大學(xué)生物遺傳學(xué)第十三章基因表達(dá)調(diào)控演示文稿

大學(xué)生物遺傳學(xué)第十三章基因表達(dá)調(diào)控演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有67頁\編輯于星期四大學(xué)生物遺傳學(xué)第十三章基因表達(dá)調(diào)控現(xiàn)在是2頁\一共有67頁\編輯于星期四基本概念與原理BasicConceptionsandPrinciple第一節(jié)現(xiàn)在是3頁\一共有67頁\編輯于星期四一、基因表達(dá)的概念基因：(gene)

負(fù)載特定遺傳信息的DNA片段，其結(jié)構(gòu)包括由DNA編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列和內(nèi)含子組成的DNA區(qū)域。

cDNA(complementaryDNA)與mRNA互補(bǔ)的DNA不含基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控序列，但含翻譯調(diào)控和多肽鏈的編碼序列?，F(xiàn)在是4頁\一共有67頁\編輯于星期四概念原核生物：環(huán)狀染色體全部基因真核生物：染色體基因組核外遺傳物質(zhì)：線粒體基因組、葉綠體基因組基因組

(genome)

來自一個(gè)遺傳體系的一整套遺傳信息?，F(xiàn)在是5頁\一共有67頁\編輯于星期四基因表達(dá)

(geneexpression)

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。并非所有基因表達(dá)過程都產(chǎn)生蛋白質(zhì)。如基因轉(zhuǎn)錄生成rRNA，tRNA概念現(xiàn)在是6頁\一共有67頁\編輯于星期四基因表達(dá)是受調(diào)控的在某一特定時(shí)期或生長(zhǎng)階段，基因組中只有一小部分基因處于表達(dá)狀態(tài)。個(gè)體某種功能的基因產(chǎn)物在細(xì)胞中的數(shù)量隨著時(shí)間、環(huán)境而變化。概念現(xiàn)在是7頁\一共有67頁\編輯于星期四二、基因表達(dá)的特異性（一）時(shí)間特異性(temporalspecificity)按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。階段特異性(stagespecificity)與分化、發(fā)育階段一致現(xiàn)在是8頁\一共有67頁\編輯于星期四（二）空間特異性(spatialspecificity)細(xì)胞或組織特異性

(cellortissuespecificity)。在個(gè)體生長(zhǎng)全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體的不同組織或器官表達(dá)，即在個(gè)體的不同空間出現(xiàn)。二、基因表達(dá)的特異性現(xiàn)在是9頁\一共有67頁\編輯于星期四三、基因表達(dá)的方式（一）基本表達(dá)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。

基本或組成性基因表達(dá)

(constitutivegeneexpression)?，F(xiàn)在是10頁\一共有67頁\編輯于星期四（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)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(dá)增強(qiáng)的過程，稱為誘導(dǎo)

(induction)。舉例：DNA損傷修復(fù)酶基因激活

現(xiàn)在是11頁\一共有67頁\編輯于星期四如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏

(repression)。（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)舉例：色氨酸充分色氨酸合成酶編碼基因抑制現(xiàn)在是12頁\一共有67頁\編輯于星期四在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。協(xié)調(diào)表達(dá)現(xiàn)在是13頁\一共有67頁\編輯于星期四四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖原核生物：葡萄糖、乳糖代謝高等生物：常飲酒者體內(nèi)醇氧化酶活性高（二）維持個(gè)體發(fā)育與分化各組織、器官的發(fā)育、分化是由特定的基因控制的。現(xiàn)在是14頁\一共有67頁\編輯于星期四

基因表達(dá)調(diào)控的基本原理

BasicPrincipleofRegulationofGeneExpression

第二節(jié)現(xiàn)在是15頁\一共有67頁\編輯于星期四一、基因表達(dá)調(diào)控的多層性和復(fù)雜性DNA擴(kuò)增DNA重排甲基化蛋白質(zhì)降解蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾基本控制點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄水平現(xiàn)在是16頁\一共有67頁\編輯于星期四二、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素特異DNA序列

有調(diào)節(jié)功能的DNA序列。原核生物

——操縱子(operon)機(jī)制現(xiàn)在是17頁\一共有67頁\編輯于星期四

通常由2個(gè)以上的編碼序列與啟動(dòng)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。操縱子編碼序列啟動(dòng)序列

操縱序列其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)(codingsequence)現(xiàn)在是18頁\一共有67頁\編輯于星期四是RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1)啟動(dòng)序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp

tRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列現(xiàn)在是19頁\一共有67頁\編輯于星期四——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白2操縱序列現(xiàn)在是20頁\一共有67頁\編輯于星期四3)其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白激活蛋白(activator)可結(jié)合原核操縱子調(diào)節(jié)序列中特異的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性，使轉(zhuǎn)錄激活，介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)。有些基因在沒有激活蛋白存在時(shí)，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動(dòng)序列?，F(xiàn)在是21頁\一共有67頁\編輯于星期四真核生物的特異DNA序列順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)共有序列：如TATA盒、CCAAT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(diǎn)?，F(xiàn)在是22頁\一共有67頁\編輯于星期四順式作用元件非編碼序列不一定都位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游真核基因的順式作用元件分為：

啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子現(xiàn)在是23頁\一共有67頁\編輯于星期四2.調(diào)節(jié)蛋白原核生物特異因子：決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。阻遏蛋白——負(fù)性調(diào)節(jié)激活蛋白——正性調(diào)節(jié)現(xiàn)在是24頁\一共有67頁\編輯于星期四真核基因的調(diào)節(jié)蛋白：轉(zhuǎn)錄因子順式作用順式作用蛋白真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由其編碼基因表達(dá)后，通過與特異的順式作用元件的識(shí)別、結(jié)合（即DNA-蛋白質(zhì)相互作用）反式激活另一基因的轉(zhuǎn)錄，稱反式作用蛋白或反式作用因子。反式作用因子

(trans-actingfactor)現(xiàn)在是25頁\一共有67頁\編輯于星期四aDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié)cDNA

mRNAC蛋白質(zhì)CBA

mRNA蛋白質(zhì)AA現(xiàn)在是26頁\一共有67頁\編輯于星期四DNA-蛋白質(zhì)相互作用指反式作用因子與順式作用元件之間的特異識(shí)別及結(jié)合。非共價(jià)結(jié)合絕大多數(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)。3.DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用現(xiàn)在是27頁\一共有67頁\編輯于星期四4.RNA聚合酶⑴啟動(dòng)序列/啟動(dòng)子與RNA聚合酶活性啟動(dòng)序列會(huì)影響其與RNA聚合酶的親和力，直接影響轉(zhuǎn)錄起動(dòng)的頻率。共有序列決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。

現(xiàn)在是28頁\一共有67頁\編輯于星期四⑵調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號(hào)刺激下表達(dá)，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，從而使基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率發(fā)生改變，出現(xiàn)表達(dá)水平變化。4.RNA聚合酶現(xiàn)在是29頁\一共有67頁\編輯于星期四原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)RegulationofProkaryoticGeneTranscription第三節(jié)現(xiàn)在是30頁\一共有67頁\編輯于星期四調(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(diǎn)（一）σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性（二）操縱子模型的普遍性（三）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性現(xiàn)在是31頁\一共有67頁\編輯于星期四二、原核生物轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)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ZYAOPDNA現(xiàn)在是32頁\一共有67頁\編輯于星期四mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)（二）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因現(xiàn)在是33頁\一共有67頁\編輯于星期四（二）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA有乳糖存在時(shí)半乳糖β-半乳糖苷酶乳糖現(xiàn)在是34頁\一共有67頁\編輯于星期四++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)（三）CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP現(xiàn)在是35頁\一共有67頁\編輯于星期四（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)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?，F(xiàn)在是36頁\一共有67頁\編輯于星期四問題單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖的機(jī)制?現(xiàn)在是37頁\一共有67頁\編輯于星期四mRNA低半乳糖時(shí)高半乳糖時(shí)

葡萄糖低cAMP濃度高葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO現(xiàn)在是38頁\一共有67頁\編輯于星期四三、原核生物轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制：

依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止

不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止終止調(diào)節(jié)方式：

衰減導(dǎo)致RNA鏈的過早終止；

抗終止阻止衰減的發(fā)生，使下游基因得以表達(dá)。1)兩段富含GC的反向重復(fù)序列，中間間隔若干核苷酸；2)下游含一系列T。現(xiàn)在是39頁\一共有67頁\編輯于星期四調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合mRNA靶位點(diǎn)，阻止核蛋白體識(shí)別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，稱為自我控制（autogenouscontrol)。四、原核生物翻譯水平調(diào)節(jié)（一）蛋白質(zhì)分子的自我調(diào)節(jié)現(xiàn)在是40頁\一共有67頁\編輯于星期四（二）反義RNA對(duì)翻譯的調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)RNA：可調(diào)節(jié)基因表達(dá)的RNA分子。反義RNA含有與特定mRNA翻譯起始部位互補(bǔ)的序列，通過與mRNA雜交阻斷30S小亞基對(duì)起始密碼子的識(shí)別及與SD序列的結(jié)合，抑制翻譯起始，稱為反義控制(antisensecontrol)?，F(xiàn)在是41頁\一共有67頁\編輯于星期四

真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)RegulationofEukaryoticGeneExpression第四節(jié)現(xiàn)在是42頁\一共有67頁\編輯于星期四一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大（二）單順反子（monocistron)即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子、經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈?，F(xiàn)在是43頁\一共有67頁\編輯于星期四（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）多拷貝序列反向重復(fù)序列一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（四）基因不連續(xù)性現(xiàn)在是44頁\一共有67頁\編輯于星期四二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)（一）RNA聚合酶（RNApolⅠ、Ⅱ、Ⅲ）

TATA盒結(jié)合蛋白（TBP）為共有亞基（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化1.對(duì)核酸酶敏感活化基因常有核酸酶超敏位點(diǎn)（hypersensitivesite)，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)附近。現(xiàn)在是45頁\一共有67頁\編輯于星期四2.DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在。RNA-pol正超螺旋負(fù)超螺旋轉(zhuǎn)錄方向二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)現(xiàn)在是46頁\一共有67頁\編輯于星期四3.DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化甲基化程度與基因表達(dá)程度呈反比，處于轉(zhuǎn)錄活化狀態(tài)的基因CpG序列一般低甲基化。4.組蛋白變化二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)核小體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定現(xiàn)在是47頁\一共有67頁\編輯于星期四采用正性調(diào)節(jié)機(jī)制更精準(zhǔn)采用負(fù)性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟(jì)（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工現(xiàn)在是48頁\一共有67頁\編輯于星期四（一）RNApolⅠ轉(zhuǎn)錄體系的控制三、RNApolⅠ和polⅢ的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)人rRNA基因上游調(diào)控元件和核心元件+1-100rRNA前體基因上游調(diào)控元件核心元件轉(zhuǎn)錄區(qū)Upstreamcontrolelement,UCECoreelement現(xiàn)在是49頁\一共有67頁\編輯于星期四轉(zhuǎn)錄因子上游結(jié)合因子1

(upstreambindingfactor1,UBF),UBF先與DNA結(jié)合，結(jié)合的部位是UCE和核心元件的上游部分。再結(jié)合選擇性因子1(selectivityfactor1,SL1)，然后由聚合酶Ⅰ結(jié)合啟動(dòng)子，并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。現(xiàn)在是50頁\一共有67頁\編輯于星期四tRNA和5SrRNA基因的轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)下游即轉(zhuǎn)錄區(qū)內(nèi)，稱內(nèi)部控制區(qū)（internalcontrolregions,ICR)（二）RNApolⅢ轉(zhuǎn)錄體系的控制

tRNA基因的內(nèi)部啟動(dòng)子

tRNA基因AboxBbox5s-rRNA5sRNA基因的內(nèi)部啟動(dòng)子Cbox現(xiàn)在是51頁\一共有67頁\編輯于星期四四、RNApolⅡ轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)（一）順式作用元件1.啟動(dòng)子真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件。典型的啟動(dòng)子由TATA盒及上游的CAAT盒和/或GC盒組成?，F(xiàn)在是52頁\一共有67頁\編輯于星期四真核啟動(dòng)子的典型結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是53頁\一共有67頁\編輯于星期四2.增強(qiáng)子(enhancer)指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列，其作用方式通常與方向、距離無關(guān)。酵母中存在上游激活序列（upstreamactivatorsequences,UASs）3.沉默子(silencer)某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用?，F(xiàn)在是54頁\一共有67頁\編輯于星期四（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)RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)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。TFⅡD是三種聚合酶的基本轉(zhuǎn)錄因子。現(xiàn)在是55頁\一共有67頁\編輯于星期四特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)。

轉(zhuǎn)錄激活因子：增強(qiáng)子結(jié)合蛋白

轉(zhuǎn)錄抑制因子：沉默子結(jié)合蛋白

(transcriptionactivators)

(transcriptioninhibitors)（二）反式作用因子現(xiàn)在是56頁\一共有67頁\編輯于星期四2.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）轉(zhuǎn)錄激活域谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域DNA結(jié)合域鋅指結(jié)構(gòu)α螺旋現(xiàn)在是57頁\一共有67頁\編輯于星期四最常見的DNA結(jié)合域

1.

鋅指

(zincfinger)C——CysH——His常結(jié)合GC盒現(xiàn)在是58頁\一共有67頁\編輯于星期四

2.α-螺旋常結(jié)合CAAT盒堿性氨基酸殘基組成最常見的DNA結(jié)合域現(xiàn)在是59頁\一共有67頁\編輯于星期四（三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)節(jié)polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBP真核RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物.TATA

DNATBP相關(guān)因子EBP現(xiàn)在是60頁\一共有67頁\編輯于星期四真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是復(fù)雜的、多樣的不同的DNA元件組合可產(chǎn)生多種類型的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)方式；多種轉(zhuǎn)錄因子又可結(jié)合相同或不同的DNA元件。轉(zhuǎn)錄因子與DNA元件結(jié)合后，對(duì)轉(zhuǎn)錄激活過程所產(chǎn)生的效果各異，有正性調(diào)節(jié)或負(fù)性調(diào)節(jié)之分。現(xiàn)在是61頁\一共有67頁\編輯于星期四（一）HIV基因組轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)抗終止蛋白Tat

可使RNApolⅡ通過轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)，其作用方式是通過Tat與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物5′端特異RNA序列結(jié)合，并與宿主蛋白質(zhì)、RNApolⅡ相互作用，使延長(zhǎng)中的RNA形成一定的二級(jí)結(jié)構(gòu)，阻止HIV基因組轉(zhuǎn)錄過程的提前終止。（二）熱休克蛋白基因的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)