基因表达调控 (2)讲稿.ppt

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1、目录目录关于基因表达调控(2)第一页，讲稿共四十八页哦目录目录从整体水平到分子水平示意图从整体水平到分子水平示意图分子水平分子水平细胞水平细胞水平整体水平整体水平生命科学的发展过程生命科学的发展过程：第二页，讲稿共四十八页哦目录目录 生命科学的研究内容：生命科学的研究内容：生命物质的结构与功能，生物与生物之生命物质的结构与功能，生物与生物之间及生物与环境之间相互关系。间及生物与环境之间相互关系。生命科学的前沿领域：生命科学的前沿领域：分子生物学分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、发、分子遗传学、细胞生物学、发育生物学和神经生物学，而分子生物学是生命科育生物学和神经生物学，而分子生物学是生命科学

2、的核心前沿。学的核心前沿。生命科学是研究生命现象和生命活动规律生命科学是研究生命现象和生命活动规律的一门综合性学科。的一门综合性学科。第三页，讲稿共四十八页哦目录目录 分子生物学分子生物学从分子水平研究从分子水平研究生命现象及其规律的一门新兴学科。生命现象及其规律的一门新兴学科。它是生命科学中发展最快并且与它是生命科学中发展最快并且与其他学科广泛交叉和渗透的前沿领域。其他学科广泛交叉和渗透的前沿领域。第四页，讲稿共四十八页哦目录目录 由于分子生物学以其崭新的观点由于分子生物学以其崭新的观点和技术对其他学科的全面渗透，推动和技术对其他学科的全面渗透，推动了细胞生物学、遗传学、发育生物学了细胞生物

3、学、遗传学、发育生物学和神经生物学向分子水平的方向发展，和神经生物学向分子水平的方向发展，使这些学科已不再是原来的经典学科，使这些学科已不再是原来的经典学科，而成为生命科学的前沿。而成为生命科学的前沿。第五页，讲稿共四十八页哦目录目录 分子生物学技术：分子生物学技术：例如：例如：DNADNA及及RNARNA的印迹转移、核酸分子杂交、的印迹转移、核酸分子杂交、基因克隆、基因体外扩增、基因克隆、基因体外扩增、DNA DNA 测序等，形成了独特测序等，形成了独特的重组的重组DNADNA技术及其相关技术。技术及其相关技术。由生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗由生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗传学

4、、应用微生物学及免疫学等传学、应用微生物学及免疫学等各专业技术的渗各专业技术的渗透、综合透、综合而成，而成，并在此基础上发明和创造了一系列并在此基础上发明和创造了一系列新的技术。新的技术。第六页，讲稿共四十八页哦目录目录分子克隆分子克隆 (molecular cloning)重组重组DNA(recombinant DNA)技术是近代技术是近代分子生物学技术的核心。分子生物学技术的核心。基因操作基因操作 (gene manipulation)基因克隆基因克隆 (gene cloning)基因工程基因工程 (gene engineering)第七页，讲稿共四十八页哦目录目录分子医学分子医学（mol

5、ecular medicinemolecular medicine）：由于分子生物学渗透进入生物学由于分子生物学渗透进入生物学和医学和医学的每的每一分支领域，全面推动了生命科学和医学的各一分支领域，全面推动了生命科学和医学的各个方面的发展，如疾病的发病机理研究、疾病个方面的发展，如疾病的发病机理研究、疾病的诊断和治疗，使医学进入了一个崭新的时代。的诊断和治疗，使医学进入了一个崭新的时代。第八页，讲稿共四十八页哦目录目录遗传性状改变或治疗疾病遗传性状改变或治疗疾病 可能从某一生物体的基因组中分离出某一特定功能可能从某一生物体的基因组中分离出某一特定功能基因，导入到另一种生物的基因组。基因，导入到

6、另一种生物的基因组。基因工程和蛋白质工程基因工程和蛋白质工程 外源外源DNADNA与载体在体外进行连接，或在基因水平上与载体在体外进行连接，或在基因水平上进行有目的的定向诱变。进行有目的的定向诱变。生物技术进入了分子水平，基因（或生物技术进入了分子水平，基因（或DNADNA）也进入了）也进入了社会生产和人们生活的方方面面。社会生产和人们生活的方方面面。第九页，讲稿共四十八页哦目录目录 按照自己的意愿和社会需求改造基因，制备各按照自己的意愿和社会需求改造基因，制备各种具有生物活性的大分子。种具有生物活性的大分子。DNADNA、RNA RNA 和蛋白质成为人类治病、防病的一类新和蛋白质成为人类治病

7、、防病的一类新型的生物制品或药物。型的生物制品或药物。生物技术在农业上用于快速育种，改良品种，提高农生物技术在农业上用于快速育种，改良品种，提高农作物的产量、质量以及抗病虫害，抗干旱等能力。作物的产量、质量以及抗病虫害，抗干旱等能力。第十页，讲稿共四十八页哦目录目录分子生物学的分子生物学的主要主要研究内容研究内容 生物大分子的生物大分子的结构、功能，生物大分子结构、功能，生物大分子之间的相互作用及其与疾病发生、发展的关之间的相互作用及其与疾病发生、发展的关系。系。第十一页，讲稿共四十八页哦目录目录第一章第一章基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene Expression第十

8、二页，讲稿共四十八页哦目录目录第一节第一节概概 述述Basic Conceptions and Characters第十三页，讲稿共四十八页哦目录目录一、基因表达是基因转录和翻译的过程一、基因表达是基因转录和翻译的过程是基因转录及翻译的过程，也是基因所是基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码基序列，对于蛋白质编码基因，因，mRNA继而翻译成多肽链，并装配加工成最继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物。终的蛋白质产物。n基因表达基因表达(gene expressio

9、n)n基因表达是受调控的。基因表达是受调控的。第十四页，讲稿共四十八页哦目录目录二、基因表达具有时间特异性和空间特异性二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间顺序发生顺序发生n按功能需要，某一特定基因的表达严格按一按功能需要，某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。n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段阶段特异性特异性(stage specificity)。第十五

10、页，讲稿共四十八页哦目录目录（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特定（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同器官表达不同 n在在个个体体生生长长、发发育育过过程程中中，一一种种基基因因产产物物在在个个体体的的不不同同组组织织或或器器官官表表达达，即即在在个个体体的的不不同同空空间间出出现现，这这就就是是基基因因表表达的达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。n基基因因表表达达伴伴随随时时间间或或阶阶段段顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种空空间间分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细

11、胞胞在在器器官官的的分分布布所所决决定定的的，因因此此基基因因表表达达的的空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞特特异异性性(cell specificity)或或组组织特异性织特异性(tissue specificity)。第十六页，讲稿共四十八页哦目录目录三、基因表达的方式存在多样性三、基因表达的方式存在多样性n基因表达调控（基因表达调控（regulation of gene expression）就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位

12、于基因组内的基因如何被表达成为有功能子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或的蛋白质（或RNA），在什么组织表达，什么时候表达，表），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。达多少等。第十七页，讲稿共四十八页哦目录目录按对刺激的反应性，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：n组成性表达组成性表达n诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达第十八页，讲稿共四十八页哦目录目录（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达n某某些些基基因因在在一一个个生生物物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，不不 易易 受受 环环 境

13、境 条条 件件 的的 影影 响响，通通 常常 被被 称称 为为管管 家家 基基 因因(housekeeping gene)。n管管家家基基因因的的表表达达水水平平受受环环境境因因素素影影响响较较小小，而而是是在在生生物物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。这这类类基基因因表表达达被被视视为为组组成成性性基基因因表表达达(constitutive gene expression)。基本的基因表达水平并非绝对基本的基因表达水平并非绝对“一成不变一成不变”，所谓所谓“不变不变”是是相对的。相对的。第十九页，讲稿共四十八

14、页哦目录目录（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏n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，基基因因表达产物增加，即这种基因表达是可诱导的。表达产物增加，即这种基因表达是可诱导的。n可可诱诱导导基基因因(inducible gene)在在一一定定的的环环境境中中表表达达增强的过程，称为增强的过程，称为诱导诱导(induction)。n如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答时时被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因(repressible gene)。可可阻阻遏遏基基因因表表达达产物水平降

15、低的过程称为产物水平降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。第二十页，讲稿共四十八页哦目录目录n在在一一定定机机制制控控制制下下，功功能能上上相相关关的的一一组组基基因因，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，均均需需协协调调一一致致、共共同同表表达达，即即为为协协同同表表达达(coordinate expression)，这这种种调调节节称为称为协同调节协同调节(coordinate regulation)。（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节第二十一页，讲稿共四十八页哦目录目录四、基因表达调控受顺式作用元件和反四、基因表达调控受顺式作

16、用元件和反式作用因子共同调节式作用因子共同调节n一一般般说说来来，调调节节序序列列与与被被调调控控的的编编码码序序列列位位于于同同一一条条DNADNA链链上上，称称为为顺顺式式作作用用元元件件(cis-acting element)。n调调节节序序列列远远离离被被调调控控的的编编码码序序列列，实实际际上上是是其其他他分分子子的的编编码码基基因因，只只能能通通过过其其表表达达产产物物来来发发挥挥作作用用，这这些些蛋蛋白白质质分分子子称称为为反反式式作作用用因因子子(trans-acting factor)。第二十二页，讲稿共四十八页哦目录目录五、基因表达调控呈现多层次和复杂性五、基因表达调控呈现

17、多层次和复杂性n首先，遗传信息以基因的形式贮存于首先，遗传信息以基因的形式贮存于DNADNA中。中。n其其次次，遗遗传传信信息息经经转转录录由由DNADNA传传向向RNA RNA 过过程程中中的的许多环节。许多环节。(最重要、最复杂最重要、最复杂)n最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工。最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工。第二十三页，讲稿共四十八页哦目录目录六、基因表达调控为生物体生长、发育六、基因表达调控为生物体生长、发育的基础的基础（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生长和增殖生长和增殖生物体所处的内、外环境是在不断变化的。生物体所处的内、

18、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。其生长和增殖。第二十四页，讲稿共四十八页哦目录目录（二）生物体调节基因表达以维持细胞分（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调

19、节细胞表型的关键。细胞表型的关键。第二十五页，讲稿共四十八页哦目录目录第二节第二节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控Regulation of Gene Expression in Prokaryote 第二十六页，讲稿共四十八页哦目录目录原核生物基因组结构特点原核生物基因组结构特点 基因组中很少有重复序列；基因组中很少有重复序列；编编码码蛋蛋白白质质的的结结构构基基因因为为连连续续编编码码，且且多多为为单单拷拷贝贝基基因，但编码因，但编码rRNArRNA的基因仍然是多拷贝基因；的基因仍然是多拷贝基因；结结构构基基因因在在基基因因组组中中所所占占的的比比例例（约约占占50%50%）远远

20、远远大于真核基因组；大于真核基因组；许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子分子 第二十七页，讲稿共四十八页哦目录目录原核生物大多数基因表达调控是通过原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制操纵子机制实现实现一、一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位操纵子是原核基因转录调控的基本单位 蛋白质因子蛋白质因子特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动子启动子 操纵元件操纵元件 其他调节基因其他调节基因(promoter)(operator)第二十八页，讲稿共四十八页

21、哦目录目录操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性n多顺反子多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带了几个多肽链的编分子携带了几个多肽链的编码信息。码信息。n启动子启动子是是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件。基因表达效率的关键元件。n各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游-10及及-35区域存在一些相似序列，称为区域存在一些相似序列，称为共有序列共有序列。n E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域是区域是T

22、ATAAT，在，在-35区域为区域为TTGACAn 共有序列决定启动序列的转录活性大小。共有序列决定启动序列的转录活性大小。第二十九页，讲稿共四十八页哦目录目录基因表达有正调控和负调控基因表达有正调控和负调控调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：阻遏蛋白阻遏蛋白-负调控因素负调控因素 激活蛋白激活蛋白-正调控因素正调控因素 第三十页，讲稿共四十八页哦目录目录调调节节基基因因（regulatory gene）编编码码能能够够与与操操纵纵序序列列结结合合的的调调控控蛋蛋白白，可可以以分分为为三三类类：特特异异因因子子、阻阻遏遏蛋白和激活蛋白。蛋白和激活蛋白。调控蛋

23、白的作用分别是调控蛋白的作用分别是 特异因子特异因子决定决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力；别和结合能力；第三十一页，讲稿共四十八页哦目录目录 阻遏蛋白阻遏蛋白可以识别、结合特异可以识别、结合特异DNA序列序列操纵序列，抑制基操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（negative regulation）。阻）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在；遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在；激活蛋白激活蛋白可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列，提高序列，提高RNA聚合

24、酶聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转录活性，是聚合酶的转录活性，是一种正调控（一种正调控（positive regulation）。）。第三十二页，讲稿共四十八页哦目录目录二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控（一一）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序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNA第三十三页，讲稿共四十八页哦目录目录lac lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵

25、子与阻遏蛋白的负性调节第三十四页，讲稿共四十八页哦目录目录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节的双重调节阻遏基因阻遏基因1.1.阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节第三十五页，讲稿共四十八页哦目录目录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乳糖乳糖别乳糖别乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 laclac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节第三十六页，讲稿共四十八页哦目录目录+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度

26、高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时2.CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第三十七页，讲稿共四十八页哦目录目录3.3.协协同同调节调节n当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAP对对该该系系统统不不能能发发挥挥作用。作用。n如如无无CAP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列结合，操纵子仍无转录活性。结合，操纵子仍无转录活性。n单单纯纯乳乳糖糖存存在在时时，细细菌菌利利用用乳乳糖糖作作碳碳源源；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，细细菌菌首首先先利利用用葡葡萄萄糖糖。葡葡萄萄糖

27、糖对对 lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分分解代谢阻遏解代谢阻遏(catabolic repression)。第三十八页，讲稿共四十八页哦目录目录mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 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第三十九页，讲稿共四十八页哦目录目录CAPCAP、阻遏蛋白、阻遏蛋白、cAMPcAMP和诱导剂对和诱导剂对laclac操纵子的调节操纵子的调节 第四十页，讲稿共四十八页哦目录目录三、色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达三、色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达色氨酸操纵子的作用原理色

28、氨酸操纵子的作用原理Trp 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 操纵子关闭操纵子关闭第四十一页，讲稿共四十八页哦目录目录四、原核基因表达在转录终止阶段有不同的四、原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制调控机制（一一）不依）不依赖赖RhoRho因子的因子的转录终转录终止止（二）依（二）依赖赖RhoRho因子的因子的转录终转录终止止常见于噬菌体中，结构特点不清楚。常见于噬菌体中，结构特点不清楚。n两段富含两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；干核苷酸；n下游含一系列下游

29、含一系列T序列。序列。终止子结构特点：终止子结构特点：第四十二页，讲稿共四十八页哦目录目录五、原核基因表达在翻译水平的多个环节受到精细五、原核基因表达在翻译水平的多个环节受到精细调节调节（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性控的有效性衰减是转录衰减是转录-翻译的偶联调控翻译的偶联调控色色氨氨酸酸操操纵纵子子（trp operon）除除了了产产物物阻阻遏遏负负调调控控外，还有外，还有转录衰减（转录衰减（attenuation）调控方式。调控方式。第四十三页，讲稿共四十八页哦目录目录 色氨酸操纵子的结构及其关闭机制色氨酸操纵子的结构及其关闭机

30、制第四十四页，讲稿共四十八页哦目录目录（二）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进（二）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行自我调节 n调节蛋白结合调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。译起始区，从而阻断翻译。n调节蛋白一般作用于自身调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，抑制自身的合成，称称自我控制自我控制(autogenous control)。第四十五页，讲稿共四十八页哦目录目录（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的结合的结合实现对翻译起始的调控实现对翻译起始的调控n编码区

31、的起始点可与调节分子（蛋白质或编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或RNA）直接或间接地结合来决定翻译起始直接或间接地结合来决定翻译起始n调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖体的结合体的结合第四十六页，讲稿共四十八页哦目录目录（四）反义（四）反义RNA结合结合mRNA翻译起始部位的互补翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节序列对翻译进行调节n可调节基因表达的可调节基因表达的RNA称为调节称为调节RNA。n细细菌菌中中含含有有与与特特定定mRNA翻翻译译起起始始部部位位互互补补的的RNA，通通过过与与mRNA杂杂交交阻阻断断30S小小亚亚基基对对起起始始密密码码子子的的识识别别及及与与SD序序列列的的结结合合，抑抑制制翻翻译译起起始。这种调节称为始。这种调节称为反义控制反义控制(antisense control)。第四十七页，讲稿共四十八页哦目录目录感感谢谢大大家家观观看看第四十八页，讲稿共四十八页哦