生物基因表达调.ppt

1、第五章：生物基因表达调控,主要内容,一、基因表达调控的基本概念： 二、 基因表达调控的理论与模式； 三、真核生物基因调控表达的特异性；,一、基因表达调控的基本概念：,1、基因表达调控的意义： 原核生物对环境的适应、对营养条件改变适应的相关应答，都是基因表达的结果； 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通过基因表达实现的。,2、 基因表达的调控的方式：,transcriptional level； posttranscriptional level； translational level； posttranslational level 。,3、 遗传信息表

2、达的方式,组成型表达（constitutive expression）,Housekeeping gene,适应性表达(adaptive expression）,Luxury gene,指其表达几乎不随环境变动而变化的一类基因表达。该类型基因通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,2）、适应性表达： 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 应环境条件变化，基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)。 如果某种物质能够促使细菌产生某种酶来分解它，这种物质就是诱导物。（分解代谢）,1）、组成性表达：

3、,随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。 如果某种物质能够阻止细菌产生与该物质合成相关的酶，这种物质就是辅阻遏物。（合成代谢）,安慰诱导物： 如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基- D-硫代半乳糖苷）。,4、顺式作用(cis-acting)元件：指在原位发挥调控作用，仅影响与其相连的基因表达的一段DNA序列。,经常与启动子相邻的一个顺式作用元件称为操纵基因(Operator)，它是调控蛋白：阻遏蛋白或激活蛋白的结合位点。,当阻遏蛋白（或

4、激活蛋白）和操纵基因结合时，就会阻止（或激活）RNA 聚合酶启动转录，操纵基因下游的结构基因表达会因此被关闭（或开放）。,5、结构基因(Structural gene)和调控基因(Regulator gene) 的概念。 结构基因：编码蛋白质或RNA的任何基因。包括结构蛋白、具有催化活性的酶等。 调控基因：是编码调控蛋白的基因，该蛋白可以调控其它基因的表达。,6、调控的关键是调控蛋白质与顺式作用元件的结合来调控靶基因的转录。,这种相互作用可以通过两种方式进行： 正(Positive) 转录调控：如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因被转录表达，这样的调控是正转录调控。

5、该调节蛋白称为激活蛋白。,负(Negative) 转录调控：在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控称为负转录调控。该调节蛋白称为阻遏蛋白。,一）、 transcriptional level control,Prok. operon stringent response应急反应 attenuator 衰减子,1、Operon control (1961 Jacob. operon off E酶活低 i C ; operon on E酶活高(70倍),trpa+与trpa-的 E 酶活差异(10倍)在于Leading seq.,I po L.S.

6、 E D C B A,genotype I+ iC,trpa+ 0.17 11.8,trpa- 1.82 100,When rich trp,测定E 酶活,Controls the operon over a 700-fold range from full inactive to full active,S.D. Seq,14 amino acid leader peptide,stop,UGA,trp E,2) trp operon RNA 一级结构分析,162 碱基 with poly (U)；,2768 base ORF of 14aa; trp high frequency with

7、 1/7 in 14 aa(2个）；,114 121 126 134 140,27,68,Trp 1/7,整个一级序列可以分为四段（1、2、3、4区），其中1、2区，3、4区以及2、3区可以形成茎环结构。,1-2 / 3-4,2 - 3,由于Trp缺乏，核糖体停留在1区，导致2、3区配对，RNA聚合酶可以越过4区，进入结构基因的翻译。,3) 调控机制,Trp较丰富，核糖体很快进入2区，导致3、4区配对，形成终止子结构，RNA聚合酶脱落下来，合成140碱基的RNA,4) Attenuator control 的生物学意义,原核生物细致的精细调控机制，增强原核生物对环境的适应性,衰减作用约10倍作

8、用于转录物。 在缺乏色氨酸时，所有的RNA聚合酶都经过衰减子继续参与转录。加上取消阻遏增加的约70 倍的表达，缺乏色氨酸时，色氨酸操纵子表达量增强约700 倍。,5、因子的更换 在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。,大肠杆菌中的各种因子比较,温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要,二）、Translational level control,1. 重叠基因对Operon内各基因以一定比例的协调翻译的影响：,Trp操纵子五个基因在正

9、常时，翻译效率是相等的； 由于E和D基因有部分重叠，可以保证E和D基因翻译量是相等的。,3. Informasome,mRNA + 自身翻译产物,infomasome,储存信息,绵羊的受精卵第四次卵裂前核基因不转录， 利用卵细胞质中储存的mRNA完成细胞分裂,2. 利用稀有密码子对操纵子中的基因翻译进行调控 对蛋白质翻译速率的调控,-NNN-,codon usage 低 tRNA少，停工待料，翻译速率慢,三）、 Gene expression control in post-translation level,1）、蛋白质合成方式,-游离的核糖体,In Euk. -核糖体附着在粗糙内质网 (r

10、ough endoplasmic reticulum RER),蛋白质合成扩散在细胞质内,进入cis-Golgibody inter-golgibody,选择， 加工，分泌，扩散,tran-golgibody,合成蛋白质,高尔基体中间,高尔基体反面,原核生物：,2. protein degradation,1）、protein degradation 的调控是生理代谢的需要,（鸟苷酸脱羧酶）,加氧酶,脱氢酶,2) 蛋白质降解机制,自身结构， 电荷状况,泛素标签， 降解标志（Ubiquitination）,-Ubiquitin 8.5kd, 76aa, acidic protein ；,-其功能

11、是 检测、识别到达寿命的蛋白；,-进化高度保守 yeast-3 aa different -human,-E1, E2, E3 enzyme be needed for ubiquitination,知之甚少，只知与蛋白质的下列情况相关：,泛素的特点：,O,Ubi.Lys.CS-E2,targeting protein,(E3 对靶蛋白N-end aa 的识别),Degradation,Ubi.Lys.,targeting protein,E2S,蛋白酶体,被E3识别的N-end aa marker of targeting protein,Met, Gly, Ala, Ser, Thr, V

12、al 20 hrs (稳定因子),Ile, Glu 30 (不稳定因子),Gln 10,Leu, Phe, Asn, Lys 3 (极不稳定因子),Arg 2,Pro 7,- N 端氨基酸种类对蛋白质寿命的决定性，从原核到真核生物高度一致；,N末端的氨基酸种类决定了细胞中蛋白质的寿命：,原因：该氨基酸决定了被 E3 识读结合难易程度；,1）、insulin,How to process & fold?,30aa,21aa,信号序列,三、真核生物基因表达调控的特殊类型,（一） gene copies 的改变,a) 基因的丢失 （DNA fragment or chromosome lose）,在

13、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。某些原生动物、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。,目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。,b) 基因的扩增 (特定基因在特定阶段的选择性扩增),基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。 如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。,（二）、 转录区染色质的结构对基因表达的控制,按功能状态的不同可将染

14、色质分为常染色质和异染色质； 常染色质是指具有转录活性的染色质； 异染色质是指没有转录活性的染色质。 常染色质往往具有疏松的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合，同时，有利于RNA聚合酶在转录模板上滑动。,常染色质在结构上的特点：,常染色质上具有DNaseI超敏感位点； 常性染色质上具有基因座控制区； 常性染色质上具有核基质结合区（MAR序列）。,1、DNaseI超敏感位点：每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，大部分位于基因启动子区域。,2、核基质结合区（ matrix attachment region ，MAR） ：与细胞核骨架结合的DNA序列称为MAR。MAR一般位于

15、DNA活性转录基因的两端。 在外源基因两端接上MAR，可增加基因表达水平倍以10上，说明MAR在基因表达调控中有作用。是一种新的基因调控元件。,（三 ）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CG，CXG, GATC序列中,不同细胞间m5C 相差甚大,b) m5C对基因转录的抑制,m5C in major groove （大沟）影响DNA与转录因子间氢键的形成,m5C in major groove 导致空间拥挤,破坏DNA构象, 使B-DNA Z-DNA T.F.结合空间的改变,基因重排：将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。 通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。,（四）、基因重排：,（五）. mRNA的非翻译区对翻译水平的调控,1、5-Untranslation region, 5- UTR：,Cap 具有增译作用；,Cap + poly(A) 具有增译的协同效应；,A）、m7GpppN(Cap),C）、AUG flanked consensus seq (-3A, +4G),D）、5UTR二级结构的影响,Hairpin (Stem-loop) 顺式阻遏40s subuni