医学基因结构与基因表达调控课件

1、医学基因结构与基因表达调控Regulation of Gene Expression医学基因结构与基因表达调控第第 一一 节节基因与人类基因组计划基因与人类基因组计划Basic Conceptions and Principle医学基因结构与基因表达调控（一）（一）原核生物原核生物基因结构特点基因结构特点 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)医学基因结构与基因表达调控（二）（二）真核生物真核生物基因结构特点基因结构特点BADNA编码

2、序列编码序列转录起始点转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列一些共有序列 ，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，这盒等，这些共有序列是些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的聚合酶或特异转录因子的结合位点。结合位点。 医学基因结构与基因表达调控（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：1 1 组成性表达组成性表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为续表达，通常被称为管家基因管家基因(housekeeping ge

3、ne)。医学基因结构与基因表达调控医学基因结构与基因表达调控医学基因结构与基因表达调控在一定机制控制下，功能上相关的一组基在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共 同 表 达 ， 即 为共 同 表 达 ， 即 为 协 调 表 达协 调 表 达 ( c o o r d i n a t e e x p re s s i o n ) ， 这 种 调 节 称 为 协 调 调 节这 种 调 节 称 为 协 调 调 节(coordinate regulation)。医学基因结构与基因表达调控基因组基因组( (genome) )泛

4、指一个有生命体、病毒或细胞器的全部泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）体（单倍体）DNA。 二、二、基因组基因组基因组学基因组学(genomics)就是发展和应用就是发展和应用DNA制图、测序新技术以制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能。因组结构及功能。医学基因结构与基因表达调控基因组学包括基因组学包括3个不同的亚领域个不同的亚领域结构基因组学结构基因组学(structural genomics) 功能基因组学功能基因组学(

5、functional genomics)比较基因组学比较基因组学(comparative genomics) 基因组学概念基因组学概念（一）人类基因组分析的主要内容（一）人类基因组分析的主要内容医学基因结构与基因表达调控结构基因组学结构基因组学结构基因组学结构基因组学(structural genomics)是通过是通过HGP的实施来完成的。的实施来完成的。HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终完成人类和其它重要模式生物和物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基因组全部基因组DNA序列测定，因此序列测定，因此HGP属于结属于结构基因组学范畴

6、。构基因组学范畴。医学基因结构与基因表达调控（一）物理制图（一）物理制图 （二）遗传制图（二）遗传制图 （三）基因组（三）基因组DNA序列测定序列测定 （四）创建计算机分析管理系统（四）创建计算机分析管理系统 HGP包括以下研究内容包括以下研究内容医学基因结构与基因表达调控HGP主要任务及内容主要任务及内容医学基因结构与基因表达调控通过通过HGPHGP获得的广泛基因组信息组成了结构获得的广泛基因组信息组成了结构基因组学的基本内容，是开展功能基因组学的基因组学的基本内容，是开展功能基因组学的研究的基础；同时为详尽研究每一个单基因遗研究的基础；同时为详尽研究每一个单基因遗传病提供传病提供“平台平台

7、”，并将成为复杂的多基因遗，并将成为复杂的多基因遗传病研究的发端。传病研究的发端。医学基因结构与基因表达调控功能基因组学功能基因组学完成一个生物体全部基因组测序后即进完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基因组测序阶段入后基因组测序阶段详尽分析序列，详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包括研究描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式，这就是功能基因的表达及其调控模式，这就是功能基因组学（基因组学（functional genomics）。）。 医学基因结构与基因表达调控 1 鉴定鉴定DNA序列中的基因序列中的基因 2 同源搜索设计基因功能同源搜索设计基因功能 3 实验性设计

8、基因功能实验性设计基因功能 4 描述基因表达模式描述基因表达模式 主要具体内容包括以下方面主要具体内容包括以下方面 医学基因结构与基因表达调控功能基因组学研究策略及主要内容功能基因组学研究策略及主要内容医学基因结构与基因表达调控比较基因组学比较基因组学比较基因组学比较基因组学(comparative genomics)涉及涉及比较不同物种的整个基因组，以便深入理解每比较不同物种的整个基因组，以便深入理解每个基因组的功能和进化关系。个基因组的功能和进化关系。 医学基因结构与基因表达调控（二）基因组学与医学关系（二）基因组学与医学关系The Relation between Genomics an

9、d Medicine医学基因结构与基因表达调控基因病的概念基因病的概念以基因组学为基础，从疾病和健康的角以基因组学为基础，从疾病和健康的角度考虑，人类疾病大多直接或间接地与基因度考虑，人类疾病大多直接或间接地与基因相关，故有相关，故有“基因病基因病”概念产生。根据这一概念产生。根据这一概念，人类疾病大致分为三类：概念，人类疾病大致分为三类：（一）单基因病（一）单基因病 （二）多基因病（二）多基因病 （三）获得性基因病（三）获得性基因病 医学基因结构与基因表达调控疾病相关基因的鉴定疾病相关基因的鉴定1 1 检测人类基因变异或突变检测人类基因变异或突变 2 2 疾病时基因组差异表达分析疾病时基因组

10、差异表达分析 3 3 染色体制图定位及疾病相关基因克隆染色体制图定位及疾病相关基因克隆 医学基因结构与基因表达调控第第 二二 节节 原核基因转录调节原核基因转录调节Regulation of Prokaryotic Gene Transcription医学基因结构与基因表达调控调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始原核基因转录调节特点原核基因转录调节特点 1 因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性 2 操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性 3 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性医学基因结构与基因表达调控一、乳糖操纵子调节机制一、乳糖操纵子调节机制（一

11、一）乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点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： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNA医学基因结构与基因表达调控mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二二）阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因医学基因结构与基因表达调控mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白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医学基因结构与基因表达调控+ + + +

12、 + + + + 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）CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP医学基因结构与基因表达调控（四四）协调调节协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能对该系统不能发挥作用；发挥作用；如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。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；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若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，

13、细乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代分解代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。 医学基因结构与基因表达调控Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子医学基因结构与基因表达调控UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码

14、子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUU医学基因结构与基因表达调控UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1. 1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止医学基因结构

15、与基因表达调控UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 2. 2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 医学基因结构与基因表达调控第第 三三 节节 真核基因转录调节真核基因转录调节Regulation of Eukaryotic Gene Transcription医学基因结构与基因表达调控真核基因转录激活调节真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件一）顺式作用元

16、件1. 启动子启动子真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个少包括一个转录起始点转录起始点以及一个以上以及一个以上的的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒医学基因结构与基因表达调控医学基因结构与基因表达调控2. 增强子增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序序列。列。3. 沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异某些基因的负性调节元件，当其结

17、合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。医学基因结构与基因表达调控（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）* 基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。医学基因结构与基因表达调控* 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定

18、该基因的为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、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医学基因结构与基因表达调控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医学基因结构与基因表达调控最常见的最常见的DNA结合域结合域 1. 锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒医学基因结构与基因表达调控ZnCysHis医学基因结构与基因表达调控 2. -螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒医学基因结构与基因表达调控（三（三）mRNA 转录激活及其调节转录激活及其调节polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核真核RNA聚合酶聚合酶