[医学]基因表达调控.ppt

1,基因表达调控,Regulation of Gene Expression,授课教师 石如玲 E-mail： Tel：3029127 监督电话：3029945 生物化学与分子生物学教研室,2,主要内容,第一节 基因表达调控的基本概念 第二节 基因表达调控的基本原理 第三节 原核基因表达调控 第四节 真核基因表达调控,3,第 一 节 基因表达调控的基本概念,Basic Conceptions of Gene Expression Regulation,4,一、基因表达的基本概念,* 基因组(genome) 某物种单倍体细胞中的全部遗传物质。,* 结构基因 (structural gene) 能转录出RNA的DNA区段。,* 基因(gene) 有遗传效应的核苷酸序列（DNA或RNA）。,5,指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译，产生具有生物学功能的产物（蛋白质、RNA），这一过程称为基因表达。,* 基因表达(gene expression),6,二、基因表达的基本特征,（一）时间特异性,7,（二）空间特异性,基因表达伴随时间顺序所表现出的空间分布差异，是由细胞在器官的分布决定的，故空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,多细胞生物个体在生长发育过程中，同一基因产物在不同组织器官的表达水平不同，称为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,8,三、基因表达的方式,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,（一）基本（或组成性）表达,某些基因在个体的几乎所有细胞中持续表达，这种表达方式称为基本表达；这类基因通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,bcl-2,-actin,9,常用的管家基因,中文名称 英文缩写 Beta肌动蛋白 -actin 甘油醛3-磷酸脱氢酶 GAPDH TATA Box结合蛋白 TBP 18s 核糖体核糖核酸 18s rRNA 微管蛋白 -Tubulin,10,管家基因在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织持续表达；无论表达水平高低，都较少受环境因素影响。 这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutive gene expression)。 只受启动子与RNA pol相互作用的影响。,11,（二）诱导和阻遏表达,在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因(inducible gene) 。,可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。,12,如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因(repressible gene) 。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。 诱导或阻遏除与启动子、RNA pol之间相互作用有关外，还与相关的反应元件有关。,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)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,（三）协调调节,14,四、基因表达调控的生物学意义,1、适应环境、维持生长和增殖,2、维持细胞分化与个体发育,15,第二节 基因表达调控的基本原理,16,一、基因表达的多级调控,基因激活,转录起始 转录后加工 mRNA降解,蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等,17,二、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。,1. 特异DNA序列,原核生物、真核生物都存在,18,原核生物, 操纵子(operon) 机制,操纵子：原核生物的一组结构基因与其调控序列构成操纵子。,Monod,J and Jacob,F,19,1) 启动序列,共有序列突变会影响RNA聚合酶与启动序列结合。共有序列决定启动序列的转录活性大小。,20,2 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（负性调节）。,21,3) 调节序列,在调节序列中有一种特异的DNA序列，可结合激活蛋白(activator)，结合后促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性（正性调节）。,衰减子：位于一些操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的序 列。,22,真核生物,顺式作用元件(cis-acting element),可影响自身基因表达活性的DNA序列,不同真核生物的顺式作用元件也存在一些共有序列 ，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。分为启动子、增强子、沉默子、反应元件。,23,2. 转录调节蛋白,1）原核基因 转录调节蛋白有三类： 特异因子：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。(如70，32) 阻遏蛋白：识别结合操纵序列，抑制基因转录。 激活蛋白：结合启动序列附近的调节序列，提高RNA聚合酶与启动序列的结合能力。如分解物基因激活蛋白（CAP）、ntrC蛋白。,24,2） 真核基因 的转录调节蛋白,大多数是DNA结合蛋白，能特异的识别结合顺式作用元件，调节靶基因转录。 绝大多数为反式调节，也有顺式调节。,反式调节：转录因子特异识别或结合其他基因的顺式作用元件。 顺式调节：转录因子特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达。,又称转录调节因子或转录因子,25,反式调节,顺式调节,26,反式作用因子（蛋白）(trans-acting factor) ： 直接或间接地识别或结合其他基因的特异顺式作用元件，参与调控该基因转录的蛋白质。,顺式作用因子（蛋白）(cis-acting factor) ： 特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达的蛋白质。,27,指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。,多数调节蛋白结合DNA之前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。,3. DNA - 蛋白质 蛋白质-蛋白质,的相互作用,28,4. RNA聚合酶（RNApol), 启动序列/启动子与RNApol活性,启动序列/启动子的核苷酸序列影响RNA pol的亲和力，影响转录活性。（强启动子、弱启动子）, 转录调节蛋白/转录因子与RNApol活性,一些特异调节蛋白（如32、 HSF）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 pol活性。,29,第 三 节 原核基因表达调控,Regulation of Prokaryotic Gene Expression,30,原核生物基因表达的特点,1. 只有一种RNA聚合酶。,2. 基因表达以操纵子为基本单位。,3. 原核基因转录单位多为多顺反子。,4. 转录和翻译偶联进行,5. mRNA翻译起始部位有特殊的碱基 序列-SD序列。,6. 原核生物基因表达的调控主要在转录水平， 即对RNA合成的调控,31,一、原核基因转录调节特点,2、因子决定RNA聚合酶识别特异性,3、操纵子模型的普遍性,4、操纵子受阻遏蛋白的负性调节,1、转录起始是主要的调节环节,转录水平的调节,32,二、乳糖操纵子调节机制,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,调控区,CAP结合位点,33,没有乳糖存在时,（二）阻遏蛋白的负性调节,无乳糖 lac操纵子处于阻遏状态 有乳糖 lac操纵子即可被诱导,34,有乳糖存在时,35,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,（三）CAP的正性调节,36,（四）协调调节,阻遏蛋白封闭转录时，CAP不能发挥作用；,如无CAP存在，即使阻遏蛋白不与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。,负性调节与正性调节协调合作,37,乳糖（）,乳糖（）,葡萄糖（）,葡萄糖（）,38,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。（分解代谢阻遏）, lac操纵子的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖,39,是正调控的典型例子,操纵子由结构基因BAD、启动子、操纵基因（O1、O2 ）、调节基因（I1、I2 、araC）构成。araC基因编码调节蛋白AraC。,三、阿拉伯糖操纵子的调控,B异构酶 A激酶 D表位酶,40,无阿拉伯糖时，AraC二聚体与O1、O2及I1结合，二聚体间相互作用使DNA弯曲成环结构。RNApol不能结合启动子，B、A、D基因不发生转录，但有低水平的araC基因转录。,41,有阿拉伯糖时AraC二聚体与阿拉伯糖结合，AraC变构，释出 O1 、O2位点，araC mRNA大量合成；同时环解开（CAP）， RNApol 结合启动子，AraC二聚体与I1和I2结合，活化RNApol，启动B、A、D基因转录。,pol,CAP-cAMP,42,四、色氨酸操纵子的调控,43,有色氨酸,无色氨酸,1）Trp 操纵子的阻遏系统,44,2）Trp 操纵子的衰减机制,衰减子（attenuator）： DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列。,前导序列：在trp mRNA5端trpE基因的起始密码前的一段mRNA片段。,阻遏控制转录的起始，而衰减控制转录起始后是否能继续下去。,45,46,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,色氨酸操纵子,L a,47,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/4,48,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,49,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,50,细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。,51,翻译水平的调控,SD序列（Shine-Dalgarno sequence） SD序列是原核mRNA上游（9-12bp左右）的一段短核苷酸序列 ，富含嘌呤,与16SrRNA3互补 SD序列与起始密码子的距离、蛋白质与SD序列的结合，影响翻译的起始 mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用,52,无红霉素时，合成前导肽。1和2、3和4形成发夹结构。SD不能与核糖体结合。 有红霉素时，红霉素与核糖体结合，抑制核糖体移动，阻止1和2形成发夹，导致2和3形成， 3和4不形成发夹，故可结合核糖体，翻译红霉素甲基化酶。,53,反义RNA的调控作用 反义RNA是能与特定mRNA互补结合的RNA片段。天然的有功能的反义RNA一般在200bp以下。又称mRNA干扰性互补RNA（micRNA）。 反义RNA作用方式：结合mRNA 5端非翻译区（包括SD序列）、起始密码AUG、非编码区，抑制翻译。,54,核糖体蛋白质合成中的自身调控 大肠杆菌核糖体蛋白有50余种，它们必需以同样的速率合成。环境的改变可导致所有核糖体组分迅速增加或降低，翻译水平调控在这些协调控制中起关键作用。50种核糖体蛋白的基因分布在几个不同的操纵子中。几个连续的基因在mRNA上是连锁的可同时打开或关闭。,55,mRNA的稳定性与调控的关系 mRNA的降解速度是翻译调控的一个重要因素。 mRNA的稳定与其序列和结构（即一级结构与次级结构）有关,56,第 四 节 真核基因表达调控,Regulation of Eukaryotic Gene Expression,57,一、真核基因组结构特点,（一）真核基因组结构庞大,58,（二）单顺反子,单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。,（三）重复序列,（四）基因不连续性,59,二、真核基因表达调控特点,（一）RNA聚合酶,（二）活性染色体结构变化,1. 对核酸酶敏感,活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。,60,2. 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,3. DNA碱基修饰变化,61,4. 组蛋白变化, 富含Lys组蛋白水平降低 H2A, H2B二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露,（三）正性调节占主导,（四）转录与翻译分隔进行,（五）转录后修饰、加工,62,三、真核基因转录激活调节,（一）顺式作用元件,1. 启动子,真核基因启动子是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。,63,64,65,（二）反式作用因子,1. 转录调节因子分类（按功能特性）,* 基本转录因子(general transcription factors),是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。,66,* 特异转录因子(special transcription factors),为个别基因转录所必需，决定该基因的