基因表達(dá)的調(diào)控

關(guān)于基因表達(dá)的調(diào)控第1頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

DNA

RNA

蛋白質(zhì)分子生物學(xué)的中心法則(centraldogma)

復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制第2頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基因表達(dá)（geneexpression)

基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過(guò)程。第3頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因激活重排甲基化程度轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾蛋白質(zhì)降解等轉(zhuǎn)錄起始第4頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基因表達(dá)具有時(shí)間特異性和空間特異性（一）時(shí)間特異性按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporalspecificity)。

多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。第5頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（二）空間特異性基因表達(dá)伴隨空間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性(spatialspecificity)。第6頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基因表達(dá)調(diào)控為生物體生長(zhǎng)、發(fā)育所必需（一）以適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖生物體所處的內(nèi)、外環(huán)境是在不斷變化的。通過(guò)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(zhǎng)和增殖。第7頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（二）以維持細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育在多細(xì)胞個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育的不同階段，或同一生長(zhǎng)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8頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)原核生物基因表達(dá)的調(diào)控

原核生物基因表達(dá)的調(diào)控方式:對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境變化的反應(yīng)與適應(yīng)誘導(dǎo)（正調(diào)控）阻遏（負(fù)調(diào)控）第9頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三操縱子（operon）：

一些成簇排列、相互協(xié)同的基因串連所組成的基因表達(dá)的協(xié)同單位（acoordinatedunitofgeneexpression).編碼序列

啟動(dòng)序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)第10頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、乳糖操縱子(lactoseoperon)第11頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三細(xì)菌以葡萄糖為能量來(lái)源葡萄糖充分時(shí)：

與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因---表達(dá)

與其他糖代謝有關(guān)的酶基因---關(guān)閉葡萄糖耗盡時(shí)，乳糖存在（培養(yǎng)基）：

與乳糖代謝有關(guān)的酶基因

---表達(dá)

與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因---關(guān)閉第12頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

細(xì)菌對(duì)乳糖的利用及其相關(guān)的酶:

轉(zhuǎn)乙酰基酶--功能未詳乳糖(在通透酶作用下進(jìn)入細(xì)菌）β半乳糖苷酶（細(xì)菌中少量存在）β半乳糖苷酶(細(xì)菌中少量存在)別位乳糖β半乳糖苷酶（細(xì)菌中少量存在）葡萄糖+半乳糖第13頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三IPOZYa

控制位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因DNA阻遏蛋白啟動(dòng)序列操縱序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基轉(zhuǎn)移酶1、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)與誘導(dǎo)劑RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)調(diào)控基因第14頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三生理性誘導(dǎo)劑實(shí)驗(yàn)常用誘導(dǎo)劑別位乳糖異丙基硫代半乳糖（IPTG）Lac操縱子誘導(dǎo)劑第15頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三誘導(dǎo)劑乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控圖15-42、Lac阻遏物的作用第16頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、CAP-cAMP復(fù)合物在乳糖操縱子表達(dá)中

的作用----乳糖操縱子的正調(diào)控低葡萄糖、高乳糖、高cAMP時(shí)：

Lac阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄

CAP+cAMP加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄cAMP－饑餓信號(hào)CAP－分解物基因激活物蛋白第17頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三葡萄糖存在時(shí)：優(yōu)先利用葡萄糖作為能源。與阻遏蛋白的存在有關(guān)

--乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控與cAMP有關(guān)：葡萄糖

cAMPLac操縱子（-）只有乳糖存在時(shí)：只能利用乳糖解除阻遏蛋白的作用CAP-cAMP復(fù)合物的激活作用

CAP+cAMP

乳糖操縱子導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄(正調(diào)控)cAMP在原核生物中的作用（饑餓信號(hào)）CAP(分解物基因激活物蛋白):有二個(gè)相同亞基的蛋白質(zhì)一個(gè)與DNA結(jié)合的domain

一個(gè)與cAMP結(jié)合的domain第18頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三IPOZYa調(diào)控基因控制位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因DNA阻遏蛋白啟動(dòng)序列cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)操縱序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基轉(zhuǎn)移酶乳糖操縱子（lactoseoperon）結(jié)構(gòu)RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)第19頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

CAP-cAMP復(fù)合物

在乳糖操縱子表達(dá)中的作用---正調(diào)控圖15-5葡萄糖和乳糖在乳糖操縱子基因表達(dá)中的聯(lián)系效應(yīng)(1)(2)(3)(4)第20頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三原核生物基因表達(dá)的一般情況

（乳糖操縱子）環(huán)境條件的變化是相關(guān)基因表達(dá)的外界信號(hào)基因表達(dá)的負(fù)調(diào)控基因表達(dá)的正調(diào)控正、負(fù)調(diào)控協(xié)同表達(dá)葡萄糖、乳糖濃度的變化Lac阻遏物與操縱基因cAMP+CAP與相應(yīng)的DNA序列第21頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、色氨酸操縱子第22頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、阻遏物對(duì)色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控

阻遏物+Trp結(jié)合操縱基因相同二個(gè)共阻遏物亞基組成的蛋白質(zhì)高Trp時(shí)：阻遏物+Trp結(jié)合操縱基因低Trp時(shí)：阻遏物不結(jié)合操縱基因第23頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

阻遏物對(duì)色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控

調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因

催化分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼岬拿?/p>

TrpRTrp第24頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.衰減作用對(duì)色氨酸操縱子的調(diào)控衰減子（attenuator）---DNA位于L基因中,離E基因5’端約30-60bp。通過(guò)衰減子（轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)）使轉(zhuǎn)錄終止。高Trp時(shí)：衰減子起作用，終止轉(zhuǎn)錄。

產(chǎn)生“衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物”（mRNA)，轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián)，同時(shí)產(chǎn)生“前導(dǎo)肽”。第25頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

前導(dǎo)肽轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)圖15-6第26頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三高Trp時(shí)：

Trp-tRNATrp存在

核糖體通過(guò)片段1(2個(gè)Trp密碼子)

封閉片段2

片段3，4形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)類似于不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止序列

RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),產(chǎn)生前導(dǎo)肽第27頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三低Trp時(shí)：

Trp-tRNATrp沒(méi)有供應(yīng)核糖體翻譯停止在片段1

（2個(gè)Trp密碼子）

片段2，3

形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄不終止

RNA聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄第28頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三原核生物轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián)圖15-8第29頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三衰減作用的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)高色氨酸時(shí)低色氨酸時(shí)圖15-7第30頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)真核生物基因表達(dá)的調(diào)控一.真核生物調(diào)控的特征：真核生物基因表達(dá)的調(diào)控核心途徑：環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)染色質(zhì)活化轉(zhuǎn)錄的激活基因表達(dá)以正調(diào)控為主（激活蛋白激活靶基因）轉(zhuǎn)錄與翻譯在不同的亞細(xì)胞區(qū)域進(jìn)行第31頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三真核生物基因表達(dá)的方式及調(diào)節(jié)存在很大差異按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：基本（或組成性）表達(dá)誘導(dǎo)或阻遏表達(dá)第32頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（一）基本（或組成性）表達(dá)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。無(wú)論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)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。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)。第33頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（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(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因(induciblegene)?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程，稱為誘導(dǎo)(induction)。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegene)?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程稱為阻遏(repression)。第34頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)

第35頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三DnaseI敏感性實(shí)驗(yàn)第36頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三HistonecodeH1nucleosomenucleosomenucleosomenucleosome第37頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第38頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、參與基因調(diào)控的順式作用元件和反式作用因子（一）順式作用元件(cisactingelements)真核生物DNA序列和被轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)基因距離較近包括：?jiǎn)?dòng)子（啟動(dòng)子上游近側(cè)序列）增強(qiáng)子和轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)

(可影響自身編碼基因表達(dá)活性)第39頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.啟動(dòng)子和啟動(dòng)子上游近側(cè)序列是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的DNA序列位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游按其對(duì)RNA聚合酶的影響分為兩類:位于較上游的元件，強(qiáng)烈影響轉(zhuǎn)錄起始

CAATbox,GCbox離轉(zhuǎn)錄點(diǎn)較近，起轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控作用

TATAbox第40頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第41頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三CpG島：基因的5’末端調(diào)控區(qū)存在一段富含成對(duì)的胞嘧啶、鳥嘧啶（CpG）的序列去甲基化的CpG島對(duì)轉(zhuǎn)錄起始是必需的第42頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第43頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.增強(qiáng)子(enhancers)一類能增強(qiáng)真核生物啟動(dòng)子功能的順式作用元件（DNA序列）增強(qiáng)子、啟動(dòng)子交錯(cuò)覆蓋/連續(xù)沒(méi)有增強(qiáng)子啟動(dòng)子不表現(xiàn)活性沒(méi)有啟動(dòng)子增強(qiáng)子無(wú)法發(fā)揮作用增強(qiáng)子作用不受序列方向的制約有組織特異性

第44頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.反應(yīng)元件(responseelements)真核細(xì)胞處于某一特定環(huán)境時(shí),

有反應(yīng)的基因具有相同的順式作用元件這一類順式作用元件--反應(yīng)元件（DNA序列）特點(diǎn)：（１）具較短的保守序列

（２）與轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的距離不固定

（３）可位于啟動(dòng)子或增強(qiáng)子內(nèi)舉例：激素反應(yīng)元件（HRE）第45頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三當(dāng)糖皮質(zhì)激素作用時(shí),真核細(xì)胞中有反應(yīng)的基因具有此類順式作用元件第46頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（二）反式作用因子

（轉(zhuǎn)錄因子，transcriptionfactor）一類在真核細(xì)胞核中發(fā)揮作用的蛋白質(zhì)因子

反式作用因子

識(shí)別/結(jié)合

順式作用元件中的靶序列

調(diào)控轉(zhuǎn)錄第47頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三*基本轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)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。第48頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三*特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子第49頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三反式因子有兩個(gè)必需的結(jié)構(gòu)域

DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域：與順式元件識(shí)別、結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域：與RNA聚合酶結(jié)合蛋白質(zhì)圖15-9第50頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期三反式作用因子（DNA結(jié)合域）結(jié)構(gòu)模式

--蛋白質(zhì)Helix-turn-helixα螺旋-β轉(zhuǎn)角-α螺旋最常見(jiàn)DNA結(jié)合域之一例：CAP(最早在原核生物中發(fā)現(xiàn)）α螺旋識(shí)別、進(jìn)入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大溝第51頁(yè)，共58頁(yè)，202