第九章基因表達的調(diào)控

1、第九章 基因表達的調(diào)控第一節(jié) 概述 基本概念基因表達（gene expression）:是指DNA攜帶的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞給RNA，mRNA通過翻譯將基因的遺傳信息在細胞內(nèi)合成具有生物功能的各種蛋白質(zhì)的過程。（rDNA、tDNA轉(zhuǎn)錄生成RNA的過程也屬于基因表達）基因表達的調(diào)控（control of gene expression）:是指對基因組中某一個基因或一些功能相近的基因表達的開啟、關(guān)閉和表達強度的直接調(diào)節(jié)。 基因表達的調(diào)控包括：轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、轉(zhuǎn)譯水平、轉(zhuǎn)譯后水平等多級調(diào)控，其中轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是基因表達調(diào)控的基本控制點。第九章 基因表達的調(diào)控第一節(jié) 概述 基因表達的時間性和空間

2、性 時間特異性：按功能需要，某一特定基因表達嚴格按照特定的時間順序發(fā)生 空間特異性：在個體生長過程中，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)（又稱細胞特異性或組織特異性）第九章 基因表達的調(diào)控第一節(jié) 概述 基因表達的方式 組成性的基因表達：一些基因產(chǎn)物對生命全過程都是必需的，其表達水平在所有細胞或組織中幾乎是不變的，基本不用調(diào)節(jié)的表達方式。管家基因（house keeping gene）:不同的基因?qū)?nèi)外環(huán)境信號的應(yīng)答不盡相同，一些基因在生命全過程都是必須的，且在一個生物體的幾乎所有細胞或組織中持續(xù)表達的基因第九章 基因表達的調(diào)控 基因表達的方式 誘導(dǎo)和阻遏表達誘導(dǎo)（induction）：有

3、些基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答時被激活，基因表達增加的過程。被誘導(dǎo)才表達的基因稱為可誘導(dǎo)基因（inducible gene）阻遏（repression）：有些基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答時被抑制，基因表達降低的過程。這些基因稱為可阻遏基因（repressible gene）第九章 基因表達的調(diào)控 基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義 原核生物基因表達調(diào)控為了適應(yīng)環(huán)境、維持生長和細胞分裂 多細胞生物除適應(yīng)環(huán)境外，還有維持自身生長、增值、組織器官分化、個體發(fā)育等作用第九章 基因表達的調(diào)控第二節(jié) 原核生物基因表達的調(diào)控一、原核生物基因表達調(diào)控的特點 只有一種RNA聚合酶，因子決定聚合酶識別的特異性 原核生物的基因表達以操縱子為單位

4、 原核基因一般不含內(nèi)含子，其基因是連續(xù)的 轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯是偶聯(lián)進行的 mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序列SD序列 原核生物基因表達的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平第二節(jié) 原核生物基因表達的調(diào)控二、原核生物基因表達的調(diào)控1、原核類生物基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控原核生物轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控通過操縱子模式進行（1）操縱子的結(jié)構(gòu)和功能操縱子（operon）:由一組功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因（structural gene）串連在一起，連同其上游的啟動子(promoter和操縱基因(operator共同組成的一個轉(zhuǎn)錄單位.（1）操縱子的結(jié)構(gòu)和功能操縱子（operon）:由一組功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因（structural gene）串連在一起，

5、連同其上游的啟動子(promoter和操縱基因(operator共同組成的一個轉(zhuǎn)錄單位.結(jié)構(gòu)基因：是指決定蛋白質(zhì)或酶結(jié)構(gòu)的基因操縱基因：是指控制決定結(jié)構(gòu)基因活性的基因啟動基因：是指控制RNA聚合酶和DNA結(jié)合的基因調(diào)節(jié)基因：是指控制合成阻遏蛋白與操縱基因的結(jié)合，阻止操縱基因的活性，從而使結(jié)構(gòu)基因停止轉(zhuǎn)錄。操縱子的正負調(diào)控操縱子的正負調(diào)控（1）操縱子的結(jié)構(gòu)和功能（1）操縱子的結(jié)構(gòu)和功能（2）乳糖操縱子（lac operon）-誘導(dǎo)型操縱子 （2）乳糖操縱子（lac operon） lacZ codes for the enzyme -galactosidase(半乳糖苷酶 lacY codes

6、for the -galactoside permease（乳糖透性酶） lacA codes for -galactoside transacetylase（轉(zhuǎn)乙?；福?）乳糖操縱子（lac operon）（2）乳糖操縱子（lac operon）（2）乳糖操縱子（lac operon）（2）乳糖操縱子（lac operon）（2）乳糖操縱子（lac operon）（2）乳糖操縱子（lac operon）Lac操縱子的調(diào)節(jié)機制 Lac操縱子的組成：E.coli Lac操縱子含Z、Y、A三個結(jié)構(gòu)基因，分別編碼半乳糖苷酶、乳糖透性酶、乙?；D(zhuǎn)移酶，此外還有一個操縱序列O，一個啟動子P和一個調(diào)節(jié)

7、基因I 阻遏蛋白的負調(diào)控：沒有乳糖存在時，I基因編碼的阻遏蛋白結(jié)合于操縱序列O處，Lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能合成分解乳糖的三種酶；有乳糖存在時，乳糖作為誘導(dǎo)物，誘導(dǎo)阻遏蛋白變構(gòu)，不能結(jié)合于操縱序列，Lac操縱子被誘導(dǎo)開放，合成分解乳糖的三種酶。 CAP的正調(diào)控：在啟動子的上游有CAP結(jié)合位點，當(dāng)E.coli 從以葡萄糖為碳源的環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀樘菫樘荚吹沫h(huán)境時，cAMP濃度升高，與CAP結(jié)合，使CAP發(fā)生變構(gòu)，CAP結(jié)合于啟動序列附近的CAP結(jié)合位點，激活RNA聚合酶活性，促進結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，加速合成分解乳糖的三種酶。 協(xié)調(diào)作用：Lac操縱子中，I基因編碼的阻遏蛋白的負調(diào)控與CAP的正調(diào)控兩種機

8、制，互相協(xié)調(diào)、相互制約。（3）色氨酸操縱子（trp operon）-阻遏型操縱子 （3）色氨酸操縱子（trp operon）-阻遏型操縱子 Trp operon 的調(diào)節(jié)機制 trp 操縱子含有ABCDE五個結(jié)構(gòu)基因，一個操縱基因O，一個啟動基因P，一個調(diào)節(jié)基因R，還有一段前導(dǎo)序列L和一個衰減基因a。衰減基因（衰減子）存在于操縱基因和結(jié)構(gòu)基因E之間。 可阻遏的負調(diào)控：trp水平低時，R基因編碼的阻遏蛋白不能結(jié)合O序列，操縱子結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，合成由分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)閠rp所需要的三種酶。rrp水平高時，trp結(jié)合阻遏蛋白使阻遏蛋白構(gòu)象改變，結(jié)合于操縱基因O，阻斷基因轉(zhuǎn)錄。 轉(zhuǎn)錄衰減（attenuation

9、）：trp操縱子由阻遏蛋白決定基因的開啟和關(guān)閉，由轉(zhuǎn)錄衰減機制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄速率，這與終止結(jié)構(gòu)衰減子作用有關(guān)，（4）可誘導(dǎo)型和可阻遏型操縱子的比較（4）可誘導(dǎo)型和可阻遏型操縱子的比較第九章 基因表達的調(diào)控第三節(jié) 真核生物基因表達的調(diào)控一、真核生物基因表達調(diào)控的特點1、真核生物基因表達的特點 細胞的全能性 基因的不連續(xù)性 轉(zhuǎn)錄和翻譯分開進行 初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過加工修飾 不存在超基因式操縱子結(jié)構(gòu) 基因多拷貝2、真核生物基因表達的調(diào)控特點 RNA聚合酶有三種，分別催化不同的RNA的合成 基因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)控因素多 DNA及DNA結(jié)合蛋白的調(diào)控作用（順式作用元件和反式作用元件） 正調(diào)控占主導(dǎo)，調(diào)控是非操縱子型

10、 轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯分隔進行 真核基因調(diào)控常先由一個微環(huán)境的信號（神經(jīng)刺激或生長因子）誘導(dǎo)二、真核類生物基因表達的轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是通過順式作用元件和反式作用元件兩者的相互作用來實現(xiàn)的，兩者作用可導(dǎo)致空間構(gòu)象的改變，影響基因的表達。二、真核類生物基因表達的轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（1）基因調(diào)控的順式作用元件（cis-acting element,CAE）順式作用元件:是指一些能與DBP結(jié)合的特定序列的DNA片段，決定轉(zhuǎn)錄起始位點和RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄效應(yīng)。按功能分為：啟動子（promotor）、增強子(enhancer、沉默子(silencer、衰減子(dehancer和終止子(terminacer

11、等DNA序列片段。二、真核類生物基因表達的轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（1）基因調(diào)控的順式作用元件（cis-acting element,CAE） 啟動子（promotor）:是與基因轉(zhuǎn)錄起始有關(guān)的DNA序列，一般位于5端。 增強子(enhancer：通過啟動子來增強轉(zhuǎn)錄活性的一類順式調(diào)控元件。 沉默子(silencer、衰減子(dehancer：抑制基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列，又稱為負調(diào)控元件，它們與反式作用因子相互結(jié)合而起作用。 終止子(terminacer ：在模板DNA分子的5端帶有轉(zhuǎn)錄終止信號的DNA序列（1）基因調(diào)控的順式作用元件（cis-acting element,CAE）（1）基因調(diào)控的順式作用

12、元件（cis-acting element,CAE）（2）基因調(diào)控的反式作用因子（trans-acting factor,TAF）反式作用因子:是一組核內(nèi)蛋白質(zhì)，能直接或間接地與DNA上各種順式作用元件的特定序列結(jié)合而發(fā)揮調(diào)控作用，激活或阻遏基因表達。 反式作用因子為DNA結(jié)合蛋白（DBP），又稱為轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor , TF） 反式作用因子與順式作用元件特定DNA序列結(jié)合的特定結(jié)構(gòu)域 鋅指結(jié)構(gòu)（zinc finger） 亮氨酸拉鏈（leucine zipper , LZ） 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helixturn helix ,HTH ） 螺旋 環(huán)-螺旋（heli

13、xloop helix ,HLH ）（2）基因調(diào)控的反式作用因子（trans-acting factor,TAF） 鋅指結(jié)構(gòu)（zinc finger）:是指含有一段保守氨基酸順序的蛋白質(zhì)與該蛋白質(zhì)的輔基鋅螯合而形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以鋅作為活性結(jié)構(gòu)的一部分，在指狀突出區(qū)表面暴露的堿性及其他氨基酸與DNA結(jié)合有關(guān)。（2）基因調(diào)控的反式作用因子（trans-acting factor,TAF） 亮氨酸拉鏈（leucine zipper , LZ）：在蛋白質(zhì)C末端區(qū)，約有30個氨基酸組成，為兩組走向平行、帶亮氨酸的螺旋形成的對稱二聚體。（2）基因調(diào)控的反式作用因子（trans-acting factor,TAF） 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helixturn helix ,HTH ）第四節(jié) 基因活性的轉(zhuǎn)譯調(diào)控1、原核類生物基因表達的轉(zhuǎn)譯水平的調(diào)控 反義RNA的調(diào)控作用 mRNA壽命對基因表達的調(diào)控 核糖體蛋白質(zhì)合成中的自體調(diào)控1、原核類生物基因表達的轉(zhuǎn)譯水平的調(diào)控 反義RNA的調(diào)控作用 反義RNA是指能以特定mRNA互補結(jié)合的RNA片段，又稱為micRNA（干擾mRNA的互補RNA）（mRNA interfering complementary RNA） 反義RNA的調(diào)控作用micRNA的調(diào)控屬于翻譯水平的調(diào)控： 與mRNA的5端非轉(zhuǎn)譯區(qū)包括SD序列結(jié)合（SD序列是mRNA與核糖體小亞基結(jié)合的部位）