基因表达的调控.ppt

第三章 基因表达的调控,转录,rna的生物合成是以dna为模板的转录过程 转录的产物不仅是作为蛋白质合成模板的mrna，也包括trna和rrna 转录过程也包括起始、延长和终止三个阶段,第一节. 模板和酶 section 1. template & enzyme,转录的模板只有dna分子中的其中一条 转录的主要酶是依赖dna的rna聚合酶,一、转录模板 (template of transcription),1. 不对称转录(asymmetric transcription) 2. 模板链与编码链,与复制不同，转录具有选择性，只转录dna分子中的某些区段，即结构基因(structural gene) 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dna分子中的同一单链上,是指编码基因(转录产物为mrna)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码链 转录的方向为53，因此处在不同单链的模板转录方向相反,(一)、原核生物的rna聚合酶 1. e.coli的rna-pol 2. 其它原核生物的rna聚合酶与e.coli的rna-pol组成和功能相似 3. 原核生物的rna聚合酶均受利福霉素类抗生素抑制,转录酶(transcriptase)为依赖dna的rna聚合酶(dna- dependent rna polymerase)，缩写为ddrp或rna-pol,二、rna聚合酶 (rna polymerase),组成: 4种亚基组成的五聚体2 核心酶: 2，具有催化活性，但没有特异性，需亚基辨认转录起始点,(二)、真核生物的rna聚合酶 1. 种类 rna-pol、rna-pol和rna-pol 2. 功能 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。,种类 rna-pol rna-pol rna-pol 转录产物 45s-rrna hnrna 5s-rrna, trna, snrna amanitin反应 耐受 极敏感 中度敏感,rna-pol和rna-pol 的转录产物为非编码基因，只有rna-pol转录的是编码基因，是真核生物中最活跃的rna聚合酶 三种酶在组成上均为多亚基蛋白，且有共有成分,(一)、转录单位 是指在dna分子上的一些不连续的转录区段，又称为操纵子(operon) 。 (二)、转录单位的构成 (三)、启动子,三、模板与酶的辨认结合 (binding of enzyme to template),1. 包括结构基因及其上游调控序列 2. 调控序列的启动子(promoter)是rna聚合酶结合的部位,1. 是上游调控区的特定片段，是rna聚合酶辨认并结合的位置 2. 原核生物的启动子包括两个区段，-35区和-10区，前者是辨认位点，后者是起始位点,第二节. 转录过程 section 2. process of transcription,转录时，dna只在小范围(1020bp)内解链提供模板，形成转录空泡(transcription bubble)。 (一)、原核生物的转录起始 1. 首先由rna聚合酶的因子辨认转录起始点(-35区)，随即结合于-10区的pribnow盒，转录在此开始。 2. 转录开始后，因子解离，此时由rna-pol的核心酶、dna模板和转录产物rna一起组成转录起始复合物。 3. 转录不需要引物,一、转录起始 (initiation of transcription),4. 转录产物rna的第一个5-端核苷酸一直保持三磷酸核苷的形式,(二). 真核生物的转录起始 1. 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。保证了基因转录表达的时序性。 (1). 顺式作用元件(cis-acting element) 是指位于转录起始点上游的某些dna片段，与转录起始的控制有关，如tata盒(hogness盒)、caat盒。 (2). 反式作用元件(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因子。其中可结合于rna聚合酶的称为转录因子(trans-criptional factor,tf)。,2. 转录因子和真核生物的转录起始复合物,转录因子种类很多，能分别结合rna-pol、的tf分别称为tf、tf、tf，每一类又分许多亚类 转录因子的功能多样：包括辨认、促进结合其它因子；结合rna聚合酶；结合或水解dna；解旋 真核生物转录起始复合物的形成较复杂，需不同的tf亚类次序组装，再结合rna聚合酶，形成起始前复合物(pre-initiation complex, pic),(一)、转录延长的生化过程,二、转录的延长 (elongation of transcription),1. 转录延长过程与复制基本相同，只是产物及酶不同。 2. 3,5-磷酸二酯键的形成和合成的方向(53)一样 (二)、延长的特点 1. rna-pol 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, 即形成移动的转录空泡。,2. 在转录复合体中，合成的rna链的3-端有部分与模板链形成杂化双链，但不稳定，随着 延长的进行, 5-端逐渐脱落。 3. 原核生物是边转录边翻译。,(一)、原核生物的转录终止,三、转录的终止 (termination of transcription),1. 依赖 因子的转录终止 2. 非依赖 因子的转录终止,因子是一种均一六聚体蛋白,其作用是结合终止区rna,抑制rna聚合酶，转录终止，同时使rna-dna杂化双链解旋，从而释放rna,转录产物rna的末端通过形成自身局部双螺旋，产生回折，形成发夹样结构，从而实现终止和释放,(二)、真核生物的转录终止,第三节. 真 核 生 物 的 转 录 后 修 饰 section 3. post-transcriptional modification of eucaryotes,转录生成的rna是初级转录产物，均需要一定的修饰后，才具有生物活性。,转录终止点为一特征序列aataaa，称为转录终止的修饰点 转录往往会越过终止点，但产物rna在修饰点处很快被切断释放，并进行5-加帽和3-加尾修饰。余下越过终止点的片段随即被rnaase水解。,(一)、首、尾的修饰 1. 5-加帽 2. 3-加尾,一 、真核生物mrna的转录后加工 (modification of eucaryotic mrna),磷酸酶,核内进行，且在剪接修饰之前，即hnrna就有帽子结构 过程,5pppg 5pg 5gpppg mgpppg,gtp pi,ppi,甲基化酶,ch3,核内进行, 也在剪接修饰之前, 且与转录的终止同时进行 先在核酸外切酶作用下切去3-端过剩片段，再加上polya,(二)、 真核生物mrna的剪接 1. hnrna和snrna 2. 断裂基因、外显子和内含子 3. hnrna剪接为mrna,hnrna(核不均一rna)是mrna的前体 snrna(小核rna)是核内的小分子rna，与蛋白构成并接体(splicesome)，其作用是帮助hnrna的剪接,(1). 断裂基因(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成，称为断裂基因。 (2). 外显子(exon)和内含子(intron) 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。,(三)、 内含子的其它剪接方式及功能 1. 内含子的分类 (1). 按基因的类型分,第类: 存在于细胞器或低等生物的rrna基因 第类: 存在于细胞器，转录产物为mrna 第,类均可自身剪接(依赖于核酶) 第类: 存在于大多数基因及mrna,依赖于并接体剪接 第第类: 存在于trna基因及其初级转录产物中，其剪接依赖于酶和atp,并接体辨认结合hnrna内含子的两端，使相邻外显子靠近，形成套索状(lariat) 剪接过程为二次转酯反应(transesterification),(2). 按中断基因线性表达的方式分 2. 内含子的功能 目前广义的内含子已扩充为隔断基因线性表达的序列。其功能主要是：,翻译前删除: 即典型、常见的内含子 翻译绕过式: 在mrna上不被删除，但不被翻译 翻译后删除: 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。,隔断基因线性表达，降低基因变异对生物性状的影响 某些内含子在基因表达过程中还具有调控作用,1. trna的初级转录产物需切除5-端和中间的部分片段 2. trna的剪接需要内切酶和连接酶及atp的参与 3. 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 4. 最后在核苷酸转移酶作用下，在3-端去除个别碱基后，加上cca-oh末端,二 、真核生物trna的转录后加工 (modification of eucaryotic trna),三 、真核生物rrna的转录后加工 (modification of eucaryotic rrna),1. rrna基因(rdna)为高度重复的串联基因 2. 真核rdna基因转录产物为45s rrna，然后分别剪接出18s、5.8s和28s的rrna 3. 很多rrna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, 称为核酶(ribozyme)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 基因组(genome):细胞或生物体携带的全部遗传信息 （全套基因） 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 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 管家基因（housekeeping gene）：在生物体几乎 所有细胞中持续表达的基因 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 原核: -35区：ttgaca -10区：pribnow box 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 原核生物 特异因子： 亚基(70, 32) 阻遏蛋白：阻遏基因转录 激活蛋白：促进基因转录 真核生物 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 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 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 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 结构基因：z，y，a,p,o,z,y,a,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-cap,p,o,ttgaca,-35区,tataat,-10区,cap位点,5-attaat,gtgagttagctcac,tcattagg-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 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，能转录；且因有camp-cap的正性调节，rna-pol与p结合的亲和力高，转录呈高水平。为强诱导作用。,第三节 真核基因转录调节 一、真核基因组结构特点 （一）结构庞大： 数目多 结构复杂 （二）单顺反子 ：只能编码一条多肽链的mrna 原核(多顺反子）：编码多条多肽链的mrna （三）重复序列：比原核多 高度重复序列：重复频率106次 中度重复序列：重复频率:103104 次 单拷贝序列 （四）基因不连续性 转录区（外显子+内含子）+非转录区(调控区),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:dnasei超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。 2. dna拓扑结构变化：rna-pol前方转录区构向由负超螺旋变为正超螺旋，利于rna-pol前移。 3. dna碱基修饰变化 : cmc ,cpg 低甲基化 4. 组蛋白变化