《基因表達調控》課件

第十三章

基因表達調控

第一節(jié)

基因表達調控基本概念

第二節(jié)

基因表達調控的基本原理

第三節(jié)原核基因轉錄調節(jié)

第四節(jié)真核基因轉錄調節(jié)

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第一節(jié)

基因表達調控基本概念與原理

一、基因表達的概念

基因（gene）：是為生物活性產(chǎn)物（RNA或蛋白質）編碼的DNA功能片段，是遺傳的基本單位。

基因組(genome)：指一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。

基因表達(geneexpression)：指基因轉錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學功能的蛋白質分子的過程。

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二、基因表達的特異性

基因表達表現(xiàn)為嚴格的規(guī)律性：即時間、空間特異性。

時間、空間特異性由特異基因的啟動子（序列）和(或)增強子與調節(jié)蛋白相互作用決定。

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（一）時間特異性

按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性（temporalspecificity）。

多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性（stagespecificity）。

4精選課件（二）空間特異性

在個體發(fā)育、生長的全過程，一種基因產(chǎn)物在個體的不同組織或器官表達，即在個體的不同空間出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性（spatialspecificity）。

基因表達伴隨時間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，因此基因表達的空間特異性又稱細胞特異性（cellspecificity）或組織特異性(tissuespecificity)。

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三、基因表達的方式

按對內、外環(huán)境信號刺激的反應性，基因表達的方式分為：

（一）基本表達

管家基因:某些基因在一個生物體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，這類基因稱管家基因（housekeepinggene）。

管家基因的表達方式稱基本（或組成性）基因表達，這類基因表達只受啟動序列或啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響，不受其它機制調節(jié)。

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（二）誘導和阻遏

在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導基因。

可誘導基因在一定的環(huán)境中表達增強的過程誘導（induction）。

如果基因對環(huán)境信號應答時被抑制，這種基因稱為可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。

誘導和阻遏在生物界普遍存在，也是生物體適應環(huán)境的基本途徑。

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在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調一致、共同表達，即為協(xié)調表達（coodinateexpression）。

四、基因表達調控的生物學意義

（一）適應環(huán)境、維持生長和增殖；

（二）維持個體發(fā)育與分化。

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第二節(jié)基因表達調控的基本原理

一、基因表達調控的多層次和復雜性

基因

激活轉錄起始基本控制點

轉錄后加工

mRNA降解

蛋白質翻譯

翻譯后加工修飾

蛋白質降解等

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二、基因轉錄激活調節(jié)的基本要素

（一）特異DNA序列

１、原核生物特異DNA序列

操縱子（operon）：是原核生物轉錄的基本單位，由２個以上的編碼序列與啟動序列、操縱序列以及其他調節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成。(圖13-4）

啟動序列（promoter）是RNA聚合酶結合并起動轉錄的特異DNA序列。（圖13-1

）

當操縱序列(operator)結合有阻遏蛋白時會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻遏轉錄，介導負性調節(jié)。

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２、真核生物特異DNA序列順式作用元件：指可影響自身基因表達活性的DNA序列。(圖13-2)在不同真核生物基因的順式作用元件中也發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CCAAT盒等。這些共有序列就是順式作用元件的核心序列，它們是真核RNA聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。

順式作用元件分為啟動子、增強子和沉默子等。

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（二）調節(jié)蛋白

１、原核生物基因調節(jié)蛋白

分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白，都是DNA結合蛋白。

特異因子決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力。

阻遏蛋白可識別、結合操縱序列，抑制基因轉錄，介導負性調節(jié)。

激活蛋白可結合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結合，增強RNA聚合酶活性。

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２、真核生物基因調節(jié)蛋白

真核基因調節(jié)蛋白又稱轉錄調節(jié)因子或轉錄因子(transcriptionfactors,TF)，其調節(jié)作用分為:反式調節(jié)（主要）和順式調節(jié)(圖13-3)絕大多數(shù)真核轉錄因子與特異的順式作用元件相互作用反式激活另一基因的轉錄，故稱為反式作用因子（trans-actingfactors）.

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3、DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質相互作用

DNA-蛋白質相互作用指反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結合。通常是非共價結合，被調節(jié)蛋白識別的DNA結合位點通常呈對稱、或不完全對稱結構。

絕大多數(shù)調節(jié)蛋白在結合前，需要通過蛋白質-蛋白質相互作用形成二聚體或多聚體。

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（四）RNA聚合酶

DNA元件與調節(jié)蛋白對轉錄激活的調節(jié)最終是由RNA聚合酶活性體現(xiàn)的。

1、啟動序列/啟動子與RNA聚合酶活性

啟動序列或啟動子核苷酸序列會影響其與RNA聚合酶的親和力，從而直接影響轉錄起動和頻率。

2、調節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性

特異調節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號刺激下在細胞內表達，通過DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質相互作用影響RNA聚合酶活性，從而使基礎轉錄頻率發(fā)生改變，出現(xiàn)表達水平變化。

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第三節(jié)

原核基因轉錄調節(jié)

----主要調節(jié)環(huán)節(jié)在轉錄起始

一、基因轉錄調節(jié)特點

（一）σ因子決定RNA聚合酶識別特異性

（二）操縱子模型的普遍性

（三）阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性

原核基因轉錄調節(jié)以負性調節(jié)為主。

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二、原核生物轉錄起始調節(jié)

（一）乳糖操縱子的結構（圖13-4）

（二）乳糖操縱子的調節(jié)機制

1、阻遏蛋白的負性調節(jié)（圖13-4）

2、CAP的正性調節(jié)

3、協(xié)調調節(jié)

當lac阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；但如果沒有CAP存在來加強轉錄活性，即使阻遏蛋白從操縱序列上解聚仍無轉錄活性。（圖13-5）

17精選課件三、原核生物轉錄終止調節(jié)四、原核生物翻譯水平調節(jié)（一）蛋白質分子的自我調節(jié)（二）反義RNA對翻譯的調節(jié)

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第三節(jié)

真核基因表達調節(jié)

一、真核基因組結構特點

（一）基因組結構龐大

（二）單順反子

指一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。

（三）重復序列

根據(jù)重復頻率分為：

高度重復序列（106次）

中度重復序列（103～104次）

單拷貝序列（<10次）

（四）基因不連續(xù)性

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二、真核基因表達調控特點

（一）RNA聚合酶

（二）活性染色體結構變化

1、對核酸酶敏感

2、DNA拓撲結構變化

3、DNA堿基修飾變化

4、組蛋白變化

包括：(1)富含Lys組蛋白水平降低；

(2)H2A?H2B二聚體不穩(wěn)定性增加；(3)H3、H4組蛋白修飾：乙?；?、磷酸化及泛素化等。

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（三）正性調節(jié)占主導

真核基因組廣泛存在正性調節(jié)機制，原因有二：

（1）采用正性調節(jié)機制更有效；

（2）采用負性調節(jié)不經(jīng)濟。

（四）轉錄與翻譯分隔進行

（五）轉錄后修飾、加工

21精選課件三、RNApolⅠ和polⅢ的轉錄調節(jié)（一）RNApolⅠ轉錄體系的控制人rRNA前體基因的啟動子的兩個元件：核心元件與上游控制元件

RNApolⅠ的兩種轉錄因子：上游結合因子１與選擇性因子１

22精選課件（二）RNApolⅢ轉錄體系的控制

tRNA和5SrRNA基因啟動子位于轉錄起始點下游即轉錄區(qū)內，稱為內部控制區(qū)（internalcontrolregions,ICR）

tRNA基因的ICR主要由Ａ盒和Ｂ盒兩個元件組成，RNApolⅢ轉錄起始需要轉錄因子TFⅢC和TFⅢB。

5SrRNA基因的轉錄需要三種轉錄因子：TFⅢC、TFⅢB和TFⅢＡ。

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四、RNApolⅡ轉錄起始的調節(jié)

（一）順式作用元件

按功能特性，順式作用元件分為：啟動子、增強子和沉默子。

1、啟動子(promoter)：是RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，包括：

（1）TATA盒(TATAAAA)：位于轉錄起始點上游-25～-30bp，控制轉錄起始的準確性及頻率。是轉錄因子TFIID結合位點。

（2）GC盒(GGGCGG);

（3）CAAT盒(GCCAAT)(圖11-13)

24精選課件2、增強子

(enhancer)

指遠離轉錄起始點(1～30kb)、決定基因的時間、空間特異表達、增強啟動子轉錄活性的DNA序列。

增強子發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關。從功能上講，沒有增強子存在，啟動子不表現(xiàn)活性；沒有啟動子時，增強子也無法發(fā)揮作用。

3、沉默子

(silencer)

指某些基因的負性調節(jié)元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。

25精選課件(二)反式作用因子

大多數(shù)轉錄調節(jié)因子以反式作用調節(jié)基

因轉錄。

1、轉錄調節(jié)因子（簡稱轉錄因子）分類

按功能特性分為：基本轉錄因子和特異轉錄因子。

(1)基本轉錄因子：是RNA聚合酶結合啟

動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA

轉錄的類別。

(2)特異轉錄因子：為個別基因轉錄所必需的蛋白因子，決定該基因的時間、空間特異性表達。包括轉錄激活因子和轉錄抑制因子。

26精選課件2、轉錄調節(jié)因子結構

所有轉錄因子至少包括二個不