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1、 6.1 基因的概念及其发展（了解）6.2 转录(自学）6.3 翻译(自学）6.4 基因表达调控（掌握）,第6章 基因表达,基因表达（gene expression）,基因组（genome）中基因上所携带的遗传信息，通过转录（transcription）、转录后加工（post-transcriptional processing）、翻译（translation）和翻译后加工（post-translational processing）而产生其特定氨基酸序列的蛋白质产物，或通过转录和转录后加工直接产生RNA产物（如tRNA、rRNA、sRNA等）而发挥特定生物功能的过程。,基因表达过程中，遗传信
2、息从DNA到mRNA再到蛋白质的途径传递（仿W.S.Klug,2002）,基因表达调控(regulation of gene expression)在体内外环境的影响下，通过各种调控元件（element）来实现对基因的启动和关闭、活性的增加或减弱等进行调节控制的过程。它可以发生在基因表达的任何阶段。,基因表达调控可分为顺式调控和反式调控、正调控和负调控等方式。,6.1 基因（掌握）,1.基因概念的发展,遗传因子（Mendel，1865）生物性状遗传的符号。孟德尔所说的“遗传因子”仅仅代表了决定某个性状遗传的抽象符号。基因（Morgan等，1910）位于染色体上的遗传功能单位。基因既是携带生物遗
3、传信息的结构单位，又是控制特定性状的功能单位，还是一个突变单位和交换重组单位，基因的内部是不可分的(“三位一体”)。,(1)经典遗传学中的基因概念,顺反子概念把基因具体化为DNA分子上的一段序列，它负责传递遗传信息，是决定一条多肽链的完整功能单位，其内部是可分的，组成顺反子的核苷酸可以独立发生突变和重组，打破了“三位一体”的基因概念。,(2)现代遗传学中的基因概念,顺反子（Benzer，1957）一个基因一条多肽链。,一个顺反子同时还包括一系列的突变单位突变子（Muton），突变子是DNA分子中构成基因的一个或若干个核苷酸。由于某种原因基因内的突变子之间有一定距离，故彼此之间能发生重组，基因有
4、第三个内涵重组子（recon），重组子代表一个空间单位，可以是若干个密码子的重组，也可以是单个核苷酸的互换，如果是后者，重组子也就是突变子。,断裂基因（Berget等，1977）基因的结构是不连续的。即在两个编码序列之间有一段不编码蛋白质的非编码序列；Gilbert把其中的编码序列称为外显子或外元（exon），非编码序列称为内含子或内元（intron），这种结构的基因称为不连续基因（interrupted gene）或断裂基因（split gene）。,三种高等真核生物中的断裂基因（仿W.S.Klug,2002）,跳跃基因(jumping gene)或可动基因(mobile gene)：可作为
5、插入因子 和转座因子移动的DNA序列,也可称为转座元件或转座因子（transposable element）。转座（transposition）是在转座酶的作用下，转座因子或是直接从原来位置上被切离下来，然后插入到染色体上新的位置；或是染色体上的DNA序列转录成RNA，然后RNA反转录产生的cDNA再插入到染色体上新的位置。,可动基因或转座元件（McClintock，1951）基因并非都是固定不动的。,重叠基因（overlapping gene）共有一段DNA序列的两个或两个以上的基因。它打破了“基因的编码序列是有序地排列在DNA链上，每个基因按次序阅读下去”以及“基因是互不沾染、单个分离的实
6、体”等传统观点。,2.基因的一般结构特征,基因组DNA分子按其不同的功能可分为基因序列和非基因序列、编码序列和非编码序列等：基因序列:基因组中决定蛋白质（或RNA产物）的DNA序列，一端为ATG（或GTG）起始密码子，另一端为终止密码子。当还未发现与这个序列对应的蛋白质产物时，这种DNA序列就称为可读框或开放阅读框（ORF）。,非基因序列:基因组中除基因以外的所有DNA序列。主要是两个基因之间的间插序列或间隔序列（intervening sequence）非编码序列:真核生物基因组中，基因内的内含子序列和基因之间的间插序列的统称。编码序列:编码蛋白质或RNA的DNA序列，相当于外显子序列。,真
7、核生物基因的一般结构,（引自中科院计算所生物信息学实验室网页，2002）,5非翻译区,3非翻译区,(1)外显子和内含子,原核生物的基因是连续编码的一段DNA序列。真核生物的基因一般是断裂基因，由若干个外显子和内含子组成。在每个外显子和内含子的接头区，有一段高度保守的共有序列（consensus sequence），即内含子5GT3AGGT-AG法则，这是RNA剪接的信号。,(2)信号肽序列,在分泌性蛋白基因的编码序列中，在起始密码子之后，有一段编码富含疏水氨基酸多肽的序列，称为信号肽序列（signal peptide sequence），它所编码的信号肽（signal sequence，或称信
8、号序列）行使着运输蛋白质的功能。,(3)侧翼序列（flanking sequence）,位于每个结构基因的第一个和最后一个外显子外侧的一段不被转录和翻译的非编码区，含有影响基因表达的DNA序列。5非翻译区(5 untranslated region，5-UTR)：从转录起始位点至起始密码子的这一段非翻译序列。3非翻译区(3 untranslated region，3-UTR)：从终止密码子至转录终止子的这一段非翻译序列。,（4）调控序列（regulator sequence）指在侧翼序列及其相邻区域中对基因的有效表达起着调控作用的特殊序列。包括启动子、增强子、沉默子、终止子、核糖体结合位点、加
9、帽和加尾信号等。,启动子（promotor）能被RNA聚合酶（RNA polymerase）所识别并同RNA聚合酶特异性结合形成转录起始复合物，从而准确而有效地起始基因转录所需的一段核苷酸序列。通常位于转录起始位（+1位）上游 100bp（-100bp）范围内。,原核生物启动子结构：转录起始位点：常见碱基序列为CAT，A为转录起 始点，但保守程度不高。Pribnow框(-10区):共有序列TATAAT、RNA聚合酶与 DNA的结合位点、解链区，又称TATAbox。Sextama框(-35区)：识别位点，共有序列TTGACA。10区和-35区的距离：长度一般为1618bp，合适的空 间结构，便于
10、转录的起始。,真核生物基因的启动子结构：真核生物有三种RNA聚合酶（、和，简写为RNA pol、）负责转录，相对应的也有三类基因，即类、类和类基因，每类基因都有各自独特的启动子，因此真核生物基因有三种启动子。,例：类基因的启动子 帽子位点（cap site）：转录起始位点，与原核的相似。TATA框（TATA box）：位于-19-27bp处，又称Hogness框（Hogness box）或Golderg-Hogness框，其功能类似于原核基因启动子Pribnow盒。CAAT框（CAAT box）：位于-70-80bp处，CAAT框具有决定基因转录起始频率的功能。GC框（GC box）：位于-4
11、0-110bp之间，以含有GGGCGG序列为特征，可能与增强起始转录的效率有关。其他的元件：如八聚核苷酸元件（octamer element，OCT element），B元件，ATF元件等。,真核生物中典型启动子区域在表达调控区中的相对位置关系图示（仿W.S.Klug，2002）,增强子（enhancer）,一种基因调控序列，它可使启动子发动转录的能力大大增强，提高基因的转录效率。增强子多为重复序列，一般长约50bp，含有一个基本的核心序列，即（G）TTGA/TA/TA/T（G）。,沉默子（silencer）,一种与基因表达有关的调控序列，它通过与有关蛋白质结合，对转录起阻抑作用，根据需要而关
12、闭某些基因的转录，而且可以远距离作用于启动子。,终止子（terminator）,在转录过程中提供转录终止信号的序列。,大肠杆菌的两类终止子：不依赖因子的终止子：位于基因3非翻译区由一段富含GC碱基的颠倒重复序列以及寡聚T组成。在此处，初级转录产物形成发夹结构，导致转录终止。依赖因子的终止子：需要终止子和因子的共同作用，RNA聚合酶的核心酶才能终止转录。,加尾信号,mRNA的3端有一段多聚A尾巴（polyA tail），由DNA上的加尾信号序列控制，位于polyA位点上游1530bp区域内，存在的一段高度保守的DNA序列即为加尾信号序列。,核糖体结合位点,位于基因翻译起始位点周围的一组特殊的序列
13、，主要为ATG（mRNA中为AUG）起始密码子及其前后的若干碱基。是mRNA与核糖体的结合序列，对翻译起始复合物的形成和翻译的起始有重要的作用。,3.基因的组织,基因不仅能单独地起作用，而且在各个基因之间还有一个相互制约、反馈调节的网络，每个基因都在这个系统中发挥各自的功能。,(1)操纵子（operon）,多顺反子（polycistron）：指一条mRNA编码多个蛋白，其基因表达调控则以操纵子形式进行。几个结构基因由一个RNA聚合酶在一个启动子上开始转录成一个多顺反子的mRNA分子，然后翻译成几种蛋白质，这样的结构称为一个操纵子。,操纵子模型进一步丰富了基因概念，表明基因是可分的，这不仅体现在
14、基因的结构上，而且在功能上可分为:结构基因（structure gene）：负责编码产生某种蛋白质多肽链或RNA分子的基因。调节基因（regulatory gene）：负责编码阻遏物，调节结构基因的转录活性的基因。操纵基因（operator）：有同阻遏物结合的位点，决定结构基因的转录活性。,大肠杆菌的乳糖操纵子（lactose operon）结构,(2)基因家族与基因簇,基因家族（gene family）：许多来源相同、结构相似、功能相关的一组基因。基因簇（gene cluster），也称为超基因（super gene）：一个基因家族的基因成员紧密连锁，成簇状集中排列在同一条染色体的某一区域。
15、例如高等真核生物的28S、18S和5.8S rRNA基因。,基因超家族（superfamily）：由一个共同的祖先基因通过各种各样的变异产生的，结构大致相同但功能却不尽相似的一大批基因，它们分属于不同基因家族，这些基因家族总称为一个基因超家族。假基因（pseudogene）：在基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，但在结构和DNA序列上与相应的活性基因具有相似性，这类基因称为假基因。用符号来表示，如表示与基因相似的假基因。,组成性表达（constitutive expression）：指其表达不大受环境变动影响的一类基因表达。其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而
16、必不可少的，这类基因被称为看家基因（housekeeping gene）。,基因表达分为组成性表达和适应性表达。,6.4 基因表达调控,1.基因表达调控的基本概念（掌握）,适应性表达（adaptive expression）：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。随环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导（induction），这类基因被称为可诱导的基因（inducible gene）；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏（repression），相应的基因被称为可阻遏的基因（repressible gene）。,基因表达调控:根据生物有机体在不同发育阶段、不同的组
17、织细胞及不同的功能状态，在细胞内外环境因素的影响下，机体通过各种元件对基因产物的量及产出的时间和表达的空间进行调节控制的过程（基因启动与关闭；表达活性增加或减弱）。在原核细胞和真核细胞中，最常见的调控是转录过程的调控。,(1)顺式作用元件和反式作用因子,顺式作用（cis-acting）：基因表达受到与基因处在同一条染色体（DNA分子）上的DNA序列的调控。这样的DNA序列称为顺式作用元件。如在原核生物中操纵子调控区中的启动子、操纵序列、CAP蛋白结合位点和真核基因的启动子、增强子和沉默子等。,反式作用（trans-acting）：一个基因编码的产物蛋白质或RNA（tRNA、rRNA等）调控另一
18、个基因的表达。编码反式作用因子的基因与受调控的基因大多不在同一条染色体上。反式作用因子（trans-acting factor）：来自不同的染色体（DNA分子）上的DNA序列编码的调节因子。,调节因子的顺式调节与反式调节,(2)正调控和负调控,根据调节因子对基因表达所起到的作用可分为正调控和负调控。当调节因子所起的作用是协助基因表达，称之为正调控（positive regulation）；反之，当调节因子所起的作用是阻碍基因表达则称为负调控（negative regulation）。,正调控与负调控机制示意图,2.原核生物的基因表达调控,原核生物转录调控特点：因子决定RNA聚合酶识别的特异性：
19、不同的因子决定特异编码基因的转录激活，也决定不同RNA（mRNA、rRNA和tRNA）基因的转录。操纵子模型的普遍性：多个基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位操纵子。这些基因的协调表达是通过对单个启动基因活性的调控来完成的。阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：在很多原核生物操纵子（元）系统，特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。,真核生物的基因表达调控,真核生物基因表达调控是一个多水平的复杂过程，大体可以分为转录前、转录、转录后、翻译和翻译后调控五个层次。,（1）真核生物的基因表达调控的特点（有别于原核生物）,活性染色体结构变化:染色体相应区域发生某些结构和性质变
20、化；转录区DNA有拓扑结构变化；DNA碱基修饰（如甲基化）变化及组蛋白变化。（表观遗传学）正调节占主导:真核RNA聚合酶对启动子的亲和力极小或根本没有实质性的亲和力，必需依赖一种或多种激活蛋白的作用。转录与翻译分隔进行:转录与翻译在不同细胞部位进行。转录后修饰、加工:真核基因转录后剪接及修饰等过程比原核复杂。,（2）转录起始水平的调控,主要涉及以下三种因素的相互作用：RNA聚合酶：转录水平调控的实质是对RNA聚合酶转录活性的调节；顺式调控元件：启动子、增强子、沉默子等；反式作用因子：最为重要的是转录因子，也就是起正调控作用的反式作用因子，包括基本转录因子（如TF,TF,TF）和特异转录因子。,
21、激活因子（或增强子）以正调控的方式促进转录,A、B、D、E分别为基本转录因子（TFII 因子）。RNA聚合酶II 与十几种基本转录子结合成转录起始复合物。一些转录激活因子和增强子结合，通过弯曲作用于转录起始复合物中的某种蛋白质，引起RNA聚合酶的构象改变，提高其活性。,（3）转录后水平的调控,指基因转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、加工过程，主要包括转录的提前终止、mRNA前体的加工、内含子的变位剪接（alternative splicing）、反式剪接（trans-splicing）、RNA编辑（RNA editing）、Small RNA 调控等多个环节。真核基因的转录后调控对遗传信息
22、的质和量都产生了重大的影响，涉及到了遗传信息的扩展。,内含子的变位剪接:高等真核生物中来自同一个基因的mRNA前体分子中一般不止一个内含子，某个内含子5剪接供点可以在特定条件下与另外一个内含子的3剪接受点进行剪接，从而同时删除这两个内含子及其中间的全部外显子或内含子，这就是变位剪接。来自同一个基因的mRNA前体由于变位剪接而产生多种mRNA，翻译出不同的蛋白质或形成一组相似的蛋白质家族，称为同源蛋白质（isoform）。,大鼠降钙素基因的变位剪接（仿Peter J.RussellGenetics,2001）,反式剪接:,是以两个不同来源的mRNA前体分子为底物，经过剪接，在成熟的mRNA 5非
23、翻译区拼接上一小段称为剪接前导序列（spliced learder,SL）或小外显子（mini-exon）的RNA片段。,RNA编辑：是指mRNA在转录后，经过插入、缺失或核苷酸的替换等修饰过程，改变了DNA模板来源的遗传信息，从而翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质的现象。RNA编辑不仅扩大了遗传信息量，也可能是生物适应的一种保护措施。,小结 基因表达是指基因组中特定基因上所携带的遗传信息，通过转录、转录后加工、翻译和翻译后加工而产生其特定氨基酸序列的蛋白质产物，或通过转录和转录后加工直接产生其RNA产物而发挥特定生物功能的复杂生物过程。基因表达调控是指在机体内外环境的影响下，通过各种元件来实现
24、对基因的启动、关闭、活性的增加或减弱等进行调节控制的过程。,原核生物的基因是连续编码的一段DNA序列。真核生物的基因一般是断裂基因，由若干个外显子和内含子组成。操纵子是原核生物所特有的基因组织形式。基因家族是真核生物中一些基因的组织形式。,转录是以DNA为模板，在依赖于DNA的RNA聚合酶的催化下，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程。转录过程包括起始、RNA链的延伸和终止三个步骤。翻译是蛋白质的生物合成过程，mRNA与蛋白质之间的联系是通过遗传密码实现的。翻译的过程分成起始、肽链的延伸和终止三个连续阶段。,原核基因转录水平调控的主要形式是操纵子。原核生物翻译水平调控主要有大肠杆菌核糖体蛋白质合成的反馈调控和反义RNA调控等。真核生物基因表达调控是一个多水平的复杂过程，大体可以分为转录前、转录、转录后、翻译和翻译后调控五个层次。,
