Chapter 16 基因表达调控ppt课件

1、目目 录录 第十六章第十六章 基因表达调控基因表达调控目目 录录基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的功能的RNARNA和蛋白质分子的过程，表达了和蛋白质分子的过程，表达了DNADNA与与蛋白质、基因型与表型、遗传与代谢的关系。蛋白质、基因型与表型、遗传与代谢的关系。基因表达基因表达(gene expression)(gene expression)基因表达调控基因表达调控(gene regulation)(gene regulation)是指细胞或生物体在基因表达程度上对环境是指细胞或生物体在基因表达程度上对环境信号或环境变化做出应对，它决议细胞的

2、构造和信号或环境变化做出应对，它决议细胞的构造和功能，决议细胞分化和形状发生，赋予生物多样功能，决议细胞分化和形状发生，赋予生物多样性和顺应性。性和顺应性。目目 录录第第 一一 节节基因表达调控的根本原理基因表达调控的根本原理目目 录录一、基因表达的根本方式一、基因表达的根本方式按对刺激的反响性，基因表达的方式分为：按对刺激的反响性，基因表达的方式分为：1 1、组成性表达、组成性表达某些基因在一个个体的几乎一切细胞中继某些基因在一个个体的几乎一切细胞中继续表达，通常被称为管家基因续表达，通常被称为管家基因(housekeeping (housekeeping gene)gene)。无论表达程度

3、高低，管家基因较少受环。无论表达程度高低，管家基因较少受环境要素影响，这类基因表达被视为组成性基因境要素影响，这类基因表达被视为组成性基因表达。表达。目目 录录2 2、诱导和阻遏表达、诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物添加，这种基因称为可诱导活，基因表达产物添加，这种基因称为可诱导基因。基因。 假设基因对环境信号应对是被抑制，这种假设基因对环境信号应对是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物程度基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物程度降低的过程称为阻遏降低的过程称为阻遏(repression)(repression)

4、。3 3、协调表达、协调表达目目 录录1 1、时间特异性、时间特异性目目 录录2、空间特异性、空间特异性二、基因表达的特异性二、基因表达的特异性3、条件特异性、条件特异性目目 录录目目 录录 血红蛋白基因从胎儿到成人期都有活性的只需 基因簇的 链基因，其它五个基因只在发育的特定时期才有活性。 在成人血红蛋白中， 2 2组合的四聚体占97%， 2 2占2%，由胎儿期遗留下来的 2 2约占1%。三、基因表达调控的生理意义三、基因表达调控的生理意义顺应环境，生长发育所需顺应环境，生长发育所需目目 录录四、基因表达调控的多环节性四、基因表达调控的多环节性基因基因激活激活转录起始转录起始 转录后加工转录

5、后加工mRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰目目 录录目目 录录五、基因转录调控的根本要素五、基因转录调控的根本要素三个要素：调控序列，调理蛋白，三个要素：调控序列，调理蛋白，RNARNA聚聚合酶。合酶。构造基因构造基因调控序列调控序列RNA-pol等等调理蛋白调理蛋白启动子启动子目目 录录第第 二二 节节原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控目目 录录一、基因组特点一、基因组特点1、双链环状、双链环状2、基因组、基因组DNA只需一个复制起点只需一个复制起点3、多数基因组成支配子、多数基因组成支配子4、编码序列与调控序列在整个基因组中各占

6、、编码序列与调控序列在整个基因组中各占 50%目目 录录二、基因表达的特点二、基因表达的特点1、支配子转录单位、支配子转录单位2、基因转录的特异性由、基因转录的特异性由因子决议因子决议3、转录与翻译偶联、转录与翻译偶联目目 录录 每一个转录区段可视为一个转录单位，在原核每一个转录区段可视为一个转录单位，在原核生物中被称为支配子生物中被称为支配子(operon)。支配子包括假设干。支配子包括假设干个构造基因及其上游个构造基因及其上游(upstream)的调控序列。的调控序列。5335构造基因构造基因调控序列调控序列RNA-pol目目 录录 编码序列编码序列 启动子启动子 支配基因支配基因 激活蛋

7、白结合位激活蛋白结合位点点(promoter)(operator) 其转录区段即转录单位，包含这几个构造基因。其转录区段即转录单位，包含这几个构造基因。在翻译时分别得到各个蛋白质。在翻译时分别得到各个蛋白质。目目 录录三、基因表达调控的特点三、基因表达调控的特点1、正、负调控、正、负调控2、调理蛋白是、调理蛋白是DNA结合蛋白结合蛋白3、存在衰减子机制、存在衰减子机制4、存在应急应对调控机制、存在应急应对调控机制是是RNA聚合酶结合并启动转录聚合酶结合并启动转录的特异的特异DNA序列。序列。1) 启动子启动子2 2 支配基因支配基因 是阻遏蛋白是阻遏蛋白(repressor)(represso

8、r)的结合位点的结合位点 启动子启动子编码序列编码序列支配基因支配基因pol阻遏蛋白阻遏蛋白四、转录程度的调控四、转录程度的调控1、调控序列、调控序列一调控要素一调控要素目目 录录3) 3)激活蛋白结合位点激活蛋白结合位点例如例如激活蛋白激活蛋白(activator)可结合启动序列临近可结合启动序列临近的的DNA序列，促进序列，促进RNA聚合酶与启动序列的聚合酶与启动序列的结合，加强结合，加强RNA聚合酶活性。如分解聚合酶活性。如分解(代谢代谢)物物基因激活蛋白基因激活蛋白(catabolite gene activator protein, CAP).有些基因在没有激活蛋白存在时，有些基因在

9、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。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。目目 录录2、调理蛋白、调理蛋白1特异因子特异因子2阻遏蛋白阻遏蛋白3激活蛋白激活蛋白目目 录录二乳糖支配子二乳糖支配子(lac operon) 调控区调控区CAP结合位点结合位点 启动子启动子支配基因支配基因 构造基因构造基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透性酶透性酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNA1、乳糖支配子的根本构造、乳糖支配子的根本构造目目 录录目目 录录目目 录录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏基因阻遏基因2.2.乳糖支配子

10、的阻遏调控乳糖支配子的阻遏调控I目目 录录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶目目 录录+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时3、乳糖支配子的激活调控、乳糖支配子的激活调控ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP目目 录录4.4.乳糖支配子的双重调控乳糖支配子的双重调控单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；假设葡萄糖假设葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利乳糖共

11、同存在时，细菌首先利用葡萄糖。用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 支配子的阻遏作用称分解代支配子的阻遏作用称分解代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。 目目 录录mRNA低乳糖时低乳糖时高乳糖时高乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO五、翻译程度的调控五、翻译程度的调控目目 录录第第 三三 节节真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控目目 录录一、真核基因组构造特点一、真核基因组构造特点二、真核基因表达特点二、真核基因表达特点三、真核基因表达调控特点三、真核基因表达调控特点四、染色质程度调控四、染色质

12、程度调控五、转录程度调控五、转录程度调控六、转录后加工程度调控六、转录后加工程度调控七、翻译程度调控七、翻译程度调控八、翻译后修饰与靶向转运调控八、翻译后修饰与靶向转运调控目目 录录二、基因表达的特点二、基因表达的特点1、以基由于转录单位、以基由于转录单位2、转录后加工复杂、转录后加工复杂3、转录与翻译不偶联、转录与翻译不偶联4、翻译及翻译后修饰复杂、翻译及翻译后修饰复杂目目 录录三、基因表达调控的特点三、基因表达调控的特点1、瞬时及发育调控、瞬时及发育调控2、调控环节多、调控环节多3、染色质构造变化与转录效率、染色质构造变化与转录效率4、正性调控为主、正性调控为主5、调控序列与转录区能够相距

13、很远、调控序列与转录区能够相距很远6、调理蛋白多、调理蛋白多四、染色质程度的调控四、染色质程度的调控目目 录录 可影响本身基因转录活性的可影响本身基因转录活性的DNA序列。序列。 构造基因构造基因调控序列调控序列RNA-pol等等调理蛋白调理蛋白启动子启动子顺式作用元件顺式作用元件反式作用因子反式作用因子五、转录程度的调控五、转录程度的调控一调控序列顺式作用元件一调控序列顺式作用元件目目 录录1. 启动子启动子真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一些功能少包括一个转录起始点以及一些功能组件

14、。如组件。如TATA盒。盒。目目 录录2. 加强子加强子(enhancer)指远离转录起始点、决议基因的时间、指远离转录起始点、决议基因的时间、空间特异性、当其结合特异蛋白因子时，加空间特异性、当其结合特异蛋白因子时，加强启动子转录活性的强启动子转录活性的DNA序列。序列。3. 沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调理元件，当其结合特异某些基因的负性调理元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。目目 录录转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 加强子加强子顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)转录起始

15、前的上游区段转录起始前的上游区段 AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 目目 录录与特异的顺式作用元件相互作用的蛋与特异的顺式作用元件相互作用的蛋白质，可调理基因的转录活性。白质，可调理基因的转录活性。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) (trans-acting factor) ，也即转录，也即转录因子。因子。二调理蛋白二调理蛋白目目 录录反式作用因子与顺式作用元件之间的特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。异识别及结合通常是非共价结合。绝大多

16、数调理蛋白质结合绝大多数调理蛋白质结合DNA前，需经前，需经过蛋白质过蛋白质-蛋白质相互作用，构成二聚体蛋白质相互作用，构成二聚体(dimer)或多聚体或多聚体(polymer)。属于蛋白质蛋白。属于蛋白质蛋白质相互作用质相互作用.目目 录录1. 调理蛋白分类调理蛋白分类 通用转录因子通用转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决议三种白因子，决议三种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。TF、。目目 录录 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决议该基因的为个别基因转录所必需，决议该基因的时间、空间特异性表达。时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子(加强子结合蛋白加强子结合蛋白EBP)转录抑制因子转录抑制因子 共调理子共调理子(mediator)不直接与不直接与DNA结合，而是介导转录调理因结合，而是介导转录调理因子作用于子作用于RNA聚合酶聚合酶-通用转录因子复合体而调通用转录因子复合体而调理转录。理转录。目目 录录目目 录录2. 调理蛋白构造调理蛋白构造DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF