第13章基因表达调控.ppt

1、目录目录第第13章章基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene Expression目录目录第一节第一节基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念Basic Conceptions of Gene Expression Regulation目录目录一、基因表达是指基因转录及翻译的过程一、基因表达是指基因转录及翻译的过程基因组基因组(genome)来自一个生物体的一整套遗传物质。来自一个生物体的一整套遗传物质。是基因转录及翻译的过程，即：生成具是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。有生物学功能产物的过程。基因表达基因表达(gene expression)基

2、因表达是受调控的。基因表达是受调控的。目录目录二、基因表达具有时间特异性和空间特异性二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性（一）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段阶段特异性特异性(stage specificity)。目录目录（二）空间特异性（二）空间特异性基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种

3、分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的，所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特异异性性(cell or tissue specificity)。在在个个体体生生长长全全过过程程，某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，称称之之为为基基因因表表达达的的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。目录目录三、基因表达的方式及调节存在很大差异三、基因表达的方式及调节存在很大差异按对按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达基

4、本（或组成性）表达诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达目录目录（一）（一）基本（或基本（或组成性组成性）表达表达某某些些基基因因在在一一个个个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表表达达，通通常常被被称称为为管管家家基基因因(housekeeping gene)。无无论论表表达达水水平平高高低低，管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素影影响响，而而是是在在个个体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小。区区别别于于其其他他基基因因，这这类类基基因因 表表 达达 被被 视视 为为 组组 成成 性性 基基 因因 表表

5、达达(constitutive gene expression)。目录目录（二）有些基因的表达受到环境变化的（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏诱导和阻遏在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，相相应应的的基基因因被被激激活活，基基因因表表达达产产物物增增加加，这这种种基基因因称称为为可可诱诱导导基基因因(inducible gene)。可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中表表达达增增强强的的过过程程，称为称为诱导诱导(induction)。如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因(repressible gene

6、)。可可阻阻遏遏基基因因 表表 达达 产产 物物 水水 平平 降降 低低 的的 过过 程程 称称 为为 阻阻 遏遏(repression)。目录目录在在一一定定机机制制控控制制下下，功功能能上上相相关关的的一一组组基基因因，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，均均需需协协调调一一致致、共共同同表表达达，即即为为协协调调表表达达(coordinate expression)，这这 种种 调调 节节 称称 为为 协协 调调 调调 节节(coordinate regulation)。目录目录四、基因表达调控为生物体生长、四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需发育所必需（一）以适应环境、维持生

7、长和增殖（一）以适应环境、维持生长和增殖生物体所处的内、外环境是在不断变化生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。地适应环境，维持其生长和增殖。目录目录（二）以维持细胞分化与个体发育（二）以维持细胞分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这质分子分布、种类和含量存在很大

8、差异，这些差异是调节细胞表型的关键。些差异是调节细胞表型的关键。目录目录第二节第二节基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理Basic Principles of Gene Expression Regulation目录目录一、基因表达调控呈现多层次和复杂性一、基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活拷贝数拷贝数重排重排甲基化程度甲基化程度转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等转录起始转录起始目录目录二二、基因转录激活受到转录调节蛋白基因转录激活受到转录调节蛋白

9、与启动子相互作用的调节与启动子相互作用的调节基基因因表表达达的的调调节节与与基基因因的的结结构构、性性质质，生生物物个个体体或或细细胞胞所所处处的的内内、外外环环境境，以以及及细细胞内所存在的胞内所存在的转录调节蛋白转录调节蛋白有关。有关。（一）特异（一）特异DNA序列决定基因的转录活性序列决定基因的转录活性（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性目录目录原核生物原核生物 蛋白质因子蛋白质因子 操纵子操纵子(operon)机制机制特异特异DNA序列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)(op

10、erator)目录目录是是RNA聚合酶结合并启动转录聚合酶结合并启动转录的特异的特异DNA序列。序列。1 1、启动序列启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列图图13-1 13-1 五种五种E.coli启动序列的共有序列启动序列的共有序列目录目录共共有有序序列列(consensus sequence)决决定定启启动

11、动序序列的转录活性大小。列的转录活性大小。某某些些特特异异因因子子（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异性性识识别别和和结结合能力。合能力。目录目录2 2、操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)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聚聚合合酶不能沿酶不能沿DNA向前移动向前移动，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阻遏阻遏蛋白蛋白目录目录3 3、其他调节序列、调节蛋白其

12、他调节序列、调节蛋白例如：例如：激激活活蛋蛋白白(activator)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列的的结合，增强结合，增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。有有些些基基因因在在没没有有激激活活蛋蛋白白存存在在时时，RNA聚聚合酶很少或完全不能结合启动序列。合酶很少或完全不能结合启动序列。目录目录真核生物真核生物1、顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)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RNA聚合酶聚合酶BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点mRNARNA聚合酶聚合

13、酶BADNA转录起始点转录起始点mRNA图图13-2 顺式作用元件顺式作用元件目录目录不不同同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会会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，这这些些共共有有序序列列是是RNA聚聚合合酶酶或或特特异异转录因子的结合位点。转录因子的结合位点。目录目录2 2、真核基因的调节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达，称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

14、另另一一基基因因的的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，调调节节其其表表达达。这这种种调调节节作作用用称称为为反式作用反式作用。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CbA mRNA蛋白质蛋白质AA图图13-3 反式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白目录目录指指的的是是反反式式作作用用因因子子与与顺顺式式作作用用元元件件之之间间的的特特异异识识别别及及结结合合。通通常常是是非非共共价价结结合合，被被识识别别的的DNA结结合合位位点点通通常常呈呈对对称称、或或不不完全对称结构。

15、完全对称结构。绝绝大大多多数数调调节节蛋蛋白白质质结结合合DNA前前，需需通通过过蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作作用用，形形成成二二聚聚体体(dimer)或或多聚体多聚体(polymer)。（三）转录调节蛋白通过与（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节相互作用对转录起始进行调节目录目录（四）（四）RNA聚合酶与基因的启动序列聚合酶与基因的启动序列/启动子启动子相结合相结合1、原核启动序列、原核启动序列/真核启动子与真核启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性 RNA聚合酶与其的亲和力聚合酶与其的亲和力，影响转录。影响转录。2、调节蛋白与、调节蛋白与RNA聚

16、合酶活性聚合酶活性一一些些特特异异调调节节蛋蛋白白在在适适当当环环境境信信号号刺刺激激下下表表达达，然然后后通通过过DNA-蛋蛋白白质质、蛋蛋白白质质-蛋蛋白质相互作用影响白质相互作用影响RNA聚合酶活性。聚合酶活性。目录目录第三节第三节 原核基因表达调节原核基因表达调节Regulation of Gene Expression in Prokaryote 目录目录调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始。转录起始。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 在在转转录录起起始始阶阶段段，因因子子识识别别特特异异启启动动序序列列；不不同同的的因因子子决决定定特特异异基基因因的的转转录录激激活活，决定决定mRNA、rRNA和和tRNA基因的转录。基因的转录。目录目录（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性 原原核核生生物物绝绝大大多多数数基基因因按按功功能能相相关关性性成成簇簇地地串串联联、密密集集于于染染色色体体上上，共共同同组组成成一一个个转转录录单单位位操操纵纵子子（operon）。一一个个操操纵纵子子只只