1、基 因 表 达 调 控李李 凌凌基本概念 基因、基因组、基因表达基因、基因组、基因表达 管家（看家）基因、奢侈基因管家（看家）基因、奢侈基因 诱导、阻遏诱导、阻遏 顺式顺式作用元件、作用元件、反式反式作用因子作用因子 操纵子操纵子 基因基因gene genetics：遗传学：遗传学 基因组基因组genome 基因组学基因组学genomics 编码编码生物活性产物生物活性产物所必需的全部所必需的全部核苷酸序列核苷酸序列。产物产物:蛋白质蛋白质或各种或各种RNA 核苷酸序列：核苷酸序列：一般是一般是DNA序列序列（或（或RNA病毒病毒中的中的RNA）基因(gene)基因组（genome）指一个细胞
2、或病毒所携带的全部遗传信指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。息或整套基因。基因组的大小用全部核苷酸序列的碱基基因组的大小用全部核苷酸序列的碱基对总数表示。对总数表示。人的23对染色体基因表达就是基因就是基因转录转录和和翻译翻译的过程。的过程。产物：产物：1.产生具有特异生物学功能的产生具有特异生物学功能的蛋白质蛋白质分子分子2.转录合成转录合成rRNA、tRNA基因表达的特性（时空性）时间特异性：时间特异性：是指特定基因的表达严格按照特是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。故又称为发育阶段
3、的需要。故又称为阶段特异性阶段特异性。空间特异性：空间特异性：是指多细胞生物个体在某一特定是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或细胞特异性或组织特异性。组织特异性。*基因表达谱 Gene expression profile 基因表达基因表达mRNA的水平反应了在一定环境、一定细胞类型、的水平反应了在一定环境、一定细胞类型、一定细胞生长阶段和一定细胞状态下的基因功能信
4、息。一定细胞生长阶段和一定细胞状态下的基因功能信息。所谓基因表达谱就是对上述特定状态下哪些基因表达，表达所谓基因表达谱就是对上述特定状态下哪些基因表达，表达水平如何，转录产物的结构形式如何等等信息的完整表述，水平如何，转录产物的结构形式如何等等信息的完整表述，包括每种组织细胞中的基因表达谱、细胞不同发育阶段的基包括每种组织细胞中的基因表达谱、细胞不同发育阶段的基因表达谱、正常和病理状态下的基因表达谱，治疗条件下的因表达谱、正常和病理状态下的基因表达谱，治疗条件下的基因表达谱等等。基因表达谱等等。基因表达的方式 人类基因组人类基因组DNA中约含中约含3万个基因；万个基因；在某一特定时期，只有少数
5、的基因处于在某一特定时期，只有少数的基因处于转录激活状态，其余大多数基因则处于转录激活状态，其余大多数基因则处于静息状态。静息状态。一般来说，在大部分情况下，处于转录一般来说，在大部分情况下，处于转录激活状态的基因仅占激活状态的基因仅占5%。基因表达的方式 看家看家基因（基因（housekeeping gene)编码生命全过程所必需的产物，几乎在所有的细编码生命全过程所必需的产物，几乎在所有的细胞中表达的一类基因。胞中表达的一类基因。奢侈奢侈基因（基因（luxury gene）编码具有特殊功能的蛋白产物、仅在特定的细胞编码具有特殊功能的蛋白产物、仅在特定的细胞或特定的条件下表达的某些基因。或特
6、定的条件下表达的某些基因。基因表达的方式 组成性表达组成性表达 诱导与阻遏诱导与阻遏基因表达的多级调控基因激活基因激活转录起始转录起始mRNA水平水平蛋白质水平蛋白质水平基因转录激活调节基本要素1.特异特异DNA序列序列2.调节蛋白：调节蛋白：3.DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质蛋白质相互作用相互作用4.RNA聚合酶聚合酶 原核生物操纵子调控模式 原核生物几个功能相关的结构基因往往会排原核生物几个功能相关的结构基因往往会排列在一起，转录出一段列在一起，转录出一段mRNA，然后分别翻然后分别翻译出几种蛋白质译出几种蛋白质.这些蛋白质可能是催化某代这些蛋白质可能是催化某代谢途径的酶系统
7、，或执行其他相关功能。谢途径的酶系统，或执行其他相关功能。在基因组中由在基因组中由2个以上的个以上的编码序列编码序列与与启动序列启动序列、操纵序列操纵序列以及其它以及其它调控序列调控序列成簇串联组成的成簇串联组成的一个转录单位称为操纵子（一个转录单位称为操纵子（Operon）。）。原核基因：操纵子结构 i p o操纵子调控序列结构基因启动子p操纵区o阻遏基因iCAP结合位点TATA盒盒TTGACA16原核基因转录调节要素1.特异特异DNA序列序列 操纵子调控序列：操纵子调控序列：P、O、CAP结合位点、结合位点、I 启动序列：启动序列：-10TATAAT，Pribnow box -35TTGA
8、CA2.调节蛋白：调节蛋白：特异因子：决定特异因子：决定RNA聚合酶的识别、结合能力聚合酶的识别、结合能力 阻遏蛋白：调节基因阻遏蛋白：调节基因I编码，与操纵序列编码，与操纵序列O结合结合 激活蛋白：激活蛋白：CAP真核基因编码序列：外显子编码序列：外显子(exon)插入外显子之间的非编码序列：内合子插入外显子之间的非编码序列：内合子(intron)5-端和端和3-端非翻译区端非翻译区(UTR)调控序列调控序列(可位于上述三种序列中可位于上述三种序列中)真核基因调控元件 顺式作用元件：顺式作用元件：cis-acting element）又称分子）又称分子内作用元件内作用元件 指可影响自身基因表
9、达活性的指可影响自身基因表达活性的DNA序列序列（存在于（存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序）。关的特殊顺序）。通常是非编码序列通常是非编码序列 分为：启动子、增强子、沉默子分为：启动子、增强子、沉默子顺式作用元件GCGC CAAT TATA ATGAATAAA翻译起始转录起始TATA盒CACT盒GC盒增强子内含子 外显子修饰点沉默子沉默子真核基因顺式作用元件反式作用因子 trans-acting factor，又称为分子间作用因子，又称为分子间作用因子 真核基因调节蛋白（转录因子真核基因调节蛋白（转录因子）与特异的顺式作用元件相互作用反式激活另与
10、特异的顺式作用元件相互作用反式激活另一基因的转录。一基因的转录。反式作用蛋白与顺式作用蛋白3顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：大多数调节蛋白在与大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白结合之前，需先通过蛋白质质-蛋白质相互作用，形成蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体二聚体或多聚体，然后再，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。分子结合。这种结合通常是这种结合通常是非共价键非共价键结合。结合。基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素1.特异特异DNA序列序列 原核生物：操纵子原核生物：
11、操纵子(编码区、启动区、操纵区等编码区、启动区、操纵区等)真核生物：顺式作用元件真核生物：顺式作用元件(启动子、增强子等启动子、增强子等)2.调节蛋白：调节蛋白：原核原核(特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白)真核真核(转录因子，又称之为反式作用因子转录因子，又称之为反式作用因子)3.DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质蛋白质相互作用相互作用：二聚体化：二聚体化4.RNA聚合酶聚合酶 启动序列启动序列/启动子与启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性 调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性基因表达调控的基本原理 以以转录起始转录起始调节为中心环节调节为中心环节 通
12、过通过启动子启动子、RNARNA聚合酶聚合酶和和调节蛋白调节蛋白之间的之间的相互作用以实现基因的开启和关闭相互作用以实现基因的开启和关闭.调节的实质是调节的实质是DNADNA与蛋白质之间的相互作用与蛋白质之间的相互作用和蛋白质与蛋白质之间的相互作用和蛋白质与蛋白质之间的相互作用.cAMP对转录的调控无葡萄糖：cAMP (促进转录）有葡萄糖：cAMP (不促进转录）cAMPcAMPCAP蛋白cAMP-CAP复合物正调控乳糖操纵子的认识1.包括三个结构基因z、y、a，呈多顺反子结构2.操纵基因o是阻遏蛋白的结合位点，当阻遏蛋白与操纵基因结合时，lac mRNA的转录受阻3.调节基因i编码阻遏蛋白与
13、o基因结合4.启动基因P位于I与o之间，其上游还有一个CAP结合位点，由p、o和CAP结合位点共同调节lac操纵子的调控区真真核基因组核基因组 原核基因组原核基因组1.基因组庞大，与组蛋白结基因组庞大，与组蛋白结合形成染色质合形成染色质2.许多许多DNA不转录不转录3.单顺反子单顺反子4.有重复序列有重复序列5.断裂基因（有内含子）断裂基因（有内含子）1.只有一个只有一个DNA分子或分子或RNA分子分子2.绝大部分参与基因的表达绝大部分参与基因的表达或调控或调控3.多顺子多顺子4.无无5.操纵子结构（无内含子）操纵子结构（无内含子）真核基因的表达调控特点1.RNA聚合酶聚合酶2.活性染色体结构
14、变化活性染色体结构变化 (1)对核酶敏感对核酶敏感 (2)DNA拓扑结构变化拓扑结构变化 (3)DNA碱基修饰变化碱基修饰变化 (4)组蛋白变化组蛋白变化3.以正调控机制占主导地位：有效、经济以正调控机制占主导地位：有效、经济4.真核基因的转录和翻译有物理分割，分属于核内行真核基因的转录和翻译有物理分割，分属于核内行为与核外行为为与核外行为5.转录后有修饰、加工转录后有修饰、加工顺式作用元件1.启动子：启动子：真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，每一组件含周围的一组转录控制组件，每一组件含7-20 bp的的DNA序列，包括至少一个转录起始点
15、以及一个以上序列，包括至少一个转录起始点以及一个以上的功能组件的功能组件2.增强子增强子：远离转录起始点、决定基因的时间、空：远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关其发挥作用的方式通常与方向、距离无关3.沉默子沉默子：负性调控元件，结合特异蛋白因子时，：负性调控元件，结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用对基因转录起阻遏作用GCGC CAAT TATA ATGAATAAA翻 译 起 始转 录 起 始TATA盒CACT盒GC盒增 强 子内 含 子 外 显 子修 饰 点顺式顺式作
16、用元件作用元件启动子启动子TATA盒盒：转录起始点：转录起始点CAAT盒：决定转录起始频率盒：决定转录起始频率GC盒：转录调控功能盒：转录调控功能增强子：远离转录起始点，增强启动子增强子：远离转录起始点，增强启动子 转录活性的转录活性的DNA序列序列沉默子：它是一些特异的沉默子：它是一些特异的DNA顺序，当其顺序，当其 与结合特异性的蛋白因子时阻遏转录与结合特异性的蛋白因子时阻遏转录反式作用因子分类1.基本转录因子基本转录因子(transcription factors,TF)：是：是RNA聚聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA转录的
17、类别转录的类别2.特异转录因子：为个别基因转录所必需，决定该基特异转录因子：为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性。分为转录激活因子与转录因的时间、空间特异性。分为转录激活因子与转录抑制因子抑制因子反式作用因子(转录因子)的三个功能域1.DNA1.DNA识别结合域识别结合域2.2.转录激活域转录激活域3.3.二聚体化域二聚体化域螺旋转角螺旋螺旋转角螺旋锌指结构锌指结构亮氨酸拉链亮氨酸拉链螺旋环区螺旋螺旋环区螺旋酸性激活域酸性激活域谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域脯氨酸富含域脯氨酸富含域（蛋白蛋白结构域）原核-真核生物表达调控比较原核生物原核生物真核生物真核生物基因组结构基因组结构多顺反
18、子多顺反子单顺反子、重复序列、单顺反子、重复序列、断裂结构断裂结构转录调节特点转录调节特点1.1.因子决定因子决定RNARNA聚合酶聚合酶识别特异性识别特异性2.2.操纵子形式操纵子形式3.3.阻遏蛋白与阻遏机制阻遏蛋白与阻遏机制1.1.活性染色体变化活性染色体变化2.2.正性调节主导正性调节主导3.3.转录翻译空间分隔转录翻译空间分隔4.4.转录后加工、修饰转录后加工、修饰转录激活调节转录激活调节操纵子形式操纵子形式顺式作用元件与反式作顺式作用元件与反式作用因子用因子HLHHLH结构特征结构特征HLH的结构特征Zinc-finger蛋白结构特征蛋白结构特征Zinc-finger蛋白结构特征锌指结构Leucine-zipper的结构特征的结构特征Lwucine-zipper结构特征亮氨酸拉链亮氨酸拉链基因表达调控小结 概念：基因表达、操纵子、顺式作用元件、概念：基因表达、操纵子、顺式作用元件、反式作用因子、启动子、增强子、转录因子反式作用因子、启动子、增强子、转录因子 原核基因转录调控特点原核基因转录调控特点 乳糖操纵子调节机制乳糖操纵子调节机制 真核基因组特点真核基因组特点 真核基因表达调控的特点真核基因表达调控的特点 真核基因转录时的调控真核基因转录时的调控
