Chapter 13 基因表达调控-精品文档资料整理.ppt

Regulation of Gene Expression基因表达调控基因表达调控第第 十十 三三 章章生物化学生物化学 Biochemistry基本概念与原理基本概念与原理Basic Conceptions and Principle转转 录录 调调 控控生物化学生物化学 Biochemistry一、一、基因表达的概念基因表达的概念基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。功能的蛋白质分子的过程。*基因表达基因表达(gene expression)基因表达是受调控的基因表达是受调控的生物化学生物化学 Biochemistry二、基因表达的时空特异性二、基因表达的时空特异性 时间特异性时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性(stage specificity)(stage specificity)。生物化学生物化学 Biochemistry空间特异性空间特异性基基因因表表达达伴伴随随空空间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的，所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特异异性性(cell(cell or tissue specificity)or tissue specificity)。在在个个体体生生长长全全过过程程，某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，称称之之为为基基因因表表达达的的空间特异性空间特异性(spatial specificity)(spatial specificity)。生物化学生物化学 Biochemistry三、基因表达的方式三、基因表达的方式 按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：组成型表达组成型表达和和诱导阻遏表达诱导阻遏表达。组成型表达组成型表达(constitutive expression)某某些些基基因因在在一一个个个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表表达达，通通常常被被称称为为管管家家基基因因(housekeeping(housekeeping gene)gene)。生物化学生物化学 Biochemistry无无论论表表达达水水平平高高低低，管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素影影响响，而而是是在在个个体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小。区区别别于于其其他他基基因因，这这类类基基因因表表达达被被视视为为组组成成型型基基因表达因表达(constitutive gene expression)(constitutive gene expression)。生物化学生物化学 Biochemistry诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，相相应应的的基基因因被被激激活活，基基因因表表达达产产物物增增加加，这这种种基基因因称称为为可可诱诱导导基因基因。可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中表表达达增增强强的的过过程程，称为称为诱导诱导(induction)(induction)。如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因。可可阻阻遏遏基基因因表表达达产产物物水水平平降低的过程称为降低的过程称为阻遏阻遏(repression)(repression)。生物化学生物化学 Biochemistry四、四、基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化维持个体发育与分化生物化学生物化学 Biochemistry五、基因表达调控的基本原理五、基因表达调控的基本原理基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNAmRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰生物化学生物化学 Biochemistry（一）原核生物转录调控（一）原核生物转录调控Regulation of Prokaryotic Gene Transcription原核生物基因表达调控的主要调控层次原核生物基因表达调控的主要调控层次启动子启动子是是RNARNA聚合酶结合的位点，聚合酶结合的位点，负责启动转录。负责启动转录。操纵基因操纵基因控制阻遏蛋白的结合，控制阻遏蛋白的结合，控制结构基因的转录。控制结构基因的转录。结构基因结构基因是转录是转录mRNAmRNA的模板。的模板。调节基因调节基因编码阻遏蛋白，能与操纵基因结合，编码阻遏蛋白，能与操纵基因结合，调控转录。调控转录。1.原核生物操纵子的概念：原核生物操纵子的概念：由启动子、操纵基因和结构基因组成。由启动子、操纵基因和结构基因组成。2.乳糖操纵子调节机制乳糖操纵子调节机制（1）乳糖操纵子）乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动子启动子操纵基因操纵基因 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：-半乳糖透性酶半乳糖透性酶A：乙酰转移酶：乙酰转移酶CAP：降解物基因激：降解物基因激活蛋白活蛋白ZYAOPCAPDNAI调节基因调节基因生物化学生物化学 BiochemistrymRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（2）阻遏蛋白的负调节）阻遏蛋白的负调节阻遏基因阻遏基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶+转录转录无葡萄糖，促进无葡萄糖，促进cAMPcAMP的生成，使的生成，使cAMPcAMP浓度升高，与浓度升高，与CAPCAP结合，并结结合，并结合到合到CAPCAP结合位点，促进结合位点，促进RNARNA聚合聚合酶与启动子结合，进行转录酶与启动子结合，进行转录有有G G，G G代谢产物抑制代谢产物抑制cAMPcAMP的产生，的产生，使使cAMPcAMP保持在较低浓度，与保持在较低浓度，与CAPCAP结合结合受阻，受阻，RNARNA聚合酶无法与启动子结合，聚合酶无法与启动子结合，转录受阻转录受阻（3）CAP(降解物基因激活蛋白降解物基因激活蛋白)的正调节的正调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPcAMP生物化学生物化学 Biochemistry（4）协调调节）协调调节当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAPCAP对对该该系系统统不不能能发挥作用；发挥作用；如如无无CAPCAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列结合，操纵子仍无转录活性。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；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，细细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。转转录录进进行行需需同同时时具具备备两两个个条条件件：无无阻阻遏遏蛋蛋白白结结合合在在操操纵纵基基因因上上；cAMPcAMP与与CAPCAP复复合合物物与与CAPCAP结合位点结合结合位点结合。mRNA低乳糖时低乳糖时高乳糖时高乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO有阻遏蛋白有阻遏蛋白有阻遏蛋白；有阻遏蛋白；cAMPcAMP无法结合无法结合CAPCAPcAMPcAMP无法结合无法结合CAPCAPTrp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 无活性无活性有活性有活性O有活性有活性3.色氨酸操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子生物化学生物化学 Biochemistry 利用操纵子模型解释酶合成的诱导和阻利用操纵子模型解释酶合成的诱导和阻遏，但要注意操纵子仅仅存在于原核细胞遏，但要注意操纵子仅仅存在于原核细胞，操，操纵子的调控是原核细胞转录水平的调控。真核纵子的调控是原核细胞转录水平的调控。真核细胞中没有操纵子，即真核细胞中功能上彼此细胞中没有操纵子，即真核细胞中功能上彼此有关的基因往往分布在不同染色体上，它们并有关的基因往往分布在不同染色体上，它们并不组成一个操纵子。不组成一个操纵子。生物化学生物化学 Biochemistry（二）真核基因转录调节（二）真核基因转录调节Regulation of Eukaryotic Gene Transcription生物化学生物化学 Biochemistry1.真核基因组结构特点真核基因组结构特点真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNA约约3 10 9 碱基对碱基对编码基因编码基因约有约有40000个，占总长的个，占总长的6%rDNA等重复基因等重复基因约占约占 5%10%单顺反子单顺反子单顺反子单顺反子(monocistron)即即一一个个编编码码基基因因转转录录生生成成一一个个mRNAmRNA分分子，经翻译生成一条多肽链。子，经翻译生成一条多肽链。重复序列重复序列单拷贝序列（一次）单拷贝序列（一次）高度重复序列（高度重复序列（106 次）次）中度重复序列（中度重复序列（103 104次）次）多拷贝序列多拷贝序列 基因不连续性基因不连续性 非编码区较多非编码区较多（多于编码序列（多于编码序列9:1）2.真核基因表达调控的多层次性真核基因表达调控的多层次性 DNA DNA水平的调控水平的调控：DNADNA甲基化、染色质甲基化、染色质/染色体对基染色体对基因表达的影响等因表达的影响等 转录水平的调控转录水平的调控：顺式作用元件、反式作用因子顺式作用元件、反式作用因子及转录起始调控及转录起始调控 转录后水平的调控转录后水平的调控：5 5加帽、加帽、3 3加尾、加尾、mRNAmRNA剪剪接及运输接及运输 翻译水平的调控翻译水平的调控：翻译起始调控、翻译起始调控、mRNAmRNA稳定性影稳定性影响、小分子响、小分子RNARNA对翻译的影响对翻译的影响 翻译后水平的调控翻译后水平的调控：肽链水解、肽链水解、AaAa共价修饰、共价修饰、PrPr的靶向运输的靶向运输顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)(cis-acting element)：是是同一同一DNADNA分子分子中具有中具有转录调节功能转录调节功能的特异的特异DNADNA序列序列。按功能特性，真。按功能特性，真核基因顺式作用元件包括核基因顺式作用元件包括启动子启动子、增强子增强子及及沉默子沉默子等。等。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)(trans-acting factor)：是指能直接或是指能直接或间接地间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上上参参与调控靶基因转录效率的与调控靶基因转录效率的蛋白质蛋白质。反式作用因子由另。反式作用因子由另一基因表达后，可与靶基因特异的顺式作用元件相互一基因表达后，可与靶基因特异的顺式作用元件相互作用，从而激活靶基因的转录。这种调节蛋白称反式作用，从而激活靶基因的转录。这种调节蛋白称反式作用因子。作用因子。转录水平调控转录水平调控生物化学生物化学 Biochemistry 顺式作用元件顺式作用元件（1）启动子（）启动子（promoter）真真核核基基因因启启动动子子是是在在基基因因转转录录起起始始位位点点（+1+1）及及其其5 5上上游游近近端端100-200 100-200 bpbp以以内内的的一一组组具具有有独独立立功功能能的的DNADNA序序列列，是是决决定定转转录录起起始始点点和和转转录录频频率率的的关键元件。关键元件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒生物化学生物化学 Biochemistry生物化学生物化学 Biochemistry（2）增强子增强子(enhancer)指指远远离离转转录录起起始始点点、决决定定基基因因的的时时间间、空间特异性、增强启动子转录活性的空间特异性、增强启动子转录活性的DNADNA序列。序列。生物化学生物化学 Biochemistry增强子的性质增强子的性质增强效应十分明显。增强效应十分明显。增强效应与其位置和取向无关。增强效应与其位置和取向无关。大多为重复序列，一般长约大多为重复序列，一般长约50bp50bp。增强效应有严密的组织和细胞特异性。增强效应有严密的组织和细胞特异性。没有基因专一性。没有基因专一性。许多增强子还受外部信号的调控。许多增强子还受外部信号的调控。生物化学生物化学 Biochemistry（3）沉默子）沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异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。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。反式作用因子反式作用因子 是指能直接或间接地是指能直接或间接地识别或结合在各类顺识别或结合在各类顺式作用元件核心序列式作用元件核心序列上上参与调控靶基因转参与调控靶基因转录效率的录效率的蛋白质蛋白质。反式作用因子由另一基。反式作用因子由另一基因表达后，可与靶基因特异的顺式作用元因表达后，可与靶基因特异的顺式作用元件相互作用，从而激活靶基因的转录。这件相互作用，从而激活靶基因的转录。这种调节蛋白称反式作用因子。种调节蛋白称反式作用因子。（1）反式作用因子的概念）反式作用因子的概念生物化学生物化学 Biochemistry（2）反式作用因子的类型）反式作用因子的类型 按功能特性按功能特性分类分类：基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)又又叫叫通通用用转转录录因因子子，是是RNARNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组蛋蛋白白因因子子，决决定定转转录录生生成成哪哪种种RNARNA(m(mRNARNA、tRNAtRNA或或rRNA)rRNA)。生物化学生物化学 Biochemistry 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定该该基基因因的的时间、空间特异性表达。时间、空间特异性表达。转录激活因子：多为增强子结合蛋白转录激活因子：多为增强子结合蛋白转录抑制因子：多为抑制子结合蛋白转录抑制因子：多为抑制子结合蛋白生物化学生物化学 Biochemistry（3）转录因子的转录因子的DNA结合域的结构特点结合域的结构特点DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域生物化学生物化学 Biochemistry最常见的最常见的DNA结合域结合域 锌指锌指(zinc finger)生物化学生物化学 Biochemistry锌指结构锌指结构生物化学生物化学 BiochemistryZnCysHis生物化学生物化学 Biochemistry锌指锌指C CysH His常结合常结合GC盒盒生物化学生物化学 Biochemistry亮氨酸拉链亮氨酸拉链（leucine zipper）生物化学生物化学 Biochemistry-螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒真核基因转录调节是真核基因转录调节是复杂的、多样的复杂的、多样的 不不同同的的DNA元元件件组组合合可可产产生生多多种种类类型型的的转转录调节方式。录调节方式。多多种种转转录录因因子子又又可可结结合合相相同同或或不不同同的的DNA元件。元件。转转录录因因子子与与DNA元元件件结结合合后后，对对转转录录激激活活过过程程所所产产生生的的效效果果各各异异，有有正正性性调调节节或或负负性性调节之分。调节之分。