基因表达控制PPT讲稿.ppt

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1、第1页，共57页，编辑于2022年，星期六第一节第一节 概述概述 一、基因表达的概念一、基因表达的概念 1 1、基因（、基因（genegene）：从遗传学讲，基因就是遗传的基本单位）：从遗传学讲，基因就是遗传的基本单位或单元，具有编码或单元，具有编码RNARNA或多数情况下编码多肽功能的信息单位。或多数情况下编码多肽功能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗传信息的从分子生物学看，基因是负载特定遗传信息的DNADNA分子片段分子片段 2 2、基因表达、基因表达(gene expression)(gene expression)：基因表达就是基因转录：基因表达就是基因转录及翻译的过程。在一

2、定调节机制控制下，大多数基因经历基及翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型；白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型；rRNArRNA、tRNAtRNA编码基因转录生成相应编码基因转录生成相应RNARNA的过程也属于基因表达的过程也属于基因表达 第2页，共57页，编辑于2022年，星期六二、基因表达的规律（特点）及方式二、基因表达的规律（特点）及方式 1 1、基因表达的规律（特点）：时、空特异、基因表达的规律（特点）：时、空特异 1

3、.1 1.1 时间特异性时间特异性(temporal specificity(temporal specificity，阶段特异性，阶段特异性stage stage specificity)specificity)：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定：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段的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性特异性 1.2 1.2 空间特异性空间特异性(special specificity(special specificity，细胞或组织，细胞或组织特异性（特异性（tissue speci

4、ficitytissue specificity）：在个体生长全过程，）：在个体生长全过程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现。某种基因产物按不同组织空间顺序出现。第3页，共57页，编辑于2022年，星期六 2 2、基因表达的方式、基因表达的方式 2.1 2.1 组成性表达组成性表达(constitutive gene expression)(constitutive gene expression)管家基因管家基因(housekeeping gene)(housekeeping gene)：在生物个体的几乎所有：在生物个体的几乎所有细胞中持续表达，其表达产物对生命全过程都是必需的或必细胞中持

5、续表达，其表达产物对生命全过程都是必需的或必不可少的基因不可少的基因组成性基因表达（基本的基因表达）：管家基因的表达，组成性基因表达（基本的基因表达）：管家基因的表达，它只受启动子与它只受启动子与RNARNA聚合酶相互作用的影响聚合酶相互作用的影响 2.2 2.2 诱导诱导(induction)(induction)和阻遏和阻遏(repression)(repression)表达表达诱导：在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达诱导：在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，该现象称为诱导。相应基因称为可诱导的基因。产物增加，该现象称为诱导。相应基因称为可诱导的基因。第

6、4页，共57页，编辑于2022年，星期六 阻遏：基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为可阻遏阻遏：基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为可阻遏的基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏的基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与RNARNA聚合酶相互聚合酶相互作用的影响外，尚受其它机制调节（如：增强子）作用的影响外，尚受其它机制调节（如：增强子）2.3 2.3 协调调节（协调调节（coordinate regulationcoordinate regulation）在一定机制控制下，机能上相关的一组基因，无论

7、其为何在一定机制控制下，机能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达。这种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达。这种调节称为协调调节种调节称为协调调节第5页，共57页，编辑于2022年，星期六三、原核生物、真核生物基因表达调控的意义三、原核生物、真核生物基因表达调控的意义 1 1、适应环境、维持生长和增殖、适应环境、维持生长和增殖 2 2、维持个体发育与分化、维持个体发育与分化 四、基因表达调控的基本原理四、基因表达调控的基本原理 1 1、基因表达的多级调控：基因结构活化、转录起始、转录、基因表达的多级调控：基因结构活化、转录起始、转录后加工及载运

8、、翻译及翻译后加工，等后加工及载运、翻译及翻译后加工，等 转录起始是基因表达的基本控制点转录起始是基因表达的基本控制点 2 2、基因转录激活调节的基本要素（调控体系）、基因转录激活调节的基本要素（调控体系）2.1 2.1 特异特异DNADNA序列：操纵子（原核）、顺式作用元件（真序列：操纵子（原核）、顺式作用元件（真核）核）第6页，共57页，编辑于2022年，星期六 操丛子操丛子(operator)：原核生物中由原核生物中由2 2个以上的编码序列与个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组中成簇串启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成联组成的基因调控单位的基

9、因调控单位 顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）：）：可影响自身基因表可影响自身基因表达活性的达活性的DNADNA序列。包括启动子、增强子及沉默子等序列。包括启动子、增强子及沉默子等 2.2 2.2 调节蛋白调节蛋白原核基因调节蛋白都是一些原核基因调节蛋白都是一些DNADNA结合蛋白结合蛋白阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在 原核：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白原核：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白 真核：转录因子（主要为反式作用因子）真核：转录因子（主要为反式作用因子）第7页，共57页，编辑于2022年，星期六正性

10、调节机制在真核生物普遍存在正性调节机制在真核生物普遍存在 反式作用因子反式作用因子(transtrans-acting factor)-acting factor)：某一基因的编码：某一基因的编码产物，与其它基因的调节序列结合，调节其它基因的表达活产物，与其它基因的调节序列结合，调节其它基因的表达活性。大多数反式作用因子是性。大多数反式作用因子是DNADNA结合蛋白结合蛋白 3 3、转录调节的作用机理（基本形式）：、转录调节的作用机理（基本形式）：DNA-DNA-蛋白质、蛋白蛋白质、蛋白质质-蛋白质相互作用、蛋白质相互作用、RNARNA聚合酶活性调节聚合酶活性调节 3.1 DNA-3.1 DN

11、A-蛋白质相互作用：反式调节因子与顺式作用元件之蛋白质相互作用：反式调节因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合间的特异识别及结合这种结合通常是非共价结合这种结合通常是非共价结合多数调节蛋白结合多数调节蛋白结合DNADNA前需通过蛋白质前需通过蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用形成二聚体或多聚体形成二聚体或多聚体 第8页，共57页，编辑于2022年，星期六 3.2 3.2 蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结合蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结合DNADNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的DNADNA结合能力结合能力 3.3 RN

12、A 3.3 RNA聚合酶：转录激活调节最终由聚合酶：转录激活调节最终由RNARNA聚合酶活性体现聚合酶活性体现 五、原核与真核基因表达调控的区别五、原核与真核基因表达调控的区别 1 1、真核基因与原核基因的结构特点、真核基因与原核基因的结构特点 真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不连真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一条多续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一条多肽链）肽链）第9页，共57页，编辑于2022年，星期六 2 2、原核基因表达调控特点、原核基因表达调控特点 因子决定因子决定RNARNA聚合酶识别特异性聚合酶识别

13、特异性 操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调控单个操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调控单个启动基因的活性来完成协调表达启动基因的活性来完成协调表达 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导 3 3、真核基因表达调控特点、真核基因表达调控特点 活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结构活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结构变化、变化、DNADNA碱基修饰、组蛋白减少碱基修饰、组蛋白减少 正性调节占主导正性调节占主导 转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行 第10页，共57页，编辑于2022年，星期六转录后修饰、加工转录后

14、修饰、加工 RNA聚合酶有三种聚合酶有三种 第二节第二节 原核基因转录调节原核基因转录调节 一、乳糖操纵子（元）的调节机制一、乳糖操纵子（元）的调节机制 1、乳糖操纵子、乳糖操纵子(元元)的结构：的结构：I-CAP-P-O-Z-Y-A 结构基因：结构基因：Z、Y及及A，分别编码，分别编码-半乳糖苷酶、透酶和乙酰基半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶转移酶 控制序列：操纵序列控制序列：操纵序列O、启动序列、启动序列P、分解代谢物基因激活蛋白、分解代谢物基因激活蛋白(CAP，cAMP结合蛋白结合蛋白)结合位点结合位点 调节基因调节基因I：编码阻遏蛋白（与：编码阻遏蛋白（与O序列结合，关闭操纵子）序列结合

15、，关闭操纵子）第11页，共57页，编辑于2022年，星期六 2 2、阻遏蛋白的负性调节、阻遏蛋白的负性调节 诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来）诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来）机理：别乳糖与阻遏蛋白结合，促使阻遏蛋白从操纵机理：别乳糖与阻遏蛋白结合，促使阻遏蛋白从操纵序列脱离，诱导基因表达序列脱离，诱导基因表达 3 3、CAPCAP的正性调节的正性调节 正调节物：正调节物：cAMPcAMP。葡萄糖可促使。葡萄糖可促使cAMPcAMP浓度降低浓度降低 机理：机理：cAMPcAMP与与CAPCAP结合形成复合物，促使结合形成复合物，促使CAPCAP结合结合CAPCAP位点，位点，激活激活RNARNA聚

16、合酶聚合酶 4 4、协调调节、协调调节负性调节与负性调节与CAPCAP正性调节两种机制协调合作正性调节两种机制协调合作 功能相关基因协调合作，共同表达功能相关基因协调合作，共同表达二、其它操纵子二、其它操纵子第12页，共57页，编辑于2022年，星期六第三节第三节 真核基因表达调控真核基因表达调控 一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点 二、真核基因转录激活调节二、真核基因转录激活调节 1 1、顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子、顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子 启动子（启动子（promoterpromoter）：）：RNARNA聚合酶结合位点周围的一组转聚合酶结合位点周围的一组转

17、录控制组件，包括至少一个转录起始点及一个以上的机能录控制组件，包括至少一个转录起始点及一个以上的机能组件（组件（TATATATA盒、盒、GCGC盒、盒、CAATCAAT盒，等）盒，等）典型的启动子由典型的启动子由TATATATA盒及上游的盒及上游的CAATCAAT盒和盒和/或或GCGC盒组成盒组成 第13页，共57页，编辑于2022年，星期六增强子（增强子（enhancerenhancer）：远离转录起始点、决定基因的时）：远离转录起始点、决定基因的时空特异性表达、增强启动子转录活性的空特异性表达、增强启动子转录活性的DNADNA序列，它的作用序列，它的作用方式通常与方向、距离无关。增强子也是

18、由若干机能组件方式通常与方向、距离无关。增强子也是由若干机能组件增强体（增强体（enhansonenhanson）组成组成 有些机能组件既可在增强子、也可在启动子中出现有些机能组件既可在增强子、也可在启动子中出现 沉默子（沉默子（silencesilencer r）：结合特异蛋白因子时对基因转录起阻）：结合特异蛋白因子时对基因转录起阻遏作用遏作用 第14页，共57页，编辑于2022年，星期六 2 2、反式作用因子：基本因子、特异因子、反式作用因子：基本因子、特异因子 2.1 2.1 基本转录因子：是基本转录因子：是RNARNA聚合酶结合启动子所必需的聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子一组蛋白

19、因子,决定三种决定三种RNARNA转录的类别。转录的类别。TFDTFD是通用的基本因子是通用的基本因子 多数基本因子是不同多数基本因子是不同RNARNA聚合酶所特有的聚合酶所特有的 2.2 2.2 特异转录因子：为个别基因转录所必需，决定该基因的特异转录因子：为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达时间、空间特异性表达 3 3、转录因子结构：、转录因子结构：DNADNA结构域、二聚化结构域、转录激结构域、二聚化结构域、转录激活区活区 第15页，共57页，编辑于2022年，星期六Common patterns of regulation of transcription initi

20、ation 负性调节负性调节正性调节正性调节1、诱导表达、诱导表达2、阻遏表达、阻遏表达3、阻遏表达、阻遏表达4、诱导表达、诱导表达调控方式调控方式第16页，共57页，编辑于2022年，星期六基基因因表表达达第17页，共57页，编辑于2022年，星期六高等生物高等生物酵母酵母调控元件调控元件启动子的常启动子的常见组件见组件原核生物原核生物Consensus sequence for promoters that regulate the expression of genes involved in the heat-shock response in E.coli.Binding of RN

21、A polymerase to heat-shock promoters is mediated by a specialized subunit of the enzyme called 32,which replaces 70第18页，共57页，编辑于2022年，星期六An operon.Genes A,B,and C are transcribed on one polycistronic mRNA.Typical regulatory sequences include binding sites for proteins that either activate or repress

22、 transcription from the promoter操纵子结构操纵子结构激活蛋白结合位点激活蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点启动子启动子调控序列调控序列结构基因结构基因调控元件调控元件第19页，共57页，编辑于2022年，星期六调控蛋白调控蛋白第20页，共57页，编辑于2022年，星期六调控蛋白调控蛋白第21页，共57页，编辑于2022年，星期六调控蛋白调控蛋白第22页，共57页，编辑于2022年，星期六A space-filling representation of a CAP homodimer bound to DNA.Base pairs recognized

23、 by the protein are shown in green,and amino acid side chains that bind to these base pairs are shown in red.Note the bending of the DNA around the protein DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用A ribbon representation with subunits shown in white and light blue.The helix-turn-helix DNA-binding motif is shown in red.Bou

24、nd molecules of cAMP are shown in dark blue.CAP同源二聚体同源二聚体第23页，共57页，编辑于2022年，星期六The bacteriophage repressor bound to DNA.The two identical subunits of the dimeric protein are shown in gray and light blue.噬噬菌菌体体阻阻遏遏蛋蛋白白DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用第24页，共57页，编辑于2022年，星期六Two examples of specific amino acid-base pa

25、ir interactions that have been observed in the structures of DNA-bound regulatory proteinsDNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用第25页，共57页，编辑于2022年，星期六噬噬菌菌体体4 3 4阻阻遏遏蛋蛋白白the helix-turn-helix motif in each is shown in red and yellow.The red helices are the recognition helices DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用第26页，共57页，编辑于2022年，星期六调控机理调

26、控机理第27页，共57页，编辑于2022年，星期六1、抑制状态、抑制状态2、诱导状态、诱导状态一一、乳乳糖糖操操纵纵子子的的负负性性调调节节乳糖操纵子乳糖操纵子第28页，共57页，编辑于2022年，星期六乳糖操纵子的负性调控结构乳糖操纵子的负性调控结构.The bases shaded beige exhibit twofold(palindromic)symmetry about the axis indicated by the dashed line.乳糖操纵子乳糖操纵子第29页，共57页，编辑于2022年，星期六2、别乳糖的生成、别乳糖的生成诱诱导导物物的的结结构构1、丙基硫代半乳糖苷

27、、丙基硫代半乳糖苷乳糖操纵子乳糖操纵子第30页，共57页，编辑于2022年，星期六二、乳糖操纵子的正性调节二、乳糖操纵子的正性调节正性调控序列正性调控序列启动子结构启动子结构乳糖操纵子乳糖操纵子第31页，共57页，编辑于2022年，星期六正正性性调调控控乳糖操纵子乳糖操纵子第32页，共57页，编辑于2022年，星期六三、乳糖操纵子的协调调节三、乳糖操纵子的协调调节1、只有正性诱导物、只有正性诱导物2、同时有正、负性诱导物、同时有正、负性诱导物3、无正、负性诱导物、无正、负性诱导物4、只有负性诱导物、只有负性诱导物乳糖操纵子乳糖操纵子第33页，共57页，编辑于2022年，星期六色色氨氨酸酸操操纵

28、纵子子第34页，共57页，编辑于2022年，星期六色氨酸操纵子色氨酸操纵子阻阻遏遏蛋蛋白白结结构构第35页，共57页，编辑于2022年，星期六色氨酸操纵子的前导序列色氨酸操纵子的前导序列色氨酸操纵子色氨酸操纵子第36页，共57页，编辑于2022年，星期六前导序列的配对方式前导序列的配对方式色氨酸操纵子色氨酸操纵子第37页，共57页，编辑于2022年，星期六色色氨氨酸酸操操纵纵子子的的衰衰减减机机理理1、Trp浓度高时衰减浓度高时衰减2、Trp浓度低时转录浓度低时转录第38页，共57页，编辑于2022年，星期六阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子第39页，共57页，编辑于2022年，星期六阿阿拉拉伯伯糖

29、糖操操纵纵子子第40页，共57页，编辑于2022年，星期六噬菌体操纵子噬菌体操纵子第41页，共57页，编辑于2022年，星期六其其它它操操纵纵子子类类型型第42页，共57页，编辑于2022年，星期六The SOS response in E.coli.The LexA protein is the repressor in this system,with an operator site(indicated in red)near each gene.(a)The recA gene is not entirely repressed by the LexA repressor,and ab

30、out 1,000 RecA protein monomers are normally found in the cell.(b)When DNA is extensively damaged(e.g.,by UV light),DNA replication is halted and the number of single-strand gaps in the DNA increases.(c)RecA protein binds to this single-stranded DNA,activating the proteins coprotease activity.(d)Whi

31、le bound to DNA the RecA protein facilitates the cleavage and inactivation of the LexA repressor.When the repressor is inactivated,the SOS genes,including recA,are induced.RecA protein levels increase 50-to 100-fold SOS反应反应第43页，共57页，编辑于2022年，星期六SOS反应反应第44页，共57页，编辑于2022年，星期六细细菌菌鞭鞭毛毛蛋蛋白白重重组组第45页，共57页，

32、编辑于2022年，星期六 A leucine zipper from the yeast activator protein GCN4.The helices are shown in white and light blue.The interacting Leu residues are shown in red a n d p u r p l e.一一、亮亮氨氨酸酸拉拉链链（Leucine zippers）闭合拉链闭合拉链开放拉链开放拉链拉链全貌拉链全貌反式作用因子反式作用因子第46页，共57页，编辑于2022年，星期六亮亮氨氨酸酸拉拉链链反式作用因子反式作用因子第47页，共57页，编辑

33、于2022年，星期六碱碱性性螺螺旋旋反式作用因子反式作用因子第48页，共57页，编辑于2022年，星期六锌锌指指结结构构反式作用因子反式作用因子第49页，共57页，编辑于2022年，星期六(a)A ribbon representation of a single zinc finger derived from the regulatory protein Zif 268.The zinc atom is in orange and the amino acid residues that coordinate it(two His and two Cys)are shown in red.

34、锌锌指指结结构构(b)Three zinc fingers(light blue and gray)from Zif 268 are shown complexed with DNA.The zinc atoms are again shown in orange.反式作用因子反式作用因子第50页，共57页，编辑于2022年，星期六真核基因表达调控真核基因表达调控第51页，共57页，编辑于2022年，星期六(a)Typical eukaryotic transcriptional activators that affect RNA polymerase II.TFIID is a gener

35、al transcription factor.CTFI,GAL4,and Spl are transcriptional activators that bind to specific DNA sites.PPP:proline-rich;-:acidic;QQQ:glutamine-rich.Some or all of these proteins may activate transcription via intermediary proteins called coactivators.(b)A chimeric protein with the DNA-binding doma

36、in of Spl and the activation domain of CTFI activates transcription if a GC box is present.真核基因表达调控真核基因表达调控第52页，共57页，编辑于2022年，星期六个体发育与分化个体发育与分化The life cycle of the fruit fly Drosophila melanogaster 第53页，共57页，编辑于2022年，星期六果果蝇蝇幼幼虫虫（蛹蛹）最最早早期期只只有有一一组组“母母亲亲效效应应基基因因”表表达达，使使受受精精卵卵发发生生头头尾尾轴轴 和和 背背 腹腹 轴轴 固固

37、定定 三组三组“分节分节基因基因”顺序顺序表达、控制表达、控制蛹的蛹的“分节分节”发育过程，发育过程，最后这些最后这些“节节”分别发分别发育为成虫的育为成虫的头、胸、翅头、胸、翅膀、肢体、膀、肢体、腹及尾等腹及尾等 个体发育与分化个体发育与分化第54页，共57页，编辑于2022年，星期六A micrograph of an immunologically stained Drosophila egg,showing distribution of the bicoid(bcd)gene product.The graph measures stain intensity.This distri

38、bution is essential for normal development of the anterior structures of the animal.If the bcd gene is not expressed,the resulting embryo has two posteriors,as shown 个体发育与分化个体发育与分化第55页，共57页，编辑于2022年，星期六The effects of mutations in homeotic genes.(a)Normal Drosophila head.(b)Drosophila homeotic mutant

39、(Antennapaedia)in which antennae are replaced by legs.(c)Normal Drosophilcz body structure.(d)Homeotic mutant(Bithorax)in which a segment has developed incorrectly to produce an extra set of wings.个体发育与分化个体发育与分化第56页，共57页，编辑于2022年，星期六DNADNA结构域：锌指（结构域：锌指（zinc fingerzinc finger）、碱性）、碱性螺旋螺旋（basic helixb

40、asic helix）、碱性亮氨酸拉链（）、碱性亮氨酸拉链（basic leucine basic leucine zipper,bZIPzipper,bZIP）、碱性螺旋）、碱性螺旋-环环-螺旋（螺旋（basic helix-basic helix-loop-helix,bHLHloop-helix,bHLH）二聚体结构域：亮氨酸拉链、螺旋二聚体结构域：亮氨酸拉链、螺旋-环环-螺旋螺旋 转录激活区：酸性激活域、转录激活区：酸性激活域、GlnGln富含域、富含域、ProPro富含域富含域 4 4、mRNAmRNA转录激活及其调节转录激活及其调节 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 TFIIDTFIID是唯一具有位点特异的是唯一具有位点特异的DNADNA结合能力的因子结合能力的因子第57页，共57页，编辑于2022年，星期六