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1、1,第十三章,基因表达调控,2,基因表达调控基本概念与原理,第一节,3,一、基因表达的概念,基因（gene）是负载特定遗传信息的DNA功能片段。其结构包括：DNA编码序列、非编码调控序列 和内含子组成的DNA区域。,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。即来自一个遗传体系的一套遗传信息。,4,基因表达（gene expresion）是指基因转录和翻译的过程。在各种调节机制的控制下，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。并非所有基因表达过程都产生蛋白质，编码tRNA、rRNA的基因转录产生RNA的过程也属于基因表达调控。,5,二、基因表达的特
2、性,所有生物的基因表达都表现为严格的规律性，即时间特异性和空间特异性。,（一）时间特异性,在特定生物的不同时期或不同发育阶段，按功能需要，某一特定基因的表达（开启或关闭）严格按特定的时间顺序发生。,6,多细胞生物在发育的各个阶段，都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序表达（开启或关闭），表现为与发育阶段一致的时间性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称为阶段特异性。,7,（二）空间特异性,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种空间分布差异，实质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。,在个体生长发育的全过程，某种基因产物在个体不同组织和器官表达，即按不同组织空间顺序出现
3、。,8,三、基因表达的方式,按对环境刺激的反应性，基因表达的方式分为：,（一）组成性表达,（二）诱导和阻遏表达,（三）协调表达,9,（一）组成性表达,某些基因产物对生命过程都是必需的或必不可少的。这些基因在个体的几乎所有细胞中持续表达,通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,10,管家基因表达水平受环境因素影响较小，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，这种基因表达方式称为组成性表达或基本表达。,特点：1、不受环境影响2、生命各个阶段表达,11,（二）诱导和阻遏表达,与管家基因不同，另有一些基因表达极易受环境变化影响，随外环境的变化可以升高或降低。在
4、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）。,12,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降低的过程称为阻遏（repression）。,13,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,均需协调一之致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)。,（三）协调表达,14,四、基因表达调控的基本原理,（一）基因表达的多级调控,从基因激活开始到蛋白质的生物合成，对于蛋白质来说，以下几个环节均可以调节蛋白质在细胞内的浓
5、度。,15,基因表达的基本调控点,基因激活,转录起始 转录后加工mRNA降解,转录起始,16,（二）基因转录激活调节基本要素,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。,17,主要指具有调节功能的DNA序列。原核生物操纵子真核生物顺式作用元件,1、特异DNA序列,18,通常由两个以上编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调控序列在基因组中成簇串联而成。,原核生物操纵子,19,原核生物,-操纵子(operon)机制,20,共有序列（DNA）决定启动序列的转录活性大小。,21,2操纵序列 阻遏蛋白的结合位点,当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻
6、碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA 聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。,22,3)其他调节序列、调节蛋白,原核生物基因调节蛋白分为三类：,、特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白,23,特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。,、特异因子,24,阻遏蛋白可以识别和结合特异DNA序列操纵序列，抑制基因转录，介导负性调节。,、阻遏蛋白,阻遏蛋白介导的负性调节在原核生物中普遍存在。,25,激活蛋白可结合启动序列邻近的DNA 序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶转录活性。,有些基因在没有激活蛋白存在时,RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。
7、,、激活蛋白,26,真核生物,主要包括：、启动子、增强子、沉默子,27,真核生物的顺式作用元件中也发现一些共有序列，如TATA 盒、CAAT盒等，它们是真核RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点，也是顺式作用元件的核心序列。,28,2)真核基因的调节蛋白,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列,调节自身基因的表达，称顺式作用。,这种作用称为反式作用，这种蛋白质因子称为反式作用因子。,29,反式调节,顺式调节,30,第二节 原核基因转录调节,31,(一)、因子决定RNA 聚合酶识别特异性,(二)、操纵子模型的普遍性 一个操纵子只含有一个启动序列，原核基因协调表达就是通过调控单个启动序列完
8、成。,(三)、阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。,32,通常由两个以上编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调控序列在基因组中成簇串联而成。,二、操纵子结构,33,三、乳糖操纵子调节机制,（一）乳糖操纵子的结构,I,调节基因,34,没有乳糖存在时,(二)阻遏蛋白的负性调节,35,有乳糖存在时,36,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度降低时,(三)CAP（分解代谢物激活蛋白）的正性调节,转录增强,转录下降,37,(四)协调调节,说明在乳糖操纵子中CAP对于基因表达是必不可少的。,38,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/
9、乳糖共同存在时,细菌首先利用葡萄糖。,葡萄糖通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制lac操纵子转录。葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolic repression）。,39,无乳糖时,高乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,40,四 其他转录调节机制,(一)转录衰减,色氨酸操纵子,41,核糖体,新生肽链,mRNA,DNA,1,2,3,4,UUUU 3,1、当色氨酸浓度高时,trp 密码子,转录衰减机制:,5,不依赖因子转录终止,形成茎环结构能力：1和2 2和3 3和4,42,1,2,3,4,5,核糖体,2、当色氨酸浓度低时,体内缺乏色氨
10、酰-tRNA,转录衰减实质上是转录与前导肽的翻译偶联,43,第三节 真核基因转录调节,44,一、真核基因组结构特点,(一)真核基因组结构庞大,45,对于原核生物来说，结构基因 按功能相关性成簇串联形成操纵子，转录生成的mRNA是多顺反子，即翻译生成多条多肽链。,46,(三)重复序列,单拷贝序列（一次或数次）,重复序列具有种属特异性，基因组越大，重复序列越多。,由两个互补序列在同一DNA链上反向排列而成，称为反转重复序列。,47,真核的结构基因又称断裂基因，基因内部有非编码序列（内含子），编码序列（外显子），基因之间又被非编码序列（基因间隔）分隔开来。,(四)基因不连续性,48,二、真核基因转录
11、激活调节,(一)顺式作用元件,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,49,TATA盒（Hogness盒）其共有序列是TATAAAA，通常位于转录起始点上游-25-30bp，控制转录起始的准确性及频率，是TFD结合部位。,典型的启动子由TATA盒及上游的CAAT盒和（或）GC盒组成。,50,51,52,(二)反式作用因子,1、转录调节因子分类（按功能特性）,*基本转录因子,*特异转录因子,53,*基本转录因子,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。,5
12、4,*特异转录因子,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,55,2、转录调节因子结构,锌指结构,碱性螺旋,螺旋-环-螺旋,碱性亮氨酸拉链,56,最常见的DNA结合域：,1、锌指（zinc finger）,C CysH His,常结合GC盒,57,Zn,Cys,His,58,2、碱性螺旋-环-螺旋,常结合CAAT盒,59,真核基因表达调控特点,(一)RNA聚合酶,(二)活性染色体结构变化,60,2、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，,3、DNA碱基修饰变化,61,4、组蛋白变化,富含Lys组蛋白水平降低 H2A
13、H2B二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露,(三)正性调节占主导,(四)转录与翻译分隔进行,(五)转录或修饰、加工,62,1、基因表达的概念2、乳糖操纵子的调节机制3、顺式作用元件、反式作用因子,小 结,掌握：,1、基因表达的基本原理2、原核基因转录调节特点3、真核基因基因组的特点4、真核基因表达调控的特点,熟悉：,63,作 业,1、蛋白质的一、二、三、四级结构2、DNA双螺旋结构有什么特点？3、试述糖的有氧氧化和无氧酵解的过程4、试述脂肪酸的氧化过程5、试述氨的来源、去路及其在体内解毒的过程6、试述复制、转录的异同点及其主要过程7、核蛋白体循环是如何进行的？8、试述乳糖操纵子的调节机制。9、基因工程的原理和程序。,
