基因表達(dá)調(diào)控 (2)講稿

1、關(guān)于基因表達(dá)調(diào)控 (2)第一張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月從整體水平到分子水平示意圖分子水平細(xì)胞水平整體水平生命科學(xué)的發(fā)展過程：第二張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 生命科學(xué)的研究內(nèi)容： 生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，生物與生物之間及生物與環(huán)境之間相互關(guān)系。 生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域： 分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)，而分子生物學(xué)是生命科學(xué)的核心前沿。 生命科學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的一門綜合性學(xué)科。第三張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 分子生物學(xué)從分子水平研究生命現(xiàn)象及其規(guī)律的一門新興學(xué)科。 它是生命科學(xué)中發(fā)展最快并且與其他學(xué)科廣泛交叉和滲

2、透的前沿領(lǐng)域。第四張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 由于分子生物學(xué)以其嶄新的觀點和技術(shù)對其他學(xué)科的全面滲透，推動了細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)向分子水平的方向發(fā)展，使這些學(xué)科已不再是原來的經(jīng)典學(xué)科，而成為生命科學(xué)的前沿。第五張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 分子生物學(xué)技術(shù)： 例如：DNA及RNA的印跡轉(zhuǎn)移、核酸分子雜交、基因克隆、基因體外擴增、DNA 測序等，形成了獨特的重組DNA技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)。 由生物化學(xué)、生物物理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、應(yīng)用微生物學(xué)及免疫學(xué)等各專業(yè)技術(shù)的滲透、綜合而成，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明和創(chuàng)造了一系列新的技術(shù)。第六張，PPT共四十八頁，創(chuàng)

3、作于2022年6月分子克隆 (molecular cloning) 重組DNA (recombinant DNA)技術(shù)是近代分子生物學(xué)技術(shù)的核心。 基因操作 (gene manipulation) 基因克隆 (gene cloning)基因工程 (gene engineering)第七張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月分子醫(yī)學(xué)（molecular medicine）： 由于分子生物學(xué)滲透進入生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的每一分支領(lǐng)域，全面推動了生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的各個方面的發(fā)展，如疾病的發(fā)病機理研究、疾病的診斷和治療，使醫(yī)學(xué)進入了一個嶄新的時代。 第八張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月遺傳性狀改變

4、或治療疾病 可能從某一生物體的基因組中分離出某一特定功能基因，導(dǎo)入到另一種生物的基因組。 基因工程和蛋白質(zhì)工程 外源DNA與載體在體外進行連接，或在基因水平上進行有目的的定向誘變。 生物技術(shù)進入了分子水平，基因（或DNA）也進入了社會生產(chǎn)和人們生活的方方面面。 第九張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 按照自己的意愿和社會需求改造基因，制備各種具有生物活性的大分子。 DNA、RNA 和蛋白質(zhì)成為人類治病、防病的一類新型的生物制品或藥物。 生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上用于快速育種，改良品種，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量、質(zhì)量以及抗病蟲害，抗干旱等能力。第十張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月分子生物學(xué)的主要

5、研究內(nèi)容 生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能，生物大分子之間的相互作用及其與疾病發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系。第十一張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第一章基因表達(dá)調(diào)控Regulation of Gene Expression第十二張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié)概 述Basic Conceptions and Characters第十三張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月一、基因表達(dá)是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，也是基因所攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過程，包括基因轉(zhuǎn)錄成互補的RNA序列，對于蛋白質(zhì)編碼基因，mRNA繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加工成最終的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。 基因表達(dá)

6、(gene expression)基因表達(dá)是受調(diào)控的。第十四張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、基因表達(dá)具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性是指基因表達(dá)按一定的時間順序發(fā)生按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按一定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時間特異性(temporal specificity)。 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱階段特異性(stage specificity)。第十五張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）空間特異性是指多細(xì)胞生物個體在特定生長發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達(dá)不同 在個體生長、發(fā)育過程中，一種基因產(chǎn)物在個體的不同組織或器官表達(dá)

7、，即在個體的不同空間出現(xiàn)，這就是基因表達(dá)的空間特異性(spatial specificity)?；虮磉_(dá)伴隨時間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實際上是由細(xì)胞在器官的分布所決定的，因此基因表達(dá)的空間特異性又稱細(xì)胞特異性(cell specificity)或組織特異性(tissue specificity)。第十六張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月三、基因表達(dá)的方式存在多樣性基因表達(dá)調(diào)控（regulation of gene expression）就是指細(xì)胞或生物體在接受內(nèi)外環(huán)境信號刺激時或適應(yīng)環(huán)境變化的過程中在基因表達(dá)水平上做出應(yīng)答的分子機制，即位于基因組內(nèi)的基因如何被表達(dá)成為有

8、功能的蛋白質(zhì)（或RNA），在什么組織表達(dá)，什么時候表達(dá)，表達(dá)多少等。 第十七張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月按對刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：組成性表達(dá)誘導(dǎo)或阻遏表達(dá)第十八張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）有些基因幾乎在所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)某些基因在一個生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，不易受環(huán)境條件的影響，通常被稱為管家基因(housekeeping gene)。管家基因的表達(dá)水平受環(huán)境因素影響較小，而是在生物體各個生長階段的大多數(shù)、或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。這類基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutive gene expression)。基

9、本的基因表達(dá)水平并非絕對“一成不變”， 所謂“不變”是相對的。 第十九張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）有些基因的表達(dá)受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)和阻遏在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，即這種基因表達(dá)是可誘導(dǎo)的。可誘導(dǎo)基因(inducible gene)在一定的環(huán)境中表達(dá)增強的過程，稱為誘導(dǎo)(induction)。 如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答時被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressible gene)?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。第二十張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何

10、種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)同表達(dá)(coordinate expression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)同調(diào)節(jié)(coordinate regulation)。（三）生物體內(nèi)不同基因的表達(dá)受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)第二十一張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月四、基因表達(dá)調(diào)控受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)一般說來，調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，稱為順式作用元件(cis -acting element)。調(diào)節(jié)序列遠(yuǎn)離被調(diào)控的編碼序列，實際上是其他分子的編碼基因，只能通過其表達(dá)產(chǎn)物來發(fā)揮作用，這些蛋白質(zhì)分子稱為反式作用因子(trans-acting factor)。第二十二張，P

11、PT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月五、基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性首先，遺傳信息以基因的形式貯存于DNA中。其次，遺傳信息經(jīng)轉(zhuǎn)錄由DNA傳向RNA 過程中的許多環(huán)節(jié)。(最重要、最復(fù)雜)最后，蛋白質(zhì)生物合成即翻譯與翻譯后加工。第二十三張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月六、基因表達(dá)調(diào)控為生物體生長、發(fā)育的基礎(chǔ)（一）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖生物體所處的內(nèi)、外環(huán)境是在不斷變化的。通過一定的程序調(diào)控基因的表達(dá)，可使生物體表達(dá)出合適的蛋白質(zhì)分子，以便更好地適應(yīng)環(huán)境，維持其生長和增殖。 第二十四張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以維持細(xì)胞分化與

12、個體發(fā)育在多細(xì)胞個體生長、發(fā)育的不同階段，或同一生長發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白質(zhì)分子分布、種類和含量存在很大差異，這些差異是調(diào)節(jié)細(xì)胞表型的關(guān)鍵。 第二十五張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 原核生物基因表達(dá)調(diào)控Regulation of Gene Expression in Prokaryote 第二十六張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點 基因組中很少有重復(fù)序列； 編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因為連續(xù)編碼，且多為單拷貝基因，但編碼rRNA的基因仍然是多拷貝基因； 結(jié)構(gòu)基因在基因組中所占的比例（約占50%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真核基因組； 許多結(jié)構(gòu)基因在基因組中以操縱子為

13、單位排列原核生物基因組是具有超螺旋結(jié)構(gòu)的閉合環(huán)狀DNA分子 第二十七張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月原核生物大多數(shù)基因表達(dá)調(diào)控是通過操縱子機制實現(xiàn)一、操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單位 蛋白質(zhì)因子特異DNA序列編碼序列 啟動子 操縱元件 其他調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)第二十八張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月操縱子模型的普遍性多順反子(polycistron)：mRNA分子攜帶了幾個多肽鏈的編碼信息。啟動子是RNA聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是決定基因表達(dá)效率的關(guān)鍵元件。各種原核基因啟動序列特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始點上游-10及-35區(qū)域存在一些相

14、似序列，稱為共有序列。 E.coli及一些細(xì)菌啟動序列的共有序列在-10區(qū)域是TATAAT，在-35區(qū)域為TTGACA 共有序列決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。 第二十九張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月基因表達(dá)有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控調(diào)節(jié)原核生物基因表達(dá)的效應(yīng)蛋白可分：阻遏蛋白-負(fù)調(diào)控因素 激活蛋白-正調(diào)控因素 第三十張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月調(diào)節(jié)基因（regulatory gene）編碼能夠與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白，可以分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白。 調(diào)控蛋白的作用分別是 特異因子決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力；第三十一張，PPT共四十八頁

15、，創(chuàng)作于2022年6月 阻遏蛋白可以識別、結(jié)合特異DNA序列操縱序列，抑制基因轉(zhuǎn)錄，所以阻遏蛋白介導(dǎo)負(fù)調(diào)節(jié)（negative regulation）。阻遏蛋白介導(dǎo)的負(fù)性調(diào)節(jié)機制在原核生物中普遍存在； 激活蛋白可結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列，提高RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合能力，從而增強RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，是一種正調(diào)控（positive regulation）。 第三十二張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)型調(diào)控（一）乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu) 調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列 結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPD

16、NA第三十三張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月lac 操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)第三十四張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)阻遏基因1.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)第三十五張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖-半乳糖苷酶 lac 操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)第三十六張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月+ + + + 轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時2. CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDN

17、ACAPCAPCAPCAPCAPCAP第三十七張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 協(xié)同調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細(xì)菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對 lac 操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolic repression)。 第三十八張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月mRNA低半乳糖時高半乳糖時 葡萄糖低 cAMP濃度高 葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO第三十九張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于202

18、2年6月CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié) 第四十張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月三、色氨酸操縱子通過轉(zhuǎn)錄衰減的方式阻遏基因表達(dá)色氨酸操縱子的作用原理Trp Trp 高時Trp 低時mRNA OPtrpR調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 操縱子關(guān)閉第四十一張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月四、原核基因表達(dá)在轉(zhuǎn)錄終止階段有不同的調(diào)控機制（一）不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（二）依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止常見于噬菌體中，結(jié)構(gòu)特點不清楚。 兩段富含GC的反向重復(fù)序列，中間間隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。 終止子結(jié)構(gòu)特點：第四十二張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月五、原核基因表達(dá)在翻譯水平的多個環(huán)節(jié)受到精細(xì)調(diào)節(jié) （一）轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)調(diào)節(jié)提高了基因