第十三章-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,*,同学们上午好,主 讲 叶 辉 博士 副教授,单 位 温州医学院生化教研室,世上真有长生不老的药吗？,传说秦始皇曾派五百童男童女东渡扶桑寻找仙药,难道你的梦想就仅仅止步于长生不老？,放飞,心情,人的性状是,由基因控制的,高中生物课里,我们学到什么？,将使,你的梦想成真,会有破茧成蝶的哪一天吗？,聪明鼠之父钱卓,钱卓的宝贝聪明鼠,基因改造,第十三章 基因表达调控,1961,年，,Francis Jacob,等通过,E.coli,基因表达调控研究提出了著名的操纵子学说,控制,中心法则,各步,进行快慢的调控系统,复制,RNA,RNA,蛋白质,蛋白质,逆转录,转录,翻译,翻译,复制,DNA,第一节基因表达调控的基本概念,Basic Conceptions of Gene Expression Regulation,基因表达,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,。,基因表达调控,控制基因表达的调节机制,例如：人类基因组含,3-4,万个基因，在某一特定时期或生长阶段，只有一小部分基因处于表达状态。,一、基因表达是指基因转录及翻译的过程,时间特异性,（阶段特异性）,空间特异性,（组织特异性）,基因表达按一定的时间顺序发生（,AFP,基因的表达）,多细胞生物在同一生长阶段，同一基因产物在不同组织器官表达多少不同（胰岛素基因的表达）,二、基因表达具有时间特异性和空间特异性,组成性表达,管家基因,某些基因在一个生物体的几乎所有细胞中持续表达，较少受环境因素的影响。,例如：为三羧酸循环的酶编码的基因,诱导和阻遏表达,（,受环境变化影响）,同一事物的两种表达形式（环境）,诱导表达,阻遏表达,乳糖操纵子是诱导，阻遏表达的典型模型,三、基因表达的方式及调节存在很大的差异,第二节基因表达调控的基本原理,Basic Principles of Gene Expression Regulation,基因表达的多水平调控,调控点,转录前水平,翻译水平,转录水平,转录后加工,翻译后水平,转录水平的调控,是基因表达,的最主要和重要的调控步骤,一、基因表达调控呈现多层次和复杂性,蛋白质因子,特异,DNA,序列,编码序列,mRNA,特异,DNA,序列,决定,基因的转录活性,转录调节蛋白,可以,增强,或抑制转录活性,二,、,基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节,原核生物,蛋白质因子,操纵子,(operon),机制,特异,DNA,序列,编码序列,启动序列,操纵序列,其他调节序列,(,promoter,),(,operator,),是,RNA,聚合酶结合并启动转录的特异,DNA,序列。,1,、,启动序列,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,共有序列,决定启动序列的转录活性大小。,某些特异因子（蛋白质）,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。,图,13-1,五种,E.coli,启动序列的共有序列,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。,启动序列,编码序列,操纵序列,pol,阻遏,蛋白,真核生物,1,、,顺式作用元件,(,cis,-acting element),可影响自身基因表达活性的,DNA,序列,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,图,13-2,顺式作用元件,真核生物顺式作用元件,GC,盒,TATA,盒,增强子,CAAT,盒,结构基因,转录起始,启动子,+1,-,25bp,沉默子,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,2,、,真核基因的调节蛋白,反式作用因子,转录调节蛋白,通过与,DNA,或,蛋白质,相互作用对,转录起始,进行调节,RNA,聚合酶,与基因的,启动序列,/,启动子,相,结合,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,调,节,特,点,操纵子受到阻遏蛋白的负性调节,因子决定,RNA,聚合酶识别特异性,操纵子模型的基因表达调控具有普遍性,二、操纵子调控模式在原核基因转录起始的调节中具有普遍性,（,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,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,（,二,）,乳糖操纵子受阻遏蛋白和,CAP,的双重调节,阻遏基因,1,、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,图,13-4,lac,操纵子与阻遏蛋白的负性调节,+,转录,无葡萄糖，,cAMP,浓度高时,有葡萄糖，,cAMP,浓度低时,2,、,CAP,的,正性调节,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,mRNA,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低,cAMP,浓度高,葡萄糖高,cAMP,浓度低,RNA-,pol,O,O,O,O,3.,协调调节,四,.,原核生物在翻译水平受多个环节的调节,（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节,（二）反义,RNA,结合,mRNA,翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节,（,一,）不依赖,Rho,因子的转录终止,（二）依赖,Rho,因子的转录终止,三,.,原核生物具有不同的转录终止调节机制,第四节 真核基因表达调节,Regulation of Gene Expression in Eukaryote,什么是基因组？,基因组（,genome,）是指来自一个生物体的一套遗传信息。,原核细胞基因组,指,单个环状染色体,所包含的全部基因；,真核生物基因组,指,所有染色体,所包含的所有,DNA,。,全球第一例中国人标准基因组序列图谱的一部分,人编码基因约,2-2.5,万个，编码序列仅占总长的,1%,一个编码基因转录生成一个,mRNA,分子，翻译成一条多肽链,单顺反子,（,monocisronic,）,一,.,真核基因组结构特点,重复序列,基因不连续性,基因两侧有不被转录的非编码序列（基因调控区）基因内部有内含子，不编码蛋白质。,多拷贝序列；单拷贝序列；反转重复序列（回文）,结构庞大,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,分别负责三种,RNA,的,转录,RNA,聚合酶,pol,RNA,聚合酶,RNA,聚合酶,pol,RNA,聚合酶,pol,对核酸酶敏感性增高,DNA,拓扑结构变化,DNA,碱基的甲基化修饰,组蛋白变化,甲基化与基因表达程度成反比,磷酸化与乙酰化使核小体结构变得不稳定有利于转录,（二）基因被激活时染色体结构变化,转录时,RNA,聚合酶前方转录区,DNA,为正超螺旋：后方负超螺旋；组蛋白解聚,核小体核心结构与,RNA,聚合酶,的转录,（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,转录在细胞核,翻译在胞浆,比原核复杂,正性调节更有效：基因组庞大，正性调节增加基因表达调节的特异性和精确性,负性调节不经济：基因多，多阻遏不如少激活,转录水平的调控,顺 式 作 用 元 件,反 式 作 用 因 子,启动子,（,promoter,）,增强子,（,enhancer,）,沉默子,（,silencer,）,四、,RNA,Pol,II,转录起始的调节非常复杂,三、,RNA,Pol,I,和,Pol,III,转录体系调节简单,真核生物顺式作用元件,GC,盒,TATA,盒,增强子,CAAT,盒,结构基因,转录起始,启动子,+1,-,25bp,沉默子,启动子,TATA,盒,GC,盒,CAAT,盒,（,TATAAAA,）,转录起始点上游,25-30bp,是基本转录因子,TFD,结合位点,（,GGGCGGG,）,转录起始点上游,80-110bp,，,管家基因,（,CCAAT,）,转录起始点上游,70-80bp,转录起始点上游,RNA-,pol,结合位点周围的一组转录控制功能组件，控制转录起始的准确性及频率,（,一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性,增强子,远离转录起始点（,1-30kb,），,决定基因时间，空间特异性表达，增强转录活性的,DNA,序列,转录起始启动子与增强子缺一不可,沉默子,负性调节元件，阻遏基因转录,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,真核基因的调节蛋白,反式作用因子,转录调节因子（,TF,）分类,基本转录因子,特异转录因子,RNA-,pol,结合启动子必需的一组蛋白因子,TFD,为通用转录因子,个别基因转录所必需的,种 类,转录激活蛋白,转录抑制蛋白,结合特点,与增强子结合,与沉默子结合,功 能,转录激活,转录抑制,反式作用因子,（,二）反式作用因子是重要的转录调控蛋白,反式作用因子结构,DNA,结合域,转录激活域,二聚化结构域,与顺式作用元件结合部位,介导蛋白质,-,蛋白质相互作用结构域,1,、螺旋,-,转角,-,螺旋,2,、锌指结构：,Cys,-,Cys,锌指；,Cys,-His,锌指,3,、,碱性亮氨酸拉链,（,basic,leucine,zipper,，,bZIP,）,：,形成二聚体,结合调节蛋白,螺旋,-,转角,-,螺旋模体,-,螺旋,-,转角,螺旋,螺旋,转角,N,C,最,常见的,DNA,结合域：,锌指模体,组氨酸残基,-,折叠,-,螺旋,Zn,半,胱氨酸残基,-,折叠,亮氨酸拉链模体,（三,）,mRNA转录激活需要转录起始复合物的形成,真核,RNA,聚合酶,在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。,Pol,TFH,TAF,TFF,TAF,TAF,TFA,TFB,TBP,DNA,TATA,EBP,TBP,图,13-9,转录起始复合物的形成,六,.,转录后水平的调节,（一）,hnRNA,加工成熟的调节,（二）,mRNA,运输、胞浆内稳定性的调节,加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。,通过与蛋白质结合形成,核蛋白体复合物,(RNP),进行。,五,.RNA,Pol,II,转录终止调节机制尚不清楚,七、翻译水平以及翻译后阶段仍可被调节,（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行,（二）,RNA,结合蛋白参与了对翻译起始的调节,（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达,（四）小分子,RNA,对基因表达的调节十分复杂,1,微小,RNA(,microRNA,miRNA,),2,小干扰,RNA(small interfering RNA,siRNA,),30,bp,双链,RNA,（,dsRNA,）,水解生成,21-23nt,siRNA,5,3,3,5,RISC,形成,识别特异序列,并使其降解,RNA,干扰作用机制,1.,掌握基因表达、基因表达调控的概念；,2.,掌握基因表达调控的基本原理、基因表达的多级调控、基因转录激活基本要素；,3.,掌握原核基因转录调节特点；,4.,掌握乳糖操纵子的结构、阻遏蛋白的负性调节、,CAP,的正性调节及协调调节。,本节课的重点,5.,掌握真核基因组结构特点、真核基因表达调控特点。,6.,掌握顺式作用元件、反式作用因子的概念及组成；,7.,掌握真核基因转录激活调节的基本要素。,本节课的重点,