基因表达的调控课件

1、第 六 章 基因表达的调控(Control of Gene Expression)制作：李志红概述 (Introduction)基因表达(gene expression)-基因转录及翻译的过程。rRNA、tRNA的合成属于基因表达中心法则(the central dogma)：基因表达的时间性及空间性 (temporal and spatial specificity)时间特异性(temporal specificity)某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生 Hb (hemoglobin) 珠蛋白基因簇： （胚胎型） 、 珠蛋白基因簇： （胚胎型）、 （胎儿型）、22 22 22空间特异性(

2、spatial specificity)在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现同形异位现象(homeosis):果蝇头部长触角部位长出脚来同形异位盒基因(homeobox) :高度保守的一段核苷酸序列（180bp）,控制胚胎发育的基因基因表达的方式-1管家基因与奢侈基因管家基因（housekeeping gene）-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(constitutive gene expression)奢侈基因（luxury gene）只在特定的细胞类型中表达的基因基因表达的方式-2诱导和阻遏表达诱导（induction）-可诱导基因在特定

3、环境信号刺激下表达增强的过程。DNA损伤 修复酶基因激活乳糖 利用乳糖的三种酶表达阻遏（repression）-可阻遏基因表达产物水平降低的过程色氨酸 色氨酸合成酶系基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化基因表达调控的环节：基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工第一节 原核生物基因表达的调控(Control of Prokaryotic Gene Exepression )转录水平的调控(control of transcription)操纵子(operon)：由调控区（启动子和操纵基因）与信息区（结构基因）组成翻译水平的调控(control of trans

4、lation)转录水平的调控不对称转录:DNA分子上一股可转录,另一股不转录;模板链并非永远在同一单链上.5 3转录水平的调控影响转录的因素启动子(promoter)启动子决定转录方向及模板链模板链编码链启动子有三个功能区：启始部位（+1区）、结合部位（-10区）、识别部位（-35区）影响转录的因素启动子决定转录效率一致性序列：-35区：T82T80G78A65C54A95；-10区：T80A95T45A60A50T96强启动子与弱启动子；识别因子：70因子:7032：MW 32kD；控制热休克蛋白(heat shock protein,Hsp)基因表达,-35区类似，-10区不同阻遏蛋白：转

5、录水平负调控，抑制转录影响转录的因素正调控蛋白：促进转录CAP蛋白ntrC蛋白：氮代谢基因的激活蛋白，谷氨酰胺合成酶倒位蛋白(inversion protein)：位点特异性的重组酶，沙门菌的H1、H2鞭毛蛋白RNA聚合酶抑制剂：严谨反应(stringent response)：缺乏氨基酸，产生pppGpp（魔斑）或ppGpp （魔斑 ） ，形成ppGpp-RNApol复合物，RNA合成减少衰减子ntrC蛋白倒位蛋白转录的调控机制乳糖操纵子调控的机制阿拉伯糖操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制操纵子模型的提出 莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)获1965年诺贝尔生理学和医学奖Disco

6、very of Operon1940年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与适应酶（诱导酶）。1947年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意义”。1951年，Monod与Jacob合作。发现两对基因：Z基因：与合成-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导物的反应。Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。 Jacob：结构基因旁有开关基因（即操纵基因），阻遏物通过与开关基

7、因的结合，控制结构基因的表达。lac操纵子的结构与功能操纵子(operon): 结构基因(structural gene)、启动子(promoter,P)和操纵基因(operator,O)。阻遏物基因(inhibitor,i),产生阻遏物(repressor)。阻遏蛋白的负性调节(negative control of repressor)无乳糖(no lactose): lac操纵子处于阻遏状态(repression)有乳糖(presence of lactose) lac操纵子即可被诱导(derepression,induction) 诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、IPTG（

8、异丙基硫代半乳糖苷）乳糖操纵子(lac operon)的调控方式CAP的正性调节（Positive Control of CAP）CAP(catabolite activator protein)分解代谢基因激活蛋白同二聚体DNA结合区 cAMP(cyclic AMP)结合位点协调调节(coordinate regulation)负性调节与正性调节协调合作阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄

9、糖IPTG(异丙基硫代半乳糖苷)极强的诱导剂阿拉伯糖操纵子(The ara Operon)结构基因为：B、A、D，分别编码异构酶、激酶、表位酶功能：催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮糖，进入磷酸戊糖途径特点：调节基因为C基因，编码调控蛋白C蛋白ara色氨酸操纵子(The trp Operon)trp操纵子阻遏型操纵子trp 操纵子无色氨酸操纵子基因开始转录，此后转录速率受转录衰减机制(attenuation)调节结构基因与 O 之间有一衰减子区域 (a)衰减子：有4段特殊的序列，可形成不依赖因子的转录终止信号前导肽(leader peptide,L)含两个相邻的色氨酸，转录与翻译偶联RNA聚合酶脱

10、落，转录终止翻译水平的调控SD序列对翻译的影响SD序列(Shine-Dalgarno sequence)： mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。(9-12bp) 5-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3SD序列的顺序及位置对翻译的影响mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用mRNA二级结构隐蔽SD序列翻译水平的调控mRNA的稳定性：mRNA的降解速度受细菌的生理状态、环境因素及mRNA结构的影响。翻译产物对翻译的影响小分子RNA的调控作用mRNA干扰性互补RNA（micRNA)或反义RNA (antisense RNA）调整基因表达产物的类型低水平表达基因的控制micRNATn10真核

11、生物基因表达的调控DNA水平的调控转录水平的调控转录后水平的调控翻译水平的调控翻译后水平的调控真核基因组结构特点真核基因组结构庞大 3109bp单顺反子含有大量重复序列 基因不连续性 内含子 外显子非编码区较多 多于编码序列(9:1)多层次调控失活DNA水平的调控染色质的丢失：不可逆核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因基因扩增：增加基因的拷贝数药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加基因重排：如免疫球蛋白基因重排，多样性DNA水平的调控DNA甲基化：mCpG，即“CpG岛”甲基化程度高，基因表达降低； 去甲基化：基因表达增加染色质结构对基因表达的调控：转录水平

12、的调控最重要顺式作用元件反式作用因子转录起始的调控顺式作用元件影响自身基因表达活性的DNA序列非编码序列分启动子、增强子、沉默子启动子TATA盒，-25bp上游启动子元件(upstream promotor elements,UPE)，CAAT 盒，-75bp；GC序列等顺式作用元件增强子：远离转录起始点（130kb），增强启动子转录活性DNA序列，与方向、距离无关沉默子：负性调节元件，起阻遏作用顺式作用元件增强子反式作用因子(trans-acting factor)概念：为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）通用转录因子结合在TATA盒上的蛋白质因子。TFA、 TFB、 TFD、 TFE等转录调控因子结合在UPE上的蛋白质因子反式作用因子特点三个功能结构域：DNA识别结合域；转录活性域；结合其他蛋白的结合域能识别并结合顺式作用元件(cis-acting element)正调控与负调控功能结构域