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1、贮存着生物体遗传信息的基因经转录和翻译成蛋白质的过程。,一、基因表达概念,1、基因表达的时间性：,生物体的不同发育阶段；细胞的生长、增殖、分化、衰老及死亡等不同阶段,不同的组织细胞发挥不同的生理功能,2、基因表达的空间性：,1、组成性表达 2、诱导和阻遏表达,二、基因表达的方式,1、组成性表达（Constitutive expression): 看家基因(housekeeping genes):基因的表达是持续性的，不受调控的。 如：组成机体的结构蛋白；三羧酸循环中的代谢酶等。,2、诱导和阻遏表达：,基因的表达受调节物的诱导或阻遏。,如：参与DNA修复的酶类；某些代谢酶等。,三、基因表达调控的
2、生物学意义,（一）适应内外环境的变化,（二）维持个体生长，发育，增殖，分化,蛋白质是生物功能的直接执行者，在特定的时间和空间表达特定的蛋白质是满足上述功能需要的保障之一。,四、 原核生物基因表达的调控,研究原核生物的基因表达调控模式可以为探索更复杂的真核细胞基因表达调控机制提供重要的线索，对基因工程也有重要的指导意义。,（一）细菌代谢酶的诱导,葡萄糖,乳糖,细菌合成代谢葡萄糖的酶类,细菌合成代谢乳糖的酶类,（二）操纵子(operon)的结构与功能,Inhibitor gene,P,S1,S2,S3,启动子,结构基因1，2，3,O,操纵基因,Promoter,Operator gene,Stru
3、cture gene,调控区,结构基因,表达阻遏蛋白,结合RNA 聚合酶,结合 阻遏蛋白,表达功能蛋白,t,I,阻遏物基因,（三）乳糖操纵子的工作原理： 1.负调控方式,P,Z,Y,A,启动子,分解代谢乳糖的三种酶基因,O,操纵基因,调控区,结构基因,阻遏蛋白,乳 糖,变构,阻遏蛋白变构失活,阻遏蛋白,I,阻遏物基因,阻遏蛋白,阻遏状态,Z:-半乳糖苷酶,Y:乳糖穿透酶,A:转乙酰基酶,诱导状态,2. 乳糖操纵子正调控方式,P,Z,Y,A,启动子,分解代谢乳糖的三种酶基因,O,操纵基因,调控区,结构基因,CAP,变构,CAP变构激活,cAMP,CAP,CAP位点,(Catabolite Act
4、ivator Protein site),CAP,CAP: 代谢物激活蛋白,乳糖操纵子正调控与葡萄糖效应有关,细菌优先利用葡萄糖作为能源,有葡萄糖：,cAMP,CAP无活性,不促进转录,无葡萄糖：,cAMP,CAP有活性,促进转录,（四）色氨酸操纵子 1. 阻遏物介导的负调控,trpE,trpC,Trp 阻遏 蛋白基因,启动子,操纵 基因,前导序列 （leader）,衰减子（attenuator）,色氨酸生物合成 酶系基因,trpD,Trp阻遏 蛋白,有活性,Trp阻遏 蛋白,无活性,体现节省原则,2.衰减子介导的负调控,trpE,前导序列 （leader）,衰减子（attenuator）,序
5、列 1,序列 2,序列 3,序列 4,序 列 2,序 列 3,序 列 3,序 列 4,AUAUUAUUUUUUU,序列 1,两个相邻的色氨酸密码子,衰减子结构,序 列 2,序 列 3,1,（1）细菌内色氨酸（trp）缺乏时,核糖体,序列4,核糖体停留在 序列1色氨酸 密码子处,序列2和3 配对形成 发夹结构,序列3和4 无法形成 衰减子结构,继续转录 合成trp的 mRNA,trp结构基因,（2）细菌内色氨酸（trp）充足时,核糖体,核糖体占 据序列1和 序列2,序列3和4 形成 衰减子结构,转录 终止！,核糖体顺利通 过序列1色氨 酸密码子处,序列2,序 列 3,序 列 4,AUAUUAUU
6、UUUUU,基因表达的多级调控,（一）DNA水平,基因丢失；,基因扩增,基因重排；,甲基化修饰；,染色质的结构状态,（二）RNA水平,转录水平调控；,RNA的转录后加工；,mRNA从核内向胞浆转运；,mRNA稳定性,（三）蛋白质水平,翻译过程；,翻译后加工；,蛋白质的稳定性,五、真核生物基因表达与调控,（一）DNA水平,DNA甲基化（DNA methylation）与基因表达阻遏有关 基因组印记（genomic imprinting） 是说明甲基化作用在基因表达中具有 重要意义的最好例证，也是哺乳动物 所特有的现象。,染色质结构与基因表达,与DNA的 结合能力 下降,基因的 转录活性,DNA去
7、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,组蛋白被磷酸化、 甲基化、 乙酰化 等修饰,真核细胞的染色质结构是调节基因表达的物理因素。,结构松散的区域，基因的转录活性高。,1、真核生物的RNA聚合酶,种类 转录产物 对鹅膏蕈碱的敏感性,RNA pol,RNA pol,RNA pol ,45S是5.8S 、 18S和28S rRNA的前体,hnRNA是mRNA的前体,45S rRNA 不敏感,hnRNA和snRNA 高度敏感,tRNA和5S-rRNA 中度敏感,10/50,（二）RNA转录水平的调控,结构基因,终止点,10,-10,TTGACA,TATAAT,转录 起
8、始点,-35,（Pribnow box）,RNA聚合酶 辨认结合区,转录起始区,12/50,5,mRNA,3,5,编码链模板链,2、顺式作用元件与反式作用因子调控基因转录起始,（1）顺式作用元件（cis-acting element） 能与特异性转录因子结合，以决定转录的起始位点、转录效率及转录的时空特异性的DNA序列。,包括：启动子（promoter），上游启动子序列（UPS or UPE），增强子（enhancer），沉默子（silencer ），及各种因子的反应元件等。,真正转录终止点,修饰点,外显子,内含子,翻译起始,转录起始,TATA盒(Hogness box),CAAT盒,GC盒,
9、增强子,切离加尾,真核生物RNA pol 转录的基因,翻译终止,18/50,启动子,GC盒,TATA 盒,结构基因,+1,决定基因表达的基础水平,与RNA poly II 结合，决定转录起始点的精确定位。,CAAT盒,上游启动子序列（UPS）,-25,-35,-70,-80,-110,确保转录精确而有效地起始的DNA序列,增强子,能增强启动子活性的DNA序列。,特点：,1. 能远距离增强启动子的活性；,2. 在启动子的上游和下游均起作用；,3. 无方向性；,4. 对启动子的影响无严格的专一性。,作用机理：目前已知增强子与蛋白质因子结合后能改变染色质的结构。,含义：,沉默子（Silencer),
10、作用与增强子相反，在基因表达调控中起抑制作用的一种顺式作用元件； 调控作用也不受距离和方向的限制。,（2）反式作用因子 （trans-acting factor）,能直接或间接识别和结合在顺式作用元件上，调控靶基因表达的蛋白质因子，也称为转录因子（transcriptional factor，TF）。 蛋白质-DNA，蛋白质-蛋白质相互作用（interaction）是其发挥功能的基础。,（3）顺式作用元件与反式作用因子的相互作用,基因表达调控是顺式作用元件与反式作用因子相互作用的结果，二者缺一不可。,反式作用因子必需具备两个条件：,与特异顺式作用元件结合的DNA结合区；,如：螺旋-转角-螺旋；
11、锌指结构；,一个或多个与其他调控因子结合的区域。,（3）转录因子上的几种重要结构域基元（motif）,a. 螺旋-转角-螺旋 （helix-turn-helix，HTH）,HTH的基本结构是两个螺旋被一个转角结构分开。,其中一个螺旋识别特异的顺式作用元件上的DNA序列，另一个螺旋则结合在DNA上，调控基因的转录。,螺旋-转角-螺旋,b. 锌指（Zinc finger）,某些转录因子的DNA结合区域成指状结构，在其底部有2个Cys和2个His，或4个Cys 与锌离子螯合。,：任一其他 氨基酸,C：半胱氨酸 H：组氨酸,Cys2 / Cys2锌指,Cys2 / His2锌指,见于甾体激素受体,见于
12、SP1，TF A等,X,N,C,锌指,N,C,c. 亮氨酸拉链（Leu zipper）,蛋白质之间的相互作用是生命现象的普遍规律之一，在基因表达调控中同样具有重要意义。 亮氨酸拉链是蛋白质二聚体化(蛋白质相互作用的一种方式)的一种结构基础。 某些癌基因(如c-jun，v-jun，c-fos，v-fos等)表达产物通过亮氨酸拉链形成同源或异源二聚体，大大增加对DNA的结合能力，调控基因表达。,在亮氨酸拉链近N-端有富含碱性(带正电荷)氨基酸残基的区域，是DNA的结合区。,亮氨酸拉链是一个高亮氨酸组成的螺旋，每两个螺圈出现一个亮氨酸，形成拉链的一边。,两个蛋白质因子的螺旋通过亮氨酸的疏水作用结合在
13、一起形成拉链结构,亮氨酸拉链,（三）真核基因的转录后水平的调节-mRNA的加工和剪接,1. hnRNA (heterogeneous nuclear RNA),不均一核RNA，核内未被剪接的有内含子的mRNA前体。,35/50,成熟的mRNA,hnRNA,胰岛素基因,37/50,3. 断裂基因(split gene),真核生物的结构基因中，外显子被内含子间隔开，但连续镶嵌，为一个连续完整的蛋白质编码。这种基因称为断裂基因。,2. 外显子(exon)和内含子(intron),真核生物结构基因中的编码序列，称为外显子，非编码序列称为内含子。,36/50,外显子,内含子,DNA,mRNA,转录,形成
14、套索RNA，外显子靠近,并接体,去除套索RNA，外显子连接,成熟mRNA,39/50,二加工水平的调控,选择性拼接是一种广泛存在的RNA加工机制， 通过这种方式，一个基因能编码两个或多个 相关的蛋白质 组成型拼接(constitutive splicing), 一个基因只产生一种成熟的mRNA，一般 也只产生一种蛋白质产物 可调控的选择性拼接产生不同的成熟mRNA， 翻译产生不同的蛋白质,如纤粘蛋白 (fibronectin）的合成 某一特定的外显子是否被包括在成熟mRNA 内，主要取决于它的3和5端拼接位点是 否被拼接机器选择为切割位点,五、真核基因的转录后和翻译水平的调节-P428、465,