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1、 第十三第十三 - - 十五章十五章基因表达调控及重组基因表达调控及重组DNADNA技术技术主要内容主要内容 基因及基因表达调控相关概念基因及基因表达调控相关概念 原核基因表达调控基本原理原核基因表达调控基本原理 真核基因表达调控基本原理真核基因表达调控基本原理 重组重组DNA技术相关概念技术相关概念 重组重组DNADNA技术技术基本原理基本原理2负载特定遗传信息的负载特定遗传信息的DNA片段，包括：片段，包括：DNA编码序列、非编码调节序列和内含子序列。编码序列、非编码调节序列和内含子序列。基因基因（Gene）基因组基因组（Genome）来自一个遗传体系的一整套遗传信息来自一个遗传体系的一整
2、套遗传信息原核：单个环状染色体所含的全部基因原核：单个环状染色体所含的全部基因真核：一个生物体的染色体所包含的全部真核：一个生物体的染色体所包含的全部DNA，又称染色体基因组，又称染色体基因组线粒体基因组线粒体基因组叶绿体基因组叶绿体基因组Human Genome人类基因组计划人类基因组计划（Human Genome Project, HGP） 1985年美国提出年美国提出 计划投入计划投入30亿美元，亿美元，15年完成年完成 1990年正式启动年正式启动 英、法、德、日、中国等先后加入英、法、德、日、中国等先后加入中国的任务：中国的任务： 人类人类3号染色体短臂上一个约号染色体短臂上一个约3
3、0Mb区域的测序，区域的测序， 该区域约占人类整个基因组的该区域约占人类整个基因组的1。1990年年10月月启动启动2000年年6月月完成草图完成草图2001年年2月月nature公布草图公布草图 Nature, 409 (6822): 860-921, 2001Nature, 409 (6822): 860-921, 20012004年年10月月nature公布精度公布精度99%的测序图的测序图人类基因数：人类基因数：2-2.5万万 Nature, 431 (7011): 931-945, 2004Nature, 431 (7011): 931-945, 2004HGP的进展的进展The p
4、ost-genome era is coming谱主为生物学大师谱主为生物学大师耗资耗资200万完成万完成 盼未来降价普及盼未来降价普及 助提早预防疾病助提早预防疾病“ 生命天书生命天书” 首份个人基因图公布首份个人基因图公布 (2007.5.30) James Waston 基因表达调控基因表达调控是指细胞生物接受环境信号刺激或适应环境营养供给是指细胞生物接受环境信号刺激或适应环境营养供给状况的变化，在基因表达水平上作出应答反应的分子状况的变化，在基因表达水平上作出应答反应的分子机制。机制。重组重组DNA技术技术本质上是一项生物技术，目的在于通过人工重组本质上是一项生物技术，目的在于通过人工
5、重组DNA的方的方法，获得某一目的基因的无性繁殖系法，获得某一目的基因的无性繁殖系DNA克隆，或使目克隆，或使目的基因在一定的表达体系表达有特殊意义的蛋白质。的基因在一定的表达体系表达有特殊意义的蛋白质。主要研究内容：基因表达方式、规律、调节机理主要研究内容：基因表达方式、规律、调节机理第一节第一节基因表达调控基因表达调控10一、基因表达的概念一、基因表达的概念* 在各种调节机制控制下，从基因激活开始，在各种调节机制控制下，从基因激活开始，经历转录、翻译等过程产生具有生物学功能的经历转录、翻译等过程产生具有生物学功能的蛋白质分子，从而赋予细胞一定的功能或表型，蛋白质分子，从而赋予细胞一定的功能
6、或表型，或使生物体获得一定的遗传性状。或使生物体获得一定的遗传性状。11 DNARNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译逆转录逆转录简单定义：转录简单定义：转录翻译翻译广义：包括广义：包括rRNA、tRNA的表达的表达二、基因表达调控的意义二、基因表达调控的意义 生生物物体体基基因因数数量量很很多多，但但在在某某一一特特定定时时期期只只有有一一小小部部分分基基因因处处于于活活化化状状态态，能能进进行行转转录录（例例如如，真真核核细细胞胞约约2 25 5基基因因具具转转录录活活性性）。因因此此，机机体体内内存存在在着着复复杂杂的的调调节节机机制，调节基因的表达。制，调节基因的表达。通过调控基因的表达，
7、使生物体适应环境、通过调控基因的表达，使生物体适应环境、调节代谢、维持其生长与繁殖。调节代谢、维持其生长与繁殖。基因表达调控的意义：基因表达调控的意义：13三、基因表达的规律三、基因表达的规律*阶段特异性阶段特异性（时间特异性）（时间特异性）组织特异性组织特异性（空间特异性）（空间特异性）14阶段特异性阶段特异性（时间特异性）（时间特异性）甲胎蛋白甲胎蛋白某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，称生，称时间特异性时间特异性*多细胞生物的不同基因在不同发育阶段按特定多细胞生物的不同基因在不同发育阶段按特定时间顺序开启和关闭，称时间顺序开启和关闭，称阶段
8、特异性阶段特异性*哺乳类哺乳类nAChR：胚胎型胚胎型2(烟碱型乙酰胆碱受体烟碱型乙酰胆碱受体)成年型成年型215组织特异性组织特异性（空间特异性）（空间特异性）在个体生长的某一阶段，在个体生长的某一阶段，不同细胞有不同不同细胞有不同基因表达基因表达胰岛素：胰岛胰岛素：胰岛 细胞细胞血红蛋白：红细胞血红蛋白：红细胞鸟氨酸循环酶类：肝细胞鸟氨酸循环酶类：肝细胞XYXYAB16四、基因表达的方式四、基因表达的方式 有些基因的产物对于生物体的整个生命过程都是必不可有些基因的产物对于生物体的整个生命过程都是必不可少的，这类基因在生物体的几乎所有细胞中持续表达，少的，这类基因在生物体的几乎所有细胞中持续
9、表达，这类基因被称为这类基因被称为管家基因。管家基因。这类基因的表达称为这类基因的表达称为基本的基本的基因表达基因表达* 。例如：葡萄糖酵解途径中各种酶的编码基因例如：葡萄糖酵解途径中各种酶的编码基因基本的基因表达也是在一定机制控制下进行基本的基因表达也是在一定机制控制下进行（一）基本的基因表达（一）基本的基因表达17（二）可调节的基因表达（二）可调节的基因表达 与管家基因不同，另一些基因表达状况极易受外与管家基因不同，另一些基因表达状况极易受外环境变化的影响，随外环境变化，这类基因表达水平环境变化的影响，随外环境变化，这类基因表达水平可升高或降低可升高或降低,又称又称适应性表达适应性表达；又
10、称；又称奢侈基因奢侈基因。 特点：不是细胞生命必不可少的特点：不是细胞生命必不可少的 表达受外环境的影响较大，不恒定表达表达受外环境的影响较大，不恒定表达 有间断性和空间特异性有间断性和空间特异性 18 诱导诱导基因表达水平在特定环境中增高的现象基因表达水平在特定环境中增高的现象这类基因叫这类基因叫可诱导基因可诱导基因阻遏阻遏基因对环境信号应答表现为表达水平降低基因对环境信号应答表现为表达水平降低这类基因叫这类基因叫可阻遏基因可阻遏基因 DNA损伤：损伤：DNA损伤修复酶被诱导损伤修复酶被诱导 色氨酸供应充足：参与合成色氨酸的酶被阻遏色氨酸供应充足：参与合成色氨酸的酶被阻遏五五.基因表达的多级
11、调控基因表达的多级调控基因表达调控在多级水平上进行基因表达调控在多级水平上进行基因激活基因激活转录起始转录起始*转录后加工及转运转录后加工及转运mRNA降解降解翻译及翻译后加工翻译及翻译后加工蛋白质降解蛋白质降解20六、基因表达调控原理六、基因表达调控原理以以mRNA转录为例转录为例DNA元件元件调节蛋白调节蛋白RNA聚合酶活性聚合酶活性*调控要素调控要素（一）转录起始调节基因表达（一）转录起始调节基因表达21 （1）DNA元件：元件：具有调节功能的特异具有调节功能的特异DNA序列序列操纵子：操纵子：由功能上相关的一组酶或蛋白质基因在染由功能上相关的一组酶或蛋白质基因在染色体上串联一起并共同享
12、用同一表达调控的色体上串联一起并共同享用同一表达调控的DNA组组件所构成的一个转录单位。件所构成的一个转录单位。操纵子操纵子调节序列调节序列编码序列：编码蛋白质编码序列：编码蛋白质启动序列：结合启动序列：结合RNA聚合酶聚合酶操纵序列：结合阻遏蛋白操纵序列：结合阻遏蛋白*1、原核生物、原核生物 操纵子操纵子结构结构编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)PO(coding sequence) 原核生物启动序列（启动子）原核生物启动序列（启动子）RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTAC
13、ATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT一致序列一致序列 （2）调节蛋白调节蛋白特异因子特异因子决定决定RNA聚合酶特异识别并结合聚合酶特异识别并结合启动序列的能力启动序列的能力（因子）因子）阻遏蛋白阻遏蛋白与操纵序列结合，抑制与操纵序列结合，抑制RNA聚合酶活性聚合酶活性（负性调节）（负性调节）激活蛋白激活蛋白促进促进RNA聚合酶活性聚合酶活性（正性调节）（正性调节） （3）RNA聚合酶活性聚合酶活性DNA元件
14、元件与与调节蛋白调节蛋白对转录激活的调对转录激活的调节作用最终由节作用最终由RNA聚合酶活性聚合酶活性体现。体现。启动序列或启动子的结构、调节蛋白启动序列或启动子的结构、调节蛋白的性质对的性质对RNA聚合酶活性影响最大。聚合酶活性影响最大。2.真核生物真核生物（1） 顺式作用元件：顺式作用元件：（2） 反式作用因子：反式作用因子： （3） mRNA转录激活及其调节转录激活及其调节第二节第二节 原核基因表达调控与原核基因表达调控与真核基因表达调控的基本原理真核基因表达调控的基本原理28一、原核基因表达及其调控的特点一、原核基因表达及其调控的特点1、转录与翻译两过程紧密偶联、转录与翻译两过程紧密偶
15、联3、操纵子调节机制中普遍存在阻遏蛋白介导、操纵子调节机制中普遍存在阻遏蛋白介导的负性调节的负性调节*2、普遍存在操纵子调节机制、普遍存在操纵子调节机制阻遏蛋白阻遏蛋白操纵序列操纵序列结合结合阻遏阻遏解聚解聚结合结合去阻遏去阻遏 阻碍阻碍29 4、转录产物为多顺反子、转录产物为多顺反子mRNA5、转录起始转录起始是基因表达调控的最关键环节是基因表达调控的最关键环节*多顺反子多顺反子mRNA：多个功能相关的基因串联，多个功能相关的基因串联，转录产物在转录产物在一条一条mRNA上，翻译产物为多个多肽链上，翻译产物为多个多肽链二、操纵子理论二、操纵子理论通常一个操纵子含有通常一个操纵子含有一个启动序
16、列及数个编码基因一个启动序列及数个编码基因（26个，甚至更多），还有其它调节序列。个，甚至更多），还有其它调节序列。编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)PO(coding sequence)操纵子操纵子结构结构31乳糖操纵子乳糖操纵子调节机制调节机制 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节 CAP的正性调节的正性调节 协调调节协调调节32 乳糖操纵子结构乳糖操纵子结构 CAP结合位点结合位点P IIPOZYA调控区调控区结构基因结构基因I: 阻遏蛋白编码基因阻遏蛋白编码基因PI: 阻遏蛋白基因启动序列阻遏蛋白基因启动序列Z: -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y: 透酶透酶A: 乙酰基转移酶乙酰基转移酶结构基因结构基因O:操纵序列操纵序列（阻遏蛋白结合部位）（阻遏蛋白结合部位）P:启动序列启动序列CAP结合位点结合位点调控区调控区 1. 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节（无乳糖）（无乳糖） *阻遏蛋白与阻遏蛋白与O序列结合序列结合, 抑制转录抑制转录, lac操纵子关闭操纵子关闭阻遏蛋白阻遏蛋白mRNACAP结合位点
