基因表达的调控ppt课件.ppt

基因表达的调控 1 在生物个体发育过程中 基因的表达是受到严格的时空控制 无论原核生物还是真核生物 任一时期的细胞只有部分基因发生表达 在所有组织细胞中均表达的基因称之为持家基因 housekeepinggene 它们为组成型 constitute 的表达 只在部分发育时期或特定组织细胞中表达的基因为奢侈基因 luxurygene 它们是组织特异性 tissuespecific 的表达 在原核生物中 基因的表达调控以转录水平的调控为主 主要以操纵子为单位 在调节基因的作用下 多个结构基因转录出一条多顺反子mRNA 并指导蛋白质合成 因转录和翻译是偶联的 很少发生mRNA的加工 修饰 转录后水平的调控也有例证 例如反义RNA 翻译的调控 RNA开关等 真核生物基因表达的调控十分复杂 可发生在多个层次 多个水平 染色体 染色质 DNA 转录 RNA加工与拼接 翻译及翻译后加工 修饰等 2 原核生物基因表达的调控 乳糖操纵子 可诱导的正调控和负调控模型在有乳糖无葡萄糖的情况下 由本底水平表达的透性酶可使少量乳糖进入细胞 并由半乳糖苷酶催化转化为别构乳糖 与调节基因的产物结合 使该阻遏蛋白四聚体变构 从操纵区脱离 解除乳糖操纵子的阻遏状态 RNA聚合酶与启动子结合 使三个结构基因发生转录 再进一步翻译产生大量的蛋白产物 细胞就可大量利用乳糖使为其碳源和能源 3 在葡萄糖 乳糖都存在的条件下 细菌优先利用葡萄糖 当其耗尽时 细菌再利用乳糖 这个效应叫葡萄糖效应 在细菌的细胞膜上有一种ATP环化酶 该酶可使胞内的ATP环化产生cAMP 该酶的活性受到环境中葡萄糖浓度的调节 在高浓度的葡萄糖存在时 该酶的活性被抑制 无葡萄糖时 该酶被激活 产生的大量cAMP作为第二信使与CAP蛋白结合形成cAMP CAP复合物 进一步与乳糖及其它糖类的操纵子中的启动子结合 促进RNA聚合酶与启动子区的结合 启始转录 因而对糖类操纵子是正调控作用 事实上乳糖操纵子的有效转录必须依赖cAMP CAP蛋白的结合 这种蛋白的突变 乳糖操纵子的转录水平很低 4 乳糖操纵子的调节模型 5 半乳糖操纵子 Glu对gal操纵子的调节 6 阿拉伯糖操纵子 在有阿拉伯糖 有葡萄糖时 由于cAMP水平降低 cAMP CRP含量下降 araC只有本底水平的表达 其调节产物结合于O1操纵子区 阻止调节基因的转录 但在有阿拉伯糖 无葡萄糖时 cAMP CRP结合于 CAP位点 阿拉伯糖与调节蛋白结合形成诱导蛋白 结合于araI 40 78 与 cAMP CRP蛋白一起促进RNA聚合酶结合于 1 40区 促进araPBAD的转录 产生三种酶 分解代谢阿拉伯糖 当阿拉伯糖耗尽时 过量的调节蛋白为阻遏物 又与araO1结合关闭操纵子 或同时结合araI和araO2使其成环 阻止PC和PBAD的转录 见图4 2 7 阿拉伯糖的调控 8 1 TheRegulationofaraOperon 1 organization 6 4TheRegulationofOtherOperons 9 阿拉伯糖操纵子的调控 10 Arabinoseabsent Negativecontrol araBAD O1CRParaI araC O2 PC PBAD Blocked 11 Arabinosepresent Positivecontrol Transcription 12 色氨酸操纵子 色氨酸操纵子属于可阻遏的操纵子 由调节基因trpR产生的阻遏蛋白四聚体 只有与色氨酸结合后才有活性 结合到其操纵区trpO上 因trpP 40 18 包括trpO 21 1 因而活性阻遏蛋白的结合可以排斥RNA聚合酶的结合 抑制色氨酸结构基因的转录 细菌中色氨酸浓度降低时 这种阻遏就不完全 就有一部分RNA聚合酶与启动子结合开始trpP前导序列的转录 可通过衰减子进一步控制色氨酸结构基因的转录 13 色氨酸操纵子及衰减机制 14 整个前导区长度只有139nt 转录的同时就偶联着这种翻译过程 固该前导序列有四段序列 序列1 序列2 序列3 序列4 可以配对成1 2 3 4 或者2 3 长14个氨基酸的前导肽中有两个相邻的色氨酸 前导序列是否能被核糖体正常翻译可因细菌中色氨酸的水平而不同 当色氨酸浓度较高时 前导肽可正常翻译 但当色氨酸浓度较低时 核糖体在翻译到该色氨酸密码子处会停顿 等待 当前导肽能正常翻译时 可破坏1 2的配对和2 3的配对 因为核糖体在 70处的终止密码处停留 核糖体占据了整个序列1和部分序列2 这时3 4序列配对 其后又是一串U 这样就形成终止子发卡结构 于是实现了Trp转录的终止 当体内色氨酸浓度较低时 前导肽的翻译停留在两个trp密码子处 这时核糖体占据了序列1 而完整的序列2和3配对 转录出的序列4就是单链状态 从而不能产生发卡状的终止子结构 转录就可以继续进行 完成BAD基因的转录 15 受衰减子控制的氨基酸合成基因操纵子中的先导肽序列 16 枯草杆菌中色氨酸操纵子 17 核糖体基因操纵子的反馈调节 18 mRNA起始位点结合区及16SrRNA结合区的比较 19 红霉素抗性基因编码甲基化酶 可使23SrRNA的腺苷甲基化 从而不能与红霉素结合 而未甲基化的23SrRNA可与红霉素结合可抑制蛋白质的翻译过程 20 当细菌发生饥饿 因无足量的氨基酸会导致大量空载tRNA产生 大部分基因的转录被关闭 细胞通过维持最低量的活性以渡过难关 此谓严谨反应 这主要是细胞内积累两个特殊的物质引起 即ppGpp 四磷酸鸟苷 和pppGpp 鸟苷5 三磷酸3 二磷酸 也称魔斑 和魔斑 由于饥饿而导致大量空载的tRNA 在蛋白质翻译过程中有可能进入A位但是不能进行肽基转移反应 这时relA基因编码的应急因子就与核糖体结合并催化GTP和ATP产生pppGpp 而在其它几种蛋白 例如TF Tu和EF G 的作用下 可进一步转化为ppGpp 由于这两种魔斑物质的合成使得A位空载的tRNA释放 空载tRNA连续进入A位 又导致这些魔斑物质的合成 因此发生了多次的空转反应 idlingreaction 一直到负载tRNA进入才结束这种空转反应 否则核糖体上的蛋白质合成就宣告暂停或停止 21 核糖开关系统 核糖开关系统 riboswitches mRNA的5 先导区还可形成更复杂的二级结构直接接受体内的小分子代谢物 例如B12 硫氨素焦磷酸 黄素单核苷酸 S腺苷甲硫氨酸 赖氨酸 腺嘌呤 鸟嘌呤等 见图4 8下 这些代谢物在体内的浓度不同直接关系到与mRNA先导区的结合状态 进一步决定其后的茎环是否为转录终止子或抗终止子的结构 或是否暴露SD序列起始翻译过程 现在已发现核糖开关并不局限于原核生物 在古细菌 真菌 植物中也存在类似的系统 而且通过该系统 mRNA的转录是否进行取决于先导区是否结合了特定的代谢物 由其调控基因的转录状态 有证据表明核糖开关还可能影响其后mRNA翻译的起始 核糖体与SD序列的结合及起始密码的识别 真核生物内含子切除 可变剪接过程 mRNA的稳定性 切割 很可能是很多生物基因表达调控重要的机制之一 22 B12核糖开关控制原理示意图 23 核糖开关系统 24 真核生物的基因表达调控 真核生物种类多样 个体发育复杂 具有多阶段和高度有序性 表现为多层次 高度协调有序 和一定时空顺序的调控网络 受环境的影响较小 在组织及细胞结构以上的编程死亡 特化 亚细胞水平的染色体加倍 丢失 失活 DNA扩增 重排等现象及表观遗传学现象 基因的印记 甲基化修饰 组蛋白密码 转录水平上基因表达调控 顺式作用元件 反式作用因子及调控网络 信号传导系统等 转录后RNA的加工 剪接 RNA编辑 RNA干扰等 翻译水平的调控及翻译后产物的修饰 运输 定位及加工 25 真核生物转录调控的Britten Davidso模型 26 改进的Britten Davidson模型 1 多重调节基因 27 2 多重受体基因 28 29 30 反式作用因子的结构特点 锌指结构蛋白锌指结构域是由半胱氨酸及 或组氨酸与锌原子结合形成一个手指状的结构 传统的锌指蛋白往往有多个锌指结构域 其典型的保守序列为Cys X2 Cys X3 phe X5 leu X2 His X2 His 每个锌指的N端形成 折叠 C端形成 螺旋 三个 螺旋可进入DNA大沟的一个转折处 每个锌指的 螺旋与DNA形成两个序列特异性接触 31 同源异型域蛋白 同源异型域 Homehdomains 蛋白是存在于几乎所有真核生物基因组中含有60个氨基酸保守序列DNA结合蛋白 同源异型域蛋白属于螺旋 转角 螺旋蛋白 可形成三个螺旋区 其中螺旋2 螺旋3形成典型的螺旋 转角 螺旋域 螺旋3为识别螺旋与DNA大沟的结合 其N末端臂也参与DNA小沟的结合 同源异型域蛋白形成二聚体后才与DNA结合 32 Barrels结构域 BarrelsDNA结合域 这个结合域是由多个反向平行的 折叠构成的 Barrels结构 每个亚基上的 识别螺旋则与DNA大沟相结合 两个相邻的大沟被识别螺旋结合后可导致DNA分子发生45 的弯曲 33 螺旋 环 螺旋结构域 螺旋 环 螺旋结构域 Helix loop Helix HLH 由两个长15 16个氨基酸的亲水又亲脂的 螺旋及长度不同的环 连接区 组成 两个HLH蛋白形成的两个 螺旋疏水面相互作用可形成同二聚体或异二聚体 含有碱性区的HLH称为HLP bHLH 是DNA的识别和结合所必需的 34 亮氨酸拉链的结构域 由双亲 螺旋疏水面的亮氨酸与另一个平行的亮氨酸拉链蛋白亮氨酸突出交错排列 形成两个互相缠绕的右手螺旋 每7个残基构成一个完整的重复单位 两个蛋白形成同二聚体或异二聚体 与其相邻的是高碱性氨基酸的DNA结合区 整个二聚体呈Y型结构 拉链构成茎 两个碱性区分叉形成臂 横跨在DNA分子上并与相邻的DNA两个大沟结合 35 绝缘子 Insulator 绝缘子位于同一基因启动子与增强子之间 可抑制增强子对转录的激活 但绝缘子并不能抑制启动子下游的增强子对同一启动子的激活 也不能抑制该增强子对另外一段基因的激活作用 绝缘子上可结合特定的蛋白质 从空间阻碍着增强子与启动子的联系 36 真核生物基因表达的组合控制 不同的反式作用因子 因蛋白和蛋白之间的相互作用 在不同的细胞中对同一个靶基因特定DNA调控元件可产生全新的调控活性 这些元件称为复合应答元件 compositeresponseelement 小鼠TTR基因在肝实质 Hepatocytes 中的表达除了通用转录因子 TFIIA TFIIB TFIID TFIIF TFIIE TFIIH 中介蛋白 srb mediator 和RNA聚合酶 外 还需五种激活蛋白及辅助因子 C EBP HNF1 HNF3 HNF4 AP1 只有在肝细胞中这五个激活蛋白均表达时 它们与启动子的近端及远端增强子区结合 造成DNA弯曲 然后与基础转录因子 中介蛋白 辅激活子一起促进RNA多聚酶II的转录 而在其它细胞中 只表达五种激活蛋白的两到三种 TTR基因并不被激活 因此这些转录因子有很强的协同性 37 38 在海胆的Endo 16基因5 上游2kb左右有十多个核蛋白位点 可形成七个调节区 每个区域均与不同的转录因子结合 不同发育时期 不同细胞中该基因的表达完全依赖于这些调节区结合转录因子的种类和数量组合 39 基因的转录活性不但受到激活蛋白的促进 也会受到阻抑蛋白的抑制 40 基因表达的信号整合 多个转录因子信号的整合对真核生物基因的组合激活和抑制还包括启动子远上游的超距离作用 仅其转录因子结合位点的数目 类型可分为三类 单个因子结合位点 多个串联重复结合位点 多个不同因子结合位点 在真核生物中其基因的表达调控最少包括三个不同的调节网络 即转录因子调节网络 信号传导调节网络 染色质构型及组蛋白密码调节网络 41 42 43 44 k链可变区至少有300 4 3 3600种 轻链2 3 3 18种 重链250 4 10 9 90000种 轻重链任意组合至少应有3 24 108 其实际数量可能还远不止此数 再加上无模板添加和体细胞可变区的超突变 产生抗体的多样性 45 k链可变区至少有300 4 3 3600种 轻链2 3 3 18种 重链250 4 10 9 90000种 轻重链任意组合至少应有3 24 108 其实际数量可能还远不止此数 再加上无模板添加和体细胞可变区的超突变 产生抗体的多样性 46 采用复杂的剪接加工 采用多种方式选择不同的外显子产生多种有功能的基因表达产物 称之为差别剪接或可变剪接 Differentialalternativesplicing 所得到的各种剪接产物称之为剪接变异体或剪接异构体 splicevariants spliceisoforms 可变剪接的主要方式 多个5 转录起始点和单一的polyA位点 相同的5 转录起点 不同的polyA位点 不同外显子的利用 互斥型外显子 内含子保留 盒子型外显子 在内含子和外显子上往往具有一些调节剪接的位点 它们有些促进剪接 有些抑制剪接 47 肌钙蛋白T基因的18个外显子 有11个外显子在所有mRNA中共有 1 3 9 15和18 16 17互斥 而4 5 6 7 8五个盒型外显子就有32种不同的组合方式 再加上16 17互斥型 大鼠肌钙蛋白T基因的mRNA拼接产物就有64种之多 48 49 果蝇DSCAM基因是人类唐氏综合症致病基因的同源基因 该基因长61 2kb 成熟mRNA长7 8kb 有24个外显子 但在基因组中有4个外显子在RNA剪接中有可变剪接 其中4 6 9 17中的外显子为盒子型外显子 第4外显子有12个等位变异形式 即在基因组中有12个外显子 转录加工后只随机保留其中一个 为互斥型 第6外显子有48个 第9外显子有33个 而第17外显子有2个 其它外显子均为正常组成型剪接 如此计算果蝇DSCAM基因转录后的可变剪接就可以产生12 48 33 2 38016个不同的mRNA剪接变异体 50 在雌蝇早期胚胎中最早由PE启动子起始转录的性致死基因 sex lethal sxl 其产物是一种序列特异性RNA结合蛋白 该蛋白只在早期雌蝇胚胎中存在 在雄蝇中不存在 随后雌蝇中的PE启动的sxl基因转录被抑制 雌雄蝇中由上游晚期启动子 PL 启动的sxl被激活 在雌蝇中早期sxl蛋白可指导早期sxl转录产物的剪接 从而产生有功能晚期sxl蛋白 与此相反在雄蝇中由于无早期sxl蛋白的参与 发生组成性剪接 产生无功能的晚期sxl蛋白 这是因为该基因的四个外显子在雌蝇中由于早期sxl蛋白与第三外显子的5 末端结合 从而导致剪接产物不含第3外显子 而第3外显子中有终止密码 因而在雄蝇中含有该外显子产生了较短的不含RNP结构域的无功能多肽 在雌蝇中却是形成行RNP的有功能产物 在雌蝇中该蛋白又可进一步指导转化基因 transformertra mRNA前体的剪接 结合到该基因第2外显子5 端 从而产生Tra蛋白 雄蜂中无有功能的sxl蛋白 该基因发生组成性剪接 因第二外显子中有终止密码 也是无功能的产物 尽管Tra蛋白无RNA结合域 但它可与另一个含RNA结合域的转化蛋白2 Tra2 形成复合物 在雌蝇中 该产物进一步作用于第3个基因 双性基因 double sex dsx 与该基因第4外显子的5 端结合 从而产生雌性特异的dsxmRNA 指导合成Dsx蛋白 该蛋白可进一步抑制雄性发育所需基因的转录 在雄性中因无功能的Tra蛋白存在 则产生另一种雄性特异的dsxmRNA和Dsx蛋白 从而进一步抑制雌性发育所需的基因转录 51 52 53 内耳听觉细胞从基底到顶端可分别感受从50Hz到5000Hz的声音频率并依赖于胞内Ca2 浓度的K 离子通道的开放 编码该通道的基因slo转录剪拼变异体可感受不同浓度的Ca2 从而决定K 离子通道的开放状态 该基因八个外显子参与可变剪接可产生576种可能的剪接变异蛋白 54 SR蛋白质是指含有丝氨酸 精氨酸二肽重复序列的含SR结构域 SRmotif 的蛋白 其N端一般有一个RNA识别结构域 RNARecognitionmotif RRM 又称RNA结合域 RNAbindingdomain 或RNP一致序列区域 RNP consensussequencedomain 有些SR蛋白具有两个RRM 该蛋白的主要作用是早期与mRNA前体结合 决定5 剪接点 促进剪接体的组装 可能是强化剪接元件与5 剪接位点的结合 稳定U1SnRNP与mRNA前体的结合 也可以诱导mRNA前体的二级或三级结构 以利于剪接体的形成或其它组分的结合 如果5 剪接位点突变 在该位点不能发生剪接体的组装就会激活附近的5 隐蔽剪接位点 55 结合于多聚嘧啶束的蛋白质包括有些SR蛋白 但还有其它非SR蛋白的类型 如PTB和PSF PTB即结合于多聚的嘧啶束蛋白 polypyrimidinetract bindingprotein PTB PSF为PTB相关剪接因子 PTB associatedsplicingfactor 另外 还有其它的难以归类剪接调节蛋白 例如帽子结合蛋白 剪接体形成蛋白 依赖于ATP的RNA解旋酶及SR蛋白激酶等 可以看出在mRNA前体的可变剪接中 各种调节蛋白几乎作用到剪接作用的各个过程 它们通过干扰 促进特定的剪接过程直接影响剪接反应 从而产生各种不同形式的剪接变异体 56 翻译和翻译后水平调控 mRNA的结构与其稳定性与翻译调控 57 真核生物中铁的吸收和利用 转铁蛋白mRNA的3 末端和转铁蛋白受体的5 末端有非常相似的铁反应元件 ironresponseelement IRE 该区域可形成多个复杂的茎环结构中 其中转铁蛋白受体的3 末端非翻译区有五个茎环结构 A E环和中间大环与铁反应无关 而B C D则与铁反应有关 在缺铁情况下 转铁蛋白受体mRNA半衰期可达30小时 在铁丰富时 其半衰期仅为1 5小时左右 TFRmRNA半衰期的减少很可能是其3 非翻译区的IRE结合铁后容易被核酸内切酶切除 这样去掉了3 末端1000nt的TFRmRNA也无polyA的