基因表达调控ppt课件

主要内容：主要内容：一、基因表达调控基本概念与原理一、基因表达调控基本概念与原理二、原核基因转录调节二、原核基因转录调节三、真核基因转录调节三、真核基因转录调节1ppt课件主要内容：1ppt课件目的要求：目的要求：1、掌握基因表达调控基本概念与原理、掌握基因表达调控基本概念与原理2、熟悉原核基因转录调节、熟悉原核基因转录调节3、了解真核基因转录调节、了解真核基因转录调节2ppt课件目的要求：2ppt课件前言前言1介绍：基因表达的概念介绍：基因表达的概念1.1基因（基因（gene)编码有功能的蛋白质多肽链或编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所需的所需的全部核苷酸序列（通常全部核苷酸序列（通常DNA,也有也有RNA),是是一个功能性的遗传单位，也是突变或重组一个功能性的遗传单位，也是突变或重组单位单位1.2 基因组基因组(genome)细胞或生物体内一整套的遗传物质。细胞或生物体内一整套的遗传物质。3ppt课件前言3ppt课件2 2、原核基因的结构特征、原核基因的结构特征原原核核基基因因组组常常以以操操纵纵子子（operonoperon）的的形形式式作作为为表表达达和和调调控控的的基基本本单单元元，它它包包括括功功能能上上彼彼此此相相关关的的结结构构基基因因和和调调控控部部位位，受调节基因产物的调节，转录产物为单个多顺反子。受调节基因产物的调节，转录产物为单个多顺反子。大肠杆菌乳糖操纵子结构大肠杆菌乳糖操纵子结构lacIlacYPlacOlacZlacA启动子启动子阻遏蛋阻遏蛋白基因白基因结构基因结构基因操纵基因操纵基因操纵子：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联操纵子：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）。序列）。4ppt课件2、原核基因的结构特征大肠杆菌乳糖操纵子结构lacIlacY大大多多数数真真核核基基因因的的编编码码序序列列被被不不能能编编码码的的额额外外序序列列所所分分隔隔，以以不不连连续续的的方方式式排排列列在在DNA上上，因因此此这这类类基基因因也也叫叫断断裂裂基基因因（splitgene）。隔隔断断基基因因的的线线性性表表达达而而在在剪剪接接过过程程中中被被除除去去的的核核酸酸序序列列称称内内含含子子（intron），在在断断裂裂基基因因及及其其初初级级转转录录产产物物上上出出现现，并并表表达达为为成成熟熟RNA的的核核酸酸序序列列叫叫外外显显子（子（exon）。）。3、真核基因的结构特征、真核基因的结构特征5ppt课件大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所4.4.遗传信息的表达遗传信息的表达 各各种种生生物物基基因因中中，绝绝大大部部分分基基因因贮贮存存的的遗遗传传信信息息都都是是蛋蛋白白质质的的一一级级结结构构信信息息，部部分分基基因因贮贮存存的的是是tRNAtRNA、rRNArRNA等等RNARNA的的一一级级结结构构信信息息。除除少少数数RNARNA病病毒毒可可将将遗遗传传信信息息直直接接从从RNARNA输输出出以以外外，大大部部分分生生物物（包包括括逆逆转转录录病病毒毒）的的遗遗传传信信息息都都是是从从DNADNA分分子子中中输输出出的的。遗遗传传信信息息的的表表达达，就就是是贮贮存存于于DNADNA中中的的信信息息转转变变成成具具体体的的RNARNA分分子子或或蛋蛋白白质质分分子子。通通过过这这些些生生物物大大分分子子的的功功能能活活动动使使生生物物体体表表现现出出各各种种各各样样的的生生理理功功能能及千差万别的生物性状。及千差万别的生物性状。6ppt课件4.遗传信息的表达各种生物基因中，绝大部分基因贮存的遗 DNADNA可可以以作作为为模模板板直直接接指指导导RNARNA分分子子的的生生物物合合成成，这这一一过过程程称称为为转转录录。DNADNA不不能能作作为为直直接接模模板板将将其其携携带带的的信信息息转转移移到到蛋蛋白白质质分分子子中中，需需要要先先通通过过转转录录过过程程将将遗遗传传信信息息传传递递到到RNARNA分分子子中中，再再通通过过翻翻译译过过程程将将RNARNA分分子子上上的的核核苷苷酸酸序序列列信信息息转转变变为为蛋蛋白白质质分分子子中中的的氨氨基基酸酸序序列列。对对于于编编码码蛋蛋白白质质的的基基因因来来说说，其遗传信息的表达包括其遗传信息的表达包括转录和翻译转录和翻译两个阶段。两个阶段。7ppt课件DNA可以作为模板直接指导RNA分子的生物合成，这一过5 5 转录模板转录模板 DNA分分子子上上转转录录出出RNA的的区区段段，称称为为结结构构基基因因(structuralgene)。DNA双双链链中中按按碱碱基基配配对对规规律律能能指指引引转转录录生生成成RNA的的一一股股单单链链，称称为为模模板板链链(templatestrand)，也也称称作作有有意意义义链链或或Watson链链。相相对对的的另另一一股股单单链链是是编编码码链链(codingstrand)，也称为反义链或，也称为反义链或Crick链。链。8ppt课件5转录模板DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(5GCAGTACATGTC33cgtgatgtacag55GCAGUACAUGUC3NAlaValHisValC编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译9ppt课件5GCAGTACATGTC33c5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向10ppt课件53模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向10不对称转录不对称转录(asymmetrictranscription)在在DNA分子双链上某一区段，一股链用分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录作模板指引转录，另一股链不转录；模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。11ppt课件不对称转录(asymmetrictranscriptionmRNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者遗遗传传学学将将编编码码一一个个多多肽肽的的遗遗传传单单位位称称为为顺顺反反子子(cistron)。原原核核细细胞胞中中数数个个结结构构基基因因常常串串联联为为一一个个转转录录单单位位，转转录录生生成成的的mRNA可可编编码码几几种种功功能能相相关关的的蛋蛋白白质质，为多顺反子为多顺反子(polycistron)。真真核核mRNA只只编编码码一一种种蛋蛋白白质质，为为单单顺顺反反子子(singlecistron)。12ppt课件mRNA是遗传信息的携带者遗传学将编码一个多肽的遗传单位称原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG-5 3 蛋白质蛋白质13ppt课件原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位6 6 小小 结结（中心法中心法则）则）复复制制DNADNARNAPrion转录转录逆转录逆转录翻翻译译?改改变变构构象象复复制制RNA14ppt课件6小结（中心法则）复制DNADNARNAPrion罗忠礼罗忠礼罗忠礼罗忠礼Chongqing Medical UniversityChongqing Medical UniversityChongqing,ChinaChongqing,China2012-Mar-012012-Mar-01ZhongliLuoZhongliLuo 第二章第二章 基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene Expression15ppt课件第二章基因表达调控15ppt课件第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理（一）基因表达（一）基因表达（Gene ExpressionGene Expression）基因携带的遗传信息，经过一系列的生基因携带的遗传信息，经过一系列的生化反应，最终产生具有生物学功能的产物的过化反应，最终产生具有生物学功能的产物的过程程,也就是基因的转录和翻译过程也就是基因的转录和翻译过程Process of Process of transcription and translation transcription and translation（产物可以（产物可以是蛋白质、是蛋白质、tRNAtRNA、rRNArRNA）。DNA转录转录mRNA翻译翻译蛋白质蛋白质16ppt课件第一节基本概念与原理（一）基因表达（GeneExpr（二）顺式作用元件是调节转录的（二）顺式作用元件是调节转录的DNA片段片段 1.1.启动子（启动子（PromoterPromoter）位于转录起始单位点上游并为位于转录起始单位点上游并为RNARNA聚合酶识别、结合和启动赚率的聚合酶识别、结合和启动赚率的DNADNA序列。序列。1.11.1原核启动子（原核启动子（promoterpromoter）启动子是基因启动子是基因55端上游的一段启动基因转录的核苷酸序列，是端上游的一段启动基因转录的核苷酸序列，是RNA pol RNA pol 和其他转录因子结合的部位。和其他转录因子结合的部位。1.1.原核基因的启动子定位在转录起始位点（原核基因的启动子定位在转录起始位点（initiation siteinitiation site，ISIS）上游）上游5-10bp5-10bp处，由处，由-35-35区和区和-10-10区组成，从启动子到终止区组成，从启动子到终止子（子（terminatorterminator）为一个转录单位。）为一个转录单位。2.2.-10-10区的碱基序列较保守，由区的碱基序列较保守，由T T和和A A组成，大肠杆菌的组成，大肠杆菌的-10-10区区为为TATAATTATAAT，故称，故称TATA boxTATA box或或 Pribnow-nowPribnow-now。-35-35区的碱基序列以区的碱基序列以TTGTTG最为保守，肠杆菌的最为保守，肠杆菌的-35-35区为区为TTGACATTGACA，因子识别并结合因子识别并结合-35-35区，区，RNARNA聚合酶的特异性由聚合酶的特异性由 因子决定，因子决定，而启动子的强弱则由而启动子的强弱则由-35-35区和区和 因子的特异性和亲和力因子的特异性和亲和力决定。决定。从从ISIS到到-10-10区之间的区之间的5-10bp5-10bp间隔称间隔称5-leader5-leader序列。序列。17ppt课件（二）顺式作用元件是调节转录的DNA片段启动子（Promot大肠杆菌基因启动子图示大肠杆菌基因启动子图示-35-10IS5-leader+1上游上游下游下游5启动子启动子18ppt课件大肠杆菌基因启动子图示-35-10IS5-leader+11.21.2、真核生物的启动子、真核生物的启动子真核基因的真核基因的型启动子型启动子（promoterpromoter）真核基因的真核基因的TATATATA为为，并且距离较远。并且距离较远。没有没有-区。区。在上游还有、和在上游还有、和（八聚体）等结构，并与盒一起组成（八聚体）等结构，并与盒一起组成型基因的启动子型基因的启动子。必须明确，并不是所有的。必须明确，并不是所有的型基因都具备型基因都具备这种调控元件，有的基因就没有盒（如这种调控元件，有的基因就没有盒（如的早期基因）。的早期基因）。由于由于型启动子无型启动子无-35区，也没有区，也没有 因子，因此，因子，因此，RNApol与与启动子的结启动子的结合至少与合至少与4种转录因子（种转录因子（TFAD）有关。）有关。19ppt课件1.2、真核生物的启动子由于型启动子无-3520ppt课件20ppt课件1.3哺乳类哺乳类RNA聚合酶聚合酶启动子中的元件序列启动子中的元件序列元件名称元件名称共同序列共同序列结合的蛋白因子结合的蛋白因子名名称称分子量分子量结合结合DNA长度长度TATAboxTATAAAATBP30,00010bpGC boxGGGCGGSP-1105,00020bpCAAT boxGGCCAATCTCTF/NF160,00022bpOctamerATTTGCATOct-176,00010bpOct-253,00020bpkBGGGACTTTCCNFkB44,00010bpATFGTGACGTAFT?20bp21ppt课件1.3哺乳类RNA聚合酶启动子中的元件序列元件名称共同序1.4 启动子中的元件的分类启动子中的元件的分类可以分为两种：可以分为两种：核心启动子元件核心启动子元件(corepromoterelement)指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括转录起始点及其上游25/30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。22ppt课件1.4启动子中的元件的分类22ppt课件上游启动子元件(upstreampromoterelement)包括通常位于70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件，其位置也不相同，这使得不同的基因表达分别有不同的调控。23ppt课件上游启动子元件(upstreampromoterele2.增强子增强子(enhancer)指指远远离离转转录录起起始始点点、决决定定基基因因的的时时间间、空空间间特特异异性性、增增强强启启动动子子转转录录活活性性的的DNA序序列。列。3.沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异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。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。4.转录终止子转录终止子(Terminator of transcription)5.其他其他24ppt课件2.增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的三、基因表达调控的基本三、基因表达调控的基本的规律的规律（一）、基因表达具有时间性及空间性（一）、基因表达具有时间性及空间性1.时间特异性时间特异性Temporal specificity or stage specificity按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。段特异性。2.空间特异性空间特异性Spatial specificity or cell specificity or tissue specificity在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，又称细胞特异性或组织特异性。织空间顺序出现，又称细胞特异性或组织特异性。25ppt课件三、基因表达调控的基本的规律（一）、基因表达具有时间性及空间（二）、基因表达的方式（二）、基因表达的方式1.组成性表达组成性表达 管家基因管家基因 housekeeping gene 有有些些基基因因在在生生命命全全过过程程都都是是必必需需的的，如如果果缺缺少少、细胞不能正常生存，这类基因被称为管家基因。细胞不能正常生存，这类基因被称为管家基因。组成性基因表达组成性基因表达constitutive gene expression 管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素的的影影响响，在在个个体体发发育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。26ppt课件（二）、基因表达的方式1.组成性表达26ppt课件2.2.适应性表达（适应性表达（Adaptive expressionAdaptive expression）诱导表达诱导表达induction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，表达增强，称表达增强，称为诱导表达。为诱导表达。阻遏表达阻遏表达repression另有一些基因在特定环境信号刺激下，表达水平另有一些基因在特定环境信号刺激下，表达水平下降，下降，称为阻遏表达称为阻遏表达。27ppt课件2.适应性表达（Adaptiveexpression）23.3.协调表达协调表达 在在一一定定机机制制控控制制下下，使使功功能能相相关关联联的的一一组组基基因因协协调调一一致致、共共同同表表达达，称称此此为为协协调调表表达达(coordinate expression)。这这种种调调节节称称为协调调节为协调调节(coordinate regulation)28ppt课件3.协调表达28ppt课件1 反式作用因子反式作用因子类别类别（后面讲）（后面讲）概概念念：凡凡直直接接或或者者间间接接与与顺顺式式元元件件相相互互作作用并影响基因表达的蛋白质用并影响基因表达的蛋白质类别类别A 普通转录因子普通转录因子（三）、基因表达调控的分子基础是（三）、基因表达调控的分子基础是DNA/DNA/蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用29ppt课件1反式作用因子类别（后面讲）概念：凡直接或者间接与顺式元件B 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定该该基基因因的的时间、空间特异性表达。时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子30ppt课件B特异转录因子(specialtranscription2.转录调节因子结构转录调节因子结构DNA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）谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域锌指锌指(zinc finger)-螺旋螺旋其他其他31ppt课件2.转录调节因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白四、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 32ppt课件四、基因表达调控的生物学意义1）使细胞能适应环境变化，以原核生物和真核生物在基因表达调控的细节上原核生物和真核生物在基因表达调控的细节上尽管差异很大，但两者的调控模式却具有惊人的相尽管差异很大，但两者的调控模式却具有惊人的相似性和可比性，除此之外，原核生物和真核生物的似性和可比性，除此之外，原核生物和真核生物的基因表达调控元件也具有统一性。然而，不管是原基因表达调控元件也具有统一性。然而，不管是原核生物还是真核生物，核生物还是真核生物，转录环节是最主要的调控位转录环节是最主要的调控位点点。基因调控元件按其属性可分为核酸和蛋白质两。基因调控元件按其属性可分为核酸和蛋白质两大类，所有基因表达调控模式的大类，所有基因表达调控模式的实质无非是实质无非是两者之两者之间的相互作用，包括核酸分子内或分子间的相互作间的相互作用，包括核酸分子内或分子间的相互作用、用、核酸分子与蛋白分子之间的相互作用核酸分子与蛋白分子之间的相互作用以及蛋白以及蛋白分子内或分子间的相互作用。其中第二种作用尤为分子内或分子间的相互作用。其中第二种作用尤为重要。重要。33ppt课件原核生物和真核生物在基因表达调控的细节上尽管第二节第二节原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控一、转录水平的调控一、转录水平的调控 （一）影响转录的因素（一）影响转录的因素二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控（二）转录的调控机制（二）转录的调控机制（一）（一）SD序列对翻译的影响序列对翻译的影响（二）（二）mRNA的稳定性的稳定性（三）翻译产物对翻译的调控（三）翻译产物对翻译的调控（四）小分子（四）小分子RNA的调控作用的调控作用34ppt课件第二节原核生物基因表达的调控一、转录水平的调控（一）影介绍：介绍：原核生物原核生物mRNA结构的特点：结构的特点：（1）原核生物）原核生物mRNA往往是往往是多顺反子多顺反子的，即每分子的，即每分子mRNA带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核糖体识别、结合部位。在糖体识别、结合部位。在55端端和和3 3端端也有非编码区。也有非编码区。（2）mRNA5 5端端无帽子结构无帽子结构，3端端一般一般无多聚无多聚A尾尾巴巴。（3）mRNA一般一般没有修饰碱基没有修饰碱基，即这类，即这类mRNA的分子链的分子链完全不被修饰。完全不被修饰。35ppt课件介绍：（1）原核生物mRNA往往是多顺反子的，即每分子mRN原原核核生生物物基基因因多多以以操操纵纵子子（operon）的的形形式式存存在在。操操纵纵子子由由调调控控区区与与信信息息区区组组成成，上上游游是是调调控控区区，包包括括启启动动子子与与操操纵纵基基因因两两部部分分。启启动动子子是是同同RNA聚聚合合酶酶结结合合并并启启动动转转录录的的特特异异性性DNA序序列列，操操纵纵基基因因是是特特异异的的阻阻遏遏物物结结合合区区。原原核核生生物物基基因因表表达达调调控控的的环节，主要在转录水平，其次是翻译水平。环节，主要在转录水平，其次是翻译水平。一、转录水平的调控一、转录水平的调控36ppt课件原核生物基因多以操纵子（operon）的形式存在。操纵子由调1、启动子、启动子2、因子因子 3、阻遏蛋白、阻遏蛋白 4、正调控蛋白、正调控蛋白 5、倒位蛋白（、倒位蛋白（inversion protein）（一）影响转录的因素（一）影响转录的因素6、RNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物 7、衰减子、衰减子 不讲不讲37ppt课件1、启动子2、因子3、阻遏蛋白4、正调控蛋白（1）启动子决定转录方向及模板链）启动子决定转录方向及模板链1、启动子、启动子基因转录时，基因转录时，因子识别并结合因子识别并结合-35区，而区，而RNA聚合酶结合聚合酶结合于于-10区，全酶结合区，全酶结合DNA后覆盖的区域是后覆盖的区域是-40+20。开始合。开始合成成RNA后，后，RNA聚合酶是沿着信息链的聚合酶是沿着信息链的5 35 3方向移方向移动，只能以信息链的互补链为模板合成动，只能以信息链的互补链为模板合成RNARNA。38ppt课件（1）启动子决定转录方向及模板链1、启动子基因转录5TAGTGATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG3-35-10+13ATCACTAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC5AGGUCCACGRNA 3转转 录录5 RNA聚合酶因子因子+1，不是从起始密码子，不是从起始密码子AUG开始。开始。39ppt课件5TAGTGATTGACATGATAGAAGCACTCT（2）启动子决定转录效率）启动子决定转录效率 在在E E.colicoli启动子中，在启动子中，在-35-35和和-10-10的两个序列称为一致性序列的两个序列称为一致性序列（consensus sequencesconsensus sequences）。两个序列中各碱基的出现频率为：）。两个序列中各碱基的出现频率为：-35-35：T T8282G G7878A A6565C C5454A A9595；-10-10：T T8080A A9595T T4545A A6060T T9696。一般说来，强启动子一般说来，强启动子的序列与上述序列最接近，弱启动子（基因表达较少量的的序列与上述序列最接近，弱启动子（基因表达较少量的mRNAmRNA）则与上述序列相差较大则与上述序列相差较大，这种调控作用与，这种调控作用与因子的作用有关。识因子的作用有关。识别别E E.colicoli启动子中一致性序列的启动子中一致性序列的因子主要是因子主要是7070亚单位。启动亚单位。启动子序列与上述序列越接近，子序列与上述序列越接近，7070与之结合的能力越强。与之结合的能力越强。40ppt课件（2）启动子决定转录效率在E.coli启动子中，在41ppt课件41ppt课件因子与因子与RNA聚合酶紧密结合聚合酶紧密结合，转录启动后，大，转录启动后，大约合成至约合成至8个核苷酸时，个核苷酸时，因子解离，因子解离，游离的游离的因子因子本身并不直接结合特定的本身并不直接结合特定的DNA。不同的不同的因子可以因子可以竞争结合竞争结合RNA聚合酶。环境变化可诱导产生特定的聚合酶。环境变化可诱导产生特定的因子，从而打开一套特定的基因。因子，从而打开一套特定的基因。2、因子因子Note：因子是一种非专一性蛋白，作为所有因子是一种非专一性蛋白，作为所有RNA聚合酶的辅助因子聚合酶的辅助因子起作用。起作用。因子是因子是DNA依赖的依赖的RNA聚合酶的固有组分，它识别启动子共有聚合酶的固有组分，它识别启动子共有序列且与全酶结合。序列且与全酶结合。因子通常与因子通常与DNA结合，且沿着结合，且沿着DNA搜寻，直到在启搜寻，直到在启动子碰到核心酶。它与动子碰到核心酶。它与DNA的结合不需依靠核心酶。的结合不需依靠核心酶。42ppt课件因子与RNA聚合酶紧密结合，转录启动后，大约合成至8个核苷阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用负调控作用的蛋白质。阻遏蛋白的蛋白质。阻遏蛋白在一定的条件下在一定的条件下与与DNA结合结合。在。在E.coli中，主要有诱导中，主要有诱导（induction）和阻遏（）和阻遏（repression）两种类型。）两种类型。在这两种类型中，阻遏蛋白都可以与特定的信号在这两种类型中，阻遏蛋白都可以与特定的信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与或者与DNA结合，或者与结合，或者与DNA解离。解离。3、阻遏蛋白（、阻遏蛋白（repressor）43ppt课件阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。阻与与负负调调控控相相反反，当当调调控控蛋蛋白白结结合合于于特特异异DNA序序列列后后促促进进基基因因的的转转录录，这这种种基基因因表表达达调调控控的的方方式式称称为为正正调调控控。E.coli中中的的一一些些弱弱启启动动子子，本本身身结结合合RNA聚聚合合酶酶的的作作用用很很弱弱,对于这些启动子来说对于这些启动子来说,正调控作用是很重要的正调控作用是很重要的CAP蛋蛋白白（分分解解代代谢谢物物基基因因活活化化蛋蛋白白 catabolitegeneactivatorprotein）：这这种种蛋蛋白白可可将将葡葡萄萄糖糖饥饥饿饿信信号号传传递递给给许许多多操操纵纵子子，使使细细菌菌在在缺缺乏乏葡葡萄萄糖糖的的环环境境中中可可以以利利用用其其他他碳源。碳源。CAP结合结合DNA由由cAMP控制。控制。4、正调控蛋白、正调控蛋白44ppt课件与负调控相反，当调控蛋白结合于特异DNA序列后促进基因的转录乳糖操纵子调控的机制乳糖操纵子调控的机制（二）转录的调控机制（二）转录的调控机制 在含有葡萄糖和半乳糖的培养基中，在含有葡萄糖和半乳糖的培养基中，E.coli和某些肠道菌优先和某些肠道菌优先利用葡萄糖生长，当葡萄糖耗尽后，细菌暂时停止生长，开始合利用葡萄糖生长，当葡萄糖耗尽后，细菌暂时停止生长，开始合成与半乳糖利用有关的酶，然后细胞又恢复生长，这就是成与半乳糖利用有关的酶，然后细胞又恢复生长，这就是细胞二细胞二度生长现象度生长现象。这种分解代谢产物阻遏有时也称为。这种分解代谢产物阻遏有时也称为葡萄糖效应葡萄糖效应。在葡萄糖不存在、乳糖存在时，在葡萄糖不存在、乳糖存在时，CAP发挥正调控作用，阻遏蛋发挥正调控作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。其他几种情况，基因都处于关闭状态。其他几种情况，基因都处于关闭状态。葡萄糖葡萄糖cAMPcAMPcAMPCAPCAPDNA乳糖代谢乳糖代谢操纵子操纵子cAMPCAP转录转录CAPDNA45ppt课件乳糖操纵子调控的机制（二）转录的调控机制在含有葡46ppt课件46ppt课件47ppt课件47ppt课件二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNA48ppt课件二、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子(lacoperonIPOZYA调控基因调控基因调控基因调控基因 控制位点控制位点控制位点控制位点 结构基因结构基因结构基因结构基因DNADNA阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白启动序列启动序列启动序列启动序列cAMP-CAPcAMP-CAPcAMP-CAPcAMP-CAP结合位点结合位点结合位点结合位点操纵序列操纵序列操纵序列操纵序列 半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶通透酶通透酶通透酶通透酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶乳糖操纵子（乳糖操纵子（乳糖操纵子（乳糖操纵子（lactoseopronlactoseopron）结构结构结构结构RNARNARNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶结合位点结合位点结合位点结合位点（6759）（728）49ppt课件IPOZYA调控基因控制位点结构基因DNA阻遏蛋白mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二）阻遏蛋白的负性调节（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因在没有乳糖存在时，在没有乳糖存在时，Lac操纵子处于阻遏操纵子处于阻遏状态。阻遏蛋白与状态。阻遏蛋白与O序列结合，阻遏序列结合，阻遏RNA聚合酶与聚合酶与P序列结合，抑制转录起动。序列结合，抑制转录起动。50ppt课件mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时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当乳糖存在时，当乳糖存在时，Lac操纵操纵子即可被诱导。乳糖，半子即可被诱导。乳糖，半乳糖（诱导剂）与结合阻乳糖（诱导剂）与结合阻遏蛋白，使阻遏蛋白构象遏蛋白，使阻遏蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与变化，导致阻遏蛋白与O序列解离，发生转录。序列解离，发生转录。51ppt课件mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录（三）（三）CAP的正性调节。的正性调节。CAP（也称（也称CRP、CGP)是同二聚体，在其分子是同二聚体，在其分子内有内有DNA结合区及结合区及cAMP结合位点。结合位点。sCAP是同二聚体是同二聚体当当没有没有葡萄糖存在时葡萄糖存在时cAMP，cAMP与与CAP结合，结合，CAP结合在结合在lac启启动序列附近的动序列附近的CAP位点，位点，可刺激可刺激RNA聚合酶活性，聚合酶活性，表达表达。当当有有葡萄糖存在时，葡萄糖存在时，cAMP、cAMP与与CAP结合受阻，结合受阻，lac操纵子表操纵子表达达。52ppt课件（三）CAP的正性调节。sCAP是同二聚体当没有葡（四）协调调节（四）协调调节当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAP对对该该系系统统不不能能发挥作用；发挥作用；如如无无CAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列结合，操纵子仍无转录活性。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；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，细细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。葡葡萄萄糖糖对对 lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分分解解代代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。53ppt课件（四）协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥CAPHigh glucoseLow cAMPLow lactosePOzyaDNApromoteroperatorrepressorCAP site No transcriptionLow glucoseHigh cAMPLow lactosePOzyaDNArepressor No transcriptioncAMPPOzyaDNApromoteroperatorrepressorCAP site No transcriptionCAP54ppt课件CAPPOzyaDNApromoteroperatorrHigh glucose Low cAMP High lactose POzyaDNATranscriptionLow level transcription：polymerase does not bind promoter efficiently.Maximal level of transcription:CAP enhances polymerase binding.Low glucoseHigh cAMPHigh lactoseHigh lactose POzyaDNAcAMPTranscriptionRNA polymerasezyazyazyazyazyaCAP55ppt课件HighglucoseLowcAMPHighl乳糖操纵子的实际应用乳糖操纵子的实际应用lacZ 基因作为转录和翻译融合体中的报告基因得基因作为转录和翻译融合体中的报告基因得到广泛应用，从细菌到果蝇甚至人类细胞。该基因的到广泛应用，从细菌到果蝇甚至人类细胞。该基因的产物产物-半乳糖苷酶可以将半乳糖苷酶可以将X-gal分解产生显示出蓝色分解产生显示出蓝色的反应的反应，利用这一特性可在基因克隆中进行蓝白菌落，利用这一特性可在基因克隆中进行蓝白菌落筛选。含有筛选。含有重组重组DNA的菌落为无色的菌落为无色，而含，而含非重组非重组DNA的菌落为蓝色。的菌落为蓝色。56ppt课件乳糖操纵子的实际应用lacZ基因作为转录和1 1、SDSD序列（序列（SD sequenceSD sequence）的顺序及位置对翻译的影响）的顺序及位置对翻译的影响 SDSD序序列列，在在mRNAmRNA的的翻翻译译起起始始信信号号（AUGAUG）前前的的核核糖糖体体结结合合部部位位，它它是是与与核核糖糖体体16S 16S rRNA rRNA 3 3末末端端序序列列互互补补的的核核苷苷酸酸序序列列。一一般般与与核核糖体结合强的糖体结合强的SDSD序列翻译效率较高。序列翻译效率较高。不同的不同的SDSD序列有一定的差异，因而翻译起始效率不一样。序列有一定的差异，因而翻译起始效率不一样。SDSD序序列与起始密码子之间的距离，也是影响列与起始密码子之间的距离，也是影响mRNAmRNA翻译效率的重要因素之翻译效率的重要因素之一。另外，某些蛋白质与一。另外，某些蛋白质与SDSD序列的结合也会影响序列的结合也会影响mRNAmRNA与核糖体的结与核糖体的结合，从而影响蛋白质的翻译。合，从而影响蛋白质的翻译。二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控（一）（一）SD序列对翻译的影响序列对翻译的影响57ppt课件1、SD序列（SDsequence）的顺序及位置对翻译的影2 2、mRNA二级结构隐蔽二级结构隐蔽SDSD序列的作用序列的作用 在某些在某些mRNAmRNA分子中，核糖分子中，核糖 体结合位点在一个二级结构（茎环）中，使核糖体无法结合，体结合位点在一个二级结构（茎环）中，使核糖体无法结合，只有打破茎环结构，核糖体才能结合。只有打破茎环结构，核糖体才能结合。细菌细菌mRNA通常是不稳定的通常是不稳定的。mRNA的降解速度是翻译调控的降解速度是翻译调控的的另一个重要机制。蛋白质合成速率的快速改变，不仅是因为另一个重要机制。蛋白质合成速率的快速改变，不仅是因为mRNA不断合成以及不断合成以及mRNA合成与蛋白质翻译偶联，更重要的是，许多细合成与蛋白质翻译偶联，更重要的是，许多细菌菌mRNA降解很快。降解很快。E.coli的许多的许多mRNA在在370C时的平均寿命大约时的平均寿命大约为为2min，很快被酶解。，很快被酶解。（二）（二）mRNA的稳定性的稳定性58ppt课件2、mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用在某些mRNA分 细细菌菌的的生生理理状状态态和和环环境境因因素素都都会会影影响响mRNAmRNA的的降降解解速速度度。另另外外，mRNAmRNA的的一一级级结结构构和和次次级级结结构构对对mRNAmRNA的的稳稳定定性性也也有有很很大大的的影影响响，一一般般在在其其5 5端端和和3 3端端的的发发夹夹结结构构可可保保护护其其不不被被外外切切酶酶迅迅速速水水解解。mRNAmRNA的的5 5端与核糖体结合，可明显提高其稳定性。端与核糖体结合，可明显提高其稳定性。不同操纵子转录出的不同操纵子转录出的mRNAmRNA分子的平均寿命是不同分子的平均寿命是不同的的，有些，有些mRNAmRNA编码的蛋白质是持续存在的编码的蛋白质是持续存在的,mRNA,mRNA也也较稳定较稳定.如如:RNase:RNase识别一种特殊的发夹结构，将识别一种特殊的发夹结构，将其裂解，使其裂解，使RNARNA能够被其它能够被其它RNARNA酶降解。而这种发夹酶降解。而这种发夹结构可能是其它结构可能是其它RNARNA酶所不能破坏的。如果这种发酶所不能破坏的。如果这种发夹结构被保护，夹结构被保护，mRNAmRNA的寿命就延长了。的寿命就延长了。59ppt课件细菌的生理状态和环境因素都会影响mRNA的降解速度有有些些mRNA编编码码的的蛋蛋白白质质，本本身身就就在在蛋蛋白白质质翻翻译译过过程程中中发发挥挥作作用用的的因因子子。这这些些因因子子可可对对自自身身的的翻翻译译产生调控作用。产生调控作用。1、核核糖糖体体蛋蛋白白在在细细菌菌中中，每每个个核核糖糖体体含含有有约约50种种不不同同的的蛋蛋白白质质，必必须须以以同同样样的的速速率率合合成成，而而且且，合合成成这这些些蛋蛋白白质质的的速速率率是是与与细细胞胞增增殖殖相相适适应应的的。生生长长条条件件的的改改变变，可可以以导导致致所所有有核核糖糖体体组组分分的的迅迅速速增增加加或或降降低低，翻翻译译水水平平调调控控在在这这些些协协调调控控制制中中起起着着关关键键作用。作用。（三）翻译产物对翻译的调控（三）翻译产物对翻译的调控60ppt课件有些mRNA编码的蛋白质，本身就在蛋白质翻译过程1、调整基因表达产物的类型、调整基因表达产物的类型2、低水平表达基因的控制、低水平表达基因的控制（四）小分子（四）小分子RNA的调控作用的调控作用主要有两种类型：主要有两种类型：61ppt课件1、调整基因表达产物的类型（四）小分子RNA的调控自我挑战设计：学习了乳糖操纵子，那么您使用它乳糖操纵子，那么您使用它来挑战什么医学问题呢？来挑战什么医学问题呢？帮助网站：帮助网站：,.,.能否能否62ppt课件自我挑战设计：62ppt课件第三节第三节真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控真核生物比原核生物基因表达的调控复杂得多。单细胞真核生真核生物比原核生物基因表达的调控复杂得多。单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同，主物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同，主要通过及时调整酶系统基因的表达来适应环境变化。而多细胞真要通过及时调整酶系统基因的表达来适应环境变化。而多细胞真核生物的机体只有少数基因的表达调控与外界环境变化直接有关，核生物的机体只有少数基因的表达调控与外界环境变化直接有关，绝大多数的基因表达与生物体的发育、分化等生命现象密切相连。绝大多数的基因表达与生物体的发育、分化等生命现象密切相连。真核细胞是有核的细胞，其转录主要在核内，翻译则在细胞质中真核细胞是有核的细胞，其转录主要在核内，翻译则在细胞质中有规律地进行，而翻译产物的分布、定位及功能活性调节也都是有规律地进行，而翻译产物的分布、定位及功能活性调节也都是可控制的环节。可控制的环节。真核生物基因表达的调控可以发生真核生物基因表达的调控可以发生DNA水平、转水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平。录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平。63ppt课件第三节真核生物基因表达的调控真核生物比原核生物真真核核生生物物基基因因表表达达在在不不同同水水平平上上进进行行调调节节64ppt课件真核生物基因表达在不同水平上进行调节64ppt课件介绍介绍1：真核基因组结构特点真核基因组结构特点（一）（一）真核基因组结构的庞大，大多为非真核基因组结构的庞大，大多为非编码区编码区（二）（二）形成染色体结构，数目一定，二倍体形成染色体结构，数目一定，二倍体（三）单顺反子：（三）单顺反子：一个基因只编码一条多肽。一个基因只编码一条多肽。（四）重复序列（四）重复序列（五）断裂基因（不连续性）（五）断裂基因（不连续性）:内含子与外显内含子与外显子子65ppt课件介绍65ppt课件有三种，有三种，分工不同，分工不同，结构复杂，结构复杂，调节的因子调节的因子较多。较多。2、真核基因表达调控特点真核基因表达调控特点转录起始仍是最基本环节。转录起始仍是最基本环节。（一）（一）RNA聚合酶聚合酶（二）（二）基因激活与染色体结构基因激活与染色体结构变化变化（三）（三）正性调节占主导正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（四）转录与翻译分隔进行（五）（五）转录后修饰、加工转录后修饰、加工（六）瞬时调控（可逆）和发育（六）瞬时调控（可逆）和发育调控（不可逆）调控（不可逆）1、对核酸酶敏对核酸酶敏感感2、DNA拓扑拓扑结构的变化结构的变化3、DNA碱基修碱基修饰变化饰变化4、组蛋白变化、组蛋白变化原因有二：原因有二：1、采用正性调、采用正性调节机制更有效节机制更有效2、采用负性调、采用负性调节不经济节不经济真核细胞有真核细胞有细胞核及胞浆等细胞核及胞浆等区间分布，转录区间分布，转录与翻译在不同亚与翻译在不同亚细胞结构中进行。细胞结构中进行。66ppt课件有三种，分工不同，结构复杂，调节的因子较多。2、3、真核生物、真核生物mRNA结构的特点：结构的特点：（1）5 5末端有帽子结构。末端有帽子结构。（2）3端绝大多数均带有多聚腺苷酸尾巴，其长度端绝大多数均带有多聚腺苷酸尾巴，其长度 为为20203030个腺苷酸。个腺苷酸。（3）分子中可能有修饰碱基，主要有甲基化。）分子中可能有修饰碱基，主要有甲基化。（4）分子中有编码区与非编码区。）分子中有编码区与非编码区。67ppt课件3、真核生物mRNA结构的特点：（1）5末端有帽子结构。一、一、DNADNA水平的调控水平的调控 二、转录水平的调控二、转录水平的调控 三、转录后水平的调控三、转录后水平的调控四、翻译水平的调控四、翻译水平的调控五、翻译后水平的调控五、翻译后水平的调控六、组织特异性表达和时相性六、组织特异性表达和时相性 本节 学习的主要内容68ppt课件一、DNA水平的调控二、转录水平的调控三、转录后水平的调 真核生物基因表达在真核生物基因表达在DNADNA水平的调控主要通过一列几种方式：水平的调控主要通过一列几种方式：1 1、染染色色质质的的丢丢失失 一一些些低低等等生生物物（如如线线虫虫等等）的的细细胞胞发发育育过过程程中中发发现现染染色色质质丢丢失失现现象象及及高高等等动动物物红红细细胞胞在在发发育育成成熟熟过过程中也有染色质的丢失，都是一些不可逆的调控。程中也有染色质的丢失，都是一些不可逆的调控。2 2、基基因因扩扩增增（gene gene amplificationamplification）细细胞胞在在发发育育分分化化或或环环境境改改变变时时，对对某某种种基基因因产产物物的的需需要要量量剧剧增增，而而单单纯纯靠靠调调节节其其表表达达活活性性不不足足以以满满足足需需要要，只只有有增增加加这这种种基基因因的的拷拷贝贝数数（即即基基因因的的扩扩增增或或基基因因放放大大）来来满满足足需需要要。这这是是调调控控基基因因表表达活性的一种有效方式。达活性的一种有效方式。非非洲洲爪爪蟾蟾卵卵母母细细胞胞rRNA基基因因卵卵裂裂时时，扩扩增增4000倍倍，达达1012个核糖体。个核糖体。一、一、DNA水平的调控水平的调控69ppt课件真核生物基因表达在DNA水平的调控主要通过一列几种方式：一3 3、基基因因重重排排（gene gene rearrangementrearrangement）基基因因重重排排是是指指基基因因片片段段改改变变原原来来存存在在顺顺序序，通通过过调调整整有有关关基基因因片片段段的的衔衔接接顺顺序序，再再重重排排成成为为一一个个完完整整的的转转录录单单位位。基基因因重重排排是是DNADNA水水平调控的重要方式之一。平调控的重要方式之一。如免疫球蛋白基因重排，多样性如免疫球蛋白基因重排，多样性4、DNA甲基化甲基化(DNA methylation)：甲基化甲基化(methylated)(methylated)程度高，基因表达降低；程度高，基因表达降低；去甲基化去甲基化(undermethylated)(undermethylated)：基因表达增加：基因表达增加70ppt课件3、基因重排（generearrangement）基因重5、染色质结构对基因表达的调控作用、染色质结构对基因表达的调控作用组蛋白与组蛋白与DNA结合，可保护结合，可保护DNA免受损伤，维持基因组稳定免受损伤，维持基因组稳定性，抑制基因的表达。去除组蛋白则基因转录活性增性，抑制基因的表达。去除组蛋白则基因转录活性增高。这种组蛋白与高。这种组蛋白与DNA结合与解离是真核基因表达结合与解离是真核基因表达调控的重要机制之一。调控的重要机制之一。71ppt课件5、染色质结构对基因表达的调控作用组蛋白与DNA转转录录水水平平的的调调控控是是真真核核生生物物基基因因表表达达调调控控中中重重要要的的环环节节。调调控控作作用用主主要要是是通通过过反反式式作作用用因因子子、顺顺式式作作用用元元件件和和RNA聚聚合合酶酶的的相相互互作作用用来来完完成成的的。调调控控作作用用主主要要是是反反式式作作用用因因子子结结合合顺顺式式作作用用元元件件后后影影响响转转录录起起始始复复合合物物的的形形成成。了了解解真真核核生生物物基基因因表表达达在在转转录录水水平平的的调调控控，主主要要是是了了解解反反式式作作用用因因子子的的特特点以及反式作用因子对转录起始的调控。点以及反式作用因子对转录起始的调控。二、转录水平的调控二、转录水平的调控72ppt课件转录水平的调控是真核生物基因表达调控中重要的顺顺式式作作用用元元件件：指指那那些些与与结结构构基基因因表表达达调调控控相相关关、能能够够被被基基因因调调控控蛋蛋白白特特异异性性识识别别和和结结合合的的DNA序序列列。包包括括：启启动动子子、上上游游启启动动子子元元件件、增增强强子子、终终止止子子、沉沉默默子子、隔离子、加尾信号和一些反应元件等。隔离子、加尾信号和一些反应元件等。73ppt课件顺式作用元件：指那些与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋增强子增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件，最早是在SV40病毒中发现的长约200bp的一段DNA，可使旁侧的基因转录提高100倍，其后在多种真核生物，甚至在原核生物中都发现了增强子。增强子通常占100200bp长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为812bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。增强子的作用有以下特点74ppt课件增强子74ppt课件增强子提高同一条增强子提高同一条DNA链上基因转录效率链上基因转录效率，可以远距离作用，通常可距离14kb、个别情况下离开所调控的基因30kb仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。增