動物分子生物學課件：第六章 基因的表達調控- 1

第六章基因的表達調控RegulationofGeneExpression本章主要內容基本概念和原理原核生物基因表達調控真核生物基因表達調控第一節(jié)基本概念和原理一.基因表達和調控的基本概念1.基因表達（geneexpression）：指基因所攜帶的遺傳信息，經轉錄合成RNA和經翻譯合成特定蛋白質的過程?；虮磉_的產物為RNA(tRNA、mRNA、rRNA和miRNA等)和蛋白質或多肽。

DNA

RNA

Protein轉錄翻譯transcriptiontranslation基本概念和原理2.基因表達調控(regulationofgeneexpression)：指基因表達在不同階段或不同組織受到嚴格調控的過程。DNA

RNA

Protein轉錄翻譯transcriptiontranslation基因表達調控轉錄水平基因表達調控翻譯水平

原核生物基因表達調控簡單清楚

真核生物基因表達調控

復雜部分清楚、部分有待研究二.基因表達的規(guī)律與方式時間特異性指按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，又稱階段特異性。空間特異性指在個體生長發(fā)育過程中，某種基因產物按不同的組織空間順序出現，又稱為細胞特異性或組織特異性。1.基因表達的時空特異性基因表達的時空特異性基因表達的時空特異性魚骨紋虎斑貓古典虎斑貓體節(jié)（segments）的形成EmbryonicstructurescalledSOMITES2.基因表達的方式（1）組成型表達（constitutiveexpression）基因表達較少受環(huán)境因素的影響，在個體發(fā)育的任意階段都能在大多數細胞中持續(xù)穩(wěn)定表達。具有組成型表達方式的基因稱作看家基因（housekeepinggene）。一般是組成細胞的結構蛋白基因和維持細胞基本代謝的酶基因等。（2）誘導和阻遏型表達誘導型表達（inductiveexpression）在特定環(huán)境信號刺激下，基因表達表現為開放或增強，使表達產物增加。阻遏型表達（repressiveexpression）在特定環(huán)境信號刺激下，基因表達表現為關閉或抑制，使表達產物減少。只在特定的時間或組織才表達，與生物發(fā)育、細胞分化等過程緊密相關的一類基因，稱作奢侈基因。如參與其他基因表達調控的RNA或蛋白質的編碼基因。三.基因表達調控的基本原理1.基因表達的多級調控轉錄水平，轉錄后水平，翻譯水平和翻譯后水平上的調控，包括基因結構活化、轉錄起始、轉錄后加工、翻譯起始及翻譯后的加工DNA

RNA

Protein轉錄翻譯transcriptiontranslation基因表達調控轉錄水平基因表達調控翻譯水平三.基因表達調控的基本原理2.基因轉錄激活的調控體系特異DNA序列（順式作用元件，cis-actingelement）與調控蛋白（反式作用因子，trans-actingfactor）的相互作用（1）特異DNA序列（順式作用元件）指基因組中可以調控自身基因表達活性的特異DNA序列。順式作用元件通常不編碼蛋白質，但能夠被轉錄調節(jié)蛋白特異識別和結合，從而影響基因表達的活性。如啟動子、增強子、沉默子、衰減子和絕緣子等。順式作用元件只在原位發(fā)揮DNA序列的作用，僅影響與其物理相連的DNA序列的活性，這種作用方式稱作順式作用。啟動子（promoter）RNA聚合酶識別、結合，啟動基因轉錄的一段DNA序列。增強子(enhancer)能與轉錄激活蛋白結合，增強轉錄活性的DNA序列。沉默子(silencer)能與轉錄抑制蛋白結合，抑制轉錄活性的DNA序列。絕緣子(insulator)長約數百個核苷酸，通常位于啟動子和增強子或啟動子與沉默子之間，阻斷增強子或沉默子的作用。

啟動子（promoter）

RNA聚合酶識別、結合，啟動基因轉錄的一段DNA序列

啟動子

增強子(enhancer)

能與轉錄激活蛋白結合，增強轉錄活性的DNA序列

增強子增強子增強子

沉默子(silencer)

能與轉錄抑制蛋白結合，抑制轉錄活性的DNA序列

沉默子

絕緣子(insulator)

長約數百個核苷酸，通常位于啟動子和增強子或啟動子與沉默子之間，阻斷增強子或沉默子的作用

絕緣子（2）調節(jié)蛋白（反式作用因子）結合順式作用元件調控基因表達的游離基因產物。是基因表達的產物，包括蛋白質和RNA。能直接或間接與順式作用元件相互作用，進而調控基因表達。反式作用因子從合成的場所擴散到目標場所而發(fā)揮作用，這種作用方式稱作反式作用。反式作用因子原核生物的調節(jié)蛋白特異因子決定RNA聚合酶對啟動子的特異識別和結合能力。如RNA聚合酶的σ因子。阻遏蛋白由調節(jié)基因表達的蛋白，通過與操縱序列結合，阻遏基因轉錄。激活蛋白由調節(jié)基因表達的蛋白，與啟動子上游DNA序列結合，促進RNA聚合酶與啟動子結合，促進基因轉錄。真核生物的調節(jié)蛋白基本轉錄因子是指能夠直接或間接與啟動子核心序列及RNA聚合酶特異結合，并啟動基因轉錄的一類調節(jié)蛋白。是構成基礎轉錄裝置所需的一類通用轉錄因子。轉錄調節(jié)因子能識別并結合啟動子上游的調節(jié)序列和遠端的增強子或沉默子元件，通過DNA-蛋白質相互作用而調節(jié)基因轉錄活性。包括轉錄激活因子（activator）和轉錄抑制因子(repressor)共調節(jié)因子：是指通過與轉錄基本因子或轉錄調節(jié)因子發(fā)生蛋白-蛋白相互作用，影響他們的分子構象，進而調節(jié)基因轉錄活性的一類蛋白質。小結：基因表達調控1.基因表達的多級調控轉錄水平，轉錄后水平，翻譯水平和翻譯后水平上的調控，包括基因結構活化、轉錄起始、轉錄后加工、翻譯起始及翻譯后的加工2.基因轉錄激活的調控體系特異DNA序列（順式作用元件，cis-actingelement）與調控蛋白（反式作用因子，trans-actingfactor）的相互作用第二節(jié)原核生物基因表達調控原核生物基因表達調控的方式及特點方式特點調控機制

--操縱子正調控（開啟基因表達）負調控（關閉基因表達）轉錄翻譯偶聯快速乳糖操縱子--負、正調控轉錄起始的調控色氨酸操縱子--負調控轉錄起始、終止的調控一.操縱子（operon）學說操縱子（操縱元）指原核生物染色體上一組連續(xù)排列、協調表達、功能相關的基因，是基因表達和調控的一個完整單元，包括調節(jié)基因，啟動子，操縱序列和結構基因。調節(jié)基因（R）結構基因操縱序列（O）啟動子（P）乳糖操縱子（lacoperon）操縱子的基本結構調節(jié)基因（R）結構基因操縱序列（O）啟動子（P）調節(jié)蛋白表達調控蛋白結合部位RNA聚合酶結合部位多順反子mRNA轉錄結構基因：編碼幾個功能相關的蛋白質,常是在一個代謝途徑中催化不同反應步驟的酶。多順反子：由多個結構基因串聯在一起，受同一個啟動子調控，轉錄生產一條mRNA,翻譯生成多個蛋白質。啟動子(promoter)是結構基因的RNA聚合酶識別和結合的位點。操縱子（operator）是與啟動子相鄰的順式作用元件，能與調控蛋白特異結合，影響基因轉錄的DNA序列。調節(jié)基因（regulator）編碼能與操縱基因結合的調控蛋白，包括激活蛋白和阻遏蛋白，有獨立的啟動子。

二.操縱子調控系統的類型（一）依據操縱子對調節(jié)蛋白的響應來劃分

正控制系統（positivecontrol）負控制系統（negativecontrol）調節(jié)基因操縱序列正控制系統（positivecontrol）在無調節(jié)蛋白存在時基因關閉，加入調節(jié)蛋白后基因表達被開啟。調節(jié)蛋白稱為無輔基誘導蛋白（apoinducer），也叫激活蛋白（activatorprotein,AP）。負控制系統（negativecontrol）在無調節(jié)蛋白存在時基因表達，加入調節(jié)蛋白后基因表達被關閉。調節(jié)蛋白稱為阻遏蛋白（repressor）。Note:

“關閉”并不是絕對的，是指基因表達量很低，但還殘留著本底水平的表達；“負控制”在生物體中普遍存在，提供了“萬一”保安機制。

阻遏蛋白：活性和無活性的激活蛋白：活性和無活性尾長雞(日本)（二）根據操縱子對調控蛋白及小分子調節(jié)物的應答反應性質，劃分為：可誘導的操縱子（inducibleoperon）可阻遏的操縱子（repressibleoperon）

基因轉錄被開啟的過程稱為誘導（induction）。小分子調節(jié)物：誘導物（Inducer）

基因轉錄被關閉的過程稱為阻遏（repression）。小分子調節(jié)物：輔阻遏物（Corepressor）一:可誘導的操縱元抑制誘導轉錄翻譯在負調控系統中，調節(jié)基因的產物是阻遏蛋白(repressor)。其作用部位是操縱區(qū)，與操縱區(qū)結合后抑制結構基因轉錄。負控誘導系統－－活性阻遏蛋白不與誘導物結合時，阻遏蛋白與操縱區(qū)相結合，結構基因不轉錄；阻遏蛋白結合誘導物后，與操縱區(qū)分離，結構基因開始轉錄。轉錄:關開負控誘導系統調節(jié)基因操縱序列正控誘導系統在正調控系統中，調節(jié)基因的產物是激活蛋白(activator)。激活蛋白與DNA的啟動子及RNA聚合酶結合后，結構基因轉錄才會進行。在正控誘導系統中，誘導物的存在使失活的激活蛋白變?yōu)榛钚誀顟B(tài)，結構基因轉錄進行。負控誘導系統正控誘導系統結構基因轉錄:關開二:

可阻遏的操縱子（repressibleoperon）

基因轉錄被關閉的過程稱為阻遏（repression）。小分子調節(jié)物：輔阻遏物（Corepressor）正控阻遏系統在正調控系統中，調節(jié)基因的產物是激活蛋白(activator)。激活蛋白與啟動子及RNA聚合酶結合后，結構基因轉錄才會進行。在正控阻遏系統中，效應物（輔阻遏物）的存在使活性激活蛋白變?yōu)榉腔钚誀顟B(tài)，結構基因轉錄受抑制。負控阻遏系統在負調控系統中，調節(jié)基因的產物是阻遏蛋白(repressor)。其作用部位是操縱區(qū)，與操縱區(qū)結合后抑制結構基因轉錄。負控阻遏系統－－失活的阻遏蛋白不與效應物（輔阻遏物）結合時，結構基因轉錄；當與效應物結合后，變成有活性的阻遏蛋白，與操縱區(qū)結合，結構基因不能轉錄。CorepressorCorepressor負控阻遏系統正控阻遏系統基因轉錄:開關（三）細菌中的轉錄調控系統在負調控系統中，調節(jié)基因的產物是阻遏蛋白(repressor)。其作用部位是操縱區(qū)，與操縱區(qū)結合后抑制結構基因轉錄。負控誘導系統－－活性阻遏蛋白不與誘導物結合時，阻遏蛋白與操縱區(qū)相結合，結構基因不轉錄；阻遏蛋白結合誘導物后，與操縱區(qū)分離，結構基因開始轉錄。負控阻遏系統－－失活的阻遏蛋白不與效應物（輔阻遏物）結合時，結構基因轉錄；當與效應物結合后，變成有活性的阻遏蛋白，與操縱區(qū)結合，結構基因不能轉錄。細菌中的轉錄調控系統在正調控系統中，調節(jié)基因的產物是激活蛋白(activator)。激活蛋白與DNA的啟動子及RNA聚合酶結合后，結構基因轉錄才會進行。在正控誘導系統中，誘導物的存在使失活的激活蛋白變?yōu)榛钚誀顟B(tài)，結構基因轉錄進行。在正控阻遏系統中，效應物（輔阻遏物）的存在使活性激活蛋白變?yōu)榉腔钚誀顟B(tài)，結構基因轉錄受抑制?；虮磉_調控的四種基本模式阻遏圖1圖2圖3圖4三.乳糖操縱子（lactoseoperon）現象:大腸桿菌培養(yǎng)皿中只有葡萄糖時，乳糖分解酶很少產生，加入乳糖后，乳糖分解酶大量產生；撤去乳糖后，乳糖分解酶迅速消失。即分解底物的酶只有在底物存在時才出現。問題：乳糖與乳糖分解酶的關系？乳糖的角色？Glucose

+Othersugar葡萄糖和其他糖類同時存在時，細菌優(yōu)先利用葡萄糖。與葡萄糖代謝相關的酶基因——表達；與其他糖代謝相關的酶基因——關閉。乳糖操縱子有兩套控制系統：正控制系統和負控制系統。與乳糖代謝有關的酶基因——表達；與葡萄糖代謝有關的酶基因——關閉。Glucose–Lactose+葡萄糖消耗盡，乳糖存在時，細菌可利用乳糖。乳糖操縱子有兩套控制系統：正控制系統和負控制系統。IPOZYA調控基因調節(jié)區(qū)

結構基因(Lac)阻遏蛋白啟動序列cAMP-CAP結合位點操縱序列β半乳糖苷酶通透酶乙?；D移酶乳糖操縱子的結構CAP常形成二聚體，能被cAMP激活，結合于啟動子區(qū)，激活下游結構基因的轉錄1.CAP的正調控作用CAP（cataboliteactivatorprotein，分解代謝物激活蛋白）：是乳糖操縱子的激活蛋白。

CRP（cAMPreceptorprotein，cAMP受體蛋白）：是CAP的非活性形式。

cAMP（環(huán)化腺苷酸）：能夠將CRP轉化為CAP。大腸桿菌細胞在有葡萄糖存在時，優(yōu)先使用葡萄糖，而不使用其他糖類，這種選擇作用由葡萄糖的分解代謝物（catabolite

）控制，因而把這種控制方式稱為分解代謝物阻遏作用。分解代謝物阻遏作用（cataboliterepression）激活缺少葡萄糖時，cAMP濃度增高，使活化的CAP濃度增高，CAP-cAMP復合物與啟動子區(qū)CAP位點結合，開放聚合酶通道，促進結構基因的大量轉錄。葡萄糖存在時，葡萄糖的分解代謝物抑制cAMP的形成，從而使CAP濃度不能有效增高，阻遏了CAP的正調控作用，從而抑制結構基因的轉錄。促進轉錄ZYAOPDNACAP無葡萄糖，cAMP濃度高，與CAP結合，促進轉錄CAPCAPCAPCAP有葡萄糖，cAMP濃度低，不能激活CAP，不促進轉錄CAPCAP對乳糖操縱子的正調控作用2.阻遏蛋白的負調控作用沒有乳糖時，調節(jié)基因產生的阻遏蛋白結合在操縱子O上，阻止結合在啟動基因P上的RNA聚合酶的作用，關閉結構基因的表達。當培養(yǎng)基中存在乳糖時，乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白構象改變，不能結合到O上，打開操縱子開關，結構基因得以轉錄。乳糖的誘導作用乳糖操縱子對葡萄糖的利用是可阻遏的正控制系統；對乳糖的利用是可誘導的負控制系統！小結有葡萄糖存在時，細菌優(yōu)先選擇葡萄糖供應能量。葡萄糖通過降低cAMP濃度，阻礙cAMP與CAP結合而抑制乳糖操縱子轉錄，使細菌只能利用葡萄糖。在沒有葡萄糖而只有乳糖的條件下，乳糖作為誘導物，使阻遏蛋白與O序列解聚，同時細胞內cAMP濃度升高，使CAP結合cAMP后與乳糖操縱子的CAP位點結合，激活轉錄，使細菌能夠利用乳糖。

由于Plac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱子轉錄開放，還不能使細菌很好利用乳糖，必需同時有CAP來加強轉錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。四.色氨酸操縱子（trpoperon）現象:大腸桿菌培養(yǎng)基中無色氨酸時，色氨酸合成酶出現加入色氨酸時，色氨酸合成迅速停止問題:

色氨酸與色氨酸合成酶的關系？色氨酸的角色？合成底物的酶只有在底物缺少時才出現色氨酸操縱子的結構調控基因：trpR，編碼阻遏蛋白（無活性）調控區(qū)：trpP,trpO,trpL（前導序列）結構基因：trpE,trpD,trpC,trpB,trpA（編碼一系列合成色氨酸的酶）缺乏色氨酸時，阻遏蛋白無活性，不能結合于操縱區(qū)，結構基因可轉錄。1.可阻遏的負控制系統存在色氨酸時，色氨酸充當輔阻遏物，阻遏蛋白與其結合，變?yōu)橛谢钚缘淖瓒舻鞍?，抑止操縱子結構基因的轉錄。2.衰減子系統－－更為精細的調控