基因表达与调控.ppt

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1、第39章 基因表达的调控,一、概述,每种生物在生长发育和分化的过程中，以及在对外环境的反应中，各种相关基因有条不紊的表达起着至关重要的作用。通过基因表达，DNA中的遗传信息即可用以决定细胞的表型和生物形状。但是，基因的表达随着组织细胞及个体发育的阶段的不同，随着内外环境的变化的不同，而表现为不同的基因的表达。,基因(gene):,是一段DNA分子，编码一种多肽链或RNA。,基因组(genome)：,指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,1.几个重要的概念,基因表达(gene expression)：,在一定调节机制控制下，基因经过转录及翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质或RNA分

2、子的过程。,简单地说，基因表达就是基因的转录和翻译过程。,大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因如tRNA和rRNA基因表达产物是RNA。,基因表达的特性,时间特异性或阶段特异性,空间特异性或组织细胞特异性,时间特异性（temporal specificity）,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，这就是基因表达的时间特异性。,如噬菌体、病毒、细菌、侵入缩主后，呈现一定的感染阶段。,阶段特异性（stage specificity）,多细胞生物基因表达表现为与分化、发育阶段一致的时间性,因此又称阶段特异性。,如在多细胞生物从受精卵到组织，器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严

3、格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。,空间特异性（spatial specificity）:,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，就是基因表达的空间特异性。,细胞特异性（cell specificity）或组织特异性（tissue specificity）:,基因表达的空间特异性又称为细胞特异性或组织特异性，因为基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的。,2.基因表达的方式,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,基本或组成性(constitutive expression)基因表达,某些基因在一个生

4、物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(house-keeping gene)。,无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性表达。,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(inducible gene)。,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时被抑制，这种基因是可阻遏基因(repressible gene),可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏(repressi

5、on),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)。,3.基因表达调控的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖,生物体赖以生存的外环境是在不断变化的，为了生存，所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应，调节代谢，以适应环境变化。生物体适应环境、调节代谢的能力与蛋白质分子的生物学功能有关。而蛋白质的水平又受基因表达的调控。,维持个体发育与分化,多细胞生物调节基因的表达除为适应环境外，还有维持组织器官分化、个体发育的功能。当某种基

6、因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器官的发育异常。,二、原核生物基因表达的调节,1.操纵子模型,转录调节普遍采用操纵子模式，原核生物功能相关的基因往往串联地排列在一起，在一个共同的调控区的调节下，一起转录生成一个多顺反子，最终表达产物是一些功能相关的酶或蛋白质，它们一起参与某种底物的代谢或某种产物的合成。,Franois Jacob and Jacques Monod,was awarded the 1965 Nobel Prize for Physiology or Medicine for discoveries concerning regulatory activities in

7、bacteria.,操纵子(operon)的结构与功能,Inhibitor gene,P,S1,S2,S3,启动子,结构基因1，2，3.,O,操纵基因,Promoter,Operator gene,Structure gene,调控区,结构基因,操纵子,表达阻遏蛋白,结合RNA聚合酶,结合阻遏蛋白,表达功能蛋白,?,I,阻遏物（调节）基因,在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合与DNA的启动子及RNA聚合酶后，转录才会进行。在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不

8、进行。,2.关于正调控与负调控,在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白(repressor)阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。负控诱导系统阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。负控阻遏系统阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。,酶的诱导和阻遏操纵子模型,B.有活性阻遏蛋白加诱导剂,A.有活性阻遏蛋白,C.无活性阻遏蛋白,D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂,以乳糖操纵子为列介绍 原核生物操纵子调控模式,乳糖操纵子的结构,1.三个结构基因,Z 基因：,编码-半乳糖苷酶（galac

9、tosidase），分解乳糖成为半乳糖和葡萄糖,Y 基因：,编码透过酶（permease），使外界乳糖等透过大肠杆菌细胞壁进入细胞内。,A 基因：,编码乙酰基转移酶（acetylase），能将乙酰CoA上的乙酰基转移到半乳糖上，形成乙酰半乳糖。,2.三个调节序列：,在结构基因的上游还有一个启动子（P）和一个操纵基因（O），在启动子上游还有一个分解（代谢）物基因激活蛋白（catabolite gene activation protein,CAP）或腺苷酸受体蛋白（cAMP receptor protein,CRP)结合位点，以及一个调节基因（I）（又称R基因），调节基因编码阻遏蛋白。,没有乳糖

10、存在时,3.乳糖操纵子的调节机制,I.阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,实际上，别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物。人们发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被-半乳糖苷酶水解的-半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）起着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以IPTG常用于诱导含有使用了lac启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。,II.CAP的正性调节,III.CAP的正性调节:,CAP蛋白是一个同二聚体，具有DNA结合域和cAMP结合位点。当没有葡萄糖存在时，由于cAMP的浓度受葡萄糖代谢的调节，cAMP浓度表现为较高，这时cAMP

11、与CAP蛋白结合形成cAMPCAP复合物。此复合物可结合剂lac启动基因上游附近的CAP位点上，从而可增强转录达50倍之多。,当培养基中有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，cAMP与CAP蛋白不能形成复合物，也就不能结合到CAP位点，lac基因的转录水平较低。由此可见，对lac操纵子来说CAP是正性调节因素，lac阻遏蛋白是负性调节因素。,葡萄糖降解物与cAMP的关系,乳糖操纵子调控方式的比较,负调控,正调控,调节蛋白 阻遏蛋白 CAP,变构物 别乳糖、乳糖 cAMP,与变构物结合 无活性 有活性,基因位点 O基因 CAP位点,结合于基因位点 基因关闭 基因开放,未结合于基因位点 基因开放 基因

12、关闭,不与变构物结合 有活性 无活性,IV.协调调节,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）。,4.转录衰减作用（attenuation）,是指转录可正常启动，但在转录进到第一个结构基因前即突然停止的过程。由于这一终止作用并不能使正在进行的结构基因转录中途止，而仅是部分中途停止转录，所以称为转录衰减。,I.衰减子（attenuator）,在原核生物的Trp操纵子结构中，第一个结构基因与启动子P之间有一个区域含 Trp密码子，称为衰减子。当环境中 T

13、rp浓度很高时，它可通过编码并翻译成Trp而终止Trp操纵子的表达，这种转录衰减实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联，它是原核生物特有的一种基因调控机制。,II.大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制,C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位，3与4 碱基配对，转录终止。,A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。,B.低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。,Trp-codon,7US,5.生长速度的调控 营养丰富，温度适宜时，细菌的生长速度可以很快，在两个细胞尚未分裂的情况下，新一代的DNA已经开始合成，大肠杆菌的倍增时间为25分钟时，平均每个细胞的DNA分子为4.5个，核糖体的数

14、目也很多。,当营养严重缺乏时，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一二种氨基酸，而是氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。细菌进入严紧控制状态，这是在困难时期获得生存的策略，被称为严紧控制（stringent control）。,当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp（四磷酸鸟苷，魔斑I，magic spot I)或pppGpp（五磷酸鸟苷，魔斑II，magic spot II)大量合成，其浓度可增加10倍以上。ppGpp的出现会

15、关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因，以应付这种紧急状况。当环境中出现足够的氨基酸时，pppGpp和ppGpp被迅速降解，RNA和蛋白质的合成很快恢复。四(五）磷酸鸟苷是控制多种反应的效应分子，最显著的与RNA聚合酶结合降低rRNA的合成。,ppGpp和pppGpp的合成与作用,6.基因表达的时序调控 噬菌体基因表达的时序调控研究较深入，其50个基因组成4个操纵子。阻遏蛋白操纵子 左早期操纵子 右早期操纵子 晚期操纵子,噬菌体的调节基因和转录产物 cI、cro、N、Q以及cII和cIII为调节基因。pL和pR为左右启动子；oL和oR分左右操纵基因。nutL和nutR为N蛋白结合位点；

16、qut为Q蛋白结合位点；tL1、tR1、tR2、tR3、tR4为左右中止子。L1、L2、L3、R1、R2、R3、R4和R5分别为左右操纵子的转录产物。,左向转录的为L链，右向转录的为R链，当噬菌体侵入宿主细胞后，前早期(cro，N）和后早期的基因首先表达，随后，若晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环，若合成阻遏蛋白，则进入溶原状态。右早期操纵子的调节基因cro可抑制溶原型阻遏蛋白cI的合成，使噬菌体进入裂解循环，l噬菌体对两个生活史的的选择取决于cI和cro的拮抗。紫外线和42度高温等可钝化cI，结果进入裂解循环。左早期操纵子的调节基因N的表达产物为抗终止子，使前早期基因的转录越过终止信号进入后早

17、期基因，后早期基因包括左右早期操纵子的3个调节基因，c/c与建立溶原状态的阻遏蛋白的合成有关，Q调节基因的产物亦为抗终止子，使晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环。,7.翻译水平的调节和反义RNA,翻译水平的调节的调节包括：不同mRNA的翻译能力差异、翻译的阻遏和反义RNA的调节 某些RNA分子也可调节基因表达,这种RNA称为调节RNA.,细菌中有种称为反义RNA的调节RNA,含有与特定 mRNA 翻译起始部位互补的序列,通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合,抑制翻译起始,这类RNA又称作干扰mRNA的互补RNA(mRNA interfering compleme

18、ntary RNA,micRNA),这种调节称为反义控制(antisense control)。,Mizuno等发现在E.coli中有两个膜蛋白质OmpF、OmpC，当渗透压高时，F低而C高。两个基因受OmpR调节，（与渗透压感受有关）发现一种小分子RNA，micRNA，大约174核苷酸，可与OmpF的mRNA的5端互补，直接干扰模板的翻译能力，抑制后者的翻译。,三.真核基因表达调节,一、真核基因组结构特点真核基因组结构庞大，染色体结构 具有多个复制起点.单顺反子 含有大量重复序列 基因不连续性，内含子，外显子 非编码区较多（占8090）转录与翻译分隔进行 转录后修饰加工,1、真核基因组结构特

19、点,真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没有特定生物学功能的DNA片段，可占整个基因组DNA的90%。根据重复频率可将其分为高度重复序列、中度重复序列和单拷贝序列。,单拷贝序列（一次或数次）,关于C值悖理（C value paradox)生物体的单倍体基因组所含DNA总量称为C值。生物进化总体趋势是C值不断增加。但生物基因组的大小同生物在进化上所处地位并不完全比例增加，如鱼类和两栖类的C值远远高于哺乳类，这种现象称为C值悖理。,2.真核基因表达调节,4.转运调节,真核基因表达调控的七个水平,转录前水平调节1）染色体丢失2）基因扩增3）基因重排4）DNA的修饰和异染色质化,转录活性

20、的调节 1）染色体质的活化 对核酸酶敏感,活化的染色质DNA会出现一些DNase I超敏位点，常出现在调节蛋白结合位点附近。在真核DNA有约5%的胞嘧啶被甲基化为5甲基胞嘧啶，这种甲基化最常发生在某些基因5侧翼区的GpG序列-CpG岛。DNA甲基化与基因的表达呈反比关系，管家基因富含CpG岛，不被甲基化。,顺式作用元件(cis-acting element):指在基因调控区域中不需要通过其编码产物而直接控制基因表达的DNA片段，如:启动子、增强子、沉默子、绝缘子。启动子：RNA聚合酶结合位点周围的一 组转录控制组件，一个转录起始点有一个以 上功能组件，TATA、CAAT、GC框等，CAAT、G

21、C框属上游控制元件，决定基因表达的基础 水平。对于可诱导基因，还有对细胞内外信 号作出反应的应答元件（response element),2）启动子和增强子的顺式作用元件,增强子(enhancer)：远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列。通过启动子起作用，与距离无关，无方向性，具有组织特异性。沉默子(silencer)：负性调节元件，是负调节蛋白的结合位点。绝缘子（insulator）：阻止激活或阻遏作用在染色体上的传递，使染色体活性限定在结构域之内。,3）调节转录的反式作用因子,反式作用因子(trans-acting factor):和调控序列相结合

22、或间接影响其作用的蛋白质因子,统称反式因子。可分为：基本(通用）转录因子(basal transcriptionfactor):与RNA Pol一起形成转录起始复合物。上游因子（upstream factor)：结合在启动子和增强子的上游结合位点。可诱导因子（inducible factor)：与应答元件相互作用。有些因子活性受修饰控制，如磷酸化激活。,反式作用因子的结构 DNA结合结构域 转录激活域 蛋白质蛋白质结合域（二聚化结构域）,DNA结合结构域有共同的结构特征,1）螺旋-转角-螺旋(Helix-turn-helix,HTH）。最常见DNA结合域之一，螺旋识别、进入 DNA双螺旋结构的

23、大沟。,3)亮氨酸拉链(Leucine-zippers):一段肽链中每隔7个AA即有一个Leu 螺旋。亲水面：亲水AA组成，疏水面：Leu组成（亮氨酸拉链条）。可形成二聚体（发挥作用）。同二聚体/异二聚体）。DNA的结合域：拉链区以外结构（碱性氨基酸），磷酸化可增加其活性。,4)螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH):-螺旋有兼性,形成二聚体,有利于其与DNA结合，N末端碱性氨基酸与DNA结合。,螺旋,螺旋,环,EF手基序钙调蛋白的钙结合位点的螺旋区-泡区-螺旋区结构,Ca2+,Ehelix,Fhelix,E,F,5)EF手基序(EF-hand),转录后水平的调节(mRNA的加工）翻译水平调节 主要是控制mRNA的稳定性和 有选择的翻译 翻译后水平调节 蛋白质的加工与修饰,原核与真核基因表达调控特点比较 原核基因转录调节特点 真核基因表达调控特点 一种RNA-pol,决定 三种RNA-pol 识别特异性 操纵子模型的普遍性 活性染色体结构发生变化 阻遏蛋白与阻遏机 正性调节占主导 制的普遍性 转录与翻译相偶连 转录与翻译分割进行 转录后修饰加工简单 转录后修饰加工复杂,