基因表达调控 PPT课件
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原核基因表达调控ppt课件
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------ 操纵子(operon)
启动子 (promoter)
结构基因
调节基因
阻遏蛋白
操纵基因 (operator)
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一、乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成
第七章
原核基因表达调控
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1
内容提要
一、概 述 二、原核生物基因表达的调控
（一）原核生物基因表达的特点 （二）原核生物基因表达的调控机制
(1) 转录起始的调控 (2) 转录终止的调控 (3) 翻译水平的调控
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概述
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概述
基因表达(gene expression)
是基因转录及翻译的过程，也是基 因所携带的遗传信息表现为表型的过程， 包括基因转录成互补的RNA序列，对于蛋 白质编码基因，mRNA继而翻译成多肽链， 并装配加工成最终的蛋白质产物。
何被表达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什
么组织表达，什么时候表达，表达多少等。
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基因表达的方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
•组成性基因表达 •适应性表达（诱导和阻遏表达）
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1、组成性基因表达
某些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 (house-keeping gene)。
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常用的管家基因
中文名称
beta－肌动蛋白 甘油醛3-磷酸脱氢酶 TATA Box结合蛋白 18s 核糖体核糖核酸 微管蛋白α
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英文缩写
β-actin GAPDH TBP 18s rRNA α-tubulin
第八章真核基因表达调控ppt课件
Κ型和λ型轻链的恒定区和可变区的氨基酸序列是 不同的。
在小鼠中，95%的抗体轻链是κ型，而人类抗体 轻链中，κ型和λ型各占50%左右。
人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数
免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达
酵母交配型转换
8.1.4 DNA甲基化与基因调控
A. DNA的甲基化 DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、
启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受 抑制的程度密切相关。对于弱启动子来说，稀少的 甲基化就能使其完全失去转录活性。当这一类启动 子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可 以恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密度，即 使增强后的启动子仍无转录活性。
P295, Fig. 8-15
C. DNA甲基化与X染色体失活
A、螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix, H-T-H） 结构。这一类蛋白质分子中有至少两个α螺旋，中 间由短侧链氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的 α螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA 双螺旋大沟中的结合。
同源域蛋白通过其第三个螺旋与双链DNA的大沟 相结合，其N端的多余臂部分则与DNA的小沟相
选择性剪接
➢ 原始转录产物可通过不同的剪接方式，得到不同 的mRNA，并翻译成不同蛋白质； ➢有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不同的 多聚（A）位点而使原始转录物具有不同的二级结构， 产生不同的mRNA分子，但翻译成相同蛋白质。 ➢同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同 mRNA的过程称为选择性剪接。
本章主要内容提要
1.真核生物的基因结构与转录活性； 2.真核基因转录机器的主要组成； 3.蛋白质磷酸化对基因转录的调控； 4.蛋白质乙酰化对基因表达的影响； 5.激素与热激蛋白对基因表达的影响； 6.其他水平上的表达调控。
在小鼠中，95%的抗体轻链是κ型，而人类抗体 轻链中，κ型和λ型各占50%左右。
人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数
免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达
酵母交配型转换
8.1.4 DNA甲基化与基因调控
A. DNA的甲基化 DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、
启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受 抑制的程度密切相关。对于弱启动子来说，稀少的 甲基化就能使其完全失去转录活性。当这一类启动 子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可 以恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密度，即 使增强后的启动子仍无转录活性。
P295, Fig. 8-15
C. DNA甲基化与X染色体失活
A、螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix, H-T-H） 结构。这一类蛋白质分子中有至少两个α螺旋，中 间由短侧链氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的 α螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA 双螺旋大沟中的结合。
同源域蛋白通过其第三个螺旋与双链DNA的大沟 相结合，其N端的多余臂部分则与DNA的小沟相
选择性剪接
➢ 原始转录产物可通过不同的剪接方式，得到不同 的mRNA，并翻译成不同蛋白质； ➢有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不同的 多聚（A）位点而使原始转录物具有不同的二级结构， 产生不同的mRNA分子，但翻译成相同蛋白质。 ➢同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同 mRNA的过程称为选择性剪接。
本章主要内容提要
1.真核生物的基因结构与转录活性； 2.真核基因转录机器的主要组成； 3.蛋白质磷酸化对基因转录的调控； 4.蛋白质乙酰化对基因表达的影响； 5.激素与热激蛋白对基因表达的影响； 6.其他水平上的表达调控。
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
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。
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
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；
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
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。
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
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；
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
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。
分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件
14
一、原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控
（transcriptional regulation）
2、转录后水平上的调控
（post-transcriptional regulation）
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
15
二、操纵子学说
1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
54
55
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp）， 是阻遏物的结合位点。
56
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
57
操纵位点的回文序列
58
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转 录起始受到抑制。
59
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI P O
lacZ
lacY
lacA
32
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
如果某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它，
这种物质就是诱导物。
诱导物
酶蛋白
33
• 可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质 或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物 的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为： 正转录调控 负转录调控
29
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 阻遏蛋白
正转录调控 负转录调控
一、原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控
（transcriptional regulation）
2、转录后水平上的调控
（post-transcriptional regulation）
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
15
二、操纵子学说
1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
54
55
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp）， 是阻遏物的结合位点。
56
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
57
操纵位点的回文序列
58
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转 录起始受到抑制。
59
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI P O
lacZ
lacY
lacA
32
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
如果某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它，
这种物质就是诱导物。
诱导物
酶蛋白
33
• 可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质 或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物 的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为： 正转录调控 负转录调控
29
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 阻遏蛋白
正转录调控 负转录调控
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（二）维持个体发育与分化
多细胞生物调节基因的表达除为适应环 境外，还有维持组织器官分化、个体发育的 功能。
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。
第二节 基因表达调控的基本原理
一、基因表达的多层次和复杂性
•基因表达在全过程的各水平上都可以受调控： 基因 激活
转录起始 转录后加工 mRNA降解
一种多肽的信息单位；从分子生物学角度看，
*基因组 (genome)
一个细胞或生物所携带的整套遗传信 息或全部基因。 原核细胞：单个环状染色体 真核生物：染色体基因组 (染色体DNA) 注:不同于 线粒体基因组 (线粒体DNA) 叶绿体基因组 (叶绿体DNA) 人类基因组含约 2万~2.5万个基因。
（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)。
*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Biblioteka 动序列的结合，增强 RNA聚合酶活性。
是RNA聚合酶识别、结合并 启动转录的特异DNA序列。
10 － 区 N17 N16 N17 N16 N16 TTAACT TATGAT TATGTT TATAAT TACTGT N7 N7 N6 N7 N6 转录起始 A A A A A
共有序列 TTGACA
TATAAT 决定转录活性
2 操纵序列 (operator) ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点
*基因表达 (gene expression)
在一定调节机制控制下，基因经历基 因激活、转录及翻译等过程，产生具有特
异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或
个体一定的功能或形态表型。 基因表达就是基因转录和翻译的过程。
二、基因表达的特异性
（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
Franç ois Jacob Jacques Monod (1920 ~ ) (1910 ~ 1976) 荣获1965年诺贝尔生理或医学奖
第 一 节 基本概念与原理
Basic Conceptions and Principle
一、基因表达的概念
*基因(gene)
从遗传学角度讲，就是编码一种 RNA 、 是负载特定遗传信息DNA片段。 • 编码序列 • 非编码调节序列 • 内含子
(一)、 特异DNA序列
1、 原核生物的操纵子
操纵子(operon)：通常由2个以上的编码序
列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列 在基因组中成簇串联，组成一个基因表达调 控单位。
启动序列
其他调节序列
操纵序列
编码序列
1) 启动序列
(promoter)
trp tRNATyr lac rec A ara BAD 35 － 区 TTGACA TTTACA TTTACA TTGATA CTGACG
蛋白质翻译 翻译后加工修饰
转录起始调节 是基因表达调 控的主要环节
蛋白质降解等
二、基因转录激活调节基本要素
基因表达的调节与基因的结构、 性质，生物个体或细胞所处的内、 外环境，以及细胞内所存在的转录
调节蛋白有关。
• 特异DNA序列 • 调节蛋白
• DNA－蛋白质相互作用
蛋白质－蛋白质相互作用
• RNA聚合酶
转录起始点 DNA B 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。 • 是非编码序列
• 并非都位于转录起始点上游
（二）调节蛋白
原核生物: 均为DNA结合蛋白 *特异因子：决定RNA-pol对一个或一套 启动序列的特异性识别和结合能力。 *阻遏蛋白：识别和结合特异的DNA序 列—操纵序列，阻遏基因转录，介导负性 调节。
达的时间特异性(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达表现为与生长、 分化和发育阶段一致的时间性，因此又称 阶段特异性(stage specificity)。
（二）空间特异性 在个体生长、发育全过程，一种基因 产物在个体的不同组织或器官表达，即在 个体的不同空间出现，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
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，介导负
性调节。
pol 启动序列 操纵序列 阻遏蛋白 编码序列
2、 真核生物的顺式作用元件(cis-acting element) ——可影响自身基因表达活性的 DNA序列。通常是非编码序列。包括启动子、 增强子及沉默子等。
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)。
三、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）基本表达 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)。
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。这类基因表达被视为 基本（或组成性）基因表达 (constitutive gene expression)。
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)。
四、基因表达调控的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖
生物体赖以生存的外环境是在不断变化 的，为了生存，所有活细胞都必须对外环境 变化作出适当反应，调节代谢，以适应环境 变化。生物体适应环境、调节代谢的能力与 蛋白质分子的生物学功能有关。而蛋白质的 水平又受基因表达的调控。