南华大学 生物化学基因表达调控

会计学1南华大学南华大学 生物化学基因表达调控生物化学基因表达调控第一节第一节 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念（一）基因是负载特定遗传信息的（一）基因是负载特定遗传信息的DNADNA片段片段第1页/共61页（二）基因组是一个生物体的整套遗传物质（二）基因组是一个生物体的整套遗传物质第2页/共61页 不同生物体基因组含有的基因数量不同：细菌约含不同生物体基因组含有的基因数量不同：细菌约含40004000个个；多细胞生物含上万个；人类基因组含；多细胞生物含上万个；人类基因组含3 3万万-4-4万个。万个。 在某一特定时期或特一生长阶段，基因组中只有少部分基因在某一特定时期或特一生长阶段，基因组中只有少部分基因处于表达状态。处于表达状态。（三）基因表达是基因转录及翻译过程（三）基因表达是基因转录及翻译过程第3页/共61页（一）时间特异性（一）时间特异性第4页/共61页（二）空间特异性（二）空间特异性第5页/共61页第6页/共61页（一）基本表达（组成性表达）（一）基本表达（组成性表达）第7页/共61页（二）诱导（二）诱导(induction)和阻遏和阻遏(repression)表达表达第8页/共61页（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节第9页/共61页第10页/共61页第二节第二节 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第11页/共61页（一）特异（一）特异DNADNA序列序列 ( (决定基因的转录活性决定基因的转录活性) ) 二、基因转录激活（二、基因转录激活（即转录起始的调控即转录起始的调控）受到）受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节转录调节蛋白与启动子相互作用的调节第12页/共61页 原核生物基因表达调控是通过原核生物基因表达调控是通过操纵子操纵子(operon)(operon) 机制来实现。机制来实现。 操纵子的结构组成操纵子的结构组成:2:2个以上的编码序列、启动个以上的编码序列、启动序列、操纵序列、其他调节序列。序列、操纵序列、其他调节序列。操纵子结构示意图操纵子结构示意图第13页/共61页是是RNARNA聚合酶结合并启动转录的特异聚合酶结合并启动转录的特异DNADNA序列。序列。第14页/共61页第15页/共61页第16页/共61页第17页/共61页Pol第18页/共61页第19页/共61页 真核真核类基因的顺式作用元件图类基因的顺式作用元件图 增增强强子子沉沉默默子子G C盒盒CAAT盒盒TATA盒盒外显外显子子1内含内含子子1外显外显子子2转转内含内含子子2.增增强强子子第20页/共61页（二）转录调节蛋白（可增强或抑制转录活性）（二）转录调节蛋白（可增强或抑制转录活性）l原核生物基因调节蛋白有三类：特异因子、阻原核生物基因调节蛋白有三类：特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白。遏蛋白、激活蛋白。第21页/共61页 l 真核生物的基因调节蛋白又称真核生物的基因调节蛋白又称转录调节因子转录调节因子或或转转录因子录因子。通过与顺式作用元件的识别、结合反式激。通过与顺式作用元件的识别、结合反式激活另一基因的转录。又称为活另一基因的转录。又称为反式作用因子反式作用因子。第22页/共61页第23页/共61页（三）转录调节蛋白（三）转录调节蛋白通过通过DNA-DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质- -蛋蛋白质的相互作用白质的相互作用实现对转录起始进行调节实现对转录起始进行调节第24页/共61页（四）（四） RNARNA聚合酶与基因的启动序列聚合酶与基因的启动序列/ /启动子结合启动子结合第25页/共61页一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点第三节第三节 原核基因表达调节原核基因表达调节第26页/共61页（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子( (lac operon) )的结构的结构二、原核生物转录起始的调节二、原核生物转录起始的调节Z ZA AY YOP乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构第27页/共61页乳糖操纵子的结构基因编码的蛋白乳糖操纵子的结构基因编码的蛋白第28页/共61页mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白I IDNADNAZ ZY YA AO OP Ppol没有乳糖存在时，操没有乳糖存在时，操纵子被阻遏。纵子被阻遏。1.1.阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因（二）乳糖操纵子调节机制（二）乳糖操纵子调节机制(阻遏蛋白与阻遏蛋白与CAP双重调节双重调节)第29页/共61页mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时，操纵子被诱导。有乳糖存在时，操纵子被诱导。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第30页/共61页2. CAP2. CAP的正性调节的正性调节+ + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时ZYAOPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP结结合位点合位点第31页/共61页3.3.协调调节协调调节第32页/共61页mRNAl有葡萄糖，有乳糖有葡萄糖，有乳糖l有葡萄糖，无乳糖有葡萄糖，无乳糖ZYAOPZYAOPRNA-poll无葡萄糖，有乳糖无葡萄糖，有乳糖ZYAOPRNA-pol第33页/共61页（三）原核生物具有不同的转录终止机制（三）原核生物具有不同的转录终止机制第34页/共61页（四）原核生物在翻译水平同样受到多个环节调控（四）原核生物在翻译水平同样受到多个环节调控第35页/共61页一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大（一）真核基因组结构庞大第四节第四节 真核基因表达调节真核基因表达调节第36页/共61页（二）真核基因产物为单顺反子（二）真核基因产物为单顺反子（三）含有大量的重复序列（三）含有大量的重复序列（四）真核基因不连续性（断裂基因）（四）真核基因不连续性（断裂基因） 真核生物结构基因为真核生物结构基因为断裂基因断裂基因，外显子为内含，外显子为内含子所间隔。子所间隔。第37页/共61页（一）含有多种（一）含有多种RNA聚合酶聚合酶（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点第38页/共61页（三）正性调节占主导（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工更为复杂（五）转录后修饰、加工更为复杂（六）多层次调控（六）多层次调控第39页/共61页l原核生物基因表达调控的特点：原核生物基因表达调控的特点：第40页/共61页三、三、RNA Pol 和和转录体系的调节相对简单转录体系的调节相对简单（一）（一）RNA Pol 转录体系的控制转录体系的控制RNA Pol I转录起始需两种转录因子转录起始需两种转录因子第41页/共61页（二）（二）RNA Pol 转录体系的控制转录体系的控制第42页/共61页四、四、 RNA Pol 转录起始的调节非常复杂转录起始的调节非常复杂第43页/共61页是是RNARNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。最典型至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。最典型的功能组件是的功能组件是TATATATA盒，盒，还有还有CAATCAAT盒、盒、GCGC盒等。盒等。组成组成: : 由由核心启动子核心启动子和和上游启动子元件上游启动子元件两个部分组成。两个部分组成。第44页/共61页真核生物基因真核生物基因第45页/共61页第46页/共61页1. 转录调节因子分类（转录调节因子分类（按功能特性分按功能特性分）Pol ：UBF1UBF1、SL1SL1Pol ：TF TF B、 TF A、 TF CPol: TFA、TFB、TFD、TFE、 TFF、 TFH第47页/共61页第48页/共61页2. 2. 转录调节因子结构转录调节因子结构DNADNA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）第49页/共61页锌指结构锌指结构最早发现于结合最早发现于结合GCGC盒的转录因子盒的转录因子SP1SP1。第50页/共61页 谷氨酰胺富含谷氨酰胺富含域域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含脯氨酸富含域域第51页/共61页polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核真核RNARNA聚合酶聚合酶不能单独识别、结合启动子，不能单独识别、结合启动子，只有在转录因子帮助下，才能形成的转录起始复合物只有在转录因子帮助下，才能形成的转录起始复合物。TATA DNA第52页/共61页第53页/共61页六、转录后水平的调控六、转录后水平的调控第54页/共61页mRNA稳定性的改变也可调节基因的表达稳定性的改变也可调节基因的表达第55页/共61页七、翻译及翻译后水平的调控七、翻译及翻译后水平的调控第56页/共61页1.微小微小RNA（miRNA ）miRNAs 内源的负性调控因子内源的负性调控因子 ，长度为，长度为20 to 25-nt ，为单链，为单链的非编码的的非编码的RNA。且在进化上非常保守。且在进化上非常保守。 miRNA 已在人类、动物、植物、和病毒中发现有广泛存在。已在人类、动物、植物、和病毒中发现有广泛存在。it is predicted that in human between 10% to 30% of protein-encoding genes are regulated by miRNAs (Lewis, BP, et al. Cell, 120, 15-20). 成熟的成熟的miRNAs合并进入到成默复合体（合并进入到成默复合体（RISC）中）中, 单链的单链的miRNAs通过与靶基因通过与靶基因mRNAs的的3 -UTR碱基互补配碱基互补配对，介导靶基因的表达抑制。对，介导靶基因的表达抑制。第57页/共61页2.小干扰小干扰RNA（small interfering RNA,siRNA）第58页/共61页miRNA和和siRNA使靶使靶mRNA沉默的机制沉默的机制第59页/共61页miRNA和和siRNA共同点：共同点：miRNA和和siRNA不同点：不同点：第60页/共61页