基因表達(dá)調(diào)控

基因表達(dá)調(diào)控第一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五第二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五第三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五基因表達(dá)（geneexpression）是指基因組中結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等過程，合成蛋白質(zhì)，進(jìn)而發(fā)揮其特定的生物學(xué)功能的全過程。第四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五RNA的合成

4種NTP、DNA模板、RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄單位：結(jié)構(gòu)基因、啟動(dòng)子、終止子按堿基配對(duì)原則,沿5’---3’方向真核生物有三型RNA聚合酶分為起始階段、延長階級(jí)和終止階段轉(zhuǎn)錄后的產(chǎn)物經(jīng)加工成為成熟的RNA第五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)的合成合成體系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖體、某些酶與蛋白質(zhì)因子、ATP、GTP、MgmRNA編碼區(qū)的三個(gè)相鄰核苷酸組成密碼子tRNA起接合器作用，核糖體是合成場所和裝配機(jī)核糖體循環(huán)：起始、肽鏈延長和終止翻譯后加工：折疊、共價(jià)修飾、水解和亞單位的聚合第六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五基因表達(dá)及其調(diào)控的特點(diǎn)管家基因（housekeepinggene）在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。組成性基因表達(dá)（constitutivegeneexpression）管家基因的表達(dá)方式，較少受環(huán)境影響，在個(gè)體各生長階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)或變化很小。第七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五誘導(dǎo)表達(dá)（inductionexpression）有一些基因表達(dá)極易受環(huán)境影響，在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，基因的表達(dá)開放或增強(qiáng)。阻遏表達(dá)（repressionexpression）在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，基因的表達(dá)關(guān)閉或減弱。第八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五時(shí)間特異性（temporalspecificity）在多細(xì)胞生物，從受精卵到組織、器官形成的各個(gè)發(fā)育階段，相應(yīng)的基因嚴(yán)格按照一定的時(shí)間順序開啟或關(guān)閉?？臻g特異性（spatialspecificity）在個(gè)體生長全過程，某基因產(chǎn)物在不同組織空間順序出現(xiàn)。第九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五協(xié)調(diào)表達(dá)（coordinatedexpression）功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。又稱協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（coordinatedregulation）第十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五基因表達(dá)的調(diào)控（geneexpressionregulation）是指各種細(xì)胞中相同的遺傳信息，有規(guī)律的選擇性、程序性、適度的表達(dá)以適應(yīng)機(jī)體生長、發(fā)育、繁殖以及環(huán)境變化的需要，發(fā)揮其生理功能的調(diào)節(jié)和控制。第十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五基因表達(dá)調(diào)控的生理意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖維持個(gè)體發(fā)育與分化第十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五基因表達(dá)調(diào)控的基本原理基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本因素特異DNA序列調(diào)節(jié)蛋白DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用RNA聚合酶第十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五Transcription5’GATCTGACTGACATAGACATAGAT3’

coding(=non-template)strand3’CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA5’

templatestrand

5’GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU3’mRNA

第十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)

原核生物基因表達(dá)的調(diào)控第十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五一轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

（一）影響轉(zhuǎn)錄的因素啟動(dòng)子σ因子阻遏蛋白正調(diào)控蛋白倒位蛋白R(shí)NA聚合酶抑制物衰減子第十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五操縱子（operon）調(diào)控區(qū)信息區(qū)啟動(dòng)子操縱基因第十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五啟動(dòng)子決定轉(zhuǎn)錄方向及模板鏈：E.coli的啟動(dòng)子長約40-60bp，至少包括三個(gè)功能區(qū)。起始部位（initiationsite）＋1結(jié)合部位（bindingsite）-10bp，RNA聚合酶與之結(jié)合T80A95T45A60A50T96識(shí)別部位（recognitionsite）-35bp，σ因子與之結(jié)合T82G78A65C54A95第十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五σ因子不同的因子σ可以競爭性的結(jié)合RNA聚合酶,環(huán)境變化可由到產(chǎn)生特定的σ因子，從而打開一套特定的基因。阻遏蛋白（repressor）與DNA結(jié)合后都是抑制轉(zhuǎn)錄，這種基因表達(dá)調(diào)控的方式稱為負(fù)調(diào)控。第十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五正調(diào)控蛋白與DNA結(jié)合后促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，這種基因表達(dá)調(diào)控的方式稱為正調(diào)控。CAP蛋白(catabolicgeneactivatorprotein，CAP)分解代謝物基因活化蛋白ntrC蛋白是大腸桿菌氮代謝基因激活蛋白，其自身活性可通過ntrB使其磷酸化（有活性）和去磷酸化（無活性）而被調(diào)節(jié)第二十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五consensusTATA(Pribnow)boxE.coliPromoters

第二十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五倒位蛋白（inversionprotein）是一種位點(diǎn)特異的重組酶。沙門菌H1和H2鞭毛蛋白分別由兩個(gè)基因編碼，在一個(gè)細(xì)菌克隆中以表達(dá)一種鞭毛抗原為主。衰減子（attenuator）又稱弱化子，位于操縱子中第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因之前，是一段能減弱轉(zhuǎn)錄作用的序列。第二十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五RNA聚合酶抑制物細(xì)菌在缺乏氨基酸的環(huán)境中，RNA聚合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成減少或停止這種現(xiàn)象稱為嚴(yán)謹(jǐn)反應(yīng)（stringentresponse）第二十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五Positivevs.NegativeRegulation第二十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五AllostericEffectorsBindingcanalsoberequiredforbindingofrepressor(e.g.Trp)orcanblockanactivator.第二十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五（二）轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子調(diào)控的機(jī)制阿拉伯糖操縱子的調(diào)控機(jī)制色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制第二十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五1.乳糖操縱子（lacoperon）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三個(gè)結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A，分別編碼β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)、透酶(permease)和半乳糖苷乙?；?galactosideacetylase)其上游還有一個(gè)啟動(dòng)子（P）和一個(gè)操縱基因（O）啟動(dòng)子上游還有一個(gè)CAP蛋白結(jié)合位點(diǎn)第二十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五OrganizationofLacOperonandLacIOperonpromoterRibosomeinitiation第二十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五RegulationofGeneExpressionIPTGalsoinducesSplitslactoselactosetransport??（異丙基硫代半乳糖苷）半乳糖第二十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五第三十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五cAMPAMPACAdenylatecyclaseandCAPmediateglucoserepressionofLacAdenylatecyclase(AC)isanenzymethatsynthesizescyclicAMP(cAMP)fromATPHighglucose

adenylatecyclaseisinhibited(indirectly,viaacatabolicproduct)

ThereforecAMPlevelsareLOWAbsenceofglucoseadenylatecyclaseisNOTrepressed

ThereforecAMPlevelsareHIGHcAMPformsacomplexwiththeCAPprotein,whichallowsittothenbindtotheCAPsiteupstreamoftheLacoperon.BindingoftheCAPproteinisrequiredtoallowRNApolymerasetobindtothelacpromoterandturnontranscription.IntheabsenceofCAPbinding,thereisno(orverylittle)transcriptionofthelactoseoperon,eveninthepresenceoflactose.glucose第三十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五CAPBindingBendsDNAvThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding第三十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五CAPmediatesglucoserepressionofLacPromotestranscription第三十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五調(diào)控機(jī)制I基因編碼產(chǎn)生阻遏蛋白，阻遏蛋白為四聚體，在沒有乳糖的條件下，阻遏基因與操縱基因結(jié)合。當(dāng)有乳糖存在時(shí)，經(jīng)透酶作用進(jìn)入細(xì)胞，在β-半乳糖苷酶催化下轉(zhuǎn)變成半乳糖，后者作為誘導(dǎo)劑（inducer）與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白與操縱基因解聚，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。第三十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五Lactose

Glucose-+--+-++LacICAP-cAMPFourStatesoftheLacOperon第三十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五2.阿拉伯糖操縱子（araoperon）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因B、A、D，分別編碼異構(gòu)酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸木酮糖調(diào)控區(qū)由啟動(dòng)子（P）、起始區(qū)（I）和操縱基因（O）構(gòu)成第三十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五CAP第三十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五調(diào)控機(jī)制C基因是調(diào)節(jié)基因，編碼調(diào)控蛋白AraC，AraC蛋白單獨(dú)存在時(shí)，結(jié)合到araO1和araO2，表現(xiàn)出負(fù)調(diào)控；阿拉伯糖使AraC蛋白變構(gòu)，結(jié)合到araI上，表現(xiàn)正調(diào)控。在ara操縱子基因表達(dá)調(diào)控中，CAP蛋白的調(diào)控作用不顯著。第三十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五TheArabinoseOperon

ThislooppreventsRNAtranscription(NOTtrueforallloops)NoArabinosepresent,operonOFFArabinosepresent,Glucoseabsent,operonON第三十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五調(diào)控作用有葡萄糖，有或無阿拉伯糖：關(guān)閉無葡萄糖，無阿拉伯糖：關(guān)閉無葡萄糖，有阿拉伯糖：開放第四十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五3.色氨酸操縱子（trpoperon）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)E.coli的色氨酸操縱子有五個(gè)結(jié)構(gòu)基因E、D、C、B、A基因編碼三種酶，用于合成色氨酸，上游調(diào)控區(qū)由啟動(dòng)子（P）和操縱基因（O）組成R基因編碼阻遏蛋白第四十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五第四十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五GenomicOrganizationoftheTrpOperon

第四十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五調(diào)控機(jī)制阻遏型操縱子及衰減機(jī)制。衰減子位于結(jié)構(gòu)基因E和操縱基因O之間的L基因中。L基因的部分轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物編碼14個(gè)氨基酸，其中含兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，這兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子及原核生物中轉(zhuǎn)錄和翻譯的偶聯(lián)是產(chǎn)生衰減的基礎(chǔ)。調(diào)控作用將環(huán)境中的色氨酸消耗完，然后開始自身合成。第四十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五ControlofGeneExpressionintheTrpOperonTheenzymecatalyzingthefirststepinthepathwayisinhibitedbyTrp(feedbackcontrol).InthepresenceofTrp,arepressorproteinbindstoanoperatorupstreamoftheTrpoperonandshutsofftranscriptionAttenuation.Thereisa160basepairregionintheTrpmRNAthatcausestranscriptiontoterminateprematurelyifTrpispresent.第四十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五TrranscriptionalControl第四十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五AttenuationControl第四十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五二翻譯水平的調(diào)控SD序列（Shine-Dalgarnosequence）原核細(xì)胞多順反子mRNA上的一段序列，位于起始密碼子上游SD序列與起始密碼子的距離、蛋白質(zhì)對(duì)SD序列的作用，影響翻譯的起始mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)隱蔽SD序列的作用第四十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五mRNA的穩(wěn)定性mRNA的降解速度是翻譯調(diào)控的一個(gè)重要因素mRNA的穩(wěn)定與其序列和結(jié)構(gòu)（即一級(jí)結(jié)構(gòu)與次級(jí)結(jié)構(gòu)）有關(guān)第四十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五翻譯產(chǎn)物對(duì)自身翻譯的影響核糖體蛋白50種蛋白質(zhì)分布于不同操縱子各自編碼一種可結(jié)合于mRNA多順反子上游特定部位的蛋白質(zhì)，阻止核蛋白體結(jié)合翻譯終止因子RF2調(diào)節(jié)自身的翻譯前25個(gè)密碼子與后315個(gè)密碼子間的UGAC在無RF2時(shí)框移第五十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五小分子RNA的調(diào)控作用調(diào)整基因表達(dá)產(chǎn)物的類型mRNA干擾性互補(bǔ)RNA（mRNAinterferingcomplementaryRNA，micRNA）低水平表達(dá)基因的調(diào)控小分子RNA阻遏物在翻譯水平嚴(yán)格控制低水平基因表達(dá)第五十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)

真核基因的表達(dá)調(diào)控第五十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五一

DNA水平的調(diào)控染色質(zhì)丟失低等生物及動(dòng)物紅細(xì)胞，不可逆基因擴(kuò)增基因重排基因片段改變原銜接順序，重排為完整的轉(zhuǎn)錄單位第五十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五DNA甲基化與基因的表達(dá)成反比關(guān)系直接改變基因的構(gòu)型影響轉(zhuǎn)錄因子與順式作用元件結(jié)合5′端調(diào)控序列甲基化后與核內(nèi)甲基化CG序列結(jié)合蛋白結(jié)合DNaseⅠ高敏感區(qū)為去甲基化的標(biāo)志染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變組蛋白與DNA結(jié)合與解離非組蛋白與組蛋白競爭結(jié)合DNA，解除組蛋白對(duì)基因表達(dá)的抑制第五十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五二轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

(一)轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成:真核生物的RNA聚合酶識(shí)別的不是單純的DNA序列，而是由一個(gè)通用轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactor,TF）與DNA形成的蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物TFIID結(jié)合TATA盒RNA聚合酶結(jié)合TFⅡD，形成閉合的復(fù)合物其它TF與RNA聚合酶形成開放的復(fù)合物第五十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五（二）反式作用因子真核細(xì)胞內(nèi)序列特異的DNA（8-15bp）結(jié)合蛋白可以使基因開放（正調(diào)控）或關(guān)閉（負(fù)調(diào)控）三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合域，轉(zhuǎn)錄活性域，結(jié)合其它蛋白結(jié)構(gòu)域第五十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五DNAStructure–Major

andMinorGrooves第五十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五DNA結(jié)合域（DNA-bindingdomain）鋅指結(jié)構(gòu)（Zincfingermotif）同源結(jié)構(gòu)域（Homodomain）亮氨酸拉鏈（Leucinezipper）螺旋－環(huán)－螺旋(Helix-loop-helixstructure)堿性α

螺旋（Alkalineα-helix）第五十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五ZincFingerMotif第五十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五Helix-Turn-HelixMotif第六十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五LeucineZipper第六十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五LeucineZipperZipper:every7thresidueisaLeuHydrophobicinterface第六十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五H-BondinginaProtein-DNAInteraction第六十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域（transcriptionalactivationdomain）酸性α-螺旋結(jié)構(gòu)域（acidicα–helixdomain）富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域（glutamine-richdomain）富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域（proline-richdomain）第六十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五（三）轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控反式作用因子的活性調(diào)節(jié)表達(dá)式調(diào)節(jié)合成后即有活性，不能積累共價(jià)修飾磷酸化、去磷酸化，糖基化配體結(jié)合激素受體蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用復(fù)合物的解離與形成第六十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五反式作用因子與順式元件的結(jié)合反式作用因子的作用方式成環(huán)扭曲滑動(dòng)Oozing反式作用因子的組合式調(diào)控作用組合式基因調(diào)控（conbinatorialgeneregulation）幾種反式作用因子組合而發(fā)揮特定作用第六十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五四轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控加帽和加尾的調(diào)控意義選擇剪接的調(diào)控作用選擇剪接（alternativesplicing）：exon，intron是否出現(xiàn)在成熟mRNA是可以選擇的Exon選擇，intron選擇，互斥exon，內(nèi)部剪接位點(diǎn)mRNA運(yùn)輸?shù)目刂频诹唔摚财呤?，編輯?023年，星期五第六十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五第六十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五第七十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五

Recentgenome-wideanalysesofalternativesplicingindicatethat40–60%ofhumangeneshavealternativespliceforms,suggestingthatalternativesplicingisoneofthemostsignificantcomponentsofthefunctionalcomplexityofthehumangenome.Herewerevie