基因表達的調(diào)控制課件

1遺傳信息傳遞中心法則1遺傳信息傳遞中心法則2基因表達

(geneexpression)

生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)的全過程。一、基因表達的概念rRNA與tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA的過程也屬于基因表達2基因表達(geneexpression)生3二、基因表達的特點（一）時間特異性

（二）空間特異性3二、基因表達的特點（一）時間特異性（二）空間特異性4

按對刺激的反應(yīng)性分為兩大類：（一）基本（組成性）表達

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。如管家基因。三、基因表達的方式4按對刺激的反應(yīng)性分為兩大類：（一）基本（組5管家基因(housekeepinggene)某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達。bcl-2β-actin125管家基因(housekeepinggene)bcl-26（二）誘導(dǎo)和阻遏表達誘導(dǎo)表達(inductionexpression)阻遏表達(repressionexpression)協(xié)調(diào)表達(coordinanceexpression)在一定機制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達。6（二）誘導(dǎo)和阻遏表達誘導(dǎo)表達(inductionexpr7四、基因表達的調(diào)控因子：

蛋白質(zhì)(主要)

小分子RNA(某些環(huán)節(jié))7四、基因表達的調(diào)控因子：蛋白質(zhì)(主要)小分子RN8五、基因表達的調(diào)控水平

基因組

轉(zhuǎn)錄

轉(zhuǎn)錄后

翻譯

翻譯后8五、基因表達的調(diào)控水平基因組轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后翻譯翻譯后9

第一節(jié)

原核生物基因表達的調(diào)控

原核生物基因表達調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，其次是翻譯水平。本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹原核生物基因表達的調(diào)控。9第一節(jié)

原核生物基因表達的調(diào)控原核生物10一、原核生物基因表達的特點

1.只有一種RNA聚合酶。2.基因表達以操縱子為基本單位。操縱子（operon）

一個多順反子轉(zhuǎn)錄單位與其調(diào)控序列即構(gòu)成操縱子。P11410一、原核生物基因表達的特點1.只有一種RNA聚合酶。211操縱子(operon)模型ppromoter調(diào)節(jié)序列結(jié)構(gòu)基因：多個串聯(lián)ayzstructural

gene11操縱子(operon)模型ppromoter調(diào)節(jié)序列結(jié)構(gòu)12PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123原核生物的mRNA是多順反子mRNA12PromoterGene1Gene2Gene3Te133.轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進行：4.mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序列----SD序列。

共有序列為AGGAGG133.轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進行：4.mRNA翻譯起始部位有特殊的14

5.原核生物基因表達的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，即對RNA合成的調(diào)控。

通常有兩種方式：

(1)起始調(diào)控，即啟動子調(diào)控；

(2)終止調(diào)控(衰減子調(diào)控)。145.原核生物基因表達的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，即對RNA合15二、原核生物基因表達的調(diào)控機制

(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

(二)轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控

(三)翻譯水平的調(diào)控15二、原核生物基因表達的調(diào)控機制(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控(16(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

1.б因子與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)16(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控1.б因子與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控核心17調(diào)控RNA聚合酶與特異DNA區(qū)域結(jié)合：確保RNA聚合酶與特異啟動序列穩(wěn)定結(jié)合，而不是與其它位點結(jié)合。(1)б因子17調(diào)控RNA聚合酶與特異DNA區(qū)域結(jié)合：(1)б因子18

不同的σ因子決定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。最早發(fā)現(xiàn)的σ因子為σ70新發(fā)現(xiàn)：σ32、σ54

、σ28P11418不同的σ因子決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異19(2)啟動序列（promoter）RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列19(2)啟動序列（promoter）RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)20

共有序列決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性強弱。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。20共有序列決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性強弱。某些特異因子（蛋21

2.轉(zhuǎn)錄起始的負調(diào)控

乳糖操縱子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因轉(zhuǎn)錄負調(diào)控的最典型模式。212.轉(zhuǎn)錄起始的負調(diào)控乳糖操縱子（lactoseop22

乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶阻遏基因I

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點

啟動子操縱元件ZYAOPDNA22乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基因Z23mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)阻遏基因23mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻24

操縱元件在操縱子的位置是從-7至+28，RNA聚合酶所占的區(qū)域是從-35至+20，兩者有部分重疊，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶與DNA的結(jié)合是相互排斥的。24操縱元件在操縱子的位置是從-7至+225mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖負調(diào)控的打破25mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動26誘導(dǎo)劑（inducer）乳糖

1,6-別乳糖（體內(nèi)生理）異丙基硫代半乳糖苷（IPTG，體外試驗）26誘導(dǎo)劑（inducer）27轉(zhuǎn)錄活性提高50倍無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時乳糖操縱子中CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3.轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控

27轉(zhuǎn)錄活性提高50倍無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，c28

cAMP與葡萄糖相關(guān)性：葡萄糖↑，cAMP↓

葡萄糖↓，cAMP↑cAMP:環(huán)一磷酸腺苷CAP：分解代謝基因激活蛋白質(zhì)(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)

CAP的活性依賴cAMP，形成cAMP-CAP復(fù)合物，促進多種操縱子的轉(zhuǎn)錄起始。28cAMP與葡萄糖相關(guān)性：葡萄糖↑，cAMP↓cAMP:29

4．轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控

在大腸桿菌的許多操縱子中，基因的轉(zhuǎn)錄不是由單一因子調(diào)控的，而是通過負調(diào)控因子和正調(diào)控因子進行復(fù)合調(diào)控。典型例子：糖代謝有關(guān)的操縱子，如lac操縱子。

294．轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控在大腸桿菌的許多30mRNA沒有乳糖有乳糖

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOOmRNA30mRNA沒有乳糖有乳糖葡萄糖低cAMP濃度高31

※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；※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?！咸烟菍ac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

31※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；※32

（二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：A.依賴ρ因子的終止調(diào)控；ATP32（二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：AT33

例:色氨酸操縱子表達的調(diào)控

1.通過阻遏蛋白的負調(diào)控

2.通過衰減子作用B.不依賴ρ因子的終止調(diào)控。33例:色氨酸操縱子表達的調(diào)控B.不依賴ρ因子的終止調(diào)控。34TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?轉(zhuǎn)錄衰減的調(diào)控色氨酸操縱子6700個核苷酸140個核苷酸34TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrp35UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……35UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前36UUUU……34UUUU3’34

核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制

125’

trp密碼子

衰減子結(jié)構(gòu)可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’

RNA聚合酶

終止36UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)m37UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA

15’

trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA

RNA聚合酶

2.當(dāng)色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄

序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)37UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)38

(三)翻譯水平的調(diào)控

翻譯一般在起始和終止階段受到調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)分子:RNA、蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)分子可直接或間接決定翻譯起始位點能否為核蛋白體所利用。

38(三)翻譯水平的調(diào)控翻譯一般在起始和終止階391.反義RNA的調(diào)控作用

反義RNA

能與特定mRNA互補結(jié)合的RNA片段，由反義基因轉(zhuǎn)錄而來。天然的具有功能的反義RNA分子一般在200個堿基以下。391.反義RNA的調(diào)控作用反義RNA40

反義RNA調(diào)控Tn10轉(zhuǎn)位酶基因的表達示意圖40反義RNA調(diào)控Tn10轉(zhuǎn)位酶基因的表達示意圖412.RNA的穩(wěn)定性與調(diào)控的關(guān)系mRNA的穩(wěn)定性與其序列和結(jié)構(gòu)有關(guān)。3.蛋白質(zhì)合成中的自身調(diào)控

如：核糖體蛋白412.RNA的穩(wěn)定性與調(diào)控的關(guān)系mRNA的穩(wěn)定性與其序列42第二節(jié)真核生物基因表達的調(diào)控

單細胞真核生物，如酵母基因表達的調(diào)控和原核生物表達的調(diào)控基本相同。

多細胞真核生物，遺傳信息從細胞核的基因組DNA傳遞到基因編碼的蛋白質(zhì)均受到多層次的調(diào)控。42第二節(jié)真核生物基因表達的調(diào)控單細胞真43真核基因表達的特點6.部分基因多拷貝5.不存在超基因式操縱子結(jié)構(gòu)4.初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工修飾3.轉(zhuǎn)錄和翻譯分開進行2.基因表達的時間性和空間性1.細胞的全能性43真核基因表達的特點6.部分基因多拷貝5.不存在超基因式44TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′單順反子mRNA

(monocistronicmRNA)44TranslationTranscriptionmRNA45真核生物基因表達的多級調(diào)控一、DNA水平二、轉(zhuǎn)錄水平三、轉(zhuǎn)錄后水平四、翻譯水平五、翻譯后水平45真核生物基因表達的多級調(diào)控一、DNA水平二、轉(zhuǎn)錄水平三、46一、DNA水平的調(diào)控1.染色質(zhì)的丟失：不可逆的調(diào)控；2.基因擴增：增加基因的拷貝數(shù)；3.基因重排：調(diào)節(jié)表達產(chǎn)物多樣性；VJCVJCVJCIgG的基因重排46一、DNA水平的調(diào)控1.染色質(zhì)的丟失：不可逆的調(diào)控；2.474.基因的甲基化修飾：

甲基化程度高，基因表達降低；早基化程度低，基因表達增加。5.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：

組蛋白與DNA結(jié)合，抑制基因轉(zhuǎn)錄，非組蛋白與DNA結(jié)合促進基因轉(zhuǎn)錄。474.基因的甲基化修飾：5.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：48二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控48二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控491.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物形成的調(diào)控

轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到DNA上，形成功能性啟動子，才能被RNA聚合酶識別和結(jié)合。TFⅡDTFⅡA

TFⅡBRNApolyⅡ/TFⅡFTFⅡEDTATABFEDNAARNApolyⅡTATA491.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物形成的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到DN50轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor，TF)

是RNA合成起始所必需的因子，TF不依賴RNA聚合酶而獨立地結(jié)合DNA，并且在轉(zhuǎn)錄過程中促使RNA聚合酶分子與啟動子結(jié)合。50轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor，TF512.順式作用元件(cis-actingelement)

指某些能影響基因表達但不編碼新的蛋白質(zhì)和RNA的DNA序列，按照功能分為啟動子、增強子、負調(diào)控元件（沉默子等）。

512.順式作用元件(cis-actingelement52

（1）啟動子(promoter)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盒決定RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄起始點和轉(zhuǎn)錄頻率的一關(guān)鍵元件。52（1）啟動子(promoter)TATA盒GC盒CA53

①核心啟動子(corepromoter)②上游啟動子元件(upstreampromoterelement,UPE)上游-25~-30bp處，又稱TATA盒（TATAAAA）上游-30~-110bp處，包括GC盒（GGGCGG）和CAAT盒（GCCAAT）53

①核心啟動子(corepromoter)②上游啟動子54TATA盒CAAT盒GC盒

增強子

順式作用元件

結(jié)構(gòu)基因-CAAT--GCGC----TATA轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動子保守序列54TATA盒CAAT盒GC盒增強子順式作用元件553.反式作用因子2）具有三個功能結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域、轉(zhuǎn)錄活化域、蛋白結(jié)合域1）指能直接或間接地識別或結(jié)合在各順式作用元件8～12bp核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的一組蛋白質(zhì)。553.反式作用因子2）具有三個功能結(jié)構(gòu)域：1）指能563.反式作用因子結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)模式（1）DNA結(jié)合域的結(jié)構(gòu)模式1）鋅指結(jié)構(gòu)2）同源結(jié)構(gòu)域3）堿性亮氨酸拉鏈5）堿性α-螺旋結(jié)構(gòu)4）螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)563.反式作用因子結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)模式（1）DNA結(jié)合域的結(jié)構(gòu)571）鋅指結(jié)構(gòu)571）鋅指結(jié)構(gòu)582）同源結(jié)構(gòu)域：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)582）同源結(jié)構(gòu)域：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)593）亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)：

兩個單體結(jié)合形成DNA結(jié)合域593）亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)：

兩個單體結(jié)合形成DNA結(jié)604）螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)：604）螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)：61（2）轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域：轉(zhuǎn)錄激活區(qū)1）酸性α-螺旋結(jié)構(gòu)域2）富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域3）富含脯氨酰胺結(jié)構(gòu)域61（2）轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域：轉(zhuǎn)錄激活區(qū)1）酸性α-螺旋結(jié)構(gòu)域2624.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機制1）反式作用因子的激活1）表達式調(diào)節(jié)：反式因子合

成出來就具有活性2）共價修飾調(diào)節(jié)：

磷酸化-去磷酸化，糖基化3）配體結(jié)合4）蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用624.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機制1）反式作用因子的激活1）表達式632）反式作用因子作用方式連鎖反應(yīng)：轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合后促

進另一轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合DNA扭曲：改變DNA構(gòu)型滑動：沿DNA滑動到另一特異

序列發(fā)揮作用632）反式作用因子作用方式連鎖反應(yīng)：轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合后64PromoterEnhancerGENEDNA成環(huán)：使相應(yīng)位點接近而發(fā)揮作用64PromoterEnhancerGENEDNA成環(huán)：使相65UpstreamenhancerTranscriptioninitiationsiteUpstreampromoterelement3）反式作用因子的組合式調(diào)控65UpstreamenhancerTranscripti66三、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控（一）5′端加帽和3′端多聚腺苷酸化保護mRNA在轉(zhuǎn)錄過程中不被降解（二）mRNA的選擇性剪接66三、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控（一）5′端加帽和3′端多聚腺苷酸化67選擇性剪接：不同的剪接方式可以在同一

段DNA中形成不同的基因果蠅的性別決定基因的選擇性剪接（二）mRNA的選擇性剪接67選擇性剪接：不同的剪接方式可以在同一

68復(fù)習(xí)題一、名詞解釋：基因表達多順反子反式作用因子順式作用元件二、簡答題：

1.乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)有哪些？

2.乳糖操縱子在有乳糖沒有葡萄糖時如何進行調(diào)控？三、判斷題：(對的打“√”，錯的打“X”)所有基因的表達產(chǎn)物都是蛋白質(zhì)。（）四、選擇題：

大多數(shù)原核基因轉(zhuǎn)錄單位為：（）

A.多順反子B.單順反子

C.操縱基因D.反式作用因子68復(fù)習(xí)題一、名詞解釋：所有基因的表達產(chǎn)物都是蛋白質(zhì)。691基因表達的產(chǎn)物可以是ADNABtRNACmRNADrRNAE蛋白質(zhì)FhnRNA691基因表達的產(chǎn)物可以是ADNA702基因表達調(diào)控可以發(fā)生在A轉(zhuǎn)錄起始水平B轉(zhuǎn)錄水平C轉(zhuǎn)錄后加工水平D翻譯起始水平E翻譯水平F翻譯后加工水平G復(fù)制水平702基因表達調(diào)控可以發(fā)生在A轉(zhuǎn)錄起始水平G復(fù)制水713反式作用因子是A轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白B轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子CRNA聚合酶DDNA聚合酶713反式作用因子是A轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白724順式作用元件的最確切定義是（只有一個正確答案）ATATA盒和CCAAT盒B具有調(diào)節(jié)功能的各種DNA序列C具有調(diào)節(jié)功能的5’側(cè)翼序列D具有調(diào)節(jié)功能的3’側(cè)翼序列E所有非編碼序列724順式作用元件的最確切定義是（只有一個正確答案）A735直接參與乳糖操縱子調(diào)控的因素是AI基因編碼蛋白BZ基因編碼蛋白CCAPDY基因編碼蛋白E乳糖735直接參與乳糖操縱子調(diào)控的因素是AI基因編碼蛋白746乳糖操縱子A在沒有半乳糖存在時處于阻遏狀態(tài)B在半乳糖存在時可能處于表達狀態(tài)C有高濃度半乳糖、低濃度葡萄糖存在時處于表達狀態(tài)D有半乳糖存在時處于阻遏狀態(tài)E沒有半乳糖存在時處于表達狀態(tài)746乳糖操縱子A在沒有半乳糖存在時處于阻遏狀態(tài)757對乳糖操縱子來說（只有一個正確答案）ACAP是正性調(diào)節(jié)因素，阻遏蛋白是負性調(diào)節(jié)因素BCAP是負性調(diào)節(jié)因素，阻遏蛋白是正性調(diào)節(jié)因素CCAP和阻遏蛋白都是正性調(diào)節(jié)因素DCAP和阻遏蛋白都是負性調(diào)節(jié)因素E在不同條件下，CAP和阻遏蛋白均顯示正性或負性調(diào)節(jié)特點757對乳糖操縱子來說（只有一個正確答案）ACAP是768一個操縱子通常含有（只有一個正確答案）A一個啟動序列和一個編碼基因B一個啟動序列和數(shù)個編碼基因C數(shù)個啟動序列和一個編碼基因D數(shù)個啟動序列和數(shù)個編碼基因E一個啟動序列和數(shù)個調(diào)節(jié)基因768一個操縱子通常含有（只有一個正確答案）A一個啟77謝謝大家！

分子生物學(xué)研究中心

/mbrc/77謝謝大家！分子生物學(xué)研究中心

http78遺傳信息傳遞中心法則1遺傳信息傳遞中心法則79基因表達

(geneexpression)

生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)的全過程。一、基因表達的概念rRNA與tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA的過程也屬于基因表達2基因表達(geneexpression)生80二、基因表達的特點（一）時間特異性

（二）空間特異性3二、基因表達的特點（一）時間特異性（二）空間特異性81

按對刺激的反應(yīng)性分為兩大類：（一）基本（組成性）表達

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。如管家基因。三、基因表達的方式4按對刺激的反應(yīng)性分為兩大類：（一）基本（組82管家基因(housekeepinggene)某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達。bcl-2β-actin125管家基因(housekeepinggene)bcl-283（二）誘導(dǎo)和阻遏表達誘導(dǎo)表達(inductionexpression)阻遏表達(repressionexpression)協(xié)調(diào)表達(coordinanceexpression)在一定機制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達。6（二）誘導(dǎo)和阻遏表達誘導(dǎo)表達(inductionexpr84四、基因表達的調(diào)控因子：

蛋白質(zhì)(主要)

小分子RNA(某些環(huán)節(jié))7四、基因表達的調(diào)控因子：蛋白質(zhì)(主要)小分子RN85五、基因表達的調(diào)控水平

基因組

轉(zhuǎn)錄

轉(zhuǎn)錄后

翻譯

翻譯后8五、基因表達的調(diào)控水平基因組轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后翻譯翻譯后86

第一節(jié)

原核生物基因表達的調(diào)控

原核生物基因表達調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，其次是翻譯水平。本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹原核生物基因表達的調(diào)控。9第一節(jié)

原核生物基因表達的調(diào)控原核生物87一、原核生物基因表達的特點

1.只有一種RNA聚合酶。2.基因表達以操縱子為基本單位。操縱子（operon）

一個多順反子轉(zhuǎn)錄單位與其調(diào)控序列即構(gòu)成操縱子。P11410一、原核生物基因表達的特點1.只有一種RNA聚合酶。288操縱子(operon)模型ppromoter調(diào)節(jié)序列結(jié)構(gòu)基因：多個串聯(lián)ayzstructural

gene11操縱子(operon)模型ppromoter調(diào)節(jié)序列結(jié)構(gòu)89PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123原核生物的mRNA是多順反子mRNA12PromoterGene1Gene2Gene3Te903.轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進行：4.mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序列----SD序列。

共有序列為AGGAGG133.轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進行：4.mRNA翻譯起始部位有特殊的91

5.原核生物基因表達的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，即對RNA合成的調(diào)控。

通常有兩種方式：

(1)起始調(diào)控，即啟動子調(diào)控；

(2)終止調(diào)控(衰減子調(diào)控)。145.原核生物基因表達的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，即對RNA合92二、原核生物基因表達的調(diào)控機制

(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

(二)轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控

(三)翻譯水平的調(diào)控15二、原核生物基因表達的調(diào)控機制(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控(93(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

1.б因子與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)16(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控1.б因子與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控核心94調(diào)控RNA聚合酶與特異DNA區(qū)域結(jié)合：確保RNA聚合酶與特異啟動序列穩(wěn)定結(jié)合，而不是與其它位點結(jié)合。(1)б因子17調(diào)控RNA聚合酶與特異DNA區(qū)域結(jié)合：(1)б因子95

不同的σ因子決定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。最早發(fā)現(xiàn)的σ因子為σ70新發(fā)現(xiàn)：σ32、σ54

、σ28P11418不同的σ因子決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異96(2)啟動序列（promoter）RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列19(2)啟動序列（promoter）RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)97

共有序列決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性強弱。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。20共有序列決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性強弱。某些特異因子（蛋98

2.轉(zhuǎn)錄起始的負調(diào)控

乳糖操縱子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因轉(zhuǎn)錄負調(diào)控的最典型模式。212.轉(zhuǎn)錄起始的負調(diào)控乳糖操縱子（lactoseop99

乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶阻遏基因I

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點

啟動子操縱元件ZYAOPDNA22乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基因Z100mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)阻遏基因23mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻101

操縱元件在操縱子的位置是從-7至+28，RNA聚合酶所占的區(qū)域是從-35至+20，兩者有部分重疊，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶與DNA的結(jié)合是相互排斥的。24操縱元件在操縱子的位置是從-7至+2102mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖負調(diào)控的打破25mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動103誘導(dǎo)劑（inducer）乳糖

1,6-別乳糖（體內(nèi)生理）異丙基硫代半乳糖苷（IPTG，體外試驗）26誘導(dǎo)劑（inducer）104轉(zhuǎn)錄活性提高50倍無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時乳糖操縱子中CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3.轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控

27轉(zhuǎn)錄活性提高50倍無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，c105

cAMP與葡萄糖相關(guān)性：葡萄糖↑，cAMP↓

葡萄糖↓，cAMP↑cAMP:環(huán)一磷酸腺苷CAP：分解代謝基因激活蛋白質(zhì)(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)

CAP的活性依賴cAMP，形成cAMP-CAP復(fù)合物，促進多種操縱子的轉(zhuǎn)錄起始。28cAMP與葡萄糖相關(guān)性：葡萄糖↑，cAMP↓cAMP:106

4．轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控

在大腸桿菌的許多操縱子中，基因的轉(zhuǎn)錄不是由單一因子調(diào)控的，而是通過負調(diào)控因子和正調(diào)控因子進行復(fù)合調(diào)控。典型例子：糖代謝有關(guān)的操縱子，如lac操縱子。

294．轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控在大腸桿菌的許多107mRNA沒有乳糖有乳糖

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOOmRNA30mRNA沒有乳糖有乳糖葡萄糖低cAMP濃度高108

※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；※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?！咸烟菍ac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

31※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；※109

（二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：A.依賴ρ因子的終止調(diào)控；ATP32（二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：AT110

例:色氨酸操縱子表達的調(diào)控

1.通過阻遏蛋白的負調(diào)控

2.通過衰減子作用B.不依賴ρ因子的終止調(diào)控。33例:色氨酸操縱子表達的調(diào)控B.不依賴ρ因子的終止調(diào)控。111TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?轉(zhuǎn)錄衰減的調(diào)控色氨酸操縱子6700個核苷酸140個核苷酸34TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrp112UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……35UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前113UUUU……34UUUU3’34

核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制

125’

trp密碼子

衰減子結(jié)構(gòu)可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’

RNA聚合酶

終止36UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)m114UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA

15’

trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA

RNA聚合酶

2.當(dāng)色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄

序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)37UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)115

(三)翻譯水平的調(diào)控

翻譯一般在起始和終止階段受到調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)分子:RNA、蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)分子可直接或間接決定翻譯起始位點能否為核蛋白體所利用。

38(三)翻譯水平的調(diào)控翻譯一般在起始和終止階1161.反義RNA的調(diào)控作用

反義RNA

能與特定mRNA互補結(jié)合的RNA片段，由反義基因轉(zhuǎn)錄而來。天然的具有功能的反義RNA分子一般在200個堿基以下。391.反義RNA的調(diào)控作用反義RNA117

反義RNA調(diào)控Tn10轉(zhuǎn)位酶基因的表達示意圖40反義RNA調(diào)控Tn10轉(zhuǎn)位酶基因的表達示意圖1182.RNA的穩(wěn)定性與調(diào)控的關(guān)系mRNA的穩(wěn)定性與其序列和結(jié)構(gòu)有關(guān)。3.蛋白質(zhì)合成中的自身調(diào)控

如：核糖體蛋白412.RNA的穩(wěn)定性與調(diào)控的關(guān)系mRNA的穩(wěn)定性與其序列119第二節(jié)真核生物基因表達的調(diào)控

單細胞真核生物，如酵母基因表達的調(diào)控和原核生物表達的調(diào)控基本相同。

多細胞真核生物，遺傳信息從細胞核的基因組DNA傳遞到基因編碼的蛋白質(zhì)均受到多層次的調(diào)控。42第二節(jié)真核生物基因表達的調(diào)控單細胞真120真核基因表達的特點6.部分基因多拷貝5.不存在超基因式操縱子結(jié)構(gòu)4.初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工修飾3.轉(zhuǎn)錄和翻譯分開進行2.基因表達的時間性和空間性1.細胞的全能性43真核基因表達的特點6.部分基因多拷貝5.不存在超基因式121TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′單順反子mRNA

(monocistronicmRNA)44TranslationTranscriptionmRNA122真核生物基因表達的多級調(diào)控一、DNA水平二、轉(zhuǎn)錄水平三、轉(zhuǎn)錄后水平四、翻譯水平五、翻譯后水平45真核生物基因表達的多級調(diào)控一、DNA水平二、轉(zhuǎn)錄水平三、123一、DNA水平的調(diào)控1.染色質(zhì)的丟失：不可逆的調(diào)控；2.基因擴增：增加基因的拷貝數(shù)；3.基因重排：調(diào)節(jié)表達產(chǎn)物多樣性；VJCVJCVJCIgG的基因重排46一、DNA水平的調(diào)控1.染色質(zhì)的丟失：不可逆的調(diào)控；2.1244.基因的甲基化修飾：

甲基化程度高，基因表達降低；早基化程度低，基因表達增加。5.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：

組蛋白與DNA結(jié)合，抑制基因轉(zhuǎn)錄，非組蛋白與DNA結(jié)合促進基因轉(zhuǎn)錄。474.基因的甲基化修飾：5.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：125二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控48二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控1261.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物形成的調(diào)控

轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到DNA上，形成功能性啟動子，才能被RNA聚合酶識別和結(jié)合。TFⅡDTFⅡA

TFⅡBRNApolyⅡ/TFⅡFTFⅡEDTATABFEDNAARNApolyⅡTATA491.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物形成的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到DN127轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor，TF)

是RNA合成起始所必需的因子，TF不依賴RNA聚合酶而獨立地結(jié)合DNA，并且在轉(zhuǎn)錄過程中促使RNA聚合酶分子與啟動子結(jié)合。50轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor，TF1282.順式作用元件(cis-actingelement)

指某些能影響基因表達但不編碼新的蛋白質(zhì)和RNA的DNA序列，按照功能分為啟動子、增強子、負調(diào)控元件（沉默子等）。

512.順式作用元件(cis-actingelement129

（1）啟動子(promoter)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盒決定RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄起始點和轉(zhuǎn)錄頻率的一關(guān)鍵元件。52（1）啟動子(promoter)TATA盒GC盒CA130

①核心啟動子(corepromoter)②上游啟動子元件(upstreampromoterelement,UPE)上游-25~-30bp處，又稱TATA盒（TATAAAA）上游-30~-110bp處，包括GC盒（GGGCGG）和CAAT盒（GCCAAT）53

①核心啟動子(corepromoter)②上游啟動子131TATA盒CAAT盒GC盒

增強子

順式作用元件

結(jié)構(gòu)基因-CAAT--GCGC----TATA轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動子保守序列54TATA盒CAAT盒GC盒增強子順式作用元件1323.反式作用因子2）具有三個功能結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域、轉(zhuǎn)錄活化域、蛋白結(jié)合域1）指能直接或間接地識別或結(jié)合在各順式作用元件8～12bp核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的一組蛋白質(zhì)。553.反式作用因子2）具有三個功能結(jié)構(gòu)域：1）指能1333.反式作用因子結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)模式（1）DNA結(jié)合域的結(jié)構(gòu)模式1）鋅指結(jié)構(gòu)2）同源結(jié)構(gòu)域3）堿性亮氨酸拉鏈5）堿性α-螺旋結(jié)構(gòu)4）螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)563.反式作用因子結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)模式（1）DNA結(jié)合域的結(jié)構(gòu)1341）鋅指結(jié)構(gòu)571）鋅指結(jié)構(gòu)1352）同源結(jié)構(gòu)域：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)582）同源結(jié)構(gòu)域：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)1363）亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)：

兩個單體結(jié)合形成DNA結(jié)合域593）亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)：

兩個單體結(jié)合形成DNA結(jié)1374）螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)：604）螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)：138（2）轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域：轉(zhuǎn)錄激活區(qū)1）酸性α-螺旋結(jié)構(gòu)域2）富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域3）富含脯氨酰胺結(jié)構(gòu)域61（2）轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域：轉(zhuǎn)錄激活區(qū)1）酸性α-螺旋結(jié)構(gòu)域21394.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機制1）反式作用因子的激活1）表達式調(diào)節(jié)：反式因子合

成出來就具有活性2）共價修飾調(diào)節(jié)：

磷酸化-去磷酸化，糖基化3）配體結(jié)合4）蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用624.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機制1）反式作用因子的激活1）表達式1402）反式作用因子作用方式連鎖反應(yīng)：轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合后促

進另一轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合DNA扭曲：改變DNA構(gòu)型滑動：沿DNA滑動到另一特異