14 第十三章 基因表达调控.ppt

第1页：第十三章 基因表达调控封面

第十三章 基因表达调控封面

• 基因表达调控

第2页：基因表达的调控

基因表达的调控

• 基因表达的调控:
• 生物体随时调整不同基因的表达状态,以适应环境、维持生长和发育需要

第3页：第一节基本概念与原理

第一节基本概念与原理

• 基因表达的概念基因组来自一个遗传体系的一整套遗传信息基因转录及翻译的过程基因表达基因负载特定遗传信息的DNA片段

第4页：基因表达的时间性及空间性

基因表达的时间性及空间性

• 时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性

第5页：空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的

空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的

• 空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称

第6页：基因表达的方式按对刺激的反应性

基因表达的方式按对刺激的反应性

• 基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
• 组成性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

第7页：无论表达水平高低

无论表达水平高低

• 无论表达水平高低，管家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，

第8页：诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下

诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下

• 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

第9页：基因表达调控的生物学意义

基因表达调控的生物学意义

• 适应环境、维持生长和增殖
• 维持个体发育与分化

第10页：第二节基因表达调控的基本原理

第二节基因表达调控的基本原理

• 基因表达的多级调控基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰转录起始

第11页：基因转录激活调节基本要素

基因转录激活调节基本要素

特异DNA序列原核生物操纵子

由功能相关的一组基因在染色体上串联，共同构成的一个转录单位；通常由2个以上的

第12页：编码序列启动序列操纵序列其他调节序列(

编码序列启动序列操纵序列其他调节序列(

• 编码序列启动序列操纵序列其他调节序列(promoter)(operator)原核基因启动序列是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。

第13页：操纵序列——阻遏蛋白的结合位点当操纵序列

操纵序列——阻遏蛋白的结合位点当操纵序列

• 操纵序列——阻遏蛋白的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA

第14页：真核生物顺式作用元件——可影响自身基因表

真核生物顺式作用元件——可影响自身基因表

• 真核生物顺式作用元件——可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点

第15页：调节蛋白原核生物特异因子

调节蛋白原核生物特异因子

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：可以识别、

第16页：真核基因的调节蛋白还有蛋白质因子可特异识

真核基因的调节蛋白还有蛋白质因子可特异识

• 真核基因的调节蛋白还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用

第17页：cDNAaDNA反式调节C顺式调节

cDNAaDNA反式调节C顺式调节

• cDNAaDNA反式调节C顺式调节mRNAC蛋白质CBAmRNA蛋白质AA

第18页：DNA-蛋白质相互作用指的是反式作用因子

DNA-蛋白质相互作用指的是反式作用因子

DNA-蛋白质相互作用指的

反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-

第19页：RNA聚合酶⑴原核启动序列/真核启动子与

RNA聚合酶⑴原核启动序列/真核启动子与

1. RNA聚合酶⑴原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录⑵调节蛋白与RNA

第20页：第三节原核基因转录调节——调节的主要环节

第三节原核基因转录调节——调节的主要环节

• 第三节原核基因转录调节——调节的主要环节在转录起始
• 原核基因转录调节特点
• σ因子决定RNA聚合酶识别特异性
• 操纵子模型的普遍性
• 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性

第21页：乳糖操纵子调节机制

乳糖操纵子调节机制

• 乳糖操纵子(lac operon)的结构调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶——功能未详ZYAOPIDNA

第22页：阻遏负调控

阻遏负调控

阻遏负调控

调控蛋白+DNA序列基因的表达(相应蛋白质降低)促进正调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达(相应蛋白质增加)

第23页：Lac阻遏蛋白的作用---负调控

Lac阻遏蛋白的作用---负调控

• Lac阻遏蛋白
• 结构特点
• 调控机制（负调控）
• 由基因I编码生成的蛋白质
• 具有四级结构的蛋白质
• 具有4个相同亚基
• 每个亚基中都有一与诱导剂结合的位点

Lac阻遏物与O序列结合

结构基因关闭

Lac阻遏物与诱导剂结合

不与O序列结合，结构基因开放

第24页：mRNA阻遏蛋白

mRNA阻遏蛋白

• mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时
• 阻遏蛋白的负性调节调节基因

第25页：阻遏蛋白对于O序列的结合并非是经久不变的

阻遏蛋白对于O序列的结合并非是经久不变的

阻遏蛋白对于O序列的结合并非

经久不变的，而是有一个10～20分钟的半衰期。

• RNA聚合酶抓住这一时机进行一次转录，从而翻译出几个分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透性酶

第26页：生理性诱导剂

生理性诱导剂

• 实验常用诱导剂
• 别乳糖
• 异丙基硫代半乳糖（IPTG）
• Lac操纵子诱导剂乳糖β半乳糖苷酶别乳糖葡萄糖+半乳糖

第27页：mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时

mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时

• mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖别乳糖β-半乳糖苷酶

第28页：CAP的正性调节

CAP的正性调节

• CAP有DNA结合区及cAMP结合位点
• 乳糖启动子－10区TATGTT序列，其中的G－C碱基对增加了双螺旋结构的稳定性，因此RNA聚合酶不足以使双链解开。
• CAP－cAMP复合物结合在CAP结合位点，使双螺旋结构的稳定性降低，促进了开放性启动子复合物的形成如无CAP

第29页：+ + + +转录无葡萄糖

+ + + +转录无葡萄糖

• + + + +转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP

第30页：当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时

当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时

• 当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，通常优先利用葡萄糖，而不利用乳糖
• 当葡萄糖耗尽后，才利用乳糖，这种葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏
• 葡萄糖分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性，因而降低cAMP浓度（饥饿信号）
• 无葡萄糖，

第31页：mRNA低半乳糖时高半乳糖时葡萄糖低

mRNA低半乳糖时高半乳糖时葡萄糖低

• mRNA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RNA-polOOOO

第32页：Lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又

Lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又

• Lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖

乳糖存在

阻遏蛋白与诱导剂结合不与O序列结合

缺乏葡萄糖

CAP－cAMP复合物结合在CAP结合位点

第33页：原核生物转录终止调节

原核生物转录终止调节

• 两种主要转录终止机制依赖Rho因子的转录终止不依赖Rho因子的转录终止

两种终止调节方式衰减

导致RNA链的过早终止抗终止：阻止前者的发生，使下游基因得以表达

第34页：原核生物翻译水平的调节

原核生物翻译水平的调节

1. 蛋白质分子的自我调节

• 调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区。
• 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

1. 反义RNA对翻译的调节作用与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

第35页：第四节真核基因表达调节

第四节真核基因表达调节

• 真核基因组结构特点
• 真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组DNA约3×109碱基对编码基因约有40000个，占总长的6 %重复基因约占5% ~ 10%

第36页：单顺反子一个编码基因转录生成一个

单顺反子一个编码基因转录生成一个

• 单顺反子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。
• 重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106次）

第37页：真核基因表达调控特点

真核基因表达调控特点

• RNA聚合酶
• 活性染色体结构变化

1. 对核酸酶敏感RNA Pol Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ
2. DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在

第38页：DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞

DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞

1. DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化甲基化范围与基因表达程度呈反比CpG岛去甲基化

第39页：正性调节占主导

正性调节占主导

• 转录与翻译分隔进行
• 转录后修饰、加工

第40页：RNA Pol Ⅱ转录起始的调节

RNA Pol Ⅱ转录起始的调节

• 顺式作用元件

启动子真核基因启动子

RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点

第41页：

第42页：增强子(enhancer)指远离转录起始

增强子(enhancer)指远离转录起始

1. 增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。

• 增强子、启动子交错覆盖/连续

第43页：沉默子(silencer)某些基因的负性

沉默子(silencer)某些基因的负性

1. 沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。

第44页：反式作用因子反式作用因子识别/结合顺式作

反式作用因子反式作用因子识别/结合顺式作

• 反式作用因子反式作用因子识别/结合顺式作用元件中的靶序列启动转录一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子

第45页：转录调节因子分类（按功能特性）

转录调节因子分类（按功能特性）

基本转录因子

RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)

第46页：特异转录因子为个别基因转录所必需

特异转录因子为个别基因转录所必需

1. 特异转录因子为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子：增强子结合蛋白

第47页：反式因子一般有两个必需的结构域

反式因子一般有两个必需的结构域

DNA结合域

与顺式元件识别、结合

• 转录激活域：
• 不与DNA直接结合的转录因子没有DNA结合域，但能通过转录激活域直接或间接作用于转录复合体而影响转录效率谷氨酰胺富含域酸性激活域

第48页：Zinc-

Zinc-

• Zinc-fingers
• 锌指
• 最常见DNA结合域之一
• 约有30个AA残基
• 其中4个AA残基（2个Cys，2个His）配位键Zn2+锌指
• 与DNA双螺旋大沟结合
• 存在于多种真核转录因子
• 具多个锌指结构

第49页：四个氨基酸残基分别位于正四面体的顶角

四个氨基酸残基分别位于正四面体的顶角

• 四个氨基酸残基分别位于正四面体的顶角，与四面体中心的锌离子配位键结合，稳定锌指结构Cys和His之间有12个氨基酸残基，其中数个为保守的碱性残基

第50页：123456789蛋白质图15-10图

123456789蛋白质图15-10图

• 123456789蛋白质图15-10图15-11

第51页：一段肽链中每隔7个AA即有一个Leu在α

一段肽链中每隔7个AA即有一个Leu在α

一段肽链中每隔7个AA

有一个Leu在α螺旋某一侧面每两圈出现一个Leu亲水面：亲水AA组成疏水面：Leu组成（亮氨酸拉链条）可形成二聚体（发挥作用）亮氨酸拉链

第52页：图15-

图15-

• 图15-13

第53页：mRNA 转录激活及其调节polⅡTFⅡ

mRNA 转录激活及其调节polⅡTFⅡ

• mRNA 转录激活及其调节polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBP真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物TATADNAEBP

第54页：真核基因转录调节是复杂的

真核基因转录调节是复杂的

真核基因转录调节

复杂的、多样的*不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式；*

第55页：RNA Pol Ⅱ转录起始的调节

RNA Pol Ⅱ转录起始的调节

• 转录后水平的调节
• 翻译水平的调节