转录调控.ppt

基因表达调控 RegulationofGeneExpression 本章主要内容基本概念与原理原核生物基因转录调控真核生物基因表达调控 一 基因表达的概念基因表达是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译等一系列过程 合成特定的蛋白质 进而发挥其特定生物学功能的全过程 基因表达产物各种RNA tRNA mRNA和rRNA 以及蛋白质 多肽 二 基因表达的特异性 一 时间特异性往往与细胞或个体的特定分化 发育阶段相适应 又称阶段特异性 二 空间特异性由细胞在各组织器官的分布差异所决定的 故又称为细胞特异性或组织特异性 三 基因表达的方式 一 组成性表达管家基因在生命全过程都是必需的 且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因 组成性基因表达管家基因较少受环境因素的影响 在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达 二 诱导和阻遏表达诱导表达在特定环境信号刺激下 基因表现为开放或增强 表达产物增加 阻遏表达在特定环境信号刺激下 基因被抑制 从而使表达产物减少 三 协调表达协调表达在一定机制控制下 功能相关的一组基因 协调一致 共同表达 四 基因表达调控的生物学意义 一 适应环境变化 维持细胞增殖 分化 二 维持个体生长 发育 五 基因转录激活调节基本要素 一 特异DNA序列 二 调节蛋白 三 RNA聚合酶 原核生物的特异DNA序列原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机制实现的 操纵子是由功能上相关联的多个编码序列 2个以上 及其上游的调控序列 包括操纵序列 启动序列和调节序列 等成簇串联在一起 构成的一个转录协调单位 一 特异DNA序列 操纵子调节序列启动序列操纵序列编码序列表达转录 I CAP P O Z Y A 阻遏蛋白结合部位 RNA聚合酶结合部位 编码序列规定蛋白质结构 又称结构基因 多顺反子mRNA由多个结构基因串联在一起 受同一个启动序列调控 转录生成一个mRNA 翻译生成多个蛋白质 称此为多顺反子mRNA 多顺反子mRNA 阻遏蛋白 P启动基因 RNA聚合酶的结合位点O操纵基因 阻遏物的结合位点 当阻遏物附着在操纵基因上时 结构基因无法转录 I 调节基因 阻遏基因 编码阻遏物 乳糖操纵子 没有乳糖的时候 阻遏基因编码产生的阻遏蛋白结合在操纵基因序列上 使得RNA聚合酶无法对下游的结构基因进行转录 异乳糖 原核生物的共有序列原核生物的启动序列 RNA聚合酶结合位点 在距离转录起始点 10区和 35区往往含有一些重要的保守序列 共有序列 10区 含TATAAT序列 又称Pribnow盒 35区 含TTGACA序列 RNA聚合酶结合部位决定转录起始点 真核生物的特异DNA序列真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达活性的特异DNA序列 称为顺式作用元件 顺式作用元件能够被转录调节蛋白特异识别和结合 从而影响基因表达活性 启动子顺式作用元件又分增强子沉默子 1 启动子是RNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件 包括转录起始点以及典型的TATA盒 2 增强子是增强启动子转录活性的DNA序列 并决定组织特异性表达 3 沉默子能够对基因转录起阻遏作用的DNA片段 属于负性调控元件 19 1 启动子的结构和功能 启动子与原核启动子的含义相同 是指RNA聚合酶结合并起动转录的DNA序列 但真核同启动子间不像原核那样有明显共同一致的序列 而且单靠RNA聚合酶难以结合DNA而起动转录 而是需要多种蛋白质因子的相互协调作用 20 1 TATA框 TATAframe 其一致顺序为TATAA T AA T TATA框中心在 30附近 相当于原核的 10序列 pribnowbox 对大多数真核生物来说 RNA聚合酶与TATA框牢固结合之后才能开始转录 TATA框的左右富含G C序列 这就有利于该框与RNA聚合酶形成开放性启动子复合物 RNA聚合酶 启动子结构 21 2 CAAT框 CAATframe 位置在 75附近 一致序列为GGC T CAATCT CAAT框可能控制着转录起始的频率 3 GC框在 90bp左右的GGGCGG序列称为GC框 22 23 增强子 enhancer 又称为远上游序列 farupstreamsequence 它是远距离调节启动子以增加转录速率的DNA序列 其增强作用与序列的方向无关 与它在基因的上下游位置无关 增强子有强烈的细胞类型选择 即不同细胞类型 增强作用不同 2 增强子的结构和功能 24 1 它能通过启动子大幅度地增加同一条DNA链上靶基因转录的频率 一般能增加10 200倍 有的甚至可达千倍 2 增强子的作用对同源或异源的基因同样有效 如把SV40的增强子连接到兔 珠蛋白的基因上 可使转录强度增大100倍 3 增强子的位置可在基因5 上游 基因内或其3 下游的序列中 而其作用与所在基因旁侧部位的方向似无关系 因为无论正向还是反向 它都具有增强效应 25 4 增强子所含核苷酸序列大多为重复序列 其内部含有的核心序列 对于它进入到另一宿主之后重新产生增强子效应至关重要 5 增强子一般都具有组织和细胞特异性 6 增强子在DNA双链中没有5 与3 固定的方向性 26 7 增强子可远离转录起始点 通常在1 4kb 个别情况可达30kb 外起作用 8 增强子的活性与其在DNA双螺旋结构中的空间方向性有关 另外 许多增强子还受到外部信号的调控 如金属硫蛋白基因的增强子就可对环境中的锌 镉浓度作出反应 27 3 静止子类似增强子但起负调控作用的顺式元件 静止子与反式作用因子 蛋白质 结合后 使正调控系统失去作用 二 调节蛋白 原核生物的调节蛋白 3类 特异因子决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力 RNA聚合酶的 因子 阻遏蛋白通过与操纵序列结合 阻遏基因转录 由调节基因表达的阻遏蛋白 如乳糖操纵子中的阻遏基因I的产物 激活蛋白与启动子上游DNA序列结合 促进RNA聚合酶与启动序列结合 促进基因转录 2 真核生物的调节蛋白反式作用因子能直接或间接与顺式作用元件相互作用 进而调控基因转录的一类调节蛋白 统称为反式作用因子 按其功能不同 常有以下三类 基本 转录因子转录调节因子 DNA 蛋白质共调节因子 蛋白质 蛋白质 30 反式作用因子的结构特征1 DNA识别或DNA结合结构域2 激活基因转录的功能结构域3 结合其他蛋白或调控蛋白的调节结构域 反式作用因子的特殊功能域DNA结合域 转录激活域 结合其他蛋白质的功能域 锌指结构亮氨酸拉链结构 33 四种主要的结反式作用因子结构域 34 1 螺旋 转角 螺旋结构螺旋 转角 螺旋 helix turn helix 35 36 2 锌指结构锌指 zincfinger 是由一小群氨基酸与一个锌原子结合 在蛋白质中形成相对独立的一个结构域 故而得名 37 38 3亮氨酸拉链结构亮氨酸拉链 leucinezipper ZIP 结构也是转录因子DNA结合区的一种结构模式 39 40 4 螺旋 环 螺旋结构螺旋 环 螺旋 helix loop helix HLH 是新近发现的一种DNA结合区的结构模式 41 42 六 真核基因表达的激素调节 1 激素 hormone 的调控基因转录 1 种类 甾类激素 多肽激系 2 甾体激素作用机制甾体激素与受体蛋白结合 与靶基因DNA上激素应答成分结合 再和其他因子协同作用来调控该基因的转录 如下图 43 六 基因表达的多级调控 基因结构活化转录水平转录起始转录后加工转录后水平转录产物的转运翻译调控翻译水平翻译后加工 二 色氨酸操纵子的调节机制 色氨酸操纵子 trpoperon 阻遏型操纵子 主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成 当细胞内缺乏色氨酸时 此操纵子开放 而当细胞内合成的色氨酸过多时 此操纵子被关闭 O 阻遏蛋白 无活性 mRNA trpR P trpE trpD trpC trpB trpA 前导trpL 衰减子 结构基因 调控区 二 色氨酸操纵子的调节机制 色氨酸合成的酶蛋白 47 48 49 调控机制分析 1 2 3 4 2 3 50 调控机制分析 Trp Arg starved Non starved Arg60 70 UGA69 79 2 3 3 4 Rho independentT 序列2和3配对 转录不终止 序列3和4配对 转录终止 51 52 LowTrp HighTrp 53 大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制 C 高浓度色氨酸使核糖体到达2部位 3与4碱基配对 转录终止 A 游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对 B 低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位 转录得以完成 Trp密码子 54 一种调控元件 本身对基因没有正向或是负向的直接作用 但可以使得其它调控元件对被调控基因的调控失去作用 绝缘子 Insulator 55 Anenhanceractivatesapromoterinitsvicinity butmaybeblockedfromdoingsobyaninsulatorlocatedbetweenthem 56 5 沉默子 silencer 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 57 6 应答元件 应答元件 responseelement 是位于基因上游能被转录因子识别和结合 从而调控基因专一性表达的DNA序列 如热激应答元件 heatshockresponseelement HSE 金属应答元件 metalresponseelement MRE 糖皮质激素应答元件 glucor ticoidresponseelement GRE 和血清应答元件 serumresponseelement SRE 等 58 小节 是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译等一系列过程 合成特定的蛋白质 进而发挥其特定生物学功能的全过程 1什么是基因表达 2基因表达的产物是什么 各种RNA tRNA mRNA和rRNA 以及蛋白质 多肽 59 3 基因转录调节的调控元件 一 特异DNA序列 于被调控的基因处于同一染色体上 不编码蛋白质 起到调控作用 可以在被调控的基因的旁侧 也可以在被调控的基因的内含子中 即 顺式作用元件 二 转录因子 是某一基因编码的蛋白产物 可以结合在顺式作用元件上 对被调控的基因进行正调控或是负调控 而调控可以是正向的也可以是负向的 即 反式作用因子 60 顺式作用元件分类 1启动子2终止子3增强子4弱化子 衰减子 5绝缘子6沉默子7其他的应答元件 61 1启动子 是RNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控元件 所对应的是RNA聚合酶 能指导RNA聚合全酶结合在启动子上 活化RNA聚合酶 使得转录进行 原核生物的启动子序列 在距离转录起始点 10区和 35区往往含有一些重要的保守序列 10区 含TATAAT序列 又称Pribnow盒 35区 含TTGACA序列 真核生物的启动子序列 在距离转录起始点 30区和 75区往往含有一些重要的保守序列 30区 TATA框 TATAframe 其一致顺序为TATAA T AA T 相当于原核的 10序列 pribnowbox 75区 CAAT框 CAATframe 一致序列为GGC T CAATCT CAAT框可能控制着转录起始的频率 62 63 2 终止子 指RNA聚合酶在DNA模板某一位置 终止子 上停止不再前进 转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来 64 3增强子 它是远距离调节启动子以增加转录速率的DNA序列 其增强作用与序列的方向无关 与它在基因的上下游位置无关 增强子有强烈的细胞类型选择 即不同细胞类型 增强作用不同 65 4弱化子 衰减子 是在研究色氨酸操纵子中发现的表达弱化的现象 弱化子 衰减子 在转录过程中先转录出一段前导链 色氨酸的浓度决定了前导链的配对方式 从而使得转录是否继续进行或是终止 66 5绝缘子 一种间接调控元件 本身对基因没有正向或是负向的直接作用 但可以使得其它调控元件对被调控基因的调控失去作用 67 6沉默子