八年制基因表达与调控

1,基因表达调控,张树冰,2,主要内容：,基因表达调控的定义 原核生物基因调控（操纵子模型） 真核生物基因调控 （DNA、转录和翻译三个水平）,3,4,5,中心法则,6,基因表达调控的定义,基因表达（gene expression)：通过DNA的转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，这一过程称为基因表达。即遗传信息的转录和翻译的过程。 基因调控（gene regulation)：对基因表达过程的调节称为基因调控。通过基因调控，可以实现基因的选择性表达。,9,人beta珠蛋白基因家族,10,珠蛋白基因时空特异性表达,11,基因表达过程,12,原核生物基因表达的调控,Francois Jacob,Jacques Monod,13,乳糖操纵子模型,操纵子(operon)：细菌的主要基因调控单位，也就是转录单位。 如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加： . -半乳糖苷酶（Lac Z 基因）：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖； . -半乳糖苷透性酶（Lac Y 基因）：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖； . -半乳糖苷酶乙酰基转移酶（Lac A 基因） ： -半乳糖转变成乙酰半乳糖。 大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟 即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地加； 乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止。,14,乳糖操纵子模型的组成,结构基因(structural gene)：指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。 调控基因(regulator gene)：指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。 启动子（promoter)：一段短的核苷酸序列，是RNA聚合酶的结合位点，是转录的起始位点。 操纵基因（operator)：不编码任何蛋白，是DNA上的一小段序列，是调节基因所编码的阻遏蛋白的结合位点。,15,Mechanism of lactose operon,16,Mechanism of lactose operon,17,Mechanism of lactose operon,18,色氨酸操纵子模型,色氨酸操纵子模型：具有合成代谢途径典型的操纵子模型。 操纵子：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因； 大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制； 色氨酸不足时：这种酶的基因开始转转录； 色氨酸：作为辅阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因转录。 trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵子模型(repressible operon)。,19,20,真核生物基因表达的调控,在真核生物中基因表达的调节其特点是 （1）多层次 （2）无操纵子 （3）个体发育复杂 （4）受环境影响较小,21,真核生物基因表达的调控,DNA的改变 转录水平 转录后水平 翻译水平,22,DNA的改变,基因丢失 基因扩增 DNA 重排 DNA甲基化,23,发育过程中，一些组织的细胞丢了些基因，决定细胞分化。,马蛔虫（2n =2）,24,两栖类卵细胞rRNA基因扩增,卵细胞前体同体细胞一样具有600个rRNA基因，基因扩增后rRNA基因拷贝数达2106组装大量的核糖体。,Lampbrush chromosome,25,果蝇唾腺的多线染色体 （polytene chromosomes）,DNA可特异 扩增上千倍， 而在异染区附 近只可复制几 次。,26,动物抗体基因重排,哺乳动物一般可产生108个抗体分子，比整个基因组基因数目还多（人类为105 个基因），人类的抗体基因约有300个，为什么？,27,免疫球蛋白的结构,抗体分子结构： 重链H：440个氨基酸； 轻链L：220个氨基酸； N 端：110个氨基酸。 重链和轻链： 由变异区V和非变异区 C组成；均由二硫键连接。,28,轻链基因的重排,29,DNA甲基化,在真核生物中，少数胞嘧啶在C5的位置上的H被甲基所取代，发生甲基化后的胞嘧啶仍可渗入复制的DNA中。甲基化酶可识别一条链上半甲基化，使另一条链也甲基化。,30,亲本印记(imprinting),印记:来源于父母本的一对等位基因表达不同。如源于父本的IGF- (胰岛素样生长因子)基因可表达，而源于母本的则不能表达。此是由于卵母细胞中的IGF- 已被甲基化，而精子中的IGF-未被甲基化，所以这一对等位基因在合子中表现不同。,31,转录水平,异染色质化 DNA的包装 顺式作用元件和反式作用因子相互作用,32,Barr body in a womans cell,异染色质,33,Male Or ? female,异染色质,A calico cat: a mosaic patches,34,核小体：,35,螺旋管,36,DNA包装：,37,38,果蝇唾腺的多线染色体,39,顺式作用元件,核心启动子成分 ， 如 TATA 框 ； 上游启动子分 ，如 CAAT框 ,GC框 ; 远上游顺序 ：如增强子 ，抑制子等。 特异基因的专一性启动子成分,40,反式作用因子,通用反式作用因子，主要识别启动子 核心启动成分，如TBP； 特殊组织与细胞中的反式作用因子，如淋巴细胞中的Oct-2。,41,转录因子参与转录过程,42,43,RNA转录后加工,44,RNA剪接（splicing),真核生物基因经过转录产生的初始转录物 中，基因的内含子部分被切除，产生的外 显子彼此相连接，形成具有连续编码区的 成熟mRNA过程。,45,rRNA转录后加工,46,tRNA加工过程,47,mRNA加工过程,1. 5 caps 2. poly(A) tails 3. RNA splicing,48,49,5 caps,50,poly(A) tails,51,mRNA splicing,52,53,54,选择性mRNA切割：,同一初级转录产物在不同的细胞中用不同方式进行切割加工，形成不同的成熟mRNA分子，使蛋白质含量或组成上都可能不同。,55,翻译水平,mRNA运输控制（transport control）是对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节; mRNA翻译的控制 mRNA的结构和翻译的效率 翻译的起始调节 选择性翻译 反义RNA调控 翻译的自我调节,56,RNAi,57,真核生物与原核生物的调控差异,58,小结：,原核生物基因表达调控： 操纵子模型：乳糖操纵子，色氨酸操纵子 真核生物的基因表达调控： DNA改变：基因丢失、基因扩增、DNA 重排、DNA甲基化 转录水平：异染色质化、DNA的包装、顺式作用元件和反式作用因子相互作用 转录后水平： 翻译水平：,59,基因表达模式在细胞世代之间具有可遗传性,决定细胞类型的不是