第七章-基因的表达与调控.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,*,原核生物及单细胞生物暴露在变幻莫测的环境中，只能根据环境的变化来调整代谢，适应环境的变化才能维持自身的生存与繁衍,结构基因和调节基因,结构基因,是一类,编码蛋白质,或,功能,RNA,的基因,调节基因,是,可转录翻译而产生,调节物,（调节蛋白或,RNA),，该调节物与,DNA,的,特定位点,结合控制转录,7.2 乳糖操纵子与负控诱导系统,乳糖操纵子的结构,Z编码-半乳糖苷酶,：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能将乳糖转变为异乳糖,Y编码-半乳糖苷透过酶,：使外界的-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上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,7.2.1酶的诱导-lac体系受调控的证据,7.2.2 操纵子模型及其影响因子,调节基因,操纵基因,乳糖操纵子(,lac,operon)的调控方式,葡萄糖效应：,是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象。,降解物对基因活性的调节,细胞内cAMP与CRP/CAP（环腺苷酸受体蛋白/代谢物激活蛋白，由,rp,基因编码）形成的复合物是启动lac转录的必要条件。,葡萄糖的存在降低了细胞内cAMP的含量,，,The,Lac,Operon:,When Glucose Is Present But Not Lactose,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,RNA,Pol.,Repressor,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,Come on,let me through,No way,Jose!,CAP,The,Lac,Operon:,When Glucose And Lactose Are Present,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,CAP,Lac,Repressor,Repressor,X,RNA,Pol.,RNA,Pol.,Great,I can,transcribe!,Some transcription occurs,but at a slow rate,This lactose has,bent me,out of shape,The,Lac,Operon:,When Lactose Is Present But Not Glucose,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,CAP,cAMP,Lac,Repressor,Repressor,X,This lactose has,bent me,out of shape,CAP,cAMP,CAP,cAMP,Bind to me,Polymerase,RNA,Pol.,RNA,Pol.,Yipee!,The,Lac,Operon:,When Neither Lactose Nor Glucose Is Present,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,CAP,cAMP,CAP,cAMP,CAP,cAMP,Bind to me,Polymerase,RNA,Pol.,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,Repressor,STOP,Right there,Polymerase,Alright,Im off to,the races.,Come on,let,me through!,安慰诱导物,：,如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基-D-硫代半乳糖苷）,色氨酸操纵子,色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，trp操纵子的结构基因表达，色氨酸或与其代谢有关的某种物质在,阻遏过程,（而不是,诱导过程,）中起作用。,色氨酸操纵子参与,生物合成,而不是,降解,，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。,色氨酸操纵子结构,色氨酸的合成分5步完成。每个环节需要一种酶，编码这5种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子mRNA上。,5个基因分别以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，编码了与色氨酸合成有关的五种酶,。,一 色氨酸操纵子的阻遏系统,trp操纵子中产生阻遏物的基因是trpR，该基因距trp基因簇很远,TrpR基因产物称,为辅阻遏蛋白,此蛋白平常不与操纵区相结合,当培养基中,有色氨酸,时，辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有,活性的阻遏物,，与操纵区结合并关闭trp mRNA转录。,阻遏-操纵机制对色氨酸来说是一个,第一水平的调控,，调节转录,是否启动,，相当于,粗调,开关。,trp操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有,另一个系统,进行细调控，指示已经,启动的转录是否继续下去,。,并通过转录达到,第一个结构基因之前的终止转录,来实现细调控。,二 色氨酸操纵子的弱化系统,外源色氨酸浓度很低的信号虽然可以引起trp操纵子的去阻遏作用，但是这个信号还不足以很快引发内源色氨酸的合成，因为,阻遏蛋白,从,无活性向有活性,的转变速度较慢。,在这种环境下，弱化子就通过,抗终止,的方法来,增加trp基因表达,，从而提高内源色氨酸浓度。,弱化子系统主要是对外源色氨酸浓度做出反应,弱化子与前导肽,一 弱化子,在trp mRNA 5端trpE基因的,起始密码前,有一个长162bp的mRNA片段被称为,前导区,。,前导区（,L,区）编码的多肽称为前导肽。,二、前导肽,分析前导肽序列，发现它包括,起始密码子,AUG和,终止密码子,UGA，编码了一个,14个氨基酸,的多肽。,该多肽有一个特征，,其第10位和11位有相邻的两个色氨酸密码子,。正是这两个相连的色氨酸密码子（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控了蛋白质的合成。,The,Trp,Operon:,When Tryptophan Is Present,STOP,Right there,Polymerase,Trp,Trp,Repressor,Repressor,Repressor,Promo.,trpD,trpB,Lead.,Operator,trpA,trpC,trpE,Aten.,RNA,Pol.,Foiled,Again!,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,Met-Lys-Ala-Ile-Phe-Val-,AAGUUCACGUAAAAAGGGUAUCGACA-AUG-AAA-GCA-AUU-UUC-GUA-,Leu-Lys-Gly-,Trp-Trp,-Arg-Thr-Ser-STOP,CUG-AAA-GGU-,UGG-UGG,-CGC-ACU-UCC,-UGA-AAC,GGGCAGUGUAUU,CACCA,UGCGUAAAGCAAUCAG,AUACCCAGCCCGCC,UAAU,GAGCGGGCUU,UU,Met-Gln-Thr-Gln-Lys-Pro,UUUU,-GAACAAAAUUAGAGAAUAACA-AUG-CAA-ACA-CAA-AAA-CCG,trpE,.,Terminator,The Trp Leader and Attenuator,4,1,2,3,The mRNA Sequence Can Fold In Two Ways,4,1,2,3,Terminator,haripin,4,1,2,3,3,5,5,3,The Attenuator When Starved For Tryptophan,4,1,2,3,RNA,Pol.,Ribosome,Help,I need,Tryptophan,色氨酸缺乏的情况下，核糖体滞留在前导肽的两个色氨酸密码子处，这使得序列2与序列3形成发夹结构（抗终止子),3,5,5,3,The Attenuator When Tryptophan Is Present,4,1,2,3,RNA,Pol.,Ribosome,RNA,Pol.,色氨酸含量很高的情况下，核糖体迅速通过前导肽，进入前导RNA2区，弱化子的发夹结构就能形成，转录被终止,三 转录后水平的调控,基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式。,转录生成mRNA以后，在翻译或翻译后水平进行微调，是对转录调控的补充。,1 RNA 干扰的影响,它是指,外源性,与,内源性,双链,RNA触发编码区同源mRNA 特异性的降解，而导致基因表达沉默的现象，这种现象发生在转录后水平，又称为转录后基因沉默(post-transcriptionalgenesilencing，PTGS)。,RNA干扰(RNAinterference，RNAi)是正常生物体内抑制特定基因表达的一种现象,1.长度约在22nt左右，结构上，siRNA是双链RNA,2.依赖Dicer酶-RNAase 家族中对双链RNA具有特异性的酶）加工,3.siRNA合成是由双链的RNA或RNA前体形成的,能够非常,特异地,降解与之序列相应的单个内源基因的mRNA。,相对少量,的dsRNA就可以使相应的基因表达受抑制。,RNAi基因表达的效应可以突破细胞的界限，可,传递,给子一代。,第一种是设计可自然形成发夹的RNA（22nt）,第二种是将两个启动子串联在一起或置于两个分开的载体中以引导19nt的siRNA正义和反义链转录，在体内连接成双链siRNA,质粒载体表达合成siRNA的方法,肿瘤是,多个基因相互作用,的基因网络调控异常的结果，传统技术诱发的单个癌基因的阻断不可能完全抑制或逆转肿瘤的生长，而,RNAi,可以利用同一基因家族的多个基因具有一段同源性很高的保守序列这一特性，设计针并导入一种,dsRNA,既可以,产生多个基因同时沉默,。,由于,RNAi,可以特异性抑制特定的基因，获得功能丧失，因此可用于,功能基因组,的研究（类似,Gene knock out),RNAi,具有对抗侵入性遗传因子（如病毒、转座子、转基因）的作用、打破其复制循环、减弱或消除其基因毒性作用。由于,RNAi,也存在于哺乳动物细胞中，,RNAi,或许可被利用来治疗,病毒性,疾病。,RNAi生物技术的应用,反义RNA,是指与mRNA互补的RNA分子，由于核糖体,不能,翻译,双链的RNA,，所以反义RNA与mRNA特异性的互补结合,即抑制了该mRNA的翻译。,通过反义RNA控制mRNA的翻译是原核生物基因表达调控的一种方式,2 RNA的编辑,RNA编辑是指 转录后的mRNA分子中，在编辑区出现碱基的插入、删除或转换，不同于它的DNA模板相应顺序的任何过程,翻译,起始,的调控,翻译,延伸,的调控,翻译,终止,的调控,四 翻译水平调控,重叠基因对翻译的影响,Trp操纵子由5个基因（trpE、D、C、B、A）组成，在正常情况下，操纵子中5个基因产物是,等量的,;,但,trpE,突变后，其邻近的,trpD,产量比下游的trpBA产量要低得多。这种表达调控，已被证实是在翻译水平上的调控。,重叠基因,指两个或两个以上的结构基因共同一段DNA顺序的现象利用碱基的重叠来编码更多的信息,UGAUG,翻译,起始,的调控,翻译水平的自体调控,核糖体结合位点的结合强度取决于,SD序列的结构,以及其与,起始密码子AUG之间的距离,。,mRNA的二级结构也是,翻译起始调控的重要因素,参与基因表达装置的蛋白质的合成的自体调控,包括核糖体蛋白质、蛋白质合成因子和RNA聚合酶亚基等,翻译延伸的调控,稀有密码子,是在一般的编码中利用频率很低的密码子,1 稀有密码子的调控,稀有密码子的调控在原核生物中，有时同一个操纵子中的基因其功能并不相关，那么它们的产量就不可能要求一致，但又同在一个操纵子中，如何来进行调节呢？,密码子,在25种非调控蛋白中,在引物酶中,在sigma因子,AUU,AUC,AUA,37,62,1,36,32,32,26,74,0,异亮氨酸IIe的密码子在蛋白中的利用频率,高频率使用稀有密码子,的基因翻译过程极容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,2 二级结构对翻译的调控,弱化作用是原核生物利用 RNA 的二级结构来调控,转录,利用相似的机制还可以对,翻译,进行调控,红霉素,由质粒介导的对林可霉素和红霉素的耐药性，系细菌核蛋白体亚基的腺嘌呤甲基化，使药物不能与细菌核糖体结合所致,无红霉素,存在时，核糖体顺利地翻译了前导肽，并从 mRNA 上释放下来，使得 1 一 2,3 一 4 相互配对，形成了二级结构,抗红霉素基因的 mRNA 前导序列中有 4 段 RNA 序列，,就像弱化子一样，可以相互配对形成二级结构,红霉素存在时,，它能与核糖体大亚基的 23SrRNA 结合，因此核糖体停留在 mRNA 的 1 区，使 2 区和 3 区得以相互配对形成发夹结构，这样甲基化酶的 SD 顺序就游离出来，可以和第二个核糖体结合，翻译出甲基化酶,翻译终止调控,严紧控制,mRNA 的寿命对翻译的调节,严紧反应,细菌生长在贫瘠的条件下（如氨基酸不足），它们立即大范围地将基因活性关闭，表现为；RNA 和 tRNA 合成减少 80 一 90%，蛋白质合成减少而降解速度增大，许多代谢发生调整。这种受控于氨基酸饥饿产生一系列的反应称为,严紧反应,细胞内必有一个触发严紧反应的触发器，后来的研究表明触发器就是位于核糖体 A 位上的,无负载的 tRNA,无负载 tRNA 进到人口处它的存在使肤酞一 tRNA 和氨酞一 tRNA 之间无法形成肚键，而 GTP 却照常水解，这就是所谓的,空转反应,。空转反应的结果出现了,鸟苷四磷酸 ppGPP,和鸟苷五磷酸 PPpGPP 即的积累,ppGpp 的功能,抑制 16srRNA 聚合酶的活性，由于 ppGpp 结合于 RNA 聚合酶分子上引起构象改变，因此能抑制 rRNA 的合成；,具有抑制转录启动和延长的功能，PPGpp 能结合到转录起始保守序列仪犯 CNCC(N 代表四种核昔酸中的任意一种）上，对转录起始起抑制作用。,ppGpp 还能使 RNA 聚合酶中途停顿导致转录速度缓慢,2 mRNA 的寿命对翻译的调节,降解 mRNA 的酶主要是 3 外切核酸酶,mRNA 在分子末端的二级结构可能阻止了 3 外切酶的进攻,终止子结构的意义不仅在于转录的终止，而且决定了 mRNA 的寿命,第二节,真核基因表达调控模式,DNA和染色体水平调控；,转录水平调控；,转录后水平的调控作用,翻译水平的主要模式；,真核生物基因调控的特点：,1 真核基因表达受到更多层次的调控由于真核基因的,转录与翻译,在时空上是分开进行的，而且真核基因是,断裂基因,2 顺式作用元件,与,反式作用因子,的转录调节模式,转录起始的调节是真核基因表达调控的关键环节，这一过程主要通过顺式作用元件与反式作用因子 的相互作用而实现,3 正调控占主导真核细胞中虽然也像原核细胞一样有,正调控,和,负调控,成分，但目前已知的主要是,正调控,。,4 细胞特异性或组织特异性表达。某些基因仅特异地在某种细胞中表达，称为细胞特异性或组织特异性表达,基因的丢失,其特点为不可逆性。在细胞分化过程中，通过丢掉某些基因而去除其活性。此现象常在某些低等原生动物，如线虫和昆虫中发现。,在一些肿瘤的发生中，因为一些正常基因片断的丢失，导致原癌基因的异常活化，引发恶性细胞过度增生。,DNA和染色体水平调控,非洲爪蟾的染色体上有约450拷贝编码18Sr RNA和28S rRNA的DNA，在卵母细胞中它们的拷贝数扩大了4000倍.,基因扩增,基因扩增是指某些基因的拷贝数,专一性大量增加,的现象，它使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。,基因重排,将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。,通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因抗体有100万种以上，一种淋巴细胞只产生一种抗体,在细胞分裂间期的细胞核中，染色质的形态不均匀。根据其形态及染色特点可分为常染色质和异染色质两种类型。,常染色质,：折叠疏松、凝缩程度低，处于伸展状态，碱性染料染色时着色浅,异染色质,：折叠压缩程度高，处于凝集状态，经碱性染料染色着色深。,真核基因的,活跃,转录是,在常染色质,上进行,染色质水平调控,果蝇基因转录时常染色质与异染色质示意图,在某些特定的细胞中，或在一定的发育时期和生理条件下凝聚，由异染色质变成常染色质，这本身也是真核生物的一种表达调控的途经,异染色质化致使连锁在一起的大量基因同时丧失转录活性，从而起到遗传平衡的作用,DNase超敏感位点,和基因表达,活跃表达的基因所在染色质上包含一个或数个DNase超敏感位点，常出现在转录基因的5端启动区，多在调控蛋白结合位点的附近，该处易被核酸酶降解，使DNA裸露，启动基因表达,DNA甲基化与基因活性的调控,DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，可能存在于所有高等生物中。,DNA甲基化,能,关闭,某些基因的活性，而,去甲基化,则诱导了基因的重新,活化,与表达。,DNA甲基化会导致某些区域DNA构象变化，影响DNA的稳定性和蛋白质与DNA的相互作用，进而控制基因的表达。,真核基因转录水平的调控是通过,特定反式作用因子,和,特定顺式作用元件的相互作用,实现的。反式作用因子要发挥功能也必需有一个,自身活化,的过程，这样它才能特异性的结合特定DNA序列，发挥转录调控作用。,真核生物的转录调控是整个基因表达调控的关键点之一,转录水平的调控,顺式作用元件的调控,1、分类,按照,功能,分为启动子、增强子/强化子、沉默子,按照,调控水平,分为,基础转录水平,的顺式调控元件，如启动子；,特异诱导高效表达,的顺式调控元件，如增强子/强化子,反式作用因子中的两个功能结构域,（1）,DNA结合域(DNA-binding domain),反式作用因子结构中用来同顺式作用元件结合的结构区域，主要起结合DNA作用。,（2）,转录激活结构域(transcriptional activation domain）,反式作用因子结构中用来同其他蛋白因子结合，参与募集启动子结合蛋白和转录起始复合体，控制基因转录活化的结构区域。,反式式作用元件的调控,转录因子的,DNA结合域,和,转录激活结构域,是独立发挥作用的，DNA结合域的功能只是把,转录激活结构域,“拴在”起始复合体附近，使之能够发挥活化转录的作用。,转录因子结构域组成图,反式作用因子中的DNA识别结构域,螺旋-转角-螺旋,（Helix-turn-helix，H-T-H）,锌指,（Zinc finger）结构,碱性-亮氨酸拉链,（basic Leucine zippers）,碱性-螺旋-环-螺旋,（basic-helix-loop-helix）,螺旋-转角-螺旋(H-T-H)结构,该结构域主要包含两个或以上,-螺旋区,和螺旋区中间的,转折区,，主要通过一个靠C端的-螺旋与DNA双螺旋大沟结合。,锌指（Zinc finger）结构,经典的锌指结构包括二个半胱氨酸(Cys)及二个组氨酸(His)族，其保守,重复序列,为,Cys-X,2-4,-Cys-X,3,-Phe-X,5,-Leu-X,2,-His-X,3,-His,。其中的Cys和His残基与锌离子(Zn+)形成的配位键，使氨基酸折叠成环，形成类似手指的构型。此结构被称为,Cys2/His2锌指,。,碱性-亮氨酸拉链（basic-Leucine zippers）,结构特点为蛋白形成的,-螺旋结构上每,6个氨基酸,就有一个亮氨酸残基,，这些,亮氨酸出现在,-螺旋的一个方向,，每,两个蛋白,组成一个,二聚体，,使亮氨酸相对排列，形成拉链样结构，在拉链区的氨基端有个约30个残基的,碱性区,(富含赖氨酸和精氨酸)。此区的作用是与DNA结合，它也形成-螺旋。,亮氨酸拉链结构示意图,碱性-螺旋-环-螺旋（basic-helix-loop-helix）,蛋白质的C端的氨基酸残基形成,两个-螺旋,，中间被非螺旋的,环状结构,隔开，蛋白质的N端是碱性区，为DNA结合区。碱性-螺旋-环-螺旋类蛋白通常也是组成,二聚体,的形式，这才具有结合DNA的能力。,肌细胞定向分化调控因子MyoD-1、原癌基因产物Myc及免疫球蛋白链基因增强子蛋白E12都具有这种,bHLH,结构，,而还有一些蛋白因子（如ID等）具有HLH样结构，无碱性区，就不能结合DNA,。,二聚体bHLH蛋白与DNA结合模式图,激素及其影响,激素的种类很多，按其结构特点大致分为类固醇激素和一般代谢性激素。由于结构上的差别，这两类激素发挥转录调控的方式各有特点。,常见类固醇激素：糖皮质激素、雌激素,常见代谢性激素：胰岛素、胰高血糖素,1、类固醇激素对转录的调节,亲脂性小分子，相对分子较小，可以通过简单扩散直接跨越质膜进入细胞内。,每种类固醇激素可与靶细胞胞质内各自的受体蛋白结合，形成,激素,-,受体,复合物,激素-受体复合物能穿过核孔进入胞核内，结合于特异的DNA序列（,顺式作用元件,）调节基因表达,激素、受体与顺式作用元件的结合位点,三者缺一不可,，通常情况下，,受体蛋白中激素结合结构域妨碍了DNA结合区及转录调控区,发挥生理功能，只有与相应激素结合后才能打破这种障碍,2、一般代谢性激素的调控方式,代谢性激素一般是水溶性的多肽分子，它们是不能直接穿过靶细胞膜的，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，通常在包膜上存在特异性的受体。,代谢性激素与相应受体结合，激活受体，通过受体偶联的G蛋白途径或酪氨酸蛋白激酶途径等，进一步活化胞内相应转录因子，发挥基因表达调控的作用,例：胰高血糖素 P279,胰岛素,协同作用,一种激活蛋白往往调控着功能相关的一组基因的转录,他们认为在个体发育中，许多基因可以被协同调控，且重复序列在调控中具有重要作用,在真核生物基因表达的调控中，,DNA水平和转录水平上的调控,占有十分重要的地位，但其他水平上的调控也不能忽视。,包括：转录后水平、翻译水平的调控以及翻译后多肽链的加工等,真核生物基因转录后水平调控,RNA,的剪接对基因表达的影响,组成型剪接 可变剪接,RNA,的编辑对基因表达的影响,RNA,编辑是在,RNA,分子上的一种修饰行为，主要指转录后的,mRNA,中单个核昔酸被删除、替换或插人，利用这些方式来改变,mRNA,的编码序列，从而产生不同的蛋白质,mRNA,从核内运输到细胞质的调控在合成的,RNA,总量中,大概只有一半的,RNA,被运送出细胞核到细胞质中，其中在细胞核内被完全降解就有,50,左右。剩下的,RNA,能否被运输出细胞核还要取决于其序列,翻译水平的调控,mRNA的稳定性,翻译起始的调控,蛋白质合成的自体调控,