确保基因的精确表达——调控.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,多细胞生物每个细胞具有相同的基因，为什么表现出不同的形态结构和功能？,如何研究基因表达调控？,问题讨论,目 录,1285,16.1,基因表达调控概述,*基因,(,gene,),遗传的物质基础，是,DNA,（脱氧核糖核酸）分子上具有遗传信息的特定核苷酸序列的总称。,*基因组,(genome),一个生命个体（细胞或病毒）所携带的全部遗传信息被称为基因组。,目 录,1286,16.1,基因表达调控概述,*基因表达,(gene expression),生物基因组所携带的遗传基因经转录生成某些,RNA,分子（如,rRNA,或,tRNA,），或经转录与翻译合成特定蛋白质的过程。,通常基因表达特指结构基因经转录与翻译生成蛋白质的过程。,目 录,1287,多细胞真核生物同一基因产物在不同组织器官中的含量也是不一样的，即在发育、分化的特定时期内同一基因产物在不同组织细胞内并非平均分布，而是按一定空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性（,spatial specificity,）。,基因表达的空间特异性又称组织特异性（,tissue specificity,）或细胞特异性（,cell specificity,）。,16.1.1.2,空间特异性,16.1.1,基因表达的特异性,目 录,1290,16.1.2,基因表达的方式,16.1.2.1,组成性表达,某些基因在生物体内几乎所有的细胞中持续表达，这种基因被称之为持家基因或管家基因（,house-keeping gene,）。,这类基因的表达称为基本表达或组成性表达（,constitutive gene expression,）。,组成性表达一般只与基因的启动子的活性有关，而不受细胞内其他机制的调节。,目 录,1291,16.1.2,基因表达的方式,16.1.2.2,诱导,在特定环境信号刺激下，相应的基因表达被激活，基因的表达产物明显增加，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之为诱导（,induced,）。,目 录,1292,16.1.2,基因表达的方式,16.1.2.3,阻遏,在特定环境信号刺激下，相应的基因表达被抑制，即该基因由表达变为不表达，这一过程称为基因的阻遏（,repressed,）。,这类可被抑制表达的基因通常称为可阻遏基因。,目 录,1293,诱导,和,阻遏,是生物调控自身基因表达的两种方式，在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的最基本机制。,16.1.2,基因表达的方式,目 录,1294,16.1.2,基因表达的方式,16.1.2.4,协调表达,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。,目 录,1295,16.1.3,基因表达调控的生物学意义,*,适应环境、维持细胞生长和增殖。,*,维持细胞分化和个体生长发育。,目 录,1296,16.2,原核生物,基因表达调控,原核生物细胞中含有全套遗传信息，但并非所有基因同时表达。原核生物（如细菌）可以根据外界环境因素变化调整本身的基因表达，使其生长和繁殖处于最佳状态。,本节以大肠杆菌为例介绍原核生物基因表达调控的方式和特点。,目 录,1297,16.2.1,原核基因表达调控的特点,*,因子决定,RNA,聚合酶识别特异性。,*,操纵子的普遍性。,*,阻遏机制的普遍性。,*,转录和翻译同时进行。,目 录,1298,16.2.1,原核基因表达调控的特点,操纵子的一般结构,目 录,1299,16.2.2,原核生物转录水平的调控,16.2.2.1,RNA,聚合酶对转录起始的调控,原核生物,RNA,聚合酶的,因子，决定了,RNA,聚合酶识别启动序列的特异性。,这是原核生物基因转录起始调控的基本方式，在原核生物细胞内普遍存在。,目 录,1300,16.2.2.1,RNA,聚合酶对转录起始调控,目 录,1301,16.2.2,原核生物转录水平的调控,16.2.2.2,乳糖操纵子,（,lac operon,）,lac,操纵子负责调控乳糖代谢酶系的基因表达，由结构基因和调控元件两部分组成。,lac,操纵子的表达存在负调控和正调控两种模式。,目 录,1302,16.2.2.2,乳糖操纵子,lacI,P,lac,lacO,lacZ,lacY,lacA,CAP,结合区,乳糖操纵子的结构,调控区,结构基因,目 录,1303,16.2.2.2,乳糖操纵子,乳糖操纵子的负调控,目 录,1304,乳糖操纵子的正调控,16.2.2.2,乳糖操纵子,目 录,1305,乳糖操纵子的协调调节,CAP,介导的正调控与阻遏蛋白介导的负调控，两种机制是相辅相成、互相协调的关系。,当阻遏蛋白封闭,lacO,序列时，,CAP,介导的正调控对,lac,操纵子系统是不发挥作用的。但是，当阻遏蛋白与,lacO,序列解聚时，,lac,操纵子依然转录活性很低，此时必须有,CAP,介导的正调控作用，才能有效转录。,16.2.2.2,乳糖操纵子,目 录,1306,16.2.2,原核生物转录水平的调控,16.2.2.3,阿拉伯糖操纵子,（,ara,operon,）,ara,操纵子负责调控阿拉伯糖代谢酶系的基因表达，也是由结构基因和调控元件两部分组成。,目 录,1307,16.2.2.3,阿拉伯糖操纵子,阿拉伯糖操纵子的结构,调控区,结构基因,目 录,1308,存在两个操纵序列,araO1,和,araO2,，其中,araO1,调控,araC,基因的转录，,araO2,控制结构基因,araB,、,araA,和,araD,的转录。,也具有,CAP,结合位点，受到,CAP-,cAMP,复合物的调控。,araC,蛋白与,lac,操纵子的阻遏蛋白不同，具有正调控和负调控双重作用。,16.2.2.3,阿拉伯糖操纵子,阿拉伯糖操纵子的特点,目 录,1309,阿拉伯糖操纵子的调控作用,16.2.2.3,阿拉伯糖操纵子,目 录,1310,16.2.2.3,阿拉伯糖操纵子,目 录,，,1311,araC,合成的自主调控,16.2.2.3,阿拉伯糖操纵子,目 录,1312,16.2.2,原核生物转录水平的调控,16.2.2.4,色氨酸操纵子（,trp operon,）,trp,操纵子在结构上与,lac,操纵子和,ara,操纵子类似，但是与,lac,操纵子和,ara,操纵子调控,分解酶系,表达不同，,trp,操纵子的功能与,合成酶系,的表达相关，因此它们在调控机制上具有根本性的区别。,目 录,1313,16.2.2.4,色氨酸操纵子,色氨酸操纵子的阻遏调控,目 录,1314,色氨酸操纵子的阻遏调控,16.2.2.4,色氨酸操纵子,目 录,1315,色氨酸操纵子的衰减调控,16.2.2.4,色氨酸操纵子,目 录,1316,色氨酸操纵子的衰减调控,16.2.2.4,色氨酸操纵子,目 录,1317,16.2.3,原核生物翻译水平的调控,16.2.3.1,mRNA,二级结构的作用,在原核生物中，,mRNA,二级结构的转换可以控制蛋白质翻译的起始。,如在大肠杆菌中，,32,与热应激系统表达有关，通常情况下编码,32,的,mRNA,会发生折叠将其起始密码子隐藏在二级结构中，此时,mRNA,不被识别，温度升高引起,mRNA,二级结构变性，暴露出起始密码子，,mRNA,被翻译，使,32,被迅速合成。,目 录,1318,16.2.3,原核生物翻译水平的调控,16.2.3.2,反义,RNA,的调节,反义,RNA,指与所调控,RNA,序列互补的,RNA,片段。,反义,RNA,是独立合成的,RNA,片段，它们可以通过碱基间的氢键作用与所调控,RNA,序列互补形成双链复合物，影响所调控,RNA,的正常修饰和翻译等过程，从而发挥基因表达调控作用。,目 录,1319,16.3,真核生物,基因表达调控,真核生物细胞所携带的基因数量及其蕴藏的遗传信息量远远高于原核生物。尤其是高等真核生物，由于有复杂的多阶段发育过程，其基因表达调控要比原核生物复杂得多。,目 录,1320,16.3,真核生物,基因表达调控,真核生物基因表达调控，根据其性质可分为两大类：,第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核生物细胞对环境变化所做出的反应，包括对某些底物或激素水平的控制，以及在细胞周期不同阶段对酶活性和浓度调节；,第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核生物基因调控的精髓部分，它决定了真核生物生长、分化和发育的全部进程。,目 录,1321,16.3.1,真核基因组结构的复杂性,*,单顺反子组织形式。,*,真核基因编码序列的不连续性。,*,真核基因组存在众多重复序列。,目 录,1322,16.3.2,真核基因表达调控的特点,*,真核基因表达调控环节很多。,*,真核基因的转录与染色质的结构变化相关。,*,真核生物基因表达以正性调控为主。,目 录,1323,16.3.3,真核生物转录前水平的调控,真核生物的基因组不仅数量庞大，还会形成高度复杂的染色质结构，本节从,基因扩增,、,基因重排,和,染色质结构,三个方面阐述真核生物基因表达转录前水平的调控机制。,目 录,1324,16.3.3,真核生物转录前水平的调控,真核生物基因组中的一些基因在某些情况下会复制产生许多拷贝，即为基因扩增,(geneamplification),。,基因扩增作用无疑能够大幅度提高基因表达产物的数量，但是这种现象的具体机制还不清楚。,16.3.3.1,基因扩增,目 录,1325,16.3.3,真核生物转录前水平的调控,真核生物基因组在细胞分化发育过程中会发生基因重排，即胚源性基因组中某些基因片段会重新组合形成新的基因。,例子：哺乳动物免疫系统可以利用数百个可变区基因的片段，产生高达,10,亿种不同的抗体来应对各种免疫原。,16.3.3.2,基因重排,目 录,1326,16.3.3,真核生物转录前水平的调控,真核生物基因组,DNA,能够形成染色质结构，这种结构特征极大地增加了基因表达转录前调控的层次性和复杂性：,16.3.3.3,染色质结构对转录激活的控制,染色质结构变化对基因转录的调节；,核小体结构变化对基因转录的调节；,DNA,拓扑结构变化对基因转录的调节；,DNA,碱基修饰变化对基因转录的调节。,目 录,1327,16.3.4,真核生物转录水平的调控,真核生物基因表达调控的环节很多，每一个环节的调控均可能导致基因表达产物量或质的变化。但与原核生物一样，,转录水平,是真核生物基因表达调控的最重要环节。,目 录,1328,16.3.4,真核生物转录水平的调控,真核生物细胞中存在三种,RNA,聚合酶，分别负责不同类型,RNA,的转录。真核生物的,RNA,聚合酶不能单独识别并结合,DNA,序列，而是需要一整套转录因子的帮助。这些转录因子在转录开始前与启动子序列按顺序组装，再与,RNA,聚合酶形成转录起始复合物，然后启动基因转录。,16.3.4.1,RNA,聚合酶,目 录,1329,16.3.4,真核生物转录水平的调控,指,RNA,聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控元件，但真核生物的不同启动子间没有明显一致的序列。,分类：,类、,类、,类（,型,、,型,、,型,、,杂合型,）。,1.,启动子,(promoter),16.3.4.2,顺式作用元件,目 录,1330,16.3.4.2,顺式作用元件,2.,增强子,是一种能够提高转录效率的顺式作用元件。,增强子的长度通常为,100bp,200bp,，和启动子一样由若干部分构成，其基本核心部分一般为,8bp,12bp,，具有完整或部分反向重复序列。,目 录,1331,16.3.4.2,顺式作用元件,是一种能够阻遏转录的负性调控元件。,有时，同一,DNA,元件既表现增强子活性，又表现沉默子活性，这完全取决于与之结合的转录因子的性质。,3.,沉默子,目 录,1332,16.3.4,真核生物转录水平的调控,通常由,60,100,个氨基酸残基组成，大体可以归为以下,4,种类型。,1.DNA,结合域,16.3.4.3,反式作用因子,目 录,1333,锌指结构（,zinc finger,）,DNA结合域,目 录,1334,螺旋,-,转角,-,螺旋（,helix-turn-helix,，,HTH,）,DNA结合域,目 录,1335,亮氨酸拉链（,leucine zipper,）,DNA结合域,目 录,1336,碱性螺旋,-,环,-,螺旋,（,basic helix-loop-helix,，,bHLH,）,DNA结合域,目 录,1337,大多数转录活化结构域可以分成以下,3,种类型：,酸性,-,螺旋结构域；,富含谷氨酰胺结构域；,富含脯氨酸结构域。,2.,转录活化结构域,16.3.4.3,反式作用因子,目 录,1338,16.3.4,真核生物转录水平的调控,目前人们对反式作用因子的作用机制虽然还未完全阐明，但是已经掌握了反式作用因子的一般作用特点和规律,:,与顺式作用元件之间的作用不专一；,以二聚体或多聚体形式与顺式作用元件作用；,组合式调控。,16.3.4.4,反式作用因子的作用特点和规律,目 录,1339,16.3.4,真核生物转录水平的调控,反式作用因子结合位点通常与其所调控的基因相距较远，那么它们是如何调控目的基因的转录？目前提出的假说有以下,4,种。,16.3.4.5,反式作用因子的作用机制,目 录,1340,16.3.4.5,反式作用因子的作用机制,目 录,1341,16.3.5,真核生物转录后水平的调控,真核生物基因的转录和翻译是分区域进行的，因此,mRNA,的前体,hnRNA,需要从细胞核转入细胞质，并经历转录后加工才能作为合成蛋白质的模板。,真核生物对这一过程的调控涉及,mRNA,分子的修饰、剪接、编辑、定向转运等多个环节。,目 录,1342,除组蛋白外，真核生物的,mRNA,在转录后都要进行,末端修饰,。,5,端加帽（,capping,）,：在,5,端形成一个特殊结构，即,7-,甲基鸟苷三磷酸。,3,端加尾（,tailing,）,：在,3,端加上,50,150,个腺苷酸，即,poly A,尾。,。,16.3.5.1 mRNA,的末端修饰,16.3.5,真核生物转录后水平的调控,目 录,1343,真核生物,mRNA,前体分子需要经过剪接才能成为成熟的,mRNA,，在不同的剪接方式中，外显子可以保留也可以剪接除去，这就是,选择性剪接（,alternative splicing,）,。,选择性剪接是一种非常普遍的现象，可以使一个基因产生两种或两种以上的蛋白质，突破了传统意义上“,一个基因，一条肽链,”的概念。,16.3.5.2 mRNA,选择性剪接,16.3.5,真核生物转录后水平的调控,目 录,1344,mRNA,编辑（,RNA editing,）,指在,mRNA,分子上发生的核苷酸插入、删除或转换的现象，其独特之处在于它改变了,DNA,模板传递的遗传信息，能够产生多种新的蛋白质。,mRNA,编辑可以分为两种类型：,核苷酸插入或缺失；,核苷酸转换。,16.3.5.,3 mRNA,编辑的调控,16.3.5,真核生物转录后水平的调控,目 录,1345,真核细胞合成的大多数,mRNA,会停留在核内降解，只有,20%,的,mRNA,会进入细胞质。,不同的,mRNA,进入细胞质后的目的地也不相同，有些在内质网膜上指导肽链合成，有些则在细胞质内与游离核糖体结合参与翻译。,16.3.5.,4,mRNA,运输控制,16.3.5,真核生物转录后水平的调控,目 录,1346,16.3.6,真核生物翻译水平的调控,真核生物的蛋白质合成过程非常复杂，可以受到多种调节因子的作用，因此是基因表达调控的另一个重要环节。真核生物对蛋白质合成过程的调节主要表现为对翻译速度和,mRNA,半衰期的控制。,目 录,1347,16.3.6,真核生物翻译水平的调控,16.3.6.1 翻译起始因子磷酸化对蛋白质合成速率的影响,目 录,1348,16.3.6,真核生物翻译水平的调控,16.3.6.,2,mRNA 5,端前导序列对蛋白质翻译的影响,目 录,1349,16.3.6,真核生物翻译水平的调控,16.3.6.,3 mRNA,稳定性对翻译的影响,目 录,1350,16.3.7,真核生物翻译后水平的调控,蛋白质的翻译完成并不意味着基因表达调控的结束，一般刚从核糖体上分离的线性多肽链还没有活性，必须经过正确折叠、修饰以及转运才能发挥生物学功能。,因此，在蛋白质翻译后的加工过程中，也存在一系列的调控机制。,目 录,1351,信号肽（,signal peptide,）,是位于蛋白质氨基端的一段疏水性强的氨基酸序列，与蛋白质分子在细胞内的定位密切相关。,蛋白质前体合成后，需要在信号肽的帮助下运输到特定的细胞器或者分泌到细胞外。,当蛋白质前体抵达目的地后，信号肽被切除，生成有功能的成熟蛋白质分子。,16.3.7.1 信号肽在蛋白质翻译后的作用,16.3.7,真核生物翻译后水平的调控,目 录,1352,真核生物细胞中只有少数蛋白质在合成后可以不经修饰就直接发挥作用，大多数新生多肽链还需要进行氨基酸修饰才具有生物学功能，如乙酰化、甲基化、磷酸化、糖基化等。,同一蛋白质经过不同的修饰能够发挥完全不同的功能。,16.3.7.2 新生肽链中氨基酸的修饰,16.3.7,真核生物翻译后水平的调控,目 录,1353,蛋白质的生物学作用依赖其特定的空间构象，线性多肽链必须正确折叠形成一定的空间结构才具有功能。,少数蛋白质可以自发形成其天然构型，但是大多数蛋白质的折叠必须要有,分子伴侣（,molecular chaperone,）,的帮助才能完成。,16.3.7.3 新生肽链的正确折叠,16.3.7,真核生物翻译后水平的调控,目 录,1354,