基因表达调控课件

1、医学课件园,医学下载吧,1,第十三章 基因表达调控第一节 基因表达调控基本概念第二节 基因表达调控的基本原理 第三节 原核基因转录调节 第四节 真核基因转录调节,医学课件园,医学下载吧,2,第一节 基因表达调控基本概念与原理 一、基因表达的概念 基因（gene）：是为生物活性产物（RNA或蛋白质）编码的DNA功能片段，是遗传的基本单位。 基因组(genome)：指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。 基因表达(gene expression)：指基因转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。,医学课件园,医学下载吧,3,二、基因表达的特异性 基因表达表现为严格的规律性：即

2、时间、空间特异性。 时间、空间特异性由特异基因的启动子（序列）和(或)增强子与调节蛋白相互作用决定。,医学课件园,医学下载吧,4,（一）时间特异性 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性（temporal specificity）。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性（stage specificity）。,医学课件园,医学下载吧,5,（二）空间特异性 在个体发育、生长的全过程，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称之为基因表达的空间特异性（spatial specificity）。 基因表达伴随时间或阶段顺序所

3、表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性（cell specificity）或组织特异性(tissue specificity)。,医学课件园,医学下载吧,6,三、基因表达的方式 按对内、外环境信号刺激的反应性，基因表达的方式分为： （一）基本表达 管家基因:某些基因在一个生物体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因称管家基因（housekeeping gene）。 管家基因的表达方式称基本（或组成性）基因表达，这类基因表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，不受其它机制调节。,医学课件园,医学下载吧,7,（二）诱导和阻遏 在

4、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。 可诱导基因在一定的环境中表达增强的过程诱导（induction）。 如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。诱导和阻遏在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的基本途径。,医学课件园,医学下载吧,8,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（coodinate expression）。 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。,医

5、学课件园,医学下载吧,9,第二节基因表达调控的基本原理 一、基因表达调控的多层次和复杂性基因激活 转录起始基本控制点 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,医学课件园,医学下载吧,10,二、基因转录激活调节的基本要素 （一）特异DNA序列 、原核生物特异DNA序列操纵子（operon）：是原核生物转录的基本单位，由个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。(图13-4） 启动序列（promoter）是RNA聚合酶结合并起动转录的特异DNA序列。（图13-1 ） 当操纵序列(operator)结合有阻遏蛋白时会阻碍RNA聚合酶与启动

6、序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻遏转录，介导负性调节。,医学课件园,医学下载吧,11,、真核生物特异DNA序列 顺式作用元件：指可影响自身基因表达活性的DNA序列 。 (图13-2) 在不同真核生物基因的顺式作用元件中也发现一些共有序列，如TATA盒、CCAAT盒等。这些共有序列就是顺式作用元件的核心序列，它们是真核RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。 顺式作用元件分为启动子、增强子和沉默子等。,医学课件园,医学下载吧,12,（二）调节蛋白 、原核生物基因调节蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白，都是DNA结合蛋白。 特异因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特

7、异性识别和结合能力。 阻遏蛋白可识别、结合操纵序列，抑制基因转录，介导负性调节。 激活蛋白可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。,医学课件园,医学下载吧,13,、真核生物基因调节蛋白 真核基因调节蛋白又称转录调节因子或转录因子(transcription factors,TF)，其调节作用分为:反式调节（主要）和顺式调节(图13-3) 绝大多数真核转录因子与特异的顺式作用元件相互作用反式激活另一基因的转录，故称为反式作用因子（trans-acting factors）.,医学课件园,医学下载吧,14,3、DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用

8、DNA-蛋白质相互作用指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，被调节蛋白识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。 绝大多数调节蛋白在结合前，需要通过蛋白质-蛋白质相互作用形成二聚体或多聚体。,医学课件园,医学下载吧,15,（四）RNA聚合酶 DNA元件与调节蛋白对转录激活的调节最终是由RNA聚合酶活性体现的。 1、启动序列/启动子与RNA聚合酶活性 启动序列或启动子核苷酸序列会影响其与RNA聚合酶的亲和力，从而直接影响转录起动和频率。 2、调节蛋白与RNA聚合酶活性 特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表达，通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影

9、响RNA聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变，出现表达水平变化。,医学课件园,医学下载吧,16,第三节 原核基因转录调节 -主要调节环节在转录起始 一、基因转录调节特点 （一）因子决定RNA聚合酶识别特异性 （二）操纵子模型的普遍性 （三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 原核基因转录调节以负性调节为主。,医学课件园,医学下载吧,17,二、原核生物转录起始调节 （一）乳糖操纵子的结构（图13-4） （二）乳糖操纵子的调节机制 1、阻遏蛋白的负性调节（图13-4） 2、CAP的正性调节 3、协调调节 当lac阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；但如果没有CAP存在来加强转录活性，即使阻遏

10、蛋白从操纵序列上解聚仍无转录活性。（图13-5）,医学课件园,医学下载吧,18,三、原核生物转录终止调节 四、原核生物翻译水平调节 （一）蛋白质分子的自我调节 （二）反义RNA对翻译的调节,医学课件园,医学下载吧,19,第三节 真核基因表达调节 一、真核基因组结构特点 （一）基因组结构庞大 （二）单顺反子 指一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。 （三）重复序列 根据重复频率分为： 高度重复序列（106次） 中度重复序列（103104次） 单拷贝序列（10次） （四）基因不连续性,医学课件园,医学下载吧,20,二、真核基因表达调控特点 （一）RNA聚合酶 （二）活性染色体

11、结构变化 1、对核酸酶敏感 2、DNA拓扑结构变化 3、DNA碱基修饰变化 4、组蛋白变化 包括：(1)富含Lys组蛋白水平降低；(2)H2AH2B二聚体不稳定性增加；(3)H3、H4组蛋白修饰：乙酰化、磷酸化及泛素化等。,医学课件园,医学下载吧,21,（三）正性调节占主导 真核基因组广泛存在正性调节机制，原因有二：（1）采用正性调节机制更有效； （2）采用负性调节不经济。 （四）转录与翻译分隔进行 （五）转录后修饰、加工,医学课件园,医学下载吧,22,三、RNA pol和pol 的转录调节 （一）RNA pol转录体系的控制 人rRNA前体基因的启动子的两个元件：核心元件与上游控制元件 RN

12、A pol的两种转录因子：上游结合因子与选择性因子,医学课件园,医学下载吧,23,（二）RNA pol 转录体系的控制 tRNA和5SrRNA基因启动子位于转录起始点下游即转录区内，称为内部控制区（internal control regions,ICR） tRNA基因的ICR主要由盒和盒两个元件组成，RNA pol 转录起始需要转录因子TF C和TFB。 5SrRNA基因的转录需要三种转录因子： TF C、TFB和TF。,医学课件园,医学下载吧,24,四、RNA pol转录起始的调节 （一）顺式作用元件 按功能特性，顺式作用元件分为：启动子、增强子和沉默子。 1、启动子(promoter)：

13、是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，包括： （1）TATA盒(TATAAAA)：位于转录起始点上游-25 -30bp，控制转录起始的准确性及频率。是转录因子TFII D结合位点。 （2）GC盒(GGGCGG); （3）CAAT盒(GCCAAT) (图11-13),医学课件园,医学下载吧,25,2、增强子 (enhancer) 指远离转录起始点(1 30kb)、决定基因的时间、空间特异表达、增强启动子转录活性的DNA序列。 增强子发挥作用的方式通常与方向、距离无关 。从功能上讲，没有增强子存在，启动子不表现活性；没有启动子时，增强子也无法发挥作用。 3、沉默子 (silencer) 指

14、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。,医学课件园,医学下载吧,26,(二)反式作用因子 大多数转录调节因子以反式作用调节基因转录。 1、转录调节因子（简称转录因子）分类 按功能特性分为：基本转录因子和特异转录因子。 (1)基本转录因子：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA转录的类别。 (2)特异转录因子：为个别基因转录所必需的蛋白因子，决定该基因的时间、空间特异性表达。包括转录激活因子和转录抑制因子。,医学课件园,医学下载吧,27,2、转录调节因子结构 所有转录因子至少包括二个不同的结构域：DNA结合域、转录激活域，有的还含有蛋白质-蛋白质结合域（常见的是二聚化结构域）。 （1）DNA结构域：常见的是锌指结构和碱性氨基酸形成的螺旋。此外，还有碱性亮氨酸拉链、碱性螺旋-环-螺旋结构等。（图13-7） （2）转录激活域：有酸性激活域、谷氨酰胺富含域、脯氨酸富含域。 （3）二聚化结构域,医学课件园,医学下载吧,28,EBP,医学课件园,医学下载吧,29,五、RNA pol转录终止的调节 （一）HIV基因组转录终止调节 （二）热休克蛋白基因的转录终止调节 六、转录后水平的调节 （一）hnRNA加工成熟的调节 （二）mRNA运输、胞浆内稳定性调节 七、翻译水平调节 （一）翻译起始因子（eI