第3章基因表达调控20028ppt.ppt

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1、West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,1,第 十 三 章,基因表达调控,Regulation of Gene Expression,Xiu-feng GaoWest China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,2,一、基因表达调控基本概念与原理,基因、基因组、基因表达的概

2、念 基因表达的特点 基因表达的方式 基因表达调控的意义,二、基因表达调控的基本原理,基因表达调控的多层次和复杂性基因转录激活调节的基本要素（特异DNA序列，调节蛋白，DNA-蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用，RNA聚合酶）,本章内容,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,3,真核基因组结构和表达调控特点 RNA pol I、RNApol II和pol III的转录调节（顺式作用元件，反式作用因子）mRNA转录激活及调节 转录后水平的调节 翻译水平的调节,三、原核基因表达调节,原核基因转录调节特点乳糖

3、操纵子的结构和调节机制原核生物转录终止调节原核生物翻译水平调节,四、真核基因表达调节,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,4,一、概念,基因(gene):是为生物活性产物（RNA或蛋白质）编码的DNA功能片段，是遗传的基本单位。包括：DNA编码序列、非编码调节序列、内含子 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。原核生物：单个的环状染色体所含的全部基因；真核生物：一个生物体全部单倍体DNA所包含的基因（染色体基因组）,第 一 节基本概念与原理,基因表达(gene e

4、xpression)：基因经过转录、翻译，产生RNA或蛋白质分子的过程。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,5,二、基因表达的特异性,（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)。,目 录,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Fe

5、ng Gao,6,（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，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,在个体生长、发育全过程，某种基因产物在个体的不同组织或器官表达，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,7,三、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,某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持

6、续表达,这类基因被称为管家基因(housekeeping gene);这类基因表达称为基本基因表达或组成性基因表达（constitutive gene expression).,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,8,（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,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 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。,阻遏(repression)可

7、阻遏基因表达产物水平降低的过程。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,9,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,协调表达和协调调节,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,10,四、基因表达调控的生物学意义,（一）适应环境、维

8、持生长和增殖,（二）维持个体发育与分化,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,11,第二节 基因表达调控的基本原理,一、基因表达的多级调控,DNA扩增DNA重排DNA修饰,转录起始 转录后加工mRNA降解,蛋白质翻译翻译后加工修饰蛋白质降解等,蛋白质水平,mRNA,DNA水平,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,12,（二）基因转录激活调节基本要素,特异DNA序列调节蛋白DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白

9、质相互作用RNA聚合酶,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,13,原核生物,操纵子(operon)机制,特异DNA序列,操纵子:大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集与染色体上，共同组成一个转录单位，也就是操纵子(operon)。包括:若干个结构基因及其上游的调控序列.,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,14,(1)启动序列:是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。,RNA转录起始,-35

10、区,-10区,TTGACA,TTAACT,TTTACA,TATGAT,TTTACA,TATGTT,TTGATA,TATAAT,CTGACG,TACTGT,N17,N16,N17,N16,N16,N7,N7,N6,N7,N6,A,A,A,A,A,trp,tRNATyr,lac,recA,Ara BAD,TTGACA,TATAATPribnow box,共有序列,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,15,共有序列(consensus sequence)决定启动序列的转录活性大小。,West Chin

11、a School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,16,(2)操纵序列 是原核阻遏蛋白(repressor)的结合位点.,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,17,(3)其他调节序列,分解(代谢)物基因激活蛋白(catabolite gene activator protein,CAP)结合位点;启动序列邻近的特异DNA序列，与CAP结合后，可促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性，使转录激活，介导正性调节。,W

12、est China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,18,真核生物,B,A,DNA,编码序列,按功能特性分为:启动子,增强子,沉默子,A,DNA,编码序列,转录起始点,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,19,增强子,顺式作用元件,结构基因,-GCGC-CAAT-TATA,真核生物启动子保守序列,启动子,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,X

13、iu Feng Gao,20,2.调节蛋白,原核生物调节蛋白,调节蛋白分三类特异因子:决定RNA聚合酶对启动序列的特异 性识别和结合能力.例如：s70,s32阻遏蛋白:可以识别结合操纵序列激活蛋白:结合启动序列临近的DNA序列,提高 RNA聚合酶的结合能力增强转录活性.,这些调节蛋白大部分是DNA结合蛋白,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,21,阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合 RNA聚合酶不能沿DNA向前移动,阻碍转录,介导负性调节。,当阻遏蛋白结合操纵序列,West China Schoo

14、l of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,22,分解（代谢）物基因激活蛋白,分解（代谢）物基因激活蛋白(CAP)，可结合启动序列邻近的特异DNA序列-分解（代谢）物基因激活蛋白结合位点，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性，使转录激活，介导正性调节。,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。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,23,真核基因的调节蛋白又称转录调节因子或转录因子(tran

15、scription factors),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。这种调节蛋白成为顺式作用蛋白.,由某一基因表达产生的蛋白质因子，与另一基因特异的顺式作用元件识别和结合，反式激活另一基因的转录,这种调节作用称为反式作用。这种调节蛋白称为反式作用因子.,反式作用因子(trans-acting factor),West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,24,这些调节蛋白大部分是DNA结合蛋白或是通过蛋白质-蛋白质相互作用调节转录.,West China

16、 School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,25,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。,DNA-蛋白质的相互作用,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,26,调节蛋白中的a-螺旋进入DNA分子的大沟或小沟时，螺旋中的某些氨基酸的侧链就会和一些碱基形成氢键，形成氨基酸与碱基之间的相互联系，形成DNA-蛋白质复合物。,West China Sc

17、hool of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,27,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)。,蛋白质-蛋白质的相互作用,同聚体(homodimer)例如：Lac 操纵子CAP是同二聚体异聚体(heterodimer)例如：Lac 操纵子阻遏蛋白是异四聚体,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,28,4.RNA聚合酶,原核启动序列和 真核启动子对RNA-pol的影

18、响,共有序列的改变影响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。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,29,总结：基因转录激活调节基本要素,特异DNA序列调节蛋白DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用RNA聚合酶,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,30,第 三 节

19、 原核基因表达调节,Regulation of Prokaryotic Gene Transcription,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,31,（一）因子决定RNA聚合酶(a2bb)的识别特异性,70：识别普通的启动子32：识别热休克蛋白的启动子38：识别碳源饥饿诱导表达基因启动子54：氮代谢相关的启动子,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,32,（二）操纵子模型的普遍性 大多数基因按功能

20、相关性成簇地串联、密集与染色体上，共同组成一个转录单位，也就是操纵子(operon)。,（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏和去阻遏。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,33,二、乳糖操纵子调节机制,(一)乳糖操纵子(lac operon)的结构,调控区,CAP结合位点,启动序列,操纵序列,结构基因,Z：-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶,Z,Y,A,O,P,DNA,I,West China School of Preclinical a

21、nd Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,34,-半乳糖苷酶:将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。-半乳糖苷透酶:使-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。-半乳糖苷乙酰基转移酶:是把乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,35,（二）阻遏蛋白的负性调节,mRNA,CAP结合位点,启动序列,操纵序列 operator,结构基因,Z,Y,A,O,P,DNA,I,阻遏蛋白repressor,没有乳糖时,P1,

22、West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,36,P:lac gene启动子PI:I gene 启动子O1:lac operon的主要操纵序列;O2 and O3:lac operon的次要操纵序列,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,37,Lac repressor 以四聚体的形式结合到操纵序列上,West China School of Preclinical and Forensic Medicin

23、e,Xiu Feng Gao,38,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,39,异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)是实验室常用的乳糖操纵子强的诱导剂。十分稳定，不被细菌分解。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,40,IPTG引起的阻遏蛋白的结构改变未结合 IPTG(浅色);结合 IPTG(清晰);IPTG没有显示,West China School of Preclinical and Forensi

24、c Medicine,Xiu Feng Gao,41,+转录,有葡萄糖，cAMP浓度降低，是分解代谢阻遏作用。,CAP,CAP,无葡萄糖，cAMP浓度增高,（三）CAP的正性调节,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,42,CAP与DNA的结合 红色:cAMP 黄色:和RNA-pol的作用位点,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,43,（四）协调调节,当阻遏蛋白结合操纵序列时，CAP对该系统不能发挥

25、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。,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，表现的是分解代谢阻遏(葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏,catabolic repression)；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源表现的是 去阻遏作用。,因此，在乳糖存在，葡萄糖缺乏的情况下乳糖操纵子才能被诱导。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,44,West China School of Preclinical and Forensic

26、Medicine,Xiu Feng Gao,45,依赖Rho()因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止,三、原核生物转录终止的调节,转录终止是指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,（一）原核生物的一般的转录终止机制,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,46,A T P,1.依赖 Rho因子的转录终止,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,47,mR

27、NA,5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3,DNA 编码链,UUUU.,茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3,2.非依赖Rho因子的转录终止,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,48,茎环结构使转录终止的机理,使RNA聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。,

28、5pppG,5 3,35,RNA-pol,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,49,原核生物翻译水平的调节,调节蛋白对翻译起始的调节反义RNA对翻译的调节作用,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,50,第 四 节 真核基因转录调节,Regulation of Eukaryotic Gene Transcription,West China School of Preclinical and For

29、ensic Medicine,Xiu Feng Gao,51,基因组庞大，大部分位于细胞核中,一般由多条染色体组成;每条染色体为线性DNA分子,具有多个复制起点;基因不连续性;存在大量不编码蛋白质的DNA序列;基因转录产物为单顺反子存在大量的重复序列(repeat sequence);有许多结构相似,功能相关的基因组成多基因家族(multigene families)核基因组外还存在有细胞器基因组.,真核生物基因组的结构特点,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,52,West China Sch

30、ool of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,53,人类染色体基因组(核基因组),24条染色条,DNA 约 3 10 9 碱基对,编码基因:约有50000个，占总长的6%.,Chr.Mb,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,54,1.对核酸酶敏感 当基因被激活时，染色体相应区域发生结构和性质变化。出现对DNaseI的超敏位点，最常出现在调节蛋白结合位点附近。,（一）活性染色体结构变化,二、真核基因表达调控特点,West China S

31、chool of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,55,2.DNA拓扑结构变化,天然双链DNA均以超螺旋构象存在；基因活化后，转录前方是正超螺旋，后面是负超螺旋。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,56,3.DNA碱基修饰变化,真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，最常发生在5侧翼区的CpG序列（CpG岛）,甲基化范围与基因表达程度呈反比。处于转录活化状态的基因是低甲基化。,4.组蛋白变化,富含Lys组蛋白水平降低(H1)H2A,H2

32、B二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,57,（二）RNA聚合酶,（三）正性调节占主导,（四）转录和翻译分隔进行,（五）转录后修饰、加工,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,58,四、RNA-pol转录起始的调节,（一）顺式作用元件,1.启动子,是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件。,最简单的启动子：一个转录起始点+TATA盒（TATAAA

33、A)-25-30bp区，TFD 结合位点 典型的启动子：+上游的GC盒(GGGCGG)-30-110bp区 或CAAT盒(GCCAAT)-30-110bp区，具有较高的转录活性,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,59,2.增强子(enhancer),3.沉默子(silencer),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。,指远离转录起始点（1-30kb)、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。是结合特异性转录因子的DNA核心序列。,West

34、China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,60,（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一组蛋白因子，决定mRNA、tRNA及rRNA转录的类别。,*特异转录因子(special transcription factors),为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。,转录激活因子：结合增强子,转录抑制因子：结合沉默子,West China School of Preclinical and

35、Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,61,2.转录因子结构,DNA结合域,转录激活域,TF,蛋白质-蛋白质结合域,（二聚化结构域）,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,62,转录因子中常见的结构,1.锌指(zinc finger),结合GC盒TF中的结构由30个aa残基组成2个Cys和2个His与锌离子形成配位键中间含有12个aa残基,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,

36、63,2.碱性-螺旋,常见结合CAAT盒转录因子中的结构,碱性a-螺旋-环-螺旋碱性亮氨酸拉链,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,64,亮氨酸拉链,亮氨酸拉链也是属于组合.是在一定肽段中每隔7个氨基酸残基就出现1个亮氨酸残基,其侧链为异丁基,呈Y字形,由于疏水力互相靠近,象拉链一样,此摸体在DNA结合蛋白中常见.,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,65,West China School of

37、 Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,66,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,67,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,68,RNA pol转录体系的调节,RNApol催化转录产物：rRNA前体,rRNA前体基因的启动子 核心元件(core element):-45+20bp,单独存在就可启动转录.上游控制元件(upstream cong

38、trol element,UCE)：-156-107bp,提高转录其始效率.,rRNA前体基因的TF上游结合因子1(upstream binding factor1,UBF1)：即能结合UCE，又能结合核心元件选择性因子1(selectivity factor1,SF1)：在UBF1后与两个元件结合，可能与蛋白间的相互作用有关。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,69,RNA pol转录体系的调节,RNApol 催化转录产物：tRNA、5srRNA等。,启动子：位于转录起始点下游，即转录区内，

39、称为内部控制区(internal control regions,ICR),TF：TFC：帮助TFB结合的辅助因子 TFB：转录必需的转录因子 TFC首先结合A盒和B盒 TFB 通过和TF C相互作用结合A盒上游 RNApol结合到转录其始点附近，开始转录 TFC脱落,tRNA的ICR有:A盒(TGGCNNAGTGG)B盒(GGTTCGANNCC),West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,70,5srRNA转录起始需三种TF TFA:首先和ICR结合 辅助TFB的结合作用 TFC：同tRNA的转录

40、TFB：同tRNA的转录，是必需的转录因子 在RNApol的定位方面起重要的作用。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,71,转录后调节,1.hnRNA 的加工2.mRNA 运输和降解.在整个运输的过程中都是与蛋白质结合形成核糖体复合物进行的。mRNA的寿命siRNA介导的转录后基因沉默,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,72,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,73,Gene silencing by RNA interference,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Xiu Feng Gao,74,翻译水平的调节,1.IF-2a的磷酸化抑制蛋白合成的起始 IF-2a的磷酸化由特异的蛋白激酶催化2.RNA结合蛋白对翻译起始的调节,