第05章基因表达(改为白底黑字).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,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,*,*,基因表达（,gene expression,）,是指基因所贮存的遗传信息通过转录（,transcription,）和翻译（,translation,）,产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程,第一节基因表达的过程和特点,一、基因的转录,RNA,的合成,二、蛋白质的生物合成,翻译,3,2025/1/29 周三,复制和转录的比较,多核苷酸链的合成方向都是,53,在,3-OH,末端与加入的核苷酸形成磷酸二酯键,不同点,类似点,对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，,而且每个基因的转录都受到相对独立的控制,转录是不对称的,转录时不需要引物,RNA,链的合成是连续的,定义,转录是以,DNA,为模板合成,RNA,的过程,mRNA,、,tRNA,、,rRNA,、小分子,RNA,转录产物,一、基因的转录,1,.,转录的,体系,原核细胞,全酶（,holoenzyme,）,2,真核细胞,RNA,聚合酶,I,RNA,聚合酶,II,RNA,聚合酶,III,模板,DNA,原料,ATP,、,CTP,、,GTP,、,UTP,RNA,聚合酶,（一）基因转录的基本方式,9,2025/1/29 周三,结构基因,模板链，有意义链，,Waston,链,编码链，反意义链，,Crick,链,5,3,3,5,RNA,合成中的,DNA,模板,E.coli RNA,聚合酶全酶,(holoenzyme),的结构,决定被转录的基因,识别转录起始点,结合,DNA,模板,与转录全过程有关,核心酶,RNA-pol I,核仁,45S-rRNA,不敏感,RNA-pol II,核质,hnRNA,低浓度敏感,RNA-pol III,核质,5S-rRNA,tRNA,snRNA,高浓度敏感,Mt RNA-pol,线粒体 线粒体,RNAs,不敏感,真核生物的,RNA,聚合酶,种类 细胞内定位 转录产物 对抑制剂鹅膏,蕈碱反应,(,二,),转录的过程,1,.,起始,原核细胞,RNA,聚合酶与启动子相互作用,真核细胞,RNA,聚合酶、反式作用因子与顺式元件相互作用,拼板理论,DNA,原核生物启动子,5,3,3,5,TTGACA,TATAAT,10bp,15bp,Start of,transcription,Pribnow box,RNA polymerase,-35,区,-10,区,+1,15,2025/1/29 周三,DNA,5,3,3,5,真核生物启动子,Start of,transcription,TATA,10bp,TATA box,Hogness box,CCAAT,GCGC,CAAT box,GC box,-70,区,-25,区,+1,RNA polymerase,17,2025/1/29 周三,18,2025/1/29 周三,2,.,延伸,核心酶催化,磷酸化的,RNA,聚合酶催化，核小体解聚,原核细胞,真核细胞,20,2025/1/29 周三,3,.,终止,原核细胞,真核细胞,结合富含,C,的,RNA,区段，发挥,ATP,酶及解螺旋酶活性,转录终止的修饰点处切离并加尾,依赖,因子,不依赖,因子,RNA 3,端形成茎环结构,RNA-pol,5,3,DNA,RNA,polyC,因子和,RNA,转录产物结合,RNA,聚合酶构象改变引起转录终止,23,2025/1/29 周三,（三）转录后加工,原核细胞,真核细胞,tRNA,和,rRNA,需加工，,mRNA,不需加工,tRNA,、,rRNA,和,mRNA,均需加工,1,.,原核细胞和真核细胞的差异,2.,真核生物,mRNA,的转录后加工,5,端加帽,转录未终止时加入,m,7,G5,ppp,，与稳定,mRNA,及翻译起始有关,5pppG,5ppG,pi,5GpppG,pppG ppi,甲基化酶,mGpppG,磷酸酶,CH3,核酸酶,poly(A),3-OH,引入,100-200bp A,真核基因,3,端,AATAA,切除,3,尾,1025,碱基,3,端加尾,加尾信号处切离,并加,poly(A),，与稳,定,mRNA,及翻译效率有关,27,2025/1/29 周三,剪接（,splicing,）,由小分子细胞核内核蛋白颗粒（,snRNP,）去除核不均一,RNA,（,hnRNA,）中的内含子转录序列,29,2025/1/29 周三,30,2025/1/29 周三,通过不同剪接方式选择性使用外显子，合成功能不同而结构只有微小差异的蛋白质,选择性剪接,RNA,编辑（,RNA editing,）,RNA,编辑是对,mRNA,前体的序列进行的改编，在,mRNA,前体分子的碱基序列中,C,被,U,取代，,A,被,G,取代，使成熟,mRNA,的序列与基因组,DNA,序列不同,成熟,mRNA,蛋白质细胞核细胞质,3.,真核生物成熟,mRNA,的运输,信使核糖核蛋白颗粒,(mRNP),二、蛋白质的生物合成,翻译,以特定核苷酸序列的,mRNA,为模板，合成相应氨基酸序列的多肽链，即将带有遗传信息的核苷酸顺序转换为氨基酸顺序的过程,组成蛋白质的氨基酸由其特定的,tRNA,携带和转运，在核蛋白体上按照模板,mRNA,所提供的编码信息合成具有特定序列的多肽链,(,一,),翻译的体系,(,二,),翻译的基本过程,(,三,),肽链翻译后的加工修饰,(,四,),蛋白质的分拣与转运,(,一,),翻译的体系,模板,mRNA,氨基酸运输,tRNA,肽链合成场所,核糖体（,rRNA+,蛋白质）,蛋白质因子,起始、延长、终止因子,原料,20,种有遗传密码的氨基酸,模板,mRNA,mRNA,是翻译的直接模板,mRNA,的寿命一般较短,编码单个蛋白或多个蛋白,mRNA,具有方向性，从,5,端到,3,端。,对应肽链从氨基端到羧基端,3,个核苷酸构成,1,个密码子，指令氨基酸,连续性,简并性,通用性,摆动性,方向性,密码子特点,遗传密码表,由氨基酰,-tRNA,合成酶催化与氨基酸的连接,氨基酸运输,tRNA,T,C,环,反密码子,氨基酸臂,额外环,(,可变的,),DHU,环,具有绝对专一性和校正功能,运输氨基酸,肽链合成场所,核糖体（,rRNA+,蛋白质）,原核细胞,真核细胞,30S:16S rRNA,和,21,种蛋白质,50S:5S,、,23S rRNA,和,34,种蛋白质）,40S:18S,rRNA,和,33,种蛋白质,60S:5S,、,5.8S,、,23S,rRNA,和,49,种,蛋白质,70S,80S,蛋白质因子,名称,原核细胞,真核细胞,IF,1,IF,2,IF,3,eIF,n,(10,余种,),延长因子,EFTu,EFTs,EFG,eEF,1,(,),eEF,2,释放因子,RF,1,RF,2,RF,3,eRF,起始因子,原料,20,种有遗传密码的氨基酸,原核细胞,真核细胞,起始氨基酸为,N-,甲酰蛋氨酸,（密码子,AUG,、,GUG,、,UUG,）,起始氨基酸为蛋氨酸（密码子,AUG,）,氨基酸,+ATP+tRNA,氨基酰,tRNA+AMP+PPi,氨基酸的活化与转运,氨基酰,tRNA,的表示方法,ala-tRNA,ala,met-tRNA,e,met,arg-tRNA,arg,met-tRNA,i,met,真核细胞起始用蛋氨酰,tRNA,真核细胞延伸用蛋氨酰,tRNA,fmet-tRNAf,met,原核细胞起始用甲酰蛋氨酰,tRNA,tRNA,的总数（,40-50,）大于氨基酸的数目,一种氨基酸可由,2-6,种,tRNA,特异地运载,氨基酰,tRNA,合成酶具有高度特异性（副密码子）,氨基酰,tRNA,合成酶具有校读活性,真核生物携带蛋氨酸的,tRNA,有两种，分别为,tRNA,i,met,和,tRNA,e,met,原核生物,AUG,只能辨认甲酰化的蛋氨酸,氨基酸的活化与转运特点,（二）,翻译的基本过程,1.,起始,形成翻译起始复合物,2.,延长,指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位,3.,终止,原核细胞,RF,1,RF,2,识别终止密码，,RF,3,激活转,肽酶释放肽链,真核细胞,eRF,同时具有上述功能,大小亚基的拆分,mRNA,与小亚基结合,fmet-tRNA,的结合,核糖体大亚基结合,翻译起始复合物形成过程,1.,起始,47,2025/1/29 周三,特异的起始,tRNA,2.mRNA,有,5,端帽子结构和,3,尾巴。,2,种帽子结合,蛋白（,CBP,）参与,mRNA,与核蛋白体小亚基结合,3.,起始阶段,eIF2,与,met-tRNA,及,GTP,结合形成复,合物，,eIF2,是翻译所必须的因子,真核生物翻译起始,49,2025/1/29 周三,30SmRNAf,Met,tRNA,f,met,GTPIF,2,IF,3,IF,1,+mRNA,70S,核糖体,+IF,3,+IF,1,30S,小亚基,IF,3,IF,1,+50S,大亚基,f,Met,tRNA,f,met,+GTP+IF,2,f,Met,tRNA,f,met,IF,2,GTP,+50S,IF,2,IF,1,IF,3,GDP,70SmRNAfMettRNAfmet,70S,起始复合物的形成,40S Met,tRNA,i,met,GTP,80S,核蛋白体,+eIF,3,40S,小亚基,eIF,3,+60S,大亚基,MettRNA,i,met,+GTP,+e,IF,2,MettRNA,f,met,eIF,2,GTP,80S Met tRNA,f,met,mRNA,80S,起始复合物,40S mRNA Met,tRNA,i,met,GTP,eIF4C,+mRNA,eIF4A,4B,4E,4F,+60S,eIF2,3,4C,5,eIF4D,80S,起始复合物的形成,2.,延长,进位、成肽和转位三个阶段,核糖体循环,P,位：给位或肽位,Donor site or Peptidyl site,A,位：受位或氨基酰位,Acceptor site or Aminoacyl site,进位,成肽,转位,核糖体小亚基,P,A,mRNA,A U G,U U A,G G U,C C C,A A C,A G C,A U C,U A C,核糖体大亚基,tRNA,A A U,tRNA,蛋,亮,P,A,mRNA,A U G,U U C,G G U,C C C,A A C,A G C,A U C,U A C,A A G,蛋,亮,P,A,mRNA,A U G,U U C,G G U,C C C,A A C,A G C,A U C,A A G,亮,蛋,53,2025/1/29 周三,54,2025/1/29 周三,3.,终止,释放因子（,RF,）辨认终止码,RF3,激活转肽酶，催化,P,位上的肽与,tRNA,解离,在释放因子（,RF,）的作用下，,tRNA,，,mRNA,和,RF,从核糖体上解离，在,IF,的作用下核糖体自身分解为大小亚基。,56,2025/1/29 周三,57,2025/1/29 周三,58,2025/1/29 周三,59,2025/1/29 周三,60,2025/1/29 周三,61,2025/1/29 周三,62,2025/1/29 周三,（三）肽链翻译后的加工修饰,1,.,一级结构修饰,去掉,N-,甲酰基、,N-,蛋氨酸或,N,端序列,个别氨基酸的修饰（羟化、磷酸化、,形成,-S-S-,等）,多蛋白（,polyprotein,）的水解修饰,2,.,空间结构修饰,折叠成天然构象,分子伴侣（,molecular chaperon,）帮助新生多,肽链折叠成高级结构的一类蛋白质,亚基聚合,辅基的结合（如糖基化等）,(,四,),蛋白质的分拣与转运,1.,分拣（,sorting,）,分拣信号,蛋白质的一级结构或高级结构中存在被分配到目的地的信息,细胞核：核定位信号（富含碱性氨基酸）,各种细胞器：细胞器定位信号,分泌至细胞外：信号肽（,signal peptide,）,碱性氨基酸疏水氨基酸剪切位点,翻译转运同步（如多数分泌性蛋白）,翻译后转运（如核,DNA,编码的线粒体蛋白）,2.,转运,靶向运输,分泌至胞外,留在胞浆内,进入核内或,其他细胞器,穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质为分泌性蛋白,蛋白质合成的调节,四环素类，抑制原核氨基酰,tRNA,与核糖体结合,氯霉素类，阻断延长，原核,链霉素类，改变构象，原核,嘌呤霉素，竞争抑制酪氨酰,tRNA,原核真核,放线菌酮，,抑制转肽酶，真核,抑制蛋白质合成的生物活性物质,白喉毒素,(DT),：对,EF,2,进行修饰而失活,干扰素,(IF),：,-IF,-IF,-IF,诱导并激活一种蛋白激酶，使,eIF,2,磷酸化而失活,使病毒蛋白的合成受到抑制；此外，还可诱导产生一种,RNA,内切酶，破坏病毒,RNA,第二节 环境对基因表达的影响,一、外环境因素对基因表达的影响,二、基因表达时空调控,三、基因表达调控的基本原理,一、外环境因素对基因表达的影响,原核生物基因表达,环境压力形成了特殊的表达方式,该表达方式对环境有高度适应性应变能力,大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源，葡萄糖、乳糖、果糖等等,但大肠杆菌优先利用葡萄糖。当环境中的葡萄糖缺乏时，开始利用乳糖或其它糖。,1960,年，法国科学家,Jacob-Monod,提出操纵元模型,乳糖操纵元（,Lactose Operon),乳糖操纵子,组成,结构基因（,z,、,y,、,a,）,调控元件（启动子，操纵基因）,调控方式,葡萄糖充足时，阻遏物与操纵基因结合,阻碍,RNA,聚,合酶对下游三个结构基因的转录,葡萄糖不足时，利用乳糖去阻遏物,允许,RNA,聚合,酶对下游三个结构基因的转录。,大肠杆菌乳糖操纵子,(,lac,operon),的调节,真核生物基因表达,外环境比原核生物优越,主要受内环境变化的影响,(,有些细胞的基因表达也会受到环境变化的影响,),二、基因表达的时空调控,调控对象,可调节基因（,regulated gene,），是特定时空条件下特异性表达的基因,调控特点,阶段特异性（时间特异性）,组织特异性（空间特异性）,生物学意义,分化与发育,适应环境,多细胞生物不同组织细胞中的基因组是相同的,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,丰富,mRNA(,高丰度,),稀少,mRNA(,低丰度,),基因差异表达特征,基因差异表达是多细胞生物进化的结果,是细胞活动分工的基础,三、基因表达调控的基本原理,基因表达调控的环节,基因转录的调控,蛋白质合成的调控,DNA,元件,原核生物：,启动序列、操纵序列,真核生物：,启动子、增强子、抑制子,顺式作用元件,特异,DNA,序列,基因表达调控的因素,蛋白分子,真核生物：,转录因子,原核生物,：,RNA,聚合酶特异因子、,阻遏蛋白、激活蛋白,转录因子,反式作用因子,基本转录因子,增强子结合因子,抑制子结合因子,第三节 原核生物基因表达的调控,特点,转录与翻译紧密偶联,操纵子是主要调节机制,多顺反子,mRNA,阻遏蛋白介导的负性调节为主,转录起始是调节的关键,调节层次,转录水平调节,起始调节是关键,依靠操纵子,(operon),与阻遏蛋白,(,负,),、激活蛋,白,(,正,),的相互作用,阻遏蛋白对大肠杆菌乳糖操纵子的负调节,激活蛋白对阿拉伯糖启动子的正调节,无阿拉伯糖时，,AraC,同二聚体与,O,2,和,I,1,结合，,BAD,基因不发生转录,有阿拉伯糖时，,AraC,用另一种方式形成二聚体与,I1,和,I2,结合，从而激活,BAD,基因转录,转录终止调节,色氨酸操纵子,trp,operon,依赖,因子或者依赖转录产物,3,端发夹结构，,使转录过早终止，称为衰减（,attenuation,）,有色氨酸时，转录过早终止，只生成先导,mRNA,色氨酸操纵子（,trp operon,）表达的衰减,缺色氨酸时，转录完全，生成全长,mRNA,翻译调节,稀有密码子对翻译影响,主要影响翻译的速度,mRNA,的,5,端或,3,端形成发夹结构，可防止被外切酶水解，延长其寿命,翻译阻遏,反义,RNA,（,antisense RNA,）阻碍核糖体与靶,mRNA,结合,mRNA,稳定性对翻译的影响,调节蛋白竞争,mRNA,的核糖体结合位点,第四节 真核生物基因表达的调控,一、转录前的调控,二、,真核基因转录激活调节,三、,翻译水平的调控,真核生物转录调控的环节,转录起始,转录后修饰,染色质结构,转录起始复合物,剪接,加帽、加尾,出核转运,真核基因结构特点,单顺反子,重复序列,断裂基因,真核基因转录特点,染色体结构变化,正向调节,转录与翻译分隔进行,调控元件多而复杂，不同的基因调控元件组,合不同，构成它特有的组合模式,不同的基因转录除需要普通转录因子与,RNA,聚合酶作用外，还需要特异转录因子,特异转录因子与增强子，沉默子等结合，决,定基因表达的特异性,基因转录调控中始终体现,DNA,与蛋白质、蛋,白质与蛋白质的相互作用,真核生物基因转录调控特点,一、转录前的调控,特点,多层次调控,(,正性调节为主,),核小体结构松弛、缺失,对核酸酶敏感,CpG,岛低甲基化,组蛋白乙酰化（,H,1,缺失）,转录活跃区域的特点,组蛋白的乙酰化和甲基化,DNA,的甲基化,与其他蛋白的相互作用,转录前调控的方式,转录复合物不能进入致密染色质,高致密度的染色质,(heterochromatin),不能转录,染色质的致密程度依赖于,属翻译后修饰,Acetyl group(CH,3,COO,),共价与组蛋白的碱性氨基酸结合,中和正电荷,消除组蛋白与,DNA,的离子键结合,松弛染色质,活化转录,组蛋白乙酰化的作用,二、真核基因转录调节,顺式作用元件,反式作用因子,顺式作用元件和反式作用因子的相互作用决定基因是否转录,DNA,结构中蕴藏着调控序列,顺式作用元件与基因表达,cis-acting element,真核细胞编码蛋白质的基因中存在一些参与基因转录调控的非编码区域,100,300 bp,位置灵活,是否发挥作用取决组织细胞是否存在特异,转录因子,增强子,位于转录起始上下游的,DNA,元件。与特异转录因子结合后增强启动子活性，决定基因表达时空性,沉默子（,silencer),结合特异转录因子后抑制启动子的活性，一般属于负调控元件,主要取决于特异转录因子的作用,反应元件（,response element),举例,热休克反应元件,-HSE,糖皮质激素反应元件,-GRE,金属离子反应元件,-MRE,TPA,反应元件,-TRE,低氧诱导 因子反应元件,干扰素反应元件,DNA,结构中蕴藏着调控序列,蛋白质,-,转录因子决定基因的开放或关闭,也称转录因子（,transcription factors,，,TF,），是一类细胞核内蛋白质因子，通过与顺式作用元件和,RNA,聚合酶的相互作用来调节转录的活性,反式作用因子对基因表达的调控,反式作用因子（,trans-acting factor,）,反式作用因子,类型,基础转录因子,basal transcription factor,结合,RNA,聚合酶和转录核心元件,结合转录非核心元件和基础转录因子，激活或者抑制两类作用,特异转录因子,special transcription factor,反式作用因子的,结构,DNA,结合域,DNA binding domain,转录激活域,activation domain,DNA,结合域的四种模体,螺旋转角螺旋（,helix-turn-helix,HTH,）,锌指（,zinc finger,）,亮氨酸拉链（,leucine zipper,）,螺旋环螺旋（,helix-loop-helix,HLH,）,反式作用因子中的亮氨酸拉链模体,反式作用因子中的螺旋,-,环,-,螺旋结构,反式作用因子中的,锌指,模体,反式作用因子中的转录激活域,酸性氨基酸,脯氨酸,谷氨酰胺,富含：,不具有组织特异性。是,RNA,聚合酶结合启动子必需的一组蛋白质分子，是所有基因转录起始都需要的,转录因子的分类,组织细胞特异性转录因子,具有组织细胞特异性。与增强子，沉默子结合后决定该基因表达的时空性,基本转录因子,组织细胞特异性转录因子的类别,转录激活因子,转录阻遏因子,transcription activitor,transcription repressor,DNA,结合蛋白,非,DNA,结合蛋白,辅转录激活因子,辅转录阻遏因子,co-transcription activitor,co-transcription repressor,三、翻译水平的调控,5,端帽子,：,保持,mRNA,稳定，提高翻译的效率,3,端尾巴,：,poly(A),和蛋白多聚体形成的复合物,去稳定元件,：,引起,RNA,降解,小干扰,RNA,：,双链，特异性降解靶,mRNA,影响,mRNA,稳定性的因素,影响翻译起始的因素,微,RNA,（,microRNA,miRNA,）,：,抑制模板活性,mRNA,非翻译区的二级结构,：,影响翻译速率,mRNA,元件与,RNA,结合蛋白的相互作用,翻译起始因子的可逆磷酸化,第五节 基因表达调控异常与疾病,一、转录因子突变与疾病,二、基因修饰改变与疾病,一、转录因子突变与疾病,转录因子突变,基因表达异常,先天发育异常,例如,HOH-Dream,综合症，引起拇指异常，心脏的房间隔缺损，室间隔缺损等,二、基因修饰改变与疾病,CpG,岛甲基化减少,原癌基因表达增高,导致肿瘤,基因表达与表达调控一览图,