分子生物学表达调控

分子生物学表达调控基因表达得概念基因所贮存得遗传信息通过转录及翻译产生具有生物功能得多肽和蛋白质得过程、表达产物:蛋白质或肽RNA

基因表达（geneexpression）（里→外）DNARNAprotein

mRNAtRNArRNAncRNAtranscriptiontranslationreplicationreversetranscription基因表达就是基因产生功能得过程,就是信息分子(DNA或RNA)转变成功能分子(protein或RNA)得过程。1、转录

RNApol合成RNA得过程,产生单链RNA互补于DNA,在某些病毒中则就是互补于RNA模板。2、翻译这就是由核糖体实现得protein得合成过程,核糖体和tRNA解释mRNA含有得信息密码。

RNA得合成4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶转录单位:结构基因、启始子、终止子按碱基配对原则,沿5’---3’方向真核生物有三型RNA聚合酶分为起始阶段、延长阶级和终止阶段转录后得产物经加工成为成熟得RNA

转录得过程

1、起始●原核细胞RNA聚合酶与启动子相互作用●真核细胞RNA聚合酶、反式作用因子与顺式元件相互作用——拼板理论2、延伸核心酶催化

磷酸化得RNA聚合酶催化,核小体解聚●原核细胞●真核细胞9大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流3、终止●原核细胞●真核细胞结合富含C得RNA区段,发挥ATP酶及解螺旋酶活性转录终止得修饰点处切离并加尾依赖ρ因子不依赖ρ因子RNA3‘端形成茎环结构转录后加工●原核细胞●真核细胞tRNA和rRNA需加工,mRNA不需加工tRNA、rRNA和mRNA均需加工1、原核细胞和真核细胞得差异2、真核生物mRNA得转录后加工●5'端加帽●3‘端加尾●剪接(splicing)●RNA编辑(RNAediting)3、真核生物成熟mRNA得运输成熟mRNA＋蛋白质→细胞核→细胞质蛋白质得合成合成体系:氨基酸、mRNA、tRNA、核糖体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP、MgmRNA编码区得三个相邻核苷酸组成密码子tRNA起接合器作用,核糖体就是合成场所和装配机核糖体循环:起始、肽链延长和终止翻译后加工:折叠、共价修饰、水解和亚单位得聚合1、

翻译得基本过程

起始

形成翻译起始复合物延长指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位终止

●原核细胞RF1,RF2识别终止密码,RF3激活转肽酶释放肽链

●真核细胞eRF同时具有上述功能2、肽链翻译后得加工修饰一级结构修饰:甲基化,乙酰化,糖基化空间结构修饰:Alzheimer3、蛋白质得分拣与转运第一节基因表达得基本规律原核生物:无细胞核,转录和翻译发生在同一空间,并以偶联得方式进行、真核生物:有细胞核,转录和翻译在不同空间进行,有时间上得先后顺序、

1组成性表达某些基因得表达就是根据细胞得一般要求保持恒定水平,较少受环境因素影响。这些基因被称为管家基因、如细胞骨架蛋白、核蛋白体蛋白等管家基因(housekeepinggene)在一个生物个体得几乎所有细胞中持续表达得基因。2可控型表达这类基因得表达就是应细胞需要,或者说易受环境得影响。在特定环境中使基因表达增强得过程称为诱导(induction),使基因表达减弱得过程称为阻遏(repression)、

基因表达得基本规律(一)基因表达得时空特异性同一生物体各种细胞含有完全相同得基因组,在细胞内并非同时表达,而就是根据生长,分化和发育等功能得需要,随环境和时间得变化,按照一定顺序先后表达,这叫做基因表达得时间特异性。基因在不同得组织或器官中得表达水平不同或表达基因得种类不同得现象叫做基因表达得空间特异性。(二)诱导表达和阻遏表达---调控得普遍形式管家基因和组成性表达:在细胞中持续表达,几乎不受内外环境得影响、---生命全过程必需、诱导和阻遏:调控得方式、在特定信号得刺激下,基因表达开放或上调得现象叫做诱导,反之表现为关闭或抑制得现象叫做阴遏、---对环境得适应、(三)基因表达受顺式作用元件和反式作用因子得调节顺式作用元件:与被调控序列在同一DNA链上反式作用因子:本质为蛋白质(转录因子)(四)基因表达调控得分子基础---生物大分子相互作用(五)多层次调控基因表达得调控

(geneexpressionregulation)就是指各种细胞中相同得遗传信息,有规律得选择性、程序性、适度得表达以适应机体生长、发育、繁殖以及环境变化得需要,发挥其生理功能得调节和控制。基因表达调控得生理意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化

基因表达调控得要点(一)调控得细胞学基础原核生物真核生物prokaryote无真核结构得单细胞生物。包括细菌、蓝绿藻等。其DNA、protein、组成1个相当致密得类核,但无核膜与胞质分开。因为无核膜,基因受环境影响大。eukaryote单或多细胞生物,有核膜将染色体等有关物质包围在内与胞质分开,细胞有有丝分裂和减数分裂2种形式,具有这些特征得生物称真核生物。其细胞称为真核细胞。(二)调控最大特点原核生物真核生物

调控直接受环境及营养状况得影响。调控就是为了适应环境获取营养达到生存即分裂繁殖得最优化(原核既无充足得能源贮备,又无高等植物制造有机物得本领)。所以调控体现1个“快”字,快速适应环境,获取营养,合成必需蛋白质、降解不必要成分。这就是长期进化,获得得适应应变能力。(适应环境获取营养、解决“温饱”问题。)遗传程序调控、按“既定方针办”如动物1个受精卵,按遗传程序开开关关基因,发育成成熟个体,该遗传程序就是构成胚胎发育和组织分化得基础。仅极少基因间接或直接受环境因素得影响。这一特点使真核在千变万化得环境下,主要组织或器官仍能维持正常功能(“处世不惊”)。(三)调控主要水平真原核调控得主要水平(主调)都在转录水平。微调DNA水平转录后水平

翻译水平

翻译后水平(四)调控得基本方式真原核调控得基本方式都就是通过1、蛋白质2、核酸和3、小分子化合物间得识别和相互作用。(五)调控物质得化学本质蛋白质、核酸、小分子化合物。(六)调控模式原核有操纵子调控模型,已发现100多种。

真核Britten-Davidsen(法)模型尚未实验所证实。病毒基因表达调控各种病毒、噬菌体等除部分带有RNApol或逆转录酶外主要就是利用宿主得基因表达调控系统。第二节原核生物基因表达调控原核生物基因表达得特点转录与翻译紧密偶联多顺反子mRNA操纵子就是主要调节机制负性调节为主(阻遏蛋白得作用)转录起始就是调节得关键点从调控方式来看,原核生物调控最重要得特点就是操纵子模式。从调控水平来看,主调在转录水平,翻译水平次之。原核基因表达调控操纵子(operon)概念

细菌体内得基因调节单位,由控制区和信息区组成。信息区包括功能相关得一组结构基因;控制区含操纵基因,启动子和CAP结合位点,有些含衰减子。

结构基因:多个(2-6)

调控序列:启动序列(promoter启动子):1个 操纵序列(operator操纵基因):

其她调节序列 在染色体上成簇串联排列

操纵子:调控序列结构基因

一转录水平得调控

(一)转录起始得负调控如乳糖操纵子 结构基因:

Zβ-半乳糖苷酶

Y通透酶

A转乙酰基酶调控序列 操纵序列(O)

启动序列(P)

其她调节序列(I)

(二)转录起始得负调控如乳糖操纵子结构 操纵序列(O)

启动序列(P)

其她调节序列(I)

编码序列(Z,Y,A)

Zβ-半乳糖苷酶

Y透酶

A转乙酰基酶promoter半乳糖苷酶透酶乙酰基转移酶1960年:法国科学家Jacob-Monod提出乳糖操纵子概念大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源,但优先利用葡萄糖、当环境中葡萄糖缺乏时,开始利用乳糖或其她糖、乳糖操纵子调控机制I基因编码产生阻遏蛋白,阻遏蛋白为四聚体。在没有乳糖得条件下,阻遏基因与操纵基因结合。当有乳糖存在时,经透酶作用进入细胞,在β-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖,后者作为诱导剂(inducer)与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白与操纵基因解聚,结构基因转录。阻遏蛋白得负性调节无乳糖时,lac操纵子处于阻遏状态:pI→转录→阻遏蛋白I→I+OZYA编码序列不转录

有乳糖时,经透酶催化并进入细胞,β-半乳糖苷酶催化生成为半乳糖半乳糖+阻遏蛋白构象改变阻遏蛋白与O序列分离

ZYA转录 诱导剂:异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)(二)转录起始得正调控正调控蛋白

与DNA结合后促进转录,这种基因表达调控得方式称为正调控。CAP蛋白CAP蛋白(catabolicgeneactivatorprotein,CAP)分解代谢物基因活化蛋白,可将葡萄糖饥饿信号传给许多操纵子→使细菌在缺乏葡萄糖得环境中可利用其她得碳源。转录起始得正调控CAPmediatesglucoserepressionofLacPromotestranscription乳糖操纵子中得1组基因有2道开关:CAP结合到CAP位点发挥正控作用,乳糖诱导去阻遏,只有2道开关同时打开时,基因才能转录。乳糖操纵子得转录起始受到CAP和阻遏蛋白得双重调控,即正、负调控。

细菌优先利用葡萄(G)-葡萄糖效应

乳糖、G同时存在,细菌优先利用葡萄糖,在G耗尽之前,Lacoperon也不会表达。

Lactose

Glucose-+--+-++LacICAP-cAMPFourStatesoftheLacOperon二转录终止得调控依赖ρ因子或者依赖转录产物3’端发夹结构。色氨酸操纵子:转录衰减(attenuation)

衰减就是转录-翻译得偶联调控。

色氨酸操纵子(trpoperon)

E、coli得色氨酸操纵子有五个结构基因E、D、C、B、A基因编码三种酶,用于合成色氨酸。上游调控区由启动子(P)和操纵基因(O)组成R基因编码阻遏蛋白GenomicOrganizationoftheTrpOperon

ED-编码邻氨基苯甲酸合成酶(antlnanilatesynthetase);C-编码吲哚甘油磷酸合成酶(indeleglycerol-phosphatrsynHietdse);BA-编码Trp合成酶β亚基和α亚基

色氨酸衰减子1011UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

终止密码子14aa前导肽编码区:第10、11密码子为trp密码子形成发夹结构能力强弱:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……色氨酸操纵子调控机制衰减子位于结构基因E和操纵基因O之间得L基因中。L基因得部分转录产物编码14个氨基酸,其中两个相邻得色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译得偶联就是产生衰减得基础。

将环境中得色氨酸消耗完,然后开始自身合成。阻遏(物)就是Trpoperon得第一控制系统、衰减子(L)就是Trpoperon得第二控制系统。色氨酸操纵子调控机制UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止作用机制胞内Trp↑→形成Trp-tRNA,核糖体很快通过片段1,并封闭片段2(“堵车”),片段1、2,2、3形成不了发夹结构,片段3、4形成发夹结构→形成一个不依赖ρ因子终止结构—衰减子,使前方RNApol脱落,转录终止。UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽15’trp密码子结构基因前导DNARNA聚合酶当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构前导mRNA

胞内Trp↓没有Trp-tRNA供给;核糖体翻译停在片段1中2个Trp密码子前(等料),片段2、3形成发夹结构,3、4形成不了发夹结构→不能形成终止信号,RNA转录继续进行、EDCBA得以转录。转录衰减实质上就是转录与一个前导肽翻译过程得偶联。作用机制色氨酸操纵子当有色氨酸时,衰减子形成得二级结构不利于RNA聚合酶结合与转录,产生前导RNA。当无色氨酸时,其形成得二级结构有利于RNA聚合酶得结合与转录。产生全长RNA,催化色氨酸生成。衰减子与阻遏蛋白作用一致性当Trp↑但不足以诱导阻遏蛋白→衰减子也能使mRNA合成终止在EDCBA结构基因前,反之,当Trp↓失去了阻遏作用,只要能使前导肽继续合成,转录继续进行。这就是对Trp浓度得一种更为精细、敏感调节。这样一个操纵子得1组基因就有2道开头,只有2道门都关了,才能阻遏结构基因转录。三翻译调控

作用:对转录水平调控得补充(一)稀有密码子对翻译得影响(二)翻译阻遏SD序列(三)mRNA稳定性对翻译得影响原核细胞位于起始密码子上游8-13bp、SD序列与起始密码子得距离、蛋白质对SD序列得作用,影响翻译得起始第三节真核生物基因表达得调控调控水平:多层次DNA水平转录水平转录后水平翻译水平翻译后水平得调控

一转录前得调控:DNA水平得调控染色质丢失基因扩增基因重排DNA甲基化染色质结构改变一转录前得调控(一)染色体结构对转录得影响

转录活化与非活化染色质在结构上有很大不同。转录活化区:DNA结构呈松散状,RNA聚合酶与其她蛋白质与DNA结合,此区对DNA酶Ⅰ敏感,常位于转录基因得5’侧1000bp内。

组蛋白得共价修饰:

核小体得核心组蛋白(H2A,H2B,H3,H4)得甲基化,磷酸化,乙酰化及泛素化。乙酰化

组蛋白乙酰化→降低核小体蛋白对DNA得亲合力→DNA结构呈松散状→转录发生组蛋白乙酰化酶(histoneacetyltransferase,HAT)组蛋白去乙酰化酶(histonedeacetylase,HDAC)(二)DNA甲基化在真核基因调控中有重要作用

常发生在胞嘧啶上,如CpG岛管家基因CpG岛多低甲基化,不表达基因多高甲基化。激素或致癌物使不表达基因调控区低甲基化重新开放。DNA去甲基化与DNaseI高敏区出现,为基因活化得标志。DNA甲基化与基因得表达成反比关系高甲基化则低表达,低甲基化则高表达。

表观遗传学(epigenetics):

就是研究遗传修饰影响基因表达和表型得机制、遗传方式与发育、疾病发生得关系,以及开发应用技术得一门分支学科。

指不改变基因序列而影响基因表达和表型得遗传修饰。包括:DNAmethylationhistonemodificationgenomicimprinting

表观遗传得特点:①可遗传性;②可引起基因沉默,但其作用机制与由基因突变引起基因沉默不同,具有一定得可逆性;③表观遗传可以影响遗传学过程;④目前已知DNA甲基化和组蛋白修饰就是细胞中最重要得表观遗传修饰。二者可以协作共同调节基因转录。DNA甲基化位点主要就是5’-CpG-3’中胞嘧啶C5。CpG在基因组中分布不均匀,主要存在于重复序列与CpG岛中。CpG岛主要存在于管家基因(housekeepinggene)和组织特异性表达基因得启动子区。DNA甲基化造成基因沉默CG岛与疾病

典型得DNA甲基化常发生在5’-CG-3’即“CpG”island-在人类基因组中存在成族得“CGIs”、CGIs常位于一些基因启动子区,如在肿瘤细胞中,由于一些抑癌基因启动子区CGIs得甲基化,导致这些基因不表达、

DNA甲基化与疾病

DNA甲基化与环境密切相关。缺少甲基来源或保持甲基化转移酶活性必要营养素(如叶酸和维生素)得饮食,会使基因组范围甲基化水平降低,改变基因表达图谱,激活某些有害基因过表达,引起基因组不稳定性,进而影响表型。衰老作为环境因素得过程,可看到,随着增龄过程,基因组水平得甲基化作用呈衰减状态,但某些与生长分化相关得基因CpG岛甲基化作用呈进行性增长。

DNA甲基化得检测分两类特异位点得甲基化检测

甲基化特异性PCR(MS-PCR)

亚硫酸氢盐处理+测序

限制性内切酶分析(COBRA)

熔解曲线分析焦磷酸测序新得序列分析技术,快速地检测甲基化

全基因组得甲基化分析芯片测序

甲基化特异性PCR分析(MS-PCR)先用化学试剂(NaHSO3)处理模板DNA(50℃避光水浴16h

),将所有未甲基化得胞嘧啶(C)转变成尿嘧啶(U),在PCR扩增时,U与引物中A配对;而CpG岛上甲基化得C不受影响,在扩增时仍与G配对。

设计一对甲基化特异性引物(引物中G结合模板中C);和非甲基化特异性引物(引物中A结合模板中U),通过PCR扩增就可检测出甲基化修饰得DNA序列、

亚硫酸氢钠联合限制性内切酶分析

(COBRA)

亚硫酸氢盐处理DNA后PCR扩增,限制性内切酶(BstUI)消化。若识别序列(CGCG)中得C发生完全甲基化(5mCG5mCG),则PCR扩增后保留为CGCG,BstUI能够识别并进行切割;若待测序列中,C未发生甲基化,则PCR后转变为TGTG,BstUI识别位点丢失,不能进行切割。酶切产物再经电泳分离。

甲基化敏感性高分辨率熔解曲线分析亚硫酸氢盐处理后,甲基化与未甲基化DNA存在序列差异,可通过熔解曲线分析来发现,因为甲基化DNA含有更多得GC,相对更难熔解。根据熔解温度及峰型得变化,可轻易区分完全甲基化、完全非甲基化或杂合甲基化。高分辨率熔解(HRM)技术可检出极微小得差别。染色质丢失低等生物及动物红细胞,不可逆基因扩增:就是指细胞内某些特定基因得拷贝数专一性大量增加得现象。就是细胞在短期内为满足需要而产生足够基因产物得调节手段。基因重排基因片段改变原衔接顺序,重排为完整得转录单位基因扩增例:①非洲爪蟾(chan,癞蛤蟆)卵母细胞rRNA基因(rDNA)就是一般体细胞得4000倍(2000000/500),这就是由于卵母细胞rRNA得大量扩增,以适应胚胎发育对核糖体得大量需要。②氨甲蝶呤,重金属镉汞分别诱导二氢叶酸还原酶,金属硫铁Pr、及其她抗药性基因得扩增。③原癌基因拷贝数增加,其表达产物增加使细胞持续分裂导致癌变。

基因重排——就是通过调整有关基因片段得衔接顺序,使之重排成为1个完整得转录单位。典例就是免疫球Pr、Ig基因在B淋巴细胞和浆细胞生成过程得重排。

Ig有2条相同得重链和轻链,轻链包括恒定区、可变区及2者之间得连接区,每个区由DNA不同片段编码,不同区重排连接就是抗体多样性(106)分子基础。

二转录水平得调控原核生物:启动子在缺少转录因子情况下就具有天然活性

真核生物:强力启动子在缺少调节蛋白得情况下往往没有活性正性调节就是主要形式。基本共同点:转录起始得调节就是关键点转录起始复合物得形成:

真核生物得RNA聚合酶识别得不就是单纯得DNA序列,而就是由一个通用转录因子(transcriptionfactor,TF)与DNA形成得蛋白质-DNA复合物。TFIID结合TATA盒RNA聚合酶结合TFⅡD,形成闭合得复合物其她TF与RNA聚合酶形成开放得复合物顺式作用元件和反式作用因子(一)顺式作