《基因表达调控》PPT课件.pptVIP

1 基因表达调控 RegulationofGeneExpression 授课教师石如玲E mail shrl1970 Tel 3029127监督电话 3029945生物化学与分子生物学教研室 2 主要内容 第一节基因表达调控的基本概念第二节基因表达调控的基本原理第三节原核基因表达调控第四节真核基因表达调控 3 第一节基因表达调控的基本概念 BasicConceptionsofGeneExpressionRegulation 4 一 基因表达的基本概念 基因组 genome 某物种单倍体细胞中的全部遗传物质 结构基因 structuralgene 能转录出RNA的DNA区段 基因 gene 有遗传效应的核苷酸序列 DNA或RNA 5 指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译 产生具有生物学功能的产物 蛋白质 RNA 这一过程称为基因表达 基因表达 geneexpression 6 二 基因表达的基本特征 一 时间特异性 7 二 空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的空间分布差异 是由细胞在器官的分布决定的 故空间特异性又称细胞或组织特异性 cellortissuespecificity 多细胞生物个体在生长发育过程中 同一基因产物在不同组织器官的表达水平不同 称为基因表达的空间特异性 spatialspecificity 8 三 基因表达的方式 按对刺激的反应性 基因表达的方式分为 一 基本 或组成性 表达 某些基因在个体的几乎所有细胞中持续表达 这种表达方式称为基本表达 这类基因通常被称为管家基因 housekeepinggene bcl 2 actin 9 常用的管家基因 中文名称英文缩写Beta 肌动蛋白 actin甘油醛3 磷酸脱氢酶GAPDHTATABox结合蛋白TBP18s核糖体核糖核酸18srRNA微管蛋白 Tubulin 10 管家基因在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织持续表达 无论表达水平高低 都较少受环境因素影响 这类基因表达被视为组成性基因表达 constitutivegeneexpression 只受启动子与RNApol相互作用的影响 11 二 诱导和阻遏表达 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 12 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 诱导或阻遏除与启动子 RNApol之间相互作用有关外 还与相关的反应元件有关 13 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 协调调节 14 四 基因表达调控的生物学意义 1 适应环境 维持生长和增殖 2 维持细胞分化与个体发育 15 第二节基因表达调控的基本原理 16 一 基因表达的多级调控 基因激活 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 17 二 基因转录激活调节基本要素 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 1 特异DNA序列 原核生物 真核生物都存在 18 原核生物 操纵子 operon 机制 操纵子 原核生物的一组结构基因与其调控序列构成操纵子 Monod JandJacob F 19 1 启动序列 共有序列突变会影响RNA聚合酶与启动序列结合 共有序列决定启动序列的转录活性大小 20 2 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 负性调节 21 3 调节序列 在调节序列中有一种特异的DNA序列 可结合激活蛋白 activator 结合后促进RNA聚合酶与启动序列的结合 增强RNA聚合酶活性 正性调节 衰减子 位于一些操纵子中第一个结构基因之前 是一段能减弱转录作用的序列 22 真核生物 顺式作用元件 cis actingelement 可影响自身基因表达活性的DNA序列 不同真核生物的顺式作用元件也存在一些共有序列 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 分为启动子 增强子 沉默子 反应元件 23 2 转录调节蛋白 1 原核基因转录调节蛋白有三类 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 如 70 32 阻遏蛋白 识别结合操纵序列 抑制基因转录 激活蛋白 结合启动序列附近的调节序列 提高RNA聚合酶与启动序列的结合能力 如分解物基因激活蛋白 CAP ntrC蛋白 24 2 真核基因的转录调节蛋白 大多数是DNA结合蛋白 能特异的识别结合顺式作用元件 调节靶基因转录 绝大多数为反式调节 也有顺式调节 反式调节 转录因子特异识别或结合其他基因的顺式作用元件 顺式调节 转录因子特异识别 结合自身基因的调节序列 调节自身基因的表达 又称转录调节因子或转录因子 25 反式调节 顺式调节 26 反式作用因子 蛋白 trans actingfactor 直接或间接地识别或结合其他基因的特异顺式作用元件 参与调控该基因转录的蛋白质 顺式作用因子 蛋白 cis actingfactor 特异识别 结合自身基因的调节序列 调节自身基因的表达的蛋白质 27 指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 多数调节蛋白结合DNA之前 需通过蛋白质 蛋白质相互作用 形成二聚体 dimer 或多聚体 polymer 3 DNA 蛋白质蛋白质 蛋白质 的相互作用 28 4 RNA聚合酶 RNApol 启动序列 启动子与RNApol活性 启动序列 启动子的核苷酸序列影响RNApol的亲和力 影响转录活性 强启动子 弱启动子 转录调节蛋白 转录因子与RNApol活性 一些特异调节蛋白 如 32 HSF 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RNApol活性 29 第三节原核基因表达调控 RegulationofProkaryoticGeneExpression 30 原核生物基因表达的特点 1 只有一种RNA聚合酶 2 基因表达以操纵子为基本单位 3 原核基因转录单位多为多顺反子 4 转录和翻译偶联进行 5 mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列 SD序列 6 原核生物基因表达的调控主要在转录水平 即对RNA合成的调控 31 一 原核基因转录调节特点 2 因子决定RNA聚合酶识别特异性 3 操纵子模型的普遍性 4 操纵子受阻遏蛋白的负性调节 1 转录起始是主要的调节环节 转录水平的调节 32 二 乳糖操纵子调节机制 一 乳糖操纵子 lacoperon 的结构 调控区 CAP结合位点 33 没有乳糖存在时 二 阻遏蛋白的负性调节 无乳糖lac操纵子处于阻遏状态 有乳糖lac操纵子即可被诱导 34 有乳糖存在时 35 无葡萄糖 cAMP浓度高时 有葡萄糖 cAMP浓度低时 三 CAP的正性调节 36 四 协调调节 阻遏蛋白封闭转录时 CAP不能发挥作用 如无CAP存在 即使阻遏蛋白不与操纵序列结合 操纵子仍无转录活性 负性调节与正性调节协调合作 37 乳糖 乳糖 葡萄糖 葡萄糖 38 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 分解代谢阻遏 lac操纵子的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖 39 是正调控的典型例子 操纵子由结构基因BAD 启动子 操纵基因 O1 O2 调节基因 I1 I2 araC 构成 araC基因编码调节蛋白AraC 三 阿拉伯糖操纵子的调控 B 异构酶A 激酶D 表位酶 40 无阿拉伯糖时 AraC二聚体与O1 O2及I1结合 二聚体间相互作用使DNA弯曲成环结构 RNApol不能结合启动子 B A D基因不发生转录 但有低水平的araC基因转录 41 有阿拉伯糖时AraC二聚体与阿拉伯糖结合 AraC变构 释出O1 O2位点 araCmRNA大量合成 同时环解开 CAP RNApol结合启动子 AraC二聚体与I1和I2结合 活化RNApol 启动B A D基因转录 pol CAP cAMP 42 四 色氨酸操纵子的调控 43 有色氨酸 无色氨酸 1 Trp操纵子的阻遏系统 44 2 Trp操纵子的衰减机制 衰减子 attenuator DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列 前导序列 在trpmRNA5 端trpE基因的起始密码前的一段mRNA片段 阻遏控制转录的起始 而衰减控制转录起始后是否能继续下去 45 46 Trp高时 Trp低时 mRNA O P trpR 调节区 结构基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 色氨酸操纵子 La 47 前导序列 第10 11密码子为trp密码子 14aa前导肽编码区 包含序列1 形成发夹结构能力强弱 序列1 2 序列2 3 序列3 4 48 UUUU3 前导肽 前导mRNA 1 当色氨酸浓度高时 转录衰减机制 衰减子结构就是终止子可使转录 RNA聚合酶 终止 49 前导肽 前导mRNA RNA聚合酶 2 当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关结构基因被转录 序列3 4不能形成衰减子结构 50 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足 因为阻遏作用只能使转录不起始 对于已经起始的转录 只能通过弱化作用使之中途停下来 阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少 弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少 它通过前导肽的翻译来控制转录的进行 在细菌细胞内这两种作用相辅相成 体现着生物体内周密的调控作用 51 翻译水平的调控 SD序列 Shine Dalgarnosequence SD序列是原核mRNA上游 9 12bp左右 的一段短核苷酸序列 富含嘌呤 与16SrRNA3 互补SD序列与起始密码子的距离 蛋白质与SD序列的结合 影响翻译的起始mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用 52 无红霉素时 合成前导肽 1和2 3和4形成发夹结构 SD不能与核糖体结合 有红霉素时 红霉素与核糖体结合 抑制核糖体移动 阻止1和2形成发夹 导致2和3形成 3和4不形成发夹 故可结合核糖体 翻译红霉素甲基化酶 53 反义RNA的调控作用反义RNA是能与特定mRNA互补结合的RNA片段 天然的有功能的反义RNA一般在200bp以下 又称mRNA干扰性互补RNA micRNA 反义RNA作用方式 结合mRNA5 端非翻译区 包括SD序列 起始密码AUG 非编码区 抑制翻译 54 核糖体蛋白质合成中的自身调控大肠杆菌核糖体蛋白有50余种 它们必需以同样的速率合成 环境的改变可导致所有核糖体组分迅速增加或降低 翻译水平调控在这些协调控制中起关键作用 50种核糖体蛋白的基因分布在几个不同的操纵子中 几个连续的基因在mRNA上是连锁的可同时打开或关闭 55 mRNA的稳定性与调控的关系mRNA的降解速度是翻译调控的一个重要因素 mRNA的稳定与其序列和结构 即一级结构与次级结构 有关 56 第四节真核基因表达调控 RegulationofEukaryoticGeneExpression 57 一 真核基因组结构特点 一 真核基因组结构庞大 58 二 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 三 重复序列 四 基因不连续性 59 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 活化基因常有超敏位点 位于调节蛋白结合位点附近 60 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 61 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 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露 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 62 三 真核基因转录激活调节 一 顺式作用元件 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 63 64 65 二 反式作用因子 1 转录调节因子分类 按功能特性 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 66 特异转录因子 specialtranscriptionfactors 为个别基因转录所必需 决定该基因的