基因表达的调控.ppt

第三章 基因表达的调控 转录 rr rnarna的生物合成是以的生物合成是以dnadna为模板的转录过程为模板的转录过程 rr 转录的产物不仅是作为蛋白质合成模板的转录的产物不仅是作为蛋白质合成模板的mrnamrna，也也 包括包括trnatrna和和rrnarrna rr 转录过程也包括起始、延长和终止三个阶段转录过程也包括起始、延长和终止三个阶段 第一节第一节. . 模板和酶模板和酶 section 1.section 1. template & template & enzymeenzyme rr 转录的模板只有转录的模板只有dnadna分子中的其中一条分子中的其中一条 rr 转录的主要酶是依赖转录的主要酶是依赖dnadna的的rnarna聚合酶聚合酶 一、转录模板一、转录模板 ( (template of transcription)template of transcription) 1. 1. 不对称转录不对称转录( (asymmetric transcription)asymmetric transcription) 2. 2. 模板链与编码链模板链与编码链 l l 与复制不同，转录具有选择性，只转录与复制不同，转录具有选择性，只转录dnadna分子中的某分子中的某 些区段，即结构基因些区段，即结构基因( (structural gene)structural gene) l l 结构基因中只有一条链可作为模板链，但不同的模板链结构基因中只有一条链可作为模板链，但不同的模板链 并不都在并不都在dnadna分子中的同一单链上分子中的同一单链上 l l 是指编码基因是指编码基因( (转录产物为转录产物为mrna)mrna)中互补的两条链，其中中互补的两条链，其中 直接作为转录模板的称为模板链，对应的另一条称为编直接作为转录模板的称为模板链，对应的另一条称为编 码链码链 l l 转录的方向为转录的方向为5533，因此处在不同单链的模板转录方向，因此处在不同单链的模板转录方向 相反相反 ( (一一) )、原核生物的、原核生物的rnarna聚合酶聚合酶 1. 1. e.e.colicoli的的rna-rna-polpol 2. 2. 其它原核生物的其它原核生物的rnarna聚合酶与聚合酶与e.e.colicoli的的rna-rna-polpol组成和功组成和功 能相似能相似 3. 3. 原核生物的原核生物的rnarna聚合酶均受利福霉素类抗生素聚合酶均受利福霉素类抗生素抑制抑制 转录酶转录酶( (transcriptase)transcriptase)为为依赖依赖dnadna的的rnarna聚合酶聚合酶( (dna- dna- dependent rna polymerase)dependent rna polymerase)，缩写为缩写为ddrpddrp或或rna-rna-polpol 二、二、rnarna聚合酶聚合酶 ( (rna polymerase)rna polymerase) l l 组成组成: : 4 4种亚基组成的五聚体种亚基组成的五聚体 2 2 l l 核心酶核心酶: : 2 2 ，具有催化活性，但没有特异性，需，具有催化活性，但没有特异性，需 亚亚 基辨认转录起始点基辨认转录起始点 ( (二二) )、真核生物的、真核生物的rnarna聚合酶聚合酶 1. 1. 种类种类 rna-rna-polpol、rna-rna-polpol和和rna-rna-polpol 2. 2. 功能功能 三种酶具有不同的功能，转录产物不同，对抑制剂鹅三种酶具有不同的功能，转录产物不同，对抑制剂鹅 膏蕈碱有不同敏感性。膏蕈碱有不同敏感性。 种类种类 rna-rna-polpol rna-rna-polpol rna-rna-polpol 转录产物转录产物 4545s-rrna hnrna 5s-rrna, trna, snrnas-rrna hnrna 5s-rrna, trna, snrna amanitinamanitin反应反应 耐受耐受 极敏感极敏感 中度敏感中度敏感 l l rna-rna-polpol和和rna-rna-polpol 的转录产物为非编码基因，只的转录产物为非编码基因，只 有有rna-rna-polpol转录的是编码基因，是真核生物中最活跃转录的是编码基因，是真核生物中最活跃 的的rnarna聚合酶聚合酶 l l 三种酶在组成上均为多亚基蛋白，且有共有成分三种酶在组成上均为多亚基蛋白，且有共有成分 ( (一一) )、转录单位、转录单位 是指在是指在dnadna分子上的一些不连续的转录区段，又称为分子上的一些不连续的转录区段，又称为 操纵子操纵子( (operonoperon) ) 。 ( (二二) )、转录单位的构成、转录单位的构成 ( (三三) )、启动子、启动子 三、模板与酶的辨认结合三、模板与酶的辨认结合 ( (binding of enzyme to template)binding of enzyme to template) 1. 1. 包括结构基因及其上游调控序列包括结构基因及其上游调控序列 2.2. 调控序列的启动子调控序列的启动子( (promoter)promoter)是是rnarna聚合酶结合的部位聚合酶结合的部位 1. 1. 是上游调控区的特定片段，是是上游调控区的特定片段，是rnarna聚合酶辨认并结合的聚合酶辨认并结合的 位置位置 2.2. 原核生物的启动子包括两个区段，原核生物的启动子包括两个区段，-35-35区和区和-10-10区，前者区，前者 是辨认位点，后者是起始位点是辨认位点，后者是起始位点 第二节第二节. . 转录过程转录过程 section 2.section 2. process of transcriptionprocess of transcription 转录时，转录时，dnadna只在小范围只在小范围(1020(1020bp)bp)内解链提供模板，内解链提供模板， 形成转录空泡形成转录空泡( (transcription bubble)transcription bubble)。 ( (一一) )、原核生物的转录起始、原核生物的转录起始 1. 1. 首先由首先由rnarna聚合酶的聚合酶的 因子辨认转录起始点因子辨认转录起始点(-35(-35区区) )，随即，随即 结合于结合于-10-10区的区的pribnowpribnow盒，转录在此开始。盒，转录在此开始。 2. 2. 转录开始后，转录开始后， 因子解离，此时由因子解离，此时由rna-rna-polpol的核心酶、的核心酶、 dnadna模板和转录产物模板和转录产物rnarna一起组成转录起始复合物。一起组成转录起始复合物。 3.3. 转录不需要引物转录不需要引物 一、转录起始一、转录起始 ( (initiation of transcription)initiation of transcription) 4.4. 转录产物转录产物rnarna的第一个的第一个5-5-端核苷酸一直保持三磷酸核苷端核苷酸一直保持三磷酸核苷 的形式的形式 ( (二二). ). 真核生物的转录起始真核生物的转录起始 1.1. 真核生物的顺式作用元件和反式作用元件真核生物的顺式作用元件和反式作用元件 真核生物的转录起始较为复杂，受很多因素的控制。真核生物的转录起始较为复杂，受很多因素的控制。 保证了基因转录表达的时序性。保证了基因转录表达的时序性。 (1).(1). 顺式作用元件顺式作用元件( (ciscis-acting element)-acting element) 是指位于转录起始点上游的某些是指位于转录起始点上游的某些dnadna片段，与转录起始片段，与转录起始 的控制有关，如的控制有关，如tatatata盒盒( (hognesshogness盒盒 ) ) 、caatcaat盒。盒。 (2).(2). 反式作用元件反式作用元件( (trans-acting element)trans-acting element) 是指能直接或间接辨认、结合于转录上游区段的蛋白是指能直接或间接辨认、结合于转录上游区段的蛋白 因子。其中可结合于因子。其中可结合于rnarna聚合酶的称为转录因子聚合酶的称为转录因子( (trans-trans- criptionalcriptional factor,tf) factor,tf)。 2.2. 转录因子和真核生物的转录起始复合物转录因子和真核生物的转录起始复合物 l l 转录因子种类很多，能分别结合转录因子种类很多，能分别结合rna-rna-polpol、的的 tftf分别称为分别称为tftf、tftf、tftf，每一类又分许多亚类每一类又分许多亚类 l l 转录因子的功能多样：包括辨认、促进结合其它因子；转录因子的功能多样：包括辨认、促进结合其它因子； 结合结合rnarna聚合酶；结合或水解聚合酶；结合或水解dnadna；解旋解旋 l l 真核生物转录起始复合物的形成较复杂，需不同的真核生物转录起始复合物的形成较复杂，需不同的tftf亚亚 类次序组装，再结合类次序组装，再结合rnarna聚合酶，形成起始前复合物聚合酶，形成起始前复合物 ( (pre-initiation complex, pic)pre-initiation complex, pic) ( (一一) )、转录延长的生化过程、转录延长的生化过程 二、转录的延长二、转录的延长 ( (elongation of transcriptionelongation of transcription) ) 1.1. 转录延长过程与复制基本相同，只是产物及酶不同。转录延长过程与复制基本相同，只是产物及酶不同。 2.2. 3,5-3,5-磷酸二酯键的形成和合成的方向磷酸二酯键的形成和合成的方向(5(53)3)一样一样 ( (二二) )、延长的特点、延长的特点 1.1. rna-rna-polpol 随延长方向在模板上移动，解开一段转录一段随延长方向在模板上移动，解开一段转录一段, , 已转录片段迅速恢复双螺旋已转录片段迅速恢复双螺旋 , , 即形成移动的转录空泡。即形成移动的转录空泡。 2.2. 在转录复合体中，合成的在转录复合体中，合成的rnarna 链的链的33- -端有部分与模板链形成端有部分与模板链形成 杂化双链，但不稳定，随着杂化双链，但不稳定，随着 延长的进行延长的进行, , 55- -端逐渐脱落。端逐渐脱落。 3.3. 原核生物是边转录边翻译。原核生物是边转录边翻译。 ( (一一) )、原核生物的转录终止、原核生物的转录终止 三、转录的终止三、转录的终止 ( (termination of transcription)termination of transcription) 1.1. 依赖依赖 因子的转录终止因子的转录终止 2. 2. 非依赖非依赖 因子的转录终止因子的转录终止 l l 因子是一种均一六聚体蛋白因子是一种均一六聚体蛋白, ,其作用是结合终止区其作用是结合终止区rnarna, , 抑制抑制rnarna聚合酶，转录终止，同时使聚合酶，转录终止，同时使rna-dnarna-dna杂化双链杂化双链 解旋，从而释放解旋，从而释放rna rna l l 转录产物转录产物rnarna的末端通过形的末端通过形 成自身局部双螺旋，产生回成自身局部双螺旋，产生回 折，形成发夹样结构，从而折，形成发夹样结构，从而 实现终止和释放实现终止和释放 ( (二二) )、真核生物的转录终止、真核生物的转录终止 第三节第三节. . 真真 核核 生生 物物 的的 转转 录录 后后 修修 饰饰 section 3.section 3. post-transcriptional modification of eucaryotes post-transcriptional modification of eucaryotes rr 转录生成的转录生成的rnarna是初级转录产物，均需要一定的修饰后，是初级转录产物，均需要一定的修饰后， 才具有生物活性。才具有生物活性。 l l 转录终止点为一特征序列转录终止点为一特征序列aataaaaataaa，称为转录终止的修称为转录终止的修 饰点饰点 l l 转录往往会越过终止点，但产物转录往往会越过终止点，但产物rnarna在修饰点处很快被在修饰点处很快被 切断释放，并进行切断释放，并进行5-5-加帽和加帽和3-3-加尾修饰。余下越过终加尾修饰。余下越过终 止点的片段随即被止点的片段随即被rnaasernaase水解。水解。 ( (一一) )、首、尾的修饰、首、尾的修饰 1. 5-1. 5-加帽加帽 2. 3-2. 3-加尾加尾 一一 、真核生物真核生物mrnamrna的转录后加工的转录后加工 ( (modification of eucaryotic mrna)modification of eucaryotic mrna) 磷酸酶磷酸酶 l l 核内进行，且在剪接修饰之前，即核内进行，且在剪接修饰之前，即hnrnahnrna就有帽子结构就有帽子结构 l l 过程过程 55ppppppg 5g 5 p p g 5gg 5gppppppg g mm g g ppppppg g gtp pigtp pi ppippi 甲基化酶甲基化酶 chch 3 3 l l 核内进行核内进行, , 也在剪接修饰之前也在剪接修饰之前, , 且与转录的终止同时进行且与转录的终止同时进行 l l 先在核酸外切酶作用下切去先在核酸外切酶作用下切去3-3-端过剩片段，再加上端过剩片段，再加上 polyapolya ( (二二) )、 真核生物真核生物mrnamrna的剪接的剪接 1. 1. hnrnahnrna和和snrnasnrna 2. 2. 断裂基因、外显子和内含子断裂基因、外显子和内含子 3. 3. hnrnahnrna剪接为剪接为mrnamrna l l hnrna(hnrna(核不均一核不均一rna)rna)是是mrnamrna的前体的前体 l l snrna(snrna(小核小核rna)rna)是核内的小分子是核内的小分子rnarna，与蛋白构成并与蛋白构成并 接体接体( (splicesome)splicesome)，其作用是帮助其作用是帮助hnrnahnrna的剪接的剪接 (1). (1). 断裂基因断裂基因( (split gene)split gene) 真核生物的结构基因由编码区和非编码区间隔排列而真核生物的结构基因由编码区和非编码区间隔排列而 成，称为断裂基因。成，称为断裂基因。 (2). (2). 外显子外显子( (exon)exon)和内含子和内含子( (intron)intron) 断裂基因中具有编码信息的称为外显子，非编码区称断裂基因中具有编码信息的称为外显子，非编码区称 为内含子。在断裂基因中往往有多个外显子和内含子。为内含子。在断裂基因中往往有多个外显子和内含子。 ( (三三) )、 内含子的其它剪接方式及功能内含子的其它剪接方式及功能 1.1. 内含子的分类内含子的分类 (1).(1). 按基因的类型分按基因的类型分 l l 第第类类: : 存在于细胞器或低等生物的存在于细胞器或低等生物的rrnarrna基因基因 l l 第第类类: : 存在于细胞器，转录产物为存在于细胞器，转录产物为mrnamrna 第第,类均可自身剪接类均可自身剪接( (依赖于核酶依赖于核酶) ) l l 第第类类: : 存在于大多数基因及存在于大多数基因及mrnamrna , , 依赖于并接体剪接依赖于并接体剪接 l l 第第第第类类: : 存在于存在于trnatrna基因及其初级转录产物中，其剪基因及其初级转录产物中，其剪 接依赖于酶和接依赖于酶和atpatp l l 并接体辨认结合并接体辨认结合hnrnahnrna内含子内含子 的两端，使相邻外显子靠近，的两端，使相邻外显子靠近， 形成套索状形成套索状( (lariat)lariat) l l 剪接过程为二次转酯反应剪接过程为二次转酯反应 ( (transesterification)transesterification) (2).(2). 按中断基因线性表达的方式分按中断基因线性表达的方式分 2.2. 内含子的功能内含子的功能 目前广义的内含子已扩充为目前广义的内含子已扩充为隔断基因线性表达的序列隔断基因线性表达的序列。 其功能主要是：其功能主要是： l l 翻译前删除翻译前删除: : 即典型、常见的内含子即典型、常见的内含子 l l 翻译绕过式翻译绕过式: : 在在mrnamrna上不被删除，但不被翻译上不被删除，但不被翻译 l l 翻译后删除翻译后删除: : 属于蛋白质翻译后加工，指代表被删除的属于蛋白质翻译后加工，指代表被删除的 肽链片段的基因序列。肽链片段的基因序列。 l l 隔断基因线性表达，降低基因变异对生物性状的影响隔断基因线性表达，降低基因变异对生物性状的影响 l l 某些内含子在基因表达过程中还具有调控作用某些内含子在基因表达过程中还具有调控作用 1. 1. trnatrna的初级转录产物需切除的初级转录产物需切除5-5-端和中间的部分片段端和中间的部分片段 2. 2. trnatrna的剪接需要内切酶和连接酶及的剪接需要内切酶和连接酶及atpatp的参与的参与 3. 3. 剪接后的还需进行碱基修饰，生成各种稀有碱基，修饰包剪接后的还需进行碱基修饰，生成各种稀有碱基，修饰包 括甲基化、还原反应、核苷内转位、脱氨反应等括甲基化、还原反应、核苷内转位、脱氨反应等 4. 4. 最后在核苷酸转移酶作用下，在最后在核苷酸转移酶作用下，在3-3-端去除个别碱基后，端去除个别碱基后， 加上加上cca-ohcca-oh末端末端 二二 、真核生物真核生物trnatrna的转录后加工的转录后加工 ( (modification of eucaryotic trna)modification of eucaryotic trna) 三三 、真核生物真核生物rrnarrna的转录后加工的转录后加工 ( (modification of eucaryotic rrnamodification of eucaryotic rrna) ) 1. 1. rrnarrna基因基因( (rdnardna) )为高度重复的串联基因为高度重复的串联基因 2. 2. 真核真核rdnardna基因转录产物为基因转录产物为4545s rrnas rrna，然后分别剪接出然后分别剪接出 1818s s、5.8s5.8s和和2828s s的的rrnarrna 3. 3. 很多很多rrnarrna的剪接不依赖于酶而可以自身催化加工，是由的剪接不依赖于酶而可以自身催化加工，是由 其分子中一些具有催化活性的片段其分子中一些具有催化活性的片段, , 称为核酶称为核酶( (ribozyme)ribozyme) 催化的催化的 基因表达调控 第一节 基因表达调控基本概念与原理 一、基因表达的概念 v 基因组(genome):细胞或生物体携带的全部遗传信息 （全套基因） v 基因表达：基因转录和翻译 基因表达不一定产生蛋白质 tdnatrna, rdnarrna 二、基因表达的时间性及空间性 （一）时间特异性(temporal specificity) 某一特定基因的表达按特定的时间顺序发生 hb 22 22 22 （二）空间特异性(spatial specificity) 细胞特异性或组织特异性 1. 同一生长发育阶段，某一基因在不同的组织器 官表达多少是不相同的 2. 不同基因在不同的组织器官的表达也是不同的 二、基因表达的方式 按对刺激的反应可分为： （一）组成性表达 v 管家基因（housekeeping gene）：在生物体几乎 所有细胞中持续表达的基因 v 组成性表达：管家基因的表达 较少受环境因素的影响 （二）诱导和阻遏表达 诱导(induction)：基因在环境信号刺激下，表达增强 dna损伤修复酶基因的表达 阻遏(repression): 基因在环境信号刺激下，表达降低 trp 供应充足trp 合成 酶基因表达 协调表达(coordinate expression): 功能相关的一组基 因，协调一致地表达，共同完成某种调节 代谢途径的调节 三、基因表达调控的基本原理 （一）基因表达的多级调控 转录 翻译 基因结构活化,转录起始,转录后加工,翻译及翻译后加工 （二）基因转录起始调节基本要素 特异dna序列 调节蛋白 dna-蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用 rna 聚合酶 1. 特异dna序列 v 原核: -35区：ttgaca -10区：pribnow box v 真核 顺式作用元件 (cis-acting element): 调节自身基因 转录的dna序列 共有序列：tata盒， caat盒，gc盒，enhancer 非编码序列 并非都位于转录起始点上游 2. 调节蛋白 v 原核生物 v 特异因子： 亚基(70, 32) v 阻遏蛋白：阻遏基因转录 v 激活蛋白：促进基因转录 v真核生物 v 反式作用因子(trans-acting factor):与顺式作用 元件结合，调节另一基因转录 的蛋白质 (反式作用) 3. dna-蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用 dna-蛋白质相互作用 rna-pol与启动子的结合 蛋白质-蛋白质相互作用 调节蛋白之间的相互作用 4. rna聚合酶 四、基因表达调控的生物学意义 （一）适应环境、维持生长和增殖 （二）维持个体发育与分化 第二节 原核基因转录调节 一、原核基因转录调节特点 （一）因子决定rna聚合酶识别特异性 （二）操纵子模型的普遍性 （三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 阻遏蛋白-o 基因关（阻遏） 阻遏蛋白x o 基因开（去阻遏） 二、操纵子 v 操纵子（operon）：原核生物dna上，由功能 相关基因串联组成的转录单位 v结构：调控区+ 结构基因 例：lac ara trp操纵子 三、乳糖操纵子调节机制 （一）乳糖操纵子的结构 v 调控区 i： 调节基因编码阻遏蛋白 p：启动子结合rna聚合酶 o：操纵基因结合阻遏蛋白 cap位点：cap-分解代谢物基因激活蛋白 (catabolite gene activation protein)-结合camp-cap v 结构基因：z，y，a po zya 结构基因 调节基因 启动子 操纵基因 编码阻遏蛋白结合rna-pol结合阻遏蛋白 i camp-capp o ttgaca -35区 tataat -10区 cap位点 5-attaatgtgagttagctcactcattagg-3 （二）调节机制 1. 阻遏(repression) 没有乳糖时，lac operon 处于阻遏状态 i 编码的阻遏蛋白与o结合，阻碍rna聚合酶与p 结合，结构基因不转录 2. 去阻遏 有乳糖时， lac operon 被诱导 乳糖半乳糖，半乳糖与阻遏蛋白结合，改变阻遏 蛋白的构象，使阻遏蛋白与o解离，结构基因转录 v 只有乳糖存在，细菌利用乳糖获得能量 glu与lac共同存在时,细菌先利用glu,还是先利用lac? 3. cap的正性调节 glu浓度低，camp浓度高时，camp与cap结合 与cap位点结合，促进rna-pol与p结合，促进转录 glu浓度高，camp浓度低时，camp不与 cap结合，结构基因不转录。 4 协调调节 当glu/lac同时存在时，lac阻遏蛋白负性调节 和cap正性调节协调作用，优先利用glu作为c 源： 无乳糖：阻遏蛋白结合o基因，不能转录 glu/lac同时存在：阻遏蛋白不结合o基因，能转 录；但因无camp-cap的正性调节，rna-pol 与p结合的亲和力低，转录呈低水平。 有乳糖无葡萄糖：阻遏蛋白不结合o基因