基因表达调控PPT课件

（二）操纵子是原核基因转录调控的基 本单位
原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制 实现
调节序列 编码序列
其他调节基因
启动子 操纵元件
(promoter) (operator)
蛋白质因子
特异DNA序列
❖ 操纵子（operon） 原核生物绝大多数基因 按功能相关性成簇地串联、密集于DNA上， 共同组成一个转录单位。
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。
➢真核生物基因表达的多层次复杂调控
二、染色质结构与真核基因表达密切相关
（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
❖ 多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带了 几个多肽链的编码信息
1.启动子
➢ 启动子是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位， 是决定基因表达效率的关键元件。
➢ 各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录 起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称 为共有序列。
➢ E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域 是TATAAT，在-35区域为TTGACA
是指环境的变化容易使其表达水平变动的一类 基因表达。
诱导表达
因环境条件变化使基因表达水平增高的现象
阻遏表达
例：DNA损伤时 修复酶基因
随环境条件变化使基因表达水平降低的现象
例：色氨酸培养基
➢ 在一定机制控制下，功能上相关的一组基 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 (coordinate expression) ， 这 种 调 节 称 为 协 调 调 节 (coordinate regulation)。
启动序列
CAP结合位点
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙酰基转移酶
（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节
1、阻遏蛋白的负性调节 阻遏基因
DNA
I
pPol O Z Y A
mRNA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
DNA
I
mRNA
阻遏蛋白
pPol O Z
启动转录
YA
mRNA
β-半乳糖苷酶
半乳糖
β-半乳糖苷酶的作用
单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细 菌首先利用葡萄糖。ຫໍສະໝຸດ Baidu
葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代 谢阻遏(catabolic repression)。
低乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
O
葡萄糖高 cAMP浓度低
O
高乳糖时
RNA-pol
O
mRNA
O
图18-3 CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节
拷贝基因，但编码rRNA的基因仍然是多拷贝基 因； ③ 结构基因在基因组中所占的比例（约占50%） 远远大于真核基因组； ④ 许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列
一、原核基因转录调节特点
——调节的主要环节在转录起始。
（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性
在转录起始阶段，σ因子识别特异启动序 列；不同的σ因子决定特异基因的转录激活， 决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。
➢ 共有序列决定启动序列的转录活性大小。
2.操纵元件
❖ 操纵元件是一段能被特异阻遏蛋白识别和结 合的DNA序列。
调节序列
编码序列
其他调节基因
启动子 操纵元件 (promoter) (operator)
阻遏蛋白
3.调节基因
调节基因（regulatory gene）编码能够与操纵 序列或其它调节元件结合的调控蛋白，可以分为 三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。
肌浆蛋白 胶原纤维而非纤维细胞。
三、基因表达的方式及调节存在很大的差异
基本（或组成性）表达
有些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可
少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞
中持续表达，通常被称为
管家基因
例如：三羧酸循环是一中枢代谢途径，催化该 途径各阶段反应的酶的编码基因就属管家基因
适应性表达
调控蛋白的作用分别是
① 特异因子决定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；
② 阻遏蛋白可以识别、结合特异DNA序列──操纵 序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节 （negative regulation）。阻遏蛋白介导的负性调 节机制在原核生物中普遍存在；
③ 激活蛋白可结合启动序列邻近的DNA序列，提高 RNA聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强 RNA聚合酶的转录活性，是一种正调控（positive regulation）。
基因表达调控
•虽然存在于多细胞生物体内的每个体细胞的遗传信息 是相同的 ,但每个细胞（蛋白质）生物学功能呈现多样 化、显著的差异。 ——为什么？
外界的信息
感知
细胞内的 信号转导
基因的表达呈开 放或增强，有些 则成关闭或下降
特定信号的刺激
第一节
基因表达调控的基本概念
Basic Conceptions of Gene Expression Regulation
基因表达有正调控和负调控
调节原核生物基因表达的效应蛋白可分： 阻遏蛋白----负调控因素 激活蛋白----正调控因素
二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控
➢乳糖操纵子的提出
停顿
大肠杆菌二阶 段生长现象
（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构
调控区
结构基因
DNA I
P OZ YA
调节基因
操纵序列
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
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
① 真核基因组比原核基因组大得多 ② 原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺
乳 类 基 因 组 中 只 有 10% 的 序 列 编 码 蛋 白 质 、 rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量 的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控 ③ 真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录 后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达 调控的层次
整理
❖ 掌握操纵子的概念。 ❖ 掌握乳糖操纵子的结构，阻遏蛋白的负性调
节，CAP的正性调节，协调调节。 ❖ 了解原核基因表达转录终止阶段的调控机制。 ❖ 了解原核基因表达翻译水平的调控。
第四节
真核基因表达调节
Regulation of Gene Expression in Eukaryote
一、真核细胞基因表达的特点
（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 。 （ 60% 基 因 启 动 子 含 CpG 岛 ， 管家基因甲基化较低）
一、基因表达是指基因转录及翻译的过程
什么是基因（gene）？
基因是负载特定遗传信息的DNA片段，可以编码单 个具有生物功能的产物，包括RNA和多肽链。
什么是基因？ 染色体（DNA）
染色体
基因1 基因2
DNA 双螺旋
DNA与cDNA
什么是基因组？
基因组（genome）是指来自一个生物体的一套遗传信息。原 核细胞基因组指单个环状染色体所包含的全部基因；真核生 物基因组指所有染色体所包含的所有DNA。
遏表达的概念。 ❖ 了解基因表达调控的多层次和复杂性。
第二节
原核基因表达调控
Regulation of Gene Expression in Prokaryote
原核生物基因组结构特点
原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子
① 基因组中很少有重复序列； ② 编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单
❖ 富含赖氨酸的H1组蛋白含量降低 ❖ H2A-H2B组蛋白二聚体的不稳定性增加，
从核小体中置换出来。 ❖ H3、H4可发生乙酰化、磷酸化及泛素化
修饰，核小体结构变的松弛和不稳定，核 小体对DNA亲和力下降，易于转录。
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
④ 原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子 mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制； 而真核生物则是一个结构基因转录生成一条 mRNA ， 即 mRNA 是 单 顺 反 子 （ monocistron ） ，许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同 亚基也将涉及到多个基因的协调表达
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；
例：某一代谢途径的相关酶 （糖原合成与分解）
四、基因表达调控呈现多层次和复杂性
基因表达的多水平调控
基因激活等
蛋白质翻译
转录起始
（microRNA）
转录后加工 mRNA降解
调控点
翻译后加工修饰 及蛋白质降解
转录水平的调控是基因表达 的最主要和重要的调控步骤
五、基因表达调控为生物体生长、 发育所必需
全球第一例中国人标准基因组序列图谱的一部分
基因表达
是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学 功能产物的过程。
（激活）
基因表达调控
（功能及形态表型）
控制基因表达的调节机制，细胞或生物体在接受 内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在
基因表达水平做出应答的分子机制。
例如：人类基因组含2-2.5万个编码基因，在某一特定时 期或生长阶段，只有一小部分基因处于表达状态。
➢ 调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体 识别翻译起始区，从而阻断翻译。
➢ 调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身 的合成，称自我控制(autogenous control)。
（二）反义RNA结合mRNA翻译起始部位互 补序列对翻译进行调节
细菌中含有与特定mRNA翻译起始部 位 互 补 的 RNA ， 通 过 与 mRNA 杂 交 阻 断 30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序 列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为 反义控制(antisense control)。
三、原核生物具有不同的转录终止 调节机制
（一）依赖Rho因子的转录终止
常见于噬菌体中，结构特点不清楚。
（二）不依赖Rho因子的转录终止
终止子结构特点：
➢ 两段富含GC的反向重复序列，中间间隔 若干核苷酸；
➢ 下游含一系列T序列。
四、原核生物在翻译水平受到 多个环节的调节
（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动 序列周围进行自我调节
二、基因表达具有时间特异性和空间特异性
时间特异性 （阶段特异性）
基因表达按一定的时间顺序发生 例：霍乱弧菌 44种上调，193种受抑制
AFP基因 胎儿肝细胞表达活跃 成人很低
空间特异性
（组织或细胞特异性）
多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因在 不同的组织器官表达不同 例：胰岛素基因 胰岛B细胞，
➢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
(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
转录活跃区域染色体的组蛋白特点：
1.适应环境、维持生长和增殖
例如： (1)G↑→细菌利用G酶增加，其他的糖代谢相关酶关闭； (2)乳糖↑、G↓→乳糖代谢相关酶编码基因表达； (3)饮酒→醇氧化酶基因表达→醇氧化酶活性↑。
2.维持细胞分化与个体发育
当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器 官的发育异常。
整理
❖ 掌握基因表达的概念。 ❖ 了解基因表达的时间特异性和空间特异性。 ❖ 熟悉管家基因、基因组成性表达、诱导和阻
β -半乳糖苷酶
-1,6糖苷键 异乳糖
乳糖
有乳糖存在时
2、CAP的正性调节
+ + + + 转录
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
3.协调调节
※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能 发挥作用；
※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序 列结合，操纵子仍无（低）转录活性。
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
➢ 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。