基因表達調控

1、基因表達調控,論述題,試述基因表達調控的一般規(guī)律論述原核操縱子調控機制論述真核生物基因表達調控特點,基因表達的調控:生物體隨時調整不同基因的表達狀態(tài),以適應環(huán)境、維持生長和發(fā)育需要,第一節(jié) 基本概念與原理,,一、基因表達的概念,基因組來自一個遺傳體系的一整套遺傳信息,基因轉錄及翻譯的過程,基因表達,基因 負載特定遺傳信息的DNA片段，其結構包括由DNA編碼序列、非編碼調節(jié)序列和內含子組成的DNA區(qū)域。cDNA是人為地由m

2、RNA通過反轉錄而得，即與mRNA互補的DNA，也稱為“基因”,二、基因表達的時間性及空間性,（一）時間特異性,（二）空間特異性,基因表達伴隨空間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性,在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性,三、基因表達的方式,按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：,（一）組成性表達,某些基因在一個個體的幾乎所有細

3、胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因,無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達,（二）誘導和阻遏表達,在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因,可誘導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導,如果基因對環(huán)境信號應答時被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產物水平降低的過程稱為

4、阻遏,（三） 協(xié)調表達 功能相關的一組基因協(xié)調一致、共同表達。,四、基因表達調控的生物學意義,（一）適應環(huán)境、維持生長和增殖,（二）維持個體發(fā)育與分化,第二節(jié) 基因表達調控的基本原理,（一）基因表達的多級調控,基因激活,轉錄起始 轉錄后加工mRNA降解,轉錄起始,（二）基因轉錄激活調節(jié)基本要素,特異DNA序列原核生物操縱子：由功能相關的一組基因在染色體上串聯(lián)，共同構成的一個轉錄單位；通常由2個以上的編碼序列與啟動

5、序列、操縱序列以及其他調節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成,原核基因啟動序列是RNA聚合酶結合并啟動轉錄的特異DNA序列。通常在轉錄起始點上游－10及－35區(qū)域存在一些相似序列，稱為共有序列。決定啟動序列的轉錄活性大小。,（2） 操縱序列 ——阻遏蛋白的結合位點,當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動 ，阻礙轉錄。,真核生物,,不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列 ，

6、如TATA盒、CAAT盒等根據(jù)順式作用元件在基因中的位置、轉錄激活作用的性質及發(fā)揮作用的方式，分為啟動子、增強子、沉默子,,2、調節(jié)蛋白,原核生物特異因子：決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力阻遏蛋白：可以識別、結合特異DNA序列——操縱序列，抑制基因轉錄激活蛋白：可結合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結合，增強RNA聚合酶活性,真核基因的調節(jié)蛋白,還有蛋白質因子可特異識別、結合自身基

7、因的調節(jié)序列，調節(jié)自身基因的表達，稱順式作用,由某一基因表達產生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調節(jié)其表達。,反式作用因子,這種調節(jié)作用稱為反式作用,反式調節(jié),,順式調節(jié),,DNA - 蛋白質相互作用指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結合。,絕大多數(shù)調節(jié)蛋白質結合DNA前，需通過蛋白質-蛋白質相互作用，形成二聚體或多聚體,4. RNA聚合酶,⑴ 原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚合酶活性,RNA聚

8、合酶與其的親和力，影響轉錄,⑵ 調節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性,一些特異調節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號刺激下表達，然后通過DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質相互作用影響RNA聚合酶活性。 70 32,σ σ,,Hsp,第三節(jié) 原核基因轉錄調節(jié),（一）σ因子決定RNA聚合酶識別特異性,（二）操縱子模型的普遍性,（三）阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性,二、乳糖操縱子調節(jié)機制,（一）乳糖操縱子(l

9、ac operon)的結構,阻遏負調控:調控蛋白+DNA序列 基因的表達 (相應蛋白質降低) 促進正調控:調控蛋白+DNA序列 基因的表達

10、 (相應蛋白質增加),,,（二）阻遏蛋白的負性調節(jié),Lac阻遏蛋白的作用---負調控,,沒有乳糖存在時,乳糖操縱子被阻遏蛋白封閉,,阻遏蛋白對于O序列的結合并非是經久不變的，而是有一個10～20分鐘的半衰期。RNA聚合酶抓住這一時機進行一次轉錄，從而翻譯出幾個分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透性酶,生理性誘導劑實驗常用誘導劑,別乳糖異丙基硫代半乳糖（IPTG）,Lac操縱子誘導劑,,乳糖,β半乳糖苷酶,葡萄糖+

11、半乳糖,,有乳糖存在時,,（三）CAP的正性調節(jié),CAP有DNA結合區(qū)及cAMP結合位點乳糖啟動子－10區(qū)TATGTT序列，其中的G－C堿基對增加了雙螺旋結構的穩(wěn)定性，因此RNA聚合酶不足以使雙鏈解開。CAP－ cAMP復合物結合在CAP結合位點，使雙螺旋結構的穩(wěn)定性降低，促進了開放性啟動子復合物的形成,如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性,無葡萄糖（cAMP濃度高）時,有葡萄糖（cAMP濃度低）時,,

12、CAP的正性調節(jié),當細菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中生長時，通常優(yōu)先利用葡萄糖，而不利用乳糖當葡萄糖耗盡后，才利用乳糖，這種葡萄糖對 lac 操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏葡萄糖能抑制腺苷酸環(huán)化酶活性，因而降低cAMP濃度無葡萄糖，cAMP濃度高；有葡萄糖，cAMP濃度低,（四） 協(xié)調調節(jié),,低半乳糖時,高半乳糖時,葡萄糖低 cAMP濃度高,葡萄糖高cAMP濃度低,,,Lac操縱子強的誘導作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖乳糖

13、存在：阻遏蛋白與誘導劑結合不與O序列結合缺乏葡萄糖： CAP－ cAMP復合物結合在CAP結合位點,,,Trp 高時,Trp 低時,mRNA,,,,,,,,,,O,P,,,,trpR,,,,,,,調節(jié)區(qū),結構基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,,色氨酸操縱子的作用原理,,操縱子關閉,三、原核生物轉錄終止調節(jié),兩種主要轉錄終止機制依賴Rho因子的轉錄終止不依賴Rho因子的轉錄終止兩種終止調節(jié)方式衰減：導致RNA鏈的過早終止抗終

14、止：阻止前者的發(fā)生，使下游基因得以表達,前導序列,,,,,,第10、11密碼子為trp密碼子,,14aa前導肽編碼區(qū):,包含序列1,形成發(fā)夾結構能力強弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4,UUUU 3’,,前導肽,前導mRNA,當色氨酸濃度高時,轉錄衰減機制,衰減子結構就是終止子可使轉錄,,RNA聚合酶,終止,,前導肽,RNA聚合酶,當色氨酸濃度低時,Trp合成酶系相關結構基因被轉錄,序列3

15、、4不能形成衰減子結構,,前導mRNA,四、原核生物翻譯水平的調節(jié),蛋白質分子的自我調節(jié)調節(jié)蛋白結合mRNA靶位點，阻止核蛋白體識別翻譯起始區(qū)。調節(jié)蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，稱為自我控制2. 反義RNA對翻譯的調節(jié)作用 與mRNA雜交阻斷30S小亞基對起始密碼子的識別及與SD序列的結合，抑制翻譯起始。稱為反義控制,自我調節(jié)（autogenous control）。,一、真核基因組結構特點,（一

16、）真核基因組結構龐大,第四節(jié) 真核基因表達調節(jié),（二）單順反子,一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，經翻譯生成一條多肽鏈。,（三）重復序列,（四）基因不連續(xù)性,非編碼序列，外顯子，內含子,二、真核基因表達調控特點,（一）RNA聚合酶,（二）活性染色體結構變化,1. 對核酸酶敏感,RNA Pol Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,2. DNA拓撲結構變化,天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在,基因活化后,3. DNA堿基修飾變化,,真核DNA約有5%的胞嘧啶

17、被甲基化CpG島：基因的5’末端調控區(qū)存在一段富含成對的胞嘧啶、鳥嘧啶（CpG）的序列甲基化范圍與基因表達程度呈反比，CpG島去甲基化與與轉錄激活相聯(lián)系,（三）正性調節(jié)占主導,（四）轉錄與翻譯分隔進行,（五）轉錄后修飾、加工,4. 組蛋白變化,核小體結構變得不穩(wěn)定或松弛,三、RNA Pol Ⅱ轉錄起始的調節(jié),（一）順式作用元件,1. 啟動子,啟動子是RNA聚合酶結合并啟動 基因轉錄的特異DNA序列，至少包括一個轉錄起始點以及一個以

18、上的功能組件。,TATA盒 (TATAAAA),GC盒 (GGGCGG),CAAT盒 (GCCAAT ),2. 增強子(enhancer),指遠離轉錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉錄活性的DNA序列。增強子、啟動子交錯覆蓋/連續(xù)沒有增強子 啟動子通常不表現(xiàn)活性沒有啟動子 增強子無法發(fā)揮作用無法區(qū)分的增強子、啟動子樣結構統(tǒng)稱啟動子,,,（二）反式作用因子,反式作用因子

19、 識別/結合 順式作用元件中的靶序列 啟動轉錄,,,一類在真核細胞核中發(fā)揮作用的蛋白質因子,轉錄調節(jié)因子分類（按功能特性）,1、基本轉錄因子,是RNA聚合酶結合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉錄的類別。,例：轉錄因子TFⅡD 識別結合 TATA box,2、特異轉錄因子,為個別基因轉錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。,SP1,CBF,,,(特

20、異轉錄因子),,轉錄激活因子：增強子結合蛋白,轉錄抑制因子：沉默子結合蛋白,轉錄調節(jié)因子結構,轉錄因子含有不同的DNA結合域,螺旋-轉角-螺旋是轉錄因子中的常見的DNA結合域 同源異型域結構 鋅指結構是一類含鋅離子轉錄因子的DNA結合域 亮氨酸拉鏈結構域既可介導結合DNA又可介導蛋白質二聚體化 堿性螺旋-環(huán)-螺旋結構域也可同時介導結合DNA和蛋白質二聚體化,Zinc-fingers 鋅指,最常見DNA結合域之一約有3

21、0個AA殘基其中4個AA殘基（2個Cys，2個His） 配位鍵 Zn2+ 鋅指與DNA雙螺旋大溝結合 存在于多種真核轉錄因子具多個鋅指結構,,四個氨基酸殘基分別位于正四面體的頂角，與四面體中心的鋅離子配位鍵結合，穩(wěn)定鋅指結構Cys和His之間有12個氨基酸殘基，其中數(shù)個為保守的堿性殘基,,,1,2,3,4,5,6,7,8,9,蛋白質,圖15-10,圖15-11,一段肽鏈中每隔7個A

22、A即有一個Leu 在α螺旋某一側面每兩圈出現(xiàn)一個Leu 親水面：親水AA組成 疏水面：Leu組成 （亮氨酸拉鏈條）可形成二聚體（發(fā)揮作用）,亮氨酸拉鏈,,,,,,,,螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix，HTH）,同源異型域（homeodomain，HD）,堿性螺旋-環(huán)-螺旋結構也可調節(jié)DNA結合及蛋白質二聚體化,堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basic helix-loop-heli

23、x，bHLH）,（三）mRNA 轉錄激活及其調節(jié),真核RNA聚合酶Ⅱ在轉錄因子幫助下，形成的轉錄起始復合物,,,,,,EBP,真核基因轉錄調節(jié)是復雜的、多樣的,*不同的DNA元件組合可產生多種類型的轉錄調節(jié)方式；,*多種轉錄因子又可結合相同或不同的DNA元件。,*轉錄因子與DNA元件結合后，對轉錄激活過程所產生的效果各異，有正性調節(jié)或負性調節(jié)之分。,四、轉錄后水平的調節(jié),hnRNA加工成熟的調節(jié)mRNA運輸、胞質內穩(wěn)定性的調節(jié),IRE