基因表达调控

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⑤ 基因表达调控是多层次的复杂调节
无论原核生物还是真核生物，基因表达的调控都体现在 基因表达的全过程中。
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二、 原核生物基因表达特点
Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes 1. 操纵子是原核生物的基因转录单元 2. mRNA的转录、翻译和降解偶联进行
1. 转录调控是以特定的DNA序列和蛋白质结构为基础 2. 特定蛋白质与DNA结合后控制转录起始 3. 乳糖操纵子调控模式
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基因表达：
•RNA的合成(转录)与加工 •蛋白质的合成(翻译)与加工 By 调节和控制
•蛋白质与核酸的相互作用
•RNA聚合酶、转录因子——DNA •核糖体、起始因子、终止因子——mRNA 调节的分子机制： •蛋白质——核酸、蛋白质——蛋白质，相互作用
激活蛋白（正调控蛋白）：对基因表达有激活作用 阻遏蛋白：对基因表达有抑制作用 最常见的DNA结合域：
锌指(zinc finger)
螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH）
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2. 特定蛋白质与DNA结合后控制转录起始
• 因子和启动子决定转录是否能够起始
亚基 分子量 36512 150618 155613 70263 功 能 决定哪些基因被转录 催化功能 结合DNA模板 辨认起始点
RNA聚合酶移动方向：35 RNA聚合酶全酶覆盖的区域-40+20， 因子识别并结合-35区和-10区。
因子是一个家族： •与核心酶组成全酶后，才能结合启动子 •不同因子可以竞争结合RNA聚合酶 •环境变化可诱导产生特定的因子 •不同因子由各自基因编码
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Prokaryotic cell
Eukaryotic cell
都有一套准确的调节基因表达和蛋白质合成的机制 不同生物使用不同的信号来指挥基因调控： 营养状况 （nutritional status） 环境因素 （environmental factor） 激素水平 （hormone level） 发育阶段 （developmental stage ） LOGO
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④ 蛋白质-DNA及蛋白质-蛋白质的相互作用 是基因表达调控的分子基础

作为反式作用因子的调节蛋白具有特定的空间结构，通
过特异性地识别某些DNA序列与顺式作用元件发生相互 作用。

真核生物体系基因组结构复杂，首先形成蛋白质-蛋白质 复合物，再形成蛋白质-DNA复合物，参与基因表达的调 控。
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1. 基因（Gene）：
编码一个RNA或蛋白质所需的整个核苷酸序列
结构基因 调控基因
只转录不翻 译的基因
编码结构蛋白 编码调控蛋白
tRNA
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2. 基因组（Genome）：
一套完整单倍体的遗传物质的总和。
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② 诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的 普遍方式

组成性表达（constitutive expression）
管家基因(housekeeping gene)——参与生命的全过程， 基因表达的调控主
要是针对易受环境 在一个生物体的所有细胞中均持续表达的基因。
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1.转录调控是以特定的DNA序列和蛋白质结构为基础
• 顺式作用元件(cis-acting elements)
能被基因调节蛋白特异性识别和结合的DNA序列 在原核生物中： •启动子 •操纵元件（阻遏蛋白结合位点） •CAP蛋白结合位点（正调控蛋白结合位点） •增强子
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基因表达调控的基本规律
① 基因表达具有时空特异性； ② 诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普遍方式； ③ 基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节； ④ 蛋白质-DNA以及蛋白质-蛋白质的相互作用是基因表达 调控的分子基础； ⑤ 基因表达调控是多层次的复杂调节。
3. mRNA所携带的信息差别很大
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What is prokaryote?
• 大多数为单细胞生物
• 没有细胞核
• 没有膜包裹的细胞器
• 无性繁殖，二分裂或芽生
遗传物质水平转移
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1. 操纵子(operon)是原核生物的基因转录单元
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2. mRNA的转录、翻译和降解偶联进行
同一部位、同时进行。 •细菌的转录和翻译有相似的速率
37℃， •mRNA转录：40 nt/s ≈ 13 aa •蛋白质翻译：15 aa/s ≈ 45 nt
•细菌的翻译效率极高
•多点同时起始翻译
参与基因
表达调控？
•大多数细菌mRNA都非常不稳定
RNA pol
•细菌mRNA的平均半衰期约为2min •mRNA稳定性对其编码蛋白质的产量有影响
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3. mRNA所携带的信息差别很大
细菌mRNA： 单顺反子（一个结构基因，编码一个蛋白质），少数； 多顺反子 • 多个结构基因串联在一起 • 结构基因之间有长短不同的间隔序列 • 每个结构基因有自己的核糖体结合位点
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① 基因表达具有时空特异性

基因表达的时间特异性（阶段特异性）
根据生长、分化和发育等功能的需要，随着环境的 变化，特定基因按照一定的时间顺序先后表达。

基因表达的空间特异性（组织特异性）
不同的组织或器官中，基因表达的种类和表达水平 不同。
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P
O
阻遏蛋白的结合位点：
•操纵元件 (operator)
•紧邻启动子下游
•甚至部分序列与启动子重叠
•对RNA聚合酶可形成 空间阻碍
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• 激活蛋白结合正调控元件对转录起始进行正调控
正调控方式：
•结合启动子邻近序列
共有序列 -35 -10 +1
-----TGTGA--------TCACT--GTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG-
启动子是最重要的顺式作用元件
是RNA聚合酶特异性识别和结合的位点
操纵元件紧邻启动子下游，与启动子部分重叠
是阻遏蛋白识别和结合的一小段DNA序列 LOGO
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• 基因特异性转录因子（gene specific transcription factors）
能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过 程有调控作用的蛋白质。
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③ 基因表达受顺式作用元件和反式作用因子 共同调节

顺式作用元件（cis-acting element）
存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的DNA序列。 包括：启动子、增强子及沉默子等。 作用：参与基因表达的调控。（不编码蛋白质）

反式作用因子（trans-acting factor）
能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序 列上、参与调控靶基因转录效率的蛋白质。 功能结构域：DNA结合结构域、转录活化结构域。
30nt 10nt 2nt
翻译一个特定顺反子的核糖体的数量取决于其 起始位点(SD序列)的效率
参与基因 表达调控？
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三、
原核生物基因表达的转录水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level
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原核生物基因表达调控
Regulation of prokaryotic gene expression
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Outline
一. 有关基因表达的几个概念
Section 1 Some Concepts
二. 原核生物基因表达特点
Central Dogma:
DNA
Transcription
RNA
Translation
Protein
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基因表达的过程：
• 基因活化（转录前） • 转录（起始，延伸，终止） • 转录后 • 翻译（起始，延伸，终止） • 翻译后 各个环节中都有基 因表达调控的控制 点（check point）
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4. 基因表达调控（Gene Expression Regulation） ：
生物体通过特定的蛋白质与DNA、蛋白质与
蛋白质之间的相互作用来控制基因是否表达，或
调解表达产物的多少以满足生物体的自身需求以
及环境变化的过程。
基因表达的种类和强度 细胞的分化状态和功能 了解动植物生长发育的规律、形态结构 特征和生物学功能
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差异基因表达（differential gene expression）
① 多细胞生物不同组织细胞中的基因组是相同的；
② 不同细胞表达不同基因； ③ 同一细胞不同的发育阶段，表达不同基因； ④ 同一种细胞中不同基因表达水平不同。

是同一个体内的不同器官、组织、细胞的差异性的基础。 多细胞生物进化的结果，是细胞活动分工的基础。
在原核生物体内，基因组是一条双链环状DNA。
在真核生物体中，基因组是指一套完整单倍体DNA(染色体 DNA)和线粒体DNA的全部序列。
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3. 基因表达（Gene Expression）：
生物基因组中基因经过转录或转录和翻译等 一系列过程，合成特定的RNA或蛋白质的过程。
了解因子相关基因表达 调控的规律可能有助于 更好地掌控原核基因的 表达调控
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阻遏基因 I
操纵基因 P O Lac Z
结构基因 Lac Y Lac A
• 阻遏蛋白结合操纵元件对转录起始进行负调控
RNA聚 阻遏蛋 合酶结 白结合 合位点 位点
阻遏蛋白
阻遏蛋白单体 阻遏蛋白四聚体
操纵子是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元， 调控序列控制结构基因的转录。
RNA聚合酶识别和结合 的部位 多个功能相关的结构基因串联， 受同一个控制区调节
启动子
(promoter)
结构基因 操纵序列
(operator)
阻遏蛋白基因
编码阻遏蛋白
阻遏蛋白识别和结合 的部位
参与基因 表达调控？
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影响的基因。 表达基本不受环境因素和其他因素的影响，这样的基
因表达方式称为组成性表达。

诱导与阻遏
在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或增强 性的表达，称其为诱导（induction）；另一些则表现出 关闭性或抑制性的表达，称其为阻遏（repression）。
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基因表达调控
Regulation of gene expression
吉林大学白求恩医学院 分子生物学教研室 杨光 讲师
Tel: 0431 - 85619369
2012-12-06
有关课程安排（理论课；实验课） 有关考核形式及时间
最后一次理论课（12月20日），开卷考试
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四. 原核生物基因表达的翻译水平调控
Section 4 Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Translation Level
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一、 有关基因表达的几个概念
1. 基因（Gene） 2. 基因组（Genome） 3. 基因表达（Gene Expression） 4. 基因表达调控（Gene Expression Regulation）
Section 2 Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes
三. 原核生物基因表达的转录水平调控
Section 3 Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level