分子生物学课件.ppt

第8章基因表达的调控(ControllingoftheGeneExpression),第一节基因表达调控的概述（空间密码）第二节乳糖操纵元（LacOperon）第三节TrpOperon及弱化作用机理第四节基因转录的时序调控第五节Prok.翻译水平的调控第六节DNA序列重排对基因转录的调控第七节Euk.基因表达调控的特异性,第一节基因表达调控的概述（空间密码）,基因表达调控(generegulationorgenecontrol):任何影响基因转录过程和翻译过程的开启、关闭和这两个过程速率的较为直接的因素及其作用,涉及：RNA转录的开/关，数量，选择性加工蛋白质翻译速率，数量，加工与降解和分泌,原核生物对环境的适应，相关的应答,真核生物的细胞分化,组织特化,个体发育以及环境对个体表型的影响都是基因表达的结果,Prok.和Euk.的调控极其相似,调控机制：核酸分子间的互作,核酸与蛋白质分子间的互作,蛋白分子间的互作,调控层次：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,翻译后水平的调控,共同的起源与共同的分子基础,转录水平上的调控是最为经济,灵活，又是最为重要，复杂的调控,a、在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点,b、精细调节基因表达的水平,以保证生物体对环境的适应,c、cisfactor90krepressorrequired,Positivecontrol;停止合成90k特异tran-factor即只合成10k特异expresser,经济合理有效,二、Euk.DNA水平的调控,1、基因拷贝数的改变,a)基因的丢失（DNAfragmentorchromosomelose）,蛔虫胚胎发育过程中有27%DNA的丢失,细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性,某些低等Euk.：原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物,体细胞内丢失整条或部分染色体,将来分化产生生殖细胞的细胞内.,高等Euk.内尚未发现,b)基因的扩增(特定基因在特定阶段的选择性扩增),在没有发生细胞分裂情况下，细胞内某些特定基因的拷贝数专一性大量增加的现象,细胞短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调控手段（外界因素）,两栖类和昆虫卵母细胞rDNA的扩增,例：非洲爪蟾体细胞rDNA约500copies卵母细胞200万copies（4000倍）,chromatin状况与基因表达相关,2、转录区染色质结构的变化对基因表达的控制,量大，进化保守，与DNA无专一性结合区,表达非常活跃的rDNA转录区无nucleosome结构,凡被Trans-factor结合的区域均能阻止nucleosome形成,活跃转录区的组蛋白确实被乙酰化、磷酸化,NakedDNADNA+H2A,H2B,H3,H4,转录速度转录速度,转录速度转录速度,completenucleosome,3、m5C对基因表达的调控,a)m5C是真核生物DNA中的主要修饰成分,多发生在CpG序列中,不同细胞间m5C相差甚大,胚胎细胞与特化体细胞相差106,b)m5C对基因转录抑制的表现,三、Euk.的基因重排,啤酒酵母（Saccharomycescerevisiae）接合型的决定,单倍体细胞或a或,接合型互变需要HO基因编码内切酶,1、单倍体接合型受MATaMAT控制,同宗不能接合，异宗能接合,2、接合型互变的匣子模型,a、单倍体细胞中同时存在MATa和MAT的遗传信息,b、活跃匣子MATa或MAT沉寂匣子HML、HMRa在同一条染色体上,c、接合型互变HML、HMRa能取代活跃匣子而改变接合型（不同型）原HM位置仍保留一个拷贝的沉寂匣子,3、沉寂匣子的表达,受阻遏蛋白亚基基因sir1、sir2、sir3、sir4的产物Sir蛋白的反式作用控制,Sir(silentinformationregulator)结合在HML和HMR的启动子上游,而MAT上无结合位点,四、Euk.转录水平的调控,Euk.基因表达包括的5种不同的调节点:基因结构的激活、起始转录、加工转录物、运输到细胞质、mRNA的翻译,起始转录RNA聚合酶与启动子相互作用决定,若干TransF+CisF.的作用所决定,Euk.启动子的定义：包括所有那些位于转录起始位点附近的序列，这些序列都是启动转录所必需的（实用角度）,转录因子：转录所必需的蛋白质（决定性功能指标）识别并结合在启动子序列上,并非严格定义未包括增强子,a、基本水平转录的cis-factor(promoterorbasicfactor)Corepromoter(Capsite,TATAbox必需因子)UPE(UpstreamPromoterElement)(CAATbox,GCbox)对于housekeepinggene(constitutiveexpression),（1）启动子的组成,b、特异诱导高效表达的cis-factorEnhancer对于luxurygene(inducibleexpression),1、RNApol的启动子和转录因子,（2）转录因子的分类,a、基本转录水平的转录因子(Trans-factor),基础因子Corepromoter,上游因子UPE,所有启动子表达所必须-基础转录复合体,每个元件都有相应的转录因子,真核生物必须有与基本转录相关的trans-factor在启动子处的先期结合,RNApol才能启动转录,lTF(I,II,III)转录因子,lTAF(TBP辅助因子),lRAP(RNApol.结合蛋白),TIC(转录起始复合物)等等.,此外,b、诱导型因子,特定时间、条件、或特定组织中合成或被活化,调控基因在不同时间、条件或不同地点表达,应答元件-enhancer,（3）转录因子的DNA结合域和活化结构域是独立的,结合结构域和活化结构域之间的连接物是足够柔性的,l多为变构蛋白,DNA-结合domain,二聚化domain(在一些二聚体因子中),活化domain,转录因子的结构域aDNA结合:HTH、锌指、碱性区域b蛋白质结合：Leu拉链、HLH、,c活化一段包括酸性AA的保守序列,（4）Enhancer的结构与功能,双方向性，组织特异性，位点非专一性,a、由两个以上的增强子成分(EnhancerElement)组成,b、EnhancerElement必需由两个紧密相连,具有间距效应的增强子元(Enhanson）组成,c、各个Enhanson(cis-factor)与激活蛋白(trans-factor)结合,增强特异性转录,Enhancer,e.g.SV40Enhancer(-179-250),远距离控制，无方向性,d、增强子复合物与近启动子的转录起始复合物构型契合，而不与RNApolymerase结合,e、Enhancer的两位点二元组织方式,f、特化细胞内，具全部特异转录因子（trans-factor）才表现增强效应即增强子的组织特异性,g、增强子的复杂结构，以正控制方式防止基因表达的紊乱,能利用有限的trans-factor提供更多基因的表达调控因子类型,一位点的二元结构：A,BfactorAA,BB,AB,BA,两位点的二元结构：AA-AA,AA-BB,AA-AB,AA-BABB-BB,BB-AA,BB-AB,BB-BAAB-BB,AB-AA,AB-AB,BA-BA,（5）不同部位的反式因子相互作用假说,拧转学派、滑动学派、接力学派和噜噗学派,（6）可诱导的转录因子活性的调控方式,a、合成转录因子,b、蛋白质磷酸化,c、蛋白质脱磷酸化,d、结合配基,f、抑制剂释放,g、改变不同伴侣,五、Euk.转录后水平的调控,1、hnRNA的选择性加工,某些基因序列在hnRNA和mRNA中的相对丰度差异很大,e.g.海胆中该调控水平的体现,海胆细胞hnRNA成熟mRNA,胚胎时期胚囊约2万种约13000种,成体肠约2.5万种约3000种,且尿胚中存在而肠细胞中没有的mRNA极大多数可在肠细胞的hnRNA中发现,说明：不同组织转录水平差异不大,加工运输机制目前了解很少,2、mRNA前体的选择性拼接(alternativesplicing),（1）概念：有些基因产生的mRNA前体可按不同的方式剪接，产生出两种或更多种mRNA,两种结果：,结果1-差异在5和3非翻译区，产生相同的蛋白质,结果2-产生不同的mRNA编码区，产生不同的蛋白质,结果2又有几种情况：,情况1-同一细胞中产生多种蛋白质,情况2-同一基因在不同细胞中产生不同蛋白质组织特异性,情况3-不同发育时期或条件下表达出不同的蛋白质,以上情况均受特定调控,（2）选择性拼接方式,a、不同的加尾位点（免疫球蛋白）,b、不同的拼接位点SV40的T（100KD）和t抗原（18KD）的产生等,t抗原的mRNA内有一UAA,c、结合前两种机制的方式,d、可能还存在不同启动子处转录的机制（目前尚未发现实例）,果蝇中选择性拼接可决定其性别,（3）选择性拼接的调控机制,拼接因子SF2(拼接体组装所需)导致不同的5拼接点的选择,SF2浓度高时-选择离3拼接点最近的5拼接点,3、RNA编辑（RNAediting）,（1）概念：mRNA在转录后因核苷酸的插入、缺失或替换而改变DNA模板原来的遗传信息，从而翻译出AA不同的多种蛋白质来,（2）机制,a、核苷酸的替换CUAGAI或UC如:哺乳动物的载脂蛋白(apo-lipoproteinBapoB),基因组中只有一个apoB基因,肝中apoB-100512KD,小肠中apoB-48240KD,原因转录过程中或完成后第6666位的CU使CAAUAA,b、可读框改变,核苷酸的插入或缺失插入或缺失U，以及插入G或C,如：锥虫cox(细胞色素氧化酶亚基)基因的mRNA与其DNA相比有1移码，由4个U插入产生,插入U需要指导RNA的参与,指导RNA与被编辑RNA的编码区域被其它基因分散开,编辑前的的RNA中编辑区两侧与一个指导RNA配对,指导RNA作为插入U的模板,指导RNA有524个U的poly(U)尾是插入U的给体,反应与RNA的自我拼接类似（转酯），且方向为35,1、翻译因子可逆性磷酸化对翻译的调节,重复使用,六、Euk.翻译水平的调控,eIf-2因子的磷酸化状态对翻译起始复合体形成的调节控制蛋白质翻译速率,eIF-2b(GEF),-eIF-2GDP必须与GTP交换，形成eIF-2GTP,-交换过程需eIF-2b(GEF)参与，提高交换的速度,2、mRNA的结构对翻译水平的调控,（1）5Leadingseq.(5-UTR),a、Cap具有增译作用,Cap+poly(A)具有增译的协同效应,b、AUG两侧序列(-3A,+4G)Kozak(1987),699种脊椎动物，植物，酵母和原生动物-普遍性,c、5UTR二级结构的影响,发夹结构顺式阻扼40s小亚基迁移,G/C多，阻扼强,G/C近AUG,阻扼强,（2）3UTR的调节,对生长因子，癌基因蛋白mRNA分析,在3UTR存在富含UA的8Nt保守重复区(UUAUUUAU相间排列),七、Euk.翻译后水平的调控,SRP的负调控作用分泌蛋白往往是降解酶类,本章结束！,复习题名词解释正（负）调控系统基因表达调控操纵元反义RNA弱化子严谨反应锌指结构Leu拉链RNA编辑mRNA前体的选择性拼接Euk.的启动子顺式作用元件反式作用因子,问答题1、简述Lac操纵元负调控机制。2、说明乳糖操纵元诱导物及其最初如何产生？3、简述乳糖操纵元的正调控机制。4、说明乳糖操纵元在乳糖、葡萄糖有和无