《ch16基因表达》PPT课件.ppt

Regulation of Gene Expression 基因表达调节 Jacques Monod, 1965 Franois Jacob, 1965 1961年，Jacob和Monod提出了操纵子学说（lac operon），开创了基因表达调节研究的新领域。 1. 基因表达的基本原理 2. 原核生物基因表达调节 3. 真核生物基因表达调节 1. 基因表达的基本原理 1.1 基因表达相关的概念 基因组（genome）：一个细胞或病毒所携 带的全部遗传信息或整套基因。 基因（gene）：编码一条多肽链，或是一 个具有一定结构或催化功能的RNA的DNA 片段。 基因表达（gene expression）：基因经过 转录、翻译，产生具有特异生物学功能的 蛋白质分子的过程。 How many genes do humans have? Approximately 30,000 genes. Alternative splicing 1.2 基因表达的特性 时间特异性（时序性） 按功能需要，某一特定基因的表达严格按 特定的时间顺序发生。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性。 空间特异性 在个体生长全过程中，某些基因的表达在 特定的组织空间发生。所以又称细胞或组 织特异性。 1.3 基因表达的方式 按对刺激的反应性不同，可分为： 组成型表达（constitutive gene expression ） 基因在一个个体的几乎所有细胞中持续稳 定表达。这些基因常称管家基因（ housekeeping gene）。 管家基因无论表达水平高低，较少受到环 境因素的影响。在基因表达研究中，常作为 对照基因，如-actin基因。 调节型表达（regulated gene expression） 在特定环境信号刺激下，基因被激活，基因 表达增强。这种基因称为可诱导基因。这个 过程称为诱导（induction）。 在特定环境信号刺激下，基因被抑制，基因 表达降低。这种基因称为可阻遏基因。这个 过程称为阻遏（repression）。 n协调表达（coordinate expression）：在一 定机制控制下，功能相关的一组基因，无 论其为何种表达方式，均需协调一致、共 同表达。这种调节称为协调调节（ coordinate regulation）。如SOS反应。 1.4 基因表达的多级调节 基因表达至少可在8个环节进行调节。原 核生物基因调节主要在转录水平；真核生 物则在不同水平进行。总的说来，转录起 始是基因表达的基本调节点。 Gene activationGene activation 1.5 转录调节的基本原理 1.5.1 RNA聚合酶与启动子的结合 启动子的序列，尤其是保守区序列，影响 RNA聚合酶与启动子结合的亲合力，对转 录起始的调节非常重要。 E. coli promoters 1.5.2 转录起始的调节蛋白 至少可分为特异性因子（specificity factors ）、阻遏蛋白（repressors） 、激活蛋白（ activators）三种。 特异性因子决定了RNA聚合酶与启动子结合 的特异性。如E.coli RNA聚合酶的亚基。 Promoters of heat shock gene 阻遏蛋白与负调节 阻遏蛋白与DNA结合后，会阻碍RNA聚合 酶与启动子的结合，或是使RNA聚合酶不 能沿DNA向前移动，从而阻碍转录。这种 调节称为负调节。 在原核生物中，与阻遏蛋白结合的DNA序 列称为操纵序列（operators） 。 Operator and negative regulation repressor 激活蛋白与正调节 激活蛋白可结合启动子邻近的DNA序列， 促进RNA聚合酶与启动子的结合，增强 RNA聚合酶的活性。这种调节称为正调节 。如真核生物中，增强子（enhancers）和 激活蛋白结合，增强基因表达的活性。 Activator and positive regulation 1.6 基因表达调节的生物学意义 适应环境，维持生长和增殖。 维持个体发育与分化 2. 原核生物基因表达调节 2.1 操纵子相关概念 2.2 乳糖操纵子调节机理 2.3 转录衰减调节机理 2.4 基因重组调节机理 2.5 SOS反应调节机理 2.1 操纵子相关概念 操纵子是基因表达的协调单位。通常由2 个以上功能相关的结构基因、启动子序列 、操纵序列以及其他调节序列组成。 操纵序列 操纵序列是阻遏蛋白的结合位点。当阻遏 蛋白结合到操纵序列上时，会阻碍RNA聚 合酶与启动子的结合，或是RNA聚合酶不 能沿DNA向前移动，阻碍转录。 The structure of operon 2.2 乳糖操纵子调节机理 乳糖操纵子由三个结构基因Z、Y、A和操 纵序列、启动子、CAP结合位点等调节序 列组成。 当没有乳糖存在时，乳糖操纵子处于阻碍 状态。当有乳糖存在时，乳糖操纵子被诱 导。 乳糖操纵子的诱导剂是异乳糖。IPTG是 异乳糖的结构类似物，在基因工程中用作 lacZ基因表达的诱导剂。 The structure of lac operon Repressor and negative regulation 异乳糖 异乳糖 lac operon 异丙基硫代半乳糖苷异乳糖 分解代谢阻遏：当只有乳糖存在时，细菌可 以利用乳糖作为碳源；而只要有葡萄糖存在 （只有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在）时， 细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖表现为对lac operon起阻遏作用。这种作用称为分解代谢 阻遏（catabolic repression）。 代谢物基因激活蛋白（Catabolite gene Activation Protein，CAP），又称cAMP受 体蛋白（cAMP Receptor Protein，CRP） 属于激活蛋白的一种，对乳糖操纵子进行正 调节。 CAP分子内分别有DNA结合区和cAMP结合 区。当CAP与cAMP结合后，就可结合到 CAP结合位点上，促进转录。 CAP and positive regulation cAMP 阻遏蛋白负调节与CAP正调节的协调 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能 发挥作用；而没有CAP存在时，即使没有阻 遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活 性。只有在CAP存在且没有阻遏蛋白与操纵 序列结合时，或者说只有高乳糖低葡萄糖时 ，操纵子发挥最大转录活性。 这种协调与细菌对碳源的优先利用相一致。 低乳糖时 高乳糖时 在协调调节下，lac operon的强诱导作用发生在高乳糖 、低葡萄糖的状态。 2.3 转录衰减（transcription attenuation）调 节机理 许多氨基酸生物合成的基因以转录衰减机 理调节。如Trp operon。 Trp operon编码合成Trp所需的5种酶。它 既受到阻遏蛋白的调节，又受到转录衰减的 调节。 衰减作用是转录开始后的调节机理。指的 是由衰减子终止转录的作用，是一种更为精 确的调节方式。 衰减子是 The structure of Trp operon 色氨酸操纵子导肽序列 色氨酸操纵子衰减机理 2.4 基因重组调节机理 沙门菌鞭毛素基因表达调节属于基因重组调 节。 沙门菌通过基因重组实现两种鞭毛素蛋白表 达的转换，达到逃避宿主免疫的目的。这种机 理在很多病原体中都存在。这个过程称为相变 （phase variation）。 沙门菌 2.5 SOS反应调节机理 大肠杆菌经紫外线照射会发生染色体DNA大 幅度损伤或DNA复制抑制，诱发一系列表型变 化，这一过程称为SOS反应。 SOS反应调节是分散在染色体上的基因协调 表达的典型例子。大多数诱导的基因与DNA修 复和变异发生相关。其中，最关键的是RecA 蛋白和LexA阻遏蛋白。 SOS反应 3. 真核生物基因表达调节 3.1 真核基因组结构特点 3.2 真核基因表达调节特点 3.3 真核基因转录激活调节的因素 3.1 真核基因组结构特点 真核基因组结构庞大 单顺反子 重复序列 基因不连续性 3.2 真核基因表达调节特点 具有三种RNA聚合酶，转录起始复杂； 基因激活和转录引起染色体结构和性质变 化。如核酸酶敏感、DNA拓扑结构变化、 DNA碱基修饰变化、组蛋白变化等； 正调节占主导，存在许多分子大、结构复 杂的调节蛋白； 转录与翻译分隔进行； 转录后修饰、翻译后加工。 3.3 真核基因转录激活调节的因素 （一）顺式作用元件 （二）反式作用因子 （一）顺式作用元件（ cis-acting element） 指的是可影响自身基因表达活性的DNA序列 。通常为非编码序列。包括启动子、增强子 、沉默子等。 cis-acting element 启动子（ promoter ） 真核基因启动子指的是RNA聚合酶结合位 点周围的一组转录调控组件，至少包括一个 转录起始点和一个以上的功能组件，如 TATA盒、GC盒、CAAT盒等。 增强子（ enhancer ） 指能增强启动子转录活性的DNA序列。通 常远离转录起始点，决定基因表达的时间和 空间特异性，但其作用与方向、距离无关。 在酵母中，类似的序列称为上游激活序列（ upstream activator sequences, UASs）。 沉默子（ silencer ） 指的是一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。 （二）反式作用因子（trans-acting factor） 指可与顺式作用元件相互作用的蛋白质因子 。 反式作用因子的调节方式 如果某一基因表达的蛋白质因子，与另一 基因的顺式作用元件相互作用，调节其表达 ，这种作用称为反式调节。 如果某一基因表达的蛋白质因子，与自身 基因的顺式作用元件相互作用，调节自身基 因的表达，这种作用称为顺式调节。 大多数转录调节因子以反式作用调节基因 的转录。 蛋白质C 转录调节因子的分类（ 按功能特性 ） 基本转录因子 指RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋 白质因子，决定三种RNA（mRNA、tRNA 、rRNA ）的转录类别。 特异转录因子 特异基因转录所必需的，决定该基因的时 间和空间特异性表达。包括转录激活因子和 转录抑制因子 。 转录调节因子的结构 DNA结合域 酸性激活域 TF 转录激活域 谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域 蛋白质-蛋白质结合域 （ 二聚化结构域 ） 最常见的DNA结合域： 锌指结构（ zinc finger ） 同源异型结构域（homeodomain） 最常见的蛋白质-蛋白质结合域： 亮氨酸拉链结构（leucine zipper） 碱性螺旋-环-螺旋结构（basic helix-loop-helix ） 锌指结构（ zinc finger ） 由30AA组成。2Cys 和 2His分别位于一个正 四面体的顶角，锌离子位于正四面体的中心 ，起稳定结构的作用。 常结合GC box。 在很多TF中，往往具有多个锌指结构以增 强结合功能。 C-Cys H-His 同源异型结构域（homeodomain or homeobox ） 在同源异型基因（homeogene）中发现，具 有高度保守性。 由约60AA组成，通常为helix-turn-helix结构 。 hemeodomain 亮氨酸拉链（leucine zipper） 由双亲性螺旋组组成。这些双亲性螺旋的特 征是每7个AA Leu重复出