第十三章基因结构与基因表达调控

2019年5月19日
感谢你来自百度文库观看
8
HGP主要任务及内容
2019年5月19日
感谢你的观看
9
•通过HGP获得的广泛基因组信息组成了结构基 因组学的基本内容，是开展功能基因组学的 研究的基础；同时为详尽研究每一个单基因 遗传病提供“平台”，并将成为复杂的多基 因遗传病研究的发端
2019年5月19日
感谢你的观看
调控基因 控制位点
I
PO
结构基因
Z
YA
阻 遏 蛋 白
cAMP-CAP 结合位点
启操 动纵 序序 列列
半 乳 糖 苷
RNA聚合酶 酶
结合位点
β
2019年5月19日
感谢你的观看
通乙 透酰 酶基
转
移 酶
DNA
43
细菌代谢酶的诱导
葡萄糖
细菌合成代谢葡萄糖的酶类
乳糖
2019年5月19日
细菌合成代谢乳糖的酶类
2019年5月19日
感谢你的观看
16
*疾病相关基因的鉴定
（一）检测人类基因变异或突变 （二）疾病时基因组差异表达分析 （三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆
2019年5月19日
感谢你的观看
17
寡核苷酸杂交分析 SNP和等位基因特异 寡核苷酸杂交
2019年5月19日
感谢你的观看
18
DNA芯片检测的差异表达谱
(相应蛋白质降低)
促进
正调控:调控蛋白+DNA序列
基因的表达
(相应蛋白质增加)
2019年5月19日
感谢你的观看
39
第一节 原核生物基因表达的调控
• 方式 • 特点
• 正调控 • 负调控 • 转录翻译偶联 • 快速
• 调控机制 --操纵子
• 乳糖操纵子 --负、正调控 转录起始的调控
• 色氨酸操纵子--负调控 转录起始、终止的调控
第十三章
基因结构与基因表达调控
Gene Structure and Expression
生化教研室：牛永东
2019年5月19日
感谢你的观看
1
第一节 基因与人类基因组计划
Gene and Human genome project, HGP
2019年5月19日
感谢你的观看
2
一、基因组及表达的概念
* 基因组(genome) 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或
6
*结构基因组学
•结构基因组学(structural genomics)是通过 HGP的实施来完成的。
•HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和 物理图，最终完成人类和其它重要模式生物 全部基因组DNA序列测定，因此HGP属于结构 基因组学范畴。
2019年5月19日
感谢你的观看
7
HGP包括： （一）物理制图 （二）遗传制图 （三）基因组DNA序列测定 （四）创建计算机分析管理系统
指的是反式作用因子与顺式作用元件之 间的特异识别及结合。通常是非共价结合， 被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全 对称结构
绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过 蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer) 或多聚体(polymer)
2019年5月19日
感谢你的观看
37
3. RNA聚合酶
10
*功能基因组学
•完成一个生物体全部基因组测序后即进 入后基因组测序阶段——详尽分析序列， 描述基因组所有基因的功能，包括研究 基因的表达及其调控模式，这就是功能 基因组学（functional genomics）
2019年5月19日
感谢你的观看
11
主要具体内容包括以下方面
（一）鉴定DNA序列中的基因 （二）同源搜索设计基因功能 （三）实验性设计基因功能 （四）描述基因表达模式
是RNA聚合酶结合并启动转录 的特异DNA序列。
-10区
RNA转录起始
N17 TTAACT
N7
A
N16 TATGAT
N7
A
lac
TTTACA
N17 TATGTT
N6
A
recA TTGATA
N16 TATAAT
N7
A
Ara BAD CTGACG
N16 TACTGT
N6
A
TTGACA
2019年5月19日
2019年5月19日
感谢你的观看
19
*基因组学与肿瘤病因学 *基因组学与流行病病因学 *基因组学与医学伦理、法律和社会问题
2019年5月19日
感谢你的观看
20
三、基因表达的时间性及空间性
（一）时间特异性
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，称之为基因表达的时间 特异性(temporal specificity)。
DNA B
转录起始点
A
编码序列
不同真核生物的顺式作用元件中也会发现
一些共有序列 ，如TATA盒、CAAT盒等，这些
共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合
位点
2019年5月19日
感谢你的观看
34
2) 真核基因的调节蛋白
反式作用因子(trans-acting factor)
由某一基因表达产生的蛋白质因子， 通过与另一基因的特异的顺式作用元件相 互作用，调节其表达。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性(stage specificity)。
2019年5月19日
感谢你的观看
21
（二）空间特异性
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，称之为基因表达的 空间特异性(spatial specificity)
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分 布差异，实际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 (cell or tissue specificity)
• 结构特点 • 具有四级结构的蛋白质 • 具有4个相同亚基
• 每个亚基中都有一与诱导剂结合的 位点
• Lac阻遏物与O基因结合： • 调控机制 结构基因关闭
（负调控） • Lac阻遏物与诱导剂结合：
不与O基因结合，结构基因开放
RNA聚合酶结合，转录开始
2019年5月19日
感谢你的观看
46
Lac操纵子诱导剂
41
• 乳糖操纵子的发现： 细菌以葡萄糖为能量来源 葡萄糖充分时：
与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达 与其他糖代谢有关的酶基因---关闭 葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）： 与乳糖代谢有关的酶基因 ---表达 与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭
2019年5月19日
感谢你的观看
42
（一）乳糖操纵子（lactose opron） 结构
整套基因。
* 基因表达(gene expression)
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。
基因表达是受调控的
2019年5月19日
感谢你的观看
3
基因组学
Genomics
2019年5月19日
感谢你的观看
4
基因组学概念
基因组学(genomics) 就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及
2019年5月19日
感谢你的观看
24
（二）诱导和阻遏表达
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，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)。
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水平 降低的过程称为阻遏(repression)
感谢你的观看
44
β
细菌对乳糖的利用及其相关的酶:
半
乳糖 (在通透酶作用下进入细菌）
乳
β半乳糖苷酶
糖 苷
（细菌中少量存在）
酶
别位乳糖
（ 细
β半乳糖苷酶
菌 中
（细菌中少量存在）
少 量
葡萄糖+半乳糖
存
在
）
转乙酰基酶--功能未详
2019年5月19日
感谢你的观看
45
（二）Lac阻遏物的作用---负调控
• Lac阻遏物 • 由基因I编码生成的蛋白质
翻译过程 （三）蛋白质水平 翻译后加工
2019年5月19日
感蛋谢你的白观看质的稳定性
27
二、基因转录激活调节基本要素
1. 特异的DNA序列 如启动序列，操纵序列，Pribnow盒，GC序列等
2. 调节蛋白 如阻遏蛋白，激活蛋白，CAP，转录因子等
3.DNA-蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用 改变DNA的结构和RNA聚合酶的功能
TATAAT
感谢你的观看
共有序列
30
共有序列(consensus sequence) 决定启 动序列的转录活性大小
某些特异因子（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
2019年5月19日
感谢你的观看
31
2 操纵序列 ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点
当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍 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。
这种调节作用称为反式作用
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
2019年5月19日
感谢你的观看
35
DNA
mRNA 蛋白质A
C
a
A c
顺式调节
2019年5月19日
C
感谢你的观看
反式调节
A
B
DNA mRNA
蛋白质C
36
2. DNA - 蛋白质 的相互作用 蛋白质-蛋白质
计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基 因组结构及功能。
2019年5月19日
感谢你的观看
5
基因组学包括： 结构基因组学(structural genomics) 功能基因组学(functional genomics) 比较基因组学(comparative genomics)
2019年5月19日
感谢你的观看
启动po序l 列 操阻纵遏序蛋白列 编码序列
2019年5月19日
感谢你的观看
32
3) 其他调节序列、调节蛋白
例如 激活蛋白(activator)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聚合酶活性
2019年5月19日
感谢你的观看
33
真核生物
1) 顺式作用元件(cis-acting element) ——可影响自身基因表达活性的DNA序列
2019年5月19日
感谢你的观看
40
一、乳糖操纵子(lactose operon)
• 操纵子（operon）：
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（DNA序列）. 一个操纵子 =编码序列（2-6）
+启动序列+操纵序列+(其他调节序列)
2019年5月19日
感谢你的观看
2019年5月19日
感谢你的观看
12
功能基因组学研究策略及主要内容
2019年5月19日
感谢你的观看
13
*比较基因组学
比较基因组学(comparative genomics) 涉及比较不同物种的整个基因组，以便深入 理解每个基因组的功能和进化关系。
2019年5月19日
感谢你的观看
14
二.基因组学与医学关系
The Relation between Genomics and Medicine
2019年5月19日
感谢你的观看
15
*基因病的概念
以基因组学为基础，从疾病和健康的角 度考虑，人类疾病大多直接或间接地与基因 相关，故有“基因病”概念产生。根据这一 概念，人类疾病大致分为三类：
（一）单基因病 （二）多基因病 （三）获得性基因病
⑴ 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶 活性
RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。
⑵ 调节蛋白与RNA聚合酶活性
一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表 达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互 作用影响RNA聚合酶活性。
2019年5月19日
感谢你的观看
38
• 基因表达的调控方式:
阻遏
负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
2019年5月19日
感谢你的观看
22
四、基因表达的方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
（一）组成性表达
某些基因在一个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)
2019年5月19日
感谢你的观看
23
无论表达水平高低，管家基因较少受环境 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。区 别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基 因表达(constitutive gene expression)
4.RNA聚合酶
2019年5月19日
感谢你的观看
28
原核生物
—— 操纵子(operon) 机制
启动序列 (promoter)
编码序列
其他调节序列
操纵序列 (operator)
蛋白质因子
特异DNA序列
2019年5月19日
感谢你的观看
29
1) 启动序列
-35区
trp TTGACA
tRNATyr TTTACA
2019年5月19日
感谢你的观看
25
五、基因表达调控的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖 （二）维持个体发育与分化
2019年5月19日
感谢你的观看
26
基因表达调控的基本原理
一、基因表达的多级调控
（一）DNA水平
基因丢失； 基因扩增 基因重排；甲基化修饰 染色质的结构状态
（二）RNA水平
转录水平调控 RNA的转录后加工 mRNA从核内向胞浆转运 mRNA稳定性