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1、1基因表达调控基因表达调控基本概念与原理基本概念与原理 第一节第一节2一一 、基因表达的概念、基因表达的概念 基因（基因（gene） 是负载特定遗传信息的是负载特定遗传信息的DNA功能片段。功能片段。 其结构包括：其结构包括：DNA编码序列、非编码调控序列编码序列、非编码调控序列 和内含子组成的和内含子组成的DNA区域。区域。基因组（基因组（genome） 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。即来自一个遗传体系的一套遗传信息。套基因。即来自一个遗传体系的一套遗传信息。3基因表达（基因表达（gene expresion） 是指基因转录和翻译的过程。
2、是指基因转录和翻译的过程。 在各种调节机制的控制下，基因经过转在各种调节机制的控制下，基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。质分子的过程。 并非所有基因表达过程都产生蛋白质，并非所有基因表达过程都产生蛋白质，编码编码tRNA、rRNA的基因转录产生的基因转录产生RNA的过的过程也属于基因表达调控。程也属于基因表达调控。 4二、基因表达的特性二、基因表达的特性 所有生物的基因表达都表现为严格所有生物的基因表达都表现为严格的规律性，即的规律性，即时间特异性时间特异性和和空间特异性空间特异性。 （一）（一） 时间特异性时间特异性 在特定生
3、物的不同时期或不同发育阶段，在特定生物的不同时期或不同发育阶段，按功能需要，某一特定基因的表达（开启或按功能需要，某一特定基因的表达（开启或关闭）严格按特定的时间顺序发生。关闭）严格按特定的时间顺序发生。 5 多细胞生物在发育的各个阶段，多细胞生物在发育的各个阶段，都会有不同的基因严格按照自己特定都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序表达（开启或关闭），表的时间顺序表达（开启或关闭），表现为现为与发育阶段一致的时间性与发育阶段一致的时间性。 多细胞生物基因表达的时间特异多细胞生物基因表达的时间特异性又称为性又称为阶段特异性阶段特异性。6（二）（二） 空间特异性空间特异性 基因表达伴随时间顺
4、序所表现出基因表达伴随时间顺序所表现出的这种空间分布差异，实质上是由细的这种空间分布差异，实质上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性。 在个体生长发育的全过程，某种在个体生长发育的全过程，某种基因产物在个体不同组织和器官表达，基因产物在个体不同组织和器官表达，即即按不同组织空间顺序出现按不同组织空间顺序出现。7三、基因表达的方式三、基因表达的方式 按对环境刺激的反应性，基因表达按对环境刺激的反应性，基因表达的方式分为：的方式分为：（一）（一） 组成性表达组成性表达（二）（二） 诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达（三）（
5、三） 协调表达协调表达8（一）（一） 组成性表达组成性表达 某些基因产物对生命过程都是必某些基因产物对生命过程都是必需的或必不可少的。这些基因在个体需的或必不可少的。这些基因在个体的几乎所有细胞中持续表达的几乎所有细胞中持续表达, , 通常被通常被称为称为管家基因管家基因( housekeeping gene ) 。9 管家基因表达水平受环境因素影响管家基因表达水平受环境因素影响较小，在个体各个生长阶段的大多数或较小，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，几乎全部组织中持续表达或变化很小，这种基因表达方式称为这种基因表达方式称为组成性表达组成性表达或或基本表达基本表达。
6、特点：特点：1、不受环境影响、不受环境影响2、生命各个阶段表达、生命各个阶段表达10（二二） 诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达 与管家基因不同，另有一些基因表达与管家基因不同，另有一些基因表达极易受环境变化影响，随外环境的变化可极易受环境变化影响，随外环境的变化可以升高或降低。以升高或降低。 在特定环境信号刺激下，相应的基因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，这种基因称被激活，基因表达产物增加，这种基因称为为可诱导基因可诱导基因。 可诱导基因在特定环境中表达增强的可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为过程，称为诱导诱导（ induction ）。 11 如果基因对环境信号
7、应答是被抑制，如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是这种基因是可阻遏基因可阻遏基因。 可阻遏基因表达产物降低的过程称可阻遏基因表达产物降低的过程称为为阻遏（阻遏（ repression ）。12 在一定机制控制下在一定机制控制下,功能上相关的功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式一组基因，无论其为何种表达方式,均均需协调一之致需协调一之致 、共同表达，即为、共同表达，即为协调表协调表达达(coordinate expression) 。（三）（三） 协调表达协调表达13四、基因表达调控的基本原理四、基因表达调控的基本原理 （一）基因表达的多级调控（一）基因表达的多级调控 从基因激活开始
8、到蛋白质的生物从基因激活开始到蛋白质的生物合成，对于蛋白质来说，以下几个环合成，对于蛋白质来说，以下几个环节均可以调节蛋白质在细胞内的浓度。节均可以调节蛋白质在细胞内的浓度。14基因表达的基本调控点基因表达的基本调控点基因基因激活激活转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNAmRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰转录起始转录起始15 （二）基因转录激活调节基本要素（二）基因转录激活调节基本要素 基因表达的调节与基因表达的调节与基因基因的结的结构、性质，生物个体或细胞所处构、性质，生物个体或细胞所处的的内、外环境内、外环境，以及细胞内所存，以
9、及细胞内所存在的在的转录调节蛋白转录调节蛋白有关。有关。16主要指具有调节功能的主要指具有调节功能的DNADNA序列。序列。原核生物原核生物操纵子操纵子真核生物真核生物顺式作用元件顺式作用元件1、特异、特异DNA序列序列17 通常由通常由两个以上编码序列与启两个以上编码序列与启动序列、操纵序列动序列、操纵序列以及以及其他调控其他调控序列序列在基因组中成簇串联而成。在基因组中成簇串联而成。原核生物原核生物操纵子操纵子18原核生物原核生物- 操纵子操纵子(operon) 机制机制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是是RNARNA聚合酶结合并启动转聚合酶结合并启
10、动转录的特异录的特异DNADNA序列。序列。1) 启动序列启动序列19RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecA araBAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列 共有序列（共有序列（DNA） 决定启动序决定启动序列的转录活性大小。列的转录活性大小。202 2 操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白的结合位点的结合位点 当当操操纵纵序序列列结结合合有有阻阻遏遏蛋蛋白白时时，会会
11、阻阻碍碍RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，或或是是RNA 聚聚合合酶酶不不能能沿沿DNA向向前前移移动动 ，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白213) 其他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白原核生物基因调节蛋白分为三类：原核生物基因调节蛋白分为三类：、特异因子、特异因子 、阻遏蛋白、阻遏蛋白 、激活蛋白、激活蛋白22 特特异异因因子子（蛋蛋白白质质）决决定定RNA聚聚合合酶酶对对一一个个或或一一套套启启动动序序列列的的特特异性识别和结合能力。异性识别和结合能力。、特异因子、特异因子23 阻阻遏遏蛋蛋白白可可以以识
12、识别别和和结结合合特特异异DNA序序列列操操纵纵序序列列，抑抑制制基基因因转录，介导负性调节。转录，介导负性调节。、阻遏蛋白、阻遏蛋白 阻遏蛋白阻遏蛋白介导的负性调节在原核介导的负性调节在原核生物中普遍存在。生物中普遍存在。24 激激活活蛋蛋白白可可结结合合启启动动序序列列邻邻近近的的DNA 序序列列 ，促促进进RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列的结合，增强列的结合，增强RNA聚合酶转录活性。聚合酶转录活性。 有些基因在没有激活蛋白存在时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聚合酶很少或完全不能结合启动序列。序列。、激活蛋白、激活蛋白25真核生物真核生物1) 顺式
13、作用元件顺式作用元件 -可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列 主要包括：主要包括： 、启动子、启动子 、增强子、增强子 、沉默子、沉默子26顺式作用元件顺式作用元件 -可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点 真真核核生生物物的的顺顺式式作作用用元元件件中中也也发发现现一一些些共共有有序序列列 ，如如TATA 盒盒、CAAT盒盒等等，它它们们是是真真核核RNA聚聚合合酶酶或或特特异异转转录录因因子子的的结结合合位位点，也是顺式作用元件的点，也是顺式作用元件的核心序列核心序列。 272) 真核基因的调节
14、蛋白真核基因的调节蛋白 还还有有蛋蛋白白质质因因子子可可特特异异识识别别、结结合合自自身身基基因因的的调调节节序序列列, 调调节节自自身身基基因因的的表表达，称达，称顺式作用顺式作用。 由由某某一一基基因因表表达达产产生生的的蛋蛋白白质质因因子子，通通过过与与另另一一基基因因特特异异的的顺顺式式作作用用元元件件相相互互作作用用，调节其表达。调节其表达。 反式作用因子反式作用因子 这种作用称为这种作用称为反式作用反式作用 ，这种蛋白质，这种蛋白质因子称为因子称为反式作用因子。反式作用因子。 28CDNAADNA反式调节反式调节c顺式调节顺式调节mRNAc蛋白质蛋白质C CBa mRNA 蛋白质蛋
15、白质A Aa29第二节第二节 原核基因转录调节原核基因转录调节30-调节的主要环节在调节的主要环节在转录起转录起始始一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点 (一一) 、因子决定因子决定RNA 聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性( (二二) ) 、操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性 一个操纵子只含有一个启动序列，一个操纵子只含有一个启动序列，原核基因协调表达就是通过调控单个启原核基因协调表达就是通过调控单个启动序列完成。动序列完成。( (三三) ) 、阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 特异的阻遏蛋白是控制原核启动序特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。列活
16、性的重要因素。31 通常由通常由两个以上编码序列两个以上编码序列与与启启动序列、操纵序列动序列、操纵序列以及以及其他调控其他调控序列序列在基因组中成簇串联而成。在基因组中成簇串联而成。二、操纵子结构二、操纵子结构32三、乳糖操纵子调节机制三、乳糖操纵子调节机制（一（一）乳糖操纵子的结构）乳糖操纵子的结构调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列结构基因结构基因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ZYAOPDNAI调节基因调节基因33mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时(二二) 阻遏蛋白的负性调节
17、阻遏蛋白的负性调节调节基因调节基因34mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶35+ + + + + + + + 转转录录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度降低时浓度降低时(三三) CAP（分解代谢物激活蛋白）（分解代谢物激活蛋白）的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP转录增强转录增强转录下降转录下降36(四四) 协调调节协调调节 当当阻遏蛋白封闭阻遏蛋白封闭转录时，转录时，CAP对对该系统不能发挥作用；该系统不能发挥作用
18、； 如如无无CAP存在，即使没有阻遏蛋存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。活性。 说明在乳糖操纵子中说明在乳糖操纵子中CAP对于对于基因表达是必不可少的。基因表达是必不可少的。37 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在乳糖共同存在时时 , 细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。 葡萄糖通过降低葡萄糖通过降低cAMPcAMP浓度，阻碍浓度，阻碍cAMPcAMP与与CAPCAP结合而抑制结合而抑制laclac操纵子转录。操纵子转录。 葡萄糖对葡萄糖对lac
19、lac操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解分解代谢阻遏（代谢阻遏（catabolic repressioncatabolic repression）。）。 38mRNA 无乳糖时无乳糖时 高乳糖时高乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO39四四 其他转录调节机制其他转录调节机制(一一) 转录衰减转录衰减trptrp 高时高时trp 低时低时mRNAOPI调节区调节区结构基因结构基因前导肽前导肽衰减子衰减子 色氨酸操纵子色氨酸操纵子40衰减子结构衰减子结构 (attenuator)核糖体核糖体新生肽链新生肽链mRNADNA1
20、234UUUU 3 1、当色氨、当色氨酸浓度高时酸浓度高时 trp 密码子密码子转录衰减机制转录衰减机制: :5不依赖不依赖因子转录终止因子转录终止形成茎环结构能力：形成茎环结构能力： 1 1和和2 2 2 2和和3 3 3 3和和4 44112345核糖体核糖体2、当色氨、当色氨酸浓度低时酸浓度低时体内缺乏色氨酰体内缺乏色氨酰-tRNA-tRNA转录衰减实质上是转录与前导肽的翻译偶联转录衰减实质上是转录与前导肽的翻译偶联42第三节第三节 真核基因转录调节真核基因转录调节43一一 、真核基因组结构特、真核基因组结构特点点(一一) 真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大9哺乳类动哺乳类动物基因组物
21、基因组DNA 约约 3 10 碱基对碱基对编码基因编码基因约约 有有 40000 个个重复基因约重复基因约 占占 5% 10%44 (二二) 单顺反子单顺反子（monocistron） 即一个编码基因转录生成一个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分子，经翻译生成一条多肽链。链。 对于对于原核生物原核生物来说，结构基因来说，结构基因 按功能相关性成簇串联形成操纵按功能相关性成簇串联形成操纵子，转录生成的子，转录生成的mRNA是是多顺反多顺反子子，即翻译生成多条多肽链。，即翻译生成多条多肽链。45(三三) 重复序列重复序列单拷贝序列单拷贝序列（一次或数次一次或数次）高度重复
22、序列高度重复序列（ 10 次次）6中度重复序列中度重复序列（ 10 10 次次）4 3多拷贝序列多拷贝序列 重复序列具有种属特异性，基因组越大，重复序列具有种属特异性，基因组越大，重复序列越多。重复序列越多。 由两个互补序列在同一由两个互补序列在同一DNA链上反向排链上反向排列而成，称为反转重复序列。列而成，称为反转重复序列。46 真核的结构基因又称真核的结构基因又称断裂基断裂基因因，基因内部有非编码序列（内，基因内部有非编码序列（内含子），编码序列（外显子），含子），编码序列（外显子），基因之间又被非编码序列（基因基因之间又被非编码序列（基因间隔）分隔开来。间隔）分隔开来。(四四) 基因不连
23、续性基因不连续性47二、二、 真核基因转录激活调节真核基因转录激活调节(一一) 顺式作用元件顺式作用元件1、启动子、启动子 真真核核基基因因启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点周周围围的的一一组组转转录录控控制制组组件件，至至少少包包括括一一个个转转录录起起始始点点以以及及一一个个以以上上的的功能组件功能组件TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒48 TATA盒（盒（Hogness盒）其共有盒）其共有序列是序列是TATAAAA，通常位于转录起，通常位于转录起始点上游始点上游-25 -30bp，控制转录起始，控制转录起始的准确性及频率，是的准确性及频率，是TFDD结合部位。结合部位。 典
24、型的启动子典型的启动子由由TATA盒盒及及上游的上游的CAAT盒盒和（或）和（或）GC盒盒组成。组成。492、增强子、增强子（enhancer） 通过启动子来增强转录速度和效通过启动子来增强转录速度和效率的率的DNA序列。序列。 指远离转录起始点、决定基因的指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录时间、空间特异性、增强启动子转录活性的活性的DNA序列。序列。 从功能上看，从功能上看，没有增强子没有增强子存在，存在，启动子通常不能表现活性；启动子通常不能表现活性；没有启动没有启动子子的存在，增强子也无法发挥作用。的存在，增强子也无法发挥作用。503、沉默子、沉默子（silen
25、cer） 某些基因的负性调节元件，当某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。录起阻遏作用。51(二二) 反式作用因子反式作用因子 1、转录调节因子分类、转录调节因子分类 （按功能特性按功能特性）* 基本转录因子基本转录因子* 特异转录因子特异转录因子52* 基本转录因子基本转录因子 是是RNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的 一一 组组 蛋蛋 白白 因因 子子 ， 决决 定定 三三 种种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA ) 转转录录的的类别。类别。53* 特异转录因子特异转录因子 为个别基因转录所必需，决定该为个
26、别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子542、转录调节因子结构、转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域锌指结构锌指结构碱性碱性螺旋螺旋螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链55最常见的最常见的DNA结合域：结合域： 1、锌指锌指（zinc finger）C CysH His常结合常结合GC盒盒56ZnCysHis57 2、碱性碱性
27、螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒58真核基因表达调控特点真核基因表达调控特点(一一) RNA聚合酶聚合酶(二二) 活性染色体结构变化活性染色体结构变化1、对核酸酶敏感、对核酸酶敏感 活化基因常有超敏位点，位于调节活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。蛋白结合位点附近。592、DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后，基因活化后，RNA-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向3、DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因
28、表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。604、组蛋白变化、组蛋白变化 富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低 H2AH2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露(三三) 正性调节占主导正性调节占主导(四四) 转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行(五五) 转录或修饰、加工转录或修饰、加工611 1、基因表达的概念、基因表达的概念2 2、乳糖操纵子的调节机制、乳糖操纵子的调节机制3 3、顺式作用元件、反式作用因子、顺式作用元件、反式作用因子小小 结结掌握：掌握：1 1、基因表达的基本原理、基因表达的基本原理2 2、原核基因转录调节
29、特点、原核基因转录调节特点3 3、真核基因基因组的特点、真核基因基因组的特点4 4、真核基因表达调控的特点、真核基因表达调控的特点熟悉：熟悉：62作作 业业1 1、蛋白质的一、二、三、四级结构、蛋白质的一、二、三、四级结构2 2、DNADNA双螺旋结构有什么特点？双螺旋结构有什么特点？3 3、试述糖的有氧氧化和无氧酵解的过程、试述糖的有氧氧化和无氧酵解的过程4 4、试述脂肪酸的氧化过程、试述脂肪酸的氧化过程5 5、试述氨的来源、去路及其在体内解毒的过程、试述氨的来源、去路及其在体内解毒的过程6 6、试述复制、转录的异同点及其主要过程、试述复制、转录的异同点及其主要过程7 7、核蛋白体循环是如何进行的？、核蛋白体循环是如何进行的？8 8、试述乳糖操纵子的调节机制。、试述乳糖操纵子的调节机制。9 9、基因工程的原理和程序。、基因工程的原理和程序。63
