基因表達調(diào)控課件

第十三章基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpression第十三章基因表達調(diào)控RegulationofGen第一節(jié)

基本概念與原理BasicConceptionsandPrinciple第一節(jié)

基本概念與原理BasicConceptions一、基因表達的概念基因(gene)負載特定遺傳信息的DNA片斷，通常包括DNA編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列和內(nèi)含子基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的RNA或蛋白質(zhì)分子的過程基因表達(geneexpression)基因組(genome)一個生物體的整套遺傳物質(zhì)一、基因表達的概念基因(gene)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生具二、基因的表達具有時空特異性（一）時間特異性按功能需要，某些基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)

二、基因的表達具有時空特異性（一）時間特異性按功能需要，某些（二）空間特異性空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)（二）空間特異性空間特異性又稱細胞或組織特異性(cello下列哪種情況不屬于一個基因在基因表達階段特異性

A．在分化的骨骼肌細胞表達在未分化的心肌細胞不表達

B．在分化的骨骼肌細胞不表達在未分化的骨骼肌細胞表達

C．在分化的骨骼肌細胞表達在未分化的骨骼肌細胞不表達

D．在胚胎發(fā)育過程表達，在出生后不表達

E．在胚胎發(fā)育過程不表達，出生后表達下列哪種情況不屬于一個基因在基因表達階段特異性三、基因表達的方式及調(diào)控（一）持續(xù)表達、基本表達：管家基因基因在一個個體的不同發(fā)育階段的幾乎所有組織細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管（持）家基因(house-keepinggene)三、基因表達的方式及調(diào)控（一）持續(xù)表達、基本表達：管家基因基（二）誘導(dǎo)和阻遏表達：表達易受環(huán)境影響在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(dǎo)(induction)

如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因。可阻遏基因表達產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)（二）誘導(dǎo)和阻遏表達：表達易受環(huán)境影響在特定環(huán)境信號刺激下，（三）協(xié)調(diào)表達與協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)功能上相關(guān)的一組基因，如參與同一代謝途徑的所有酶需要分子比例適當，以確保代謝途徑有條不紊地進行。這樣協(xié)調(diào)一致、共同表達的方式即稱為協(xié)調(diào)表達，其調(diào)節(jié)機制稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（三）協(xié)調(diào)表達與協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)功能上相關(guān)的一組基因，如參與同一代謝四、基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個體發(fā)育與分化四、基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（五、基因表達調(diào)控的基本原理（一）基因表達的多級調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等翻譯翻譯后加工修飾轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄起始五、基因表達調(diào)控的基本原理（一）基因表達的多級調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)（二）基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的基本要素基因表達的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個體或細胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白有關(guān)（二）基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的基本要素基因表達的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)原核生物——操縱子(operon)

結(jié)構(gòu)編碼序列

啟動子

操縱序列

其它調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)1.基因結(jié)構(gòu)

由兩個以上的編碼序列與啟動序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成，是原核生物基因表達調(diào)控的經(jīng)典模式。原核生物——操縱子(operon)結(jié)構(gòu)編碼序列啟動子是RNA聚合酶識別，結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1)

啟動序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列是RNA聚合酶識別，結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1)啟共有序列(consensussequence)

決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小某些特異因子（蛋白質(zhì)）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，如σ因子（又稱σ亞基）共有序列(consensussequence)決定啟動序2操縱序列

——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點當操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉(zhuǎn)錄啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白2操縱序列當操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合3)其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如激活蛋白(activator)可結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，增強RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，如分解（代謝）物基因激活蛋白（catabolitegeneactivateprotein,CAP）有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列3)其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如激活蛋白(activator真核生物1)順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達活性的DNA序列，包括啟動子、增強子與沉默子等。BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。

真核生物1)順式作用元件(cis-actingeleme2)

真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達，稱順式作用。由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達。反式作用因子(trans-actingfactor)

這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用。2)真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié)mRNAC蛋白質(zhì)CBAmRNA蛋白質(zhì)AAcDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié)mRNAC蛋白質(zhì)C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(jié)合。通常是非共價結(jié)合，被識別的DNA結(jié)合位點通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合DNA前，需通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)3）DNA-蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用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(jié)合。通常是Review:TBP的作用機制：兩個結(jié)構(gòu)域形成一個完全二元對稱的馬鞍型結(jié)構(gòu)，與DNA小溝有效結(jié)合Review:4）RNA聚合酶的結(jié)合⑴

原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚合酶活性RNA聚合酶與其的親和力，影響轉(zhuǎn)錄⑵

調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號刺激下表達，然后通過DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性。4）RNA聚合酶的結(jié)合⑴原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚第三節(jié)

原核基因表達調(diào)節(jié)RegulationofProkaryoticGeneTranscription第三節(jié)

原核基因表達調(diào)節(jié)Regulationof二、乳糖操縱子的調(diào)節(jié)模式（一）乳糖操縱子(lacoperon)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：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI調(diào)節(jié)基因二、乳糖操縱子的調(diào)節(jié)模式（一）乳糖操縱子(lacoperomRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)阻遏基因mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時（三）CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cA（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用當無CAP結(jié)合時，即使沒有阻遏蛋白與操作序列結(jié)合，操縱子轉(zhuǎn)錄活性仍然很弱若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌才利用乳糖作碳源葡萄糖對lac

操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)

（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作mRNARNA-polOOOO

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低低乳糖時高乳糖時mRNARNA-polOOOO葡萄糖低cAMP濃——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點（一）σ因子決定RNA聚合酶識別特異性（二）操縱子模型的普遍性（三）原核操縱子普遍受到阻遏蛋白的負向調(diào)節(jié)——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點（一）σTrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶?三、其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機制（一）轉(zhuǎn)錄衰減色氨酸操縱子TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’RNA聚合酶終止UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNUUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶2.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mR第四節(jié)

真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)RegulationofEukaryoticGeneTranscription第四節(jié)

真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)Regulationo一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動物基因組DNA約3×109

堿基對編碼基因僅占總基因組的1%一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動物基因（二）單順反子單順反子(monocistron)

編碼基因轉(zhuǎn)錄生成的一個mRNA分子，經(jīng)翻譯只能生成一條多肽鏈。（二）單順反子單順反子(monocistron)編（三）重復(fù)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106

次）中度重復(fù)序列（103~104次）多拷貝序列（三）重復(fù)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106（四）基因不連續(xù)性（四）基因不連續(xù)性二、真核基因表達調(diào)控特點（一）RNA聚合酶（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化1.對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近。二、真核基因表達調(diào)控特點（一）RNA聚合酶（二）活性染色體結(jié)2.DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構(gòu)象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉(zhuǎn)錄方向3.DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達程度呈反比。2.DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構(gòu)象存在表觀遺傳學(xué)（epigenetics）表觀遺傳學(xué)是與遺傳學(xué)(genetic)相對應(yīng)的概念。遺傳學(xué)是指基于基因序列改變所致基因表達水平變化；而表觀遺傳學(xué)則是指基于非基因序列改變所致基因表達水平變化，如DNA甲基化，基因組印記，母體效應(yīng)，基因沉默，核仁顯性，休眠轉(zhuǎn)座子激活等表觀遺傳學(xué)（epigenetics）表觀遺傳學(xué)是與遺傳學(xué)4.組蛋白變化①富含Lys組蛋白水平降低②H2A,H2B二聚體不穩(wěn)定性增加③組蛋白修飾④H3組蛋白巰基暴露（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工4.組蛋白變化①富含Lys組蛋白水平降低（三）正性調(diào)節(jié)三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)（一）順式作用元件P326三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)（一）順式作用元件啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制基因表達調(diào)控課件2.增強子(enhancer)指遠離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。3.沉默子(silencer)某些基因的負性調(diào)節(jié)元件，當其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。2.增強子(enhancer)指遠離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的（二）反式作用因子P337

1.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）

基本轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。（二）反式作用因子P3371.（1）TFIID:

三種RNA聚合酶通用TBP（TATA盒結(jié)合蛋白）+TAFs（TBP協(xié)同因子）

TBPTAFsTATA-20-10+10-30-40+20Review：RNAPolⅡ基因轉(zhuǎn)錄的過程1、轉(zhuǎn)錄起始（1）TFIID:TBPTAFsTATA-20-10TBP的作用----定位因子

a、在TATA框處與DNA結(jié)合

b、是所有三種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄起始所需的因子TBP的作用----定位因子

TBP的作用機制：

a、兩個結(jié)構(gòu)域形成一個完全二元對稱的馬鞍型結(jié)構(gòu)，與DNA小溝有效結(jié)合TBP的作用機制：b、TBP與DNA結(jié)合，使DNA彎曲了約80°，

TATA盒向大溝彎曲，拓寬了小溝。b、TBP與DNA結(jié)合，使DNA彎曲了約80°關(guān)于TFⅡD的敘述不正確的是A．TFⅡD是一種由多亞基組成的復(fù)合物B．TFⅡD通過TBP識別、結(jié)合TATA盒C．為PolI、Ⅱ和Ⅲ三種轉(zhuǎn)錄過程所必需D．由TATA組成的最簡單的啟動子只需TFⅡDE．與原核基因轉(zhuǎn)錄無關(guān)關(guān)于TFⅡD的敘述不正確的是特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)為個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionf2.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域2.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白最常見的DNA結(jié)合域鋅指(zincfinger)常結(jié)合GC盒最常見的DNA結(jié)合域鋅指(zincfinger)常結(jié)合GCZnCysHisZnCysHis亮氨酸拉鏈(Leucinetagger)亮氨酸拉鏈(Helix-Turn-Helix)(Helix-Turn-Helix)HLH形成二聚體與DNA結(jié)合(Helix-Loop-Helix)HLH形成二聚體與DNA結(jié)合(Helix-Loop-Hel（三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)節(jié)polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBP真核RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物TATADNATBP相關(guān)因子（三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)節(jié)polⅡTFⅡHTAFTFⅡ真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是復(fù)雜的、多樣的*不同的DNA元件組合可產(chǎn)生多種類型的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)方式；*多種轉(zhuǎn)錄因子又可結(jié)合相同或不同的DNA元件。*轉(zhuǎn)錄因子與DNA元件結(jié)合后，對轉(zhuǎn)錄激活過程所產(chǎn)生的效果各異，有正性調(diào)節(jié)或負性調(diào)節(jié)之分。真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是復(fù)雜的、多樣的*不同的DNA元件組合可產(chǎn)生1、基因、基因組，基因表達、基因表達調(diào)控2、操縱子概念和原核生物乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)及調(diào)控機理3、真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點4、順式作用元件與反式作用因子的概念復(fù)習(xí)要點1、基因、基因組，基因表達、基因表達調(diào)控復(fù)習(xí)要點SummaryKeywordsRepressorActivatorProkaryoteEukaryoteCAPEnhancerGeneexpressionOperatorPromoterOperonCis-actingelementTrans-actingfactorSummaryKeywordsRepressorGene1.Somegenesareexpressedconstitutively,butthetranscriptionofothergenesisregulated.Transcriptionmayberegulatedbyarepressororanactivator.2.Inprokaryotes,coordinatedgenecontrolisachievedbyclusteringcoordinatedstructuralgenesonthechromosome(operon)sothattheyaretranscribedintomultigenicmRNAs(polycistron).1.Somegenesareexpressedco3,Transcriptionofthethreegenesofthelacoperonisblockedwhenlacrepressorbindstooperatornearthepromoter.TherepressordissociatesfromtheDNAwhenitbindstheinducerallolactose.TranscriptionisactivatedbyacomplexofcAMPandCAP.4,Ineukaryotes,geneexpressioniscontrolledbytheinteractionofcis-actingelementandtrans-actingfactor.

3,Transcriptionofthethree5、Ineukaryotes,additionalregulatoryDNAsites,suchasenhancers,canactataconsiderabledistancefromthetranscriptionstartsitetomodulategeneexperssionbyinteractingwithspecificregulatoryproteins.5、Ineukaryotes,additionalrReview基因表達的概念

某些基因產(chǎn)物對于生命全過程必不可少，并且他們在一個生物個體的幾乎所有的細胞中持續(xù)表達，這類基因稱為_______。對基因表達進行調(diào)控的最主要位點是______。操縱子，順式作用元件，反式作用因子理解乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機制Review基因表達的概念Lac阻遏蛋白結(jié)合乳糖操縱子的A．P序列B．O序列

C．CAP結(jié)合位點D．I基因E．Z基因cAMP與CAP結(jié)合、CAP介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)發(fā)生在A．有葡萄糖及cAMP較高時

B．有葡萄糖及cAMP較低時C．沒有葡萄糖及cAMP較高時

D．沒有葡萄糖及cAMP較低時E．葡萄糖及cAMP濃度極高時Lac阻遏蛋白結(jié)合乳糖操縱子的第十三章基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpression第十三章基因表達調(diào)控RegulationofGen第一節(jié)

基本概念與原理BasicConceptionsandPrinciple第一節(jié)

基本概念與原理BasicConceptions一、基因表達的概念基因(gene)負載特定遺傳信息的DNA片斷，通常包括DNA編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列和內(nèi)含子基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的RNA或蛋白質(zhì)分子的過程基因表達(geneexpression)基因組(genome)一個生物體的整套遺傳物質(zhì)一、基因表達的概念基因(gene)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生具二、基因的表達具有時空特異性（一）時間特異性按功能需要，某些基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)

二、基因的表達具有時空特異性（一）時間特異性按功能需要，某些（二）空間特異性空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)（二）空間特異性空間特異性又稱細胞或組織特異性(cello下列哪種情況不屬于一個基因在基因表達階段特異性

A．在分化的骨骼肌細胞表達在未分化的心肌細胞不表達

B．在分化的骨骼肌細胞不表達在未分化的骨骼肌細胞表達

C．在分化的骨骼肌細胞表達在未分化的骨骼肌細胞不表達

D．在胚胎發(fā)育過程表達，在出生后不表達

E．在胚胎發(fā)育過程不表達，出生后表達下列哪種情況不屬于一個基因在基因表達階段特異性三、基因表達的方式及調(diào)控（一）持續(xù)表達、基本表達：管家基因基因在一個個體的不同發(fā)育階段的幾乎所有組織細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管（持）家基因(house-keepinggene)三、基因表達的方式及調(diào)控（一）持續(xù)表達、基本表達：管家基因基（二）誘導(dǎo)和阻遏表達：表達易受環(huán)境影響在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(dǎo)(induction)

如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)（二）誘導(dǎo)和阻遏表達：表達易受環(huán)境影響在特定環(huán)境信號刺激下，（三）協(xié)調(diào)表達與協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)功能上相關(guān)的一組基因，如參與同一代謝途徑的所有酶需要分子比例適當，以確保代謝途徑有條不紊地進行。這樣協(xié)調(diào)一致、共同表達的方式即稱為協(xié)調(diào)表達，其調(diào)節(jié)機制稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（三）協(xié)調(diào)表達與協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)功能上相關(guān)的一組基因，如參與同一代謝四、基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個體發(fā)育與分化四、基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（五、基因表達調(diào)控的基本原理（一）基因表達的多級調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等翻譯翻譯后加工修飾轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄起始五、基因表達調(diào)控的基本原理（一）基因表達的多級調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)（二）基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的基本要素基因表達的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個體或細胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白有關(guān)（二）基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的基本要素基因表達的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)原核生物——操縱子(operon)

結(jié)構(gòu)編碼序列

啟動子

操縱序列

其它調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)1.基因結(jié)構(gòu)

由兩個以上的編碼序列與啟動序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成，是原核生物基因表達調(diào)控的經(jīng)典模式。原核生物——操縱子(operon)結(jié)構(gòu)編碼序列啟動子是RNA聚合酶識別，結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1)

啟動序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列是RNA聚合酶識別，結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1)啟共有序列(consensussequence)

決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小某些特異因子（蛋白質(zhì)）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，如σ因子（又稱σ亞基）共有序列(consensussequence)決定啟動序2操縱序列

——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點當操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉(zhuǎn)錄啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白2操縱序列當操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合3)其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如激活蛋白(activator)可結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，增強RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，如分解（代謝）物基因激活蛋白（catabolitegeneactivateprotein,CAP）有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列3)其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如激活蛋白(activator真核生物1)順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達活性的DNA序列，包括啟動子、增強子與沉默子等。BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。

真核生物1)順式作用元件(cis-actingeleme2)

真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達，稱順式作用。由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達。反式作用因子(trans-actingfactor)

這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用。2)真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié)mRNAC蛋白質(zhì)CBAmRNA蛋白質(zhì)AAcDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié)mRNAC蛋白質(zhì)C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(jié)合。通常是非共價結(jié)合，被識別的DNA結(jié)合位點通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合DNA前，需通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)3）DNA-蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用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(jié)合。通常是Review:TBP的作用機制：兩個結(jié)構(gòu)域形成一個完全二元對稱的馬鞍型結(jié)構(gòu)，與DNA小溝有效結(jié)合Review:4）RNA聚合酶的結(jié)合⑴

原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚合酶活性RNA聚合酶與其的親和力，影響轉(zhuǎn)錄⑵

調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號刺激下表達，然后通過DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性。4）RNA聚合酶的結(jié)合⑴原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚第三節(jié)

原核基因表達調(diào)節(jié)RegulationofProkaryoticGeneTranscription第三節(jié)

原核基因表達調(diào)節(jié)Regulationof二、乳糖操縱子的調(diào)節(jié)模式（一）乳糖操縱子(lacoperon)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：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI調(diào)節(jié)基因二、乳糖操縱子的調(diào)節(jié)模式（一）乳糖操縱子(lacoperomRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)阻遏基因mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時（三）CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cA（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用當無CAP結(jié)合時，即使沒有阻遏蛋白與操作序列結(jié)合，操縱子轉(zhuǎn)錄活性仍然很弱若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌才利用乳糖作碳源葡萄糖對lac

操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)

（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作mRNARNA-polOOOO

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低低乳糖時高乳糖時mRNARNA-polOOOO葡萄糖低cAMP濃——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點（一）σ因子決定RNA聚合酶識別特異性（二）操縱子模型的普遍性（三）原核操縱子普遍受到阻遏蛋白的負向調(diào)節(jié)——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點（一）σTrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶?三、其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機制（一）轉(zhuǎn)錄衰減色氨酸操縱子TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’RNA聚合酶終止UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNUUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶2.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mR第四節(jié)

真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)RegulationofEukaryoticGeneTranscription第四節(jié)

真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)Regulationo一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動物基因組DNA約3×109

堿基對編碼基因僅占總基因組的1%一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動物基因（二）單順反子單順反子(monocistron)

編碼基因轉(zhuǎn)錄生成的一個mRNA分子，經(jīng)翻譯只能生成一條多肽鏈。（二）單順反子單順反子(monocistron)編（三）重復(fù)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106

次）中度重復(fù)序列（103~104次）多拷貝序列（三）重復(fù)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106（四）基因不連續(xù)性（四）基因不連續(xù)性二、真核基因表達調(diào)控特點（一）RNA聚合酶（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化1.對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近。二、真核基因表達調(diào)控特點（一）RNA聚合酶（二）活性染色體結(jié)2.DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構(gòu)象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉(zhuǎn)錄方向3.DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達程度呈反比。2.DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構(gòu)象存在表觀遺傳學(xué)（epigenetics）表觀遺傳學(xué)是與遺傳學(xué)(genetic)相對應(yīng)的概念。遺傳學(xué)是指基于基因序列改變所致基因表達水平變化；而表觀遺傳學(xué)則是指基于非基因序列改變所致基因表達水平變化，如DNA甲基化，基因組印記，母體效應(yīng)，基因沉默，核仁顯性，休眠轉(zhuǎn)座子激活等表觀遺傳學(xué)（epigenetics）表觀遺傳學(xué)是與遺傳學(xué)4.組蛋白變化①富含Lys組蛋白水平降低②H2A,H2B二聚體不穩(wěn)定性增加③組蛋白修飾④H3組蛋白巰基暴露（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工4.組蛋白變化①富含Lys組蛋白水平降低（三）正性調(diào)節(jié)三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)（一）順式作用元件P326三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)（一）順式作用元件啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制基因表達調(diào)控課件2.增強子(enhancer)指遠離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。3.沉默子(silencer)某些基因的負性調(diào)節(jié)元件，當其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。2.增強子(enhancer)指遠離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的（二）反式作用因子P337

1.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）

基本轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。（二）反式作用因子P3371.（1）TFIID:

三種RNA聚合酶通用TBP（TATA盒結(jié)合蛋白）+TAFs（TBP協(xié)同因子）

TBPTAFsTATA-20-10+10-30-40+20Review：RNAPolⅡ基因轉(zhuǎn)錄的過程1、轉(zhuǎn)錄起始（1）TFIID:TBPTAFsTATA-20-10TBP的作用----定位因子

a、在TATA框處與DNA結(jié)合

b、是所有三種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄起始所需的因子TBP的作用----定位因子

TBP的作用機制：

a、兩個結(jié)構(gòu)域形成一個完全二元對稱的馬鞍型結(jié)構(gòu)，與DNA小溝有效結(jié)合TBP的作用機制：b、TBP與DNA結(jié)合，使DNA彎曲了約80°，

TATA盒向大溝彎曲，拓寬了小溝。b、TBP與DNA結(jié)合，使DNA彎曲了約80°關(guān)于TFⅡD的敘述不正確的是A．TFⅡD是一種由多亞基組成的復(fù)合物B．TFⅡD通過TBP識別、結(jié)合TATA盒C．為PolI、Ⅱ和Ⅲ三種轉(zhuǎn)錄過程所必需D．由TATA組成的最簡單的啟動子只需TFⅡDE．與原核基因轉(zhuǎn)錄無關(guān)關(guān)于TFⅡD的敘述不正確的是特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)為個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionf2.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域2.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白最常見的DNA結(jié)合域鋅指(zincfinger)常結(jié)合GC盒最常見的DNA結(jié)合域鋅指(zincfinger)常結(jié)合GCZnCysHisZnCysHis亮氨酸拉鏈(Leucinetagger)亮氨酸拉鏈(Helix-Turn-Helix)(Helix-Turn-Helix)HLH形成二聚體與DNA結(jié)合(Helix-Loop-Helix)HLH形成二聚體與DNA結(jié)合(Helix-Loop-Hel（三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)節(jié)polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBP真核RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物TATADNATBP相關(guān)因子（三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活