基因表達調(diào)控-基本概念與原理

1、 基基因因表表達達調(diào)調(diào)控控第第十十三三章章 第一節(jié)第一節(jié)基本概念與原理基本概念與原理 一、基因表達的概念一、基因表達的概念 基因組基因組 (genome)：一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或 整套基因。整套基因?；虮磉_基因表達 (gene expression)：在一定調(diào)節(jié)機制控制下，基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄及在一定調(diào)節(jié)機制控制下，基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄及 翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學功能的蛋白質(zhì)翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學功能的蛋白質(zhì) 分子的過程。分子的過程。 二、基因表達的特性二、基因表達的特性( (一一) ) 時間特異性時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴按功能需要，某一

2、特定基因的表達嚴 格按特定的時間順序發(fā)生。格按特定的時間順序發(fā)生。多細胞生物基因表達表現(xiàn)為與分化、多細胞生物基因表達表現(xiàn)為與分化、 發(fā)育階段一致的時間性，因此又稱發(fā)育階段一致的時間性，因此又稱階段階段 特異性。特異性。 ( (二二) ) 空間特異性空間特異性在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)。在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)。這種空間分布差異，實際上是由細這種空間分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，因此又稱為胞在器官的分布決定的，因此又稱為細細胞或組織特異性胞或組織特異性。 三、基因表達的方式三、基因表達的方式 ( (一一) ) 組成性

3、表達組成性表達 某些基因在一個生物個體的幾乎所有某些基因在一個生物個體的幾乎所有 細胞中持續(xù)表達，通常被稱為細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因管家基因 ( (house-keeping gene)house-keeping gene)。 由于這類基因表達變化很小，所由于這類基因表達變化很小，所 以又稱為以又稱為組成性表達組成性表達。 ( (二二) ) 誘導和阻遏表達誘導和阻遏表達 在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因 被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因 稱為稱為可誘導基因可誘導基因?？烧T導基因在特定環(huán)境中表達增強的可誘導基因在特定環(huán)

4、境中表達增強的 過程稱為過程稱為誘導誘導( (induction)induction)。 如果基因?qū)Νh(huán)境信號應答時被抑制，如果基因?qū)Νh(huán)境信號應答時被抑制， 這種基因是這種基因是可阻遏基因。可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物降低的過程稱可阻遏基因表達產(chǎn)物降低的過程稱 為為阻遏阻遏( (repression)repression)。 在一定機制控制下，功能上相關在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，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，即為均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，即為協(xié)調(diào)表協(xié)調(diào)表達達( (coordinate expression)coordinate ex

5、pression)。 這種調(diào)節(jié)稱為這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)( (coordinate coordinate regulation)regulation)。 四、基因表達調(diào)控的生物學意義四、基因表達調(diào)控的生物學意義 ( (一一) ) 適應環(huán)境、維持生長和增殖適應環(huán)境、維持生長和增殖生物體賴以生存的外環(huán)境是在不斷變化的，生物體賴以生存的外環(huán)境是在不斷變化的， 為了生存，所有活細胞都必須對外環(huán)境變化為了生存，所有活細胞都必須對外環(huán)境變化作出適當反應，調(diào)節(jié)代謝，以適應環(huán)境變化。作出適當反應，調(diào)節(jié)代謝，以適應環(huán)境變化。生物體適應環(huán)境、調(diào)節(jié)代謝的能力與蛋白質(zhì)生物體適應環(huán)境、調(diào)節(jié)代謝的能力與蛋白質(zhì)分子的

6、生物學功能有關。而蛋白質(zhì)的水平又分子的生物學功能有關。而蛋白質(zhì)的水平又受基因表達的調(diào)控。受基因表達的調(diào)控。 ( (二二) ) 維持個體發(fā)育與分化維持個體發(fā)育與分化多細胞生物調(diào)節(jié)基因的表達除為適應環(huán)多細胞生物調(diào)節(jié)基因的表達除為適應環(huán) 境外，還有維持組織器官分化、個體發(fā)育的境外，還有維持組織器官分化、個體發(fā)育的 功能。功能。當某種基因缺陷或表達異常時，則會出當某種基因缺陷或表達異常時，則會出 現(xiàn)相應組織或器官的發(fā)育異?！，F(xiàn)相應組織或器官的發(fā)育異常。 五、基因表達調(diào)控的基本原理五、基因表達調(diào)控的基本原理 ( (一一) ) 基因表達的多級調(diào)控基因表達的多級調(diào)控 基因激活基因激活轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加

7、工及轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)錄后加工及轉(zhuǎn)運翻譯翻譯翻譯后加工翻譯后加工 (二二) 基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素 1. 特異特異DNA序列序列(1) 原核生物的操縱子原核生物的操縱子操縱子操縱子(operon)：通常由：通常由2個以上的編碼序個以上的編碼序 列與啟動序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列列與啟動序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列 在基因組中成簇串聯(lián)，組成一個轉(zhuǎn)錄單位。在基因組中成簇串聯(lián)，組成一個轉(zhuǎn)錄單位。操縱序列啟動序列其他調(diào)節(jié)序列編碼序列 1) 啟動序列（啟動子）：啟動序列（啟動子）：是是RNA聚合聚合 酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。序列。TTGACAN17TT

8、AACTN7AN16TATGATN7AN17TATGTTN6ATTGATAN16TATAATN7ACTGACGN16TACTGTN6ATTTACATTTACAtrptRNATyrlacrec Aara BAD區(qū)區(qū)3510轉(zhuǎn)錄起始共有序列TTGACATATAAT決定轉(zhuǎn)錄活性 2) 操縱序列（操縱序列（operator）：）：是是阻遏蛋白阻遏蛋白的結(jié)合位點的結(jié)合位點 當操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙當操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或使聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或使RNA聚聚 合酶不能沿合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉(zhuǎn)錄。向前移動，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動序列 操縱序列編碼序列

9、阻遏蛋白RNA pol 3) 3) 其他調(diào)節(jié)序列：其他調(diào)節(jié)序列：有的特異有的特異DNADNA序列可結(jié)合序列可結(jié)合激活蛋白激活蛋白，增強，增強 RNARNA聚合酶活性，使轉(zhuǎn)錄激活。聚合酶活性，使轉(zhuǎn)錄激活。 (2) 真核生物的真核生物的順式作用元件順式作用元件 （cis-acting element）是指可影響自身基因表達活性的特異是指可影響自身基因表達活性的特異DNA 序列。通常是非編碼序列。包括啟動子、增序列。通常是非編碼序列。包括啟動子、增 強子及沉默子等。強子及沉默子等。編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點AB 2. 2. 調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白(1)(1)原核生物基因調(diào)節(jié)蛋白原核生物基因調(diào)節(jié)蛋白: :均為均為D

10、NADNA結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白特異因子：特異因子：決定決定RNARNA聚合酶對啟動序列的特異聚合酶對啟動序列的特異 性識別和結(jié)合能力。性識別和結(jié)合能力。阻遏蛋白：阻遏蛋白：可結(jié)合操縱序列，阻遏基因轉(zhuǎn)錄。可結(jié)合操縱序列，阻遏基因轉(zhuǎn)錄。激活蛋白：激活蛋白：可結(jié)合啟動序列鄰近的可結(jié)合啟動序列鄰近的DNADNA序列，序列， 促進促進RNARNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，聚合酶與啟動序列的結(jié)合， 增強增強RNARNA聚合酶活性。聚合酶活性。 (2) 真核生物基因調(diào)節(jié)蛋白真核生物基因調(diào)節(jié)蛋白 轉(zhuǎn)錄因子（轉(zhuǎn)錄因子（TF）絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由某一基因表絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由某一基因表 達后，通過與特異的順

11、式作用元件相互作用，達后，通過與特異的順式作用元件相互作用， 影響另一基因的轉(zhuǎn)錄，稱為影響另一基因的轉(zhuǎn)錄，稱為反式作用因子反式作用因子（trans-acting factor）。）。 有些真核調(diào)節(jié)蛋白可特異識別、結(jié)有些真核調(diào)節(jié)蛋白可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的開啟或關閉，稱為的開啟或關閉，稱為順式作用蛋白順式作用蛋白。 aADNAmRNA蛋白質(zhì)AbA反反式式調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)CcCDNAmRNA蛋白質(zhì)C順順式式調(diào)調(diào)節(jié)節(jié) 3. DNA蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)、 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用 DNA蛋白質(zhì)相互作用蛋白質(zhì)相互作用特異識別特異識別非共價結(jié)合非共價結(jié)合DNA結(jié)合位點常呈對稱結(jié)構結(jié)合位點常呈對稱結(jié)構蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用形成二聚體或多聚體，間接結(jié)合形成二聚體或多聚體，間接結(jié)合DNA 4. RNA4. RNA聚合酶聚合酶（1 1）啟動子與）啟動子與RNARNA聚合酶活性聚合酶活性 啟動序列啟動序列/ /啟動子是由轉(zhuǎn)錄起始點、啟動子是由轉(zhuǎn)錄起始點、RNARNA聚合酶結(jié)合位點及控制轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)聚合酶結(jié)合位點及控制轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)組件組成。組件組成。啟動序列影響其與啟動序列影響其與RNARNA聚合酶的親聚合酶的親和力，而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄和力，而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄