《基因表达的调控》PPT课件.ppt

第16章基因表达的调控RegulationofGeneExpression 本章主要内容 原核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控 每种生物在生长发育和分化的过程中 以及在对外环境的反应中各种相关基因有条不紊的表达起着至关重要的作用 20世纪50年代 Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构学说和 中心法则 并用分子结构特征解释了生命现象的基本问题 基因复制 中心法则阐明了DNA与蛋白质合成的关系 揭示了基因型与表型 遗传与代谢的关系 人们从分子水平上了解到遗传对代谢的控制 了解到一切生理 病理现象都是直接或间接地受到遗传基因的控制 Watson和Crick伟大理论的重要性无论怎样评估也不过分 但它仅仅是揭开了生命现象的一部分本质而不是全部 通过基因表达 DNA中的遗传信息即可用以决定细胞的表型和生物形状 但是 基因的表达随着组织细胞及个体发育的阶段的不同 随着内外环境的变化的不同 而表现为不同的基因的表达 这就是时序调节 temporalregulation 基因由此分为两类 管家基因 housekeepinggenes 其表达产物大致以恒定水平始终存在细胞内 可调基因 regulatedgenes 它的产物只有在细胞需要时才表达 从DNA到蛋白质的过程叫基因表达 geneexpression 对这个过程的调节即为基因表达调控 regulationofgeneexpressionorgenecontrol 基因调控是现代分子生物学研究的中心课题之一 因为要了解动植物生长发育规律 形态结构特征及生物学功能 就必须搞清楚基因表达调控的时间和空间概念 掌握了基因调控机制 就等于掌握了一把揭示生物学奥秘的钥匙 基因表达调控主要表现在以下几个方面 转录水平上的调控 mRNA加工 成熟水平上的调控 翻译水平上的调控 基因表达调控原核生物和真核生物之间存在着相当大差异 原核生物中 营养状况 环境因素对基因表达起着十分重要的作用 而真核生物尤其是高等真核生物中 激素水平 发育阶段等是基因表达调控的主要手段 营养和环境因素的影响则为次要因素 原核生物的基因表达调控虽然比真核生物简单 然而也存在着复杂的调控系统 如在转录调控中就存在着许多问题 如何在复杂的基因组内确定正确的转录起始点 如何将DNA的核苷酸按着遗传密码的程序转录到新生的RNA链中 如何保证合成一条完整的RNA链 如何确定转录的终止 上述问题决定于DNA的结构 RNA聚合酶的功能 蛋白因子及其他小分子配基的互相作用 在转录调控中 现已搞清楚了细菌的几个操纵子模型 1961年Jacob和Monod提出乳糖操纵子模型 lacoperonmodel 一 原核生物的基因表达调控 操纵子模型 Operonmodel 所谓操纵子即基因表达的协调单位 coordinationunit 它们有共同的控制区 controlregion 和调节系统 regulationsystem 操纵子包括功能上彼此有关的结构基因和控制部位 控制部位包括启动子和操纵基因 控制部位可接受调节基因产物的调节 酶的诱导 酶的阻遏 现以大肠杆菌乳糖操纵子为例予以说明 大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因 结构基因 包含3个结构基因 lacZ lacY lacA LacZ合成 半乳糖苷酶 lacY合成透过酶 lacA合成乙酰基转移酶 操纵基因O 控制结构基因的转录速度 位于结构基因的附近 本身不能转录成mRNA 启动基因P 位于操纵基因的附近 它的作用是发出信号 mRNA合成开始 该基因也不能转录成mRNA 调节基因i 可调节操纵基因的活动 调节基因能转录出mRNA 并合成一种蛋白 称阻遏蛋白 操纵基因 启动基因和结构基因共同组成一个单位 操纵子 operon 负调控模型 其调控机制简述如下 抑制作用 调节基因转录出mRNA 合成阻遏蛋白 因缺少乳糖 阻遏蛋白因其构象能够识别操纵基因并结合到操纵基因上 因此RNA聚合酶就不能与启动基因结合 结构基因也被抑制 结果结构基因不能转录出mRNA 不能翻译酶蛋白 诱导作用 乳糖的存在情况下 乳糖代谢产生异乳糖 alloLactose 异乳糖能和调节基因产生的阻遏蛋白结合 使阻遏蛋白改变构象 不能在和操纵基因结合 失去阻遏作用 结果RNA聚合酶便与启动基因结合 并使结构基因活化 转录出mRNA 翻译出酶蛋白 负反馈 细胞质中有了 半乳糖苷酶后 便催化分解乳糖为半乳糖和葡萄糖 乳糖被分解后 又造成了阻遏蛋白与操纵基因结合 使结构基因关闭 没有乳糖存在时 有乳糖存在时 阻遏蛋白的分离和性质阻遏蛋白是由4个相同亚基组成的4聚体 该蛋白质与IPTG结合的结合常数Ka大约106 与非特异性的双链DNA结合的常数Ka大约3 106 然而与lac操纵基因的结合要牢固得多 结合常数Ka达1013 与DNA结合的部位域含有 HTHmotif 与诱导物结合使阻遏蛋白与操纵基因的亲和力下降 乳糖操纵子的操纵基因长为35bp 图16 3 其中有28bp的对称序列 用足纹实验和甲基保护实验分析得知 阻抑蛋白结合区在操纵基因中央 共22bp 原核生物基因表达的调控 在上述过程中 当阻遏蛋白与操纵基因结合后 其相邻的结构基因的表达被关闭 因此 称这种调控为负调节作用 不是所的调控蛋白对操纵子都起负调节作用 有些调节基因产物对操纵子起正调节作用 葡萄糖对乳糖操纵子的调控 一种正调控系统 正调控模型 葡萄糖利用对乳糖操纵子的影响 实验 在lac Glu培养基上 E coli只利用G 只有G耗尽时 才会利用lac 葡萄糖代谢产物能抑制腺苷酸环化酶活性 激化磷酸二脂酶活性 降低cAMP含量 当葡萄糖水平低时 cAMP水平升高 通过与一种蛋白质作用引发乳糖操纵子激活 这种蛋白质以前称为分解代谢产物激活物蛋白 Cataboliteactivatorprotein CAP 现称为cAMP受体蛋白 cAMPreceptorprotein CRP 它是一个二聚体 每个亚基由含210个氨基酸残基的多肽链组成 与cAMP结合时 其构型改变 这种改变就极大地增加了与特定DNA位点的亲和力 乳糖操纵子中这种位点 位于 72 52之间 与RNA聚合酶结合位点相邻 cAMP CRP复合物与其乳糖操纵子上的位点结合 刺激RNA聚合酶结合形成紧密启动子复合物 实验证明 CRP cAMP激活转录有两种情况 一种认为与DNA结合的CRP cAMP直接与RNA聚合酶相互作用 使它能与启动子形成开放复合物 另一种认为CRP cAMP的结合改变了启动子的DNA结构 从而使DNA聚合酶与改变了的DNA相互作用 trp操纵子 生物合成过程 trp操纵子含5个连在一块的结构基因 这些基因的转录都由一共同的启动子操纵基因调节区控制 trp阻遏蛋白由基因trpR编码 当细胞内的色氨酸浓度高时 阻遏蛋白质与色氨酸结合 形成的色氨酸 阻遏蛋白复合体 它与操纵基因结合 阻断转录 当细胞内的色氨酸浓度降低时 色氨酸 蛋白质复合体解离 释放出蛋白质 阻遏蛋白 使阻遏蛋白离开操纵基因 激活转录 原核生物基因表达的调控 Trp操纵子还有一种调节机制 弱化作用 a 当氨基酸缺乏时 前导肽不能形成 转录在终止信号处停止 b 当氨基酸仅色氨酸缺乏时 前导肽翻译至色氨酸密码子 UGG 处停止 核糖体占据区域1的位置 区2和区3配对 终止信号不能形成 转录继续 c 当色氨酸不缺乏时 前导肽正常合成 核糖体占据1区和2区 终止信号形成 转录终止 原核生物基因表达翻译水平的调控1 反义RNA调控 以编码链为模板 合成RNA 合成的RNA与mRNA互补 从而抑制mRNA的翻译 真核生物基因表达调控 真核生物基因表达调控与原核生物有很大的差异 原核生物同一群体的每个细胞都和外界环境直接接触 它们主要通过转录调控 以开启或关闭某些基因的表达来适应环境条件 主要是营养水平的变化 故环境因子往往是调控的诱导物 而大多数真核生物 基因表达调控最明显的特征时能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因 从而实现 预定 的 有序的 不可逆的分化和发育过程 并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常的生理功能 真核生物与细菌在基因表达调控上表现出4个不同的重要特点 1 首先 与真核启动子的接触受染色质结构的限制 转录激活与转录区的染色质结构的许多变化有关 2 真核生物正调控占主要地位3 真核细胞比原核细胞有更大的 更加复杂的多聚调控蛋白4 在真核细胞核内的转录和在细胞质中的翻译是时空分隔的 真核生物基因表达调控据其性质可分为两大类 第一类是瞬时调控或叫可逆调控 相当于原核生物对环境条件变化所做出的反应 瞬时调控包括某种代谢底物浓度或激素水平升降时及细胞周期在不同阶段中酶活性和浓度调节 第二类是发育调节或称不可逆调控 这是真核生物基因表达调控的精髓 因为它决定了真核生物细胞分化 生长 和发育的全过程 根据基因调控在同一时间中发生的先后次序 又可将其分为转录水平调控 转录后的水平调控 翻译水平调控及蛋白质加工水平的调控 研究基因调控应回答下面三个主要问题 什么是诱发基因转录的信号 基因调控主要是在那个环节 模板DNA转录 mRNA的成熟或蛋白质合成 实现的 不同水平基因调控的分子机制是什么 回答上述这三个问题是相当困难的 这是因为真核细胞基因组DNA含量比原核细胞多 而且在染色体上除DNA外还含有蛋白质 RNA等 在真核细胞中 转录和翻译两个过程分别是在两个彼此分开的区域 细胞核和细胞质中进行 一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链 真核细胞DNA与组蛋白及大量非组蛋白相结合 只有小部分DNA是裸露的 而且高等真核细胞内DNA中很大部分是不转录的 真核生物能够有序的根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排 并能根据需要增加细胞内某些基因的拷贝数等 尽管难度很大 科学家们还是建立起多个调控模型 染色质水平上的基因活化调节 转录前水平的调节1 染色质丢失 某些低等真核生物 在其发育早其卵裂阶段 所有分裂细胞除一个外 均将异染色质部分删除掉 从而使染色质减少半 保持完整的细胞为下一代生殖细胞 推测所删除的DNA仅对生殖细胞是必需的 2 基因扩增 即通过改变基因数量而调节基因表达产物的水平 有些卵母细胞 为贮备大量核糖体以供卵细胞受精后发育的需要 通常都要专一性地增加编码核糖体RNA的基因 3 基因重排 通常去掉一段序列或一段序列从一个位点转移到另一个位点 重排可以使表达基因发生切换 或有新基因表达 4 染色质DNA修饰和异染色质化 甲基化使某些基因的活性关闭 异染色质化基因也不表达 雌性的一条X染色体 5 化学修饰影响DNA的结合力 H1磷酸化 其余核蛋白乙酰化 转录活性的调节1 染色质的活化 包括组蛋白的磷酸化 乙酰化等 使要转录的DNA区段的染色质呈松驰状 另外还活化基因表达的蛋白因子协同转录 真核生物以正调节为主 2 基因转录的顺式调节元件顺式调节元件 能够影响基因转录的一段特殊的DNA序列 包括启动子 增强子 沉寂子 转座子等 启动子promotor 在真核生物中RNA聚合酶 有含有TATA框典型启动子和不含TATA框典型启动子两种 TATA框典型启动子 在 35处不含TATA框典型启动子 具有GC框 例如持家基因上游有SP1结合位点 GGGCGG SP1普遍存在于多种细胞中对基础转录的活化有重要作用 增强子enhancer 真核细胞中通过启动子来增强转录的一种远端遗传性控制元件 增强子特性 1 增强子能通过启动子提高同一条DNA链上靶基因转录的速度 2 增强子对同源或异源基因同样有效 3 增强子序列可以5 端上游 3 端下游或内含子内 4 增强子在DNA中没有方向性 5 增强子可远离转录起始点 一般1 4Kb或30Kb 6 增强子一般具有组织或细胞特异性 7 增强子的活性与其在DNA双螺旋结构中的空间方向性有关 增强子作用机制 增强子的种类1 细胞特异性增强子2 诱导性增强子 沉寂子silencer转座子transposon 3 调节转录的反式作用因子trans actingfactor能够与顺式作用元件结合并调节或控制转录活性的蛋白因子称为反式作用因子 种类 1 通用或基本转录因子 basaltranscriptionfactor 2 上游因子 upstreamfactor 3 可诱导因子 induciblefactor 反式作用因子与其DNA结合结构域类型见第四章 转录后水平的调节 1 mRNA前体的选择性剪接选择性剪接 Alternativesplicing 是指从一个mRNA前体中通过不同的剪接方式 选择不同的剪接位点组合 产生不同的mRNA剪接异构体的过程 而最终的蛋白产物会表现出不同或者是相互拮抗的功能和结构特性 或者 在相同的细胞中由于表达水平的不同而导致不同的表型 AprocesswherebymultipleRNAtranscriptsaregeneratedfromasinglegene AlternativesplicinginvolvesthesplicingtogetherofotherpossiblesetsofEXONSduringtheprocessingofsome butnotalltranscriptsofthegene ThusaparticularexonmaybeconnectedtoanyoneofseveralalternativeexonstoformamatureRNA ThealternativeformsofmatureMESSENGERRNAproducePROTEINISOFORM