第05章-基因表达与基因表达调控.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,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,10/19/2025,1,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,10/19/2025,2,10/19/2025,3,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,10/19/2025,6,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,10/19/2025,7,1,.,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,10/19/2025,8,10/19/2025,9,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,10/19/2025,10,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,10/19/2025,11,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,10/19/2025,12,(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,10/19/2025,13,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,+1,10/19/2025,14,10/19/2025,15,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,10/19/2025,16,10/19/2025,17,10/19/2025,18,2,.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,10/19/2025,19,10/19/2025,20,3,.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,10/19/2025,21,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,10/19/2025,22,10/19/2025,23,（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,10/19/2025,24,2.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,5pG,ppi,5GpppG,pppG pi,甲基化酶,mGpppG,磷酸酶,CH3,10/19/2025,25,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,10/19/2025,26,10/19/2025,27,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,10/19/2025,28,10/19/2025,29,10/19/2025,30,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,10/19/2025,31,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,10/19/2025,32,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),10/19/2025,33,二、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,10/19/2025,34,(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,10/19/2025,35,(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,10/19/2025,36,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,10/19/2025,37,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,10/19/2025,38,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,10/19/2025,39,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,10/19/2025,40,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,EF,1,(,),EF,2,释放因子,RF,1,RF,2,RF,3,eRF,起始因子,10/19/2025,41,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）,10/19/2025,42,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-tRNAi,met,原核细胞延伸用甲酰蛋氨酰,tRNA,10/19/2025,43,一种氨基酸可由,2-6,种,tRNA,特异地运载,tRNA,的总数（,40-50,）大于氨基酸的数目,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,10/19/2025,44,（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,10/19/2025,45,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,10/19/2025,46,10/19/2025,47,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,10/19/2025,48,10/19/2025,49,30SmRNAf,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,10/19/2025,50,40S 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,metmRNA,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,10/19/2025,51,2.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,10/19/2025,52,10/19/2025,53,10/19/2025,54,3.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。,10/19/2025,55,10/19/2025,56,10/19/2025,57,10/19/2025,58,10/19/2025,59,10/19/2025,60,10/19/2025,61,10/19/2025,62,（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,10/19/2025,63,2,.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）,10/19/2025,64,(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,10/19/2025,65,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,10/19/2025,66,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,10/19/2025,67,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,10/19/2025,68,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,10/19/2025,69,第六章,基因表达调控,10/19/2025,70,10/19/2025,71,10/19/2025,72,10/19/2025,73,10/19/2025,74,10/19/2025,75,10/19/2025,76,10/19/2025,77,10/19/2025,78,10/19/2025,79,10/19/2025,80,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),10/19/2025,81,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。,10/19/2025,82,10/19/2025,83,10/19/2025,84,10/19/2025,85,10/19/2025,86,大肠杆菌乳糖操纵子(,lac,operon)的调节,10/19/2025,87,10/19/2025,88,10/19/2025,89,10/19/2025,90,翻译调节,稀有密码子对翻译影响,主要影响翻译的速度,翻译阻遏,反义RNA（antisense RNA）阻碍核糖体与靶mRNA结合,调节蛋白竞争mRNA的核糖体结合位点,10/19/2025,91,第三节 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,10/19/2025,92,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,10/19/2025,93,一、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,10/19/2025,94,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,10/19/2025,95,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,10/19/2025,96,10/19/2025,97,返回目录,返回主页,10/19/2025,98,10/19/2025,99,10/19/2025,100,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,10/19/2025,101,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）,10/19/2025,102,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,10/19/2025,103,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）,10/19/2025,104,反式作用因子中的亮氨酸拉链模体,10/19/2025,105,10/19/2025,106,反式作用因子中的螺旋-环-螺旋结构,10/19/2025,107,10/19/2025,108,反式作用因子中的,锌指,模体,10/19/2025,109,10/19/2025,110,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：,10/19/2025,111,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,10/19/2025,112,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,cotranscription activitor,co-transcription repressor,10/19/2025,113,三、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,10/19/2025,114,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,10/19/2025,115,第四节 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,10/19/2025,116,一、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,10/19/2025,117,二、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,10/19/2025,118,基因表达与表达调控一览图,10/19/2025,119,