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1、PutianUniversity,临本12级,1,Regulation of Gene Expression,基因表达调控,第 18 章,PutianUniversity,临本12级,2,Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and its Regulation,第一节 基因表达与基因表达调控的基本概念与特点,PutianUniversity,临本12级,3,一、基因表达的概念,基因表达（gene expression）：指基因经过转 录和翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质 产物或转录后直接产生其RNA产物。(如tRNA， r
2、RNA)的过程。,基因表达是受调控的。,基因表达调控( control of gene expression )： 指位于基因组内的基因根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因（可调节基因）的过程。,PutianUniversity,临本12级,4,二、基因表达的特点,（一） 时间特异性(temporal specificity)：与细胞或个体的特定分化、发育阶段相适应，即某一特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生。又称阶段特异性(stage specificity) 。,（二）空间特异性(spatial specificity) ：由细
3、胞在各组织器官的分布差异所决定，即某种基因在个体不同组织（空间）表达的差异。故又称为细胞特异性或组织特异性(cell or tissue specificity) 。,（一） 时间特异性(temporal specificity)：,（二）空间特异性(spatial specificity) ：,PutianUniversity,临本12级,5,管家基因,可调节基因 （基因表达调控的对象）, 表达很少受环境因素影响。,受环境因素的诱导或阻遏。 指特定时空条件下特异性 表达的基因。,编码基因,三、 基因表达的方式,基因表达的方式,(1).组成性表达,(2).诱导和阻遏表达,(3).协同表达,Pu
4、tianUniversity,临本12级,6,（一）、组成性表达或基本表达 (constitutive gene expression,管家基因(housekeeping gene) ：在生物个体 的几乎所有细胞中持续表达，其表达产物对生命 全过程都是必需的或必不可少的基因。,组成性基因表达（基本的基因表达）只受启动子与 RNA聚合酶相互作用的影响。,组成性基因表达：基因较少受环境因素影响， 而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部 组织中持续表达，或变化很小。如管家基因。,PutianUniversity,临本12级,7,（二）、诱导(induction)和阻遏(repression)表达,
5、诱导：指可调节基因在对环境信号应答时被激活， 基因表达增加的过程称为诱导。被诱导才表达的 基因称为可诱导基因（inducible genes），,阻遏：指可调节基因对环境信号应答时被抑制， 基因表达产物水平降低，这种基因表达方式称为 阻遏，这类基因称作可阻遏基因。,某些基因表达产物数量随着外界环境信号变化 而变化，这类基因称为可调节基因。,可调节基因除受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互 作用的影响外，还受其它机制调节（如：增强子）,PutianUniversity,临本12级,8,顺式作用元件（cis-acting element）:,不转变为其他形式（RNA或蛋白质）而是以DNA形式在原来
6、位置起作用的DNA序列。包括启动子、终止子、增强子、衰减子等。起作用的过程称顺式作用。,四、参与基因表达调控的基本要素,顺式作用元件只能作用同一条DNA,PutianUniversity,临本12级,9,反式作用因子（trans-acting factor）:,一个基因的产物对另一个基因的表达具有调控作用，则这个基因产物(如蛋白质或RNA)称为反式作用因子。包括转录因子、阻遏蛋白(负调控)和激活蛋白(正调控)等。这种起作用的过程称反式作用。,反式调节,四、参与基因表达调控的基本要素,PutianUniversity,临本12级,10,结构基因活化 转录起始 转录后加工及载运 翻译及翻译后加工,
7、基因表达的 多级调控,五、基因表达调控的多样性,其中转录水平的调控是调控的最有效最经济的,转录起始是基本控制点。,PutianUniversity,临本12级,11,(一) 适应环境、维持生长和增殖,六、基因表达调控的生物学意义,(二) 维持个体发育与分化,生物体适应环境、调节代谢的能力与蛋白质的生物 学功能有关。而蛋白质的水平又受基因表达的调控。,当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应 组织或器官的发育异常。,PutianUniversity,临本12级,12,第二节 原核基因表达调控,Control of gene expression in prokaryote,PutianUnive
8、rsity,临本12级,13,(1)RNA聚合酶的因子识别结合启动序列,(2)普遍存在阻遏蛋白的负调控机制,(3)以操纵子模式调控普遍存在,原核生物转录调控的特点,原核生物基因表达调控主要在转录水平，尤其是转录起始的调控，其次是翻译水平。,PutianUniversity,临本12级,14,一、原核生物基因转录的基本单位,1.原核生物基因转录以操纵子为基本单位,操纵子:是由若干功能相关的结构基因(编码序列,2个以上)和控制这些基因表达的调控序列(包括操纵序列、启动序列和调节序列)所构成的一个完整的连续的转录协调单位。,PutianUniversity,临本12级,15,操纵序列:阻遏蛋白的结合
9、位点,当操纵序列与阻遏 蛋白结合时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合， 或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。,启动序列:是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序 列。通常位于转录起始点上游-10及-35区域。不同原核基因具有共有序列，决定启动序列的转录活性强弱。,阻遏蛋白:是一类由调节基因编码，在转录水平对基因表达产生负调控作用(关闭基因表达活性)的蛋白质。,PutianUniversity,临本12级,16,(一)、乳糖操纵子的结构,乳糖操纵子是调节分解代谢的操纵子，由调节基因I、启动基因P、操纵基因O和3个结构基因组成。如图：,二、原核生物转录起始调控 (以乳糖操纵子为例
10、),LacZ：编码-半乳糖苷酶 LacY：编码-半乳糖苷透性酶 LacA：编码-半乳糖苷乙酰转移酶,PutianUniversity,临本12级,17,没有乳糖存在时,（二）、乳糖操纵子的转录调控机制,1、阻遏蛋白的负性调节,受阻遏蛋白和CAP的双重调节,（1）无乳糖存在时，阻遏蛋白结合在操纵基因上，阻止结构基因的转录，此时基因关闭不表达。,PutianUniversity,临本12级,18,有乳糖存在时,单纯乳糖存在时(无葡萄糖)，乳糖转化为异乳糖，异 乳糖与阻遏蛋白结合，导致阻遏蛋白变构，不能与操 纵基因结合，结构基因转录，此时基因开放表达。,PutianUniversity,临本12级,
11、19,CAP是一种分解代谢基因激活蛋白，又称cAMP受体蛋白, 具有与cAMP和DNA结合的结构域。它与cAMP结合成为CAP-cAMP二元复合物后可增强与DNA结合的能力。当它结合到CAP结合位点后，可直接与RNA聚合酶作用并改变启动序列的DNA结构而启动转录。,2、CAP的正性调节,PutianUniversity,临本12级,20,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,cAMP与葡萄糖相关性：,葡萄糖，cAMP 葡萄糖，cAMP,PutianUniversity,临本12级,21,3. 协同调节,PutianUniversity,临本12级,22,1、色氨酸操纵子的结构
12、,色氨酸操纵子是调节合成代谢的操纵子，由启动基因P、操纵基因O、前导序列L和5个结构基因组成。如图：,trpE，trpD:编码邻氨基苯甲酸合成酶 trpA，trpB：编码色氨酸合成酶 trpC：编码吲哚甘油磷酸合成酶,三、原核生物转录终止的调控,衰减作用(以色氨酸操纵子为例),PutianUniversity,临本12级,23,RNA聚合酶,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,RNA聚合酶,?,(1)、阻遏蛋白粗调控作用,色氨酸操纵子,2、色氨酸操纵子的转录调控机制,色氨酸操纵子有阻遏因子粗调节和衰减作用细调节,阻遏蛋白只有与辅阻遏物（色氨酸）结合才具有活性。其活性受色氨酸水平控制，色氨酸与
13、阻遏蛋白结合激活阻遏蛋白，激活的阻遏蛋白可与操纵区DNA结合，关闭trp操纵子的表达。,PutianUniversity,临本12级,24,衰减子区域（attenuator region)，由前导序列构成。这段序列能够编码14个氨基酸的短肽，其中有2个色氨酸相连，在此编码区前有核糖体识别结合位点（RBS）序列，提示这段短序列在转录后是能被翻译的。研究证明当色氨酸有一定浓度时，RNA聚合酶的转录会终止在这里。,(2) 色氨酸操纵子转录的衰减调节,PutianUniversity,临本12级,25,能被转录生成mRNA（衰减子转录物），该转录物具有4段特殊序列(序列1、2、3和4)，序列1和2、2
14、和3、3和4能配对形成发夹结构，且发夹形成能力为1和22和33和4。如果序列1和2形成发夹结构，序列2、3就不能形成发夹结构，有利于序列3和4生成发夹结构；而序列4后面紧跟一串U，所以由3、4形成的发夹结构实际上是一个不依赖因子的终止子结构，能使RNA聚合酶停止转录而从mRNA上脱离下来。,PutianUniversity,临本12级,26,衰减子区域（attenuator region)，由前导序列构成。,位于操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的DNA序列。一段类似于终止子结构的DNA序列,它可使操纵子的转录开始后还未进入第一个结构基因时便终止。,(2) 色氨酸操纵子转录的衰减
15、调节,PutianUniversity,临本12级,27,衰减子DNA能被转录生成的mRNA具有4段特殊序列(序列1、2、3和4)，序列1和2、2和3、3和4能配对形成发夹结构，且发夹形成能力为1和22和33和4。如果序列1和2形成发夹结构，序列2、3就不能形成发夹结构，有利于序列3和4生成发夹结构；而序列4后面紧跟一串U，所以由3、4形成的发夹结构实际上是一个不依赖因子的终止子结构，能使RNA聚合酶停止转录而从mRNA上脱离下来。,PutianUniversity,临本12级,28,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2
16、/3序列3/4,前导RNA的结构,PutianUniversity,临本12级,29,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,PutianUniversity,临本12级,30,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,PutianUniversity,临本12级,31,Regulation of Gene Expression in Eukaryote,第三节 真核基因表达调控,PutianUniversity,临本12级,32,一、真核生物基因表达调控的特点,1、多层次： 染色质水平、转录水 平、转录后加工、翻 译水平、翻译后加工。,2、正性调节占主导,3、转录与翻译 间隔进行。,PutianUniversity,临本12级,33,二、染色质水平的调控,真核生物基因组DNA与组蛋白结合形成核小体，核小体再压缩组装形成染色质深藏于细胞核
