第 十 三 章
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第 十 三 章. 基因表达调控. Regulation of Gene Expression. François Jacob Jacques Monod (1920 ~ ) (1910 ~ 1976) 荣获 1965 年诺贝尔生理或医学奖. 第 一 节 基本概念与原理. Basic Conceptions and Principle. 一、基因表达的概念. * 基因 (gene).

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第 十 三 章

基因表达调控

Regulation of Gene Expression


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François Jacob Jacques Monod

(1920 ~) (1910 ~ 1976)

荣获1965年诺贝尔生理或医学奖


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第 一 节基本概念与原理

Basic Conceptions and Principle


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一、基因表达的概念

*基因(gene)

从遗传学角度讲,就是编码一种RNA、一种多肽的信息单位;从分子生物学角度看,是负载特定遗传信息DNA片段。

• 编码序列

• 非编码调节序列

• 内含子


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*基因组 (genome)

一个细胞或生物所携带的整套遗传信息或全部基因。

原核细胞:单个环状染色体

真核生物:染色体基因组 (染色体DNA)

注:不同于 线粒体基因组 (线粒体DNA)

叶绿体基因组 (叶绿体DNA)

人类基因组含约 2万~2.5万个基因。


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*基因表达 (gene expression)

在一定调节机制控制下,基因经历基因激活、转录及翻译等过程,产生具有特异生物学功能的蛋白质分子,赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。

基因表达就是基因转录和翻译的过程。


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二、基因表达的特异性

(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表现为与生长、分化和发育阶段一致的时间性,因此又称阶段特异性(stage specificity)。


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(二)空间特异性

在个体生长、发育全过程,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)。

基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异,实际上是由细胞在器官的分布决定的,所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。


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三、基因表达的方式

按对刺激的反应性,基因表达的方式分为:

(一)基本表达

某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达,通常被称为管家基因(housekeeping gene)。


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无论表达水平高低,管家基因较少受环境因素影响,而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达,或变化很小。这类基因表达被视为基本(或组成性)基因表达(constitutive gene expression)。


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(二)诱导和阻遏表达

在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。

可诱导基因在特定环境中表达增强的过程,称为诱导(induction)。

如果基因对环境信号应答是被抑制,这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。


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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(coordinate expression),这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。


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四、基因表达调控的生物学意义在一定机制控制下,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

(一)适应环境、维持生长和增殖

生物体赖以生存的外环境是在不断变化的,为了生存,所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应,调节代谢,以适应环境变化。生物体适应环境、调节代谢的能力与蛋白质分子的生物学功能有关。而蛋白质的水平又受基因表达的调控。


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(二)维持个体发育与分化在一定机制控制下,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

多细胞生物调节基因的表达除为适应环

境外,还有维持组织器官分化、个体发育的

功能。

当某种基因缺陷或表达异常时,则会出

现相应组织或器官的发育异常。


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第二节 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

基因表达调控的基本原理


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蛋白质翻译在一定机制控制下,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

翻译后加工修饰

蛋白质降解等

一、基因表达的多层次和复杂性

  • 基因表达在全过程的各水平上都可以受调控:

基因激活

转录起始

转录后加工

mRNA降解

转录起始

转录起始调节是基因表达调控的主要环节


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二、基因转录激活调节基本要素在一定机制控制下,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

基因表达的调节与基因的结构、性质,生物个体或细胞所处的内、外环境,以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。


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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,即为特异DNA序列

• 调节蛋白

• DNA-蛋白质相互作用

蛋白质-蛋白质相互作用

• RNA聚合酶


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(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,即为一)、 特异DNA序列

1、 原核生物的操纵子

操纵子(operon):通常由2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,组成一个基因表达调

控单位。


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  • 启动序列在一定机制控制下,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

  • (promoter)

是RNA聚合酶识别、结合并启动转录的特异DNA序列。


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阻遏蛋白在一定机制控制下,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

启动序列

操纵序列

编码序列

pol

  • 2 操纵序列(operator)

    • ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点

当操纵序列结合有阻遏蛋白时,会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合,或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ,阻碍转录,介导负性调节。


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转录起始点在一定机制控制下,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

DNA

B

A

编码序列

2、 真核生物的顺式作用元件(cis-acting element)

——可影响自身基因表达活性的DNA序列。通常是非编码序列。包括启动子、增强子及沉默子等。


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不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列 ,如TATA盒、CAAT盒等,这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。

•是非编码序列

•并非都位于转录起始点上游


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(二)调节蛋白 ,如

原核生物:均为DNA结合蛋白

*特异因子:决定RNA-pol对一个或一套 启动序列的特异性识别和结合能力。

*阻遏蛋白:识别和结合特异的DNA序列—操纵序列,阻遏基因转录,介导负性调节。


Activator
* ,如激活蛋白(activator):

  • 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。

  • 有些基因在没有激活蛋白存在时,RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。


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真核生物的基因调节蛋白 ,如

反式作用因子(trans-acting factor)

由某一基因表达产生的蛋白质因子,通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用,调节其表达。

这种调节作用称为反式作用。


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有些真核调节蛋白可特异识别、结 ,如

合自身基因的调节序列,调节自身基因

的开启或关闭,称为顺式作用蛋白。


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  • ( ,如三) DNA - 蛋白质

    • 蛋白质-蛋白质

的相互作用

DNA-蛋白质相互作用

指的是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,被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。


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蛋白质 ,如-蛋白质相互作用

绝大多数调节蛋白质结合DNA前,需通过蛋白质-蛋白质相互作用,形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。

还有一些调节蛋白不能直接结合DNA,而是通过蛋白质-蛋白质相互作用间接结合DNA,调节基因转录,常见于真核生物。


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( ,如四) RNA聚合酶

1、 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性

启动序列/启动子是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节组件组成。

启动序列影响其与RNA聚合酶的亲和力,因而亲和力大小则直接影响转录起动的频率。

真核生物RNA聚合酶与启动子的亲和力极低或无亲和力。


2 rna
2 ,如、调节蛋白与RNA聚合酶活性

一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表达,随后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性,从而改变基础转录频率。


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第 三 节 ,如原核基因转录调节

Regulation of Prokaryotic

Gene Transcription


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一、原核基因转录调节特点 ,如

——调节的主要环节在转录起始

(一)σ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


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E. coli ,如的不同σ因子识别不同的共同顺序

通过不同的σ亚基,原核细胞能协同相关基因的表达,使细胞适应其所处的环境。


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,如一)乳糖操纵子(lac operon)的结构

二、原核生物转录起始调节


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阻遏基因 ,如

pol

DNA

I

P

O

Z

Y

A

mRNA

阻遏蛋白

(二)乳糖操纵子的调节机制

1、阻遏蛋白的负性调节

没有乳糖存在时


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DNA ,如

I

P

O

Z

Y

A

启动转录

mRNA

mRNA

β-半乳糖苷酶

pol

阻遏蛋白

半乳糖

乳糖

有乳糖存在时


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共有序列 ,如

TTGACA

TATAAT

2、CAP的正性调节

lac

TTTACA

N17

TATGTT

N6

A

  • 乳糖操纵子是弱启动子,被RNA-pol结合后,还需cAMP-CAP(分解代谢物基因活化蛋白)活化。


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CAP ,如

CAP

CAP

CAP

CAP

CAP

+ + + + 转录

DNA

P

O

Z

Y

A

CAP结合位点

无葡萄糖,cAMP浓度高时

CAP

有葡萄糖,cAMP浓度低时


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,如阻遏蛋白是负性调节因素。

•半乳糖或别乳糖是诱导剂 。

异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)是实验室广泛应用的一种作用极强的诱导剂。

•CAP是同二聚体,含有DNA结合区和

cAMP结合位点。

•CAP是正性调节因素。


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3 ,如、协调调节

※当阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不能发挥作用;

※如无CAP存在,即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合,操纵子仍无转录活性。

单纯乳糖存在时,细菌利用乳糖作碳源;

若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时,细菌首先利用葡萄糖。

葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。


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RNA-pol ,如

O

O

mRNA

O

O

低半乳糖时

高半乳糖时

葡萄糖低 cAMP浓度高

无转录

葡萄糖高cAMP浓度低

低水平转录

无转录


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三、原核生物转录终止调节 ,如

  • 依赖Rho因子的转录终止

    不依赖Rho因子的转录终止

不依赖Rho因子的终止子序列在结构上有两个显著特征:

• 两段富含GC的反向重复序列,中间

间隔若干核苷酸

• 下游含一系列T序列


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E.coli ,如存在两种转录终止调节方式:

• 衰减

RNA链过早终止

• 抗终止

阻止终止的发生,使下游基因表达


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四、原核生物翻译水平调节 ,如

  • 调节主要在起始阶段

  • 主要依靠调节分子(蛋白质、RNA)

    (一)蛋白质分子的自我调节

    调节蛋白结合mRNA 的靶位点,阻止核蛋白体识别翻译起始区,从而阻断翻译。

    调节蛋白作用于自身mRNA ,抑制自身的合成,这种调节方式称为自我控制。


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(二)反义 ,如RNA对翻译的调节作用

反义RNA是原核生物的一种调节RNA ,含有与特定mRNA 翻译起始部位互补的序列,通过与mRNA杂交阻断30s小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合,抑制翻译起始。这种调节成为反义控制。


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  • 干扰 ,如RNA(interfering RNA, iRNA)

  • 干扰RNA也是天然短链RNA。90年代基因工程技术实验发现:导入外源基因有时不但不能表达,反而抑制宿主菌某些基因表达。当时称这种现象为共阻遏(co-repression)。

  • 由iRNA引发的内源基因抑制称为转录后基因沉默(post transcriptional gene silencing, PTGS)。

  • 利用RNA干扰(RNA interfering, RNAi)技术原理,可以封闭或剔除靶基因。


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第 四 节 ,如真核基因转录调节

Regulation of Eukaryotic

Gene Transcription


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一、真核基因组结构特点 ,如

(一)真核基因组结构庞大

哺乳类动物基因组

DNA 约 3 × 10 9碱基对

编码基因约 有 30000 个,占总长的6 %

rDNA等重复基因约占 5% ~ 10%

其余80%〜90%可能没有直接的遗传功能


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高度重复序列( ,如106次)

多拷贝序列

中度重复序列(103 ~ 104次)

单拷贝序列(一次或数次)

(二)单顺反子

(三)重复序列

反向重复序列

5`AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3`

3`TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5`

(四)基因不连续性


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二、真核基因表达调控特点 ,如

(一) RNA聚合酶

(二) 活性染色体结构变化

(三) 正性调节占主导

(四) 转录与翻译分隔进行

(五) 转录后修饰、加工


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种类 ,如

转录产物

45S

-

rRNA

hnRNA

5S

-

rRNA

tRNA

snRNA

对鹅膏蕈碱

耐受

极敏感

中度敏感

的反应

(一)RNA聚合酶

真核生物的RNA聚合酶


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,如二)活性染色体结构变化

1. 对核酸酶敏感

当用DNase I处理时,活化的染色质DNA会出现一些DNase I超敏位点,常出现在调节蛋白结合位点附近。这是活化基因的明显特征。


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转录方向 ,如

负超螺旋

RNA-pol

正超螺旋

2. DNA拓扑结构变化

天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在;

基因活化后

RNA聚合酶下游的转录区为正超螺旋,阻碍核小体的形成,促进核小体的解体;

RNA聚合酶上游的DNA则为负超螺旋,有利于核小体的再形成。


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真核 ,如DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化,

甲基化范围与基因表达程度呈反比。

3. DNA碱基修饰变化

4. 组蛋白变化

① 富含Lys组蛋白水平降低

② H2A, H2B二聚体不稳定性增加

③ 组蛋白修饰:乙酰化、磷酸化

④ H3组蛋白巯基暴露


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(三)正性调节占主导 ,如

其原因:

• 更有效,可提高特异性和精确性

• 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


Rna pol pol
三、 ,如RNA-polⅠ和pol Ⅲ的转录调节

(一)RNA-polⅠ转录体系的控制

1. 人rRNA前体基因的启动子有两个元件:

核心元件(核心启动子):-45 ~ +20bp

上游控制元件(UCE):-156 ~ -107bp

2. 两种转录因子:

上游结合因子 Ⅰ:可与UCE和核心元件特异结合

选择性因子Ⅰ:与两个元件结合,无序列特异性


Rna pol
(二) ,如RNA-polⅢ转录体系的控制

*转录产物为:tRNA和5S rRNA

*特点:启动子位于转录起始点下游即转录

区内,称内部控制区(ICR)。

*tRNA基因的ICR由A盒(TGGCNNAGTGG)

和 B盒(GGTTCGANNCC)两个元件组成。

* 转录起始因子为:TF ⅢB,必需的转录因子

*TF ⅢC 为辅助因子

*5S rRNA的转录TF ⅢA和 TF ⅢC均为辅助因子


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四、 ,如RNA-pol Ⅱ转录起始的调节

(一)顺式作用元件

是指可影响自身基因表达活性的特异DNA序列。

• 启动子

• 增强子

• 沉默子


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TATA ,如盒

GC盒

CAAT盒

1. 启动子(promoter)

真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件,至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。


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TATA ,如盒:TATAAAA

• 位于­25 〜 -30bp

• TFⅡD 结合位点。

• 控制转录起始的准确性及频率。

GC盒:GGGCGG

CAAT盒:GCCAAT

• 位于-30 〜 -110bp区域

• 与相应蛋白因子结合,影响转录效率。


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典型的 ,如启动子由TAAT盒和CAAT盒和/或GC盒组成,通常具有一个转录起始点及较高的转录活性。


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2. ,如增强子(enhancer)

指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。发挥作用的方式与方向、 距离无关。

酵母:上游激活序列

3. 沉默子(silencer)

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。


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,如二)反式作用因子

1. 转录(调节)因子分类(按功能特性)

* 基本转录因子(general transcription factors)

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(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。

• 通用的 —— TFⅡD

• 特有的


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* ,如特异转录因子(special transcription factors)

为个别基因转录所必需,决定该基因的时间、空间特异性表达。

转录激活因子:增强子结合蛋白(EBP)

转录抑制因子:沉默子结合蛋白


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TF ,如

DNA结合域

酸性激活域

谷氨酰胺富含域

转录激活域

脯氨酸富含域

蛋白质-蛋白质结合域

(二聚化结构域)

2. 转录(调节)因子结构


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最常见的 ,如DNA结合域

1. 锌指(zinc finger)

常结合GC盒

C —— Cys

H —— His


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Cys ,如

Zn

His


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2. ,如α-螺旋

常结合CAAT盒


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3 ,如、亮氨酸拉链(leucine zipper)

  • 由两个-螺旋肽链单体,部分相互结合形成的二聚体结构;

  • 每个-螺旋单体中靠近C-端有一段约30个氨基酸组成的序列,螺旋每旋转两周(约7个氨基酸残基),就在同一侧面有规律地出现一个疏水性亮氨酸残基;

  • 在单体地N-端,有一段富含碱性氨基酸的亲水区,是DNA结合区域


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4两个结构相同或相似的单体并列,依赖侧面多个亮氨酸的分子间的疏水作用在、螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix)


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polⅡ两个结构相同或相似的单体并列,依赖侧面多个亮氨酸的分子间的疏水作用在

TFⅡF

TFⅡH

TAF

TAF

TAF

TFⅡA

TBP

TFⅡB

DNA

TATA

(三)mRNA 转录激活及其调节

TBP相关因子

真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下,形成的转录起始前复合物(PIC)


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TF两个结构相同或相似的单体并列,依赖侧面多个亮氨酸的分子间的疏水作用在ⅡH

  • 转录起始前复合物

    • (pre-initiation complex, PIC)


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真核基因转录调节是两个结构相同或相似的单体并列,依赖侧面多个亮氨酸的分子间的疏水作用在复杂的、多样的

*不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式;

*多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。

*转录因子与DNA元件结合后,对转录激活过程所产生的效果各异,有正性调节或负性调节之分。


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五、转录后水平的调节两个结构相同或相似的单体并列,依赖侧面多个亮氨酸的分子间的疏水作用在

  • hnRNA 加工成熟的调节

  • mRNA 运输、胞浆内稳定性的调节

    mRNA的稳定性由合成速率和降解速率共同决定。

  • RNAi :RNA干涉

    通过降解特异mRNA,在转录后水平发生的一种基因表达调节机制。


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六、翻译水平的调节两个结构相同或相似的单体并列,依赖侧面多个亮氨酸的分子间的疏水作用在

干扰素诱导的蛋白激酶

  • 翻译起始因子(eIF)活性的调节

  • RNA结合蛋白对翻译起始的调节

dsRNA

dsRNA

ADP

ATP

eIF2-P(失活)

eIF2

磷酸酶

Pi


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