分子生物学第四章.ppt

第四部分基因表达与调控,基因经过转录、翻译产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程为基因表达。,基因表达(Geneexpression),原核细胞,真核细胞,诱导表达(induciblegeneexpression)特定环境信号引起某一特定基因产物增加的过程。阻遏表达(repressiblegeneexpression)特定环境信号导致某一特定基因产物减少的过程。,组成性基因表达(constitutivegeneexpression)在一个个体几乎所有的细胞中持续表达的基因为管家基因(housekeepinggene)，管家基因的表达为组成性基因表达。,诱导和阻遏表达,时间特异性(temporalspecificity)某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称为基因表达的时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。,基因表达调控的一般特征,胚胎发育早期的Hb：22,22和22妊娠8周后胎儿的HbF：22成人型HbA：22和22(3%),21,珠蛋白基因簇位于第16号染色体；,2,1和基因为功能基因，和为假基因。,GA,珠蛋白基因簇位于第11号染色体；,G,A,和为功能基因，为假基因。,空间特异性(spatialspecificity)在个体生长过程中，某种基因产物在个体中按不同组织空间顺序出现，称为基因表达的空间特异性或组织特异性(tissuespecificity)。,H(心肌型)；M(骨骼肌型),骨骼肌,红细胞,白细胞,果蝇,原核生物基因表达的调控,操纵子(operon)结构,操纵子是转录的功能单位，由启动子(promoter)、操纵基因(operatorgene)和结构基因(structuralgenes)所构成。操纵基因(operatorgene)是与阻遏蛋白(repressor)结合的DNA序列。激活蛋白结合位点(Activatorbindingsite)是与激活蛋白(activator)结合的DNA序列。,lacI,lacA,lacY,lacZ,P,lacO,CRPsite,操纵基因,阻遏基因,启动子,结构基因,cAMP受体蛋白结合位点,乳糖操纵子(lactoseoperon),lacI基因编码阻遏蛋白(repressor)lacZ基因编码-半乳糖苷酶(-galactosidase)lacY基因编码透过酶(permease)lacA基因编码乙酰基转移酶(transacetylase),大肠杆菌,E.coli在含葡萄糖的培养基中生长时，lacZ基因不表达。当葡萄糖耗尽而乳糖存在时，lacZ基因表达，-半乳糖苷酶将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。,lacA,lacY,lacZ,P,CRPsite,阻遏蛋白,阻遏蛋白与操纵基因结合,阻止RNA聚合酶转录结构基因lacZ，lacY和lacA,1.阻遏蛋白的负调节,lacI,转录,lacmRNA,lacA,lacY,lacZ,P,lacO,CRPsite,变构的阻遏蛋白不能与操纵基因结合，RNA聚合酶转录结构基因,诱导物,变构的阻遏蛋白,诱导物：乳糖、异乳糖、-半乳糖苷,-半乳糖苷酶,透过酶,转乙酰基酶,lacI,(异丙基-D-硫代半乳糖苷),2.CRP的正调节,cAMP-受体蛋白(cAMP-receptorprotein,CRP)或分解代谢激活蛋白(cataboliteactivatorprotein,CAP),lacA,lacY,lacZ,P,lacO,CRPsite,lacA,lacY,lacZ,P,lacO,CRP,CRP,cAMP,无葡萄糖时，cAMP浓度高，cAMP与CRP结合后与CRP位点结合，促进结构基因的转录,lacI,lacI,色氨酸操纵子(tryptophanoperon),1.阻遏蛋白的调控作用色氨酸(Trp)为阻遏蛋白(TrpR)的辅助因子，TrpR-Trp与操纵基因结合。2.衰减作用(Attenuation),1.阻遏蛋白的调控作用,色氨酸合酶,邻氨基苯甲酸合酶,当低浓度Trp时，TrpR不结合Trp，因此，TrpR不与操纵基因结合，trpE-A基因转录成trpmRNA。,2.衰减作用,衰减子(Attenuator)先导DNA序列中可形成转录终止子结构的一段核苷酸，以终止mRNA的转录。,转录终止子,高浓度Trp时，核糖体阻止1-2发夹结构的形成，导致3-4形成转录终止子结构生成。,低浓度Trp时，核糖体停止合成先导肽，2-3发夹结构不影响mRNA的转录。,真核生物基因表达调控,DNA,mRNA,mRNA,RNA转录,失活的mRNA,蛋白质,失活的蛋白质,细胞核,细胞质,转录调控,RNA加工调控,RNA转运调控,mRNA降解调控,翻译调控,蛋白质活性调控,1.转录活性基因对DNaseI极度敏感2.核小体结构的变化DNA的正性超螺旋构象阻碍核小体结构形成，并促进H2A-H2B二聚体的解离，使RNA聚合酶向前移动以进行转录。当该核小体完成转录后，核小体恢复原有结构。,染色体结构的变化对基因表达的影响,核小体核心结构与RNA聚合酶的转录,3.DNA碱基的修饰CpG岛(CpGisland)常出现在管家基因及其它常表达基因的启动子序列中。C的甲基化范围与基因表达程度呈反比关系。,Cytosine5-methyl-cytosine,4.组蛋白的修饰组蛋白发生乙酰化、磷酸化、甲基化及泛素化等修饰，使核小体结构变得不稳定或松弛。,Li,etal.(2007).TheRoleofChromatinduringTranscription.Cell128,707-719.,组蛋白的乙酰化破坏了核小体的结构，便于转录调节因子与DNA结合而进行转录。,转录水平的调控,(一)顺式作用元件(cis-actingelements)1.启动子(promoter)2.增强子(enhancer)：增强基因表达的调控元件。3.沉默子或沉默基因(silencer)：结合阻遏物的调控序列；阻遏物与沉默子的结合导致其附近的启动子失活，靶基因不被转录。,(二)反式作用因子(trans-actingfactors)直接或间接与靶基因的顺式作用元件结合，调控RNA转录的酶和蛋白质(转录因子)。,增强子可在靶基因的5端上游或3端下游序列中，其作用的发挥需要特异性(专一性)转录因子。,转录因子的结构域：(1)DNA结合结构域(DNAbindingdomain)：识别并结合顺式作用元件螺旋-转角-螺旋(Helix-turn-Helix)模体锌指(Zincfingers)模体亮氨酸拉链(Leucinezipper)模体(2)转录活化结构域(Transactivationdomain)带负电荷的-螺旋结构域富含谷氨酰胺的结构域富含脯氨酸的结构域酸性结构域：富含天冬氨酸和谷氨酸,锌指(Zincfinger)模体,以Zn原子与半胱氨酸和组氨酸络合而成的结构连接若干其它氨基酸，形状如手指。,1个-螺旋结构：镶嵌于DNA的大沟中,2个反向平行的-折叠,类固醇激素-受体复合物与特异的DNA序列结合，调节特异基因的转录。,类固醇激素,类固醇激素受体,类固醇激素-受体复合物,锌指结构镶嵌于DNA双螺旋的大沟,类固醇激素受体的结构,与类固醇激素受体结合的DNA序列,亮氨酸拉链(leucinezipper)模体,肽链C端的-螺旋区域(约含30个氨基酸)中，每间隔几个氨基酸就出现一个亮氨酸残基，形成亮氨酸重复序列。两个具有亮氨酸重复序列的蛋白质分子以亮氨酸间的疏水作用(即亮氨酸拉链)形成二聚体。,通过亮氨酸拉链形成二聚体,富含碱性氨基酸的N-端与DNA结合,亮氨酸拉链,DNA,转录后调控,(一)hnRNA的加工5端“帽子”结构3端多聚腺苷酸(poly(A)尾外显子的剪接及选择性剪接(二)RNA编辑(RNAediting)mRNA分子发生核苷酸的插入、删除或碱基替换，改变DNA模板的遗传信息，从而翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质。,降钙素基因相关肽,降钙素,RISC(RNA-inducedsilencingcomplex),Dicer(specificenzymeinDrosophila),RNA干扰,microRNA的形成,与靶mRNA发生碱基互补配对，抑制蛋白质翻译。,翻译水平的调控,1.翻译起始因子(eIF)功能的调控Met-tRNA-eIF2-GTP复合物与40S小亚基结合，eIF2亚基的磷酸化阻碍eIF2的功能，从而抑制蛋白质合成的起始。,铁反应元件形成茎-环结构铁结合调节蛋白未与铁结合时，可与铁反应元件结合，抑制翻译。铁结合调节蛋白与铁结合时，从铁反应元件上解离，mRNA的翻译可提高100多倍。,mRNA,铁反应元件,2.阻遏蛋白的调控作用翻译抑制蛋白(如铁结合调节蛋白)结合到mRNA的5端，抑制翻译。,铁结合调节蛋白,从核糖