生物化學(xué)第十三章 基因表達調(diào)控課件

第十三章

基因表達調(diào)控

RegulationofGeneExpression

匯報人：某某某匯報時間：2023.X.X第一節(jié)

基本概念與原理BasicConceptionsandPrinciple一、基因表達的概念*基因組(genome)一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過程。*基因表達(geneexpression)基因表達是受調(diào)控的二、基因表達的時間性及空間性（一）時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。（二）空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatialspecificity)。三、基因表達的方式按對刺激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為：（一）組成性表達某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達(constitutivegeneexpression)。（二）誘導(dǎo)和阻遏表達在特定環(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?？烧T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)。在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，即為協(xié)調(diào)表達(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。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)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾轉(zhuǎn)錄起始（二）基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)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)。1.特異DNA序列和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)原核生物

蛋白質(zhì)因子——操縱子(operon)

機制特異DNA序列編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)是RNA聚合酶結(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。2

操縱序列

——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點當(dāng)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聚合酶活性。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。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。

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。cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié)mRNAC蛋白質(zhì)CBAmRNA蛋白質(zhì)AA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)。2.DNA-蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用3.RNA聚合酶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(dāng)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。第二節(jié)

原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)RegulationofProkaryoticGeneTranscription——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）阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制（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ZYAOPDNAmRNA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阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶++++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（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)※當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；※如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。

單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；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。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

mRNA低半乳糖時高半乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO第三節(jié)

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

堿基對編碼基因約有40000個，占總長的6%rDNA等重復(fù)基因約占5%~10%（二）單順反子單順反子(monocistron)

即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。（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（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。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。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、加工三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)（一）順式作用元件1.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(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。（二）反式作用因子

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。*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最常見的DNA結(jié)合域

1.鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結(jié)合GC盒ZnCysHis

2.α-螺旋常結(jié)