基因表达调控1014.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,*,比较真核生物和原核生物基因表达与调控的异同点,DNA如何编码蛋白质？,DNA,编码蛋白质,6,5,GCAGTACATGTC,3,3,c g t g a t g t a c a g,5,5,GCAGUACAUGUC,3,N,Ala,Val,His,Val,C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,转录,RNA,DNA,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),碱 基:,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶,(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),10,5,GCAGTACATGTC,3,3,c g t g a t g t a c a g,5,5,GCAGUACAUGUC,3,N,Ala,Val,His,Val,C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,基因,表达（Gene Expression）,生物基因组中基因经过,转录和翻译,等一系列过程，合成特定的,蛋白质,的过程。,组成性表达,（,constitutive expression,）,诱导性表达与阻遏性表达,管家基因,(housekeeping gene),参与生命的全过程，在一个生物体的所有细胞中均持续表达的基因。,表达基本不受环境因素和其他因素的影响，这样的基因表达方式称为组成性表达。,在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或增强性的表达，称其为,诱导,（induction）,；另一些则表现出关闭性或抑制性的表达，称其为,阻遏,（repression）,。,基因表达的调控主要是针对易受环境影响的基因。,生物体通过特定的蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用来,控制基因是否表达,，或,调解表达产物的多少,以满足生物体的自身需求以及环境变化的过程。,基因,表达调控,（Gene Expression Regulation）,Protein,DNA,RNA,转录水平的调控：,以,DNA为模板,，以四种,NTP,为原料，以碱基互补配对规律，在,RNA聚合酶,催化下,合成mRNA的过程,.,转录,DNA transcription,转录单位,(Transcript unit),启动子,：,RNA聚合酶识别和结合的位点,编码区,：,编码蛋白质或RNA的核苷酸序列,终止子,：,RNA聚合酶解离位点,启动子、终止子,是调节基因转录的核苷酸序列,被称为基因转录的调控区,(Regulatory region),上游,下游,第一节,原核生物基因表达的,转录水平调控,Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level,原核生物基因组,一、转录水平调控的物质基础：特定的DNA和特定的蛋白质,（一）,顺式作用元件(cis-acting elements),：,能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的特定DNA序列称为顺式作用元件。,启动子,阻遏蛋白结合位点,正调控蛋白结合位点,大肠杆菌的启动子,-35 -10 +1 +20 +28,RNA聚合酶结合区,阻遏蛋白结合区,3个功能区：,起始部位,(initiation site),：,+1,区,结合部位,(binding site),：,-10,区,识别部位,(recognition site),：,-35,区,（一）顺式作用元件,（二）调控蛋白:具有结合DNA所需的结构特征,激活蛋白,对基因表达有激活作用的 蛋白质,阻遏蛋白,对基因表达有抑制作用的蛋白质,二、,转录水平的调控方式：,控制转录起始,（,一）RNA聚合酶的因子：决定转录起始,-35 -10 +1 +20 +28,RNA聚合酶结合区,阻遏蛋白结合区,（二）阻遏蛋白：对转录起负调控作用,阻遏(repression),：阻遏蛋白与DNA结合后，RNA聚合酶仍有可能与启动子结合，但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；,去阻遏(derepression),：特定的信号分子与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA 上脱落下来.,基因表达负调控：,阻遏蛋白,结合DNA，抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。可逆性,：,阻遏蛋白,都可以与,信号分子,结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与DNA结合，或者与DNA解离。可诱导型操纵子：,信号分子,使,阻遏蛋白,从DNA释放下来，解除对转录的抑制作用；可阻遏型操纵子：,信号分子,使,阻遏蛋白,结合DNA，抑制转录。,乳糖操纵子：可诱导型操纵子,乳糖操纵子：可诱导型操纵子,调控区,CAP结合位点,启动子,操纵序列,结构基因,z：,-,半乳糖苷酶,y：通透酶,a：乙酰基转移酶,z,y,a,O,P,DNA,I基因,阻遏基因,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,z,y,a,O,P,pol,没有乳糖存在时,乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭,存在多种碳源时，,E.coli,优先利用葡萄糖。,当环境中的葡萄糖缺乏时，开始利用其他糖如乳糖。,mRNA,阻遏蛋白,有乳糖存在时,I,DNA,z,y,a,O,P,pol,启动转录,mRNA,乳糖,半乳糖,-半乳糖苷酶,乳糖操纵子被诱导物开放,-,TGTGA,-,TCACT,-GTGTA,TTGACA,TGATAGAAGCACTCTAC,TATATT,CTCAAT,A,GGTCCACG-,-ACACT-AGTGA-CACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC-,共有序列,-35,-10,+1,(三)激活蛋白：对转录起正调控作用,1正调控蛋白可结合,启动子,邻近序列进行调控,2激活蛋白结合,增强子,可远距离进行转录起始正调控,(三)激活蛋白：对转录起正调控作用,三、原核基因转录：通过不同模式进行调控,(一)正调控和负调控对转录起始进行双重调控：,1、乳糖操纵子：,CAP（正性调节）？,阻遏蛋白（负性调节）,乳糖操纵子由cAMP-CAP系统进行正调控,TTTACA,TATGTT,N,17,N,6,A,lac,TTGACA,TATAAT,共有序列,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,-35区,-10区,+,转录,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP结合位点,mRNA,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,RNA-pol,O,O,O,O,无转录,无转录,低水平转录,3)+葡萄糖,+半乳糖,Summary,乳糖操纵子的实际应用,乳糖操纵子结构常被构建到原核表达载体上，调控重组基因的表达,P,lac,第 二 节,真核基因表达的转录水平调控,Transcriptional Regulation of Eukaryotic Gene Expression,RNA Polymerase II,TFIIF,TFIIE,TFIIB,TFIIA,TBP,+10,+20,Start point,-10,-20,-30,-40,+1,ATG,TATA,transcription,图 The basic process of RNA pol.II recognizing and binding TF-DNA complex.,forming initiation complex.,说明:转录起始：1).TF,II,D先与TATA box 结合，,然后TFIIA、TFIIB（解链酶活性）结合于TFIID，,随后，RNA聚合酶在TFIIF的辅助下与TFIIB结合。,RNA聚合酶就位后,TFIIE、TFIIH等加入,形成转录起始复合物。,基因开关的分子机制：真核细胞比原核复杂,基本共同点：转录起始的调节是关键点,根本不同点：,原核生物：启动子在缺少调节蛋白情况下就具有天然活性,真核生物：启动子在缺少调节蛋白的情况下往往没有活性,真核细胞基因及其调控区域受到,染色质结构,的限制，转录的活化与转录调控区域、转录区域内染色质结构的诸多变化相关；,正性调节,是主要形式。因此，在转录的基本状态受到制约的情况下，使得每个真核细胞基因需要活化才能被转录；,真核细胞有更大、更为复杂、种类更多的,调节蛋白,。单一启动子可以被分散在,DNA,分子上、数量近乎无限的调节序列所控制。,基因表达起始的调控：真核细胞与原核细胞,一、转录起始调控：,转录起始复合物的组装,RNA聚合酶II：需要诸多蛋白质因子的协同作用,基因活化蛋白质与增强子结合后，通过与全酶复合体中的中介子相互反应，使全酶复合体在空间上更接近启动子并有效组装。,一、转录起始调控：转录起始复合物的组装,一、转录起始调控：转录起始复合物的组装,活化蛋白：增强子,通用转录因子：启动子,中介子：蛋白质之间,TATA盒,TF IID,RNA聚合酶II,通用转录因子,转录方向,中介子,活化蛋白,活化蛋白,增强子,增强子,DNA,TF IIA,最后形成稳定的转录起始复合物，启动转录。,几种转录调控模式：,1)DNA 成环靠近RNA pol 结合位点,TBP,基因转录,RNA Polymerase II,RNA Polymerase II,RNA Polymerase II,2)反式作用因子使DNA构型发生扭曲变形,TBP,RNA Polymerase II,RNA Polymerase II,基因转录,3)反式作用因子沿着DNA滑动,TBP,RNA Polymerase II,RNA Polymerase II,基因转录,4)反式作用因子通过连锁反应影响转录,TBP,RNA Polymerase II,RNA Polymerase II,基因转录,（一）mRNA：5端加帽和3端加尾,除组蛋白外，所有真核细胞mRNA都有5,端的“帽”和3,端的Poly(A)尾结构。,5,端的“帽”和3,端的Poly(A)尾均有其特有的作用。,二、转录后调控：,5,加帽的作用：,有助于保护mRNA免于被核糖核酸酶,降解,；,5,帽结合蛋白复合体参与mRNA和核糖体的结合来,起始翻译,。,促进mRNA从细胞核,运输,到细胞浆；,协助mRNA的,剪接,。在剪接第一个外显子时，剪接体的形成需要帽结合蛋白的参与；,poly(A)尾可结合一种或多种特殊蛋白，避免mRNA被酶,降解,，并在翻译过程中具有重要作用。,许多原核mRNA也含有Poly(A)尾，但是此尾的功能是促进mRNA,降解,，而不是保护mRNA免于被降解。,poly(A)尾的作用：,5,3,5,3,5,3,TATA,Transcription site,Pre-mRNA,DNA,Mature mRNA,The alternative splicing of mRNA can produce several proteins from 1 gene.,成熟mRNA形成过程,（二）可变性剪接：产生不同的成熟mRNA,5,3,5,3,5,3,3,3,5,5,TATA,Pre-mRNA,DNA,Mature mRNA,mRNA的选择性剪接,The alternative splicing of mRNA can produce several proteins from 1 gene.,（二）可变性剪接：产生不同的成熟mRNA,二、转录后调控：,人视黄醛还原酶mRNA的选择性剪接,RNA结合蛋白的特异性：决定选择性加工途径,三、,转录前水平调控：,染色质丢失,不可逆的调控,基因扩增增加基因的拷贝数,基因重排与基因移位,基因突变,基因/DNA,一级,结构的改变,染色质丢失,不可逆的调控,基因扩增增加基因的拷贝数,基因重排与基因移位,基因突变,DNA,甲基化修饰,染色质重构,（,Chromatin remodeling,）,基因/DNA,修饰及高级,结构的改变,三、,转录前水平调控：,染色质丢失,不可逆的调控,基因扩增增加基因的拷贝数,基因重排与基因移位,基因突变,DNA,甲基化修饰,染色质重构,（,Chromatin remodeling,）,甲基化程度与基因表达呈,负,相关,三、,转录前水平调控：,染色质丢失,不可逆的调控,基因扩增增加基因的拷贝数,基因重排与基因移位,基因突变,DNA,甲基化修饰,染色质重构,（,Chromatin remodeling,）,定义：使染色质结构由紧密的非活化状态变为松散的活化状态的过程；主要指的是基因组DNA与组蛋白的结合状态。,染色质重构是基因转录必要的前提,核小体结构是基因转录的,负,调控,三、,转录前水平调控：,DNA,编码蛋白质,原核生物基因,表达的翻译水平调控,Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Translation Level,第三节,AUG,AUG,AUG,AUG,SD,核糖体沿,多顺反子,mRNA移动，,在,翻译,完第一个编码的多肽后，,可以,不从mRNA上掉下来,而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质，一气依次合成这基因群所编码所有的蛋白质。,Translation,Translation,原核生物蛋白质的翻译：,原核生物基因表达的翻译水平调控,Regulation of prokaryotic gene expression at translation level,SD,序列,(,与核糖体有关,),mRNA,稳定性,翻译产物的调控作用,翻译水平的调控主要涉及：,核糖体(ribosome)：,是蛋白质,-,rRNA,复合物,通过,rRNA,与,mRNA,互补配对结合到,mRNA,上,SD序列：,位于启动子与起始密码之间，与16S rRNA 3富含嘧啶的碱基互补。原核细胞蛋白质翻译起始。,SD 序列(Shine-Dalgarno sequence),基本特点：,一般位于,mRNA,上游距,AUG,约,8-11nt,位点,由,6,个核苷酸组成的,consensus sequence,In E.coli,AGGAGG,基本功能：,负责招募核糖体定位到起始密码处，启动蛋白质的合成,互补序列：CCUCCU，位于16S rRNA的3,-end,被称作anti-SD sequence,一、SD序列决定翻译起始效率,（一）SD序列的,碱基序列,影响翻译起始的效率,（二）,SD序列的,定位,影响翻译起始的效率,红霉素甲基化酶mRNA的翻译调控,SD,序列与,AUG,之间的距离直接影响基因产物的翻译效率,XXXXXXX,AUG,7 bases,SD,promoter,IL-2 gene,Start point,Transcription,Translation,IL-2表达最高,XXXXXXXX,AUG,8 bases,SD,promoter,IL-2 gene,Start point,Transcription,Translation,IL-2表达水平降低500倍,因此，SD序列的位置在基因表达调控中起重要作用,例如：,（二）SD序列的,定位,影响翻译起始的效率,细菌,mRNA,通常很不稳定,In E.coli:,37,时，,mRNA,平均寿命,2min,这意味着：诱导因素一旦消失，蛋白表达立即停止,影响mRNA稳定性的因素：,mRNA,结构：,5,端与核糖体结合，相对稳定,mRNA,的序列：,RNase,识别,3,突出,2,个碱基的发夹结构,短,poly(A,),尾是核酸酶的结合位点,在细菌中mRNA的poly(A)尾的作用与真核细胞的完全不同,二、mRNA的稳定性：,决定翻译产物量,二、mRNA的稳定性：,决定翻译产物量,发夹结构：,原核生物,mRNA,分子,5,端和,3,端,发夹结构,有,RNase,抗性。,保护蛋白：,细胞内有结合,RNA,、使之免受,RNase,降解的保护蛋白。,小分子,RNA,：,近年发现，内源或外源的,小分子,RNA,可特异互补结合细胞,RNA,，使其失去功能。,降低,mRNA,稳定性也是基因表达调控方式,核糖体蛋白与rRNA 合成是互相协调的,原核生物的,16S,rRNA,与,21,种核糖体蛋白,(ribosomal proteins),，简称,r-,蛋白,，组成核糖体,小亚基,；,5S,和,23S,rRNA,与,31,种,r-,蛋白组成,大亚基,。大、小亚基在翻译起始组合为,70S,核糖体。,蛋白质合成是生存的最基本需要，细胞必然要严格控制,rRNA,和,r-,蛋白的比例。,三、翻译产物：反馈调节效应,这类操纵子有转录,-,翻译偶联调控现象，称为,自我调节（,autogenous,control,）,。,第 四 节真核基因表达的翻译水平调控,Translational Regulation of Eukaryotic Gene Expression,（1）翻译起始因子调节蛋白质合成速度;,-AUG的相邻序列：,核糖体能顺利与AUG结合，使翻译水平提高。,GCC G,CC,A,CC,AUG G,Kozak sequence:translation efficiency,Kozak,M.(1986)Point mutations define a sequence flanking the AUG initiator codon that modulates translation by eukaryotic ribosomes.Cell 44,283.,Kozak,M.(1987)At least six nucleotides preceding the AUG initiator codon enhance translation in mammalian cells.J.Mol.Biol.196,947.,（2）mRNA5端序列及长度影响翻译起始的效率和准确性:,一、蛋白质翻译正调控：,低铁状态,5,铁蛋白mRNA,活化的IRE-BP,编码区,3,翻译不能进行,高铁状态,5,铁蛋白mRNA,失活的IRE-BP,铁,编码区,3,翻译,二、蛋白质翻译负调控：,转录抑制蛋白质结合到mRNA的5,端抑制转录起始,三、翻译起始点的调控：,遗漏扫描,：当不利于识别时，扫描的核糖体小亚基有时可以无视第一个,AUG,而滑向第二个，甚至第三个,AUG,，这种现象被称为遗漏扫描（,leaky scanning,），可以使一个,mRNA,分子产生两个或更多仅氨基末端不同的相关的蛋白质。在一些情况下，细胞可以通过遗漏扫描调节这些不同长度蛋白质的相对丰度。,5ACCCGG,AUG,AAAGGGCCA,AUG,AGU,AUG,CACA3,上游开放阅读框架（,upstream open reading frames,uORFs,）：在有些,mRNA,分子中，起始密码子,AUG,的上游（,5,UTR,）有一个或几个,AUG,，这些上游开放阅读框架与正常的开放阅读框架多不一致，翻译后很快会遇到终止密码子而释出无功能的多肽。,意义:在于其调节功能，它们的AUG可以与正常起始密码子AUG竞争扫描核糖体起始复合物，翻译无功能的多肽而使正常翻译维持在较低水平。,三、翻译起始点的调控：,多肽链合成后通常需经过加工与折叠才能成为有活性的蛋白质，蛋白质的折叠构象主要决定于它的氨基酸序列，而其最后具有生物活性的构象则是在加工或共价修饰过程中形成的。翻译后的加工过程包括：,蛋白质翻译后修饰：,折叠成有活性的空间结构,糖基化、磷酸化、乙酰化、,蛋白质与蛋白质之间的相互作用,蛋白质的降解,四、翻译后水平的调控：,基因表达调控的基本规律,基因表达具有时空特异性；,诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普遍方式；,基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节；,蛋白质,-DNA,以及蛋白质,-,蛋白质的相互作用是基因表达调控的分子基础；,基因表达调控是多层次的复杂调节。,1.基因表达具有时空特异性,基因表达的,时间,特异性（阶段特异性）,基因表达的,空间,特异性（组织特异性）,根据生长、分化和发育等功能的需要，随着环境的变化，特定基因按照一定的时间顺序先后表达。,不同的组织或器官中，基因表达的种类和表达水平不同。,差异基因表达,（differential gene expression）,是同一个体内的不同器官、组织、细胞的差异性的基础。,多细胞生物进化的结果，是,细胞活动分工,的基础。,多细胞生物不同组织细胞中的,基因组相同,；,不同细胞,表达不同基因,；,同一细胞不同的,发育阶段,，表达不同基因；,同一种细胞中不同基因,表达水平,不同。,3.基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节,顺式作用元件,（,cis,-acting element,）,反式作用因子,（,trans-acting factor,）,存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列。,包括：启动子、增强子及沉默子等。,作用：参与基因表达的调控,。（不编码蛋白质）,能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的,蛋白质,。,功能结构域：DNA结合结构域、转录活化结构域。,4.蛋白质-DNA以及蛋白质-蛋白质的相互作用是基因表达调控的分子基础,作为反式作用因子的调节蛋白具有特定的空间结构，通过特异性地识别某些,DNA,序列与顺式作用元件发生相互作用。,真核生物体系基因组结构复杂，首先形成蛋白质,-,蛋白质复合物，再形成蛋白质,-DNA,复合物，参与基因表达的调控。,5.基因表达调控是多层次的复杂调节,无论原核生物还是真核生物，基因表达的调控都体现在基因表达的全过程中。,比较真核生物和原核生物基因表达与调控的异同点,