基因表达调控 (4)课件.ppt

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1、关于基因表达调关于基因表达调控控(4)现在学习的是第1页，共77页2主主 要要 内内 容容概 述1原核生物的基因表达调控2真核生物的基因表达调控3小 结4现在学习的是第2页，共77页3教教 学学 要要 求求【教学课时教学课时】4 学时学时【掌握内容掌握内容】基因表达、管家基因的概念；基因表达的多级调控；基因表达调控的基基因表达、管家基因的概念；基因表达的多级调控；基因表达调控的基本要素；乳糖操纵子调节机制；顺式作用元件和反式作用因子。本要素；乳糖操纵子调节机制；顺式作用元件和反式作用因子。【熟悉内容熟悉内容】原核生物基因转录调节特点；真核生物基因组结构特点；真核原核生物基因转录调节特点；真核生

2、物基因组结构特点；真核生物基因表达调节特点。生物基因表达调节特点。【了解内容了解内容】基因表达的方式；其他转录调节机制。基因表达的方式；其他转录调节机制。现在学习的是第3页，共77页4第一节第一节 概概 述述Basic Conceptions of Gene Expression Regulation现在学习的是第4页，共77页5 基因组(genome)是指来自一个生物体的一整套遗传物质。基因(gene)是遗传的基本单位，是负载着特定遗传信息的DNA片段，编码具有生物学功能的多肽链或RNA。现在学习的是第5页，共77页6 基因表达(gene expression)是指基因转录及翻译的过程。而对

3、上述过程的调节与控制就是基因表达调控（control of gene expression）一、基因表达的特异性时间特异性空间特异性现在学习的是第6页，共77页7（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，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。现在学习的是第7页，共77页8（二）空间特异性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布决定的，所以空间特异性又称细胞特异性(cell specificity)或组织特异性(tis

4、sue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。现在学习的是第8页，共77页9二、基因表达调控的方式 在个体生长和发育过程中，基因的适度表达而产生特定的生物效应，而且基因表达随环境变化而变化，呈现出一定的特异性，这就是基因表达调控(regulation of gene expression)。现在学习的是第9页，共77页10按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达 诱导表达和阻遏表达 协调表达现在学习的是第10页，共77页11（一）基本（或组成性）表达 某些基因

5、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。管家基因的这种表达方式称为组成性表达(constitutive expression)。现在学习的是第11页，共77页12（二）诱导表达和阻遏表达有些基因的表达受环境信号的刺激而开放或增强，基因表达产物水平升高，这一过程称为诱导表达(induction expression)。相反，有些基因的表达受环境信号的刺激而关闭或减弱，基 因 表 达 产 物 水 平 下 降，这 一 过 程 称 为阻

6、 遏 表 达(repression expression)。现在学习的是第12页，共77页13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)，这种调控方式称为协调调控(coordinate regulation)。（三）协同表达现在学习的是第13页，共77页14三、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所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。现在学习的是第14页，共77页15（二）维

7、持细胞分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。现在学习的是第15页，共77页16四、基因表达的多级调控四、基因表达的多级调控激活转录起始翻译后加工 蛋白质降解 翻译成熟mRNA基因肽链转录后加工mRNA降解初级转录产物功能蛋白转录后加工翻译后修饰转运核苷酸降解氨基酸降解现在学习的是第16页，共77页17 现在学习的是第17页，共77页18五、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。（一）特异DNA序

8、列和调节蛋白质现在学习的是第18页，共77页19原核生物 蛋白质因子 操纵子(operon)机制特异DNA序列编码序列 启动序列 操纵序列 其他调节序列(promoter)(operator)现在学习的是第19页，共77页是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1)启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列现在学习的是第20页，共

9、77页21共有序列(consensus sequence)决定启动序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。现在学习的是第21页，共77页222 操纵序列 阻遏蛋白(repressor)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，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白现在学习的是第22页，共77页233)其他调节序列、调节蛋白例如激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。有些基因在没

10、有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。现在学习的是第23页，共77页24真核生物1)顺式作用元件(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点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。现在学习的是第24页，共77页252)真核基因的调节蛋白还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。反式作用因子(trans-

11、acting factor)这种调节作用称为反式作用。现在学习的是第25页，共77页cDNAaDNA反式调节C顺式调节 mRNA C蛋白质CBA mRNA蛋白质AA现在学习的是第26页，共77页27指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。（二）DNA-蛋白质 蛋白质-蛋白质的相互作用现在学习的是第27页，共77页28（三）RNA聚合酶1)原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性 RNA聚合酶与其的

12、亲和力，影响转录。2)调节蛋白与RNA聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。现在学习的是第28页，共77页29第二节第二节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控Regulation of Gene Expression in Prokaryote 现在学习的是第29页，共77页30调节的主要环节在转录起始。一、原核生物基因表达调控的特点（一）因子决定转录的特异性 在转录起始阶段，因子识别特异启动序列；不同的因子可以竞争结合核心酶决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。现在学习的

13、是第30页，共77页31（二）操纵子模型的普遍性 操纵子(operon)是原核生物绝大多数基因的转录单位，由启动子、操纵基因和一组结构基因组成。一个操纵子只含一个启动序列及数个可转录的编码基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子mRNA(polycistronic mRNA)。原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完成的。现在学习的是第31页，共77页32（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。现在学习的是第32页，共77页33二、原核生物基因表达调控的基本要素 RNA

14、聚合酶 调控序列 调控蛋白现在学习的是第33页，共77页34调控序列主要指具有调节功能的特异DNA序列原核生物操纵子调控机制。1.启动序列 RNA聚合酶结合并启动转录。2.操纵序列与启动序列毗邻，其DNA序列常与启动序列交错、重叠，它是原核阻遏蛋白的结合位点介导负性调节。3.其他调节序列：结合激活蛋白介导正性调节。现在学习的是第34页，共77页35调控蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白 转录特异因子(specificity factor)决定RNA聚合酶对启动序列的特异性识别和结合能力 激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强

15、RNA聚合酶活性阻遏蛋白(repressor)可结合特异DNA序列操纵序列，阻遏基因转录，介导负性调节机制 现在学习的是第35页，共77页36（一）乳糖操纵子的结构 结构基因Z：-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA三、乳糖操纵子(lac operon)I 调控区CAP结合位点启动序列操纵序列调节基因I 编码阻遏Pr现在学习的是第36页，共77页37（二）乳糖操纵子的阻遏调控-可诱导调控无乳糖存在时有乳糖存在时半乳糖与阻遏物结合阻遏物变构阻遏物不能结合操纵基因转录进行基因开放阻遏物结合在操纵基因上阻止转录过程基因关闭现在学习的是第37页，共77页38mRNA阻遏蛋白IDNAZYA

16、OPpol没有乳糖存在时调节基因现在学习的是第38页，共77页39mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶现在学习的是第39页，共77页40（三）乳糖操纵子的激活调控-CAP正性调节CAP是同二聚体CAP是激活蛋白，包含DNA结合域和cAMP结合域CAP+cAMP 复合物结合在CAP位点上促进RNA pol向前移动促转录现在学习的是第40页，共77页41+转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP现在学习的是第41页，共77页42 有葡萄糖存在时，cAMPcAMP-CAP形成复合

17、物，不能结合CAP位点上正调控作用乳糖操纵子不能表达。（虽然有乳糖存在，乳糖操纵子不开放基因）无葡萄糖存在时，cAMPcAMP-CAP形成复合物正调控作用 基因表达。当有葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，因此lac操纵子表达下降。Q:葡萄糖、乳糖同时存在时，先利用?现在学习的是第42页，共77页43现在学习的是第43页，共77页44协调调节 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用。如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对lac操纵子的

18、阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。现在学习的是第44页，共77页45第三节第三节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控Regulation of Gene Expression in Eukaryote 现在学习的是第45页，共77页46一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组DNA 约 3109碱基对。人编码基因约4万个，编码序列仅占总长的1%。rDNA等重复基因约占5%10%。现在学习的是第46页，共77页47（二）真核基因转录产物为单顺反子mRNA单顺反子(monocistron)即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经

19、翻译生成一条多肽链。（三）真核基因组含有大量的重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106 次）中度重复序列（103 105次）多拷贝序列现在学习的是第47页，共77页48 真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含子(intron)、外显子(exon)之分，因此真核基因是不连续的。（四）真核基因是断裂基因，编码序列是不连续的现在学习的是第48页，共77页49二、真核基因表达调控的特点（一）真核细胞内含有多种RNA聚合酶真核RNA聚合酶有三种，即RNA pol I、II及 III，分别负责三种RNA转录。转录起始仍是最基本环节现在学习的是

20、第49页，共77页50（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化 对核酸酶敏感 DNA拓扑结构变化 DNA碱基修饰变化 组蛋白变化现在学习的是第50页，共77页51对核酸酶敏感DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后:RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。现在学习的是第51页，共77页52DNA碱基的甲基化修饰变化 真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化 甲基化范围与基因表达程度呈反比,处于转录活化状态的基因CpG序列一般是低甲基化4.组蛋白变化富含Lys组蛋白水平降低H2AH2B二聚体不稳定性增加组蛋白H3、H4发生乙

21、酰化、甲基化或磷酸化修饰现在学习的是第52页，共77页53（三）以正性调节占主导 采用正性调节机制更精确：一个负性调节元件的结合足可阻断RNA聚合酶的结合，因此同时采用几个负性调节元件一般不会改变特异性；相反，如果采用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。采用负性调节不经济：在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。现在学习的是第53页，共77页54（四）在真核细胞中转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工更为复杂 真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同细胞部位进行，转录在细胞核，翻译在细

22、胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。现在学习的是第54页，共77页55三、RNA Pol I和Pol III转录体系的调节相对简单（一）RNA Pol I转录体系RNA Pol I的转录产物只有rRNA前体，经剪接修饰生成除5S rRNA外的各种rRNA。启动子元件包括：核心元件(core element)或核心启动子(core promoter)和上游控制元件(upstream control element,UCE)。现在学习的是第55页，共77页56（二）RNA Pol III转录体系RNA Pol III的转录产物：多种小分子RNA，包括tRNA、5S rRNA和

23、一部分小核RNA。启动子位于转录起始点下游，称内部控制区(internal control regions,ICR)。现在学习的是第56页，共77页57（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性四、RNA Pol II转录起始的调节非常复杂 即调控序列，是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的DNA序列。包括启动子(promoter)启动转录所必需 增强子(enhancer)起正性调控作用 沉默子(silencer)起负性调控作用 现在学习的是第57页，共77页58 启动子 定义 指RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。特点n 核心启动子：

24、TATA盒；由TATA盒及转录起始点即可构成最简单的启动子n CAAT盒、GC盒非必需n 上游活化序列，由其它序列代替此两种序列。现在学习的是第58页，共77页5953-80 -110-70 -80-25 -30CGboxCAATboxTATAboxTATA:控制转录的精确起始。CAATCG控制转录起始频率现在学习的是第59页，共77页60CCAAT盒GC盒TATA盒转录起始点高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒转录起始点酵母真核基因启动子的典型结构现在学习的是第60页，共77页61 定义 远离转录起始点(130Kb)，决定基因的时间、空间特异性表达，增强启动子转录活性的DNA序列。特

25、点远距离作用、无严格专一性（一种增强子可增强不同类型的启动子）、没有方向性 从功能上讲，没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动子时，增强子也无法发挥作用。增强子现在学习的是第61页，共77页62 定义 指真核细胞中能阻遏启动子转录作用的远方顺式作用元件负性调控序列。特点 其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。沉默子现在学习的是第62页，共77页63 指与DNA调控序列相互作用的因子，本质是蛋白质，也称调控蛋白。通常与顺式作用元件结合而影响转录，故又称转录因子。（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录 调控蛋白现在学习的是第63页，共77页64按功能分类基本转录因子：RNA聚合酶

26、与启动子结合所必需的一组蛋白因子特异转录因子：是个别基因转录所必须，决定该基因的时间、空间特异性表达。包括转录调节因子和共调节因子 转录激活因子：与增强子结合转录抑制因子：与沉默子结合现在学习的是第64页，共77页65转录调节因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域现在学习的是第65页，共77页66最常见的DNA结合域：锌指(zinc finger)C CysH His常结合GC盒现在学习的是第66页，共77页67a-螺旋常结合CAAT盒 碱性螺旋-环-螺旋 碱性亮氨酸拉链 现在学习的是第67页，共77页68（三）mRNA转录激

27、活需要转录起始复合物的形成真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP图13-9 转录起始复合物的形成 现在学习的是第68页，共77页69五、转录后水平的调节也是基因表达调控的重要环节（一）hnRNA加工成熟的调节（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物(ribonucleoprotein,RNP)进行。现在学习的是第69页，共77页70六、基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节（一）对翻译起始因子活性的调节主要通

28、过磷酸 化修饰进行蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（eukaryotic initiation factor,eIF）的活性对起始阶段有重要的控制作用。现在学习的是第70页，共77页71（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节 RNA结合蛋白（RNA binding protein,RBP），是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如前述转录终止、RNA剪接、RNA转运、RNA胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。现在学习的是第71页，共77页72（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速 调控基因表达新合成蛋白

29、质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。现在学习的是第72页，共77页73是一大家族小分子非编码单链RNA，长度约2025个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为7090个碱基的单链RNA 前体(pre-miRNA)经Dicer酶剪切后形成。（四）小分子RNA对基因表达的调节十分复杂1微小RNA(microRNA,miRNA)现在学习的是第

30、73页，共77页74 其长度一般为2025个碱基；在不同生物体中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。nmiRNA的特点：现在学习的是第74页，共77页75 是细胞内一类双链RNA(double-stranded RNA，dsRNA)在特定情况下通过一定酶切机制，转变为具有特定长度(2123个碱基)和特定序列的小片段RNA。双链siRNA参与RISC（RNA诱导的沉默复合体）组成，与特异的靶mRNA完全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。由siRNA介导的基因表达抑制作用被称为RNA干涉(RNA interference，RNAi)。2小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)现在学习的是第75页，共77页RNA干扰机制现在学习的是第76页，共77页感谢大家观看现在学习的是第77页，共77页