基因表达调控 讲稿.ppt

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1、基因表达调控 第一页，讲稿共七十六页哦第二页，讲稿共七十六页哦第三页，讲稿共七十六页哦基因表达（gene expression）是指基因组中结构基因经过转录、翻译是指基因组中结构基因经过转录、翻译等过程，合成蛋白质，进而发挥其特定等过程，合成蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能的全过程。的生物学功能的全过程。第四页，讲稿共七十六页哦RNA 的合成 4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶 转录单位：结构基因、启动子、终止子 按碱基配对原则,沿5-3方向 真核生物有三型RNA聚合酶 分为起始阶段、延长阶级和终止阶段 转录后的产物经加工成为成熟的RNA第五页，讲稿共七十六页哦蛋白质的合成 合成体系：氨基

2、酸、mRNA、tRNA、核糖体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP、Mg mRNA编码区的三个相邻核苷酸组成密码子 tRNA起接合器作用，核糖体是合成场所和装配机 核糖体循环：起始、肽链延长和终止 翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚单位的聚合第六页，讲稿共七十六页哦基因表达及其调控的特点 管家基因管家基因（housekeeping gene）在一个生物在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。组成性基因表达组成性基因表达（constitutive gene expression）管家基因的表达方式，较少受管家基因的表达方式，较少受环境影响，在个体各生长

3、阶段的几乎全部组环境影响，在个体各生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小。织中持续表达或变化很小。第七页，讲稿共七十六页哦 诱导表达诱导表达（induction expression）有一些有一些基因表达极易受环境影响，在特定环境基因表达极易受环境影响，在特定环境信号刺激下，基因的表达开放或增强。信号刺激下，基因的表达开放或增强。阻遏表达阻遏表达（repression expression）在特定在特定环境信号刺激下，基因的表达关闭或减环境信号刺激下，基因的表达关闭或减弱。弱。第八页，讲稿共七十六页哦 时间特异性时间特异性（temporal specificity）在多在多细胞生物，从受精

4、卵到组织、器官形成细胞生物，从受精卵到组织、器官形成的各个发育阶段，相应的基因严格按照的各个发育阶段，相应的基因严格按照一定的时间顺序开启或关闭。一定的时间顺序开启或关闭。空间特异性空间特异性（spatial specificity）在个体在个体生长全过程，某基因产物在不同组织空生长全过程，某基因产物在不同组织空间顺序出现。间顺序出现。第九页，讲稿共七十六页哦 协调表达协调表达（coordinated expression）功能功能相关的一组基因，协调一致，共同表达相关的一组基因，协调一致，共同表达。又称协调调节。又称协调调节（coordinated regulation）第十页，讲稿共七十六

5、页哦基因表达的调控（gene expression regulation）是指各种细胞中相同的遗传信息，有规是指各种细胞中相同的遗传信息，有规律的选择性、程序性、适度的表达以适律的选择性、程序性、适度的表达以适应机体生长、发育、繁殖以及环境变化应机体生长、发育、繁殖以及环境变化的需要，发挥其生理功能的调节和控制的需要，发挥其生理功能的调节和控制。第十一页，讲稿共七十六页哦基因表达调控的生理意义 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第十二页，讲稿共七十六页哦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 基因转录激活调节基本因素基因

6、转录激活调节基本因素 特异特异DNA序列序列 调节蛋白调节蛋白 DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用 RNA聚合酶聚合酶第十三页，讲稿共七十六页哦Transcription5 GATCTGACTGACATAGACATAGAT 3 coding(=non-template)strand3 CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA 5 template strand 5 GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU 3 mRNA 第十四页，讲稿共七十六页哦第一节第一节原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控第十五页，讲稿共七十六页哦一 转录水平的调控（

7、一）影响转录的因素 启动子启动子 因子因子 阻遏蛋白阻遏蛋白 正调控蛋白正调控蛋白 倒位蛋白倒位蛋白 RNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物 衰减子衰减子第十六页，讲稿共七十六页哦操纵子操纵子调控区调控区信息区信息区启动子启动子操纵基因操纵基因第十七页，讲稿共七十六页哦启 动 子 决定转录方向及模板链：决定转录方向及模板链：E.coli的启动子长约的启动子长约40-60bp，至少包括三个功能区。，至少包括三个功能区。起始部位（起始部位（initiation site）1 结合部位（结合部位（binding site）-10bp，RNA聚合酶与聚合酶与之结合之结合 T80A95T45A60A50T96

8、识别部位（识别部位（recognition site）-35bp，因子与之因子与之结合结合 T82G78A65C54A95第十八页，讲稿共七十六页哦因子 不同的因子不同的因子可以竞争性的结合可以竞争性的结合RNA聚合聚合酶酶,环境变化可由到产生特定的环境变化可由到产生特定的因子，因子，从而打开一套特定的基因。从而打开一套特定的基因。阻遏蛋白（阻遏蛋白（repressor）与与DNA结合后都是抑制转录，这种基因表结合后都是抑制转录，这种基因表达调控的方式称为负调控。达调控的方式称为负调控。第十九页，讲稿共七十六页哦正调控蛋白 与与DNA结合后结合后促进转录促进转录，这种基因表达调，这种基因表达调

9、控的方式称为控的方式称为正调控正调控。CAP蛋白蛋白(catabolic gene activator protein，CAP)分解代谢物基因活化蛋白分解代谢物基因活化蛋白 ntrC蛋白蛋白 是大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白，其自是大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白，其自身活性可通过身活性可通过ntrB使其磷酸化（有活性）和去使其磷酸化（有活性）和去磷酸化（无活性）而被调节磷酸化（无活性）而被调节第二十页，讲稿共七十六页哦consensusTATA(Pribnow)boxE.coli Promoters 第二十一页，讲稿共七十六页哦倒位蛋白（inversion protein）是一种位点特异的重组酶。沙门

10、菌是一种位点特异的重组酶。沙门菌H1和和H2鞭毛蛋白分别由两个基因编码，在一个细鞭毛蛋白分别由两个基因编码，在一个细菌克隆中以表达一种鞭毛抗原为主。菌克隆中以表达一种鞭毛抗原为主。衰减子（衰减子（attenuator）又称弱化子，位于操纵子中第一个结构基又称弱化子，位于操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。因之前，是一段能减弱转录作用的序列。第二十二页，讲稿共七十六页哦RNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物 细菌在缺乏氨基酸的环境中，细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA聚合聚合酶活性降低，酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成）合成减少或停止减少或停止 这种现象称为严谨反应（这种现

11、象称为严谨反应（stringent response）第二十三页，讲稿共七十六页哦Positive vs.Negative Regulation 第二十四页，讲稿共七十六页哦Allosteric EffectorsBinding can also be required for binding of repressor(e.g.Trp)or can block an activator.第二十五页，讲稿共七十六页哦（二）转录的调控机制 乳糖操纵子调控的机制乳糖操纵子调控的机制 阿拉伯糖操纵子的调控机制阿拉伯糖操纵子的调控机制 色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制第二十六页，讲稿共七十六

12、页哦1.乳糖操纵子（lac operon）结构特点结构特点 三个结构基因三个结构基因Z、Y、A，分别编码，分别编码-半乳半乳糖苷酶糖苷酶(-galactosidase)、透酶、透酶(permease)和和半乳糖苷乙酰化酶半乳糖苷乙酰化酶(galactoside acetylase)其上游还有一个启动子（其上游还有一个启动子（P）和一个操纵基）和一个操纵基因（因（O）启动子上游还有一个启动子上游还有一个CAP蛋白结合位点蛋白结合位点第二十七页，讲稿共七十六页哦Organization of Lac Operon and LacIOperonpromoterRibosome initiation第

13、二十八页，讲稿共七十六页哦Regulation of Gene ExpressionIPTG also induces Splits lactose lactosetransport?（异丙基硫代半乳糖苷）半乳糖第二十九页，讲稿共七十六页哦第三十页，讲稿共七十六页哦cAMPAMPACAdenylate cyclase and CAP mediate glucose repression of LacAdenylate cyclase(AC)is an enzyme that synthesizes cyclic AMP(cAMP)from ATPHigh glucose adenylate c

14、yclase is inhibited(indirectly,via a catabolic product)Therefore cAMP levels are LOWAbsence of glucose adenylate cyclase is NOT repressedTherefore cAMP levels are HIGHcAMP forms a complex with the CAP protein,which allows it to then bind to the CAP site upstream of the Lac operon.Binding of the CAP

15、protein is required to allow RNA polymerase to bind to the lac promoter and turn on transcription.In the absence of CAP binding,there is no(or very little)transcription of the lactose operon,even in the presence of lactose.glucose第三十一页，讲稿共七十六页哦CAP Binding Bends DNAvThis DNA bending results in more e

16、fficient RNA polymerase binding第三十二页，讲稿共七十六页哦CAP mediates glucose repression of LacPromotes transcription第三十三页，讲稿共七十六页哦调控机制 I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶作纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶作用进入细胞，在用进入细胞，在-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（半乳糖，后者作为诱导剂（induce

17、r）与阻）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构基因转录。，结构基因转录。第三十四页，讲稿共七十六页哦Lactose Glucose-+-+-+LacICAP-cAMPFour States of the Lac Operon第三十五页，讲稿共七十六页哦2.阿拉伯糖操纵子（ara operon）结构特点结构特点 结构基因结构基因 B、A、D，分别编码异构酶（，分别编码异构酶（isomerase）、激酶（）、激酶（kinase）、表位酶）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖转变为），催化阿拉伯糖转变为5-磷磷酸木酮糖酸木酮糖 调控区调控区 由启

18、动子（由启动子（P）、起始区（）、起始区（I）和操）和操纵基因（纵基因（O）构成）构成第三十六页，讲稿共七十六页哦CAP第三十七页，讲稿共七十六页哦调控机制 C基因是调节基因，编码调控蛋白基因是调节基因，编码调控蛋白AraC，AraC蛋白单独存在时，结合到蛋白单独存在时，结合到araO1和和araO2，表现出负调控；阿拉伯糖使，表现出负调控；阿拉伯糖使AraC蛋白变构，结合到蛋白变构，结合到araI上，表现正调控。在上，表现正调控。在ara操纵子基因表达调控中，操纵子基因表达调控中，CAP蛋白的调蛋白的调控作用不显著。控作用不显著。第三十八页，讲稿共七十六页哦The Arabinose Ope

19、ron This loop prevents RNA transcription(NOT true for all loops)No Arabinose present,operon OFFArabinose present,Glucose absent,operon ON第三十九页，讲稿共七十六页哦调控作用 有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭 无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭 无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放第四十页，讲稿共七十六页哦3.色氨酸操纵子（trp operon）结构特点结构特点 E.coli的色氨酸操纵子有五个结构

20、基因的色氨酸操纵子有五个结构基因E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成基因编码三种酶，用于合成色氨酸，色氨酸，上游调控区由启动子（上游调控区由启动子（P）和操纵基因（）和操纵基因（O）组成）组成 R基因编码阻遏蛋白基因编码阻遏蛋白第四十一页，讲稿共七十六页哦第四十二页，讲稿共七十六页哦Genomic Organization of the Trp Operon 第四十三页，讲稿共七十六页哦调控机制 阻遏型操纵子及衰减机制。衰减子位于结阻遏型操纵子及衰减机制。衰减子位于结构基因构基因E和操纵基因和操纵基因O之间的之间的L基因中。基因中。L基基因的部分转录产物编码因的部分转录产物编码14个氨基

21、酸，其中个氨基酸，其中含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的偶联是产生衰减的基础。的偶联是产生衰减的基础。调控作用调控作用 将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。合成。第四十四页，讲稿共七十六页哦Control of Gene Expression in the Trp OperonThe enzyme catalyzing the first step in the pathway is inhibited by Trp(feedback con

22、trol).In the presence of Trp,a repressor protein binds to an operator upstream of the Trp operon and shuts off transcriptionAttenuation.There is a 160 base pair region in the Trp mRNA that causes transcription to terminate prematurely if Trp is present.第四十五页，讲稿共七十六页哦Trranscriptional Control第四十六页，讲稿共

23、七十六页哦Attenuation Control第四十七页，讲稿共七十六页哦二 翻译水平的调控 SD序列（序列（Shine-Dalgarno sequence）原核细胞多顺反子原核细胞多顺反子mRNA上的一段序列，位于上的一段序列，位于起始密码子上游起始密码子上游 SD序列与起始密码子的距离、蛋白质对序列与起始密码子的距离、蛋白质对SD序序列的作用，影响翻译的起始列的作用，影响翻译的起始 mRNA二级结构隐蔽二级结构隐蔽SD序列的作用序列的作用第四十八页，讲稿共七十六页哦 mRNA的稳定性的稳定性 mRNA的降解速度是翻译调控的一个重要因的降解速度是翻译调控的一个重要因素素 mRNA的稳定与其

24、序列和结构（即一级结构与的稳定与其序列和结构（即一级结构与次级结构）有关次级结构）有关第四十九页，讲稿共七十六页哦 翻译产物对自身翻译的影响翻译产物对自身翻译的影响 核糖体蛋白核糖体蛋白 50种蛋白质分布于不同操纵子各种蛋白质分布于不同操纵子各自编码一种可结合于自编码一种可结合于mRNA多顺反子上游特多顺反子上游特定部位的蛋白质，阻止核蛋白体结合定部位的蛋白质，阻止核蛋白体结合 翻译终止因子翻译终止因子RF2调节自身的翻译调节自身的翻译 前前25个密个密码子与后码子与后315个密码子间的个密码子间的UGAC在无在无RF2时时框移框移第五十页，讲稿共七十六页哦 小分子小分子RNA的调控作用的调控

25、作用 调整基因表达产物的类型调整基因表达产物的类型 mRNA干扰性互补干扰性互补RNA（mRNA interfering complementary RNA，micRNA）低水平表达基因的调控低水平表达基因的调控 小分子小分子RNA阻遏物在阻遏物在翻译水平严格控制低水平基因表达翻译水平严格控制低水平基因表达第五十一页，讲稿共七十六页哦第二节 真核基因的表达调控第五十二页，讲稿共七十六页哦一 DNA水平的调控 染色质丢失染色质丢失 低等生物及动物红细胞，不可低等生物及动物红细胞，不可逆逆 基因扩增基因扩增 基因重排基因重排 基因片段改变原衔接顺序，重排基因片段改变原衔接顺序，重排为完整的转录单位

26、为完整的转录单位第五十三页，讲稿共七十六页哦 DNA甲基化甲基化 与基因的表达成反比关系与基因的表达成反比关系 直接改变基因的构型影响转录因子与顺式作用直接改变基因的构型影响转录因子与顺式作用元件结合元件结合 5端调控序列甲基化后与核内甲基化端调控序列甲基化后与核内甲基化CG序列结合序列结合蛋白结合蛋白结合 DNase高敏感区为去甲基化的标志高敏感区为去甲基化的标志 染色质结构改变染色质结构改变 组蛋白与组蛋白与DNA结合与解离结合与解离 非组蛋白与组蛋白竞争结合非组蛋白与组蛋白竞争结合DNA，解除组蛋白对，解除组蛋白对基因表达的抑制基因表达的抑制第五十四页，讲稿共七十六页哦二 转录水平的调控

27、 (一一)转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成:真核生物的真核生物的RNA聚合酶识别的不是单纯的聚合酶识别的不是单纯的DNA序列，而是由序列，而是由一个通用转录因子（一个通用转录因子（transcription factor,TF）与）与DNA形成的蛋白质形成的蛋白质-DNA复合物复合物 TFIID结合结合TATA盒盒 RNA聚合酶结合聚合酶结合TFD，形成闭合的复合物，形成闭合的复合物 其它其它TF与与RNA聚合酶形成开放的复合物聚合酶形成开放的复合物第五十五页，讲稿共七十六页哦（二）反式作用因子 真核细胞内序列特异的真核细胞内序列特异的DNA（8-15bp）结合蛋白结合蛋白 可以使基因

28、开放（正调控）或关闭（负调可以使基因开放（正调控）或关闭（负调控）控）三个功能结构域：三个功能结构域：DNA结合域，转录活结合域，转录活性域，结合其它蛋白结构域性域，结合其它蛋白结构域第五十六页，讲稿共七十六页哦DNA Structure Major and Minor Grooves第五十七页，讲稿共七十六页哦DNA结合域（DNA-binding domain）锌指结构（锌指结构（Zinc finger motif）同源结构域（同源结构域（Homodomain）亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（Leucine zipper）螺旋环螺旋螺旋环螺旋(Helix-loop-helix structure)碱

29、性碱性 螺旋（螺旋（Alkaline-helix）第五十八页，讲稿共七十六页哦Zinc Finger Motif第五十九页，讲稿共七十六页哦Helix-Turn-Helix Motif第六十页，讲稿共七十六页哦Leucine Zipper第六十一页，讲稿共七十六页哦Leucine ZipperZipper:every 7th residue is a Leu Hydrophobic interface第六十二页，讲稿共七十六页哦H-Bonding in a Protein-DNA Interaction第六十三页，讲稿共七十六页哦转录活化结构域（transcriptional activati

30、on domain）酸性酸性-螺旋结构域（螺旋结构域（acidic helix domain）富含谷氨酰胺结构域（富含谷氨酰胺结构域（glutamine-rich domain）富含脯氨酸结构域（富含脯氨酸结构域（proline-rich domain）第六十四页，讲稿共七十六页哦（三）转录起始的调控 反式作用因子的活性调节反式作用因子的活性调节 表达式调节表达式调节 合成后即有活性，不能积累合成后即有活性，不能积累 共价修饰共价修饰 磷酸化、去磷酸化，糖基化磷酸化、去磷酸化，糖基化 配体结合配体结合 激素受体激素受体 蛋白质与蛋白质相互作用蛋白质与蛋白质相互作用 复合物的解离与形复合物的解离

31、与形成成第六十五页，讲稿共七十六页哦 反式作用因子与顺式元件的结合反式作用因子与顺式元件的结合 反式作用因子的作用方式反式作用因子的作用方式 成环成环 扭曲扭曲 滑动滑动 Oozing 反式作用因子的组合式调控作用反式作用因子的组合式调控作用 组合式基因调控（组合式基因调控（conbinatorial gene regulation）几种反式作用因子组合而发挥）几种反式作用因子组合而发挥特定作用特定作用第六十六页，讲稿共七十六页哦四 转录后水平的调控 加帽和加尾的调控意义加帽和加尾的调控意义 选择剪接的调控作用选择剪接的调控作用 选择剪接（选择剪接（alternative splicing）：

32、）：exon，intron是否出现在成熟是否出现在成熟mRNA是可以选择的是可以选择的 Exon选择，选择，intron选择，互斥选择，互斥exon，内部剪，内部剪接位点接位点 mRNA运输的控制运输的控制第六十七页，讲稿共七十六页哦第六十八页，讲稿共七十六页哦第六十九页，讲稿共七十六页哦第七十页，讲稿共七十六页哦 Recent genome-wide analyses of alternative splicing indicate that 4060%of human genes have alternativesplice forms,suggesting that alternativ

33、e splicing is one of the most significant components of the functional complexity of the human genome.Here we review these recent results from bioinformatics studies,assess their reliability and consider the impact of alternative splicing on biological functions.Although the big picture of alternati

34、ve splicing that is emerging from genomics is exciting,there are many challenges.High-throughput experimental verification of alternative splice forms,functional characterization,and regulation of alternative splicing are key directions for research.We recommend a community-based effort to discover

35、and characterize alternative splice forms comprehensively throughout the human genome.-A genomic view of alternative splicingBarmak Modrek&Christopher Leenature genetics volume 30 january 2002第七十一页，讲稿共七十六页哦五 翻译水平的调控 翻译起始的调控翻译起始的调控 阻遏蛋白的调控作用阻遏蛋白的调控作用 翻译起始因子的功能调控翻译起始因子的功能调控 AUG对翻译的调控对翻译的调控 mRNA5非编码区长度对翻译的影响非编码区长度对翻译的影响 mRNA稳定性调节稳定性调节 小分子小分子RNA对翻译水平的影响对翻译水平的影响第七十二页，讲稿共七十六页哦二 翻译后水平的调控 新生肽链的水解新生肽链的水解 肽链中氨基酸残基的修饰肽链中氨基酸残基的修饰 通过信号肽分拣、运输、定位通过信号肽分拣、运输、定位第七十三页，讲稿共七十六页哦第七十四页，讲稿共七十六页哦第七十五页，讲稿共七十六页哦第七十六页，讲稿共七十六页哦