《基因表达调控 》PPT课件.ppt

第 十 三 章,基因表达调控,Regulation of Gene Expression,P321,第 一 节基本概念与原理,Basic Conceptions and Principle,主 要 内 容基因表达的概念基因表达的特异性基因表达的方式基因表达调控的生物学意义,一、基因表达的概念,基因组(genome)：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,基因表达(gene expression)：基因转录与翻译的过程。,基因表达调控(control of gene expression)：生物体内基因表达的开启、关闭和表达强度的直接调节。,二、基因表达的时间性及空间性,（一）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。,（二）空间特异性在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,目 录,三、基因表达的方式,（一）组成性表达(constitutive gene expression)指较少受环境因素影响的一类基因表达。管家基因(housekeeping gene)：某些基因表达产物对整 个生命过程都是必需的，这类基因在一个生物个体的几乎所 有细胞中持续表达，称为管家基因。,（二）诱导和阻遏表达适应性表达(adaptive expression)：指容易受环境变化影响的一类基因表达。在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。,如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。,四、基因表达调控的生物学意义,（一）适应环境、维持生长和增殖,（二）维持个体发育与分化,基因激活,转录起始,蛋白质翻译,翻译后加工修饰,转录起始,转录后加工,第二节、基因表达调控的基本原理,（一）基因表达的多级调控,（二）基因转录激活调节基本要素,基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。,1.特异DNA序列2.调节蛋白3.DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用4.RNA聚合酶,regulation protein,RNA polymerase,specific DNA sequence,（一）.特异DNA序列,*特异DNA序列：主要指具有调节功能的DNA序列。*原核生物的基因表达调控是通过操纵子机制实现的。*真核基因调控机制普遍涉及编码基因两侧的DNA 序列 顺式作用元件。,原核生物,操纵子(operon)机制(P325),结构基因,1)顺式作用元件(cis-acting element),真核生物,真核生物编码基因两侧的DNA序列,可影响自身基因的表达活性,通常是非编码序列,包括启动子、增强子、沉默子,（二）.调节蛋白,1）原核生物基因调节蛋白分为三类：,特异因子：决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。阻遏蛋白（repressor）：可识别结合特异性的DNA序列操纵序列，阻遏基因转录。激活蛋白（activator）：可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。,原核生物,操纵子(operon)机制(P325),结构基因,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。,由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。,这种调节作用称为反式作用。,2)真核基因的调节蛋白,反式作用因子(trans-acting factor),反式调节,顺式调节,基因产物特异识别、结合其它基因的调节序列，从而导致该基因的开启或关闭称调节为反式调节,基因产物特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭称为顺式调节,指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。,绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。,（四）.RNA聚合酶,原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性,RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。,调节蛋白与RNA聚合酶活性,一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。,第 三 节 原核基因表达调节,Regulation of Prokaryotic Gene Expression,P328,（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性,（二）操纵子模型的普遍性,（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,操纵子(operon)(P329)：由若干个功能相关的结构基因及其上游(upstream)的调控序列组成，是原核生物基因表达调控的基本方式。,启动子(promoter)(P325)：指RNA聚合酶识别、结合 并开始转录的一段DNA序列。,原核生物,操纵子(operon)机制(P325),结构基因,是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。,1)启动序列,决定启动序列的转录活性大小（consensus sequence）,2 操纵序列 阻遏蛋白(repressor)的结合位点,与启动序列毗邻或接近的DNA序列，是原核阻遏蛋白的结合位点。其DNA序列常与启动序列交错、重叠。当操纵序列结合有阻遏蛋白时，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。,3)其他调节序列、调节蛋白,激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。,CAP结合位点,CAP分解代谢物激活蛋白有些基因在没有分解代谢物激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。如Lac operon,二、乳糖操纵子调节机制(P329),（一）乳糖操纵子（lac operon）的结构,（二）阻遏蛋白的负性调节,（三）CAP的正性调节,（四）协调调节,二、乳糖操纵子调节机制,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,没有乳糖存在时,（二）阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,乳糖操纵子被诱导物开放,P329,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,CAP,CAP结合位点,（三）CAP的正性调节,没有CAP存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列,A simplified lac operon model.,Polycistronic mRNA:The three genes Z,Y,and A are coordinately expressed.Negative regulation:The product of the I gene,the repressor,blocks the expression of the Z,Y,and A genes by interacting with the operator(O).3.The inducer can inactivate the repressor,thereby preventing interaction with the operator.When this happens,the operon is fully expressed.,（四）协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；,如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。,低葡萄糖、低乳糖,葡萄糖与乳糖共存,高葡萄糖、低乳糖,单独存在乳糖,Lac阻遏蛋白负性调节与cAMP正性调节两种机制协调合作,P331,Positive and negative regulation of the lac operon,以转录起始为主要调控点；操纵子是大多数基因簇的调控方式，主要以代谢酶类作为受调控对象；以负调控居主要优势，由诱导物解除阻遏；多顺反子mRNA 只在原核生物出现；相当多基因属于组成型表达(constitutive expression)，即在整个生活过程中以恒定而适当的速率表达。这些基因在真核生物也称为管家基因(house keeping gene)。,原核生物基因表达调控的特点：,第四节 真核生物基因表达的调节,Regulation of Eukaryotic Gene Expression,P332,一、真核基因组结构特点,（一）真核基因组结构庞大,（二）单顺反子,单顺反子(monocistron)：即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。,（三）重复序列,（四）基因不连续性,二、真核基因表达调控特点（自学）,（一）RNA聚合酶（二）活性染色体结构变化（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后加工、修饰,二、真核基因表达调控特点,（一）RNA聚合酶,RNA polymerases I,II and IIItranscribe rRNA,mRNA and tRNA genes,respectively,TBP(TATA-binding protein),（二）活性染色体结构变化,1.对核酸酶敏感,活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。,Digestion of chromatin with DNase I.,2.DNA拓扑结构变化,天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；,基因活化后,3.DNA碱基修饰变化,4.组蛋白变化,富含Lys组蛋白水平降低 H2A,H2B二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露,（三）正性调节占主导,（四）转录与翻译分隔进行,（五）转录后修饰、加工,三、真核基因转录激活调节,（一）顺式作用元件,启动子(promotor)2.增强子(enhancer)3.沉默子(silencer),顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子,1.启动子,真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。,336页,-70bp 反式作用因子结合位点,-25bp RNA聚合酶结合位点 控制转录起始的精确性,上游启动子序列（UPE）控制着转录起始的频率,真核基因的顺式作用元件,336页,增强子,发挥作用的方式通常与方向、距离无关。,Silent,Silent,Expressed,沉默子,沉默子,反式作用因子的分类(P337),1.转录调节因子分类（按功能特性）基本转录因子（general transcription factors）：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。特异转录因子（special transcription factors）：为个别基因转录所需，决定该基因的时间、空间特异性表达。有转录激活因子和转录抑制因子两种。,2.转录调节因子结构,1.螺旋-转角-螺旋,Insertion of an a-helix into the major groove,最常见的DNA结合域,常结合CAAT盒,2.锌指(zinc finger),常结合GC盒,二聚化结构域,The HLH motif is responsible for both dimerization and DNA binding.,螺旋-环-螺旋,亮氨酸拉链,（三）mRNA 转录激活及其调节(P339),真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物,TBP相关因子,4、真核基因转录调控的机制,*一种反式作用因子能与一种以上的顺式作用元件结合,*一种顺式作用元件能与一种以上的反式作用因子结合,*有些反式作用因子的活性通过化学修饰（如磷酸化）受到调节,*有些反式作用因子以二聚体或多聚体与顺式作用元件结合,*有些反式作用因子通过反式作用因子之间的相互作用而对转录进行调节,Evolution of understanding of eukaryotic transcription,真核基因转录调节是复杂的、多样的,P341 小分子RNA对基因表达的调节,RNA组学 RNomics微小RNA(miRNA)小干扰RNA,小 结,1.基因、基因组、基因表达、基因表达调控的概念(基因表达调控主要在转录水平)2.操纵子、启动子的概念3.以乳糖操纵子为例、说明操纵子的结构及原核生物基因表达调控的过程4.顺式作用元件5.反式作用因子（DNA结合域的结构）6.MiRNA,SiRNA,Summary,Key words,Repressor ActivatorProkaryoteEukaryoteCAPEnhancer,Gene expression Operator PromoterOperonCis-acting elementTrans-acting factor,