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基因表达调控

基因表达调控. 基因表达（ gene expression). 基因通过转录 、翻 译指导蛋白质合成，并最终表现为一定生物学特性的过程为 基因表达 。 rRNA、tRNA 编码基因转录生成 RNA 的过程也属于基因表达。. 基因表达的方式. 组成性表达 （ constitutive gene expression): 对细胞生命活动必不可少的基因处于持续表达状态，称管家基因(housekeeping gene)。 基因表达的 诱导和阻遏 （ induction and repression) 诱导：特定条件下基因表达增强的过程。

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基因表达调控

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Presentation Transcript

  1. 基因表达调控

  2. 基因表达（gene expression) • 基因通过转录、翻译指导蛋白质合成，并最终表现为一定生物学特性的过程为基因表达。 • rRNA、tRNA编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。

  3. 基因表达的方式 • 组成性表达（constitutive gene expression):对细胞生命活动必不可少的基因处于持续表达状态，称管家基因(housekeeping gene)。 • 基因表达的诱导和阻遏（induction and repression) • 诱导：特定条件下基因表达增强的过程。 • 如 DNA 损伤诱导损伤修复相关基因表达。 • 阻遏：基因表达受到抑制的过程。 • 如色氨酸阻遏其合成代谢相关基因表达。

  4. 基因表达的时间性与空间性 • 时间性： • 单细胞生物个体的生长过程，及在不同外环境下的生长状态，均伴随各种基因表达的改变。 • 多细胞在个体发育的不同阶段，及处于不同内环境下，细胞基因表达方式也存在变化。 • 空间性： • 多细胞生物中，组成不同组织器官的细胞，其基因表达方式有很大差别。

  5. 基因表达调控及其方式 • 基因的表达与否及表达水平高低是在机体严格控制下进行的，这就是表达调控。 • 在基因表达的各个水平均可进行调控，但转录调控是主要的调控方式。 • 转录调控的基本要素

  6. 转录调控的基本要素： • 顺式作用元件：具有调控基因表达作用的特殊 DNA 序列。 • 启动子序列：基本序列。 • 特殊调控序列：如操纵序列。 • 反式作用因子：具有调节基因表达作用的蛋白因子。 • RNA 聚合酶。 • 特异性转录调节因子：激活蛋白或阻遏蛋白等。

  7. 转录前 DNA 转录 mRNA 翻译 蛋白质 修饰 活性蛋白质 第一节 原核生物基因表达调控 • 原核生物基因表达调控的水平：

  8. 一、转录水平调控

  9. 影响转录的因素：1、启动子 • 启动子起始部位 initiation site +1结合部位 binding site -10识别部位 recognition site -35 • 启动子决定转录方向及模板链 • 启动子序列决定启动效率 不同的启动子序列对RNA聚合酶亲和力不同，因此具有不同的起始频率 一致性序列 (consensus sequences) ：T80A95T45A60A50T96

  10. 2. σ因子与启动子序列特异性识别 • 原核生物只有一种 RNA聚合酶，但具有多种σ 因子。 α2ββ，σ 核心酶起始因子 全酶 • 不同的起始因子选择性识别不同的启动子

  11. 大肠杆菌：环境变化可以诱导特定的σ因子，从而打开一套特定的基因。大肠杆菌：环境变化可以诱导特定的σ因子，从而打开一套特定的基因。 • σ70识别常规启动子。 • σ32 识别热休克基因启动子。 42℃ 诱导热休克蛋白的表达

  12. 3、阻遏蛋白 （repressor） • 在转录水平对基因表达产生抑制作用的蛋白质：负调控。 • 由调控基因(i基因)编码，阻遏蛋白是DNA结合蛋白，特异性识别并结合操纵子，阻止转录。 • 信号分子＋阻遏蛋白——变构——结合DNA（或去结合） 诱导阻遏 诱导去阻遏

  13. 4、正调控蛋白 • 结合于特异DNA序列后能促进基因转录：正调控 • （1）CAP蛋白：分解代谢物基因活化蛋白catabolite gene activator protein 又称cAMP受体蛋白CRP • 细菌所处环境缺乏葡萄糖－－cAMP水平升高－－cAMP ＋ CAP蛋白(cAMP受体）－－ CAP蛋白变构－－结合特定的DNA序列－－激活基因转录

  14. 正调控蛋白 • (2) ntrC 蛋白的调控

  15. 5、倒位蛋白(inversion protein) • 倒位蛋白是位点特异性重组酶。

  16. 空载tRNA • relA • 氨基酸饥饿 • 魔斑核苷酸 • 核糖体生成减少 • rRNA转录减少 • RNA聚合酶 6、RNA聚合酶抑制物 • 细菌处于氨基酸饥饿状态时RNA聚合酶活性下降，rRNA和tRNA合成减少或停止的现象称为严谨反应（stringent response)。 • 魔斑核苷酸： • ppGpp与pppGpp • rel为严紧控制因子。 • 将蛋白质合成速度 • 与核糖体生成偶联。

  17. 7、衰减子 (attenuator) 衰减子：位于操纵子第一个结构基因之前，能够减弱转录作用的序列

  18. 二、转录的调控机制 • 100 年前发现，乳糖可以诱导大肠杆菌乳糖代谢酶的产生。 • 1960 年，Jacob 与 Monod 提出了乳糖操纵子(operon)模型，对其机理作出了解释。

  19. 乳糖操纵子 • 结构基因（z,y,a)：半乳糖苷酶、通透酶、转乙酰基酶。 • 调控基因 (i)：阻遏蛋白基因。 • 调控序列：启动子、操纵基因、CAP序列。

  20. 乳糖的代谢

  21. 调控序列 • 1. RNA聚合酶结合部位: -10 区与 -35 区。 • 2. 阻遏蛋白结合部位。 • 3. CAP/CRP结合部位。 • 以上调控序列被称为顺式作用元件。

  22. 蛋白因子 • RNA聚合酶 • 阻遏蛋白： • 由调控基因(i基因)编码，正常每个大肠杆菌平均有10个阻遏蛋白分子，为同四聚体，每亚基37KD。 • 阻遏蛋白是DNA结合蛋白，特异性识别并结合操纵序列，阻止转录。 • CAP： • 分解物代谢物基因激活蛋白(CAP)或cAMP受体蛋白(CRP)。缺乏葡萄糖时细菌cAMP水平增高，cAMP活化CAP，结合CAP位点，激活转录。 • 以上蛋白因子被称为反式作用因子。

  23. 阻遏蛋白对乳糖操纵子的阻遏

  24. 乳糖的解除阻遏作用

  25. 葡萄糖的调节作用

  26. 复合调控 • 乳糖的诱导去阻遏作用： • 乳糖进入细胞后，经少量半乳糖苷酶催化生成别乳糖(allolactose)。 • 别乳糖与阻遏蛋白结合，解除其抑制作用。 • 异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)是强诱导剂。 • 葡萄糖的抑制作用： • 葡萄糖抑制CAP的正调控作用。 • 乳糖操纵子的调控方式是复合调控。

  27. 葡萄糖和乳糖的调节作用

  28. 色氨酸操纵子的调节方式 • 阻遏因子的粗调节：当Trp充足时，Trp与阻遏蛋白结合，共同阻止操纵子转录（诱导阻遏）。 • 衰减子的精细调节：存在于 trpL中的衰减子(attenuator)。

  29. 衰减子的结构

  30. 衰减子的结构 • 14 氨基酸的前导肽序列。 • 4个调节区(1,2,3,4)，相互间可形成茎环。

  31. 衰减子的调控方式 • 色氨酸缺乏时翻译停止，2 与 3 形成茎环。终止子不能形成。 • 色氨酸丰富时，3 与 4 区域形成茎环，产生终止子，终止转录。

  32. 三、翻译水平的调控 • S-D序列对翻译的调控 • mRNA的稳定性 • 小分子RNA (mic RNA)的作用 • 翻译产物对翻译的调控

  33. 1、 S-D序列的位置 • S-D序列

  34. S-D序列的位置 • S-D序列与起始密码子的距离 lac启动子：S-D序列距离起始密码子 7 或 8bp 时，翻译效率相差500倍 (重组IL-2）。 • 有时mRNA的结构可能隐蔽S-D序列，从而影响翻译。

  35. 2、mRNA稳定性的调节 • 细菌的mRNA半衰期很短(平均 2 min)。其快速降解是调控作用不可缺少的，一些基因的诱导作用一旦消失，蛋白质就会停止合成。 • 不同的mRNA具有不同的半衰期和不同的酶解方式。 • 参与RNA降解作用的RNA水解酶： • RNase I：作用于单链的内切酶。 • RNase II：作用于单链3,端的外切酶。 • RNase III：作用于双链的内切酶。

  36. 3、小分子RNA的调控作用 • 细菌在低渗透压下表达ompF，高渗透压下表达ompC。 • ompC的表达抑制ompF的表达，抑制作用是通过micRNA实现的。

  37. micRNA作用机理 ompR • 渗透压导致变构 • 低渗 • 启动子 • 启动子 • ompF • micF • ompC • mRNA ompR • ompF • 高渗 • 启动子 • 启动子 • ompF • micF • ompC • mRNA • micRNA • mRNA • micRNA • ompC

  38. 5’…GUUCUUAGGGGGUAUCUUUGACUACGAC…3’ NH2…Val Leu Arg Gly Tyr Leu Asp Tyr Asp…COOH 20 21 22 23 24 25 26 27 28 4、翻译产物对翻译的调控 • 翻译终止因子RF2调节自身的翻译: • RF1：识别UAG和UAA • RF2：识别UGA和UAA

  39. 转录前 DNA 转录 hnRNA 加工 mRNA 翻译 蛋白 修饰 活性 第二节 真核生物基因表达调控 • 真核生物基因表达调控水平：

  40. 真核生物表达调控的特点 • 调控信号的多样化： • 原核生物的基因表达主要受外环境的影响, 及时调整酶系统基因的表达。 • 真核生物：细胞所处外环境的变化。 细胞与细胞间的信息传递。 • 调控方式复杂化： • 真核生物具有更为复杂的顺式元件与反式因子。 • 调控水平增多，方式多样。

  41. 一、转录前水平调控 • 染色体的丢失： • 染色质结构的变化： 常染色质和异染色质 组蛋白的修饰：改变核小体结构。 • DNA的甲基化修饰：CG序列的甲基化现象。 • 基因重排：免疫球蛋白的表达。 • 基因扩增：特殊基因拷贝的增加以满足其高表达的需要。

  42. 1、染色质丢失 • 发生在原生动物、线虫和昆虫等低等动物。 • 体细胞丢失整条或部分染色体。 • 生殖细胞则保留整套染色体。

  43. 2、染色质结构对基因表达的调控 • 异染色质与常染色质： • 异染色质高度凝聚，基因不表达，对 DNase I 不敏感。 • 常染色质能转录，对 DNase I 敏感。 • 核小体结构对基因表达的调控

  44. 核小体结构对基因表达的调控 • 组蛋白可发生乙酰化、甲基化和磷酸化，这类修饰作用可能与核小体的聚合与解聚有关。 • 乙酰化： • 常发生在 H2A/2B/3/4，细胞处于 S 期时乙酰化增加。 • 组蛋白乙酰基转移酶(HAT)，可以与特定转录因子共同激活转录。 • 磷酸化： • 主要发生在 H1，M 期 H1 磷酸化程度增加。

  45. 3、DNA 的甲基化 • CpG序列的甲基化： • 甲基化程度与基因活跃程度相关。 • 成体红细胞α-珠蛋白基因处于低甲基化状态。

  46. 甲基化影响基因表达的机制： 直接作用：改变基因构型，影响DNA与转录因子的 结合。 间接作用：与甲基化CpG结合蛋白（MeCP1和MeCP2）结合。MeCP1是参与甲基化对转录抑制的主要蛋白质。 • X染色体的失活： 在哺乳动物，雌性个体 XX 染色体有一条失活，成为巴氏小体。 X 染色体的失活与甲基化程度增加有关。

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