第14章基因表達調控

1、會計學1第第14章基因表達調控章基因表達調控第1頁/共39頁一、基因表達的概念一、基因表達的概念* * 基因組基因組(genome)一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。整套基因?；蚪涍^轉錄、翻譯，產生具有特異生物學基因經過轉錄、翻譯，產生具有特異生物學功能的蛋白質分子的過程。功能的蛋白質分子的過程。* * 基因表達基因表達(gene expression)基因表達是受調控的基因表達是受調控的目目 錄錄第2頁/共39頁二、基因表達的時間性及空間性二、基因表達的時間性及空間性（一）時間特異性（一）時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按按功能需

2、要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間時間特異性特異性(temporal specificity)。 多細胞生物基因表達的時間特異性又稱多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階階段特異性段特異性(stage specificity)。目目 錄錄第3頁/共39頁（二）空間特異性（二）空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現出的這種分基因表達伴隨時間順序所表現出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性細胞或組織特異性(cell or ti

3、ssue specificity)。在個體生長全過程，某種基因產物在個體在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現，按不同組織空間順序出現，稱之為基因表達的稱之為基因表達的空間特異性空間特異性(spatial specificity)。目目 錄錄第4頁/共39頁三、基因表達的方式三、基因表達的方式按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：（一）組成性表達（一）組成性表達某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為續(xù)表達，通常被稱為管家基因管家基因(housekeeping gene)。第5頁/共39

4、頁無論表達水平高低，管家基因無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境較少受環(huán)境因素影響因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數，而是在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基組成性基因表達因表達(constitutive gene expression)。第6頁/共39頁（二）誘導和阻遏表達（二）誘導和阻遏表達-可調控表達可調控表達在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為活，基因表達產物增加，這種基

5、因稱為可誘導可誘導基因基因?？烧T導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程可誘導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為，稱為誘導誘導(induction)。 如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是基因是可阻遏基因可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產物水平?？勺瓒艋虮磉_產物水平降低的過程稱為降低的過程稱為阻遏阻遏(repression)。第7頁/共39頁四、基因表達調控的生物學意義四、基因表達調控的生物學意義（一）適應環(huán)境、維持生長和增殖（一）適應環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個體發(fā)育與分化（二）維持個體發(fā)育與分化第8頁/共39頁五、基因表達調控的基本原理五、基因表達調控的

6、基本原理（一）基因表達的多級調控（一）基因表達的多級調控基因基因激活激活轉錄起始轉錄起始 轉錄后加工轉錄后加工mRNA降解降解蛋白質降解等蛋白質降解等蛋白質翻譯蛋白質翻譯翻譯后加工修飾翻譯后加工修飾轉錄起始轉錄起始第9頁/共39頁（二）基因轉錄激活調節(jié)基本要素（二）基因轉錄激活調節(jié)基本要素基因表達的調節(jié)與基因表達的調節(jié)與基因基因的結構、性的結構、性質，生物個體或細胞所處的內、外質，生物個體或細胞所處的內、外環(huán)境環(huán)境，以及細胞內所存在的轉錄，以及細胞內所存在的轉錄調節(jié)蛋白調節(jié)蛋白有有關。關。1. 特異特異DNA序列和調節(jié)蛋白質序列和調節(jié)蛋白質第10頁/共39頁原核生物原核生物 蛋白質因子蛋白質因

7、子 操縱子操縱子(operon) 機制機制特異特異DNA序列序列編碼序列編碼序列 啟動序列啟動序列 操縱序列操縱序列 其他調節(jié)序列其他調節(jié)序列(promoter)(operator)第11頁/共39頁是是RNA聚合酶結合并啟動轉錄聚合酶結合并啟動轉錄的特異的特異DNA序列。序列。1) 啟動序列啟動序列RNA轉錄起始轉錄起始-35區(qū)區(qū)-10區(qū)區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAA

8、T共有序列共有序列第12頁/共39頁2 2 操縱序列操縱序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的結合位點的結合位點當操縱序列結合有當操縱序列結合有阻遏蛋白阻遏蛋白時，會阻礙時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚聚合酶不能沿合酶不能沿DNA向前移動向前移動 ，阻礙轉錄。，阻礙轉錄。啟動序列啟動序列編碼序列編碼序列操縱序列操縱序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白第13頁/共39頁真核生物真核生物1) 順式作用元件順式作用元件(cis-acting element)可影響自身基因表達活性的可影響自身基因表達活性的DNA序列序列BADNA編碼序列編碼序列轉錄起始點

9、轉錄起始點不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現一些共有序列一些共有序列 ，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，這盒等，這些共有序列是些共有序列是RNA聚合酶或特異轉錄因子的聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。結合位點。 第14頁/共39頁2 2) ) 真核基因的調節(jié)蛋白真核基因的調節(jié)蛋白還有蛋白質因子可特異識別、結合自還有蛋白質因子可特異識別、結合自身基因的調節(jié)序列身基因的調節(jié)序列，調節(jié)自身基因的表達調節(jié)自身基因的表達，稱，稱順式作用順式作用。由某一基因表達產生的蛋白質因子，由某一基因表達產生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相通過與另一基因的特異

10、的順式作用元件相互作用，調節(jié)其表達?；プ饔茫{節(jié)其表達。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) 這種調節(jié)作用稱為這種調節(jié)作用稱為反式作用反式作用。 第15頁/共39頁指的是反式作用因子與順式作用元件之指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結合。通常是非共價結合，間的特異識別及結合。通常是非共價結合，被識別的被識別的DNA結合位點通常呈對稱、或不完結合位點通常呈對稱、或不完全對稱結構。全對稱結構。絕大多數調節(jié)蛋白質結合絕大多數調節(jié)蛋白質結合DNA前，需通前，需通過蛋白質過蛋白質-蛋白質相互作用，形成蛋白質相互作用，形成二聚體二聚體(dimer)或或多聚體多

11、聚體(polymer)。2. DNA - 蛋白質蛋白質蛋白質蛋白質-蛋白質蛋白質的相互作用的相互作用第16頁/共39頁3. RNA聚合酶聚合酶 原核啟動序列原核啟動序列/真核啟動子與真核啟動子與RNA聚合酶聚合酶活性活性 RNA聚合酶與其的親和力聚合酶與其的親和力，影響轉錄。影響轉錄。 調節(jié)蛋白與調節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性聚合酶活性一些特異調節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號刺激下表一些特異調節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號刺激下表達達，然后通過然后通過DNA-蛋白質、蛋白質蛋白質、蛋白質-蛋白質相互蛋白質相互作用影響作用影響RNA聚合酶活性。聚合酶活性。第17頁/共39頁Regulation of Prokaryot

12、ic Gene Transcription第18頁/共39頁調節(jié)的主要環(huán)節(jié)在調節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉錄起始轉錄起始一、原核基因轉錄調節(jié)特點一、原核基因轉錄調節(jié)特點（一一）因子決定因子決定RNA聚合酶識別特異性聚合酶識別特異性（二）操縱子模型的普遍性（二）操縱子模型的普遍性（三）阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性（三）阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性第19頁/共39頁二、乳糖操縱子調節(jié)機制二、乳糖操縱子調節(jié)機制（一一）乳糖操縱子乳糖操縱子(lac operon)的結構的結構 調控區(qū)調控區(qū)CAP結合位結合位點點啟動序列啟動序列操縱序列操縱序列 結構基因結構基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙?；D移酶

13、：乙酰基轉移酶ZYAOPDNA第20頁/共39頁mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時沒有乳糖存在時（二二）阻遏蛋白的負性調節(jié)阻遏蛋白的負性調節(jié)阻遏基因阻遏基因第21頁/共39頁mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在時有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄啟動轉錄mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶第22頁/共39頁+ + + + + + + + 轉錄轉錄無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃度高時濃度高時有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時濃度低時（三三）CAP的正性調節(jié)的正性調節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第23頁/共39頁Regul

14、ation of Eukaryotic Gene Transcription第24頁/共39頁一、真核基因組結構特點一、真核基因組結構特點（一）真核基因組結構龐大一）真核基因組結構龐大哺乳類動哺乳類動物基因組物基因組DNA 約約 3 10 9 堿基對堿基對編碼基因編碼基因約約 有有 40000 個個，占總長的占總長的6 %rDNA等重復基因等重復基因約約 占占 5% 10%第25頁/共39頁（二）單順反子二）單順反子單順反子單順反子(monocistron) 即一個編碼基因轉錄生成一個即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，經翻譯生成一條多肽鏈。分子，經翻譯生成一條多肽鏈。（三）重復序列三）重

15、復序列單拷貝序列（一次或數次）單拷貝序列（一次或數次）高度重復序列（高度重復序列（106 次）次）中度重復序列（中度重復序列（103 104次）次）多拷貝序列多拷貝序列（四）基因不連續(xù)性四）基因不連續(xù)性第26頁/共39頁二、真核基因表達調控特點二、真核基因表達調控特點（一）一）RNA聚合酶聚合酶（二）活性染色體結構變化二）活性染色體結構變化1. 對核酸酶敏感對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點，位于調節(jié)蛋活化基因常有超敏位點，位于調節(jié)蛋白結合位點附近。白結合位點附近。第27頁/共39頁2. DNA拓撲結構變化拓撲結構變化天然雙鏈天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在；均以負性超螺旋構象存在；基因活化

16、后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋負超螺旋負超螺旋轉錄方向轉錄方向3. DNA堿基修飾變化堿基修飾變化真核真核DNA約有約有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達程度呈反比。甲基化范圍與基因表達程度呈反比。第28頁/共39頁4. 組蛋白變化組蛋白變化 富含富含Lys組蛋白水平降低組蛋白水平降低 H2A, H2B二聚體不穩(wěn)定性增加二聚體不穩(wěn)定性增加 組蛋白修飾組蛋白修飾 H3組蛋白巰基暴露組蛋白巰基暴露（三三）正性調節(jié)占主導正性調節(jié)占主導（四四）轉錄與翻譯分隔進行轉錄與翻譯分隔進行（五）轉錄后修飾、加工五）轉錄后修飾、加工第29頁/共39頁三、真核基因轉錄激活調節(jié)三

17、、真核基因轉錄激活調節(jié)（一）順式作用元件一）順式作用元件1. 啟動子啟動子真核基因啟動子是真核基因啟動子是RNA聚合酶結聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，至合位點周圍的一組轉錄控制組件，至少包括一個少包括一個轉錄起始點轉錄起始點以及一個以上以及一個以上的的功能組件功能組件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒第30頁/共39頁2. 增強子增強子(enhancer)指遠離轉錄起始點、決定基因的時間、指遠離轉錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉錄活性的空間特異性、增強啟動子轉錄活性的DNA序序列。列。3. 沉默子沉默子(silencer)某些基因的負性調節(jié)元件，當其結合特異某些基因的

18、負性調節(jié)元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。第31頁/共39頁（二）反式作用因子二）反式作用因子 1. 轉錄調節(jié)因子分類（按功能特性）轉錄調節(jié)因子分類（按功能特性）* 基本轉錄因子基本轉錄因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶結合啟動子所必需的一組蛋聚合酶結合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)轉錄的類別。轉錄的類別。第32頁/共39頁* 特異轉錄因子特異轉錄因子(special transcription factors)為個別基因轉錄所必需，

19、決定該基因的為個別基因轉錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。時間、空間特異性表達。轉錄激活因子轉錄激活因子轉錄抑制因子轉錄抑制因子第33頁/共39頁2. 轉錄調節(jié)因子結構轉錄調節(jié)因子結構DNA結合域結合域轉錄激活域轉錄激活域TF蛋白質蛋白質-蛋白質結合域蛋白質結合域（二聚化結構域）（二聚化結構域） 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第34頁/共39頁（二）誘導和阻遏表達（二）誘導和阻遏表達-可調控表達可調控表達在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導可誘導基因基因?？烧T導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程可誘導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為，