《医学遗传与胚胎发育》5.基因表达调控整合课程.ppt

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1、基因表达调控基因表达调控 基因表达的概念基因表达的概念基因基因基因基因uuDNADNADNADNA：编码序列：编码序列：编码序列：编码序列+非编码调节序列非编码调节序列非编码调节序列非编码调节序列+内含子内含子内含子内含子uucDNAcDNAcDNAcDNA：编码序列：编码序列：编码序列：编码序列+非编码调控序列非编码调控序列非编码调控序列非编码调控序列基因组基因组基因组基因组uu一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或 整套基因整套基因整套基因整套基因基因表达基因表达基因表达基因表达基因转

2、录、翻译的过程基因转录、翻译的过程基因转录、翻译的过程基因转录、翻译的过程23基因表达的特异性基因表达的特异性基因表达的特异性基因表达的特异性uu时间性（阶段性）时间性（阶段性）时间性（阶段性）时间性（阶段性）uu空间性（细胞特异性，组织特异性）空间性（细胞特异性，组织特异性）空间性（细胞特异性，组织特异性）空间性（细胞特异性，组织特异性）基因表达的方式基因表达的方式基因表达的方式基因表达的方式（协调表达）（协调表达）（协调表达）（协调表达）uu组成性表达（管家基因的表达）组成性表达（管家基因的表达）组成性表达（管家基因的表达）组成性表达（管家基因的表达）vv管家基因管家基因管家基因管家基因:

3、在个体几乎所有细胞中持续表达在个体几乎所有细胞中持续表达在个体几乎所有细胞中持续表达在个体几乎所有细胞中持续表达uu诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达vv可诱导基因可诱导基因可诱导基因可诱导基因/可阻遏基因可阻遏基因可阻遏基因可阻遏基因基因表达调控基因表达调控基因表达调控基因表达调控的生物学意义的生物学意义的生物学意义的生物学意义uu适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖uu维持个体发育与分化维持个体发育与分化维持个体发育与分化维持个体发育与分化 基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理基因表达的多级调控基因表

4、达的多级调控基因表达的多级调控基因表达的多级调控vvDNADNADNADNA水平水平水平水平vv基因激活基因激活基因激活基因激活vvRNARNARNARNA水平水平水平水平vv转录起始转录起始转录起始转录起始vv转录后加工转录后加工转录后加工转录后加工vvmRNAmRNAmRNAmRNA降解降解降解降解vv蛋白质水平蛋白质水平蛋白质水平蛋白质水平vv蛋白质翻译蛋白质翻译蛋白质翻译蛋白质翻译vv翻译后加工修饰翻译后加工修饰翻译后加工修饰翻译后加工修饰vv蛋白质降解蛋白质降解蛋白质降解蛋白质降解4 基因表达基因表达基因表达基因表达=基因转录基因转录基因转录基因转录+翻译翻译翻译翻译 基因表达的调控

5、基因表达的调控基因表达的调控基因表达的调控:生物体随时调整不同基因的表达状态生物体随时调整不同基因的表达状态生物体随时调整不同基因的表达状态生物体随时调整不同基因的表达状态,以适应环境、维持以适应环境、维持以适应环境、维持以适应环境、维持生长和发育需要。生长和发育需要。生长和发育需要。生长和发育需要。主要是主要是主要是主要是转录水平的调控转录水平的调控转录水平的调控转录水平的调控基因转录的调节：基因转录的调节：基因转录的调节：基因转录的调节：1.DNA1.DNA1.DNA1.DNA序列序列序列序列2.2.2.2.调控蛋白调控蛋白调控蛋白调控蛋白 RNARNARNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶

6、3.DNA-3.DNA-3.DNA-3.DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用蛋白质相互作用蛋白质相互作用 活性的影响活性的影响活性的影响活性的影响5第一节 原核生物基因表达的调控 方式：诱导或阻遏一些相关蛋白质的合成，调整与外环境之间的关系特点：快速 大肠杆菌 乳糖操纵子（lactose operon）色氨酸操纵子(triptophan operon)原核生物转录与翻译的偶联一、乳糖操纵子 1.操纵子的概念（operon）由几个功能相关的结构基因成簇排列而组成的一个基因表达的协同单位（a coordinated unit of expression），称为操纵子。乳糖操纵子的结构基因、调控位点

7、、阻遏物基因和诱导剂 结构基因 Z（编码半乳糖苷酶，galactosidase）Y (编码通透酶，permease)a (编码转乙酰基酶，transacetylase)调控位点 P 启动子 promoter O 操纵基因 operator 阻遏物基因 I （编码Lac阻遏物)诱导剂 别构乳糖 2 Lac阻遏物的作用 4亚基聚合蛋白（4 37KD）乳糖（-）阻遏物+O （28bp）转录（-）乳糖（+）乳糖+阻遏物 转录（+）3 CAP 与cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用 分解物阻遏作用（catabolite repression）葡萄糖对其他酶的抑制效应,，与cAMP有关，而cAMP通过与

8、CAP（catabolite gene activator protein，分解物基因激活物蛋白）结合发挥作用。CAP 二聚体，亚基中有与DNA 或cAMP结合的结构域图图15-5 葡萄糖和乳糖在乳糖葡萄糖和乳糖在乳糖 操纵子基因表达中的联系效应操纵子基因表达中的联系效应原核生物基因表达调控1 环境条件的变化是相关基因表达的外界信号2 基因表达的负调控调控蛋白与相应DNA序列结合抑制基因的表达（阻遏物+O）3 基因表达的正调控调控蛋白与相应DNA序列结合促进基因的表达 CAP cAMP +P二、色氨酸操纵子阻遏物的负调控（调控转录起始）衰减作用（attenuation）（调控转录中止）2 阻遏

9、物对色氨酸操纵子的调控 色氨酸阻遏物同源二聚体 2X 107aa 色氨酸阻遏物 +色氨酸 共阻遏物 3 衰减作用对色氨酸操纵子的调控 衰减子 位于L基因5端的140 bp序列，mRNA的片段1、2、3、4形成不同的发夹结构 片段1含相邻2个Trp密码，原核生物转录与翻译偶联是产生衰减作用的基础原核生物在翻译水平的调节作用于翻译的起始和终止环节调节蛋白反义RNA第二节 真核生物基因表达的调控真核基因组的结构特点1.结构庞大（1%编码）；2.转录产物为单顺反子3.含有大量的重复序列4.具有不连续性（非编码序列和间隔区）1 含有多种RNA聚合酶；RNAPol I(rRNA)、PolIII(tRNA)

10、2 转录的激活与被转录区域的染色质结构变化有关；3 正调控为主；4 转录与翻译在不同的区域进行（不偶联）；5 转录后修饰与加工更为复杂真核基因表达的调控特点一、具有转录活性的染色质结构的变化便于RNA聚合酶及转录因子附着uu对核酸酶敏感对核酸酶敏感对核酸酶敏感对核酸酶敏感u活化基因常有活化基因常有高敏位点高敏位点，位于调节蛋白结合位点附近位于调节蛋白结合位点附近uuDNADNADNADNA拓扑结构变化拓扑结构变化拓扑结构变化拓扑结构变化u天然双链天然双链DNADNA均以负性超螺旋存在均以负性超螺旋存在u基因活化后基因活化后:负超螺旋负超螺旋 RNAP RNAP 正超螺旋正超螺旋uuDNADNA

11、DNADNA碱基的甲基化碱基的甲基化碱基的甲基化碱基的甲基化 修饰变化修饰变化修饰变化修饰变化uu真核真核真核真核DNADNADNADNA约有约有约有约有5%5%5%5%的胞嘧啶被甲基化的胞嘧啶被甲基化的胞嘧啶被甲基化的胞嘧啶被甲基化uu甲基化甲基化甲基化甲基化范围与基因表达程度呈反比范围与基因表达程度呈反比范围与基因表达程度呈反比范围与基因表达程度呈反比uu组蛋白变化组蛋白变化组蛋白变化组蛋白变化uu富含富含富含富含LysLysLysLys组蛋白水平降低组蛋白水平降低组蛋白水平降低组蛋白水平降低uuH2AH2BH2AH2BH2AH2BH2AH2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加二聚体不稳

12、定性增加二聚体不稳定性增加uu组蛋白组蛋白组蛋白组蛋白H3H3H3H3、H4H4H4H4发生发生发生发生乙酰化、甲基化或乙酰化、甲基化或乙酰化、甲基化或乙酰化、甲基化或 磷酸化修饰磷酸化修饰磷酸化修饰磷酸化修饰23uu对核酸酶敏感对核酸酶敏感对核酸酶敏感对核酸酶敏感vv高敏位点高敏位点高敏位点高敏位点vv具有转录活性的染色质区域具有转录活性的染色质区域具有转录活性的染色质区域具有转录活性的染色质区域vv对对对对DNaseDNaseDNaseDNase核酸酶降解特别的位点核酸酶降解特别的位点核酸酶降解特别的位点核酸酶降解特别的位点vv在启动子在启动子在启动子在启动子/增强子等调控区增强子等调控区

13、增强子等调控区增强子等调控区vv结合各种调节因子结合各种调节因子结合各种调节因子结合各种调节因子vv没有核小体结构没有核小体结构没有核小体结构没有核小体结构vv甲基化程度低甲基化程度低甲基化程度低甲基化程度低高敏位点高敏位点25uuDNADNADNADNA碱基的甲基化碱基的甲基化碱基的甲基化碱基的甲基化vv甲基化的碱基甲基化的碱基甲基化的碱基甲基化的碱基vvC C C C 5-5-5-5-m m m mC C C CvvA 6-A 6-A 6-A 6-m m m mA A A Avv甲基化范围与基因甲基化范围与基因甲基化范围与基因甲基化范围与基因 表达程度呈反比表达程度呈反比表达程度呈反比表达

14、程度呈反比vv异染色质异染色质异染色质异染色质的的的的DNADNADNADNA凝集状态高凝集状态高凝集状态高凝集状态高vvDNADNADNADNA甲基化程度高甲基化程度高甲基化程度高甲基化程度高vv缺乏转录活性缺乏转录活性缺乏转录活性缺乏转录活性vv常染色质常染色质常染色质常染色质的的的的DNADNADNADNA凝集状态低凝集状态低凝集状态低凝集状态低vvDNADNADNADNA甲基化程度低甲基化程度低甲基化程度低甲基化程度低vv具有转录活性具有转录活性具有转录活性具有转录活性vv真核生物通过形成真核生物通过形成真核生物通过形成真核生物通过形成异染色质异染色质异染色质异染色质关闭某些关闭某些关

15、闭某些关闭某些 基因的表达基因的表达基因的表达基因的表达vvCpGCpGCpGCpG岛岛岛岛vv长度长度长度长度1 1 1 12Kb2Kb2Kb2Kb，密度高，密度高，密度高，密度高，G/CG/CG/CG/C含量含量含量含量60%60%60%60%vvCpGCpGCpGCpG非甲基化非甲基化非甲基化非甲基化vv存在高敏位点（启动子）存在高敏位点（启动子）存在高敏位点（启动子）存在高敏位点（启动子）vv抑癌基因抑癌基因抑癌基因抑癌基因CpGCpGCpGCpG岛甲基化岛甲基化岛甲基化岛甲基化肿瘤发生肿瘤发生肿瘤发生肿瘤发生DNADNA碱基的甲基化修饰变化碱基的甲基化修饰变化 27uu组蛋白变化组蛋

16、白变化组蛋白变化组蛋白变化vv染色质重塑染色质重塑染色质重塑染色质重塑vv染色质中与转录活性相关的结构变化染色质中与转录活性相关的结构变化染色质中与转录活性相关的结构变化染色质中与转录活性相关的结构变化vv组蛋白密码组蛋白密码组蛋白密码组蛋白密码vvH3/H4H3/H4被乙酰化被乙酰化被乙酰化被乙酰化-染色质有转录活性染色质有转录活性染色质有转录活性染色质有转录活性 基因开始转录基因开始转录基因开始转录基因开始转录vvH4/H4H4/H4去乙酰化去乙酰化去乙酰化去乙酰化-基因停止转录基因停止转录基因停止转录基因停止转录 染色质无转录活性染色质无转录活性染色质无转录活性染色质无转录活性vv组蛋白

17、密码组蛋白密码组蛋白密码组蛋白密码-乙酰化乙酰化乙酰化乙酰化/去乙酰化的去乙酰化的去乙酰化的去乙酰化的H3/H4H3/H4 染色质活化状态的标志染色质活化状态的标志染色质活化状态的标志染色质活化状态的标志vv特异的蛋白质识别特异的蛋白质识别特异的蛋白质识别特异的蛋白质识别/结合组蛋白密码结合组蛋白密码结合组蛋白密码结合组蛋白密码 调节特定的基因表达调节特定的基因表达调节特定的基因表达调节特定的基因表达二、参与基因调控的顺式作用元件和反式作用因子1 顺式作用元件 和被转录的结构基因在距离上比较接近的DNA序列 1.启动子和启动子上游近侧序列 TATA box CAAT box GC box Cp

18、G岛 （MeCP1、MeCP2）2.增强子（enhancer）概念：特点：不受与启动子距离、序列及方向的制约；有组织特异性。3.反应元件概念：特点：协同作用。4.沉默子（Silencer）概念：特点：负性调节元件。2 反式作用因子 两个必需结构域：与顺式元件结合的结构域 与反式元件或RNA聚合酶结合的激活结构域3 反式作用因子的结构模式 （1）螺旋转角螺旋（helix-turn-helix）其中一个为识别螺旋，含有较多能与DNA相互作用的AA残基 (2)锌指（zinc finger）约30氨基酸残基，4个氨基酸残基（两个cys,两个 his,或4个cys)以配位键与Zn2+相互作用（3）亮氨酸

19、拉链（leucine zippers）一段肽链中每隔7个氨基酸即有一个亮氨酸，该肽段所形成的螺旋可出现疏水及亲水二个面，疏水面即亮氨酸拉链。（4）螺旋环螺旋（helix-loop-helix）RNA pol II 转录终止的调节机制?反式作用因子的作用特点和规律反式作用因子的作用特点和规律.一种反式因子能与多种顺式作用元件结合.一种顺式作用元件能与多种反式因子结合.多以异二聚体形式与顺式作用元件结合.化学修饰可调节其活性.反式因子相互作用发挥功能基因翻译水平及翻译后阶段的调控基因翻译水平及翻译后阶段的调控1.对翻译起始因子的磷酸化修饰决定了其活性；2.RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节；3.对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达；4.小分子RNA对基因表达的调节：微小RNA（miRNA)、小干扰RNA（siRNA）、piRNA etc.基因表达在原核与真核生物中区别与染色质结构的变化有关；原核生物有负调控和正调控两种，真核生物以正调控为主；真核生物的转录和翻译是分开的，原核生物的转录与翻译是偶联的。