第13章基因表达调控.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,目录,第,13,章,基因表达调控,Regulation of Gene Expression,主要内容,基因表达调控的基本概念,基因表达调控的基本原理,原核基因表达调节,真核基因表达调节,第一节,基因表达调控的基本概念,Basic Conceptions of Gene Expression Regulation,一、基因表达的概念,基因,(gene),：编码生物活性产物,(RNA,和蛋,白质,),的,DNA,片段。,基因组,(genome),：生物体的全套基因。,基因表达,(gene expression),：,基因转录和翻译,基因表达不一定产生蛋白质,tDNAtRNA,rDNArRNA,基因表达是受调控的,二、基因表达的时间性和空间性,时间特异性,(temporal specificity),：某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生。,Hb:,2,2,2,2,2,2,AFP:,胎儿、肝癌,多细胞生物：又称为,阶段特异性。,空间特异性,(spatial specificity),：又称为细胞特异性或组织特异性。指多细胞生物在某一特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同。,三、基因表达的方式,基本,/,组成性表达,诱导和阻遏表达,协调表达,（一）基本,/,组成性表达,管家基因,(housekeeping gene):,在生物体几乎所有细胞中持续表达的基因，其表达产物对生命的全过程都是必不可少的。,基本,/,组成性表达,(constitutive gene expression):,管家基因的表达。表达水平受环境因素的影响较小,（二）诱导和阻遏表达,可诱导基因,(inducible gene):,在特定环境信号刺激下，表达被激活，表达产物增加的基因。,诱导,(induction),：可诱导基因在特定环境中表达增强的过程。,可阻遏基因,(repressible gene),：在特定环境信号刺激下，表达被抑制，表达产物减少的基因。,阻遏,(repression),：阻遏基因表达降低的过程。,（三）协调表达,(coordinate expression),功能相关的一组基因，协调一致地表达，共同完成某种调节。如：代谢途径的调节,四、基因表达调控的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖,维持细胞分化与个体发育,第二节,基因表达调控的基本原理,Basic Principles of Gene Expression Regulation,一、基因表达的多级调控,多水平,/,多层次调控,基因,转录（转录起始、转录后加工）,*转录起始是基因表达的基本控制点。,翻译（翻译、翻译后修饰）,二、基因转录起始,/,激活调节的基本要素,特异,DNA,序列,转录调节蛋白,DNA-,蛋白质，蛋白质,-,蛋白质相互作用,RNA,聚合酶,（一）特异,DNA,序列,原核,启动序列的共有序列：,-35,区：,TTGACA -10,区：,TATAAT(Pribnow box),真核,顺式作用元件,(cis-acting element):,调节,自身基因,转录活性的,DNA,序列,。,启动子的,共有序列,:TATA,盒，,CCAAT,盒，,GC,盒,非编码序列，并非都位于转录起始点上游,决定基因的转录活性,RNA,转录起始,-35,区,-10,区,TTGACA,TTAACT,TTTACA,TATGAT,TTTACA,TATGTT,TTGATA,TATAAT,CTGACG,TACTGT,N,17,N,16,N,17,N,16,N,16,N,7,N,7,N,6,N,7,N,6,A,A,A,A,A,trp,tRNA,Tyr,lac,rec,A,Ara,BAD,TTGACA,TATAAT,共有序列,图,13-1,五种,E.coli,启动序列的共有序列,图,13-2,顺式作用元件,RNA,聚合酶,B,A,DNA,编码序列,转录起始点,mRNA,RNA,聚合酶,B,A,DNA,转录起始点,mRNA,E1,E2,（二）转录调节蛋白,原核生物的转录调节蛋白,特异因子：,RNA-pol,的,亚基,(,因子,),决定,RNA-pol,识别、结合启动序列的特异性,70,，,32,（热休克基因）,阻遏蛋白,(repressor),：,抑制基因转录,激活蛋白,(activator),：增强基因转录,(,与启动序列邻近的,DNA,序列结合，促进,RNA-pol,与启动序列的结合,),核心酶,(core enzyme),全酶,(,holoenzyme,),转录起始阶段,转录延长阶段,阻遏蛋白与,操纵序列,结合时，会阻碍,RNA,聚合酶与启动序列的结合，或是,RNA,聚合酶不能沿,DNA,向前移动，阻碍转录。,启动序列,编码序列,操纵序列,pol,阻遏,蛋白,阻遏蛋白的作用机制,真核生物的转录调节蛋白：又称为转录因子,(transcription factor),或反式作用因子,/,蛋白,(,trans,-acting factor),：与顺式作用元件相互作用，调节,另一基因,转录的,蛋白质,(,反式调节,),。,顺式调节：可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节,自身基因,的表达。,真核生物的转录调节蛋白,顺式作用蛋白,反式作用蛋白,c,DNA,a,DNA,反式调节,C,顺式调节,mRNA,C,蛋白质,C,b,A,mRNA,蛋白质,A,A,图,13-3,反式与顺式作用蛋白,（三）,DNA-,蛋白质或蛋白质,-,蛋白质相互作用,DNA-,蛋白质相互作用,原核：,RNA-pol-,启动序列,真核：顺式作用元件,-,反式作用因子,蛋白质,-,蛋白质相互作用：转录调节蛋白之间的相互作用，形成二聚体,(dimer),或多聚体,(polymer),。,（四）,RNA,聚合酶,影响,RNA,聚合酶活性的因素,原核：启动序列；真核：启动子,+,转录因子,调节蛋白,DNA-,蛋白质,蛋白质,-,蛋白质,E.coli,的转录起始和延长,第三节,原核基因表达调节,Regulation of Gene Expression in Prokaryote,一、原核基因转录调节特点,因子决定,RNA,聚合酶识别特异性,操纵子模型的普遍性,操纵子受到阻遏蛋白的负性调节,操纵子模型的普遍性,操纵子,(operon),的概念：原核生物功能相关基因串联组成的转录单位。因此操纵子是原核生物的转录单位。,举例：,lac ara trp,操纵子,操纵子的结构：调节序列,+,启动序列,+,操纵序列,+,多个编码序列（结构基因）,编码序列,启动序列,操纵序列,其他调节序列,(,promoter,),(,operator,),操纵子,(operon),结构,操纵子受到阻遏蛋白的负性调节,阻遏蛋白与操纵序列结合，阻遏特异基因的转录，使基因关闭；,阻遏蛋白与操纵序列分离，特异基因的转录去阻遏，使基因开启。,二、操纵子调控模式：乳糖操纵子,（一）乳糖操纵子,(lac operon),的结构,(,E.coli,),调控区,I,：调节基因,-,编码阻遏蛋白,P,：启动序列,-,结合,RNA,聚合酶,CAP,位点：,CAP-,分解代谢物基因激活蛋白,(,c,atabolite gene,a,ctivation,p,rotein)-,结合,cAMP/CAP,O,：操纵序列,-,结合阻遏蛋白,结构基因：,Z,，,Y,，,A,P,O,Z,Y,A,结构基因,调节基因,启动序列,操纵序列,编码阻遏蛋白,结合,RNA-,pol,结合阻遏蛋白,I,cAMP,-CAP,P,O,TTGACA,-35,区,TATAAT,-10,区,CAP,位点,5-,ATTAAT,GTGAGTTAGCTCAC,TCATTAGG-3,PI,Z,：,-,半乳糖苷酶,Y,：,透酶,A,：,乙酰基转移酶,乳糖,葡萄糖,半乳糖,（二）乳糖操纵子的调节机制阻遏蛋白的负性调节,CAP,的正性调节,协调调节,1.,阻遏蛋白的负性调节,没有乳糖时，操纵子处于阻遏状态,有乳糖时，操纵子去阻遏,/,被诱导,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,调节基因,阻遏蛋白的负性调节,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,阻遏蛋白的负性调节,IPTG,2.CAP,的正性调节,当无,Glu(cAMP,浓度高,),时：转录活性,当有,Glu(cAMP,浓度低,),时：抑制转录,ATP,AC,cAMP,Glu,的分解代谢产物,-,+,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,3.,协调调节,指阻遏蛋白负性调节与,CAP,正性调节的协调,有葡萄糖，无乳糖,：阻遏,CAP,不发挥作用,无转录,有葡萄糖，有乳糖,：去阻遏，,CAP,不发挥作用,分解代谢阻遏：葡萄糖对,lac,操纵子的阻遏作用。细菌首先利用葡萄糖,无葡萄糖，有乳糖,：去阻遏，,CAP,发挥作用,lac,操纵子强诱导作用,无葡萄糖，无乳糖：,阻遏，无转录,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,调节基因,有葡萄糖，无乳糖,无转录,有葡萄糖，有乳糖,无葡萄糖，有乳糖,三、原核生物转录终止调节,依赖,因子的转录终止：常见于噬菌体中，结构特点不清楚。,不依赖,因子的转录终止,终止子结构特点：,两段富含,GC,的反向互补序列，中间间隔若干核苷酸；,下游含一系列,T,序列。,5 GCCCGC,3,3 CGGGCG 5,反向互补序列,四、原核生物翻译水平的调节,起始和终止，尤其是起始阶段,起始的调节主要依靠调节分子，调节分子有蛋白质和,RNA,两类,调节方式,自我控制,/,调节,反义控制,/,调节,1.,自我控制,/,调节,调节蛋白结合,mRNA,靶位点，阻止核糖体识别翻译起始区，从而阻断翻译。,调节蛋白一般作用于自身,mRNA,，抑制自身的合成，称自我控制autogenous control),。,2.,反义控制,/,调节,调节,RNA,：调节基因表达的,RNA,。,例：细菌中的反义,RNA-,与特定,mRNA,翻译起始部位互补的,RNA,，通过与,mRNA,杂交阻断,30S,小亚基对起始密码子的识别及与,S-D,序列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控制,(antisense control),。,第四节,真核基因表达调节,Regulation of Gene Expression in Eukaryote,一、真核基因组结构特点,（一）结构庞大,数目多：,E.coli:4000,个基因，,4.610,6,bp,；人：,34,万个基因3x10,9,bp,，其中,1%,编码蛋白质，,510%,编码,tRNA,，,8090%,不能编码,结构复杂：真核,DNA,与组蛋白结合形成染色质,(,二,),转录产物为单顺反子,原核转录产物：多顺反子,mRNA,真核转录产物：单顺反子,mRNA-,一个编码基因转录成一条,mRNA,经翻译生成一条多肽链,（三）真核基因组含有大量的重复序列,多拷贝序列,高度重复序列：重复频率,10,6,次,中度重复序列：重复频率,:10,3,10,4,次,单拷贝序列：一次或几次,（四）真核基因的不连续性,转录区,外显子：编码序列,内含子：非编码序列,非转录区,/,间隔区（调控区）,二、真核基因表达调控更为复杂,（一）真核细胞内含有多种,RNA,聚合酶,RNA pol I,：,rRNA,前体,RNA pol II,：,mRNA,前体,RNA pol III,：,tRNA,前体,（二）活性染色质结构发生明显变化,活性染色质：具有转录活性的染色质,活性染色质的变化,对核酸酶敏感,DNA,拓扑结构变化,DNA,碱基甲基化修饰,组蛋白变化,DNA,拓扑结构变化,RNA-,pol,正超螺旋,负超螺旋,转录方向,DNA,碱基甲基化修饰,真核,DNA,约有,5%,的胞嘧啶被甲基化：,C,m,C,甲基化范围与基因表达程度呈反比,组蛋白变化,富含,Lys,组蛋白,(H1),水平降低,H2AH2B,二聚体不稳定性增加组蛋白,H3,、,H4,发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰,（三）正性调节占主导,采用正性调节机制更精确,采用负性调节不经济,（四）转录与翻译分区进行,转录,-,细胞核,翻译,-,胞浆,（五）转录后修饰、加工更复杂,三、,RNA Pol II,转录起始的调节,顺式作用元件,反式作用因子,mRNA,转录激活,（一）顺式作用元件,作用：影响转录活性,分类,启动子,(promoter),增强子,(enhancer),沉默子,(silencer),1.,启动子,概念：是,RNA,聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件。,结构,转录起始点,功能元件,(1),：,TATA,盒,GC,盒,CAAT,盒,最简单的启动子：转录起始点,+TATA,盒,典型的启动子：转录起始点,+TATA,盒,+GC,盒,+CAAT,盒（转录活性高）,CCAAT,盒,GC,盒,TATA,盒,转录起始点,高等真核生物,上游激活序,列（,UAS,）,TATA,盒,转录起始点,酵母,图,13-7,真核基因启动子的典型结构,2.,增强子,概念：远离转录起始点（,130kb,）,决定基因表达的时空特异性，增强启动子转录活性的,DNA,序列。,特点,无方向性（上游，下游，内部）,远距离作用,3.,沉默子,某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。,（二）反式作用因子,1,转录因子分类,基本转录因子,(general transcription factors):RNA,聚合酶结合启动子所必需的蛋白因子，决定三种,RNA(tRNA,mRNA,rRNA),的转录类别。,特异转录因子,(special transcription factors):,是特异基因转录所必需，决定该基因表达的时空特异性。,转录激活因子：增强子结合蛋白,(enhancer binding protein,EBP),转录抑制因子,:,沉默子结合蛋白,2.,转录因子结构,DNA,结合域,转录激活域,二聚化结构域,DNA,结合域,介导,DNA-,蛋白质相互作用,最常见的结构形式,锌指,(zinc finger),结构,碱性,AA,残基形成的,-,螺旋,锌指,(zinc finger),结构,常结合,GC,盒,C-Cys,H-His,结合在,DNA,的大沟,锌指结构与,DNA,的结合,碱性,-,螺旋,常,结合,CAAT,盒,碱性螺旋,-,环,-,螺旋,碱性亮氨酸拉链,转录激活域,30100AA,酸性激活域,谷氨酰胺富含域,脯氨酸富含域,二聚化结构域,介导蛋白质,-,蛋白质相互作用,碱性亮氨酸拉链结构参与二聚化作用,（三）,mRNA,转录激活,mRNA,转录激活：形成稳定的转录起始复合物,TFII D,的亚基,TATA,结合蛋白,(TATA binding protein,TBP),：结合,TATA,盒,TBP,相关因子,TBP-associated factors,TAF),：,TBP,的辅因子，辅助,TBP-TATA,结合,mRNA,转录激活过程：,PIC,稳定的转录起始复合物,调节：复杂多样,DNA,蛋白质相互作用,蛋白质,-,蛋白质相互作用,转录起始复合物的形成,Pol,TFH,TAF,TFF,TAF,TAF,TFA,TFB,TBP,DNA,TATA,EBP,TBP,四、小分子,RNA,对真核基因表达的调节,微小,RNA(microRNA,miRNA),小干扰,RNA(small interfering RNA,siRNA),miRNA,概念：是一大家族小分子非编码单链,RNA,，长度约,2025,个碱基，由一段具有发夹结构，长度为,7090,个碱基的单链,RNA,前体,(pre-miRNA),经,Dicer,酶切后形成。,作用机制：,miRNA+,蛋白质,RNA,诱导的沉默复合体,(RNA-induced silencing complex,RISC)RISC-mRNA,的,3UTR(3,端非编码区,),抑制翻译,miRNA,Pre-miRNA,miRNA,的作用机制,miRNA,的特点,其长度一般为,2025,个碱基；,在不同生物体中普遍存在；,其序列在不同生物中具有一定的保守性；,具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；,miRNA,基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中大多位于基因间隔区。,siRNA,概念：是细胞内一类双链,RNA(double-stranded RNA,，,dsRNA),在特定情况下通过一定酶切机制，转变为具有特定长度,(2123,个碱基,),和特定序列的小片段,RNA,。,双链,siRNA,参与,RISC,组成，与特异的靶,mRNA,完全互补结合，导致靶,mRNA,降解，阻断翻译过程。,由,siRNA,介导的基因表达抑制作用被称为,RNA,干涉,(RNA interference,，,RNAi),。,siRNA,作用机制,siRNA,miRNA,前体,内源或外源长双链,RNA,诱导产生,内源发夹结构的转录产物,结构,双链分子,单链分子,功能,降解,mRNA,阻遏其翻译，,降解,mRNA,靶,mRNA,结合,需完全互补,不需完全互补,生物学效应,抑制转座子活性和病毒感染,发育过程的调节，,疾病,siRNA,和,miRNA,的差异比较,小结,掌握基因表达的概念，基因转录激活调节基本要素：特异,DNA,序列、转录调节蛋白、,DNA-,蛋白质，蛋白质,-,蛋白质相互作用、,RNA,聚合酶。,掌握操纵子的概念、乳糖操纵子的结构和调节机制。,掌握,RNA Pol II,转录起始的调节（顺式作用元件和反式作用因子）。,掌握,miRNA,和,siRNA,的概念。,