表达调控常冰梅.ppt
Regulation of Gene Expression生物化学与分子生物学教研室常冰梅,基因表达调控,第一节 基本概念与原理第二节 原核基因表达调控第三节 真核基因表达调控,第 一 节基本概念与原理,Basic Conceptions and Principle,五、基因表达调控的基本原理,四、基因表达调控的生物学意义,三、基因表达的方式,二、基因表达的特征,一、基因表达的概念,一、基因表达的概念,1.基因(gene)负载特定遗传信息的DNA片段。,目 录,2.基因组(genome)来自一个生物体的一整套遗传物质。,是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。,3.基因表达(gene expression),mRNA 多肽 DNA tRNA rRNA 调节基因,无翻译产物,翻 译,转 录,无转录产物,结构基因,二、基因表达的特征,(一)时间特异性,目 录,(二)空间特异性,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，又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,在个体生长发育过程中，某种基因产物在个体不同的组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,目 录,三、基因表达的方式,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,(一)基本表达,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,这类基因表达被视为组成性或基本基因表达。（举例：TCA循环酶的编码基因，细胞膜结构蛋白的编码基因 线粒体内有关能量代谢的酶的编码基因等）,(二)诱导和阻遏表达,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)。（例如DNA损伤修复）,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)。（例如trp阻遏细菌酶）,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,(三)协调表达,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）维持细胞分化与个体发育,五、基因表达调控的基本原理,（一）基因表达的多级调控,DNA基因激活,RNA 转录起始 转录后加工 mRNA降解,Pr,(二)基因转录激活调节基本要素,1.特异DNA序列(DNA元件)2.转录调节蛋白3.DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用4.RNA聚合酶,（1)原核生物,操纵子(operon)结构,1.特异DNA序列(DNA元件)指具有调节功能的特异DNA序列。,（2)真核生物,顺式作用元件(cis-acting element),原核生物,操纵子(operon)机制,1）启动序列是RNA聚合酶结合并启动转录的特 异DNA序列。,TATAAT（pribnow 盒）TTGACA共有序列(consensus sequence)决定启动序列的转录活性大小。,2 操纵序列 阻遏蛋白(repressor)的结合位点,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,例如,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。,有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,1.特异DNA序列(DNA元件)指具有调节功能的特异DNA序列。,（2)真核生物,顺式作用元件(cis-acting element),真核生物,不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,2.转录调节蛋白（1）原核生物:均为DNA结合蛋白,因子（特异因子）：决定RNA聚合酶对启动序列的特异 性识别和结合能力。,阻遏蛋白：可结合操纵序列，阻遏基因转录。,激活蛋白：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。,（2）真核生物基因调节蛋白又称转录调节因子或转录因子（TF）,绝大多数真核转录调节因子由某一基因表 达后，通过与特异的顺式作用元件相互作用，影响另一基因的转录，称为反式作用因子（trans-acting factor）。,有些真核调节蛋白可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭，称为顺式调节作用。,3.DNA蛋白质、蛋白质蛋白质相互作用,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)。,4.RNA聚合酶,原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性,RNA聚合酶与启动序列/启动子的亲和力，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。,第二节 原核基因表达调控,Regulation of Prokaryotic Gene Transcription,一、原核生物基因表达调控的特点,1.以转录起始为主要调控点：因子决定RNA聚合酶识别特异性,2.主要通过操纵子模式进行调节,3.阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用4.多顺反子mRNA只在原核生物存在5.转录和翻译偶联,二、原核生物转录起始调控,以乳糖操纵子为例介绍原核生物操纵子调控模式,(一)乳糖操纵子(lac operon)的结构和功能,(一)乳糖操纵子(lac operon)的结构和功能 1.结构基因：Z、Y、A编码三种代谢乳糖的酶。2.调控序列：(1)调节序列(I基因)：编码阻遏蛋白(2)启动序列P：(3)操纵序列O：阻遏蛋白的结合位点(4)CAP结合序列：CAP(一种激活蛋白)结合位点,1.没有乳糖存在时,(二)阻遏蛋白介导的负性调节,2.有乳糖存在时,CAP有DNA和cAMP的结合位点。CAP-cAMP 结合到启动序列附近的CAP位点，激活转录。cAMP水平与G浓度有关。,（三）CAP的正性调节,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,（三）CAP的正性调节,CAP,cAMP,(四)协调调节,1.正、负性调节的协调(1)当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对乳糖操纵子不能发挥作用；(2)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。,有葡萄糖cAMP浓度低,mRNA,无乳糖时,有乳糖时,无葡萄糖 cAMP浓度高,极少mRNA,(四)协调调节,根据碳源性质选择代谢方式(1)单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；(2)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。(3)lac操纵子的最强诱导条件是高乳糖，无葡萄糖。,第 三 节 真核基因表达调控,Regulation of Eukaryotic Gene Transcription,一、真核基因组结构特点,1.真核基因组结构庞大、为二倍体,2.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。,3.重复序列,4.基因不连续性5.DNA与组蛋白构成染色质,二、真核基因表达调控特点,（一）RNA聚合酶,（二）活性染色体结构变化,1.对核酸酶（DNase）敏感,活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。,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碱基修饰变化甲基化程度降低,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 H3、H4组蛋白被修饰 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、加工复杂,三、RNA pol 转录起始调节,（一）顺式作用元件,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。,特点：(1)发挥作用的方式与其方向、距离无关。(2)常与启动子交错覆盖或连续排列。(3)与启动子关系：,（二）反式作用因子,1.转录调节因子分类（按功能特性）,(1)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。,(2)特异转录因子(special transcription factors),为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。,转录激活因子,转录抑制因子,2.转录调节因子结构,最常见的DNA结合域,(1)锌指(zinc finger),C CysH His,常结合GC盒,(2)碱性-螺旋,常结合CAAT盒,3）亮氨酸拉链结构：由两段-螺旋平行排列构成，其-螺旋中存在每隔7个残基规律性排列的Leu残基，Leu侧链交替排列而呈拉链状。两条肽链呈钳状与DNA结合。,真核基因转录调节是复杂的、多样的,*不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式；,*多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。,*转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。,本章知识点 1基因表达、管家基因、诱导、阻遏、操纵子、顺式作用元件、反式作用因子的概念2.基因转录调节的基本要素。3.乳糖操纵子基因表达调控模式。4.转录调节因子的分类、结构特征。5.比较真核原核基因表达调控的特点。,
