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第十三章 基因表达调控

第十三章 基因表达调控. 思路：系列酶促反应的调节 基因表达调控 基因表达 调控 定义 特点 方式 意义 调节点 基本要素 特点 机制 共性 原核（主） 真核. 第一节 基因表达调控基本概念与原理. 一、基因表达 （一）. 定义 基因表达：基因在各种调节机制下 , 经过系列 步骤 表现出其生物功能 的过程。

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第十三章 基因表达调控

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Presentation Transcript

  1. 第十三章 基因表达调控 思路：系列酶促反应的调节 基因表达调控 基因表达 调控 定义 特点 方式 意义 调节点 基本要素 特点 机制 共性 原核（主） 真核

  2. 第一节 基因表达调控基本概念与原理 • 一、基因表达 （一）.定义 • 基因表达：基因在各种调节机制下,经过系列 • 步骤表现出其生物功能的过程。 • 即基因转录或转录与翻译的过程。 • 转录+翻译 蛋白质(主) • 转录 rRNA、tRNA • 基因:载有特定遗传信息的DNA片段. • 基因组：一个细胞或病毒所携带的全部遗传 • 信息或整套基因

  3. (二)、特点 • 具有时空性 • 1．时间特异性（阶段特异性） • 定义：指某一特定基因的表达严格按 • 特定时间顺序发生。 • e.g :不同时间、阶段表达多少不同 • 感染、发育（早期表达多） • 2．空间特异性（细胞,组织特异性） • 定义：指某一基因的表达按不同组织 • 空间顺序发生。 • e.g :不同组织、细胞表达产物多少不同

  4. （三）、方式 基本表达 对刺激反应小 适应性表达（诱导或阻遏） 对刺激反应大 1．基本表达（组成性基因表达） a.定义：不易受环境变化影响的基因表达。 即管家基因表达 • 管家基因：在机体所有细胞中持续表达的基因; • 表达产物是整个生命过程中都持续需要的。 • 即进行基本表达的基因。 • b. 影响因素： • 启动序列 • 启动子与RNA-pol相互作用 c.意义：维持生命的基本途径。

  5. 2．适应性表达 定义：易受环境变化影响的基因表达。 • 形式： • 诱导：受环境条件变化基因表达增强的现象。 阻遏：受环境条件变化基因表达减弱的现象。 影响因素： • 启动序列 • 启动子与RNA-pol相互作用 • 其他机制(含对特定刺激的反应元件) • 意义：适应环境的基本途径。 • 3.协调表达：在基本和适应性表达中，功能相关的 基因表达协调一致。

  6. 二、基因表达调控（共性） （一）、意义 1. 适应环境、维持生长和增殖(原核) 。 • 2．适应环境、维持个体发育与分化(真核)。 (二)、调控点 多级性(信息传第的任何环节)： 基因激活 转录起始（基本点） 转录 后 加工 翻译 翻 译后加工 （三）、基本要素（e.g:转录激活） 特异DNA序列 调节蛋白 DNA与调节蛋白结合方式 RNA聚合酶

  7. 1.特异DNA序列（调节功能） • （1）.原核生物 • 操纵子 • a.定义：原核基因的转录单位，由功能相关的 • 一组结构基因及其上游的调节序列(启动 • 子.操纵序列和其它调节序列)组成。 • b. 结构、作用： • 编码序列 转录的mRNA为多顺反子 • （结构基因） • 启动序列RNA-pol识别、结合部位 • 操纵序列 阻遏蛋白结合部位，控制 • 转录的开关,负调节 • 其它调节序列 激活蛋白结合部位,正 • 调节

  8. （2）、真核生物 • 顺式作用元件 • a.定义：是指真核生物DNA分子中参与基因转 • 录调控的特异DNA序列。 • b.成分和功能： • 启动子RNA-pol识别、结合的部位 • 增强子决定基因表达时空性，增强启动 • 子作用。 正调节 • 沉默子抑制基因转录.负调节 • 增强子： 是指能决定基因表达时空性，增 • 强启动子活性的特异DNA序列。 • 其作用方式与方向、距离无关。 • 沉默子： 是指能抑制基因转录的特异 • DNA序列。

  9. 2.调节蛋白 • (1).原核生物 • 分类 • 特异因子 决定RNA-pol对启动子 • （σ因子） 的结合、识别能力。 • 阻遏蛋白 结合操纵序列， • 阻遏转录（负性调节）。 • 激活蛋白 结合其他调节序列， • 促进转录（正性调节）。 • (2).真核生物 • 反式作用因子 （主） 结合调节另一基因 • 顺式作用因子 结合调节自身基因

  10. 反式作用因子 • a. 定义：结合另一基因的顺式作用元件， • 并激活该基因转录的蛋白质。 • b.分类： • 基本转录因子：是作用于启动子， • 维持基因基础转录 • （即转录成 mRNA.tRNA.rRNA） 包括：TFI、TFII、TFIII。 • 特异转录因子：作用于增强子和沉默子， • 为个别基因转录所必需， • 决定该基因表达的时空性 • 包括 转录激活因子 增强子 • 转录抑制因子 沉默子

  11. c.结构 DNA结合域 识别、结合特 锌指结构（主） 异DNA顺式元件 碱性-亮氨酸拉链 碱性螺旋-环-螺旋 转录激活域调节基因 酸性α-螺旋结构域 转录效率 富含Gln结构域 富含Pro结构域 二聚化结构域 与DNA结构域 结构有关

  12. 3．调节蛋白与DNA结合方式 • 直接 （DNA-蛋白质相互作用, • 多指反式作用）： • 调节蛋白直接识 别、 结合 • 特异DNA序列 。反式作用 • 间接（主） （蛋白-蛋白-DNA相互作用）： • 调节蛋白 先形成蛋白聚体 （二聚 • 体为主），蛋白聚体再结合特 • 异DNA序列。

  13. 4．RNA聚合酶 • RNA-pol活性最终体现转录调节情况。 • 影响因素：启动子 • 调节蛋白 • a.启动子：影响DNA与RNA-pol的亲和力， • 进而影响转录频率。 • 原核 RNA-pol(σ)直接结合启动子， • 共有序列与转录活性成正比。 • 真核 先形成调节因子-RNA-pol复合物， • 后才与启动子结合。 • b.调节蛋白：调节蛋白与DNA序列结合，影响 • RNA-pol活性。 • 阻遏蛋白 抑制RNA-pol • 正调节蛋白 促进RNA-pol

  14. 第二节 原核基因转录调节 • 多级调控，最关键点是转录起始 • E.g :转录起始

  15. 一、调节特点 • 1．σ因子决定RNA-pol识别特异性 • 2．操纵子模式具有普遍性 • 3．阻遏调节具有普遍性（负性调节占主导）

  16. 二、调节机制 • 方式 底物对酶的诱导 • 其它调节机制 • （一）底物对酶的诱导 (e.g:乳糖操纵子lac operon) • 1．乳糖操纵子结构 • 调节区 启动子（P序列） 结合RNA-pol • 操纵基因（O序列） 结合阻遏蛋白 • 调节序列（R序列） 结合CAP • 信息区 lacZ 编码半乳糖苷酶 (结构基因) lacY 编码半乳糖苷通透酶 lacA 编码已酰基转移酶

  17. 2．调节 • 方式 负性调节 协调调节 • 正性调节 • （1）负性调节 (阻遏蛋白控制） 图 • 乳糖 无：阻遏蛋白结合操纵序列，抑制转录。 • 有：阻遏蛋白结合乳糖，不能结合 • 操纵序列， 转录开启。（去阻遏） • （2）正性调节 （CAP控制） 图 • 葡萄糖 无：CAP活化（活化形式为CAP-cAMP）， • 结合调节序列，促转录。 • 有 ：CAP失活（cAMP少）， • 不能结合调节序列，抑制转录。 

  18. （3）协调调节： • 定义：负性调节和正性调节相互协调。 • 目的：适应环境（根据环境碳源，进行 • 不同代谢）。 • 机制:一种调节方式有某种调节意向时， • 另一 种方式即会作出相应的支持。 • E.g:分解代谢阻遏图

  19. 葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用 • a. 葡萄糖与半乳糖并成时， • 细菌首选利用葡萄糖； • cAMP ， • 不能合成cAMP-CAP，CAP不能结合调节序 列 ，抑制转录。 • b. 此时、即使阻遏蛋白从操纵序列上脱落， 也不能转录。 • 阻遏蛋白 (脱落）负调节支持 CAP负调节 • 负性调节占主导

  20. （二）其它调节机制 • 1．转录衰减 产物对酶的抑制。 • 机制：e.g: E.coli • Trp 操纵子 Trp 多，Trp–阻遏蛋白复合 • 物结合O序列，阻断转录。 • 图 • 转录衰减 前导肽诱导形成衰减子（发 • 夹结构）阻断转录。 • 图 • 2．基因重组 引起变异， • 逃避宿主免疫监视。 • 3．SOS反应 产生修复蛋白， • 急救修复损伤DNA。

  21. 第三节 真核基因转录调节 • 多级性（较原核复杂）， • 核心途径： • 环境信号传导 染色体活化 基因转录激活 • 本节讲mRNA转录激活（转录起始）

  22. 一、真核基因组特点 • 1．基因组庞大，且结构复杂。 • 基因组：一个细胞所携带的全部遗传信 • 息或整套基因。 • 人:3×109bp 编码基因6％、 • 重复基因5－10％、 • 无遗传学功能基因80-90％。 • 2．单顺反子 • 3．重复序列多 • 多拷贝序列 高度重复序列（106次） tRNA. • 中度重复序列（103~104次） rRNA • 单拷贝序列 重复一次或几次 结构基因 • 4．是断裂基因

  23. 二、调节特点 (区别原核) • 1．所需RNA-pol多，TF不同。 • 2．活性染色体结构变化, 利于转录。 • 活化后结构性质变化： 对核酸酶极度敏感。 • DNA拓扑结构改变（负性 正性超螺旋） • DNA碱基修饰变化（5’侧翼甲基化） • 组蛋白变化（量与稳定性下降、巯基暴露） 3．正性调节占主导。 • 4．转录与翻译分隔进行。 • 5．转录后加工修饰复杂。 • 6. 调节目的主要是维持个体发育与分化。

  24. （三）调节机制 （不清） • 复杂、多样。 • DNA元件和TF不同，调节方式与效果不同。 • 基本转录因子 协助RNA-pol与启动子 • 结合,形成PIC。 • 特异转录因子(TAF,EBP) 决定组织特 • 异性转录。 • 转录起始过程：

  25. 转录起始激活过程： • TFIID(含TBP)识别TATA盒 • TAF • TFIID-启动子复合物 • RNA-pol • TFIIA-F • PIC(不稳定，不能有效启动mRNA转录) • EBP(增强子结合因子) • 转录起始复合物（稳定，此时RNA-pol II才有 • 活性，启动转录。但其组织 • 特异性由TAF和EBP共同决 • 定。）

  26. 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，组成一个转录单位。

  27. 1) 启动序列（启动子）：是RNA聚合 酶结合并启动转录的特异DNA序列。

  28. 2) 操纵序列（operator）： 是阻遏蛋白的结合位点 　　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，或使RNA聚 合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。

  29. TF

  30. （一）乳糖操纵子的结构 R

  31. （二）阻遏蛋白的负性调节 没有乳糖存在时

  32. 有乳糖存在时

  33. （三）CAP的正性调节

  34. （四）协调调节

  35. （－）.转录衰减

  36. 转录衰减（attenuation）： 是指转录可正常起动，但在转录进入 第一个结构基因前即突然停止的过程。 由于这一终止作用并不能使正在进行的 结构基因转录中途停止，而仅是部分中 途停止转录，所以称为转录衰减。

  37. 衰减子（attenuator）： 操纵子前导区内类似于终止子结构 的一段DNA序列，称为衰减子。其作用 是减弱操纵子的转录。

  38. 转录衰减机制： 　实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联。 当色氨酸浓度高时：

  39. 　　当色氨酸浓度低时：

  40. （二）基因重组 沙门菌鞭毛素基因的调节

  41. （三）SOS反应

  42. 2. 转录调节因子结构 DNA结合域 转录激活域 蛋白质－蛋白质结合域（二聚化结构域）

  43. 常见的DNA结合域： ① 锌指（zinc finger）

  44. ②亮氨酸拉链（leucine zipper）

  45. ③螺旋－环－螺旋（helix-loop-helix）

  46. 总结： • 基因表达调控 • 基因表达 ：定义 特点 方式 • 调控的共性：意义 调节点 基本要素 • 原核的调控（主）：特点 • 机制（乳糖操纵子学说） • 真核的调控：基因组特点 • 调控特点

  47. 第十三章 基因表达调控 • 第一节 基因表达调控基本概念与原理 • 一、基因表达定义 基因转录或转录与翻译的过程。 • 基因组：一个细胞或病毒所携带的全部遗传 • 信息或整套基因 • 二、基因表达特点 具有时间特异性和空间特异性 • 三、基因表达 方式 基本表达 和适应性表达（诱导或阻遏） • 四、基因表达调控意义适应环境、维持生长和增殖 、 维持个体发育与分化

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