基因表达调控.ppt

第一节基因表达与基因表达调控的基本概念与特点 一 基因表达是指基因转录和翻译的过程 是基因转录及翻译的过程 即 生成具有生物学功能产物的过程 基因表达 geneexpression 基因表达是受调控的 二 基因表达具有时间特异性和空间特异性 一 时间特异性 二 空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异 实际上是由细胞在器官的分布决定的 所以空间特异性又称细胞或组织特异性 cellortissuespecificity 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 三 基因表达的方式存在多样性 按对刺激的反应性 基因表达的方式分为 基本 或组成性 表达诱导或阻遏表达 一 有些基因几乎在所有细胞中持续表达 某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达 通常被称为管家基因 housekeepinggene 无论表达水平高低 管家基因较少受环境因素影响 而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达 或变化很小 区别于其他基因 这类基因表达被视为组成性基因表达 constitutivegeneexpression 二 有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏 在特定环境信号刺激下 相应的基因被激活 基因表达产物增加 这种基因称为可诱导基因 induciblegene 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程 称为诱导 induction 如果基因对环境信号应答是被抑制 这种基因是可阻遏基因 repressiblegene 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 repression 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 三 生物体内不同基因的表达受到协调调节 四 基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节 基因表达的调节与基因的结构 性质 生物个体或细胞所处的内 外环境 以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关 一 特异DNA序列决定基因的转录活性 二 转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性 调节基因产物不仅能对处于同一条DNA链上的结构基因的表达进行调控 而且还能对不在一条DNA链上的结构基因的表达起到同样的作用 这些蛋白质因子称为反式作用因子 调节序列与被调控的编码序列位于同一条DNA链上 被称为顺式作用元件 顺式作用元件 cis actingelement 与反式作用因子 trans actingfactor 指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合 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 绝大多数调节蛋白质结合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 转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节 五 基因表达调控呈现多层次和复杂性 基因表达的多级调控 基因激活拷贝数重排甲基化程度 转录起始转录后加工mRNA降解 蛋白质翻译翻译后加工修饰蛋白质降解等 转录起始 六 基因表达调控为生物体生长和发育的基础 一 生物体调节基因表达以适应环境 维持生长和增殖 生物体所处的内 外环境是在不断变化的 通过一定的程序调控基因的表达 可使生物体表达出合适的蛋白质分子 以便更好地适应环境 维持其生长和增殖 二 生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育 在多细胞个体生长 发育的不同阶段 或同一生长发育阶段 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 这些差异是调节细胞表型的关键 第二节原核基因表达调控 操纵子 operon 机制 一 操纵子是原核基因转录调控的基本单位 调节的主要环节在转录起始 因子决定RNA聚合酶识别特异性 在转录起始阶段 因子识别特异启动序列 不同的 因子决定特异基因的转录激活 决定mRNA rRNA和tRNA基因的转录 五种E coli启动序列的共有序列 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 原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节 原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开 关调节机制 当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时 就会发生特异基因的阻遏或去阻遏 操纵序列 阻遏蛋白 repressor 的结合位点 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 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 二 乳糖操纵子是典型的诱导型调控 一 乳糖操纵子 lacoperon 的结构 没有乳糖存在时 二 乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节 1 阻遏蛋白的负性调节 有乳糖存在时 图13 4lac操纵子与阻遏蛋白的负性调节 无葡萄糖 cAMP浓度高时 有葡萄糖 cAMP浓度低时 2 CAP的正性调节 3 协调调节 当阻遏蛋白封闭转录时 CAP对该系统不能发挥作用 如无CAP存在 即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合 操纵子仍无转录活性 单纯乳糖存在时 细菌利用乳糖作碳源 若有葡萄糖或葡萄糖 乳糖共同存在时 细菌首先利用葡萄糖 葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏 catabolicrepression 低半乳糖时 高半乳糖时 葡萄糖低cAMP浓度高 葡萄糖高cAMP浓度低 原核生物转录 翻译偶联 三 色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达 四 原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制 一 不依赖Rho因子的转录终止 二 依赖Rho因子的转录终止 常见于噬菌体中 结构特点不清楚 两段富含GC的反向重复序列 中间间隔若干核苷酸 下游含一系列T序列 终止子结构特点 五 原核生物在翻译水平的多个环节受到精细调控 一 转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性 二 蛋白质分子结合于启动子或启动子周围进行自我调节 三 翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的结合实现对翻译起始的调控 四 反义RNA结合mRNA翻译起始部位互补序列以调节翻译起始 五 mRNA密码子的编码频率影响翻译速度 第三节真核基因表达调控 一 真核细胞基因表达特点 真核基因组比原核基因组大得多 哺乳类动物基因组DNA约3 109碱基对 人编码基因约4万个 编码序列仅占总长的1 rDNA等重复基因约占5 10 真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列 往往是基因表达的调控区 在编码基因内部尚有内含子 intron 外显子 exon 之分 因此真核基因是不连续的 真核基因中存在非编码序列和间隔区 故 具有不连续性 真核基因组含有大量的非编码序列 真核基因转录产物为单顺反子 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 二 染色质结构与真核基因表达密切相关 一 转录活化的染色质对核酸酶极为敏感 活化基因常有超敏位点 位于调节蛋白结合位点附近 二 转录活化染色质的组蛋白发生改变 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 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 组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响 三 CpG甲基化水平降低 CpG岛 基因的5 末端调控区存在一段富含成对的胞嘧啶 鸟嘧啶 CpG 的序列去甲基化的CpG岛对转录起始是必需的 一 真核生物启动子结构和调节远较原核生物复杂 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 三 基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调控部位 真核基因启动子的典型结构 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 某些基因的负性调节元件 当其结合特异蛋白因子时 对基因转录起阻遏作用 二 增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件 三 沉默子能够抑制基因的转录 四 转录因子是转录调控的关键分子 一 通用转录因子 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 二 特异转录因子 为个别基因转录所必需 决定该基因的时间 空间特异性表达 转录激活因子 转录抑制因子 三 转录因子作用的结构特点 1 转录因子的DNA结合结构域主要有以下几种 锌指 zincfinger C CysH His 常结合GC盒 碱性螺旋 环 螺旋 常结合CAAT盒 3 碱性亮氨酸拉链 四 二聚体是常见的蛋白质 蛋白质相互作用方式 2 转录因子的转录激活结构域 1 酸性激活结构域 2 谷氨酰胺富含结构域 3 脯氨酸富含结构域 真核RNA聚合酶 在转录因子帮助下 形成转录起始复合物 转录起始复合物的形成 五 转录起始复合物的动态构成四转录调控的主要方式 六 转录后调控主要影响真核mRNA的结构与功能 一 mRNA的稳定性影响真核生物基因表达 二 一些非编码小分子RNA可引起转录后基因沉默 三 mRNA前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达 七 真核基因表达在翻译及翻译后仍可受到调控 一 对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行 蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平 通过磷酸化调节翻译起始因子 eukaryoticinitiationfactor eIF 的活性对起始阶段有重要的控制作用 二 RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节 RNA结合蛋白 RNAbindingprotein RBP 是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质 基因表达的许多调节环节都有RBP的参与 如前述转录终止 RNA剪接 RNA转运 RNA胞浆内稳定性控制以及翻译起始等 三 对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达 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 因此 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 通过对蛋白质的可逆的磷酸化 甲基化 酰基化修饰 可以达到调节蛋白质功能的作用 是基因表达的快速调节方式 是一大家族小