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1、第十三章 基因表达调控,Regulation of Gene Expression,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,基本概念与原理,Basic Conceptions and Principle,第 一 节,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,一、基因表达的概念,基因： (gene)负载特定遗传信息的DNA片段，其结构包括由DNA编码序列、非编码调节序列和内含子组成的DNA区域。cDNA (complementary DNA) 与mRNA互补的DNA 不含基因转录的调控序列，但含翻译调控
2、和多肽链的编码序列。,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,概 念,原核生物：环状染色体全部基因 真核生物：染色体基因组 核外遗传物质：线粒体基因组、叶绿体基因组,基因组 (genome)来自一个遗传体系的一整套遗传信息。,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,基因表达 (gene expression)基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。并非所有基因表达过程都产生蛋白质。 如 基因转录生成 rRNA，tRNA,概 念,2007-11-11,Institute of G
3、enetic Engineering,基因表达是受调控的在某一特定时期或生长阶段，基因组中只有 一小部分基因处于表达状态。个体某种功能的基因产物在细胞中的数量随着时间、环境而变化。,概 念,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,二、基因表达的特异性,（一）时间特异性 (temporal specificity),按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。,阶段特异性 (stage specificity) 与分化、发育阶段一致,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,（二）空间特异性
4、 (spatial specificity),细胞或组织特异性 (cell or tissue specificity)。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现。,二、基因表达的特异性,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,三、基因表达的方式,（一）基本表达,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,基本或组成性基因表达 (constitutive gene expression)。,2007-11-11,Institute of Gene
5、tic Engineering,（二）诱导和阻遏表达,在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。,可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导 (induction)。,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression)。,（二）诱导和阻遏表达,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均
6、需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,协 调 表 达,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,四、基因表达调控的生物学意义,（一）适应环境、维持生长和增殖原核生物：葡萄糖、乳糖代谢高等生物：常饮酒者体内醇氧化酶活性高,（二）维持个体发育与分化各组织、器官的发育、分化是由特定的基因控制的。,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,基因表达调控的基本原理,Basic Principle of
7、 Regulation of Gene Expression,第 二 节,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,一、基因表达调控的多层性和复杂性,DNA扩增 DNA重排 甲基化,基本控制点转录起始,转录后加工 mRNA降解,转录水平,转录水平,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,二、基因转录激活调节基本要素,特异DNA序列 有调节功能的DNA序列。,原核生物 操纵子(operon) 机制,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,通常由2个以上的编
8、码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。,操 纵 子,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。,1) 启动序列,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,阻遏蛋白 (repressor) 的结合位点,2 操纵序列,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,3) 其他调节序列、调节蛋白,激活蛋白(activator)可结合原核操纵子调节序列中特异的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的
9、结合，增强RNA聚合酶活性，使转录激活，介导正性调节。,有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,真核生物的特异DNA序列,顺式作用元件(cis-acting element),可影响自身基因表达活性的DNA序列,共有序列：如TATA盒、CCAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,顺式作用元件,非编码序列 不一定都位于转录起始点上游 真核基因的顺式作用元件分为：启动
10、子、增强子、沉默子,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,2. 调节蛋白,原核生物 特异因子：决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。 阻遏蛋白负性调节 激活蛋白正性调节,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,真核基因的调节蛋白：转录因子,顺式作用 顺式作用蛋白,真核转录调节因子由其编码基因表达后，通过与特异的顺式作用元件的识别、结合（即DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因的转录，称反式作用蛋白或反式作用因子。,反式作用因子 (trans-acting factor),反
11、式调节,顺式调节,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,DNA-蛋白质相互作用指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。 非共价结合,绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。,3. DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质的相互作用,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,4. RNA聚合酶, 启动序列/启动子与RNA聚合酶活性 启动序列会影响其与RNA聚合酶的亲和力，直接影响转录起动的频率。 共有序列决定启动序列的转录活性大
12、小。,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering, 调节蛋白与RNA聚合酶活性 特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变，出现表达水平变化。,4. RNA聚合酶,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,原核基因转录调节,Regulation of Prokaryotic Gene Transcription,第 三 节,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,调节的
13、主要环节在转录起始,一、原核基因转录调节特点,（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性,（二）操纵子模型的普遍性,（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,二、原核生物转录起始调节,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,没有乳糖存在时,（二）阻遏蛋白的负性调节,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,（二）阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,2007-11-11,Institu
14、te of Genetic Engineering,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,（三）CAP的正性调节,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,（四）协 调 调 节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；,如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,问 题,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖的机制?,2007-11-11,Institute
15、 of Genetic Engineering,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,三、原核生物转录终止调节,转录终止机制：依赖Rho因子的转录终止不依赖Rho因子的转录终止终止调节方式：衰减导致RNA链的过早终止；抗终止阻止衰减的发生，使下游基因得以表达。,1) 两段富含GC的反向重复 序列，中间间隔若干核苷酸； 2) 下游含一系列T。,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别
16、翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称为自我控制（autogenous control)。,四、原核生物翻译水平调节,（一）蛋白质分子的自我调节,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,（二）反义RNA对翻译的调节作用,调节RNA：可调节基因表达的RNA分子。反义RNA含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始，称为反义控制 (antisense control)。,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,真核基因表达调节,Regulation of Eukaryotic Gene Expression,第 四 节,2007-11-11,Institute of Genetic Engineering,一、真核基因组结构特点,（一）真核基因组结构庞大,（二）单顺反子 （monocistron) 即一个编码基因转录生成一个mRNA分子、经翻译生成一条多肽链。,
