基因表达调控生物化学课件 ppt 85页

基因表达调控 RegulationofGeneExpression 第十三章 BiochemistryDepartmentDepartmentofBasicMedicalSciencesHangzhouNormalUniversityGuyisheng 多媒体课件试用版 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 2 第一节基因表达调控的基本概念 一 基因表达的基本概念基因 gene 遗传的基本单位 是负载特定遗传信息的DNA片断 基因组 genome 指含有一个生物体生存 发育 活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸 基因表达 geneexpression 基因转录与翻译的过程 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 3 广义的基因表达是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程 基因表达调控 controlofgeneexpression 生物体内基因表达的开启 关闭和表达强度的直接调节 是生物在长期进化过程中逐渐形成的精确而灵敏的生存能力和应变能力 是生物赖以生存的根本之一 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 4 二 基因表达的特征 一 时间特异性按功能需要 某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生 称之为基因表达的时间特异性 temporalspecificity 如 受精卵发育经历不同的阶段多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性 stagespecificity 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 5 二 空间特异性 在个体生长全过程 某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现 称之为基因表达的空间特异性 spatialspecificity 即 同一基因在不同的组织器官内表达不同又称细胞特异性或组织特异性 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 6 三 基因表达的方式 一 组成性表达 constitutivegeneexpression 基本表达 指不大受环境变动而变化的一类基因表达 某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要 必不可少的 这类基因可称为管家基因 housekeepinggene 这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞 甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的 可以看成是细胞基本的基因表达 组成性基因表达也不是一成不变的 其表达强弱也是受一定机制调控的 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 7 二 诱导和阻遏表达 适应性表达 adaptiveexpression 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导 induction 这类基因被称为可诱导的基因 induciblegene 随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏 repression 相应的基因被称为可阻遏的基因 repressiblegene 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 8 三 协调表达 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 coordinateexpression 这种调节称为协调调节 coordinateregulation 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 9 四 基因表达调控的生物学意义 一 适应环境 维持生长和增殖环境是在不断变化的 通过调控 可使生物体表达出合适的蛋白质分子 二 维持细胞分化和个体发育生长 发育的不同阶段 不同组织器官内蛋白质分子分布 种类和含量存在很大差异 这是调节细胞表型的关键 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 10 不同层次上的调控 一 基因表达的多级调控 转录起始水平的调控最为重要 第二节基因表达调控的基本原理 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 11 二 基因转录激活受转录调节蛋白和启动子相互作用的调节 一 特异DNA序列特异DNA序列主要指具有调节功能的DNA序列 它们决定基因的转录活性 原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的 真核基因调控机制普遍涉及编码基因两侧的DNA序列 顺式作用元件 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 12 1 原核生物 操纵子机制 全图 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 13 操纵子 operon 通常由2个以上的编码序列与启动序列 promotor 操纵序列 operator 以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成 启动序列 promotor RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列 又称启动子 各种原核启动序列特定区域内 通常在转录起始点上游 10及 35区域 存在共有序列 consensussequence 35盒 10 TATA盒 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 15 共有序列 consensussequence 决定启动序列的转录活性大小 某些特异因子 蛋白质 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 启动子 指RNA聚合酶识别 结合并开始转录的一段DNA序列 原核生物启动子序列按功能的不同可分为三个部位 即起始部位 结合部位 识别部位 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 16 操纵序列 operator 与启动序列毗邻或接近的DNA序列 是原核阻遏蛋白的结合位点 其DNA序列常与启动序列交错 重叠 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 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 17 其他调节序列 调节蛋白 例如 激活蛋白 activator 可结合启动序列邻近的DNA序列 促进RNA聚合酶与启动序列的结合 增强RNA聚合酶活性 有些基因在没有激活蛋白存在时 RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 18 2 真核生物 不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列 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 补充 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 19 二 转录调节蛋白 增强或抑制转录活性 原核生物基因调节蛋白 DNA结合蛋白 分为三类 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 阻遏蛋白 repressor 可结合特异DNA序列 操纵序列 阻遏基因转录 激活蛋白 activator 可结合启动序列邻近的DNA序列 促进RNA聚合酶与启动序列的结合 增强RNA聚合酶活性 分解 代谢 物基因激活蛋白 catabolitegeneactivatonprotein CAP 就是一种激活蛋白 有些基因在没有激活蛋白存在时 RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 20 真核生物基因转录调节蛋白又称转录因子 transcriptionfactor 绝大多数真核转录调节因子由某一基因表达后 通过与特异的顺式作用元件结合 DNA 蛋白质相互作用 反式激活另一基因的转录 称为反式作用因子 trans actingfactor 这种调节作用称为反式作用 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 21 顺式作用蛋白 还有蛋白质因子可特异识别 结合自身基因的调节序列 调节自身基因的表达 称顺式作用 顺式调节 反式调节 补充 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 23 三 DNA 蛋白质 蛋白质 蛋白质相互作用 转录调节蛋白对转录起始调节的方式 DNA 蛋白质相互作用 DNA proteininteraction 主要指反式作用因子和顺式作用元件之间的特异识别 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 蛋白质 蛋白质相互作用 protein proteininteraction 某些调节蛋白在结合DNA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 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 24 四 RNA聚合酶 与启动序列 启动子相结合 1 启动序列 启动子与RNA聚合酶活性RNA聚合酶与其的亲和力 影响转录 2 调节蛋白与RNA聚合酶活性一些特异调节蛋白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聚合酶活性 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 25 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 阻遏蛋白的负性调节是重要因素 第三节原核基因表达调节 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 26 E coli乳糖操纵子 lacoperon 包含 三个结构基因 Z编码 半乳糖苷酶 Y编码通透酶 A乙酰基转移酶 一个操纵序列O一个启动序列P一个调节基因I一个分解代谢物基因激活蛋白结合位点 catabolitegeneactivationprotein CAP 一 乳糖操纵子的结构 二 原核生物转录起始调节 操纵子调控模式 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 27 乳糖操纵子结构模式 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 28 没有乳糖存在时 lac操纵子处于阻遏状态 I序列表达的lac阻遏蛋白与O序列结合 阻碍RNA聚合酶与P序列结合 抑制转录启动 有乳糖存在时 lac操纵子可被诱导 乳糖在通透酶催化 转运进入细胞 再经 半乳糖苷酶催化 转变成半乳糖 半乳糖作为诱导剂分子结合阻遏蛋白 使蛋白构象变化 导致阻遏蛋白与O序列解离 发生转录 二 阻遏蛋白的负性调节 图解 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 29 当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时 cAMP与CAP结合 这时CAP结合在lac启动序列附近的CAP位点 可刺激RNA转录活性 当有葡萄糖存在时 cAMP浓度较低 cAMP与CAP结合受阻 lac操纵子表达下降 三 CAP的正性调节 图解 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 30 Lac阻遏蛋白负性调节与cAMP正性调节两种机制协调合作 单独存在乳糖时 细菌利用乳糖作为能源 当葡萄糖和乳糖共同存在时 细菌首先利用葡萄糖作为能源物质 这时 葡萄糖通过降低cAMP浓度 阻碍cAMP与CAP结合而抑制lac操纵子转录 使细菌只能利用葡萄糖 葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏 catabolicrepression 四 协调调节 图解 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 31 三 原核生物转录终止调节 大肠杆菌中存在两种主要的转录终止机制 依赖Rho因子的转录终止不依赖Rho因子的转录终止大肠杆菌中存在两种终止调节方式 衰减抗终止 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 32 四 原核生物翻译水平调节 一 蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节调节蛋白结合mRNA靶位点 阻止核蛋白体识别翻译起始区 阻断翻译调节蛋白一般作用于自身mRNA 抑制自身的合成 称自我控制 autogenouscontrol 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 33 二 反义RNA对翻译的调节作用 调节RNA 调节基因表达的RNA分子反义RNA含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列 通过与mRNA杂交 阻断30S小亚基对起始密码的识别以及与SD序列的结合 抑制翻译起始 称为反义控制 antisensecontrol 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 34 附 其它转录调节机制 转录衰减 attenuation 色氨酸操纵子是一种阻遏型操纵子当有色氨酸结合阻遏蛋白时 阻遏蛋白构象改变可结合O序列 阻断基因转录基因重组SOS反应 衰减 重组 SOS 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 35 一 真核基因组结构特点 一 真核基因组结构庞大 第四节真核基因表达调节 哺乳类动物基因组DNA约3 109碱基对人基因组编码基因约有3 4个 2 2 5万 其中60 存在可变剪接 编码序列仅占总长的1 rDNA等重复基因约占5 10 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 36 二 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 四 基因不连续性 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 37 二 真核基因表达调控特点 一 RNA聚合酶有三种 分别负责三种RNA转录 二 转录激活状态的染色质结构明显变化 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 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 38 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 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 39 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H3 H4发生乙酰化 甲基化或磷酸化修饰 H3组蛋白巯基暴露 组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论 即 组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构 以及化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质 为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台 这些理论构成了 组蛋白密码 的假说 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 40 组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 41 三 正性调节占主导 四 转录与翻译分隔进行 五 转录后修饰 加工更为复杂 采用正性调节机制更精确 采用多种正性调节元件 正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性 采用负性调节不经济 在正性调节中 大多数基因不结合调节蛋白 所以是没有活性的 只要细胞表达一组激活蛋白时 相关靶基因即可被激活 转录在细胞核 翻译在细胞浆 因此 转录与翻译产物的分布 定位等环节均可以被调控 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 42 三 RNApol 和pol 的转录调节 一 RNApol 转录体系的控制RNAPolI的转录产物只有rRNA前体 经剪接修饰生成除5SrRNA外的各种rRNA 启动子元件包括 核心元件 coreelement 或核心启动子 corepromoter 和上游控制元件 upstreamcontrolelement UCE 转录因子包括 上游结合因子 UBF1 选择性因子1 SL1 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 43 二 RNApol 转录体系的控制 RNAPolIII的转录产物 多种小分子RNA 包括tRNA 5SrRNA和一部分小核RNA 启动子位于转录起始点下游 即转录区内 称内部控制区 internalcontrolregions ICR 转录起始需多种转录因子 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 44 四 RNApol 的转录起始的调节 RNApol 转录生成所有mRNA前体及大部分snRNA参与的DNA调控序列和转录因子复杂的多 按功能特性 真核基因顺式作用元件分为三种 启动子 增强子 沉默子 一 顺式作用元件影响基因转录活性 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 45 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 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 46 2 增强子 enhancer 指远离转录起始点 决定基因的时间 空间特异性 增强启动子转录活性的DNA序列 其发挥作用的方式通常与方向 距离无关 增强子也由若干功能元件组成 酵母中的上游激活序列 UASs 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 47 二 反式作用因子 重要的转录调控蛋白 1 转录调节因子分类按功能特性分为 基本转录因子 generaltranscriptionfactors 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 转录的类别主要参与RNA聚合酶与转录起始点附近的DNA特异序列形成稳定的转录起始复合物 特异转录因子 specialtranscriptionfactors 为个别基因转录所需 决定该基因的时间 空间特异性表达 有转录激活因子和转录抑制因子两种 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 48 2 转录调节因子结构 包括三个结构区域 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 49 最常见的DNA结合域 1 锌指 zincfinger C CysH His 常结合GC盒 图示 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 50 2 碱性 螺旋 常结合CAAT盒 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 51 3 碱性亮氨酸拉链 bZIP 碱性螺旋 环 螺旋 bHLH 等 图示 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 52 三 mRNA转录激活 起始复合物形成 真核RNA聚合酶 在转录因子帮助下 形成的转录起始复合物 TBP相关因子 EBP 增强子结合蛋白 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 53 真核基因转录调节是复杂的 多样的 不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式 多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件 转录因子与DNA元件结合后 对转录激活过程所产生的效果各异 有正性调节或负性调节之分 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 54 五 RNApol 的转录终止的调节 一 HIV基因组转录终止调节HIV基因的有效表达需要病毒蛋白Tat 它是一种抗终止蛋白 Tat与转录产物5 特异RNA序列结合 并与宿主蛋白质 RNApol 相互作用 在延长中的RNA形成特定的二级结构 阻止HIV基因组转录提早终止 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 55 二 热休克蛋白基因的转录终止调节 在应激条件下 细胞作出一系列反应 包括暂时性停止大多数基因的转录和翻译 启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白质即热休克蛋白 heatshockprotein HSP 的基因转录等 热休克时 热休克转录因子 HSTF 转变为活性状态 基因快速诱导表达 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 56 六 转录后水平的调节 一 hnRNA加工成熟的调节加工过程包括加帽 加尾 剪接 碱基修饰和编辑等 二 mRNA运输 胞浆内稳定性的调节通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物 ribonucleoprotein RNP 进行 高等真核细胞mRNA半寿期较原核长 一般为几小时 半寿期可影响蛋白质合成量稳定性可调节的mRNA 可能含有与特异蛋白质相互作用的反应元件 影响降解速度 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 57 七 翻译水平以及翻译后阶段的调节 调节点主要在蛋白质合成的起始和延长阶段 以起始阶段为主 一 翻译起始因子 eIF 活性的调节磷酸化调节 二 RNA结合蛋白 RBP 的调节RBP是指那些能与RNA特异序列结合的蛋白质RBP参与基因表达的许多调节环节 如 转录终止 RNA剪切 RNA转运 RNA胞浆稳定性的控制 翻译起始等等 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 58 三 对翻译产物水平及活性的调节 新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素 通过对新生肽链的水解和运输 可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平 许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性 如磷酸化 甲基化 酰基化修饰 等等 可以达到调节蛋白质功能的作用 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 59 四 小分子RNA对基因表达的调节 非编码RNA non codingRNA ncRNA 微小RNA microRNA miRNA 小干扰RNA smallinterferingRNA siRNA 细胞核小分子RNA snRNA 核仁小分子RNA snoRNA 核酶 ribosome 等等RNA组学 RNomics 研究细胞内所有小分子RNA的种类 结构和功能 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 60 1 微小RNA microRNA miRNA 是一大家族小分子非编码单链RNA 长度约20 25个碱基 由一段具有发夹环结构 长度为70 90个碱基的单链RNA前体 pre miRNA 经Dicer酶剪切后形成 成熟的miRNA与其他蛋白质一起组成RNA诱导的沉默复合体 RNA inducedsilencingcomplex RISC 通过与其靶mRNA分子的3 非编码区域 3 UTR 互补配对 抑制该mRNA翻译 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 61 miRNA的特点 其长度一般为20 25个碱基 在不同生物体中普遍存在 其序列在不同生物中具有一定的保守性 具有明显的表达阶段特异性和组织特异性 miRNA基因以单拷贝 多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中 大多位于基因间隔区 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 62 2 小干扰RNA smallinterferingRNA siRNA 是细胞内一类双链RNA double strandedRNA dsRNA 在特定情况下通过一定酶切机制 转变为具有特定长度 21 23个碱基 和特定序列的小片段RNA 双链siRNA参与RISC组成 与特异的靶mRNA完全互补结合 导致靶mRNA降解 阻断翻译过程 由siRNA介导的基因表达抑制作用被称为RNA干涉 RNAinterference RNAi 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 63 30bp双链RNA dsRNA 水解生成21 23ntsiRNA 5 3 3 5 RISC形成 识别特异序列并使其降解 RNA干扰作用机制 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 64 siRNA和miRNA的差异比较 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 65 操纵子模式图 I 调节基因P 启动序列O 操纵序列 操纵基因 Z Y A 三种结构基因 cis actingelement 真核生物编码基因两侧的DNA序列 可影响自身基因的表达活性 通常是非编码序列 包括启动子 增强子 沉默子 顺式作用元件 cis actingelement 基因产物特异识别 结合自身基因的调节序列 调节自身基因的开启或关闭称为顺式调节 基因产物特异识别 结合其它基因的调节序列 调节其它基因的开启或关闭称为反式调节 反式与顺式 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 68 乳糖水解 2020 3 4 DepartmentofBiochemistry 69 阻遏蛋白的负性调节图解 没