生物基因表达调市公开课一等奖百校联赛优质课金奖名师赛课获奖课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。,第五章：生物基因表示调控,1/70,主要内容,一、基因表示调控基本概念：,二、基因表示调控理论与模式；,三、真核生物基因调控表示特异性；,2/70,一、基因表示调控基本概念：,1、,基因表示调控意义：,原核生物对,环境,适应、对,营养条件,改变适应相关应答，都是基因表示结果；,真核生物细胞分化,组织特化,个体发育以及环境对个体表型影响都是经过基因表示实现。,2、基因表示调控方式：,transcriptional level,；,posttranscriptional level,；,translational level,；,posttranslational level,。,3/70,3、,遗传信息表示方式,组成型表示（,constitutive expression）,Housekeeping gene,适应性表示,(adaptive expression,）,Luxury gene,4/70,指其表示几乎不随环境变动而改变一类基因表示。该类型基因,通常被称为管家基因,(housekeeping gene),。,2）,、,适应性表示：,指环境改变轻易使其表示水平变动一类基因表示。,应环境条件改变，基因表示水平,增高,现象称为,诱导,(induction),，这类基因被称为,可诱导基因,(inducible gene)。,假如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）,、组成性表示：,5/70,随环境条件改变而基因表示水平,降低,现象称为,阻遏,(repression),，对应基因被称为,可阻遏基因,(repressible gene)。,假如某种物质能够,阻止,细菌产生与,该物质,合成相关,酶,，这种物质就是,辅阻遏物,。（,合成代谢,）,抚慰诱导物：,假如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,抚慰诱导物,，如,IPTG（,异丙基-,D-,硫代半乳糖苷）。,6/70,4、,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,基因表示,一段,DNA,序列,。,经常与开启子相邻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,激活蛋白结合,位点。,当阻遏蛋白（或激活蛋白）和操纵基因结合时，就会阻止,（,或,激活,）,RNA,聚合酶开启转录，操纵基因下游,结构基因表示会所以被关闭（或开放）。,7/70,5、,结构基因,(,Structural gene),和,调控基因,(,Regulator gene),概念。,结构基因,：编码,蛋白质,或,RNA,任何基因。包含结构蛋白、含有催化活性酶等。,调控基因,：是编码,调控蛋白,基因，该蛋白能够调控其它基因表示。,8/70,6、调控,关键,是,调控蛋白质,与,顺式作用元件,结合来调控靶基因转录。,这种相互作用能够经过两种方式进行：,正(,Positive),转录调控,：,假如在没有,调整蛋白质,存在时基因是关闭，加入这种,调整蛋白质,后基因被转录表示，这么调控是,正转录调控,。该调整蛋白称为,激活蛋白,。,负(,Negative),转录调控：,在没有,调整蛋白质,存在时基因是表示，加入这种,调整蛋白质,后基因表示活性便被关闭，这么调控称为,负转录调控,。该调整蛋白称为,阻遏蛋白。,9/70,一）、,transcriptional level control,Prok.operon,stringent response,应急反应,attenuator,衰减子,1、,Operon control,(1961 Jacob.&Monod.),二、基因表示调控理论与模式,10/70,各结构基因按一定百分比协调翻译(,Z:Y:A=5:2:1),P&O,基因(,cis),紧密连锁 或 彼此重合,I,基因(,trans),位点不固定，编码一个反式作用因子，能够调控,Z、Y、A,结构基因表示。,含,自,己,开启,子和终止子。,1）、operon concept,定义：,是基因表示协调单位，由,开启子,、,操纵基因,及其所控制一组,功效上相关结构基因,所组成。操纵基因受,调整基因产物,控制。,Lac operon I p o Z Y A,比如：,特点：,11/70,2）、operon control type,Negative&Positive,I gene,Neg.,Pos.,不加入,I,基因产物,operon on,加入,I,基因产物,operon off,不加入,I,基因产物,operon off,加入,I,基因产物,operon on,repressor,Negative,Positive,expressor(apoinducer),无辅基诱导物,（激活蛋白）,（阻遏蛋白）,（阻遏蛋白）,（激活蛋白）,12/70,Negative control,普通是,原核生物,利用调控方式，使原核生物更加好适应外界营养条件改变。,Positive control,普通是,真核生物,喜欢利用调控方式。是一个灵活，严格，经济调控机制,Repressor binding on,O,site,Expressor binding front,p,site,阻止转录开启,激活转录开启,阻遏蛋白,激活蛋白,13/70,3）、Model,Signal molecular be needed for both types,Add signal mol.,Operon on,Add signal mol.,Operon off,Co-repressor,Inducer,(,inducible operon),(,repressible operon),（辅阻遏,物）,（诱导物）,14/70,负转录调控系统,负控诱导调整,负控阻遏调整,调整基因产物是,阻遏蛋白,（,repressor,）,阻遏蛋白,与效应物（,诱导物,）结合，使,阻遏蛋白失活,，结构基因转录；,阻遏蛋白,与效应物（,辅阻遏物,）结合，使,阻遏蛋白产生活性,，结构基因不转录。,正转录调控系统,正控阻遏调整,正控诱导调整,调整基因产物是,激活蛋白,（,activator,）。,效应物分子（诱导物）存在使,失去活性激活蛋白,处于活性状态；,效应物分子（,辅阻遏物）,存在使,有活性激活蛋白,处于非活性状态,。,原核生物基因表示调控方式：,15/70,Operon control model,16/70,A、Negativeinducible operon,例(分解酶类,lactose operon),I gene,active repressor,I,binding on Operator,38,kd/monomer,tetramer 152 kd,比如：在,Lactose operon,中,17/70,大肠杆菌乳糖操纵子结构,：,18/70,Z：,编码,-,半乳糖苷酶：,将乳糖（,1，4,糖苷键）水解成葡萄糖和半乳糖,Y：,编码,-,半乳糖苷透过酶,：使外界,-,半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。,A：,编码,-,半乳糖苷乙酰基转移酶,：乙酰辅酶,A,上乙酰基转到,-,半乳糖苷上，形成,乙酰半乳糖,。,19/70,O gene (operator)cis-action factor,mRNA startpoint,unwinding,RNA polymerase binding,Repressor binding,O&P overlap,repressor&RNA polymerase bind,at sites that overlap around the start point of,Lac,operon,repressor&RNA polymerase,对重合位点竞争,20/70,-调控机理,Inducer(lactose),与,repressor,特异结合,作用于,O,位点上,repressor,变构,脱离,O,位,作用于游离,repressor,无诱导剂时,：,repessor tetramer,与,operator,发生特异结合,operon off,变构,失去结合于,O,位能力,当培养基中有诱导剂时：,21/70,调控机理,22/70,调控机理,23/70,葡萄糖对,lac,操纵子影响,假如将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中,，,lac,操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导,lac,操纵子表示分解乳糖所需三种酶。,该现象称为,葡萄糖效应,其原因是,代谢物阻遏效应。,24/70,B、Negativerepressible operon(,合成酶类),tryptophan synthease operon,R gene,inactive repressor,Co-repressor,(,tryptophan),色氨酸是一系列酶促反应终产物,辅阻遏物,25/70,trpR P O E D C B A,trpR P O E D C B A,tryptophan,调控机理,Operator,operon off,operon on,repressor+trp,active repressor,Repressor(inactive),can not bind,on the O site,(trp absent),26/70,Inactive expressor,active expressor,C、Positiveinducible operon(,多为分解酶类),I,inactive expressor,operon off,inducer,active expressor,binding on,front P site,激活,RNA polymerase,开启,（失活激活蛋白）,27/70,e.g.cAMP control,(universal controlling system),Lac operon open,but no transcripts,Glucose,Why?,Lactose,E.coli,当,大,肠杆,菌在,培养,基中发,现,葡萄糖,和,乳糖,时，它分,解利,用,葡萄糖,，而,抑,制,乳糖利,用,。这,种,选择,是经过,阻,止,包,括,乳糖,操纵,子、,半乳糖,操纵,子和,阿拉伯,糖,操纵,子,等表示来,实现,。这,种作用,被,称,为,代谢,产,物,阻遏,(,Catabolite repression),作用,。,28/70,ATP,ppp c A,cAMP,p c A,5-,AMP,p c A,I(,cap,gene),(,catabilite gene activator protein),+,细胞中葡萄糖水平低，较低葡萄糖代谢中间产物,Lac.Operon,I P O,腺苷酸环化酶,激活,细胞中葡萄糖水平升高,较高,葡萄糖代谢中间产物,激活,磷酸二酯酶,二聚体,激活聚合酶,29/70,cAMPCAP,含有广泛生理效应正控制系统,存在于各种基因表示调控体系中,Lac operon expression,cAMP,(,Positive-inducible),lactose,(,Negative-inducible),30/70,active expressor,coexrepressor,D、Positiverepressible control,I,active expressor(apoinducer),operon on,Co-repressor,Inactive expressor,operon off,（正控阻遏调整）,31/70,2、,stringent response control,1）、,基本概念,应,急,反,应,(,Stringent response),：,细菌,处,于,极,差,生,长,条,件,下，因为,缺,乏,足,够,氨,基,酸,，,蛋白质,合成,受,到,抑,制,，因而细菌,会,关,闭,大量,代谢,过程，这,就,是,应,急,反,应,或,应,急,调控。,stringent response,是对任何氨基酸饥饿时表现 一个广泛调整机制。,32/70,stringent response control,2）、,相关因子,stringent factor(Rel gene,）,pyrophosphate transferase,（焦磷酸转移酶）,Rel,+,stringent factor,uncharged tRNA in A site,(P)PPG,ATP AMP,ppGpp,pppGpp,10,up,应急反应底,触发,：细胞,核,糖体,A,位点,上,空载,tRNA,增多,。,33/70,signal molecular,ppGpp+RNApol RNA pol.,不易变构 聚合酶不能识别大部分开启子 造成大部分基因转录停顿。,34/70,当,细菌生,存,条,件,恢,复,正,常,时，一,种,名,为,spo,T,基因,编码,降,解,ppGpp,酶,。它能以,约,20,秒,半,衰,期,快,速,将,ppGpp（pppGpp）,降,解,；,应,急,反,应,能,随,着,(,p)ppGpp,消,失,很,快逆,转；,应急反应,消除,：,35/70,4、,Attenuator control,1)discovery,E.coli,trp synthetase operon,(,Charles Yanofsky,stanford.U),Negativerepressible operon,但还发觉了另外一个奇怪现象？,I P O leading seq.E D C B A,trp,+,（弱化子）,36/70,leading sequence,中存在精细微调机制,I,+,;operon off E,酶活低,i,C,;operon on E,酶活高(70倍),trpa+,与,trpa-,E,酶活差异(10倍)在于,Leading seq.,I po L.S.E D C B A,genotype I,+,i,C,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,37/70,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 1/7 in 14 aa(2,个）；,114 121 126 134 140,27,68,Trp 1/7,整个一级序列能够分为四段（1、2、3、4区），其中1、2区，3、4区以及2、3区能够形成茎环结构。,38/70,1-2/3-4,2-3,39/70,因为,Trp,缺乏,，,核糖体,停留在,1区,，造成,2、3区配对,，,RNA,聚合酶,能够越过4区，进入结构基因翻译。,3,),调控机制,Trp,较,丰富,，,核糖体,很快进入,2区,，造成,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,RNA,40/70,4)Attenuator control,生物学意义,原核生物细致,精细调控机制,，增强原核生物对,环境适应性,衰,减,作用,约,10,倍,作用,于转录,物,。,在,缺,乏色氨酸,时，,全部,RNA,聚,合,酶都经,过,衰,减,子,继续,参加,转录。,加,上,取消,阻遏,增加,约,70,倍,表示，,缺,乏色氨酸,时，,色氨酸,操纵,子表示,量,增,强,约,700,倍,。,41/70,5,、,因子更换,在,E.coli,中,当细胞从基本转录机制转入各种特定基因表示时，需要不一样因子指导,RNA,聚合酶与各种开启子结合。,42/70,大肠杆菌中各种,因子比较,因子,编码基因,主要功效,70,rpo,D,参加对数生长久和大多数碳代谢过程基因调控,54,rpoN,参加多数氮源利用基因调控,38,rpoH,分裂间期特异基因表示调控,32,rpoS,热休克基因表示调控,28,rpoF,鞭毛趋化相关基因表示调控,24,rpoE,过分热休克基因表示调控,43/70,温度较高,诱导产生各种热休克蛋白,由,32,参加组成,RNA,聚合酶与热休克应答基因开启子结合,诱导产生大量,热休克蛋白,适应环境需要,44/70,二）、,Translational level control,1.,重合基因,对,Operon,内各基因以一定百分比协调翻译影响,：,Trp,操纵子五个基因在正常时，翻译效率是相等；,因为,E,和,D,基因有部分重合，能够确保,E,和,D,基因翻译量是相等。,P O I E D C B A,UGA,AUG,UGA,AUG,45/70,3.,Informasome,mRNA+,本身翻译产物,infomasome,储存信息,绵羊受精卵第四次卵裂前核基因不转录，,利用卵细胞质中储存,mRNA,完成细胞分裂,2.利用,稀有密码子,对操纵子中基因翻译进行调控,对蛋白质翻译速率调控,-,NNN-,codon usage,低,tRNA,少,，停工待料，翻译速率慢,46/70,4.,mRNA,寿命对翻译调整,原核生物中,mRNA,半衰期较短，普通为2-3分钟,（频繁更新，适应环境）,真核生物中不一样基因,mRNA,半衰期相差很大,降解速率显著不一样,47/70,三）、,Gene expression control,in post-translation level,1）、,蛋白质合成方式,-游离核糖体,In Euk.,-,核糖体附着在粗糙内质网,(,rough 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：,48/70,2.,protein degradation,1）、protein degradation,调控是生理代谢需要,各类蛋白半衰期几乎恒定,e.g.in liver cell of mouse,Ornithine decarboxylase 0.2 hr,RNApol A 0.33 hr,Trp oxygenase 2.5 hrs,Ser dehydrogenase 4.0 hrs,RNA polB 12 hrs,结构蛋白，储备蛋白,半衰期长，结构稳定,催化酶类，代谢酶类,半衰期短，不停更新,（鸟苷酸脱羧酶）,加氧酶,脱氢酶,49/70,2),蛋白质降解机制,本身,结构,，,电荷情况,泛素标签，降解标志（,Ubiquitination）,-,Ubiquitin 8.5kd,76aa,acidic protein,；,-其功效是,检测、识别,抵达寿命蛋白；,-,进化高度保守,yeast-3 aa different-human,-,E1,E2,E3 enzyme be needed for ubiquitination,知之甚少，只知与蛋白质以下情况相关：,泛素特点：,50/70,O,Ubi.LysCOH,E1-SH+ATP,E2SH,O,Ubi.LysCSE1,O,Ubi.Lys.CS-E2,AMP+ppi,E1SH,Ubiquitination,51/70,O,Ubi.Lys.CS-E2,targeting protein,(,E3,对靶蛋白,N-end aa,识别),Degradation,Ubi.Lys.,targeting protein,E2S,蛋白酶体,52/70,被,E3,识别,N-end aa marker of targeting protein,Met,Gly,Ala,Ser,Thr,Val,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-end aa of targeting protein halflife,-,N,端氨基酸种类对蛋白质寿命决定性，从原核到真核生物,高度一致,；,N,末端氨基酸种类决定了细胞中蛋白质寿命：,原因：,该氨基酸决定了被,E3,识读结合,难易程度；,53/70,3.,Polypeptides folding,中心法则留下又一“发展领域”,polypeptides,?,DNA,RNA,protein,(怎样完成修饰，折叠，去折叠，组装),54/70,1）、insulin,How to process&fold?,30,aa,21,aa,55/70,SH,SH,SH,SH,C C C C COO_,SH,SH,N C C,S.S.,Pre-pro-insulin,S,S,S,S,C C C C COO_,S,S,C C,S-S,Pro-insulin,N,S,S,S,S,C C C C COO_,C C,S S,S-S,insulin,N,信号序列,56/70,三、真核生物基因表示调控特殊类型,（一）,gene copies,改变,a),基因丢失（,DNA fragment or chromosome lose）,在,细胞分化,过程中，能够经过丢失掉一些基因而去,除这些基因活性,。一些原生动物、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞经常丢失掉,整条,或,部分染色体,，只有未来分化产生,生殖细胞,那些细胞一直保留着,整套染色体,。,当前，在,高等真核生物,（包含动物、植物）中还未发觉类似基因丢失现象。,57/70,b),基因扩增,(特定基因在特定阶段选择性扩增),基因扩增是指一些基因拷贝数专一性增大现象，它使得细胞在,短期内产生大量基因产物,以满足生长发育需要，是基因活性调控一个方式。,如,非洲爪蟾,体细胞中,rDNA,基因扩增是因发育需要而出现基因扩增现象。,58/70,（二）、,转录区染色质结构对基因表示控制,按功效状态不一样可将染色质分为,常染色质,和,异染色质,；,常染色质,是指含有转录活性染色质；,异染色质,是指没有转录活性染色质。,常染色质,往往含有,疏松,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,。,59/70,常染色质在结构上特点：,常染色质上含有,DNaseI,超敏感位点,；,常性染色质上含有,基因座控制区,；,常性染色质上含有,核基质结合区,（,MAR,序列）。,60/70,1、,DNaseI,超敏感位点,：每个活跃表示基因都有一个或几个超敏感位点，大部分位于基因开启子区域。,2、,核基质结合区,（,matrix attachment region,，,MAR,）,：,与细胞核骨架结合,DNA,序列称为,MAR。MAR,普通位于,DNA,活性转录基因两端。,在外源基因两端接上,MAR,，可增加基因表示水平倍以,10,上，说明,MAR,在基因表示调控中有作用。是一个,新基因调控元件。,61/70,（三）,m,5,C,对基因表示调控,a)m,5,C,是真核生物,DNA,中主要修饰成份,多发生在,CG,，,CXG,GATC,序列中,不一样细胞间,m,5,C,相差甚大,62/70,b)m,5,C,对基因转录,抑制,m,5,C in major groove,（大沟）,影响,DNA,与转录因子间,氢键,形成,m,5,C in major groove,造成,空间拥挤,破坏,DNA,构象,使,B-DNA,Z-DNA,T.F.,结合空间改变,63/70,基因重排：,将一个基因从远离开启子地方,移到,距它很近位点从而,开启转录,，这种方式被称为基因重排。,经过基因重排调整基因活性经典例子是,免疫球蛋白结构基因,表示。,（四）、基因重排：,64/70,（五,）.mRNA,非翻译区,对翻译水平调控,1、5-Untranslation region,5-UTR,：,Cap,含有,增译作用；,Cap+,poly(A),含有增译,协同效应,；,A）、m,7,GpppN(,Cap,),65/70,B）、AUG flanked seq.effect,5,L.S,存在,AUG,对第一个,AUG,密码起译产生,负控效应：,5-,AUG-AUG-NNN-,L.S,错误起译,改变读框,降低速率,66/70,C）、AUG flanked consensus seq(-3A,+4G),699种脊椎动物，植物，酵母和原生动物,D）、5UTR,二级结构,影响,Hairpin(Stem-loop),顺式阻遏40,s subunit of ribosome,迁移,-,A,-3,NNAUGG,+4,-,含有促译性，普遍性,67/70,2、,3 UTR,调整,对生长因子，,癌基因,蛋白,mRNA,分析,A）、,在3,UTR,存在富含,UA,8,Nt,保守重复区,(,UUAUUUAU,相间排列),表现翻译抑制效应,UUAUUUAU,重复拷贝数,与对转录,抑制效应成正比,68/70,Poly(A),长度,与增译作用成,正相关,PABP,保护,Poly(A)tailer,Poly(A)+PABP,促进,80,s,核糖体起始复合体形成,B）、,poly(A)tailer,稳定,mRNA,增译作用,69/70,70/70,