分子细胞生物学-赵艳第八章2节真核生物基因控.ppt

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1、第八章第二节第二节 基因表达调控基因表达调控 贮存着生物体遗传信息的贮存着生物体遗传信息的基因基因经经转录和翻译成转录和翻译成蛋白质蛋白质的过程。的过程。一、基因表达概念一、基因表达概念1、基因表达的、基因表达的时间性时间性：生物体的不同发育阶段；细胞的生长、增生物体的不同发育阶段；细胞的生长、增殖、分化、衰老及死亡等不同阶段殖、分化、衰老及死亡等不同阶段不同的组织细胞发挥不同的生理功能不同的组织细胞发挥不同的生理功能2、基因表达的、基因表达的空间性空间性：1、组成性表达组成性表达 2、诱导和阻遏表达、诱导和阻遏表达二、基因表达的方式二、基因表达的方式 1 1、组成性表达组成性表达（Const

2、itutive Constitutive expression):expression):看家基因看家基因(housekeeping geneshousekeeping genes):):基因的表达基因的表达是持续性的，不受调控的。是持续性的，不受调控的。如：组成机体的如：组成机体的结构蛋白结构蛋白；三羧酸循环中的三羧酸循环中的代谢酶代谢酶等。等。2 2、诱导和阻遏表达、诱导和阻遏表达：基因的表达受调节物的诱导或阻遏。基因的表达受调节物的诱导或阻遏。如：参与如：参与DNA修复的酶类；某些代谢酶等。修复的酶类；某些代谢酶等。三、基因表达调控的生物学意义三、基因表达调控的生物学意义（一）适应内外环

3、境的变化（一）适应内外环境的变化（二）维持个体生长，发育，增殖，分化（二）维持个体生长，发育，增殖，分化 蛋白质是生物功能的直接执行者，在特定蛋白质是生物功能的直接执行者，在特定的时间和空间表达特定的蛋白质是满足上的时间和空间表达特定的蛋白质是满足上述功能需要的保障之一。述功能需要的保障之一。四、四、原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控 研究研究原核生物原核生物的基因表达调控模的基因表达调控模式可以为探索更复杂的式可以为探索更复杂的真核细胞真核细胞基基因表达调控机制提供重要的线索，因表达调控机制提供重要的线索，对对基因工程基因工程也有重要的指导意义。也有重要的指导意义。（一）细菌代谢酶

4、的诱导葡萄糖葡萄糖乳糖乳糖细菌合成代谢葡萄糖葡萄糖的酶类细菌合成代谢乳糖乳糖的酶类（二）操纵子（二）操纵子(operon)的结构与功的结构与功能能Inhibitor genePS1S2S3启动子启动子结构基因结构基因1，2，3O操纵基因操纵基因PromoterOperator geneStructure gene调控区调控区结构基因结构基因表达表达阻阻遏蛋白遏蛋白 结合结合RNA聚合酶聚合酶 结合结合阻遏蛋白阻遏蛋白表达表达功能蛋白功能蛋白 tI阻遏物基因阻遏物基因（三）乳糖操纵子乳糖操纵子的工作原理：1.负调控方式负调控方式PZYA启动子启动子分解代谢乳糖乳糖的的三种酶基因O O操纵基因操纵

5、基因调控区调控区结构基因结构基因阻遏蛋白乳糖变构变构阻遏蛋白变构失活失活阻遏蛋白I阻遏物基因阻遏物基因阻遏蛋白阻遏状态Z:-半乳糖苷酶Y:乳糖穿透酶A:转乙酰基酶诱导状态表达不能表达2.乳糖操纵子乳糖操纵子正调控方式正调控方式PZYA启动子启动子分解代谢乳糖乳糖的三种酶基因O操纵基因调控区调控区结构基因结构基因 CAP变构变构CAP变构激激活活cAMPCAP CAP位点位点 (Catabolite Activator Protein site)CAPCAP:代谢物激活蛋白乳糖操纵子乳糖操纵子正调控与正调控与葡萄糖效应葡萄糖效应有关有关 细菌优先利用细菌优先利用葡萄糖葡萄糖作为能源作为能源 有葡

6、萄糖：有葡萄糖：cAMPCAP无活性无活性不促进转录不促进转录无葡萄糖：无葡萄糖：cAMPCAP有活性有活性促进转录促进转录（四）色氨酸操纵子（四）色氨酸操纵子 1.阻遏物介导的负调控阻遏物介导的负调控trpEtrpCTrp 阻遏阻遏蛋白基因蛋白基因启动子启动子操纵操纵基因基因 前导序列前导序列 （leader）衰减子（衰减子（attenuator）色氨酸生物合成色氨酸生物合成酶系基因酶系基因trpDTrp阻阻遏蛋白遏蛋白色氨酸色氨酸 变构变构Trp阻遏阻遏蛋白蛋白有活性有活性Trp阻遏阻遏蛋白蛋白色氨酸色氨酸无活性无活性Trp阻阻遏蛋白遏蛋白体现节省原则体现节省原则2.2.衰减子衰减子介导的

7、负调控介导的负调控trpE 前导序列 （leader）衰减子（衰减子（attenuatorattenuator）序列 1序列 2序列 3序列 4序列2序列3序列3序列4AUAUUAUUUUUUU序列 1两个相邻的色氨酸密码子衰减子衰减子结构 序列2序列3 1 1（1 1）细菌内）细菌内色氨酸色氨酸（trptrp）缺乏缺乏时时核糖体序列4核糖体停留在序列1色氨酸密码子处序列2和3配对形成发夹结构序列3和4无法形成衰减子结构继续转录合成trp的mRNAtrp结构基因 （2）细菌内）细菌内色氨酸色氨酸（trp）充足充足时时核糖体核糖体占据序列1和序列2序列3和4形成衰减子结构 转录 终止！核糖体顺利

8、通过序列1色氨酸密码子处序列2序列3序列4AUAUUAUUUUUUU基因表达的多级调控基因表达的多级调控（一）（一）DNA水平水平 基因丢失；基因丢失；基因扩增基因扩增基因重排；基因重排；甲基化修饰；甲基化修饰；染色质的结构状态染色质的结构状态（二）（二）RNA水平水平转录水平调控转录水平调控；RNA的转录后加工；的转录后加工；mRNA从核内向胞浆转运；从核内向胞浆转运；mRNA稳定性稳定性（三）（三）蛋白质水平蛋白质水平翻译过程；翻译过程；翻译后加工；翻译后加工；蛋白质的稳定性蛋白质的稳定性五、真核生物基因表达与调控五、真核生物基因表达与调控（一）（一）DNADNA水平水平DNADNA甲甲基

9、基化化（DNA DNA methylationmethylation）与与基基因因表表达阻遏有关达阻遏有关 基因组印记基因组印记（genomic imprintinggenomic imprinting）是说明甲基化作用在基因表达中具有是说明甲基化作用在基因表达中具有 重要意义的最好例证，也是哺乳动物重要意义的最好例证，也是哺乳动物 所特有的现象。所特有的现象。染色质结构与基因表达染色质结构与基因表达 与与DNA的的结合能力结合能力下降下降基因的基因的转录活性转录活性DNA去甲基化、去甲基化、增强子和某增强子和某些些蛋白质因子蛋白质因子染色质染色质结构松散结构松散基因的基因的转录活性转录活性

10、组蛋白被磷酸化、组蛋白被磷酸化、甲基化、甲基化、乙酰化乙酰化等修饰等修饰 真核细胞的真核细胞的染色质染色质结构是调节基因表达的结构是调节基因表达的物物理因素理因素。结构结构松散松散的区域，基因的转录的区域，基因的转录活性高活性高。1 1、真核生物的、真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶 种类种类 转录产物转录产物 对对鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱的敏感性的敏感性 RNA pol RNA pol RNA pol 45S是是5.8S、18S和和28S rRNA的前体的前体hnRNA是是mRNA的前体的前体45S rRNA 不敏感不敏感hnRNA和和snRNA 高度敏感高度敏感tRNA和和5S-rRNA 中度敏感

11、中度敏感10/50（二）（二）RNARNA转录水平的调控转录水平的调控RNA聚合聚合酶保护区酶保护区结构基因结构基因终止点终止点10-10TTGACATATAAT转录转录起始点起始点+1-35（Pribnow box）RNA聚合酶聚合酶辨认结合区辨认结合区转录起始区转录起始区12/505mRNA35编码链编码链模板链模板链2 2、顺式作用元件与反式作用因子调控基因转录、顺式作用元件与反式作用因子调控基因转录起始起始 （1 1）顺式作用元件（）顺式作用元件（cis-acting elementcis-acting element）能与特异性能与特异性转录因子转录因子结合，以决定转录的结合，以决定

12、转录的起起始位点始位点、转录效率转录效率及及转录的时空特异性转录的时空特异性的的DNADNA序列序列。包括：包括：启动子（启动子（promoterpromoter），上游启动子序列（），上游启动子序列（UPS or UPS or UPEUPE），增强子（），增强子（enhancerenhancer），沉默子（），沉默子（silencer silencer），及各种），及各种因子的反应元件等。因子的反应元件等。真正转录真正转录终止点终止点GCGC-CAAT-TATA-ATGAATAAA修饰点修饰点外显子外显子内含子内含子翻译起始翻译起始转录起始转录起始TATA盒盒(Hogness box)CAA

13、T盒盒 GC盒盒增强子增强子切离加尾切离加尾真核生物真核生物RNA pol RNA pol 转录的基因转录的基因翻译终止翻译终止18/50启动子启动子 GC盒盒 TATA 盒盒结构基因结构基因+1 决定基因表决定基因表达的基础水平达的基础水平 与与RNA poly II 结合，决定转结合，决定转录起始点的精录起始点的精确定位。确定位。CAAT盒盒 上游启动子序列（上游启动子序列（UPS）-25-35-70-80-110确保转录精确而有效地起始的确保转录精确而有效地起始的DNADNA序列序列增强子增强子 能增强启动子活性的能增强启动子活性的DNA序列。序列。特点：特点：1.能远距离增强启动子的活

14、性；2.在启动子的上游和下游均起作用；3.无方向性；4.对启动子的影响无严格的专一性。作用机理：作用机理：目前已知增强子增强子与蛋白质因子结合后能改变染色质的结构。含义：含义：沉默子（沉默子（Silencer)Silencer)作用与增强子相反，在基因表达作用与增强子相反，在基因表达调控中起抑制作用的一种顺式作调控中起抑制作用的一种顺式作用元件；用元件；调控作用也不受距离和方向的限调控作用也不受距离和方向的限制。制。（2）反式作用因子）反式作用因子 （trans-acting factor）能直接或间接识别和结合在顺式作用能直接或间接识别和结合在顺式作用元件上，调控靶基因表达的元件上，调控靶基

15、因表达的蛋白质蛋白质因子因子，也称为，也称为转录因子转录因子（transcriptional factortranscriptional factor，TFTF）。蛋白质蛋白质-DNA-DNA，蛋白质，蛋白质-蛋白质相蛋白质相互作用（互作用（interactioninteraction）是其发挥功能）是其发挥功能的基础。的基础。（3 3）顺式作用元件与反式作用因）顺式作用元件与反式作用因子的相互作用子的相互作用 基因表达调控基因表达调控是顺式作用元件与反式作是顺式作用元件与反式作用因子相互作用的结果，二者缺一不可。用因子相互作用的结果，二者缺一不可。反式作用因子必需具备反式作用因子必需具备两个

16、条件两个条件：与特异顺式作用元件结合的与特异顺式作用元件结合的DNA结合区；结合区；如：如：螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋；锌指结构锌指结构；一个或多个与其他调控因子结合的区域。一个或多个与其他调控因子结合的区域。（3）转录因子上的几种重要结构域）转录因子上的几种重要结构域基元（基元（motif）a.a.螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋（helix-turn-helixhelix-turn-helix，HTHHTH）HTH的的基本结构基本结构是两个是两个螺旋螺旋被一个被一个转角转角结构分开。结构分开。其中一个其中一个螺旋螺旋识别识别特异的顺式作用元件特异的顺式作用元件上的上的DNA序列，另一个序列，

17、另一个螺旋则螺旋则结合结合在在DNA上，上，调控基因的转录。调控基因的转录。螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋b.锌指锌指（Zinc finger）某些转录因子的某些转录因子的DNADNA结合区域成指状结构，在其底结合区域成指状结构，在其底部有部有2 2个个CysCys和和2 2个个HisHis，或，或4 4个个Cys Cys 与锌离子螯合。与锌离子螯合。：任一其他：任一其他 氨基酸氨基酸C：半胱氨酸：半胱氨酸 H：组氨酸：组氨酸 Cys2/Cys2锌指锌指Cys2/His2锌指锌指见于见于甾体激素受体甾体激素受体见于见于SP1，TF A等等XN NC C锌指N NC Cc.亮氨酸拉链亮氨酸拉链（L

18、eu zipper）蛋白质之间的相互作用是生命现象蛋白质之间的相互作用是生命现象的普遍规律之一，在基因表达调控中的普遍规律之一，在基因表达调控中同样具有重要意义。同样具有重要意义。亮氨酸拉链亮氨酸拉链是蛋白质二聚体化是蛋白质二聚体化(蛋蛋白质相互作用的一种方式白质相互作用的一种方式)的一种结构的一种结构基础。基础。某些癌基因某些癌基因(如如c-junc-jun，v-junv-jun，c-fosc-fos，v-fosv-fos等等)表达产物通过表达产物通过亮氨酸拉链亮氨酸拉链形形成同源或异源二聚体，大大增加对成同源或异源二聚体，大大增加对DNADNA的结合能力，调控基因表达。的结合能力，调控基因

19、表达。在亮氨酸拉链近在亮氨酸拉链近N-端有富含端有富含碱碱性性(带正电荷带正电荷)氨基酸残基的区域，氨基酸残基的区域，是是DNA的结合区的结合区。亮氨酸拉链亮氨酸拉链是一个高亮氨酸组成的是一个高亮氨酸组成的螺旋，每螺旋，每两个两个螺圈出现一个亮氨酸，形成螺圈出现一个亮氨酸，形成拉链的一边。拉链的一边。两个蛋白质因子的两个蛋白质因子的螺旋通过螺旋通过亮氨酸亮氨酸的疏水作用结合在一起形成的疏水作用结合在一起形成拉链结构拉链结构 亮氨酸拉链（三）（三）真核基因的转录后水平的调节真核基因的转录后水平的调节-mRNA-mRNA的加工和剪接的加工和剪接1.hnRNA(heterogeneous nucle

20、ar RNA)不均一核不均一核RNA，核内未被剪接的有内含子，核内未被剪接的有内含子的的mRNA前体前体。35/50成熟的成熟的mRNAhnRNA胰岛素基因胰岛素基因37/50E1E2E353SPre B CC A53S Pre B C C A3.3.断裂基因断裂基因(split gene)(split gene)真核生物的结构基因中，真核生物的结构基因中，外显子外显子被被内含子内含子间隔开，但连续镶嵌，为一个连续完整的蛋间隔开，但连续镶嵌，为一个连续完整的蛋白质编码。这种基因称为白质编码。这种基因称为断裂基因。断裂基因。2.2.外显子外显子(exon)(exon)和内含子和内含子(intro

21、n)(intron)真核生物结构基因中的编码序列，称真核生物结构基因中的编码序列，称为为外显子外显子，非编码序列称为，非编码序列称为内含子内含子。36/50外显子外显子内含子内含子DNAmRNA转录转录形成套索形成套索RNA，外显子靠近，外显子靠近并接体并接体去除套索去除套索RNA，外显子连接，外显子连接成熟成熟mRNA39/50二加工水平的调控二加工水平的调控选择性拼接是一种广泛存在的RNA加工机制，通过这种方式，一个基因能编码两个或多个 相关的蛋白质组成型拼接(constitutive splicing),一个基因只产生一种成熟的mRNA，一般 也只产生一种蛋白质产物可调控的选择性拼接产生不同的成熟mRNA，翻译产生不同的蛋白质,如纤粘蛋白 (fibronectin）的合成某一特定的外显子是否被包括在成熟mRNA 内，主要取决于它的3和5端拼接位点是 否被拼接机器选择为切割位点五、真核基因的转录后和翻译水五、真核基因的转录后和翻译水平的调节平的调节-P428-P428、465465