基因表达调控2016-2课件
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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
《基因表达调控》PPT课件
区。
乳糖操纵子受到阻遏蛋白和CAP的双重调节
19
1、阻遏蛋白的负性调控 (a) 没有乳糖存在时
20
(b) 开始没有乳糖，再加入乳糖
21
2、CAP的正性调控
CAP与乳糖操纵子启动序列附近的CAP位点结 合，可刺激转录活性，提高转录效率。 CAP的活性依赖cAMP,cAMP水平与葡萄糖水平相关：
[葡萄糖]高时, cAMP水平低； [葡萄糖]缺乏时, cAMP水平高；
主要指具有调节功能的DNA序列. 原核生物主要是通过操纵子模型进行调控； 真核生物主要是通过顺式作用元件进行调控。
10
（2）调节蛋白----可以增强或抑制转录活性。 原核生物中的调节蛋白主要分为特异因子、激活蛋白和阻 遏蛋白。 真核生物中的调节蛋白通常称为转录调节因子或转录因子。
11
（3）DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用： 转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起
始进行调节。
DNA-蛋白质相互作用指反式调节因子与顺式作 用元件之间的特异识别与结合。
一些调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋 白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然 后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子 结合。
12
（4）RNA聚合酶： 对转录激活的调节最终是由RNA聚合酶活性体现
基因表达调控
(Regulation of Gene Expression)
李子博
1
第一节 概 述
2
一、基因表达是基因转录及翻译的过程
3
二、基因表达具有时间特异性和空间特异性
1、时间特异性
是指按功能需要，某一特定基因的表达严格 按照一定的时间顺序发生。
2、空间特异性
第十三章基因表达调控ppt课件
物关闭
2021/1/29
三、乳糖操纵子和色氨酸操纵子
2021/1/29
乳糖操纵子
• 操纵子的三个结构基因为-半乳糖苷酶 、-半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰转 移酶。
• 在无乳糖时，阻遏蛋白与O区结合，阻 止RNA聚合酶的转录
• 在有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合后， 改变了阻遏蛋白的结构，使其不能与O 区结合。
• 有一个调控成分。 • 是原核生物的转录单位。
2021/1/29
第一节、原核生物的操纵子调控模式
一、酶的诱导（enzyme induction） 二、操纵子（operon）的结构与功能 三、乳糖操纵子（Lac operon）与色氨
酸操纵子（Trp operon） 四、 cAMP对转录的调控 五、原核生物转录的整体调控模式
二、操纵子的结构与功能
Lac operon的启 动子 Plac的-10
Trp operon的启 动子Ptrp的-35
Ptac
2021/1/29
Ptac-17
二、操纵子的结构与功能
• 操纵基因是结合阻遏物的部位，位于启 动子和结构基因之间，可与启动子部分 重叠。是RNA聚合酶是否能通过的开关 。
• 无阻遏物时，O区开放让酶通过并转录 下游的结构基因
• 有阻遏物时酶就不能通过
2021/1/29
二、操纵子的结构与功能
• 阻遏物基因 ： 产生阻遏物，位于离操纵 子较远的上游区。
• 负调控：起调控作用的蛋白质分子抑制 转录
关闭的基因由代谢底物开放（诱导）-----阻遏物失活 开放的基因由代谢底物关闭（阻遏）-----阻遏物激活
2021/1/29
二、操纵子的结构与功能
• 培养基中葡萄糖不足时： cAMP水平升 高， cAMP-CAP复合物生成， cAMP使 CAP变构，而与CAP位点结合，促进乳 糖操纵子基因的转录，以便细胞利用乳 糖。
2021/1/29
三、乳糖操纵子和色氨酸操纵子
2021/1/29
乳糖操纵子
• 操纵子的三个结构基因为-半乳糖苷酶 、-半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰转 移酶。
• 在无乳糖时，阻遏蛋白与O区结合，阻 止RNA聚合酶的转录
• 在有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合后， 改变了阻遏蛋白的结构，使其不能与O 区结合。
• 有一个调控成分。 • 是原核生物的转录单位。
2021/1/29
第一节、原核生物的操纵子调控模式
一、酶的诱导（enzyme induction） 二、操纵子（operon）的结构与功能 三、乳糖操纵子（Lac operon）与色氨
酸操纵子（Trp operon） 四、 cAMP对转录的调控 五、原核生物转录的整体调控模式
二、操纵子的结构与功能
Lac operon的启 动子 Plac的-10
Trp operon的启 动子Ptrp的-35
Ptac
2021/1/29
Ptac-17
二、操纵子的结构与功能
• 操纵基因是结合阻遏物的部位，位于启 动子和结构基因之间，可与启动子部分 重叠。是RNA聚合酶是否能通过的开关 。
• 无阻遏物时，O区开放让酶通过并转录 下游的结构基因
• 有阻遏物时酶就不能通过
2021/1/29
二、操纵子的结构与功能
• 阻遏物基因 ： 产生阻遏物，位于离操纵 子较远的上游区。
• 负调控：起调控作用的蛋白质分子抑制 转录
关闭的基因由代谢底物开放（诱导）-----阻遏物失活 开放的基因由代谢底物关闭（阻遏）-----阻遏物激活
2021/1/29
二、操纵子的结构与功能
• 培养基中葡萄糖不足时： cAMP水平升 高， cAMP-CAP复合物生成， cAMP使 CAP变构，而与CAP位点结合，促进乳 糖操纵子基因的转录，以便细胞利用乳 糖。
《基因表达调控》课件
它对细胞发育、组织特化和疾病发生都有重要影响
II. 转录调控
1
A.
B. 各种转录因子的分类及功能
不同类型的转录因子在基因表达调控中扮演不同的角色
3
C. 转录因子的结构和作用机制
了解转录因子结构和作用机制对理解转录调控至关重要
III. RNA加工调控
《基因表达调控》PPT课 件
这是一份关于基因表达调控的PPT课件，涵盖了基本概念、转录调控、RNA加 工调控、蛋白质翻译调控、表观遗传调控、氧气水平调控、微小RNA调控、研 究技术及应用。
I. 介绍基因表达调控的基本概念和意义
什么是基因表达调控？
基因表达调控是控制基因转录和翻译过程的机制和调节
为什么基因表达调控重要？
A. 5'端和3'端加工的调控
了解5'端和3'端加工调控对RNA 稳定性和功能的影响
B. 剪接调控
剪接调控在基因表达调控中起 着重要的作用
C. RNA编辑调控
RNA编辑调控可改变RNA序列， 影响蛋白质功能
IV. 蛋白质翻译调控
A. 起始子处理和调控
起始子处理和调控是蛋白质翻译的重要调控步骤
B. 翻译的调控
生物对低氧环境做出的响应以及调控机制
高原环境对基因表达调控产生的影响
VII. 微小RNA的调控作用
1
什么是微小RNA？
微小RNA是一类重要的非编码RNA分
微小RNA的调控机制
2
子
通过结合目标mRNA来调控基因表达
VIII. 基因表达调控的研究技术
A. 基因芯片
基因芯片是一种常用的基因表 达调控研究技术
了解如何调控翻译过程以控制蛋白质合成
C. 结束子处理及调控
II. 转录调控
1
A.
B. 各种转录因子的分类及功能
不同类型的转录因子在基因表达调控中扮演不同的角色
3
C. 转录因子的结构和作用机制
了解转录因子结构和作用机制对理解转录调控至关重要
III. RNA加工调控
《基因表达调控》PPT课 件
这是一份关于基因表达调控的PPT课件，涵盖了基本概念、转录调控、RNA加 工调控、蛋白质翻译调控、表观遗传调控、氧气水平调控、微小RNA调控、研 究技术及应用。
I. 介绍基因表达调控的基本概念和意义
什么是基因表达调控？
基因表达调控是控制基因转录和翻译过程的机制和调节
为什么基因表达调控重要？
A. 5'端和3'端加工的调控
了解5'端和3'端加工调控对RNA 稳定性和功能的影响
B. 剪接调控
剪接调控在基因表达调控中起 着重要的作用
C. RNA编辑调控
RNA编辑调控可改变RNA序列， 影响蛋白质功能
IV. 蛋白质翻译调控
A. 起始子处理和调控
起始子处理和调控是蛋白质翻译的重要调控步骤
B. 翻译的调控
生物对低氧环境做出的响应以及调控机制
高原环境对基因表达调控产生的影响
VII. 微小RNA的调控作用
1
什么是微小RNA？
微小RNA是一类重要的非编码RNA分
微小RNA的调控机制
2
子
通过结合目标mRNA来调控基因表达
VIII. 基因表达调控的研究技术
A. 基因芯片
基因芯片是一种常用的基因表 达调控研究技术
了解如何调控翻译过程以控制蛋白质合成
C. 结束子处理及调控
基因表达的调控PPT课件
基因表达的调控
-
1
• 在生物个体发育过程中，基因的表达是受到严格的时空控制。
• 无论原核生物还是真核生物，任一时期的细胞只有部分基因发 生表达。
• 在所有组织细胞中均表达的基因称之为持家基因（house keeping gene），它们为组成型（constitute）的表达；
• 只在部分发育时期或特定组织细胞中表达的基因为奢侈基因 （luxury gene），它们是组织特异性（tissue specific）的表达。
-
3
• 在葡萄糖、乳糖都存在的条件下，细菌优先利 用葡萄糖，当其耗尽时，细菌再利用乳糖，这 个效应叫葡萄糖效应.
在细菌的细胞膜上有一种ATP环化酶，该酶可使胞 内的ATP环化产生cAMP，该酶的活性受到环境中葡萄 糖浓度的调节，在高浓度的葡萄糖存在时，该酶的活 性被抑制，无葡萄糖时，该酶被激活，产生的大量 cAMP作为第二信使与CAP蛋白结合形成cAMP-CAP复 合物，进一步与乳糖及其它糖类的操纵子中的启动子 结合，促进RNA聚合酶与启动子区的结合、启始转录， 因而对糖类操纵子是正调控作用。事实上乳糖操纵子 的有效转录必须依赖cAMP-CAP蛋白的结合，这种蛋 白的突变，乳糖操纵子的转录水平很低。
苯丙氨酸
Met Thr Ala Leu Leu Arg Val Ile Ser Leu Val Val Ile Ser Val Val Val Ile Ile Ile……Pro Pro Cys Gly Ala Ala Leu Gly Arg Gly Lys Ala
-
9
色氨酸操纵子
•色氨酸操纵子属于可阻遏的操纵子，由调节 基因trpR产生的阻遏蛋白四聚体，只有与色氨 酸结合后才有活性，结合到其操纵区trpO上， 因trpP（- 40—+18）包括trpO（-21—+1），因 而活性阻遏蛋白的结合可以排斥RNA聚合酶的 结合，抑制色氨酸结构基因的转录。
-
1
• 在生物个体发育过程中，基因的表达是受到严格的时空控制。
• 无论原核生物还是真核生物，任一时期的细胞只有部分基因发 生表达。
• 在所有组织细胞中均表达的基因称之为持家基因（house keeping gene），它们为组成型（constitute）的表达；
• 只在部分发育时期或特定组织细胞中表达的基因为奢侈基因 （luxury gene），它们是组织特异性（tissue specific）的表达。
-
3
• 在葡萄糖、乳糖都存在的条件下，细菌优先利 用葡萄糖，当其耗尽时，细菌再利用乳糖，这 个效应叫葡萄糖效应.
在细菌的细胞膜上有一种ATP环化酶，该酶可使胞 内的ATP环化产生cAMP，该酶的活性受到环境中葡萄 糖浓度的调节，在高浓度的葡萄糖存在时，该酶的活 性被抑制，无葡萄糖时，该酶被激活，产生的大量 cAMP作为第二信使与CAP蛋白结合形成cAMP-CAP复 合物，进一步与乳糖及其它糖类的操纵子中的启动子 结合，促进RNA聚合酶与启动子区的结合、启始转录， 因而对糖类操纵子是正调控作用。事实上乳糖操纵子 的有效转录必须依赖cAMP-CAP蛋白的结合，这种蛋 白的突变，乳糖操纵子的转录水平很低。
苯丙氨酸
Met Thr Ala Leu Leu Arg Val Ile Ser Leu Val Val Ile Ser Val Val Val Ile Ile Ile……Pro Pro Cys Gly Ala Ala Leu Gly Arg Gly Lys Ala
-
9
色氨酸操纵子
•色氨酸操纵子属于可阻遏的操纵子，由调节 基因trpR产生的阻遏蛋白四聚体，只有与色氨 酸结合后才有活性，结合到其操纵区trpO上， 因trpP（- 40—+18）包括trpO（-21—+1），因 而活性阻遏蛋白的结合可以排斥RNA聚合酶的 结合，抑制色氨酸结构基因的转录。
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目录
转录区
转录区
转录区
目录
Start of genetic message Cap
5
5-端非翻译区 开放阅读框架
End
Tail
3
3-端非翻译区
从mRNA 5-端起始密码子AUG到3-端终止密 码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。
目录
二、染色质结构与真核基因表达密切相关
目录
结构松散的区域，基因的转录活性高。
组蛋白被磷酸化、 甲基化、 乙酰化
等修饰
与DNA的 结合能力
下降
基因的 转录活性
DNA去甲基化、 增强子和某 些蛋白质因子
染色质 结构松散
基因的 转录活性
目录
顺式作用元件 参
与
物
Hale Waihona Puke 反式作用因子质 RNA聚合酶
目录
三、基因组中的顺式作用元件是转录起 始的关键调节部位
目录
组蛋白乙酰化对染色质结构及基因转录的影响
组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因 转录活性变化的机制：
① 组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够 使组蛋白携带正电荷量减少，降低其与带负 电荷的DNA链的亲和性，导致局部DNA与 组蛋白八聚体解开缠绕，从而促使参与转录 调控的各种蛋白因子与DNA特异序列结合 ，进而发挥转录调控作用；
修饰类型 甲基化 甲基化 甲基化 乙酰化 磷酸化 乙酰化 甲基化 甲基化
乙酰化 乙酰化 乙酰化 乙酰化
功能 激活
染色质浓缩 DNA甲基化所必需
激活 激活 防止Lys-9的甲基化 端粒沉默
装配 装配 核小体装配 Fly X激活
目录
组蛋白的乙酰化
1. 通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上； 2. 可逆的生化反应：
A. Histone acetyltransferase，HAT B. Histone deacetylase, HDAC 3. 分子效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋 白与DNA的排斥力 4. 生物学功能：
基因转录活化 DNA损伤修复
目录
目录
组蛋白的乙酰化
中和赖氨酸的正电荷，C=O具有一定的负电 ，能够增加与DNA的斥力，使得DNA结构变得 疏松，从而导致基因的转录活化
目录
所谓组蛋白密码就是对结合DNA的组蛋 白进行一系列修饰,从而影响某些基因何 时以及以何种方式被打开或关闭。
组蛋白密码信息存在于转录后组蛋白修饰 等过程中，这些修饰的多样性、整体性及 生物学功能的多样性表明存在这样一种组 蛋白密码。
目录
目录
这种常见的组蛋白外在修饰作用包括乙酰化、 甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、ADP核糖基化 、羰基化等等，它们都是组蛋白密码的基本元素。
基因包括编码序列（外显子）、调控序列和间隔 序列（内含子）。
目录
编码蛋白质或RNA的编码序列。 非编码序列，包括编码区两侧的调控序列和 编码序列间的间隔序列。
目录
断裂基因(splite gene)
真核生物结构基因，由若干个编码区和非 编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非 编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成 的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。
Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007
27目录
组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响
组蛋白 H3 H3 H3 H3 H3 H3 H3 H4 H4 H4 H4 H4
氨基酸残基位点 Lys-4 Lys-9 Lys-9 Lys-9 Ser-10 Lys-14 Lys-79 Arg-3 Lys-5 Lys-12 Lys-16 Lys-16
（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感
➢活性染色质 (active chromatin) 具有转录活性的染色质
➢超敏位点（hypersensitive site) 当染色质活化后，常出现一些对核酸酶
（如DNase I）高度敏感的位点
目录
活性染色质
按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非 活性染色质，所谓活性染色质是指具有转录活性的染 色质；非活性染色质是指没有转录活性的染色质。
目录
顺式作用元件
启动子 上游调控元件 增强子 加尾信号 细胞信号反应元件
目录
（一）真核生物启动子结构和调节远较原核 生物复杂
真核基因启动子是RNA聚合酶结合位 点周围的一组转录控制组件，至少包括一 个转录起始点以及一个以上的功能组件。
TATA盒 GC盒 CAAT盒
目录
-110
-80
-70 -35
➢ 表观遗传（epigenetic inheritance) ：染色质结构对 基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机制是细胞 内存在着具有维持甲基化作用的DNA甲基转移酶， 可以在DNA复制后，依照亲本DNA链的甲基化位置 催化子链DNA在相同位置上发生甲基化
目录
DNA Methylation and Transcription
目录
典型的启动子由TATA盒及上游的CCAAT盒和（或） GC盒组成，这类启动子通常具有一个转录起始点及较高 的转录活性。
A
B
编码区 A、B、C、D
C
D
非编码区
目录
目录
内含子（intron）：位于外显子之间、可以被转录在 前体mRNA中，但经过剪接被去除，最终不存在于成 熟的mRNA分子中的核苷酸序列，又被叫做间插序列。
外显子（exon）：基因组DNA中出现在成熟mRNA分子 的核苷酸序列，最终被翻译成蛋白质。
启动子（promoter）：DNA分子上能够直接或间接 与RNA聚合酶结合并形成转录起始复合物的区域。
目录
• 在一些不表达的基因中，启动区的甲基化程 度很高，而处于活化状态的基因则甲基化程度 较低。
• 去甲基化又可使基因恢复活性。
40
2020/4/5
目录
目前认为甲基化影响基因表达机制有： （1）直接作用→改变DNA构型（左、右旋转换） → 影响DNA特异顺序不能与转录因子结合。 （2）间接作用—5’调控区甲基化后与核内甲基化CG 结合Pr结合阻止转录因子与基因形成转录复合物。 （3）DNA去甲基化与DNaseI高敏区出现，后者为基 因活化的标志。
目录
常染色质与异染色质
1. 常染色质：基因表达 活跃的区域，染色体结 构较为疏松 2. 异染色质：基因表达 沉默的区域，染色体结 构致密
核小体
常染色质
异
目录
(二) 转录活化染色质的组蛋白发生改变
组蛋白结构及其化学修饰
（a）组蛋白与DNA组成的核小体；（b）组蛋白的氨基端伸出核
小体，形 成组蛋白尾巴；（c）四种组蛋白组成的八聚体
目录
⑤ 真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构 成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表 达；
⑥ 真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还 存在线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的 表达调控既相互独立而又需要协调。
目录
图18-5 真核生物基因表达的多层次复杂调控 目录
基因（gene）: 能够编码蛋白质或RNA的核酸 序列，包括基因的编码序列（外显子）和编码区 前后具有基因表达调控作用的序列和单个编码序 列间的间隔序列（内含子）
目录
➢ 组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括 两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直 接影响染色质或核小体的结构，以及化学修 饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其 他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。 这些理论构成了“组蛋白密码”的假说。
目录
组蛋白密码
染色体的多级折叠过程中，需要DNA同组 蛋白(H3、H4、H2Ａ、H2B和H1)结合在一 起。研究中，人们发现组蛋白在进化中是保 守的，但它们并不是通常认为的静态结构。 组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而 提供一种识别的标志，为其它蛋白与DNA的 结合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转 录调控成分，称为组蛋白密码(histonecode)。
目录
② 组蛋白的Ｎ末端尾巴可与参与维持染 色质高级结构的多种蛋白质相互作用，更加 稳定了核小体的结构。而组蛋白乙酰化却减 弱了上述作用，阻碍了核小体装配成规则的 高级结构（如螺线管）；
目录
（三） CpG岛甲基化水平降低
➢ CpG岛（CpG island) ：甲基化胞嘧啶在基因组中并 不是均匀分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整个 基 因 组 中 ， 人 们 将 这 些 GC 含 量 可 达 60% ， 长 度 为 300-3000bp的区段
目录
核小体串珠样的结构
H2A
H4 DNA双链
H1
H2B
H3
核小体连接区
5.5 nm
11 nm
核小体核心颗粒
目录
组蛋白
• 有五种类型：H1 、H2A 、H2B 、H3 、H4 • 富含带正电荷的碱性氨基酸（Arg和Lys）, 能
够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用 • 是一类小分子碱性蛋白质 • 组蛋白是已知蛋白质中最保守的
➢ 順式作用元件 指可影响自身基因表达活性的DNA序列
位于基因转录区前后，对基因表达起调控作用的区 域，因其是紧邻的DNA序列，又称旁侧序列。
目录
图18-7 顺式作用元件 A、B分别代表同一基因中的两段特异DNA序列。B序列通过一定机制影 响A序列，并通过A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。A、B 序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件
与DNA密码不同的是，组蛋白密码在动物、植 物和真菌类中是不同的。我们从植物细胞保留有发 育成整个植株的全能性和去分化的特性中，就可以 看出它们在建立和保持表观遗传信息方面与动物是 不同的。
目录
❖ 组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类 型被称为组蛋白密码（histone code），遗传 密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控 的状态，并且可遗传。
转录区
转录区
转录区
目录
Start of genetic message Cap
5
5-端非翻译区 开放阅读框架
End
Tail
3
3-端非翻译区
从mRNA 5-端起始密码子AUG到3-端终止密 码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。
目录
二、染色质结构与真核基因表达密切相关
目录
结构松散的区域，基因的转录活性高。
组蛋白被磷酸化、 甲基化、 乙酰化
等修饰
与DNA的 结合能力
下降
基因的 转录活性
DNA去甲基化、 增强子和某 些蛋白质因子
染色质 结构松散
基因的 转录活性
目录
顺式作用元件 参
与
物
Hale Waihona Puke 反式作用因子质 RNA聚合酶
目录
三、基因组中的顺式作用元件是转录起 始的关键调节部位
目录
组蛋白乙酰化对染色质结构及基因转录的影响
组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因 转录活性变化的机制：
① 组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够 使组蛋白携带正电荷量减少，降低其与带负 电荷的DNA链的亲和性，导致局部DNA与 组蛋白八聚体解开缠绕，从而促使参与转录 调控的各种蛋白因子与DNA特异序列结合 ，进而发挥转录调控作用；
修饰类型 甲基化 甲基化 甲基化 乙酰化 磷酸化 乙酰化 甲基化 甲基化
乙酰化 乙酰化 乙酰化 乙酰化
功能 激活
染色质浓缩 DNA甲基化所必需
激活 激活 防止Lys-9的甲基化 端粒沉默
装配 装配 核小体装配 Fly X激活
目录
组蛋白的乙酰化
1. 通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上； 2. 可逆的生化反应：
A. Histone acetyltransferase，HAT B. Histone deacetylase, HDAC 3. 分子效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋 白与DNA的排斥力 4. 生物学功能：
基因转录活化 DNA损伤修复
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组蛋白的乙酰化
中和赖氨酸的正电荷，C=O具有一定的负电 ，能够增加与DNA的斥力，使得DNA结构变得 疏松，从而导致基因的转录活化
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所谓组蛋白密码就是对结合DNA的组蛋 白进行一系列修饰,从而影响某些基因何 时以及以何种方式被打开或关闭。
组蛋白密码信息存在于转录后组蛋白修饰 等过程中，这些修饰的多样性、整体性及 生物学功能的多样性表明存在这样一种组 蛋白密码。
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这种常见的组蛋白外在修饰作用包括乙酰化、 甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、ADP核糖基化 、羰基化等等，它们都是组蛋白密码的基本元素。
基因包括编码序列（外显子）、调控序列和间隔 序列（内含子）。
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编码蛋白质或RNA的编码序列。 非编码序列，包括编码区两侧的调控序列和 编码序列间的间隔序列。
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断裂基因(splite gene)
真核生物结构基因，由若干个编码区和非 编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非 编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成 的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。
Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007
27目录
组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响
组蛋白 H3 H3 H3 H3 H3 H3 H3 H4 H4 H4 H4 H4
氨基酸残基位点 Lys-4 Lys-9 Lys-9 Lys-9 Ser-10 Lys-14 Lys-79 Arg-3 Lys-5 Lys-12 Lys-16 Lys-16
（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感
➢活性染色质 (active chromatin) 具有转录活性的染色质
➢超敏位点（hypersensitive site) 当染色质活化后，常出现一些对核酸酶
（如DNase I）高度敏感的位点
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活性染色质
按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非 活性染色质，所谓活性染色质是指具有转录活性的染 色质；非活性染色质是指没有转录活性的染色质。
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顺式作用元件
启动子 上游调控元件 增强子 加尾信号 细胞信号反应元件
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（一）真核生物启动子结构和调节远较原核 生物复杂
真核基因启动子是RNA聚合酶结合位 点周围的一组转录控制组件，至少包括一 个转录起始点以及一个以上的功能组件。
TATA盒 GC盒 CAAT盒
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-110
-80
-70 -35
➢ 表观遗传（epigenetic inheritance) ：染色质结构对 基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机制是细胞 内存在着具有维持甲基化作用的DNA甲基转移酶， 可以在DNA复制后，依照亲本DNA链的甲基化位置 催化子链DNA在相同位置上发生甲基化
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DNA Methylation and Transcription
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典型的启动子由TATA盒及上游的CCAAT盒和（或） GC盒组成，这类启动子通常具有一个转录起始点及较高 的转录活性。
A
B
编码区 A、B、C、D
C
D
非编码区
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内含子（intron）：位于外显子之间、可以被转录在 前体mRNA中，但经过剪接被去除，最终不存在于成 熟的mRNA分子中的核苷酸序列，又被叫做间插序列。
外显子（exon）：基因组DNA中出现在成熟mRNA分子 的核苷酸序列，最终被翻译成蛋白质。
启动子（promoter）：DNA分子上能够直接或间接 与RNA聚合酶结合并形成转录起始复合物的区域。
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• 在一些不表达的基因中，启动区的甲基化程 度很高，而处于活化状态的基因则甲基化程度 较低。
• 去甲基化又可使基因恢复活性。
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2020/4/5
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目前认为甲基化影响基因表达机制有： （1）直接作用→改变DNA构型（左、右旋转换） → 影响DNA特异顺序不能与转录因子结合。 （2）间接作用—5’调控区甲基化后与核内甲基化CG 结合Pr结合阻止转录因子与基因形成转录复合物。 （3）DNA去甲基化与DNaseI高敏区出现，后者为基 因活化的标志。
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常染色质与异染色质
1. 常染色质：基因表达 活跃的区域，染色体结 构较为疏松 2. 异染色质：基因表达 沉默的区域，染色体结 构致密
核小体
常染色质
异
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(二) 转录活化染色质的组蛋白发生改变
组蛋白结构及其化学修饰
（a）组蛋白与DNA组成的核小体；（b）组蛋白的氨基端伸出核
小体，形 成组蛋白尾巴；（c）四种组蛋白组成的八聚体
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⑤ 真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构 成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表 达；
⑥ 真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还 存在线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的 表达调控既相互独立而又需要协调。
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图18-5 真核生物基因表达的多层次复杂调控 目录
基因（gene）: 能够编码蛋白质或RNA的核酸 序列，包括基因的编码序列（外显子）和编码区 前后具有基因表达调控作用的序列和单个编码序 列间的间隔序列（内含子）
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➢ 组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括 两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直 接影响染色质或核小体的结构，以及化学修 饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其 他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。 这些理论构成了“组蛋白密码”的假说。
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组蛋白密码
染色体的多级折叠过程中，需要DNA同组 蛋白(H3、H4、H2Ａ、H2B和H1)结合在一 起。研究中，人们发现组蛋白在进化中是保 守的，但它们并不是通常认为的静态结构。 组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而 提供一种识别的标志，为其它蛋白与DNA的 结合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转 录调控成分，称为组蛋白密码(histonecode)。
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② 组蛋白的Ｎ末端尾巴可与参与维持染 色质高级结构的多种蛋白质相互作用，更加 稳定了核小体的结构。而组蛋白乙酰化却减 弱了上述作用，阻碍了核小体装配成规则的 高级结构（如螺线管）；
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（三） CpG岛甲基化水平降低
➢ CpG岛（CpG island) ：甲基化胞嘧啶在基因组中并 不是均匀分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整个 基 因 组 中 ， 人 们 将 这 些 GC 含 量 可 达 60% ， 长 度 为 300-3000bp的区段
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核小体串珠样的结构
H2A
H4 DNA双链
H1
H2B
H3
核小体连接区
5.5 nm
11 nm
核小体核心颗粒
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组蛋白
• 有五种类型：H1 、H2A 、H2B 、H3 、H4 • 富含带正电荷的碱性氨基酸（Arg和Lys）, 能
够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用 • 是一类小分子碱性蛋白质 • 组蛋白是已知蛋白质中最保守的
➢ 順式作用元件 指可影响自身基因表达活性的DNA序列
位于基因转录区前后，对基因表达起调控作用的区 域，因其是紧邻的DNA序列，又称旁侧序列。
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图18-7 顺式作用元件 A、B分别代表同一基因中的两段特异DNA序列。B序列通过一定机制影 响A序列，并通过A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。A、B 序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件
与DNA密码不同的是，组蛋白密码在动物、植 物和真菌类中是不同的。我们从植物细胞保留有发 育成整个植株的全能性和去分化的特性中，就可以 看出它们在建立和保持表观遗传信息方面与动物是 不同的。
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❖ 组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类 型被称为组蛋白密码（histone code），遗传 密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控 的状态，并且可遗传。