表达调控常冰梅

《表达调控常冰梅》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表达调控常冰梅（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、RegulationofGeneExpression生物化学与分子生物学教研室常冰梅基因表达调控基因表达调控第一节第一节 基本概念与原理基本概念与原理第二节第二节 原核基因表达调控原核基因表达调控第三节第三节 真核基因表达调控真核基因表达调控第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理BasicConceptionsandPrinciple五、基因表达调控的基本原理五、基因表达调控的基本原理四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义三、基因表达的方式三、基因表达的方式二、基因表达的特征二、基因表达的特征一、基因表达的概念一、基因表达的概念一、基因表达的概念一、基因表达的概念 1.

2、基因基因(gene)负载特定遗传信息的负载特定遗传信息的DNA片段。片段。目目 录录 2.基因组基因组(genome) 来自一个生物体的一整套遗传物质。来自一个生物体的一整套遗传物质。是基因转录及翻译的过程，即：生成具是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。有生物学功能产物的过程。3.基因表达基因表达(gene expression)mRNA多肽多肽DNAtRNArRNA调节基因调节基因无翻译产物无翻译产物翻翻译译转转录录无转录产物无转录产物结构结构基因基因二、基因表达的特征二、基因表达的特征 (一一)时间特异性时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特

3、定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。 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阶段特异性段特异性(stage specificity)。目目 录录 (二二)空间特异性空间特异性基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的，又称又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。在在个个体体生生长长发发

4、育育过过程程中中，某某种种基基因因产产物物在在个个体体不不同同的的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，称称为为基基因因表表达达的的空空间间特特异异性性(spatial specificity)。目目 录录三、基因表达的方式三、基因表达的方式按对刺激的反应性，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： (一一)基本基本表达表达某某些些基基因因在在一一个个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，通通常常被被称称为为管管家家基基因因(housekeeping gene)。这类基因表达被视为这类基因表达被视为组成性或基本基因表组

5、成性或基本基因表达达。 （举例：举例：TCATCA循环酶的编码基因，循环酶的编码基因， 细胞膜结构蛋白的编码基因细胞膜结构蛋白的编码基因 线粒体内有关能量代谢的酶的编码基因等）线粒体内有关能量代谢的酶的编码基因等）(二二)诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达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，基因表达产物增加，这种基因称为基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因。可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中表表达达增增强强的的过过程程，称称为为诱导诱导(induction)(induction)。（。（例如例如DNA损伤修复损伤修复） 如如果果基基因

6、因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因。可可阻阻遏遏基基因因表表达达产产物物水水平平降降低低的的过过程称为程称为阻遏阻遏(repression)(repression)。 （例如（例如trp阻遏细菌酶）阻遏细菌酶）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协协调调一一致致、共共同同表表达达，即即为为协协调调表表达达(coordinate expression)，这这种种调调节节称称为为协协调调调调节节(coordinate regulation)。 (三三)协调协调表达表达四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达

7、调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（一）适应环境、维持生长和增殖 （二）维持细胞分化与个体发育（二）维持细胞分化与个体发育五、基因表达调控的基本原理五、基因表达调控的基本原理（一）基因表达的多级调控（一）基因表达的多级调控DNADNA基因激活基因激活 RNA 转录起始转录起始 转录后加工转录后加工 mRNA降解降解蛋白质降解蛋白质降解蛋白质的投递和运输蛋白质的投递和运输蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰Pr(二二)基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素1.特异特异DNA序列序列(DNA元件元件)2.转录调节蛋白转录调节蛋白3.DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋

8、白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用4.RNA聚合酶聚合酶（1) 原核生物原核生物 操纵子操纵子(operon)结构结构1.特异特异DNA序列序列(DNA元件元件)指具有调节功能的特异指具有调节功能的特异DNA序列。序列。 （2) 真核生物真核生物顺式作用元件顺式作用元件(cis-actingelement)原核生物原核生物 蛋白质因子蛋白质因子 操纵子操纵子(operon) 机制机制特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)1）启动序列）启动序列是是RNA聚合酶结合并启动转录的特聚合酶结合并启动转

9、录的特 异异DNA序列。序列。RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列TATAAT（pribnow盒）盒）TTGACA共共有有序序列列(consensus sequence) 决决定定启启动动序列的转录活性大小。序列的转录活性大小。2 2 操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点当当操操

10、纵纵序序列列结结合合有有阻阻遏遏蛋蛋白白时时，会会阻阻碍碍RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，或或是是RNA聚聚合合酶不能沿酶不能沿DNA向前移动向前移动 ，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白3) 3) 其他调节序列其他调节序列例如例如激激活活蛋蛋白白(activator)可可结结合合启启动动序序列列邻邻近近的的DNA序序列列，促促进进RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结合，增强结合，增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。有有些些基基因因在在没没有有激激活活蛋蛋白白存存在在时时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列

11、。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。1.特异特异DNA序列序列(DNA元件元件)指具有调节功能的特异指具有调节功能的特异DNA序列。序列。 （2) 真核生物真核生物顺式作用元件顺式作用元件(cis-actingelement)真核生物真核生物顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列通序列通常是非编码序列。包括启动子、增强子及沉默子常是非编码序列。包括启动子、增强子及沉默子等。等。BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点不不同同真真核核生生物物的的顺顺式式作作用用元元件件中中也也会会发发现现一一些些共共有有序

12、序列列 ，如如TATA盒盒、CAAT盒盒等等，这这些些共共有有序序列列是是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。聚合酶或特异转录因子的结合位点。 2.转录调节蛋白转录调节蛋白（1）原核生物原核生物:均为均为DNA结合蛋白结合蛋白因子（因子（特异因子）：特异因子）：决定决定RNA聚合酶对启动序聚合酶对启动序列的特异列的特异性识别和结合能力。性识别和结合能力。阻遏蛋白：阻遏蛋白：可结合操纵序列，阻遏基因转录。可结合操纵序列，阻遏基因转录。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，序列，促进促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活

13、性。聚合酶活性。（2）真核生物基因调节蛋白真核生物基因调节蛋白又称转录调节又称转录调节因子或因子或转录因子（转录因子（TF）绝大多数真核转录调节因子由某一基因表绝大多数真核转录调节因子由某一基因表达达后，通过与特异的顺式作用元件相互作用，后，通过与特异的顺式作用元件相互作用，影影响另一基因的转录，称为响另一基因的转录，称为反式作用因子反式作用因子（trans-actingfactor）。）。有些真核调节蛋白可特异识别、结合自身基有些真核调节蛋白可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭，因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭，称为称为顺式调节作用顺式调节作用。 3.DNA蛋白

14、质、蛋白质、蛋白质蛋白质相互作用蛋白质蛋白质相互作用指指的的是是反反式式作作用用因因子子与与顺顺式式作作用用元元件件之之间间的的特特异异识识别别及及结结合合。通通常常是是非非共共价价结结合合，被被识识别别的的DNA结结合合位位点点通通常常呈呈对对称称、或或不不完完全全对称结构。对称结构。绝大多数调节蛋白质结合绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过前，需通过蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用，形成蛋白质相互作用，形成二聚体二聚体(dimer)或或多聚体多聚体(polymer)。4. RNA聚合酶聚合酶 原核启动序列原核启动序列/真核启动子与真核启动子与RNA聚合酶聚合酶活性活性 RNA聚合酶与启动序列

15、聚合酶与启动序列/启动子的亲和力，影响转录。启动子的亲和力，影响转录。 调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性一一些些特特异异调调节节蛋蛋白白在在适适当当环环境境信信号号刺刺激激下下表表达达，然然后后通通过过DNA-蛋蛋白白质质、蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作用影响作用影响RNA聚合酶活性。聚合酶活性。第二节第二节 原核基因表达调控原核基因表达调控RegulationofProkaryoticGeneTranscription 一、原核生物基因表达调控的特点一、原核生物基因表达调控的特点1 .以转录起始为主要调控点：以转录起始为主要调控点： 因子决定因子决定RNA聚聚合酶识别特异

16、性合酶识别特异性2.主要通过操纵子模式进行调节主要通过操纵子模式进行调节3.阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用存在的负调控作用4.多顺反子多顺反子mRNA只在原核生物存在只在原核生物存在5. 转录和翻译偶联转录和翻译偶联二、原核生物转录起始调控二、原核生物转录起始调控以以乳糖操纵子为例介绍乳糖操纵子为例介绍原核生物原核生物操纵子调控模式操纵子调控模式 (一一)乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构和功能的结构和功能 调控序列调控序列 调节序列调节序列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

17、酶半乳糖苷酶 Y: 透酶透酶 A: 乙酰基转移酶乙酰基转移酶ZYAOPDNAIPI调节基因的调节基因的启动序列启动序列CAP结合位点结合位点 (一一)乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构和功能的结构和功能 1.结构基因：结构基因：Z、Y、A编码三种代谢乳糖的酶。编码三种代谢乳糖的酶。 2.调控序列：调控序列： (1)调节序列调节序列(I基因基因)：编码阻遏蛋白：编码阻遏蛋白 (2)启动序列启动序列P： (3)操纵序列操纵序列O：阻遏蛋白的结合位点：阻遏蛋白的结合位点 (4)CAP结合序列：结合序列：CAP(一种激活蛋白一种激活蛋白)结合位点结合位点mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNA

18、ZYAOPpol1.没有乳糖存在时没有乳糖存在时( (二二) )阻遏蛋白介导的负性调节阻遏蛋白介导的负性调节调节基因调节基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白2.有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶lCAP有有DNA和和cAMP的结合位点。的结合位点。l CAP-cAMP 结合到启动序列附近的结合到启动序列附近的CAP位点，位点，激活转录。激活转录。l cAMP水平与水平与G浓度有关。浓度有关。（三）（三）CAP的正性调节的正性调节G-分解产物分解产物ATPcAMP5AMP+ -AC PDE有有G，cAMP水平低水平低无无G，

19、cAMP水平高水平高+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时（三）（三）CAPCAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPcAMP( (四四) )协调调节协调调节 1.正、负性调节的协调正、负性调节的协调 (1)当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对乳糖操纵对乳糖操纵子不能发挥作用；子不能发挥作用； (2)如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。序列结合，操纵子仍无转录活性。 有葡萄糖有葡萄糖cAMP

20、浓度低浓度低OOmRNA无乳糖时无乳糖时有乳糖时有乳糖时 无葡萄糖无葡萄糖 cAMP浓度高浓度高RNA-polOO极少mRNA( (四四) )协调调节协调调节 2.E.coli根据碳源性质选择代谢方式根据碳源性质选择代谢方式 (1)单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； (2)若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/ /乳糖共同存在时，细菌乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。首先利用葡萄糖。 (3)lac操纵子的最强诱导条件是高乳糖，无葡萄操纵子的最强诱导条件是高乳糖，无葡萄糖。糖。第第 三三 节节 真核基因表达调控真核基因表达调控RegulationofEuk

21、aryoticGeneTranscription一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点1.真核基因组结构庞大、为二倍体真核基因组结构庞大、为二倍体哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNA 约约 3109 碱基对碱基对人编码基因人编码基因约约 有有 28900 个（个（2008年数据）年数据），占总长的占总长的6 %rDNA等重复基因等重复基因约约 占占 5% 10%2.单顺反子单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成一个即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，分子，经翻译生成一条多肽链。经翻译生成一条多肽链。3.重复序列重复序列单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数

22、次）高度重复序列（高度重复序列（106 次）次）中度重复序列（中度重复序列（103104次）次）多拷贝序列多拷贝序列4.基因不连续性基因不连续性5. DNA与组蛋白构成染色质与组蛋白构成染色质二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点（一）一）RNA聚合酶聚合酶（二）活性染色体结构变化二）活性染色体结构变化1. 对核酸酶（对核酸酶（DNase）敏感）敏感活活化化基基因因常常有有超超敏敏位位点点，位位于于调调节节蛋蛋白结合位点附近。白结合位点附近。2. DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后基因活化后RNA-pol正超

23、螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向3. DNA碱基修饰变化甲基化程度降低碱基修饰变化甲基化程度降低真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。4. 组蛋白变化组蛋白变化 富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低 H2A, H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 H3、H4组蛋白被修饰组蛋白被修饰 H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露（三三）正性调节占主导正性调节占主导（四四）转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工复杂五）转录后修饰、加工复杂三、三、RNA pol 转录起始调节转录起

24、始调节（一）顺式作用元件一）顺式作用元件1. 启动子启动子真真核核基基因因启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点周周围围的的一一组组转转录录控控制制组组件件，至至少少包包括括一一个个转转录录起起始始点点以以及及一一个个以以上上的的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒2. 增强子增强子(enhancer)指指远远离离转转录录起起始始点点、决决定定基基因因的的特特异异性性表达、增强启动子转录活性的表达、增强启动子转录活性的DNA序列。序列。特点：特点：(1)发挥作用的方式与其方向、距离无关。发挥作用的方式与其方向、距离无关。(2)常与启动子交错覆盖或连续排列。常与启动子交

25、错覆盖或连续排列。(3)与启动子关系：与启动子关系：3. 沉默子沉默子(silencer)对启动子的转录活性起抑制作用的对启动子的转录活性起抑制作用的DNA元件。当其结合特异蛋白因子时，对基因转录元件。当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。起阻遏作用。（二）反式作用因子二）反式作用因子 1. 转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）(1)基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组蛋蛋白白 因因 子子 ， 决决 定定 三三 种种 RNA(mRNA、 tRNA及

26、及rRNA)转录的类别。转录的类别。(2)特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定该该基基因因的的时间、空间特异性表达。时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子2. 转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域最常见的最常见的DNA结合域结合域 (1) 锌指锌指(zinc finger)C CysH

27、 His常结合常结合GC盒盒 (2) 碱性碱性 -螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒3）亮氨酸）亮氨酸拉链结构：拉链结构： l由两段由两段-螺旋螺旋平行排列构成，平行排列构成，其其-螺旋中存在螺旋中存在每隔每隔7个残基规律个残基规律性排列的性排列的Leu残残基，基，Leu侧链交侧链交替排列而呈拉链替排列而呈拉链状。两条肽链呈状。两条肽链呈钳状与钳状与DNA结合。结合。 真核基因转录调节是真核基因转录调节是复杂的、多样的复杂的、多样的*不不同同的的DNA元元件件组组合合可可产产生生多多种种类类型型的的转转录录调节方式；调节方式；*多多种种转转录录因因子子又又可可结结合合相相同同或或不不同同的的DNA元元件。件。*转转录录因因子子与与DNA元元件件结结合合后后，对对转转录录激激活活过过程程所所产产生生的的效效果果各各异异，有有正正性性调调节节或或负负性性调调节之分。节之分。本章知识点本章知识点1基因表达、管家基因、诱导、阻遏、操纵子、顺基因表达、管家基因、诱导、阻遏、操纵子、顺式作用元件、反式作用因子的概念式作用元件、反式作用因子的概念2.基因转录调节的基本要素。基因转录调节的基本要素。3.乳糖操纵子基因表达调控模式。乳糖操纵子基因表达调控模式。4.转录调节因子的分类、结构特征。转录调节因子的分类、结构特征。5.比较真核原核基因表达调控的特点。比较真核原核基因表达调控的特点。