78-112），和P区重叠7个碱基，Z基因始点与O区间隔10个碱基对。O区和P区中的cAMP-CRP复合物结合位点碱基顺序有对称性O OP乳糖操纵

14、子的结构基因及其表达产物乳糖操纵子的结构基因及其表达产物2 2、乳糖操纵子及调控机制、乳糖操纵子及调控机制A.阻遏蛋白的负调控阻遏蛋白的负调控（Jacob-MonodJacob-Monod负调控模型）负调控模型）阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)：负调控系统中调节基因负调控系统中调节基因的产物的产物调节蛋白（调节蛋白（阻遏物）阻遏物）无辅基诱导蛋白无辅基诱导蛋白(apoinducer)：正调控系统中正调控系统中的调节蛋白（的调节蛋白（激活物）激活物）具有与具有与DNA直接结合的蛋白质结构。直接结合的蛋白质结构。效应物效应物(effector)：能够与调节蛋白结合、并改能够与调节蛋白结合、并

15、改变调节蛋白性质的小分子物质。变调节蛋白性质的小分子物质。诱导物诱导物(inducer)：与阻遏物或激活物结合，与阻遏物或激活物结合，启动操纵子转录的效应物启动操纵子转录的效应物辅阻遏物辅阻遏物(corepressor)：与阻遏物结合阻断与阻遏物结合阻断转录的效应物。转录的效应物。安慰诱导物化学合成的、结构类似于乳糖，不被化学合成的、结构类似于乳糖，不被-半乳糖苷半乳糖苷酶酶分解，能行使诱导物的功能分解，能行使诱导物的功能的化合物。如的化合物。如isopropylthiogalactosideisopropylthiogalactoside（IPTGIPTG，异，异丙基硫代半乳糖苷）。丙基硫代

16、半乳糖苷）。X-galX-gal在基因工程中用于筛选蓝白菌落。在基因工程中用于筛选蓝白菌落。B.CAP的正调控P265-266cAMP:辅诱导物辅诱导物（葡萄糖葡萄糖影响腺苷酸环化酶活力）。影响腺苷酸环化酶活力）。ATP 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 cAMP+PPi CRP(cAMP receptor protein)cAMP受体蛋受体蛋白或称为白或称为CAP(catabolic gene activator protein)分解代谢基因激活蛋白分解代谢基因激活蛋白CAP结合位点：位于结合位点：位于P区区,是与是与cAMP-CAP复复合物相互结合的合物相互结合的DNA序列序列调控原理调控原理cA

17、MP-CAP复合物是活性诱导物复合物是活性诱导物结合乳糖操纵子结合乳糖操纵子P区的区的CAP结合位点结合位点改变改变DNA二级结构，促进二级结构，促进RNA聚合酶结合聚合酶结合于于-10区形成开放式启动子复合物区形成开放式启动子复合物,促进转促进转录。录。正调控和负调控的比较正调控和负调控的比较 正调控体系正调控体系 负调控体系负调控体系主要作用物主要作用物（蛋白质性质）（蛋白质性质）cAMP-CRPcAMP-CRP复合物复合物 抑制蛋白抑制蛋白主要作用物的作用主要作用物的作用 诱导诱导 阻遏阻遏起相反作用的辅助因子起相反作用的辅助因子 辅抑制物辅抑制物 抑制解除物抑制解除物（非蛋白质性质）（

18、非蛋白质性质）（葡萄糖）（葡萄糖）（半乳糖）（半乳糖）小小 结结三、色氨酸操纵子三、色氨酸操纵子P271-278P271-278色氨酸操纵子色氨酸操纵子（trp operon）:阻遏型负阻遏型负调控操纵子，调控一系列用于色氨酸调控操纵子，调控一系列用于色氨酸合合成代谢成代谢的酶蛋白的转录。的酶蛋白的转录。色氨酸操纵子(tryptophane operon)合成代谢，阻遏负调控；弱化作用。（一）色氨酸操纵子的结构（一）色氨酸操纵子的结构操纵子操纵子（二）色氨酸操纵子的作用机理（二）色氨酸操纵子的作用机理1.阻遏负调控系统阻遏负调控系统(Negative control of trp operon

19、)2.弱化作用或衰减作用弱化作用或衰减作用(Control of the trp operon by attenuation)色氨酸阻遏负调控系统色氨酸阻遏负调控系统色氨酸阻遏负调控系统 trpR 产生aporepressor(无辅基阻遏物无辅基阻遏物)色氨酸称为色氨酸称为corepressor(辅阻遏物辅阻遏物)aporepressor+corepressor repressor(阻阻遏物遏物)启动子失活启动子失活 不转录不转录aporepressor+operator 启动子有活性启动子有活性 转录发生转录发生Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区

20、结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子-阻遏负调控阻遏负调控2.弱化子及其调节作用弱化子及其调节作用A.A.概念概念 前导区前导区(leader):A sequence of untranslated bases at the 5-end of an mRNA.mRNA5端开始处到端开始处到trpE 基因的起始密码子前的基因的起始密码子前的mRNA片断称为前导区，共片断称为前导区，共162个碱基。个碱基。弱化子弱化子(attenuator,衰减子衰减子)123-150这段碱基的缺失能引起色氨酸的酶这段碱基的缺失能引起色氨酸的酶合成提高

21、合成提高6倍，这段顺序就是能起调控作倍，这段顺序就是能起调控作用的弱化子。用的弱化子。attenuator:A region of DNA upstream from one or more structural genes,where premature transcription termination can occur.前导肽前导肽(leader peptide)推测有前导肽的理由推测有前导肽的理由:前导区内有前导区内有SD顺序，位于顺序，位于AUG的的5。前导区内有启始密码子前导区内有启始密码子AUG，有终止密，有终止密码子码子UGA.弱化时需要弱化时需要tRNAtrp。B.mRNA

22、前导区序列特征 形成茎-环结构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 UUUUUUUU34UUUU 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

23、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 小结弱化作用与阻遏负调控系统相结合构成了色氨酸弱化作用与阻遏负调控系统相结合构成了色氨酸操纵子的完整调控系统。

24、操纵子的完整调控系统。色氨酸色氨酸是一种分子，称为共阻遏物，当它与色氨是一种分子，称为共阻遏物，当它与色氨酸调节基因产物（无辅基阻遏物）结合时，形成酸调节基因产物（无辅基阻遏物）结合时，形成有活性的阻遏物，结合在色氨酸操纵子的操纵区，有活性的阻遏物，结合在色氨酸操纵子的操纵区，进而阻碍了进而阻碍了RNA聚合酶与启动子的结合，关闭了聚合酶与启动子的结合，关闭了基因的转录。基因的转录。当转录启动后，色氨酸的浓度影响弱化子能否发当转录启动后，色氨酸的浓度影响弱化子能否发挥作用，使转录是否在第一个结构基因前停下。挥作用，使转录是否在第一个结构基因前停下。当色氨酸缺乏时，前导肽合成过程中，因当色氨酸缺乏

25、时，前导肽合成过程中，因核糖体核糖体停留的位置停留的位置影响前导影响前导mRNA的折叠，一旦形成转的折叠，一旦形成转录终止发卡结构，录终止发卡结构，RNA聚合酶就会脱下来，结构聚合酶就会脱下来，结构基因的转录就会停止。基因的转录就会停止。四、阿拉伯糖操纵子调控机理（具有正负调控双重功能调节蛋白，略讲）（1）概述 阿拉伯操纵子（Ara operon）的转录起始是由CAP、Arac蛋白Ara糖是1个可作碳源的5碳糖，和乳糖一样，Ecoli以Ara糖为能源生长时，能产生该糖代谢途径的3种酶催化Ara糖转换成5磷酸木酮糖糖酵解途径（磷酸戊糖途径）。（2）Ara operon的结构DNAaraC IO2

26、 ParaC IO1BADPBADCAP位点CAmP CAPmRNAProtein(Arac)mRNABADArac-调节蛋白C的编码基因Parc PBAD-启动子IO1O2-调控元件B-L核酮糖激酶（isomerase）A-L阿拉伯糖异构酶（kinase）D-L核酮糖与磷4表异构酶（opimerase）I-起始部位（3）调控机理 调控要素 从结构图可以看出，arac和araBAD的转录方向相反，有各自的启动子。AraC有2种形式（亚基聚合数不同？）：Cind和Crep 有Ara糖存在AraCind+Ara糖（结合）表现为诱导araBAD转录作用和 阻遏araC的阻遏作用。无Ara糖存在Ara

27、Crep 表现为对araBAD和araC阻遏作用 Ara operon 与Lac operon一样存在“G效应”，所以cAmp-CAP复合物是 araC和araBAD表达必需的。所以，Ara operon的正控因子Cind和CAMP-CAP，负控因子为Crep，Ara糖可视作诱导因子。阻遏机理 无Ara糖时，认为AraCrep二聚体同时结合araO2、I，将二者拉在一起形成DNA环状结构，有效阻遏了araBAD的转录。激活机理 有Ara糖时，Ara糖+AraC去阻遏，同时cAMP-CAP结合CAP位点促进araBAD和arac的转录。当araC表达过多时Cind结合O1，阻碍了C的表达。若有足

28、够的araBAD酶产出，则Cind减少或消失，这样BAD基因关闭。结合Ara糖、G存在与否及Ara operon正、负控因素基因开放、关闭情况如下：G Ara糖 基因开放 基因关闭 机理简述（学生填充）或 CAMPCAP位点空，Arac使AraI和O2成环 CAMPCAP结合位点，C释放O2、无Ara糖激活作用 Ara糖+AraCRNA pol与PBAD结合转录严谨反应-魔斑调节RNA聚合酶的活性严严谨谨反反应应(stringent(stringent response)response)：细细菌菌对对营营养养缺缺乏乏所所产产生生的的一一系系列列反反应应，特特别别是是rRNArRNA和和tRN

29、AtRNA的的合合成成速速度度下下降降，可达，可达10-2010-20倍；倍；RNARNA聚合酶活性下降聚合酶活性下降。在在大大肠肠杆杆菌菌和和一一些些其其它它类类型型的的细细菌菌中中，一一种种氨氨基基酸酸的的缺缺乏乏可可导导致致合合成成鸟鸟苷苷四四磷磷酸酸或或鸟鸟苷苷五五磷磷酸酸，色色谱谱分分析析产生班点，即魔斑。产生班点，即魔斑。原原理理：是在氨基酸缺乏时，游离核糖体与空载的tRNA增加，在ATP存在下，产生pppGpp(鸟苷-5磷酸)和ppGpp（鸟甘-4-磷酸）。后者与RNA pol 形成ppGpp-RNA pol 复合物，进而使RNA pol 变构，活性rRNA和tRNA合成 或停止

30、。当培养液中富含氨基酸时，则与上述情况相反，RNA pol 活性，rRNA，tRNA合成。五、DNA水平的调控DNA序列重排对转录的调控，有称反向倒位。研究得比较清楚的是沙门氏菌鞭毛抗菌素原H1和H2选择性表达，H1表达，H2关闭，反之亦然。机制1.h2基因表达时，同时转录翻译出h1基因的阻遏蛋白。2.h2基因不表达时，阻遏h1的蛋白（rh1）也不表达，h1基因表达H1鞭毛抗原。3.h2-rh1 转录单元是否表达受其上游一段DNA的排列方向所控制。4.105次细胞分裂中发生1次，1个细菌克隆以表达1种鞭毛抗原为主。倒位基因启动子H2阻遏蛋白基因启动子H1OFFOFFOnOnOnmRNAH2蛋白

31、阻遏物蛋白倒位基因启动子H2阻遏蛋白基因OFFOFF启动子H1OnOnmRNA可倒位区五、翻译水平的调控五、翻译水平的调控反义反义RNARNA的调控作用的调控作用：反义反义RNARNA按照碱基配对互补原则按照碱基配对互补原则与与mRNA5mRNA5端非转译区包括端非转译区包括SD(Shine-Dalgarno)SD(Shine-Dalgarno)序列相结合，阻止序列相结合，阻止了了mRNAmRNA与核糖体小亚基结合，直接抑制了翻译。与核糖体小亚基结合，直接抑制了翻译。反义反义RNARNA与与mRNA5mRNA5端编码区起始密码子端编码区起始密码子AUGAUG结合，从而抑制结合，从而抑制mRNA

32、mRNA翻译起始。翻译起始。反义反义RNARNA与靶与靶mRNAmRNA的非编码区互补结合，使的非编码区互补结合，使mRNAmRNA构象改变，影响其构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制了与核糖体结合，间接抑制了mRNAmRNA的翻译。的翻译。mRNAmRNA高级结构及高级结构及寿命对基因表达的调控寿命对基因表达的调控核糖体蛋白核糖体蛋白质质合成中的自体合成中的自体调调控控第三节第三节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控真核生物中基因表达的调控机制较原核真核生物中基因表达的调控机制较原核生物复杂得多，许多细节还未弄清楚。生物复杂得多，许多细节还未弄清楚。真核生物基因组的特点：真核生物基因

33、组的特点：大、二倍体、大、二倍体、核内核外遗传物质、单顺反子、核内核外遗传物质、单顺反子、90%序序列功能不清楚、多种重复序列等。列功能不清楚、多种重复序列等。一、真核基因表达及表达调控的特点一、真核基因表达及表达调控的特点（一）真核生物基因表达特点（一）真核生物基因表达特点1 1同一种真核生物的所有细胞都含有相同的同一种真核生物的所有细胞都含有相同的DNADNA，即基因的数目和，即基因的数目和种类是一样的，尽管细胞的类型不同，分化程度不一样，但其基种类是一样的，尽管细胞的类型不同，分化程度不一样，但其基因组是相同的，它们都有发育成完整个体的潜能。因组是相同的，它们都有发育成完整个体的潜能。2

34、 2转录和翻译是非偶联的。转录和翻译是非偶联的。3 3初级转录产物要经过加工修饰才能成熟。初级转录产物要经过加工修饰才能成熟。4 4不存在超基因式操纵子结构。不存在超基因式操纵子结构。5 5基因多拷贝。基因多拷贝。（二）真核基因表达调控的特点（二）真核基因表达调控的特点基因表达的多级调控基因表达的多级调控*：DNADNA和染色体水平；转和染色体水平；转录水平（转录起始的控制、延伸的弱化）；转录水平（转录起始的控制、延伸的弱化）；转录后加工过程和运送中的调控；翻译水平上的录后加工过程和运送中的调控；翻译水平上的调控；翻译后的控制。调控；翻译后的控制。DNADNA及及DNADNA结合蛋白的调控作用

35、结合蛋白的调控作用正性调节占主导正性调节占主导：真核基因一般都处于阻遏状真核基因一般都处于阻遏状态，态，RNARNA聚合酶对启动子的亲和力很低。通过聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种转录因子正性激活利用各种转录因子正性激活RNARNA聚合酶是真核聚合酶是真核基因调控的主要机制。基因调控的主要机制。二、染色质结构及改变与基因转录二、染色质结构及改变与基因转录1.1.染色染色质结质结构影响基因构影响基因转录转录：紧紧密染色密染色质质结结构构阻止基因表达阻止基因表达 2.2.组组蛋白的作用蛋白的作用：组组蛋白是碱性蛋白蛋白是碱性蛋白质质，带带正正电电荷，可与荷，可与DNADNA链链上上带负电带

36、负电荷的磷酸基相荷的磷酸基相结结合，合，从而遮蔽了从而遮蔽了DNADNA分子，妨碍了分子，妨碍了转录转录，可能扮演，可能扮演了了非特异性阻遏蛋白的作用非特异性阻遏蛋白的作用。（。（占先模型、动态模占先模型、动态模型型）3.3.核小体核小体结结构影响基因构影响基因转录转录：使使核小体不核小体不稳稳定定或解体的因素或解体的因素 如如富含富含赖赖氨酸的氨酸的组组蛋白（蛋白（H1H1组组蛋白）水平降低、蛋白）水平降低、H2AH2A、H2BH2B组组蛋白二聚体不蛋白二聚体不稳稳定性增加、定性增加、组组蛋白乙蛋白乙酰酰化（化（acetylationacetylation）和泛素化（和泛素化（obiquit

37、inationobiquitination）、）、以及以及H3H3组组蛋蛋白白巯巯基化等基化等现现象象 或缺乏核小体使转录活性或缺乏核小体使转录活性提高。提高。4.染色质结构改变参与基因表达的调控染色质结构改变参与基因表达的调控转录活泼区域对核酸酶的敏感转录活泼区域对核酸酶的敏感度增加：度增加：基因被激活后，双链基因被激活后，双链DNA解开成单链以利于转录，解开成单链以利于转录，从而形成一些对从而形成一些对DNase的超的超敏位点。敏位点。DNADNA拓扑结构改变：拓扑结构改变：天然双链天然双链DNADNA均以负性超螺旋构象存在，均以负性超螺旋构象存在，当基因激活后，则转录区前方当基因激活后，

38、则转录区前方的的DNADNA拓扑结构变为正性超螺旋。拓扑结构变为正性超螺旋。正性超螺旋可阻碍核小体形成，正性超螺旋可阻碍核小体形成，并促进组蛋白解聚。并促进组蛋白解聚。DNADNA碱基修饰变化：碱基修饰变化：甲基化能阻甲基化能阻碍碍转录转录因子与因子与DNADNA特定部位的特定部位的结结合，从而影响合，从而影响转录转录。三、真核基因表达的调控三、真核基因表达的调控基因组水平的调控基因组水平的调控转录转录水平的水平的调调控控 转录转录后水平的后水平的调调控控 翻翻译译水平的水平的调调控控 （一）、基因组水平的调控（一）、基因组水平的调控基因易位：基因易位：基因转位、倒错可致表达和调控的基因转位、

39、倒错可致表达和调控的改变，进而激活改变，进而激活基因扩增：基因扩增：细胞内某一基因的拷贝数高于正常细胞内某一基因的拷贝数高于正常并大量增加的现象，是细胞在短期内为满足某并大量增加的现象，是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够基因产物的一种调控手段种需要而产生足够基因产物的一种调控手段DNADNA甲基化：甲基化：甲基化程度一般与基因表达呈反甲基化程度一般与基因表达呈反向平行的关系，如向平行的关系，如55去甲基化，表达活性增去甲基化，表达活性增加，因此有人认为加，因此有人认为DNADNA甲基化可作为基因失活甲基化可作为基因失活的信号。的信号。（二）转录水平的调控元件及调控机制（二）转录水平的调控元

40、件及调控机制1.1.顺式作用元件顺式作用元件(ciscis-acting elements)-acting elements)正性调控作用的顺式作用元件：启动子正性调控作用的顺式作用元件：启动子(promoter)(promoter)、增强子增强子(enhancer)(enhancer)负性调控作用的元件：沉默子负性调控作用的元件：沉默子(silencer)(silencer)2.2.反式作用因子反式作用因子（trans-acting factorstrans-acting factors）1 1、顺式作用元件、顺式作用元件(cis-acting elements)(cis-acting el

41、ements)启动子启动子l核心启动子元件核心启动子元件(core promoter element)(core promoter element)：指指RNARNA聚合酶起始转录所必需的最小的聚合酶起始转录所必需的最小的DNADNA序列，包括转录序列，包括转录起始点起始点及其上游及其上游-25/-30bp-25/-30bp处的处的TATATATA盒盒。核心元件单。核心元件单独起作用时只能独起作用时只能确定转录起始位点确定转录起始位点和产生和产生基础水平的基础水平的转录转录。上游启动子元件上游启动子元件(upstream promoter(upstream promoter elements)

42、elements)：包括通常位于包括通常位于-70bp-70bp附近的附近的CAATCAAT盒和盒和GCGC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率提高或改变转录效率。（2 2）增）增强强子子及其及其特点特点概念概念：通过启动子能够增强结构基因转录活性的：通过启动子能够增强结构基因转录活性的DNADNA顺序称为顺序称为增强子增强子(enhancer)(enhancer)。其本身不具有启动子的活性，是由多个。其本身不具有启动子的活性，是由多个完全独立的、具有特征性的核苷酸序列所组成。完全

43、独立的、具有特征性的核苷酸序列所组成。特点：特点：提高同一条提高同一条DNADNA链上基因转录效率，链上基因转录效率，发挥作用与受控基因的发挥作用与受控基因的远近距离无关，远近距离无关，可远距离起作用；可远距离起作用；在转录起始点在转录起始点55或或33侧侧均能起作用，均能起作用，在基因的上游、下游或基因内部都能起作用。在基因的上游、下游或基因内部都能起作用。增强子的作用无方向性增强子的作用无方向性 增强子要有启动子才能发挥作用，但增强子要有启动子才能发挥作用，但对异源性启动子也能发对异源性启动子也能发挥作用。挥作用。通常具有一些短的重复顺序，通常具有一些短的重复顺序，必须与特定的蛋白质因子结

44、合必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用。一般具有后才能发挥增强转录的作用。一般具有组织或细胞特异性组织或细胞特异性。（3 3）沉默子）沉默子沉默子：沉默子：能够对基因转录起阻遏作用的能够对基因转录起阻遏作用的DNA片段，属于负性调控元件。片段，属于负性调控元件。沉默子沉默子的作用可不受序列方向的影响，的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用的表达起作用2 2、反式作用因子、反式作用因子（1 1）概念：能直接或间接地与）概念：能直接或间接地与DNADNA上各种上各种顺式作用元件的特定序列结合而发挥调顺式作用元件的特

45、定序列结合而发挥调控作用，激活或阻遏基因表达的一组核控作用，激活或阻遏基因表达的一组核内组蛋白。内组蛋白。真核生物反式作用因子通常属于转录因真核生物反式作用因子通常属于转录因子（子（transcription factor，TF）。因为反）。因为反式作用因子是式作用因子是DNADNA结合蛋白。结合蛋白。特异性转录因子特异性转录因子能够选择性调控某种或某些基因转录表达的蛋白能够选择性调控某种或某些基因转录表达的蛋白质因子称为特异性转录因子。质因子称为特异性转录因子。目前较清楚的是调控免疫球蛋白基因表达的核内目前较清楚的是调控免疫球蛋白基因表达的核内蛋白质因子（蛋白质因子（NF），已发现存在），已

46、发现存在NFA，NF2A，NFB，NFB4，NF等亚类。等亚类。基因结合核因子（基因结合核因子（nuclear factor-gene binding，NF-B）是研究最透彻的一个。）是研究最透彻的一个。（2 2）反式作用因子的主要作用规律）反式作用因子的主要作用规律同一同一DNADNA序列可被不同的蛋白因子所识别；序列可被不同的蛋白因子所识别；同一转录因子也可识别不同的同一转录因子也可识别不同的DNA顺式作用元件。但顺式作用元件。但能直接结合能直接结合DNADNA序列的蛋白因子是少数，但不同的蛋白序列的蛋白因子是少数，但不同的蛋白因子间可以相互作用，因而多数转录因子是通过蛋白因子间可以相互作

47、用，因而多数转录因子是通过蛋白质质-蛋白质间作用与蛋白质间作用与DNADNA序列联系并影响转录效率的；序列联系并影响转录效率的；TF与与TF之间存在相互作用之间存在相互作用当当TF与与TF，TF与与DNA结合时，结合时，都会引起都会引起构象的变化构象的变化，从而影响转录的效率，从而影响转录的效率，构象变化是实现调控功能的分构象变化是实现调控功能的分子基础。子基础。TF在合成过程中，有较大的可变性和可塑性。在合成过程中，有较大的可变性和可塑性。（3）转录因子的结构）转录因子的结构反式作用因子至少含有三个功能域，即反式作用因子至少含有三个功能域，即DNA结合功能结合功能域域（由（由60100个氨基

48、酸残基组织的几个亚区组成）个氨基酸残基组织的几个亚区组成），转录，转录活性功能域（活性功能域（由由30100氨基酸残基组成，这结构域有富含氨基酸残基组成，这结构域有富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同种类，以酸性酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同种类，以酸性结构域最多见）；结构域最多见）；连连接区接区。与与DNA结合的功能域主要有以下几种：结合的功能域主要有以下几种：锌指（锌指（zinc fingerzinc finger）含含有有一一段段保保守守氨氨基基酸酸顺顺序序的的蛋蛋白白质质与与其其辅辅基基锌锌螯螯合合而而形形成由基部突起的环形肽段回折成手指状的环状结构成由基部突起的

49、环形肽段回折成手指状的环状结构。“指指”状状结结构构约约含含2323个个氨氨基基酸酸残残基基，锌锌以以4 4个个配配价价键键与与4 4个个半半胱胱氨氨酸酸（CysCys）、或或2 2个个半半胱胱氨氨酸酸和和2 2个个组组氨氨酸酸（HisHis）相相结结合。合。每每一一个个单单位位可可以以其其指指部部伸伸入入DNADNA双双螺螺旋旋的的深深沟沟，接接触触5 5个个核苷酸。核苷酸。TFATFA含有含有7-117-11个个锌锌离子和离子和9 9个有个有规规律的重复律的重复单单位。位。HTH和和HLH结构：结构：由由两两段段-螺螺旋旋夹夹一一段段-折折迭迭构构成成，-螺螺旋旋与与-折折迭迭之之间间通通

50、过过-转转角角或或成成环环连连接接，即即螺螺旋旋-转转角角-螺螺旋旋结结构构(helixturnhelix,HTH)和和 螺螺 旋旋-环环-螺螺 旋旋 结结 构构。(helixloophelix,HLH)两两个个这这样样的的motifmotif结结构构以以二二聚聚体体形形式式相相连连，距距离离正正好好相相当当于于DNADNA一一个个螺螺距距（3.4nm3.4nm）,两两个个螺旋螺旋刚刚好分好分别别嵌入嵌入DNADNA的深沟的深沟。亮氨酸拉链亮氨酸拉链(leucine zipper(leucine zipper，LZ)LZ)结构结构 真真核核生生物物DNA结结合合蛋蛋白白质质的的C端端，肽肽链链

51、由由两两段段-螺螺旋旋平平行行排排列列构构成成，其其-螺螺旋旋中中存存在在每每隔隔6个个残残基基规规律律性性出出现现1个个Leu残残基基，其其正正电电荷荷与与DNADNA双双螺螺旋旋链链上上带带负负电电荷荷的的磷磷酸酸基基团团结结合合，Leu侧侧链链交交替替排排列列而而呈呈拉拉链链状状。两两条条肽肽链链呈呈钳钳状状与与DNA结合。结合。DBPDBP转录活化结构域转录活化结构域具有非特异性调控转录活性功能。根据具有非特异性调控转录活性功能。根据氨基酸组成的特点，主要有：氨基酸组成的特点，主要有：酸性酸性-螺螺旋结构域、富含谷氨酰胺结构域和富含旋结构域、富含谷氨酰胺结构域和富含脯氨酸结构域。脯氨酸

52、结构域。3 3转录水平调控机制转录水平调控机制 RNA聚合酶活性受转录因子调控聚合酶活性受转录因子调控真真核核生生物物中中存存在在RNA pol、三三种种不不同同的的RNA聚聚合合酶酶，分分别别负负责责转转录录不不同同的的RNA。这这些些RNA聚聚合合酶酶与与相相应应的的转转录录因因子子形形成成复复合合体体，从从而而激激活活或或抑抑制制该该酶酶的催化活性。的催化活性。转录激活及其调控转录激活及其调控真核真核RNA聚合酶聚合酶的激活需要依赖多种的激活需要依赖多种转录因子，并与之形成复合体。转录因子，并与之形成复合体。过程：由过程：由TFD识别启动子序列并与之识别启动子序列并与之结合；在结合；在T

53、FAF的参与下，的参与下，RNA聚合聚合酶酶与与TFD、B聚合形成一个功能性的聚合形成一个功能性的前起始复合体前起始复合体PIC；最后，结合了增；最后，结合了增强子的转录因子与前起始复合体结合，强子的转录因子与前起始复合体结合，从而形成稳定的转录起始复合体。从而形成稳定的转录起始复合体。聚合酶聚合酶转录起始复合体的组装转录起始复合体的组装RNARNA聚合酶聚合酶的基本转录因子的基本转录因子转录因子转录因子分子量分子量(kD)(kD)功能功能TBPTBP（TFDTFD）TF-BTF-BTF-FTF-FTF-ETF-ETF-HTF-HTF-ATF-ATF-ITF-I3030333330,7430,

54、7434,3734,3762,8962,8912,19,3512,19,35120120与与TATATATA盒结合盒结合介导介导RNARNA聚合酶聚合酶的结合的结合解旋酶解旋酶ATPATP酶酶解旋酶解旋酶稳定稳定TF-DTF-D的结合的结合促进促进TF-DTF-D的结合的结合（三）转录后水平的调控（三）转录后水平的调控 1 1RNARNA结合蛋白：核糖核蛋白基元、富含精氨酸基元、结合蛋白：核糖核蛋白基元、富含精氨酸基元、双链双链RNARNA结合结构域等。结合结构域等。2 2mRNAmRNA前体加工：前体加工：RNPRNP参与可变剪接参与可变剪接3 3RNARNA编辑：在编辑：在RNARNA分子

55、上发生的一种修饰现象。有些分子上发生的一种修饰现象。有些mRNAmRNA在转录后因插入、缺失或核苷酸的替换，改变在转录后因插入、缺失或核苷酸的替换，改变了了DNADNA模板来源的遗传信息，从而翻译出氨基酸序列模板来源的遗传信息，从而翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质。编辑的结果，扩大了遗传信息，不同的多种蛋白质。编辑的结果，扩大了遗传信息，这也可能是生物适应中的一种保护措施。这也可能是生物适应中的一种保护措施。4.转录本核输出的调节转录本核输出的调节:帽结合蛋白识别帽结合蛋白识别5的帽子结构的帽子结构,在载体蛋白协助下将转录本以在载体蛋白协助下将转录本以RNP形式通过核孔复形式通过核孔复合体合体

56、.（四）翻译水平的调控（四）翻译水平的调控起始因子可逆磷酸化对翻译的调控起始因子可逆磷酸化对翻译的调控mRNAmRNA稳定性的调节稳定性的调节调控调控mRNAmRNA翻译的启始翻译的启始复习思考题名词解释：基因表达、组成性表达、顺式作用元件、反式作用因子、正调控、负调控、名词解释：基因表达、组成性表达、顺式作用元件、反式作用因子、正调控、负调控、诱导、阻遏、操纵子、操纵子、衰减子、安慰诱导物、严谨反应、核心启动子元件、诱导、阻遏、操纵子、操纵子、衰减子、安慰诱导物、严谨反应、核心启动子元件、锌指、亮氨酸拉链、常染色质、异染色质、锌指、亮氨酸拉链、常染色质、异染色质、DNase高敏感点。高敏感点

57、。问答题：问答题：1、图示说明原核生物结构基因表达调控的、图示说明原核生物结构基因表达调控的4种结构模式种结构模式2、什么是安慰诱导物什么是安慰诱导物?大肠杆菌乳糖操纵子的真正诱导物是什么？区别可诱导大肠杆菌乳糖操纵子的真正诱导物是什么？区别可诱导和可阻遏的基因调控。和可阻遏的基因调控。3、说明乳糖操纵子的结构特点，叙述乳糖操纵子的诱导负调控、说明乳糖操纵子的结构特点，叙述乳糖操纵子的诱导负调控、CAP正调控正调控的调控机理。的调控机理。4、图示说明色氨酸操纵子的结构特点，叙述色氨酸操纵子的阻遏调控机理和、图示说明色氨酸操纵子的结构特点，叙述色氨酸操纵子的阻遏调控机理和衰减子的衰减作用机理。衰减子的衰减作用机理。5、真核生物基因表达调控的特点是什么？、真核生物基因表达调控的特点是什么？6、E.coli细胞能在不同的碳源上生长，当细菌在以下物质存在条件下生长时，细胞能在不同的碳源上生长，当细菌在以下物质存在条件下生长时，lac操纵子的转录速率如何？操纵子的转录速率如何？（a）乳糖和葡萄糖）乳糖和葡萄糖（b）乳糖）乳糖7、反式作用的作用规律是什么？、反式作用的作用规律是什么？8、论述启动子、增强子和转录因子的概念、结构、功能及其相互关系。论述启动子、增强子和转录因子的概念、结构、功能及其相互关系。xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！