第十六章基因表达调控RegulationofGeneExpression000002

第十六章第十六章 基因表达调控基因表达调控 （Regulation of Gene Expression）本章主要内容本章主要内容v 基因表达调控概念与转录调节的基本要素基因表达调控概念与转录调节的基本要素v 原核生物基因转录调控原核生物基因转录调控v 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控第一节第一节 基因表达调控概念基因表达调控概念 与转录调节基本要素与转录调节基本要素 一、一、基因表达的概念基因表达的概念 二、二、基因表达的特点基因表达的特点 三、三、基因表达的方式基因表达的方式 四、四、基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义 五、五、基因转录激活调节的基本要素基因转录激活调节的基本要素 一、一、基因表达的概念基因表达的概念 转录与翻译转录与翻译 各种各种RNA(tRNARNA(tRNA、mRNAmRNA和和rRNArRNA)表达产物表达产物 蛋白质多肽链。蛋白质多肽链。二、基因表达的特点二、基因表达的特点（一）时间特异性（一）时间特异性 某一特定基因的表达往往随细胞受感染的进程、生长环某一特定基因的表达往往随细胞受感染的进程、生长环境的变化而开启或关闭，呈现境的变化而开启或关闭，呈现时间特异性时间特异性；对于多细胞生物又与组织器官生长、发育阶段相适应，对于多细胞生物又与组织器官生长、发育阶段相适应，又称又称阶段特异性阶段特异性。（二）空间特异性（二）空间特异性 对于多细胞生物，即使处在同一生长发育阶段，不同对于多细胞生物，即使处在同一生长发育阶段，不同组织细胞内的基因表达水平也是不一致的，称此为组织细胞内的基因表达水平也是不一致的，称此为空间特异空间特异性（性（又称又称细胞特异性细胞特异性或或组织特异性组织特异性）。三、基因表达的方式三、基因表达的方式（一）组成性表达（一）组成性表达 管家基因管家基因 有些基因在生命全过程都是必需的，如果缺少、有些基因在生命全过程都是必需的，如果缺少、细胞不能正常生存，这类基因被称为细胞不能正常生存，这类基因被称为管家基因管家基因。组成性基因表达组成性基因表达 管家基因管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达 诱导表达诱导表达 有些基因在特定环境信号刺激下，有些基因在特定环境信号刺激下，表达表达增强增强，称为称为诱导表达诱导表达。阻遏表达阻遏表达 另有一些基因在特定环境信号刺激下，表达水另有一些基因在特定环境信号刺激下，表达水平平下降下降，称为称为阻遏表达阻遏表达。（三）协调表达（三）协调表达 在一定机制控制下，使功能相关联的一组基在一定机制控制下，使功能相关联的一组基因协调一致、共同表达，称此为因协调一致、共同表达，称此为协调表达协调表达。四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义1 1）使细胞能适应环境变化，以维持其增殖、分化使细胞能适应环境变化，以维持其增殖、分化2 2）促进个体生长、发育促进个体生长、发育 五、基因转录激活调节基本要素五、基因转录激活调节基本要素 （一）（一）特异特异DNADNA序列序列 （二）（二）调节蛋白调节蛋白 （三）（三）RNARNA聚合酶聚合酶1.1.原核生物的特异原核生物的特异DNADNA序列序列 原核生物基因表达与调控是通过操纵子机制来实现的。原核生物基因表达与调控是通过操纵子机制来实现的。操纵子操纵子 是由功能上相关联的多个是由功能上相关联的多个编码序列（结构基因）编码序列（结构基因）及其上游及其上游 的的调控序列调控序列成簇串联在一起构成的一个成簇串联在一起构成的一个转录协调单位转录协调单位。调控序列调控序列 包括操纵序列包括操纵序列(O O)、启动序列、启动序列(P P)和调节基因和调节基因(I I/R R)等组件。等组件。（一）特异（一）特异DNADNA序列序列 操纵子操纵子调节基因调节基因 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 编码序列（编码序列（结构基因结构基因）表达表达 转录转录ICAPPOZYA阻遏蛋白阻遏蛋白结合部位结合部位RNARNA聚合酶聚合酶结合部位结合部位多顺反子多顺反子mRNAmRNA 功能上相关联的多个结构基因受同一启动序列调控，被一功能上相关联的多个结构基因受同一启动序列调控，被一起转录和翻译生成多种蛋白质的起转录和翻译生成多种蛋白质的 mRNA。启动序列（启动序列（P P）：）：其中的其中的-35-35区区 -10-10区区是是RNARNA聚合酶识别并结合的部位。聚合酶识别并结合的部位。多顺反子多顺反子mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白（负性调节）（负性调节）（正性调节正性调节）多种蛋白质多种蛋白质 原核生物的共有序列原核生物的共有序列 RNARNA聚合酶（聚合酶（因子因子）识别并结合启动部位特异碱基序列）识别并结合启动部位特异碱基序列 DNADNA双链局部解开双链局部解开 RNA RNA聚合酶移向转录起始点聚合酶移向转录起始点 启动转录启动转录 转录起始点转录起始点-35-35区区-10-10区区2.2.真核生物的特异真核生物的特异DNADNA序列序列 真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达的的特异特异DNADNA序列序列，称为，称为顺式作用元件顺式作用元件。顺式作用元件顺式作用元件能够被各种能够被各种转录调节蛋白转录调节蛋白特异识特异识别和结合，从而影响基因表达活性。别和结合，从而影响基因表达活性。启动子启动子 顺式作用元件顺式作用元件又分又分 增强子增强子 沉默子沉默子（1 1）启动子）启动子 是是RNARNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件。聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件。包括包括转录起始点、共有序列转录起始点、共有序列TATATATA盒盒（核心序列）（核心序列）以及以及GCGC盒或盒或CAATCAAT盒等盒等 共有序列共有序列 110bp -30 -25bp CAATCAAT盒盒 GCGC盒盒 TATATATA盒盒 TF TFDDRNA PolRNA Pol结合位点结合位点（2 2）增强子）增强子 是增强启动子转录活性的特异是增强启动子转录活性的特异DNADNA序列。序列。（远离转录起始点，位置灵活，其作用与启动子相互依存）远离转录起始点，位置灵活，其作用与启动子相互依存）（3 3）沉默子）沉默子 对基因转录起阻遏作用的特异对基因转录起阻遏作用的特异DNADNA序列，属于负性调控元件。序列，属于负性调控元件。（二）调节蛋白（二）调节蛋白1.原核生物的调节蛋白原核生物的调节蛋白（3类）类）特异因子特异因子 决定决定RNARNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；(如，如，RNARNA聚合酶的聚合酶的 因子因子)阻遏蛋白阻遏蛋白 通过与操纵序列结合，阻遏基因转录，发挥负性调控作用；通过与操纵序列结合，阻遏基因转录，发挥负性调控作用；（由调节基因表达的阻遏蛋白由调节基因表达的阻遏蛋白）激活蛋白激活蛋白 与启动子上游与启动子上游DNADNA序列结合，促进序列结合，促进RNARNA聚合酶转录活性，发聚合酶转录活性，发 挥正性调控作用。（如，挥正性调控作用。（如，CAPCAP分解代谢物基因活化蛋白分解代谢物基因活化蛋白）2.2.真核生物的调节蛋白真核生物的调节蛋白 反式作用因子反式作用因子 能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的一类调节蛋白，统称为录的一类调节蛋白，统称为反式（作用）因子反式（作用）因子。按其功能不同，常有以下三类：按其功能不同，常有以下三类：基本转录因子基本转录因子 转录调节因子转录调节因子 共调节因子共调节因子 （1 1）基本转录因子基本转录因子（TFTF）是指能够在启动子部位与核心序列是指能够在启动子部位与核心序列TATATATA盒和盒和RNA PolRNA Pol结合，形成结合，形成转录前起始复合物转录前起始复合物（PICPIC）的一类调节蛋白，以起）的一类调节蛋白，以起动转录。动转录。与与RNARNA聚合酶聚合酶(RNA Pol(RNA Pol)结合的结合的(基本基本)转录因子有：转录因子有：TFATFA，TFBTFB，TFDTFD，TFETFE，TFFTFF，TFH,TFJ TFH,TFJ 等。等。首先由首先由TFDTFD与启动子与启动子TATATATA盒盒结合，然后按一定的时空结合，然后按一定的时空顺序依次结合顺序依次结合RNA PolRNA Pol和和其它转录因子其它转录因子，形成，形成PICPIC。转录前起始复合体的组装（转录前起始复合体的组装（PICPIC)(2)(2)转录调节因子转录调节因子 这类调节蛋白能识别并结合转录起始点上游的调控序列或远这类调节蛋白能识别并结合转录起始点上游的调控序列或远端的增强子元件，通过蛋白质端的增强子元件，通过蛋白质-DNA相互作用而影响转录活性。相互作用而影响转录活性。起激活转录作用起激活转录作用转录激活因子转录激活因子；起阻遏转录作用起阻遏转录作用转录阻遏因子转录阻遏因子。（3 3）共调节因子共调节因子 另有一类与另有一类与转录调节因子转录调节因子发生蛋白蛋白相互作用，进而影发生蛋白蛋白相互作用，进而影响它们的分子构象，影响转录活性，称响它们的分子构象，影响转录活性，称共调节因子共调节因子。如果与转录激活因子有协同作用如果与转录激活因子有协同作用共激活因子共激活因子；与转录阻遏因子有协同作用与转录阻遏因子有协同作用共阻遏因子共阻遏因子。反式作用因子的特殊功能域反式作用因子的特殊功能域 DNADNA结合域；转录激活域；结合其他蛋白质的功能域。结合域；转录激活域；结合其他蛋白质的功能域。锌子结构锌子结构 亮氨酸拉链结构亮氨酸拉链结构 (三三)RNA)RNA聚合酶聚合酶 1.1.启动子碱基序列变化影响启动子碱基序列变化影响RNARNA聚合酶活性聚合酶活性 （尤其尤其1010区和区和3535区的共有碱基序列变化区的共有碱基序列变化）2.2.调节蛋白构象变化影响调节蛋白构象变化影响RNARNA聚合酶活性聚合酶活性 六、基因表达的多级调控六、基因表达的多级调控 基因结构活化基因结构活化 转录水平转录水平 转录起始（转录起始（基因表达基本控制点基因表达基本控制点）转录后加工转录后加工 转录后水平转录后水平 转录产物的转运转录产物的转运 翻译调控翻译调控 翻译水平翻译水平 翻译后加工翻译后加工 第二节第二节 原核生物基因转录调控原核生物基因转录调控一、乳糖操纵子调节机制一、乳糖操纵子调节机制控制区控制区信息区信息区结构基因结构基因(S)操纵序列（操纵序列（O）启动序列（启动序列（P P）调节基因调节基因（I）CPA 乳糖操纵子结构基因表达产物乳糖操纵子结构基因表达产物（一）阻遏蛋白的负性调节作用（一）阻遏蛋白的负性调节作用O O2CAP位点位点 操纵序列操纵序列RNARNA聚合酶聚合酶 启动序列启动序列cAMPmRNA 5 DNADNA结合区结合区与与CAPCAP位点结合位点结合CAPCAP(同二聚体同二聚体),),含含 cAMPcAMP结合区结合区 cAMPcAMP-CAP-CAP复合物（复合物（有活性有活性）CAP（二）（二）CAPCAP的正性调节作用的正性调节作用LacLac操纵子基因表达受阻遏蛋白和操纵子基因表达受阻遏蛋白和CAPCAP的双重调控的双重调控O 阻遏蛋白阻遏蛋白 （无活性无活性）mRNAtrpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导前导trpL衰减子衰减子 结结 构构 基基 因因 调控区调控区二、色氨酸操纵子的调节机制二、色氨酸操纵子的调节机制 （色氨酸合成的酶蛋白）（色氨酸合成的酶蛋白）E1 E2 E3O 阻遏蛋白阻遏蛋白 mRNATrp trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA转录生成转录生成162162核苷酸长的核苷酸长的前导前导序列，序列，可以可以形成形成“衰减子衰减子”结构结构（结构基因关闭结构基因关闭）调节区调节区 在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的“衰减子衰减子”结构，对转录进行更精细的调控。结构，对转录进行更精细的调控。色氨酸的负性调控作用色氨酸的负性调控作用 有活性有活性 Trp Trp操纵子的操纵子的trpEtrpE基因基因5 5 端转录生成的端转录生成的 162162个核苷酸长的个核苷酸长的“前导序列前导序列”衰减子衰减子 结构结构 10、11前导肽前导肽核蛋白体核蛋白体衰减子结构衰减子结构RNA聚合酶聚合酶5mRNA10、11位位Trp密码子密码子1234UUUU 3DNADNA前导肽前导肽51234Trp结构基因结构基因RNA聚合酶聚合酶 Trp操纵子的转录衰减机制操纵子的转录衰减机制三、原核生物基因表达调控的特点三、原核生物基因表达调控的特点 （主要在转录水平进行调节）（主要在转录水平进行调节）1 1）因子的特异启动作用因子的特异启动作用 2 2）操纵子调控机制具有普遍性操纵子调控机制具有普遍性3 3）结构基因发生多顺反子转录结构基因发生多顺反子转录4 4）阻遏蛋白的负调控作用具有普遍性阻遏蛋白的负调控作用具有普遍性第三节第三节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控一、真核生物基因组特点一、真核生物基因组特点（一）（一）基因组结构庞大基因组结构庞大 人类的单倍体基因组由人类的单倍体基因组由 3X103X109 9 的核苷酸组成，的核苷酸组成，含有大约含有大约2.6 2.6 3.93.9万个基因。万个基因。（二）（二）形成染色体结构形成染色体结构 真核生物的基因组是以真核生物的基因组是以DNADNA和蛋白质结合形成染和蛋白质结合形成染色体结构形式而存在于细胞核。色体结构形式而存在于细胞核。（三）（三）单顺反子单顺反子 真核基因的转录产物一般是单顺反子真核基因的转录产物一般是单顺反子 。单顺反子单顺反子 一个编码基因转录生成一个一个编码基因转录生成一个mRNAmRNA分子，并指导翻译一条分子，并指导翻译一条多肽链。多肽链。（四）（四）重复序列重复序列 真核生物基因普遍存在重复序列。真核生物基因普遍存在重复序列。根据重复频率不同，根据重复频率不同，分为以下分为以下3 3类：类：高度重复序列高度重复序列 中度重复序列中度重复序列 单拷贝序列单拷贝序列 反向重复序列（回文序列）反向重复序列（回文序列）1.1.高度重复序列高度重复序列 重复数百万次，序列简单、不到重复数百万次，序列简单、不到10bp10bp，称为，称为卫星卫星DNADNA；2.2.中度重复序列中度重复序列 重复上千次，序列由几百个重复上千次，序列由几百个bpbp构成；构成；3.3.单拷贝序列单拷贝序列 只出现只出现1 1次或几次。真核生物极大多数为单一结构基因；次或几次。真核生物极大多数为单一结构基因；4.4.反向重复序列反向重复序列 是指在是指在DNADNA链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如：链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如：“CGTACCCGTACC-/-/-CCATGCCCATGC-”,-”,又称又称“回文结构回文结构”。（五）断裂基因（五）断裂基因 外显子外显子 具有实际编码意义的结构基因序列；具有实际编码意义的结构基因序列；内含子内含子 不具有编码意义的碱基序列不具有编码意义的碱基序列 ，又称插入序列。，又称插入序列。（六）大多数为非编码区（六）大多数为非编码区（95左右左右）（一）（一）DNADNA、染色体水平的变化特点、染色体水平的变化特点二、真核基因二、真核基因表达表达调控的特点调控的特点 1 1对核酸酶极度敏感对核酸酶极度敏感2 2DNADNA拓朴结构变化拓朴结构变化 天然双链天然双链DNADNA几乎均以几乎均以负性超螺旋负性超螺旋构象存在。构象存在。当基因激活后，则转录区前方的当基因激活后，则转录区前方的DNADNA拓朴结构变为正性拓朴结构变为正性超螺旋，有利于超螺旋，有利于RNARNA聚合酶向前移动，进行转录。聚合酶向前移动，进行转录。3.DNA3.DNA甲基化甲基化 DNADNA甲基化程度与基因表达呈反比。甲基化程度与基因表达呈反比。4 4染色体结构的变化染色体结构的变化 组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体结组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体结构改变，使核小体不稳定性增加。构改变，使核小体不稳定性增加。（二）（二）RNARNA聚合酶、聚合酶、mRNAmRNA的转录激活及调节的转录激活及调节 真核生物有真核生物有3 3种种RNARNA聚合酶：聚合酶：RNA polRNA pol、。每种每种RNARNA聚合酶有约聚合酶有约1010个亚基组成，其中个亚基组成，其中TATATATA盒结合蛋白盒结合蛋白（TBPTBP）为）为3 3种酶共有。种酶共有。RNA polRNA pol对催化对催化mRNAmRNA的生成起主要作用。的生成起主要作用。转录前转录前RNA polRNA pol必须与必须与TFTFDD等各种通用转录因子等各种通用转录因子形成形成转录前复合体（转录前复合体（PICPIC），才能激活或抑制），才能激活或抑制RNARNA的转录。的转录。TATATATA盒结合蛋白盒结合蛋白（三）正性调节占主导（三）正性调节占主导 真核基因一般都处于阻遏状态，真核基因一般都处于阻遏状态，RNARNA聚合酶对启动子的亲聚合酶对启动子的亲和力很低。和力很低。通过利用各种转录因子正性激活通过利用各种转录因子正性激活RNARNA聚合酶是真聚合酶是真核基因调控的主要机制。核基因调控的主要机制。采用正性调节机制更有效、经济、特异；采用正性调节机制更有效、经济、特异；采用负性调节不经济采用负性调节不经济（四）转录和翻译过程分开进行（四）转录和翻译过程分开进行 转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位（转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位（胞核与胞核与胞浆胞浆），可分别进行调控。），可分别进行调控。（五）转录后加工（五）转录后加工 真核基因大多为断裂基因，内含子和外显子真核基因大多为断裂基因，内含子和外显子一起被转录。一起被转录。转录后产物（转录后产物（hnRNAhnRNA）经剪接、加帽、加尾）经剪接、加帽、加尾等加工修饰，才能转变为成熟的等加工修饰，才能转变为成熟的mRNAmRNA.基因表达调控基因表达调控课堂练习课堂练习1.1.基因表达调控中最重要的环节是基因表达调控中最重要的环节是A.A.基因活化基因活化 B.B.转录起始转录起始C.C.转录后加工转录后加工 D.D.翻译过程翻译过程E.E.翻译后加工翻译后加工2.2.典型操纵子的调控序列包括典型操纵子的调控序列包括A.A.编码序列编码序列 B.B.操纵序列操纵序列C.C.启动序列启动序列 D.D.调节基因调节基因E.E.结构基因结构基因3.3.最先、最直接与启动子核心序列最先、最直接与启动子核心序列TATATATA盒结合的盒结合的 转录因子是转录因子是A.TFA B.TFB C.TFD D.TFE E.TFFA.TFA B.TFB C.TFD D.TFE E.TFF4.以下是关于真核基因表达调控基本要素的叙述，错误的是以下是关于真核基因表达调控基本要素的叙述，错误的是A.A.顺式作用元件的化学本质是蛋白质顺式作用元件的化学本质是蛋白质B.B.顺式作用元件的化学本质是顺式作用元件的化学本质是DNADNAC.C.反式作用因子的化学本质是反式作用因子的化学本质是DNADNAD.D.反式作用因子的化学本质是蛋白质反式作用因子的化学本质是蛋白质E.E.反式作用因子与顺式作用元件结合后，可激活或抑制基因表达反式作用因子与顺式作用元件结合后，可激活或抑制基因表达5.5.以下是关于以下是关于laclac操纵子调节机制的叙述，正确的是操纵子调节机制的叙述，正确的是A.A.阻遏蛋白与操纵序列的结合，对基因表达起负性调控作用阻遏蛋白与操纵序列的结合，对基因表达起负性调控作用B.B.乳糖与阻遏蛋白结合而使之变构，进而与操纵序列结合更牢固乳糖与阻遏蛋白结合而使之变构，进而与操纵序列结合更牢固C.CAPC.CAP蛋白与蛋白与CAPCAP位点的结合，对基因表达起正性调控作用位点的结合，对基因表达起正性调控作用D.RNA PolD.RNA Pol催化结构基因表达单顺反子催化结构基因表达单顺反子mRNAmRNAE.E.当培养液中有乳糖而缺乏葡萄糖时，基因表达活性最强当培养液中有乳糖而缺乏葡萄糖时，基因表达活性最强6.6.以下是关于以下是关于trptrp操纵子调节机制的叙述，错误的是操纵子调节机制的叙述，错误的是A.A.调节基因表达有活性的阻遏蛋白，能与操纵基因结合，阻遏调节基因表达有活性的阻遏蛋白，能与操纵基因结合，阻遏基因表达基因表达B.B.调节基因表达无活性的阻遏蛋白，不能与操纵基因结合，结调节基因表达无活性的阻遏蛋白，不能与操纵基因结合，结构基因呈构基因呈“开放开放”状态状态C.C.色氨酸与阻遏蛋白结合而使之变构活化，进而与操纵基因结色氨酸与阻遏蛋白结合而使之变构活化，进而与操纵基因结合，使结构基因合，使结构基因“关闭关闭”D.D.在低浓度色氨酸存在下，通过形成在低浓度色氨酸存在下，通过形成“衰减子衰减子”结构对转录进结构对转录进行精细的调节行精细的调节E.E.原核细胞无核膜，基因转录和翻译过程往往紧密偶联原核细胞无核膜，基因转录和翻译过程往往紧密偶联7.7.真核生物基因组具有下列特点真核生物基因组具有下列特点A.A.含大量重复序列含大量重复序列 B.B.结构基因大多为单拷贝结构基因大多为单拷贝C.C.转录产物为单顺反子转录产物为单顺反子 D.D.基因为断裂基因基因为断裂基因E.E.基因组中只有一小部分为编码基因基因组中只有一小部分为编码基因