《大学课件:生物化学之调控13.PPT》由会员分享,可在线阅读,更多相关《大学课件:生物化学之调控13.PPT(61页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第十三章基 因 表 达 调 控 Regulation of gene expression,王晓华,基因表达,结构基因,mRNA,蛋白质,转录,翻译,多肽链在DNA的编码区 (生命蓝图),生物体的结构与功能 (生命现象),调节基因,mRNA,调节蛋白,转录,翻译,tRNA rRNA,主 要 内 容,掌握基因表达调控的基本概念、原理 掌握原核基因转录调节 熟悉真核基因转录调节,第一节基因表达调控的基本概念,Basic Conceptions of Gene Expression Regulation,一、基因表达概念 基因组:一个细胞或病毒所携带的全部遗 传信息或整套基因(细菌约含4000,人含
2、34万个结构基因)。 基因表达:指基因转录及翻译过程。rRNA、tRNA编码基因转录产生RNA的过程也属此范围。,真核生物在一定时间内只有2%15%的基因进行表达,基因表达受严格的调控。 如果一个细胞在同一时间内全部基因进行表达,将出现蛋白质合成的巨大浪费,细胞也无法适应环境而生存。 如果生物体每个细胞都有相同基因的表达,这种生物体将不可能有器官和组织功能的分工,从而不能进行正常的生命活动。,二、基因表达的时间性及空间性,指不同发育阶段、不同 生理状态下有不同基因的表达。如AFP(胎儿低分化的肝细胞表达,成人高分化的肝细胞基本不表达,肝细胞癌变又表达)、胎儿Hb等。 多细胞生物基因表达的时间特
3、异性又称阶段特异性(stage specificity)。,(一)时间特异性,指不同细胞有不同基因表达,由细胞在器官的分布决定,又称细胞或组织特异性。 如红细胞合成 Hb,肝细胞合成白蛋白、HMG-CoA裂解酶,胰岛细胞合成胰岛素,前列腺细胞合成酸性磷酸酶,肝细胞合成碱性磷酸酶等。,(二)空间特异性,三、基因表达方式,(一) 组成性表达 管家基因:一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。 无论表达水平高低,管家基因较少受环境因素影响,而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达,或变化很小。区别于其他基因,这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutive gene ex
4、pression)。 特点:受启动子及RAN聚合酶作用影响,(二)诱导和阻遏表达,在特定环境信号刺激下,相应的基因被激活,基因表达产物增加,这种基因称为可诱导基因。,可诱导基因在特定环境中表达增强的过程,称为诱导(induction)。,如果基因对环境信号应答是被抑制,这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。 特点:除受启动子及RAN聚合酶作用影响外,还受其他机制调节(含特异刺激反应元件),四、基因表达调控的生物学意义,适应环境,维持生长和增殖 血G糖异生有关酶编码基因表达糖原分解酶编码基因表达 血G恢复;当G耗尽有乳糖,乳糖代谢有关的酶编码基因
5、表达。 维持个体发育与分化 多细胞个体中发育阶段不同,组织器官不同,蛋白质分布也不同,这是调节细胞表型的关键。,基因表达的多级调控 基因转录激活调节基本要素 特异DNA序列 调节蛋白 DNA-蛋白质,蛋白质-蛋白质相互作用 RNA聚合酶,第二节 基因表达调控的基本原理,转录前调控 (基因激活),转录水平调控,转录后加工调控,翻译水平调控,翻译后加工调控,mRNA降解调控,基因表达的多级调控,蛋白质降解,操纵子: 由2个以上功能相关的编码序列与启动序列(promoter)、操纵序列(oprator)、以及其他调节序列在原核生物基因组中成簇地串联,密集于染色体上,共同组成一个转录单位。,(一)特异
6、DNA序列,操 纵 子,启动序列 操纵序列,结构基因1 结构基因2 结构基因3,(信息区),( 控 制 区 ),Promoter,Operator,Structural gene,多顺反子mRNA,启动序列, 共有序列决定启动序列的转录活性大小 当阻遏蛋白结合在操纵序列时,会阻遏RNA聚合酶与启动序列的结合 激活蛋白结合在启动序列邻近,促进RNA聚合酶与启动序列结合,结构基因1 结构基因2 结构基因3,启动序列 操纵序列,阻遏蛋白,RNA聚合酶,有些基因在没有激活蛋白存在时,RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,操纵序列 阻遏蛋白(repressor)的结合位点,当操纵序列结合有阻遏蛋白时
7、,会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合,或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ,阻碍转录。,(二)调节蛋白(原核),特异因子:决定酶对启动序列识 别和结合能力 调节蛋白 阻遏蛋白:阻遏基因转录,负性 调节 激活蛋白:激活基因转录,正性 调节,(一)、顺式作用元件是决定真核基因转录活性的关键因素之一,真核生物,真核生物,顺式作用元件,沉默子,启动子 TATA盒 CAAT盒 GC盒,增强子,顺式作用元件分类,反应元件,图13-2 顺式作用元件,增强子所处位置,在所调控基因的上游或下游,但主要位于上游。下游内含子当中,乃至下游最后外显子以外的序列也可含有增强子。,不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一
8、些共有序列,如TATA盒、CAAT盒等,这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,(二)、真核基因的调节蛋白,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列,调节自身基因的表达,称顺式作用。,由某一基因表达产生的蛋白质因子,通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用,调节其表达。这种调节作用称为反式作用。,反式作用因子(trans-acting factor),反式调节,顺式调节,图13-3 反式与顺式作用蛋白,DNA-蛋白质:是真核生物中反式作用因子与顺式作用元件的特异识别及结合方式。是非共价键结合 蛋白质-蛋白质:大多数调节蛋白质结合DNA前,需通过蛋白质-蛋白质相互作用,形
9、成二聚体(dimer)或多聚体(polymer) 间接结合DNA,调节基因转录。,(三)转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节,蛋白质与DNA相互作用模式图,启动序列/启动子与RNA聚合酶亲和力大小影响转录启动的频率 调节蛋白DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质影响RNA聚合酶活性转录频率变化表达水平不同,(四)RNA聚合酶与基因的启动序列/启动子相结合,第三节 原核基因表达调节,一、原核基因转录调节特点 1. 因子决定RNA聚合酶识别特异性 2. 操纵子调节的普遍性, 调节信号(诱导剂或阻遏剂等)通过调节蛋白对转录启动进行调节。 3. 阻遏蛋白发挥转录的开关作用, 活化蛋白对
10、转录进行协同调节。 4. 有时通过转录衰减进行细调节。 5. 对于复杂的环境变化需要多个操纵子组成网络化系统(调节子)进行协同调节。,操纵子调控系统 (操纵子+调节蛋白+调节物),调节基因,操 纵 子,mRNA,调节蛋白,抑制转录或促进转录,( 转录单位),(阻遏蛋白或活化蛋白),调 节 物 (诱导剂或阻遏剂),-半乳糖苷酶,乳糖通透酶,半乳糖乙酰转移酶,信息区,控制区,调节基因,CAP,分解代谢基因活化蛋白,阻遏蛋白,cAMP,没有乳糖存在时,(一)阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,无葡萄糖,cAMP浓度高时,有葡萄糖,cAMP浓度低时,(二)CAP的正性调节,CAP的正性调节,无G,cAM
11、PCAP+cAMPCAP -cAMP结合于CAP位点刺激RNA 转录活性 有G,cAMPCAP不与cAMP结 合转录受阻,(三)协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不能发挥作用。,如无CAP存在,即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合,操纵子仍无转录活性。,单纯乳糖存在时,细菌利用乳糖作碳源;若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时,细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,协调调节,第四节 真核基因表达调节,一、真核基因组结构特点 (一)真核基因组结
12、构庞大,(二)单顺反子,单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成一个mRNA分子,经翻译生成一条多肽链。,(三)重复序列,(四)基因不连续性,不同剪接方式可形成不同mRNA表达调控,二、真核基因表达调控更为复杂,(一)真核细胞内含有多种RNA聚合酶,真核RNA聚合酶有三种,即RNA pol I、II及 III,分别负责三种RNA转录。,(二)处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化,对核酸酶敏感,DNA拓扑结构变化,天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在;基因活化后:,活化基因常有超敏位点,位于调节蛋白结合位点附近。,促进组蛋白二聚体释放,DNA碱基的甲基化修饰变化,组蛋白变化
13、,富含Lys组蛋白水平降低,即H1组蛋白减少 H2AH2B二聚体不稳定性增加 组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰,染色质结构与基因表达,与DNA的 结合能力 下降,基因的 转录活性,DNA去甲基化、 增强子和某 些蛋白质因子,染色质 结构松散,基因的 转录活性,组蛋白被磷酸化、 甲基化、 乙酰化 等修饰,真核细胞的染色质结构是调节基因表达的物理因素。结构松散的区域,基因的转录活性高。,(三)在真核基因表达调控中以正性调节占主导,采用正性调节机制更精确:一个负性调节元件的结合足可阻断RNA聚合酶的结合,因此同时采用几个负性调节元件一般不会改变特异性;相反,如果采用多种正性调节元件、正
14、性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。 采用负性调节不经济:在正性调节中,大多数基因不结合调节蛋白,所以是没有活性的;只要细胞表达一组激活蛋白时,相关靶基因即可被激活。,(四)在真核细胞中转录与翻译分隔进行,(五)转录后修饰、加工更为复杂,真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布,转录与翻译在不同细胞部位进行,转录在细胞核,翻译在细胞浆。因此,转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。,三、 RNA pol 转录起始的调节,(一)顺式作用元件 启动子:RNApol酶结合位点周围一组控 制组件,-25 -30 TATA盒,是TF II D 结合点 增强子:增强启动子转录活性的DNA序 列,位
15、置不定,可在上游或下游,有远距 离效应,无方向性,无专一性。 沉默子:某些基因的负性调节元件,当其结合特异蛋白因子时,对基因转录起阻遏作用。,启动子(romoter),位于结构基因上游100200bp内,包括转录起始点和若干个功能组件,典型的启动子包括下列组件:,TATA盒:位于+1至-30bp区,决定转录的精确起始,CAAT盒:位于-70 -80 bp区 GC盒:位于CAAT盒的上游或下游,三盒协同作用, 共同决定转录的基础效率,RNA pol 结合和启动转录的DNA序列,图13-7 真核基因启动子的典型结构,增强子的作用模式图,增强子的作用电镜像片,(二)反式作用因子:它们与DNA 、RN
16、A聚合酶或其他蛋白质因子相互作用而调节转录。,1. 转录调节因子分类: (1)基本转录因子: TF I、 TF II、TF III RNA聚合酶启动所必需的一组蛋白因子 (2)特异转录因子:个别基因转录所必需, 分为转录激活因子和转录抑制因子,2. 转录调节因子结构,转录因子三个功能域(domain),DNA识别结合域(锌指等),蛋白质结合域(二聚化结构域)(亮氨酸拉链等),转录激活域,最常见的DNA结合域结构锌指结构,常结合GC盒,N,C,锌指,N,C,碱性螺旋-环-螺旋 碱性亮氨酸拉链,碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper,bZIP):,是指两个平行走向,以固定间隔重复
17、出现亮氨酸的两性螺旋通过疏水侧亮氨酸的相互作用形成的对称二聚体。仿佛一条拉链被拉合,与拉链紧邻的-螺旋富含碱性氨基酸残基,为DNA结合区,亮氨酸拉链,RNA pol,B,D,F,TATA,D,RNA pol,D,H,E,H,A,D,B,F,B,F,TFII-D识别并结合到TATA盒,TFII-B和TFII-F(协助)募集RNA pol,RNA pol与DNA结合,TFII-A、-H、-F进入形成前起始复合体,TFII- D由TBP(识别TATA盒)+TAF(TBP相关因子)组成 TFII-A稳定TFII-D 与DNA的结合,TFII-H有ATPase活性, 兼有解旋酶活性,TFII-E增强ATPase活性,(三)mRNA 转录激活及其调节,真核基因转录调节是复杂的、多样的,*不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式;,*多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。,*转录因子与DNA元件结合后,对转录激活过程所产生的效果各异,有正性调节或负性调节之分。,
限制150内