《生物化学》教学课件-第十五章 基因表达调控

第十五章基因表达及其调控RegulationofGeneExpression,主要内容基因表达的基本规律原核生物基因转录调控真核生物基因转录调控,基因表达：基因组结构基因特定的蛋白质基因表达产物：各种RNA(tRNA、mRNA和rRNA)以及蛋白质、多肽。,转录及翻译,一、时间特异性又称阶段特异性。二、空间特异性又称为细胞特异性或组织特异性。,第一节基因表达的基本规律,三、基因表达的方式,1.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。,2.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。,3.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。,第二节原核生物基因转录调控,通过操纵子机制实现。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）等串联在一起，构成的一个转录协调单位。,一、乳糖操纵子调控机制,控制区,信息区,结构基因(S),操纵序列（O）,启动序列（P）,调节基因（I）,CAP,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,原核生物的共有序列原核生物的启动序列，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（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,乳糖操纵子结构基因表达产物,（一）阻遏蛋白的负性调节,I,阻遏蛋白,无乳糖存在时，结构基因受阻遏,有乳糖存在时，结构基因表达,CAP,CAP位点,-G,-Lac,阻遏蛋白,操纵序列,-G,+Lac,RNA聚合酶,无葡萄糖，无乳糖无葡萄糖，有乳糖有葡萄糖，无乳糖有葡萄糖，有乳糖,启动序列,cAMP,mRNA5,（二）CAP的正性调节（CAP分解代谢物基因活化蛋白）,G,-Lac+G,+Lac,当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时,细胞中cAMP浓度降低,缺乏乳糖与阻遏蛋白结合,CAP失活,阻抑蛋白与操纵基因结合,CAP及RNA聚合酶不能与启动基因结合,基因转录被阻遏,阻遏蛋白的负性调节,当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时,细胞中cAMP浓度升高,乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合,cAMP与CAP结合并使之激活,促使阻抑蛋白与操纵基因分离,CAP与启动基因结合并促使RNA聚合酶与启动基因结合,基因转录激活,CAP的正性调节,三、原核生物基因表达调控的特点（自学）,主要在转录水平进行调节1）因子的特异启动作用2）操纵子调控机制具有普遍性3）结构基因进行多顺反子转录4）阻遏蛋白阻遏转录具有普遍性,第三节真核生物基因转录调控,主要通过顺式作用元件、反式作用因子、RNA聚合酶相互作用实现。,一、顺式作用元件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。,二、反式作用因子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：通用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,（1）通用转录因子是指能够直接或间接与启动子核心序列TATA盒特异结合、并启动转录的一类调节蛋白。（参与构成基础转录装置所需的一类通用转录因子）真核生物RNA聚合酶（RNApol）识别启动子所需的转录因子（TF）有多种亚类：TFA，TFB，TFD，TFE，TFF，TF-I等。其中TFD最先、最直接与启动子TATA盒结合的转录因子，然后按一定时空顺序依次结合RNApol和其他转录因子，形成一个转录前起始复合物（PIC）。,转录前起始复合体的组装（PIC),转录前起始复合物（PIC）,(2)转录调节因子这类调节蛋白能识别并结合转录起始点的上游激活序列和远端的增强子元件，通过DNA蛋白质相互作用而调节转录活性。起激活转录作用转录激活因子；阻遏转录作用转录阻遏因子。（3）共调节因子首先与转录因子或转录调节因子发生蛋白蛋白相互作用，进而影响它们的分子构象，以调节转录活性。如果与转录激活因子有协同作用共激活因子；与转录阻遏因子有协同作用共阻遏因子。,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,三、RNA聚合酶1.启动子与RNA聚合酶活性启动子核苷酸序列影响与RNA聚合酶的亲和力。2.调节蛋白与RNA聚合酶的活性调节蛋白通过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA酶活性。,四、真核基因表达调控的特点（自学）,（一）真核生物基因组特点,1.基因组结构庞大人类的单倍体基因组由3109的核苷酸组成，含有大约2.63.9万个基因。2.形成染色体结构真核生物的基因组是以DNA和蛋白质结合形成染色体结构形式而存在于细胞核。,3.单顺反子真核基因的转录产物一般是单顺反子。单顺反子一个编码基因转录生成一个mRNA分子，并指导翻译一条多肽链。4.重复序列真核生物基因普遍存在重复序列。根据重复频率不同，分为以下3类：高度重复序列中度重复序列单拷贝重复序列反向重复序列（回文序列）,高度重复序列重复数百万次，序列简单序列，不到10bp;称为卫星DNA；中度重复序列重复上千次，序列由几百个bp构成；单拷贝序列只出现1次或几次。真核生物极大多数为单一基因；反向重复序列是指在DNA链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如：“CGTACC-/-CCATGC-”,又称“回文结构”。,5.断裂基因,外显子具有实际编码意义的结构基因序列；内含子不具有编码意义的碱基序列，又称插入序列。6.大多数为非编码区（95左右）,1.DNA、染色体水平的变化特点,(二)真核基因表达调控的特点,对核酸酶极度敏感,DNA拓朴结构变化天然双链DNA几乎均以负性超螺旋构象存在。当基因激活后，则转录区前方的DNA拓朴结构变为正性超螺旋，有利于RNA聚合酶向前移动，进行转录。DNA甲基化DNA甲基化程度与基因表达呈反比。染色体结构的变化组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体结构改变，使核小体不稳定性增加。,2.RNA聚合酶、mRNA的转录激活及调节真核生物有3种RNA聚合酶：RNApol、。每种RNA聚合酶有约10个亚基组成，其中TATA盒结合蛋白（TBP）为3种酶共有。RNApol对催化mRNA的生成起主要作用。转录前RNApol必须与TBP、TFD等各种通用转录因子形成转录前复合体（PIC），从而激活或抑制RNA的转录。,聚合酶转录前起始复合体的组装,聚合酶转录起始复合体的组装,3.正性调节占主导真核基因一般都处于阻遏状态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种转录因子正性激活RN