基因表达与基因表达调控PPT
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分子生物学课件 第9章 原核生物基因调控
C蛋白与Ara结合成C-Ara复合物是Ci型诱导蛋白，
结合araI时，araI作为正控制的元件，促进araBAD 基 因的表达 。
34
9.7 翻译水平的调控
9.7.1反义RNA的调控
聂理
35
反义RNA
反义RNA有多种符号 = antisense RNA = -RNA = stRNA(small temporal RNA) = micRNA（ mRNA-interfering complementary RNA） 即 干扰和抑制mRNA翻译的互补RNA片段
为诱导物开启lac操纵子结构基因……。
17
9.4.2乳糖操纵子正控制机理
CRP：cyclic AMP receptor protein， =“cAMP受体蛋白”， =“降解物基因活化蛋白（CAP）” ①当环境中有葡糖时： 抑制cAMP 产生，纯CAP是失活态蛋白。 ②当环境中无葡糖时： 有利于 cAMP 产生和cAMP-CAP形成。
22
9.5.2 衰减子
衰减子也叫弱化子
attenuator
聂理
23
9.5.2.1衰减子组成
trp操纵子前导区L，转录出RNA前导序列161nt。
1~26nt翻译的 SD序列区
27~71nt含14个氨基酸 密码的前导肽区
115~159nt衰减子区
具有终止子 结构特征
24
9.5.2.2衰减子调控机制
41
9.7.3 核开关 riboswitch
核开关也叫核糖开关。 是mRNA所形成的调节基因表达的结构。 在mRNA的非翻译区（5’-UTR,3’-UTR）， 与小分子效应物可逆结合而改变其结构， 根据构象特征信号来影响mRNA的表达， （如影响转录、翻译等） 从而达到调控基因开关的目的。
结合araI时，araI作为正控制的元件，促进araBAD 基 因的表达 。
34
9.7 翻译水平的调控
9.7.1反义RNA的调控
聂理
35
反义RNA
反义RNA有多种符号 = antisense RNA = -RNA = stRNA(small temporal RNA) = micRNA（ mRNA-interfering complementary RNA） 即 干扰和抑制mRNA翻译的互补RNA片段
为诱导物开启lac操纵子结构基因……。
17
9.4.2乳糖操纵子正控制机理
CRP：cyclic AMP receptor protein， =“cAMP受体蛋白”， =“降解物基因活化蛋白（CAP）” ①当环境中有葡糖时： 抑制cAMP 产生，纯CAP是失活态蛋白。 ②当环境中无葡糖时： 有利于 cAMP 产生和cAMP-CAP形成。
22
9.5.2 衰减子
衰减子也叫弱化子
attenuator
聂理
23
9.5.2.1衰减子组成
trp操纵子前导区L，转录出RNA前导序列161nt。
1~26nt翻译的 SD序列区
27~71nt含14个氨基酸 密码的前导肽区
115~159nt衰减子区
具有终止子 结构特征
24
9.5.2.2衰减子调控机制
41
9.7.3 核开关 riboswitch
核开关也叫核糖开关。 是mRNA所形成的调节基因表达的结构。 在mRNA的非翻译区（5’-UTR,3’-UTR）， 与小分子效应物可逆结合而改变其结构， 根据构象特征信号来影响mRNA的表达， （如影响转录、翻译等） 从而达到调控基因开关的目的。
生物化学》ppt课件14.第十四章-基因表达调控
操纵子(operon)是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。操纵子的本质是DNA序列。
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor) 。 ⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。 ⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。 ⑷编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，2~6个。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。
(二)基因表达的时间性及空间性
转录激活域
谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
蛋白质-蛋白质结合域 (二聚化结构域)
1.同源结构域
2.锌指
3.碱C
H
C
Cys
H
His
其他氨基酸
(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段 受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平 等均受调控。
2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的 转录起始复合物。
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor) 。 ⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。 ⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。 ⑷编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，2~6个。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。
(二)基因表达的时间性及空间性
转录激活域
谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
蛋白质-蛋白质结合域 (二聚化结构域)
1.同源结构域
2.锌指
3.碱C
H
C
Cys
H
His
其他氨基酸
(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段 受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平 等均受调控。
2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的 转录起始复合物。
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
真核生物的基因表达调控ppt(共59张PPT)
在转录水平上的基因表达调控
真核生物的蛋白质基因的转录除了启动子、RNA聚合酶II和基础转录因 子以外，还需要其它顺式作用元件和反式作用因子的参与。 参与基因表达调控的主要顺式作用元件有：增强子、沉默子、绝缘 子和各种反应元件；参与基因表达调控的反式作用因子也称为转录 因子，它们包括激活蛋白、辅激活蛋白、阻遏蛋白和辅阻遏蛋白。 激活蛋白与增强子结合激活基因的表达，而阻遏蛋白与沉默子结合 ，抑制基因的表达，某些转录因子既可以作为激活蛋白也可以作为 阻遏蛋白其作用，究竟是起何种作用取决于被调节的基因。辅激活 蛋白缺乏DNA结合位点，但它们能够通过蛋白质与蛋白质的相互作 用而行使功能，作用方式包括：招募其它转录因子和携带修饰酶（ 如激酶或乙酰基转移酶）到转录复合物而刺激激活蛋白的活性；辅 阻遏蛋白也缺乏DNA结合位点，但同样通过蛋白质与蛋白质的相互 作用而起作用，作用机理包括：掩盖激活蛋白的激活位点、作为负 别构效应物和携带去修饰酶去中和修饰酶（如磷酸酶或组蛋白去乙 酰基酶）的活性。
真核生物与原核生物在 调控机制上的主要差异
调控的原因：原核生物基因表达调节的目的是为了更有效 和更经济地对环境的变化做出反应，而多细胞真核生物基 因表达调节的主要目的是细胞分化，它需要在不同的生长 时期和不同的发育阶段具有不同的基因表达样式； 调控的层次：原核生物基因表达调控主要集中在转录水平 ，但真核生物基因表达的转录后水平调节与其在转录水平 上的调节各占“半壁江山”，而某些调控层次是真核生物特有 的，比如染色质水平、RNA后加工水平和mRNA运输等；
调控的手段：原核生物绝大多数的基因组织成操纵子，但真核 生物一般无操纵子结构。
在染色质水平上的基因调控
原核生物的DNA绝大多数处于完全暴露和可接近的状态，而真核生物 DNA大部分被遮挡并组织成染色质。因此，原核生物DNA转录的“默认 状态”是开放，其调控机制主要是通过阻遏蛋白进行的负调控，而真核生 物DNA转录的“默认状态”是关闭，其调控机制主要是通过激活蛋白进行 的正调控。 染色质的结构是一种动态可变的结构，其结构的变化能直接影响到基因 的表达。已有众多证据表明，一个基因在表达前后，其所在位置的染色 质结构会发生重塑或重建。由于染色质的组成单位是核小体，因此，染 色质结构的改变是从核小体的变化开始的，而核小体的变化是从组蛋白 的共价修饰和去修饰开始的。
教学课件第五章基因表达的调控Regulationandcontrolofgene
阿拉伯糖操纵子的基因结构图
操纵子由结构基因B、A、D以及调控元件I1、 I2、O1、O2和启动子构成。araC基因编码调 节蛋白AraC。
23
AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图
不存在阿拉伯糖时，AraC二聚体与O1、O2及I1 结合，二聚体间相互作用使DNA弯曲成环结构。
由于I2不被占据，B、A、D基因不发生转录，但
例:色氨酸操纵子表达的调控有两种方式: a.通过阻遏蛋白的负调控 b.通过衰减子作用
31
（2）转录衰减的调控
调节区
trpR RNA聚P合酶O
RNA聚合酶
Trp 低时
Trp 高时 Trp
140个核苷酸
结构基因
mRNA 6700个核苷酸
色氨酸操纵子
32
调节区
trpR
PO
前导序列
前导mRNA
1
2
结构基因
(constitutive gene expression)
基因较少受环境因素影响，而是在个 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。如管家基因。
5
（二）诱导和阻遏表达
诱导表达(induction expression)
在特定环境信号刺激下，有些基 因的表达表现为开放或增强。
阻遏表达(repression expression)
在特定环境信号刺激下，有些基因 的表达表现为关闭或下降。
6
协调表达(coordinance expression)
在一定机制下，功能相关的一组 基因，协调一致，共同表达。
7
四、基因表达的调控的概念
机体各种细胞中含有的相同遗传 信息(相同的结构基因)，根据机体的 不同发育阶段、不同的组织细胞及不 同的功能状态，选择性、程序性地表 达特定数量的特定基因的过程。
操纵子由结构基因B、A、D以及调控元件I1、 I2、O1、O2和启动子构成。araC基因编码调 节蛋白AraC。
23
AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图
不存在阿拉伯糖时，AraC二聚体与O1、O2及I1 结合，二聚体间相互作用使DNA弯曲成环结构。
由于I2不被占据，B、A、D基因不发生转录，但
例:色氨酸操纵子表达的调控有两种方式: a.通过阻遏蛋白的负调控 b.通过衰减子作用
31
（2）转录衰减的调控
调节区
trpR RNA聚P合酶O
RNA聚合酶
Trp 低时
Trp 高时 Trp
140个核苷酸
结构基因
mRNA 6700个核苷酸
色氨酸操纵子
32
调节区
trpR
PO
前导序列
前导mRNA
1
2
结构基因
(constitutive gene expression)
基因较少受环境因素影响，而是在个 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。如管家基因。
5
（二）诱导和阻遏表达
诱导表达(induction expression)
在特定环境信号刺激下，有些基 因的表达表现为开放或增强。
阻遏表达(repression expression)
在特定环境信号刺激下，有些基因 的表达表现为关闭或下降。
6
协调表达(coordinance expression)
在一定机制下，功能相关的一组 基因，协调一致，共同表达。
7
四、基因表达的调控的概念
机体各种细胞中含有的相同遗传 信息(相同的结构基因)，根据机体的 不同发育阶段、不同的组织细胞及不 同的功能状态，选择性、程序性地表 达特定数量的特定基因的过程。
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25.01.2021
24
二、蛋白质的生物合成——翻译
以特定核苷酸序列的mRNA为模板，合成相应 氨基酸序列的多肽链，即将带有遗传信息的核苷 酸顺序转换为氨基酸顺序的过程
组成蛋白质的氨基酸由其特定的tRNA携带和 转运，在核蛋白体上按照模板mRNA所提供的编 码信息合成具有特定序列的多肽链
25.01.2021
线粒体RNAs
不敏感
25.01.2021
11
(二)转录的过程 1. 起始
●原核细胞 ●真核细胞
RNA聚合酶与启动子相互作用
RNA聚合酶、反式作用因子与顺 式元件相互作用——拼板理论
25.01.2021
12
原核生物启动子
TTGACA
5’ DNA 3’
-35区
Pribnow box
Start of transcription
15bp
TATAAT
10bp
RNA polymerase
-10区
3’ 5’ +1
25.01.2021
13
真核生物启动子
GC box
GCGC
5’ 3’ DNA
CAAT box
CCAAT
-70区
TATA box
Hogness box
Start of transcription
TATA
10bp
3’
-25区
25.01.2021
22
●RNA编辑 （RNA editing）
RNA编辑是对mRNA前 体的序列进行的改编，在 mRNA前体分子的碱基序列 中 C被U取代，A被G取代， 使成熟mRNA的序列与基因 组DNA序列不同
25.01.2021
23
3. 真核生物成熟mRNA的运输
信使核糖核蛋白颗粒(mRNP) 成熟mRNA＋蛋白质→细胞核→细胞质
27
● 模板 mRNA
mRNA是翻译的直接模板 mRNA的寿命一般较短
5’ +1
RNA polymerase
25.01.2021
14
2.延伸 ●原核细胞
核心酶催化
●真核细胞
磷酸化的RNA聚合酶催 化，核小体解聚
25.01.2021
15
3. 终止
●原核细胞
依赖ρ因子
结合富含C的RNA区段，发 挥ATP酶及解螺旋酶活性
不依赖ρ因子
●真核细胞
RNA 3‘ 端形成茎环结构
25
(一) 翻译的体系 (二) 翻译的基本过程 (三) 肽链翻译后的加工修饰 (四) 蛋白质的分拣与转运
25.01.2021
26
(一) 翻译的体系
●模板
mRNA
●氨基酸运输 ●肽链合成场所 ●蛋白质因子 ●原料
tRNA 核糖体（rRNA+蛋白质） 起始、延长、终止因子 20种有遗传密码的氨基酸
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核酸酶
真核基因3’
切除3’尾
poly(A)
3’-OH引入
端AATAA
10—25碱基 100-200bp A
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20
●剪接（splicing）
由小分子细胞核内核蛋白颗粒（snRNP） 去除核不均一RNA（hnRNA）中的内含子 转录序列
25.01.2021
21
选择性剪接
通过不同剪接方式选择性使用外显子，合成功 能不同而结构只有微小差异的蛋白质
转录终止的修饰点处切离并加尾
25.01.2021
16
ρ因子和RNA转录产物结合RNA聚合酶构象改变引起转录终止
DNA
RNA-pol
3´
RNA
polyC
5’
ρ
25.01.2021
17
（三）转录后加工
1. 原核细胞和真核细胞的差异
●原核细胞
tRNA和rRNA需加工，mRNA不需加工
●真核细胞
tRNA、rRNA和mRNA均需加工
第五章
基因表达与基因表达调控
25.01.2021
1
第一节 基因表达的过程和特点 第二节 环境对基因表达的影响 第三节 原核生物基因表达的调控 第四节 真核生物基因表达的调控 第五节 基因表达调控异常与疾病
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2
基因表达（gene expression）
是指基因所贮存的遗传信息通过转录 （transcription）和翻译（translation） 产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程
β
σ 识别转录起始点
αα
决定被转录的基因
核心酶
β’ α
βα
10
真核生物的RNA聚合酶
种类
细胞内定位
转录产物
对抑制剂鹅膏 蕈碱反应
RNA-pol I RNA-pol II
核仁 核质
45S-rRNA hnRNA
不敏感 低浓度敏感
RNA-pol III 核质 Mt RNA-pol 线粒体
5S-rRNA,tRNA,snRNA 高浓度敏感
25.01.2021
6
一、基因的转录
● 定义 转录是以DNA为模板合成RNA的过程
● 转录产物 mRNA、tRNA、rRNA、小分子RNA
25.01.2021
7
（一）基因转录的基本方式
1. 转录的体系
模板 原料
DNA ATP、CTP、GTP、UTP
RNA聚合酶
25.01.2021
● 原核细胞 全酶（holoenzyme）α2ββ'σ ●真核细胞 RNA聚合酶I
25.01.2021
18
2. 真核生物mRNA的转录后加工
● 5'端加帽
转录未终止时加入m7G5'ppp，与稳
定mRNA及翻译起始有关
磷酸酶
5’pppG…
ppi
pppG pi
5’pG…
5’GpppG…
CH3 甲基化酶
mGpppG…
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●3'端加尾
加尾信号处切离,并加poly (A)，与稳 定mRNA及翻译效率有关
A-T,G-C
A-U,C-A,G-C
5
复制和转录的比较
类似点 多核苷酸链的合成方向都是5’—3’ 在3’-OH末端与加入的核苷酸形成磷酸二酯键
不同点 对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因， 而且每个基因的转录都受到相对独立的控制 转录是不对称的 转录时不需要引物 RNA链的合成是连续的
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3
第一节 基因表达的过程和特点
一、基因的转录—RNA的合成 二、蛋白质的生物合成—翻译
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模板 原料 酶 产物 配对
25.01.2021
复制和转录的区别
复制
转录
两股链均复制 dNTP
模板链转录 NTP
DNA聚合酶
RNA聚合酶
子代双链DNA mRNA, tRNA, rRNA
RNA聚合酶II RNA聚合酶III
8
RNA合成链
5’ 3’
结构基因
3’ 5’
编码链，反意义链，Crick 链
25.01.2021
9
E.coli RNA聚合酶全酶 (holoenzyme) 的结构
25.01.2021
β’ 结合DNA模板
与转录全过程有关