1、 基基因因表表達(dá)達(dá)調(diào)調(diào)控控第第十十三三章章 第一節(jié)第一節(jié)基本概念與原理基本概念與原理 一、基因表達(dá)的概念一、基因表達(dá)的概念 基因組基因組 (genome)：一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或 整套基因。整套基因?；虮磉_(dá)基因表達(dá) (gene expression)：在一定調(diào)節(jié)機(jī)制控制下，基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄及在一定調(diào)節(jié)機(jī)制控制下，基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄及 翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì) 分子的過程。分子的過程。 二、基因表達(dá)的特性二、基因表達(dá)的特性( (一一) ) 時(shí)間特異性時(shí)間特異性按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)按功能需要，某一

2、特定基因的表達(dá)嚴(yán) 格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。多細(xì)胞生物基因表達(dá)表現(xiàn)為與分化、多細(xì)胞生物基因表達(dá)表現(xiàn)為與分化、 發(fā)育階段一致的時(shí)間性，因此又稱發(fā)育階段一致的時(shí)間性，因此又稱階段階段 特異性。特異性。 ( (二二) ) 空間特異性空間特異性在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)。在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)。這種空間分布差異，實(shí)際上是由細(xì)這種空間分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，因此又稱為胞在器官的分布決定的，因此又稱為細(xì)細(xì)胞或組織特異性胞或組織特異性。 三、基因表達(dá)的方式三、基因表達(dá)的方式 ( (一一) ) 組成性

3、表達(dá)組成性表達(dá) 某些基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有某些基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有 細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因管家基因 (house-keeping gene)(house-keeping gene)。 由于這類基因表達(dá)變化很小，所由于這類基因表達(dá)變化很小，所 以又稱為以又稱為組成性表達(dá)組成性表達(dá)。 ( (二二) ) 誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)和阻遏表達(dá) 在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因 被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因 稱為稱為可誘導(dǎo)基因可誘導(dǎo)基因?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境

4、中表達(dá)增強(qiáng)的 過程稱為過程稱為誘導(dǎo)誘導(dǎo)(induction)(induction)。 如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制， 這種基因是這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋颉？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物降低的過程稱可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物降低的過程稱 為為阻遏阻遏(repression)(repression)。 在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表協(xié)調(diào)表達(dá)達(dá)(coordinate expression)(coordinate expres

5、sion)。 這種調(diào)節(jié)稱為這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinate (coordinate regulation)regulation)。 四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義 ( (一一) ) 適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖生物體賴以生存的外環(huán)境是在不斷變化的，生物體賴以生存的外環(huán)境是在不斷變化的， 為了生存，所有活細(xì)胞都必須對外環(huán)境變化為了生存，所有活細(xì)胞都必須對外環(huán)境變化作出適當(dāng)反應(yīng)，調(diào)節(jié)代謝，以適應(yīng)環(huán)境變化。作出適當(dāng)反應(yīng)，調(diào)節(jié)代謝，以適應(yīng)環(huán)境變化。生物體適應(yīng)環(huán)境、調(diào)節(jié)代謝的能力與蛋白質(zhì)生物體適應(yīng)環(huán)境、調(diào)節(jié)代謝的能力與蛋白質(zhì)分子的生物學(xué)功能

6、有關(guān)。而蛋白質(zhì)的水平又分子的生物學(xué)功能有關(guān)。而蛋白質(zhì)的水平又受基因表達(dá)的調(diào)控。受基因表達(dá)的調(diào)控。 ( (二二) ) 維持個(gè)體發(fā)育與分化維持個(gè)體發(fā)育與分化多細(xì)胞生物調(diào)節(jié)基因的表達(dá)除為適應(yīng)環(huán)多細(xì)胞生物調(diào)節(jié)基因的表達(dá)除為適應(yīng)環(huán) 境外，還有維持組織器官分化、個(gè)體發(fā)育的境外，還有維持組織器官分化、個(gè)體發(fā)育的 功能。功能。當(dāng)某種基因缺陷或表達(dá)異常時(shí)，則會(huì)出當(dāng)某種基因缺陷或表達(dá)異常時(shí)，則會(huì)出 現(xiàn)相應(yīng)組織或器官的發(fā)育異常?，F(xiàn)相應(yīng)組織或器官的發(fā)育異常。 五、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理五、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理 ( (一一) ) 基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控 基因激活基因激活轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工及轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)

7、錄后加工及轉(zhuǎn)運(yùn)翻譯翻譯翻譯后加工翻譯后加工 (二二) 基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素 1. 特異特異DNA序列序列(1) 原核生物的操縱子原核生物的操縱子操縱子操縱子(operon)：通常由：通常由2個(gè)以上的編碼序個(gè)以上的編碼序 列與啟動(dòng)序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列列與啟動(dòng)序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列 在基因組中成簇串聯(lián)，組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。在基因組中成簇串聯(lián)，組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。操縱序列啟動(dòng)序列其他調(diào)節(jié)序列編碼序列 1) 啟動(dòng)序列（啟動(dòng)子）：啟動(dòng)序列（啟動(dòng)子）：是是RNA聚合聚合 酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。序列。TTGACAN17TTAACTN

8、7AN16TATGATN7AN17TATGTTN6ATTGATAN16TATAATN7ACTGACGN16TACTGTN6ATTTACATTTACAtrptRNATyrlacrec Aara BAD區(qū)區(qū)3510轉(zhuǎn)錄起始共有序列TTGACATATAAT決定轉(zhuǎn)錄活性 2) 操縱序列（操縱序列（operator）：）：是是阻遏蛋白阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn) 當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或使聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或使RNA聚聚 合酶不能沿合酶不能沿DNA向前移動(dòng)，阻礙轉(zhuǎn)錄。向前移動(dòng)，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)序列 操縱序列編碼序列阻遏蛋白R(shí)

9、NA pol 3) 3) 其他調(diào)節(jié)序列：其他調(diào)節(jié)序列：有的特異有的特異DNADNA序列可結(jié)合序列可結(jié)合激活蛋白激活蛋白，增強(qiáng)，增強(qiáng) RNARNA聚合酶活性，使轉(zhuǎn)錄激活。聚合酶活性，使轉(zhuǎn)錄激活。 (2) 真核生物的真核生物的順式作用元件順式作用元件 （cis-acting element）是指可影響自身基因表達(dá)活性的特異是指可影響自身基因表達(dá)活性的特異DNA 序列。通常是非編碼序列。包括啟動(dòng)子、增序列。通常是非編碼序列。包括啟動(dòng)子、增 強(qiáng)子及沉默子等。強(qiáng)子及沉默子等。編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)AB 2. 2. 調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白(1)(1)原核生物基因調(diào)節(jié)蛋白原核生物基因調(diào)節(jié)蛋白: :均為均為DNADNA

10、結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白特異因子：特異因子：決定決定RNARNA聚合酶對啟動(dòng)序列的特異聚合酶對啟動(dòng)序列的特異 性識(shí)別和結(jié)合能力。性識(shí)別和結(jié)合能力。阻遏蛋白：阻遏蛋白：可結(jié)合操縱序列，阻遏基因轉(zhuǎn)錄?？山Y(jié)合操縱序列，阻遏基因轉(zhuǎn)錄。激活蛋白：激活蛋白：可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNADNA序列，序列， 促進(jìn)促進(jìn)RNARNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合， 增強(qiáng)增強(qiáng)RNARNA聚合酶活性。聚合酶活性。 (2) 真核生物基因調(diào)節(jié)蛋白真核生物基因調(diào)節(jié)蛋白 轉(zhuǎn)錄因子（轉(zhuǎn)錄因子（TF）絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由某一基因表絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由某一基因表 達(dá)后，通過與特異的順式作用元件

11、相互作用，達(dá)后，通過與特異的順式作用元件相互作用， 影響另一基因的轉(zhuǎn)錄，稱為影響另一基因的轉(zhuǎn)錄，稱為反式作用因子反式作用因子（trans-acting factor）。）。 有些真核調(diào)節(jié)蛋白可特異識(shí)別、結(jié)有些真核調(diào)節(jié)蛋白可特異識(shí)別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的開啟或關(guān)閉，稱為的開啟或關(guān)閉，稱為順式作用蛋白順式作用蛋白。 aADNAmRNA蛋白質(zhì)AbA反反式式調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)CcCDNAmRNA蛋白質(zhì)C順順式式調(diào)調(diào)節(jié)節(jié) 3. DNA蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)、 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用 DNA蛋白質(zhì)相互作用蛋白質(zhì)相互作用特異識(shí)別特異識(shí)別非共價(jià)結(jié)合非共價(jià)結(jié)合DNA結(jié)合位點(diǎn)常呈對稱結(jié)構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)常呈對稱結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用形成二聚體或多聚體，間接結(jié)合形成二聚體或多聚體，間接結(jié)合DNA 4. RNA4. RNA聚合酶聚合酶（1 1）啟動(dòng)子與）啟動(dòng)子與RNARNA聚合酶活性聚合酶活性 啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列/ /啟動(dòng)子是由轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、啟動(dòng)子是由轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、RNARNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)及控制轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)聚合酶結(jié)合位點(diǎn)及控制轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)組件組成。組件組成。啟動(dòng)序列影響其與啟動(dòng)序列影響其與RNARNA聚合酶的親聚合酶的親和力，而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄和力，而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄