基因表達(dá)控制

第1頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)概述

一、基因表達(dá)的概念

1、基因（gene）：從遺傳學(xué)講，基因就是遺傳的基本單位或單元，具有編碼RNA或多數(shù)情況下編碼多肽功能的信息單位。從分子生物學(xué)看，基因是負(fù)載特定遺傳信息的DNA分子片段

2、基因表達(dá)(geneexpression)：基因表達(dá)就是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。在一定調(diào)節(jié)機(jī)制控制下，大多數(shù)基因經(jīng)歷基因激活、轉(zhuǎn)錄及翻譯等過程，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子，賦予細(xì)胞或個(gè)體一定的功能或形態(tài)表型；rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄生成相應(yīng)RNA的過程也屬于基因表達(dá)

第2頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一二、基因表達(dá)的規(guī)律（特點(diǎn)）及方式

1、基因表達(dá)的規(guī)律（特點(diǎn)）：時(shí)、空特異

1.1時(shí)間特異性(temporalspecificity，階段特異性stagespecificity)：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。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

1.2空間特異性(specialspecificity，細(xì)胞或組織特異性（tissuespecificity）：在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物按不同組織空間順序出現(xiàn)。第3頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一

2、基因表達(dá)的方式

2.1組成性表達(dá)(constitutivegeneexpression)管家基因(housekeepinggene)：在生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，其表達(dá)產(chǎn)物對(duì)生命全過程都是必需的或必不可少的基因組成性基因表達(dá)（基本的基因表達(dá)）：管家基因的表達(dá)，它只受啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響

2.2誘導(dǎo)(induction)和阻遏(repression)表達(dá)誘導(dǎo)：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，該現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)。相應(yīng)基因稱為可誘導(dǎo)的基因。第4頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一阻遏：基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因稱為可阻遏的基因。可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物降低的過程稱為阻遏可誘導(dǎo)或可阻遏基因除受啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響外，尚受其它機(jī)制調(diào)節(jié)（如：增強(qiáng)子）2.3協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（coordinateregulation）在一定機(jī)制控制下，機(jī)能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá)。這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)第5頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一三、原核生物、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的意義

1、適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖2、維持個(gè)體發(fā)育與分化

四、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理

1、基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控：基因結(jié)構(gòu)活化、轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄后加工及載運(yùn)、翻譯及翻譯后加工，等

轉(zhuǎn)錄起始是基因表達(dá)的基本控制點(diǎn)

2、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的基本要素（調(diào)控體系）

2.1特異DNA序列：操縱子（原核）、順式作用元件（真核）

第6頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一操叢子(operator)：原核生物中由2個(gè)以上的編碼序列與啟動(dòng)序列、操縱序列以及其它調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成的基因調(diào)控單位順式作用元件（cis-actingelement）：可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列。包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子及沉默子等

2.2調(diào)節(jié)蛋白原核基因調(diào)節(jié)蛋白都是一些DNA結(jié)合蛋白阻遏蛋白介導(dǎo)的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制在原核生物普遍存在

原核：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白真核：轉(zhuǎn)錄因子（主要為反式作用因子）第7頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一正性調(diào)節(jié)機(jī)制在真核生物普遍存在

反式作用因子(trans-actingfactor)：某一基因的編碼產(chǎn)物，與其它基因的調(diào)節(jié)序列結(jié)合，調(diào)節(jié)其它基因的表達(dá)活性。大多數(shù)反式作用因子是DNA結(jié)合蛋白

3、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的作用機(jī)理（基本形式）：DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用、RNA聚合酶活性調(diào)節(jié)

3.1DNA-蛋白質(zhì)相互作用：反式調(diào)節(jié)因子與順式作用元件之間的特異識(shí)別及結(jié)合這種結(jié)合通常是非共價(jià)結(jié)合多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合DNA前需通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用形成二聚體或多聚體

第8頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一3.2蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用：二聚體是調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合DNA時(shí)最常見的形式，雜二聚體比同二聚體具更強(qiáng)的DNA結(jié)合能力

3.3RNA聚合酶：轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)最終由RNA聚合酶活性體現(xiàn)

五、原核與真核基因表達(dá)調(diào)控的區(qū)別

1、真核基因與原核基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

真核細(xì)胞基因組非常復(fù)雜：結(jié)構(gòu)龐大、重復(fù)序列、不連續(xù)性、單順反子（一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄、翻譯生成一條多肽鏈）

第9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一2、原核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)

σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性

操縱子（元）模型的普遍性：多順反子轉(zhuǎn)錄，通過調(diào)控單個(gè)啟動(dòng)基因的活性來完成協(xié)調(diào)表達(dá)

阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性：負(fù)性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)

3、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)

活性染色體結(jié)構(gòu)變化：對(duì)核酸酶高度敏感、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、DNA堿基修飾、組蛋白減少

正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)

轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行

第10頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)錄后修飾、加工

RNA聚合酶有三種

第二節(jié)原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

一、乳糖操縱子（元）的調(diào)節(jié)機(jī)制

1、乳糖操縱子(元)的結(jié)構(gòu)：I-CAP-P-O-Z-Y-A

結(jié)構(gòu)基因：Z、Y及A，分別編碼β-半乳糖苷酶、透酶和乙?；D(zhuǎn)移酶

控制序列：操縱序列O、啟動(dòng)序列P、分解代謝物基因激活蛋白(CAP，cAMP結(jié)合蛋白)結(jié)合位點(diǎn)

調(diào)節(jié)基因I：編碼阻遏蛋白（與O序列結(jié)合，關(guān)閉操縱子）

第11頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一2、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)

誘導(dǎo)物：別乳糖（由乳糖轉(zhuǎn)變而來）機(jī)理：別乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，促使阻遏蛋白從操縱序列脫離，誘導(dǎo)基因表達(dá)

3、CAP的正性調(diào)節(jié)

正調(diào)節(jié)物：cAMP

。葡萄糖可促使cAMP濃度降低

機(jī)理：cAMP與CAP結(jié)合形成復(fù)合物，促使CAP結(jié)合CAP位點(diǎn)，激活RNA聚合酶

4、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)負(fù)性調(diào)節(jié)與CAP正性調(diào)節(jié)兩種機(jī)制協(xié)調(diào)合作

功能相關(guān)基因協(xié)調(diào)合作，共同表達(dá)二、其它操縱子第12頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)真核基因表達(dá)調(diào)控

一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

二、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)

1、順式作用元件：啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子

啟動(dòng)子（promoter）：RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及一個(gè)以上的機(jī)能組件（TATA盒、GC盒、CAAT盒，等）

典型的啟動(dòng)子由TATA盒及上游的CAAT盒和/或GC盒組成

第13頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一增強(qiáng)子（enhancer）：遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)空特異性表達(dá)、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列，它的作用方式通常與方向、距離無關(guān)。增強(qiáng)子也是由若干機(jī)能組件──增強(qiáng)體（enhanson）組成

有些機(jī)能組件既可在增強(qiáng)子、也可在啟動(dòng)子中出現(xiàn)

沉默子（silencer）：結(jié)合特異蛋白因子時(shí)對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用

第14頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一2、反式作用因子：基本因子、特異因子

2.1基本轉(zhuǎn)錄因子：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轉(zhuǎn)錄的類別。TFⅡD是通用的基本因子

多數(shù)基本因子是不同RNA聚合酶所特有的

2.2特異轉(zhuǎn)錄因子：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)

3、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)：DNA結(jié)構(gòu)域、二聚化結(jié)構(gòu)域、轉(zhuǎn)錄激活區(qū)

第15頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一Commonpatternsofregulationoftranscriptioninitiation

負(fù)性調(diào)節(jié)正性調(diào)節(jié)1、誘導(dǎo)表達(dá)2、阻遏表達(dá)3、阻遏表達(dá)4、誘導(dǎo)表達(dá)調(diào)控方式第16頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一基因表達(dá)第17頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一高等生物酵母調(diào)控元件啟動(dòng)子的常見組件原核生物Consensussequenceforpromotersthatregulatetheexpressionofgenesinvolvedintheheat-shockresponseinE.coli.BindingofRNApolymerasetoheat-shockpromotersismediatedbyaspecializedβsubunitoftheenzymecalledσ32,whichreplacesσ70第18頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一Anoperon.GenesA,B,andCaretranscribedononepolycistronicmRNA.Typicalregulatorysequencesincludebindingsitesforproteinsthateitheractivateorrepresstranscriptionfromthepromoter操縱子結(jié)構(gòu)激活蛋白結(jié)合位點(diǎn)阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)子調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因調(diào)控元件第19頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)控蛋白第20頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)控蛋白第21頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)控蛋白第22頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一Aspace-fillingrepresentationofaCAPhomodimerboundtoDNA.Basepairsrecognizedbytheproteinareshowningreen,andaminoacidsidechainsthatbindtothesebasepairsareshowninred.NotethebendingoftheDNAaroundtheprotein

DNA-蛋白質(zhì)相互作用Aribbonrepresentationwithsubunitsshowninwhiteandlightblue.Thehelix-turn-helixDNA-bindingmotifisshowninred.BoundmoleculesofcAMPareshownindarkblue.CAP同源二聚體第23頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一ThebacteriophageλrepressorboundtoDNA.Thetwoidenticalsubunitsofthedimericproteinareshowningrayandlightblue.噬菌體阻遏蛋白DNA-蛋白質(zhì)相互作用第24頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一Twoexamplesofspecificaminoacid-basepairinteractionsthathavebeenobservedinthestructuresofDNA-boundregulatoryproteinsDNA-蛋白質(zhì)相互作用第25頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一噬菌體434阻遏蛋白thehelix-turn-helixmotifineachisshowninredandyellow.TheredhelicesaretherecognitionhelicesDNA-蛋白質(zhì)相互作用第26頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)控機(jī)理第27頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一1、抑制狀態(tài)2、誘導(dǎo)狀態(tài)一、乳糖操縱子的負(fù)性調(diào)節(jié)乳糖操縱子第28頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一乳糖操縱子的負(fù)性調(diào)控結(jié)構(gòu).Thebasesshadedbeigeexhibittwofold(palindromic)symmetryabouttheaxisindicatedbythedashedline.

乳糖操縱子第29頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一2、別乳糖的生成誘導(dǎo)物的結(jié)構(gòu)1、丙基硫代半乳糖苷乳糖操縱子第30頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一二、乳糖操縱子的正性調(diào)節(jié)正性調(diào)控序列啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)乳糖操縱子第31頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一正性調(diào)控乳糖操縱子第32頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一三、乳糖操縱子的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)1、只有正性誘導(dǎo)物2、同時(shí)有正、負(fù)性誘導(dǎo)物3、無正、負(fù)性誘導(dǎo)物4、只有負(fù)性誘導(dǎo)物乳糖操縱子第33頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一色氨酸操縱子第34頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一色氨酸操縱子阻遏蛋白結(jié)構(gòu)第35頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一色氨酸操縱子的前導(dǎo)序列色氨酸操縱子第36頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一前導(dǎo)序列的配對(duì)方式色氨酸操縱子第37頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一色氨酸操縱子的衰減機(jī)理1、Trp濃度高時(shí)衰減2、Trp濃度低時(shí)轉(zhuǎn)錄第38頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一阿拉伯糖操縱子第39頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一阿拉伯糖操縱子第40頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一噬菌體操縱子第41頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一其它操縱子類型第42頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一TheSOSresponseinE.coli.TheLexAproteinistherepressorinthissystem,withanoperatorsite(indicatedinred)neareachgene.(a)TherecAgeneisnotentirelyrepressedbytheLexArepressor,andabout1,000RecAproteinmonomersarenormallyfoundinthecell.(b)WhenDNAisextensivelydamaged(e.g.,byUVlight),DNAreplicationishaltedandthenumberofsingle-strandgapsintheDNAincreases.(c)RecAproteinbindstothissingle-strandedDNA,activatingtheprotein'scoproteaseactivity.(d)WhileboundtoDNAtheRecAproteinfacilitatesthecleavageandinactivationoftheLexArepressor.Whentherepressorisinactivated,theSOSgenes,includingrecA,areinduced.RecAproteinlevelsincrease50-to100-foldSOS反應(yīng)第43頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一SOS反應(yīng)第44頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一細(xì)菌鞭毛蛋白重組第45頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一AleucinezipperfromtheyeastactivatorproteinGCN4.Thehelicesareshowninwhiteandlightblue.TheinteractingLeuresiduesareshowninredandpurple.一、亮氨酸拉鏈（Leucinezippers）閉合拉鏈開放拉鏈拉鏈全貌反式作用因子第46頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一亮氨酸拉鏈反式作用因子第47頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一堿性α螺旋反式作用因子第48頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一鋅指結(jié)構(gòu)反式作用因子第49頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一(a)AribbonrepresentationofasinglezincfingerderivedfromtheregulatoryproteinZif268.Thezincatomisinorangeandtheaminoacidresiduesthatcoordinateit(twoHisandtwoCys)areshowninred.鋅指結(jié)構(gòu)(b)Threezincfingers(lightblueandgray)fromZif268areshowncomplexedwithDNA.Thezincatomsareagainshowninorange.

反式作用因子第50頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一真核基因表達(dá)調(diào)控第51頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一(a)TypicaleukaryotictranscriptionalactivatorsthataffectRNApolymeraseII.TFIIDisageneraltranscriptionfactor.CTFI,GAL4,andSplaretranscriptionalactivatorsthatbindtospecificDNAsites.PPP:proline-rich;--:acidic;QQQ:glutamine-rich.Someoralloftheseproteinsmayactivatetranscriptionviaintermediaryproteinscalledcoactivators.(b)AchimericproteinwiththeDNA-bindingdomainofSplandtheactivationdomainofCTFIactivatestranscriptionifaGCboxispresent.真核基因表達(dá)調(diào)控第52頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一個(gè)體發(fā)育與分化ThelifecycleofthefruitflyDrosophilamelanogaster

第53頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一果蠅幼蟲（蛹）最早期只有一組“母親效應(yīng)基因”表達(dá)，使受精卵發(fā)生頭尾軸和背腹軸固定三組“分節(jié)基因”順序表達(dá)、控制蛹的“分節(jié)”發(fā)育過程，最后這些“節(jié)”分別發(fā)育為成蟲的頭、胸、翅膀、肢體、腹及尾等

個(gè)體發(fā)育與分化第54頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一AmicrographofanimmunologicallystainedDrosop