基因表达调控20028PPT学习教案

1、会计学1基因表达调控基因表达调控200282一、基因表达调控基本概念与原理 基因、基因组、基因表达的概念 基因表达的特点 基因表达的方式 基因表达调控的意义二、基因表达调控的基本原理基因表达调控的多层次和复杂性基因转录激活调节的基本要素（特异DNA序列，调节蛋白，DNA-蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用，RNA聚合酶）本章内容第1页/共74页3 真核基因组结构和表达调控特点 RNA pol I 、RNApol II和pol III的转录调节（顺式作用元件，反式作用因子） mRNA转录激活及调节 转录后水平的调节 翻译水平的调节三、原核基因表达调节原核基因转录调节特点乳糖操纵子的结构和调节机制原核

2、生物转录终止调节原核生物翻译水平调节四、真核基因表达调节第2页/共74页4一、概念 基因(gene): 包括：DNA编码序列、非编码调节序列、内含子 基因组(genome)：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。 原核生物：单个的环状染色体所含的全部基因； 真核生物：一个生物体全部单倍体DNA所包含的基因（染色体基因组）第 一 节基本概念与原理基因表达(gene expression)：基因经过转录、翻译，产生RNA或蛋白质分子的过程。第3页/共74页5目目 录录多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。第4页/共74页6（二）空间特异性基因表

3、达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。在个体生长、发育全过程，某种基因产物在个体的不同组织或器官表达，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。第5页/共74页7三、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）基本表达某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达, 这类基因被称为管家基因(housekeeping gene); 这类基因表达称为基本基因表达或组成性基因表达（constitutive gene expressio

4、n).第6页/共74页8（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。可诱导基因诱导(induction) 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程。可阻遏基因 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。阻遏(repression) 可阻遏基因表达产物水平降低的过程。第7页/共74页9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(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。协调表达和协调调节第8页/共74页1

5、0四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化第9页/共74页11第二节 基因表达调控的基本原理一、基因表达的多级调控DNA扩增DNA重排DNA修饰转录起始 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蛋白质水平mRNADNA水平第10页/共74页12（二）基因转录激活调节基本要素特异DNA序列调节蛋白DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用RNA聚合酶第11页/共74页13原核生物 操纵子(operon) 机制编码序列 启动序列 操纵序列(operator) 其他调节序列(promoter) 特异DNA序列操纵子:

6、大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集与染色体上，共同组成一个转录单位，也就是操纵子(operon)。包括: 若干个结构基因及其上游的调控序列.第12页/共74页14-35区区RNA转录起始转录起始-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAATPribnow box共有序列共有序列第13页/共74页15共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大

7、小。第14页/共74页16(2) 操纵序列 是原核阻遏蛋白(repressor)的结合位点.第15页/共74页17(3)其他调节序列分 解 ( 代 谢 ) 物 基 因 激 活 蛋 白(catabolite gene activator protein, CAP)结合位点; 启动序列邻近的特异DNA序列，与CAP结合后，可促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性，使转录激活，介导正性调节。第16页/共74页18真核生物 顺式作用元件(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的DNA序列.BADNA编码序列转录起始点 按功能特性分为:启动子, 增强子, 沉默子BA

8、DNA编码序列转录起始点第17页/共74页19 TATA盒Hogness box -25 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子 顺式作用元件 结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始真核生物启动子保守序列启动子第18页/共74页202.调节蛋白 原核生物调节蛋白调节蛋白分三类特异因子:决定RNA聚合酶对启动序列的特异 性识别和结合能力.例如7032阻遏蛋白:可以识别结合操纵序列激活蛋白:结合启动序列临近的DNA序列,提高 RNA聚合酶的结合能力增强转录活性. 这些调节蛋白大部分是DNA结合蛋白第19页/共74页21 阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合 RNA聚合酶不能沿DNA向前移动,阻碍转录,

9、 介导负性调节。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列RNA-pol阻遏蛋白阻遏蛋白当阻遏蛋白结合操纵序列第20页/共74页22 分解（代谢）物基因激活蛋白分解（代谢）物基因激活蛋白(CAP)，可结合启动序列邻近的特异DNA序列-分解（代谢）物基因激活蛋白结合位点，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性，使转录激活，介导正性调节。有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。第21页/共74页23 真核基因的调节蛋白又称转录调节因子或转录因子(transcription factors)还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身

10、基因的表达，称顺式作用。这种调节蛋白成为顺式作用蛋白.由某一基因表达产生的蛋白质因子，与另一基因特异的顺式作用元件识别和结合，反式激活另一基因的转录,这种调节作用称为反式作用。这种调节蛋白称为反式作用因子. 反式作用因子(trans-acting factor) 第22页/共74页24 这些调节蛋白大部分是DNA结合蛋白或是通过蛋白质-蛋白质相互作用调节转录.第23页/共74页25指的是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。3. DNA - 蛋白质 蛋白质-蛋白质的相互作用 DNA-蛋白质的相互作用第24页/共74

11、页26第25页/共74页27绝大多数调节蛋白质结合DNA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)。 蛋白质-蛋白质的相互作用同聚体 (homodimer) 例如：Lac 操纵子CAP是同二聚体异聚体 (heterodimer) 例如：Lac 操纵子阻遏蛋白是异四聚体第26页/共74页28聚合酶 原核启动序列和 真核启动子对RNA-pol的影响 共有序列的改变影响RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。 调节蛋白与RNA聚合酶活性一些特异调节蛋白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RNA聚合酶活性。第27页/共74页

12、29总结：基因转录激活调节基本要素特异DNA序列调节蛋白DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用RNA聚合酶第28页/共74页30Regulation of Prokaryotic Gene TranscriptionRegulation of Prokaryotic Gene Transcription第29页/共74页31调节的主要环节在转录起始一、原核基因转录调节特点（一）因子决定RNA聚合酶(a2bb)的识别特异性70：识别普通的启动子32：识别热休克蛋白的启动子38：识别碳源饥饿诱导表达基因启动子54：氮代谢相关的启动子第30页/共74页32（二）操纵子模型的普遍性 大多数基因按功能相

13、关性成簇地串联、密集与染色体上，共同组成一个转录单位，也就是操纵子(operon)。（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏和去阻遏。第31页/共74页33二、乳糖操纵子调节机制(一) 乳糖操纵子(lac operon)的结构 调控区CAP结合位点启动序列操纵序列 结构基因Z：-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI第32页/共74页34-半乳糖苷酶:将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。-半乳糖苷透酶:使-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。-半乳糖苷乙酰基转移酶:是把乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰

14、半乳糖。第33页/共74页35（二）阻遏蛋白的负性调节mRNACAP结合位点启动序列操纵序列 结构基因ZYAOPDNAI阻遏蛋白pol没有乳糖时没有乳糖时P1第34页/共74页36P : lac gene启动子PI: I gene 启动子O1: lac operon的主要操纵序列; O2 and O3:lac operon的次要操纵序列第35页/共74页37第36页/共74页38mRNACAP结合位点启动序列操纵序列 结构基因ZYAOPDNAI阻遏蛋白RNA-pol 有乳糖时有乳糖时P1Z：-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶半乳糖-半乳糖苷酶透酶乳糖第37页/共74页39异丙基硫代半乳糖苷(

15、IPTG)是实验室常用的乳糖操纵子强的诱导剂。十分稳定，不被细菌分解。第38页/共74页40IPTG引起的阻遏蛋白的结构改变未结合 IPTG (浅色); 结合 IPTG (清晰); IPTG没有显示第39页/共74页41+ + + + + + + + 转录转录有葡萄糖，cAMP浓度降低，是分解代谢阻遏作用。ZYAOPDNACAPCAPCAP无葡萄糖， cAMP浓度增高 （三）CAP的正性调节第40页/共74页42CAP与DNA的结合 红色:cAMP 黄色:和RNA-pol的作用位点第41页/共74页43（四）协调调节 当阻遏蛋白结合操纵序列时，CAP对该系统不能发挥作用； 如无CAP存在，即使

16、没有阻遏蛋白与操纵序列 结合，操纵子仍无转录活性。 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，表现的是分解代谢阻遏(葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏,catabolic repression) ； 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源表现的是 去阻遏作用。因此，在乳糖存在，葡萄糖缺乏的情况下乳糖操纵子才能被诱导。第42页/共74页44第43页/共74页45三、原核生物转录终止的调节转录终止是指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。 （一）原核生物的一般的转录终止机制第44页/共74页46A T P1.依赖 Rho因子的转录终

17、止第45页/共74页47mRNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA 编码链编码链UUUU. UUUU.茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 32.非依赖Rho因子的转录终止第46页/共74页48茎环结构使转录终止的机理 使RNA聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。5 pppG5 3 3 5 RNA-pol第47页/共74页49第48页/共7

18、4页50Regulation of Eukaryotic Gene Transcription第49页/共74页51真核生物基因组的结构特点第50页/共74页52第51页/共74页53人类染色体基因组人类染色体基因组( (核基因组核基因组) )24条染色条条染色条, DNA 约约 3 10 9 碱基对碱基对编码基因编码基因: :约有约有5000050000个，占总长的个，占总长的6%.6%. Chr. Mb第52页/共74页541.对核酸酶敏感 当基因被激活时，染色体相应区域发生结构和性质变化。 出现对DNaseI的超敏位点，最常出现在调节蛋白结合位点附近。（一）活性染色体结构变化二、真核基因

19、表达调控特点第53页/共74页552. DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以超螺旋构象存在；基因活化后，转录前方是正超螺旋，后面是负超螺旋。第54页/共74页563. DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，最常发生在5侧翼区的CpG序列（ CpG岛）甲基化范围与基因表达程度呈反比。处于转录活化状态的基因是低甲基化。4. 组蛋白变化 富含Lys组蛋白水平降低(H1) H2A, H2B二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露第55页/共74页57（二）RNA聚合酶（三）正性调节占主导（四）转录和翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工第56页/共74页58四、RNA-pol转录

20、起始的调节（一）顺式作用元件1. 启动子 是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件。最简单的启动子：一个转录起始点 +TATA盒（TATAAAA) -25-30bp区，TFD 结合位点 典型的启动子：+上游的GC盒(GGGCGG) -30-110bp区 或CAAT盒(GCCAAT) -30 - 110bp区， 具有较高的转录活性第57页/共74页592.增强子(enhancer)3. 沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。指远离转录起始点（1-30kb)、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。是结合特异性转录因

21、子的DNA核心序列。第58页/共74页60（二）反式作用因子 1. 转录因子分类* 基本转录因子(general transcription factors)RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定mRNA、tRNA及rRNA转录的类别。* 特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子：结合增强子转录抑制因子：结合沉默子第59页/共74页612.转录因子结构DNADNA结合域结合域转录激活域转录激活域TFTF蛋白质蛋白质- -蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域酸性激活域

22、脯氨酸富含域第60页/共74页62转录因子中常见的结构 1. 锌指(zinc finger)结合GC盒TF中的结构由30个aa残基组成2个Cys和2个His与锌离子形成配位键中间含有12个aa残基第61页/共74页63 2.碱性-螺旋常见结合CAAT盒转录因子中的结构碱性a-螺旋-环-螺旋碱性亮氨酸拉链第62页/共74页64亮氨酸拉链亮氨酸拉链亮氨酸拉链也是属于aa组合.是在一定肽段中每隔7个氨基酸残基就出现1个亮氨酸残基,其侧链为异丁基,呈Y字形, 由于疏水力互相靠近,象拉链一样,此摸体在DNA结合蛋白中常见.第63页/共74页65第64页/共74页66helix-loop-helix/le

23、ucine zipper motifDNA结合区Leu zipperhelix-loop-helixhelix-loop-helix第65页/共74页67（三）mRNA转录激活及其调节polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成的转录起始前复合物TATA DNATBP相关因子第66页/共74页68RNA pol转录体系的调节RNApol催化转录产物：rRNA前体rRNA前体基因的启动子 核心元件(core element): -45+20bp,单独存在就可启动转录. 上游控制元件(upstream congtrol element,UCE)： -156-107bp,提高转录其始效率.rRNA前体基因的TF上游结