第1页：第13章 基因表达的调节
13基因表达的调节Chapter 13 Regulation of Gene Expression
第2页：本章重点与难点
- 本章重点与难点重点：代谢途径的相互关系：了解各代谢途径相互间的关系与联系；
- 了解酶活性的调节机理和酶合成的调控机理、明确这两种调节在代谢上的重要性；
- 掌握原核生物酶合成的调节特点——操纵子。
- 难点：各代谢途径相互间的联系；
- 酶活性调节的主要方式；
- 原核生物酶合成调节——乳糖操纵子的调节方式；
- 真核生物基因表达调节。
第3页：基因表达调节的基本概念及原理
第一节基因表达调节的基本概念及原理Basic Conceptions and Principle
第4页：基本概念•基因
- 一、基本概念
- •基因（Gene）：是一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的DNA
- •基因组(genome)：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。基因表达是受调控的。*基因表达(gene expression)
第5页：时间特异性或发育阶段特异性按功能需要
- 二、基因表达的规律
- 1、时间特异性或发育阶段特异性按功能需要，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(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)
第6页：空间特异性或组织细胞特异性基因表达伴随时
- 2、空间特异性或组织细胞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细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。
- 在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。
第7页：基因表达的方式按对刺激的反应性
- 三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为
- 1.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，基本不受环境因素的影响，通常被称为管家基因(housekeepinggene)
第8页：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，或变化很小。
- 区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutivegeneexpression)。
第9页：可诱导和可阻遏表达在特定环境信号刺激下
- 可诱导和可阻遏表达在特定环境信号刺激下
- 2.可诱导和可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。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。
第10页：在一定机制控制下
- 在一定机制控制下
- 在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。
第11页：适应环境
- 四、基因表达调控的生物学意义
- 1、适应环境、维持生长和增殖
- 2、维持个体发育与分化
第12页：基因表达的多级调控基因激活转录水平转录后
- 五、基因表达调节的基本原理
- 1、基因表达的多级调控基因激活转录水平转录后加工mRNA降解蛋白质降解蛋白质的投递和运输蛋白质翻译翻译后加工修饰基因表达可在多层次上受到调节
第13页：基因转录调节基本要素基因表达的调节与基因
- 2、基因转录调节基本要素基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。
- 三个基本要素：1）特异的DNA调节序列2）调节蛋白3）RNA聚合酶
第14页：原核生物基因转录调节
第二节原核生物基因转录调节Regulation of Prokaryotic Gene Transcription
第15页：原核生物基因转录调节的特点
- ——调节的主要环节在转录水平上进行
- 一、原核生物基因转录调节的特点
- 1、σ因子决定RNA聚合酶识别特异性
- 2、主要通过操纵子模式进行调节
- 3、阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用
第16页：存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操
- 存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操
- 存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（operon）调控模式，该模式也见于低等真核生物中。所谓操纵子（operon）是指原核生物基因组的一个表达调控序列，长度约1000bp左右，由若干结构基因串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控。
第17页：操纵子的结构与功能典型的操纵子可分为控制
- 操纵子的结构与功能典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。
- 控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。
第18页：编码序列启动序列操纵序列调节基因P位是
- 编码序列启动序列操纵序列调节基因(promoter)(operator)P位是RNA聚合酶结合并启动转录的模板。
- O位结合阻遏蛋白或阻遏物。
- 信息区含有遗传信息，可作为转录的模板指导mRNA的合成。
- 在DNA分子中，操纵子前端存在调节基因，能合成阻遏蛋白。
- 阻遏蛋白与操纵基因结合后，可使DNA变构，RNA聚合酶不能沿着DNA滑动，转录停止。
- 诱导物与阻遏蛋白结合后，将阻遏蛋白从DNA上拉下来，DNA模板变构，RNA聚合酶可沿着DNA滑动，转录进行。
第19页：乳糖操纵子的结构与组成调控区
- 二、乳糖操纵子调节机制
- 1、乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成调控区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ZYAOPDNA
第20页：以原核生物乳糖操纵子为例
- 以原核生物乳糖操纵子(Lac operon)为例，其控制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因（其CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵基因；
- 其信息区由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。
- 控制区信息区
第21页：乳糖操纵子的结构基因及其表达产物
乳糖操纵子的结构基因及其表达产物
第22页：阻遏蛋白的负性调节阻遏基因
- mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时
- 2、阻遏蛋白的负性调节阻遏基因
第23页：
第24页：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乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶
第25页：
第26页：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3、CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP
第27页：
第28页：
第29页：协调调节※当阻遏蛋白封闭转录时
- 4、协调调节※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；
- ※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。
- 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；
- 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。
- 葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolicrepression)。
第30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cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO
第31页：其他转录调节机制
- TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶?
- 三、其他转录调节机制
- 1、色氨酸操纵子（转录衰减作用）色氨酸操纵子
第32页：色氨酸操纵子属于阻遏型操纵子
- 色氨酸操纵子（trp operon）属于阻遏型操纵子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。
- 当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。
- 色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。
- 而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。
第33页：UUUU……UUUU……调节区结构基因
UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构第10、11密码子为trp密码子终止密码子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2/3>序列3/4trp密码子UUUU……
第34页：色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减机制
- 色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减(attenuation)机制。
- 即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。
第35页：当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’
- UUUU……34UUUU 3’34核糖体前导肽前导mRNA
- 1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU 3’RNA聚合酶终止
第36页：当色氨酸浓度低时
- UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子结构基因前导DNARNA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
第37页：阿拉伯糖操纵子的正调节作用和负调节作用这
- 2、阿拉伯糖操纵子的正调节作用和负调节作用这是一个利用同一种调节蛋白的不同结构形式活化和抑制操纵子的调控方式。
- AraC蛋白是一个具有两种不同功能构象的蛋白质。
- P1型为阻遏子，P2型为激活子。
- 调节作用分三种情况：1）葡萄糖很丰富且没有阿拉伯糖情况下，AraC与操纵基因araO2和AraC的一个结合位点araI结合，结合于araO2和araI的两个AraC蛋白之间互相结合，形成一个约210碱基对的一个环，从而使araBAD启动子的转录被抑制，基因araB、A、D不被转录，阻止操纵子的转录（阴性调控或负调节作用）
第38页：当葡萄糖不存在而阿拉伯糖存在时
2）当葡萄糖不存在（或低水平）而阿拉伯糖存在时，CAP-cAMP很丰富，与araI附近的CRP结合位点结合，阿拉伯糖与AraC蛋白结合改变了构象，成为激活子，DNA环被打开，能与CAP-cAMP协同诱导araBAD基因的转录（阳性调控或正调节）3）阿拉伯糖和葡萄糖均不存在或阿拉伯糖和葡萄糖均丰富时，操纵子均处于阻遏状态。
第39页：由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为
- 由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调节子。通过组成调节子调控网络，对若干操纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整体调控的目的。典型的整体调控模式是SOS反应，这是由一组与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因组成。在正常情况下，这些基因均被LexA阻遏蛋白封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，从而导致与DNA损伤修复有关的基因表达
- 3、原核生物转录的整体调控模式
第40页：SOS反应SOS基因紫外线激活
SOS反应SOS基因紫外线激活Rec ALex A阻遏蛋白与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因表达Lex A阻遏蛋白操纵序列DNA
第41页：真核生物基因转录调节
第三节真核生物基因转录调节Regulation of Eukaryotic Gene Transcription
第42页：真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组
- 一、真核生物基因组结构特点
- 1、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30000个，占总长的6 %
第43页：重复序列单拷贝序列高度重复序列
- 2、单顺反子单顺反子(monocistron)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链
- 3、重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106次）中度重复序列（103~ 104次）多拷贝序列
- 4、基因不连续性：断裂基因真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称为外显子（exon），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子（intron）
第44页：染色质结构改变参与基因表达的调控
- 二、真核基因表达调节的特点1、RNA聚合酶活性受转录因子调控：RNA聚合酶有三种，分别转录不同的RNA
- 2、染色质结构改变参与基因表达的调控：1）对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近
第45页：DNA拓扑结构变化天然双链
- 2）DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；
- 基因活化后RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向3）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。
第46页：组蛋白变化①富含
- 4）组蛋白变化
- ①富含Lys组蛋白水平降低
- ②H2A, H2B二聚体不稳定性增加
- ③组蛋白修饰
- ④H3组蛋白巯基暴露
- 3、正性调节占主导：真核基因一般都处于阻遏状态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制
- 4、转录与翻译分隔进行
- 5、转录后加工修饰过程复杂
第47页：顺式作用元件
- 三、真核基因转录调控元件及调控机制
- 1、顺式作用元件：是真核生物DNA调控元件，包括启动子、增强子和沉默子。1）启动子真核基因启动子是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以及一个以上的功能组件。TATA盒GC盒CAAT盒需要DNA调节序列、调节蛋白和RNA聚合酶三大要素
第48页：
第49页：增强子指远离转录起始点
- 2）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。
- 3）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50页：反式作用因子是影响基因转录的调节蛋白
2、反式作用因子（分子间作用因子）是影响基因转录的调节蛋白，属于转录调节因子1）转录调节因子分类（按功能特性）*基本转录因子(general transcription factors)是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)转录的类别。
第51页：特异转录因子为个别基因转录所必需
- *特异转录因子(special transcription factors)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。
- 转录激活因子转录抑制因子
第52页：转录调节因子结构
2）转录调节因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域
第53页：最常见的DNA结合域1）锌指见于TFⅢA
- 最常见的DNA结合域1）锌指(zinc finger)见于TFⅢA和类固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸的多肽链构成。
- 每四个半光氨酸残基或His残基螯合一分子Zn2+，其余约12-13个残基则呈指样突出，刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中而与之相结合。
- 每个蛋白质分子中可含2-9个锌指结构。
第54页：
第55页：
第56页：α-螺旋－转角－α-螺旋
- 2）α-螺旋－转角－α-螺旋HTH和HLH结构：由两段а-螺旋夹一段β-折迭构成，а-螺旋与β-折迭之间通过β-转角或成环连接，即螺旋-转角-螺旋结构和螺旋-环-螺旋结构。
- 典型的例子是λ噬菌体的Cro蛋白，该蛋白含三段а-螺旋和三段β-折迭，两亚基通过β-折迭而形成二聚体，相当于DNA的一个螺距的长度，而每一亚基的一段а-螺旋则刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中与DNA紧密结合。
第57页：亮氨酸拉链结构
- 亮氨酸拉链结构：见于真核生物DNA结合蛋白质的C端，与癌基因表达调控有关。
- 由两段α-螺旋平行排列构成，其α-螺旋中存在每隔7个残基规律性排列的Leu残基，Leu侧链交替排列而呈拉链状。
- 两条肽链呈钳状与DNA结合。
- 介导蛋白质互相作用的结构模序
第58页：真核基因转录调节是复杂
- 真核基因转录调节是复杂的、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；
- *多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。
- *转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。
